專利名稱：生產用于航空和航天旅行的復合纖維組件的方法和成形裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種生產用于航空和航天的纖維復合組件的方法，且本發(fā)明涉及一 種用于借助于此類方法而生產此類纖維復合組件的成形裝置。盡管其可與任何纖維復合組件一起使用，但下文參考片狀縱材增強型 (sheet—like, stringer-reinforced)碳纖維塑料材料(carbon fibre plastics material, CFRP)組
件(例如，飛機蒙皮外殼)較詳細地闡釋了本發(fā)明和本發(fā)明潛在的問題。
背景技術：
為了以盡可能少的額外重量承受航空領域中產生的高負載而用CFRP縱材增強 CFRP蒙皮外殼的技術是眾所周知的。為了此目的使用了不同類型的縱材，例如T縱材 和Ω縱材。T縱材的橫截面由基座和腹板組成?；沁B接到蒙皮外殼的表面。T縱材增 強型蒙皮外殼的使用在飛機構造中非常普遍。舉例來說，具有縱材的蒙皮外殼是使用浸出工藝(infusionprocess)來并入呈半成 品纖維產物的基質(例如環(huán)氧樹脂)而生產的。半成品纖維產物包括織物、非織物和纖 維氈。這些產物配備有基質且然后在(例如)高壓釜中固化。浸出工藝可比生產纖維復 合組件的其它已知方法(例如預浸工藝)更經(jīng)濟，因為這準許使用更經(jīng)濟的半成品纖維產 物。在開發(fā)新的航空和航天飛行器組件時，常常存在很多迭代階段直到發(fā)現(xiàn)最佳的 組件幾何形狀為止。這對制造裝備的幾何形狀有影響，結果是，對成品系列工具的修改 不可避免。按照現(xiàn)狀來看，由于所使用的材料和生產工藝，用于生產CFRP組件的制造設備 和工具的生產常常是極為耗時和昂貴的。這將通過考慮一實例而變得明確。在開發(fā)和生 產新的縱材增強型面板(例如，舵單元外殼)時，可能由于高負載將不得不修改基座蒙皮 或縱材的層壓厚度。如果縱材中存在任何斜坡，則由于(例如，在基座蒙皮中)不同的 層壓厚度也必須修改這些斜坡。因此也有必要修改用以制造所述縱材的工具。在制造縱材(例如，使用所謂的HotForm工藝)且隨后在面板上用定型和固化工 藝處理縱材時，目前針對每一工藝而使用個別的工具，這相應地導致了對時間、部件和 成本的高需求。文獻DE 600 09 259 T2描述一種用于復合材料組件的制造工藝，其中借助于結構 粘結劑使至少一個未固化的支柱粘附到硬化的基座組件。這種粘結通過使用特別為此目 的而設計的工具來成形和施加壓力而產生，因此可能控制和保持樹脂和高壓釜循環(huán)期間 所產生的粘結劑的流量。文獻DE 601 04 046 T2描述一種用于由纖維增強型復合材料生產中間產物的方 法。此方法包括由包含用熱固化樹脂浸漬的增強纖維的纖維增強型復合材料生產具有1到50%的硬度等級的半固化中間產物。

發(fā)明內容
考慮到以上情況，本發(fā)明的目標是提供一種生產用于航空和航天的纖維復合組 件的較經(jīng)濟的方法和較經(jīng)濟的成形裝置。根據(jù)本發(fā)明，通過具有權利要求1的特征的方法和/或具有權利要求11的特征 的成形裝置實現(xiàn)了此目標。本發(fā)明潛在的一個概念需要提供用于使成形/支撐元件成形的具有模具部分的 成形工具，所述成形/支撐元件用以形成增強部分或增強元件，且在從成形工具中移除 時、定位時和固化時與增強部分一起留下且支撐增強部分。因此，本發(fā)明提供一種生產用于航空和航天的纖維復合組件的方法，首先提供 一種具有預定義模具部分的成形工具。上面沉積有或至少在其部分上沉積有半成品纖維 產物的成形/支撐元件借助于成形工具的模具部分而成形。沉積的半成品纖維產物借助 于成形/支撐元件而形成以形成至少一個增強部分，在此之后從成形工具中移除成形/支 撐元件和在此元件上形成的增強部分。然后以界定的方式相對于由成形/支撐元件所支 撐的相關聯(lián)的纖維復合組件部分而定位如此形成的增強部分。然后使增強部分固化以形 成增強型纖維復合組件。用于航空和航天的此類纖維復合組件的成形裝置也具備成形工具，所述成形工 具具有預定義的模具部分和成形/支撐元件，所述成形/支撐元件固持于成形工具的模具 部分中使得其可被移除。因此本發(fā)明比上文所提及的方法具有優(yōu)勢用以形成增強部分或縱材的模(die) (例如，在HotForm工藝中)，即成形/支撐元件，同時也可用于隨后的定型和固化工藝 中。因此這節(jié)約了時間和開支。在附屬權利要求中描述了本發(fā)明的有利的實施例和改進。根據(jù)增強元件或部分(例如，縱材)、成形/支撐元件(例如，薄片)的幾何數(shù) 據(jù)產生成形工具，所述成形工具再產生隨后組件(例如，縱材)的幾何形狀。在此工藝 中，研磨可(例如)由木材制成的成形工具直到獲得用于使成形/支撐元件變形的模具部 分為止。然后所得的薄片具有可能為(例如)L形或U形型材的型材。薄片可(例如) 由鋼或鋁制成，但也可由纖維復合材料或上文所提及的材料的組合物制成。所得的成形的成形/支撐元件現(xiàn)在可同時用作隨后的HotForm工藝中的增強部分 的成形表面。在此操作期間，其可留在成形工具上。也可能不僅使用成形/支撐元件， 還使用成形工具(例如，其表面的一部分)來用于沉積半成品纖維產物。在進行增強部分的熱成形之后，將成形/支撐元件連同元件上的增強部分一起 從成形工具中移除，其中成形/支撐元件充當用于增強部分定型工藝以及用于隨后的固 化工藝的支撐元件。然后將成形/支撐元件從固化的增強部分移除并重新放置在成形工 具的模具部分上，這樣準許再次使用成形/支撐元件。在沉積的半成品纖維產物的成形工藝期間，也可能在待沉積的半成品纖維產物 之下、在成形/支撐元件上、且也在為此目的而使用的成形工具的表面上涂覆隨后的固 化工藝所需要的真空膜，從而產生能夠使模制/支撐元件和成形工具與增強部分分離的分離元件。這也使成形/支撐元件可能在固化工藝期間留在真空區(qū)域之外。此程序的結果 是，此處可使用經(jīng)濟的金屬薄片(鋼、鋁)。金屬型材在縱向方向上的熱膨脹在此情況下 對增強部分或縱材的幾何形狀并沒有負面影響，因為成形/支撐元件可自由移動。因此 在此例中不需要例如Ni-36等昂貴的工具材料。另外的分離元件(例如，相應的涂層)當然也可用以實現(xiàn)分離，且此類涂層也可 在沒有分離膜的情況下使用。舉例來說，如果現(xiàn)在為了靜止的原因需要修改半成品纖維產物或層壓結構，則 增強元件(即，成形/支撐元件)的幾何輪廓發(fā)生改變。因此，作為用于半成品纖維產 物的成形工具的壓型(profiled)薄片或成形/支撐元件的幾何形狀以及原始模具的幾何形 狀(即，用于成形/支撐元件的成形和形成的成形工具的幾何形狀)必須重新修改以適于 每一個別情況，即再造。可由經(jīng)濟的材料(例如，柳安木)制造成形工具，因為壓型薄片需要(例如)簡 單的薄片成形。同樣的工具材料也可用以由CFRP構成成形和固化工具，即成形/支撐元 件。由于其具有與待固化的材料(即，在此情況下為縱材或增強部分)相同的熱膨脹特 性，所以此類CFRP工具具有的優(yōu)勢為，其也可用于難處理的幾何形狀(例如，斜坡、底 切)。另一方面，薄片金屬型材僅可用于簡單的幾何形狀(無斜坡或僅有較小的斜坡)。在本發(fā)明的一個實施例中為了形成復合增強型材經(jīng)構型部件，以成形工具形成 的成形/支撐元件也可接合到使用另一成形工具而形成的另一成形/支撐元件。如果(例 如)所形成的單個成形/支撐元件具有L形型材，那么可將其接合以形成具有T形型材的 縱材，其中成形工具還充當支撐件和壓力工具。U形型材也是如此，其彼此間可接合?；蛘?，為了創(chuàng)造兩個L形型材，也可能將如此形成的一個U形型材沿其在成形 工具上的長度而分開。還建議應將成形/支撐元件連同在此元件上形成的增強部分一起從成形工具中 移除，且應借助于處理裝置來界定位置。成形/支撐元件可經(jīng)設計為與處理裝置(例如， 與嚙合裝置)相互作用。舉例來說，所述處理裝置可替代地具有吸入夾持器。


下文基于實施例且參考附圖中的圖式較詳細地闡釋本發(fā)明。圖Ia到圖Ib示出了具有模具部分的成形工具的實施例；圖2a到圖2b示出了按照圖Ib的以成形工具形成成形/支撐元件的實施例；圖3示出了由具有L形型材的兩個增強部分形成T形型材的實施例；圖4示出了由具有U形型材的兩個增強部分制成的復合增強部分的形成的另一實 施例；圖5示出了具有分離元件的圖3的實施例；圖6示出了具有分離元件的圖4的實施例；以及圖7a到圖7h是展示生產用于航空和航天的纖維復合組件的根據(jù)本發(fā)明的方法和 根據(jù)本發(fā)明的成形裝置的實施例中的階段的示意圖。
圖中的所有圖式中，除非另有說明，否則相同的元件或發(fā)揮相同功能的元件以 相同的參考標號展示。
具體實施例方式圖Ia和圖Ib示出了具有模具部分3的成形工具2的實施例。在此實例中，成 形工具2為由木材制成的具有界定的長度和矩形橫截面的部分(僅展示了橫截面)。成形 工具2也可由不同的材料(例如，鋼)制成。使用例如研磨(也可想象出其它方法，如 鑄造方法)等機械加工方法，使成形工具2的一個邊緣(或更多邊緣)具備凹座，這些凹 座形成在成形工具2的部分或整個長度上延伸的模具部分3。在模具部分3的幫助下，如箭頭所示，以合適的方式使成形/支撐元件4變形使 得其呈現(xiàn)模具部分3的形狀。為此，圖2a展示處于其最初位置的成形/支撐元件4，且 圖2b展示其位于經(jīng)變形的位置。在此實例中，成形/支撐元件4為金屬薄片，其在厚度 上對應于模具部分3中凹座的深度，結果是變形的成形/支撐元件4的表面與成形工具2 的相應表面大體上相齊平地延伸。變形的成形/支撐元件4在此實例中具有L形型材橫 截面。現(xiàn)在同時參看圖7a到圖7h，這些圖表示生產用于航空和航天的纖維復合組件1 的根據(jù)本發(fā)明的方法和根據(jù)本發(fā)明的成形裝置的實施例中的階段的示意說明。成形的成形/支撐元件4留在成形工具2的模具部分3中且形成用于半成品纖維 產物5的成形工具(參見圖3和圖7a、7b)。在隨后的階段中，以使得半成品纖維產物5 圍繞成形/支撐元件4且適應成形/支撐元件4的形狀(圖7c)的方式將半成品纖維產物 5沉積并成形在成形/支撐元件4上。多種制造方法(例如HotForm工藝)可用以處理半成品纖維產物5中的復合纖維 材料。在此例中優(yōu)選地選擇所謂的真空浸出工藝。然而，預浸工藝在此處也同樣適用。在此工藝中，具有位于在此模具上的模具部分3中的成形/支撐元件4 (半成品 纖維產物5沉積于此元件上)的成形工具2在真空膜裝置17之下(例如在高壓釜中)在 固化循環(huán)中的熱效應(參見圖7d中的太陽符號)和壓力效應下被固化，從而產生增強部 分7(圖7e)。如下文較詳細描述，在此實例中此增強部分7具有L形型材且可用作L形縱材來 增強纖維復合組件1。為此，圖3描述展示具有T形型材的復合增強部分9的形成的實施例，所述T形 型材由具有L形型材的兩個增強部分7制成。圖3以部分截面展示兩個成形工具2。成形工具2使其縱向側面面向彼此(參見 圖7f)且各自的模具部分3中的每一個中固持有一個成形/支撐元件4，這分別被用以使 沉積的半成品纖維產物5成形和以L形型材形成增強部分7 (參見圖7c到7f)。在此實例 中，增強部分7位于頂部側面(L形型材的較長的側面)，不但位于成形/支撐元件4上， 而且也位于成形工具2的表面的一部分上。此實例中，具有L形型材的連接部分7的較 短的側面面向彼此，其中刀片位于其間以獲得額外的增強(圖7f中并未提供刀片)。通過一起按壓成形工具2的縱向側面，使具有L形型材的增強部分7的較短的側 面以合適的方式接合在一起，因此形成具有T形型材的增強部分9，增強部分9的基座由具有L形型材的單個增強部分7的較長側面組成且是顛倒的。圖4描繪展示由具有U形型材的兩個增強部分8制成的復合增強部分的形成的另 一實施例。U形型材通過在成形工具2和成形/支撐元件4的表面上沉積半成品纖維產 物(圖7c)且相應地使其變形而形成，在此實例中，固持于模具部分3中的并入在成形工 具2的兩個相對縱向邊緣上。在圖4中，增強部分8如圖3下所描述而變形。圖4(和圖 7f)展示當一起按壓成形工具時，具有U形型材的增強部分8的較短側面被接合在一起， 且在此例中還提供了刀片6。這樣接合的兩個或兩個以上U形型材可被用以形成纖維復 合組件。然而，具有U形型材的增強部分8也可能在其縱向方向上分開，導致各具有一 L 形型材的兩個增強部分7，其可如上文所闡釋接合在一起以成為具有T形型材的增強型材 部件9(參見圖7g、7h)。相應型材側面的長度可由成形工具2以及相應成形/支撐元件 4的型材的寬度決定。如在圖5中的類似于圖3的實施例中所示，還可能將分離元件15定位在半成品 纖維產物5與成形成形/支撐元件4或成形工具2之間。在此例中的分離元件15為真空 膜，這使得有可能在定型和固化工藝(參見下文)中的隨后的固化(圖7h)期間使成形/ 支撐元件4與增強部分7、8、9分離且因此準許其留在真空區(qū)域之外。因此，如上所述， 這使得有可能避免使用昂貴的工具材料
分離元件15被應用到每一成形工具2且在此實例中借助于密封劑16 (例如，密 封油灰)以密封的方式彼此連接。圖6展示在具有類似于圖4的U形型材的增強部分8的情況下分離元件15的使 用。對圖5的闡釋也適用于此。圖7a到圖7h是展示生產用于航空和航天的纖維復合組件1的根據(jù)本發(fā)明的方法 和根據(jù)本發(fā)明的成形裝置的實施例中的階段的示意說明。成形裝置具有上文所述的成形工具2，所述成形工具2具有上文所述的模具部分 3。在此實例中，成形工具2示為在圖7a到圖7h中其縱向延伸的透視。此處，成形 工具2被固持在具有相互作用的型材(例如，鳩尾型材或類似型材)的支撐元件11上。 在圖7b中，模具部分3具備變形的成形/支撐元件4。在圖7c中將半成品纖維產物5應 用到成形/支撐元件4 (且如有必要也應用到成形工具2的表面)。在此工藝中成形/支 撐元件4充當用于半成。
品纖維產物5的成形元件以形成增強部分7。圖7d為固化或預固化增強部分7的HotForm工藝的示意說明。為此，將具有附 接的成形/支撐元件4和如此成形的半成品纖維產物5的成形工具2以支撐元件11定位 在真空膜裝置17之下的基座板10上。太陽符號旨在展示固化或預固化增強部分7的熱 的效應。如圖7e所示，如此固化的增強部分7留在具有成形/支撐元件4的成形工具2 上。在此實例中，為了形成具有T形型材的增強部分9，現(xiàn)在將如上文所述制備的具有 增強部分7的兩個成形工具2定位在基座板10上，其中增強部分7具有面向彼此的L形 型材(在此情況中，L形型材的較長的側面面向彼此)。如上文所闡釋，具有T形型材 的復合增強部分9 (圖7f)通過被按壓在一起而創(chuàng)造。
以適當?shù)姆绞綄⑷绱诵纬傻脑鰪姴糠?連同成形/支撐元件4(其現(xiàn)也充當支撐 元件)一起從成形工具2中移除，這并未以任何更詳細的方式展示，且轉而使用處理裝置 13，在圖7g和圖7h中僅示意性地說明處理裝置13與夾持器元件14。然后開始運輸增強 部分9和在其兩個縱向側面上的成形/支撐元件4以用于定位在待增強的纖維復合組件1 上，如圖7h中示意性地說明。具有T形型材的其它增強部分9已定位在纖維復合組件1 上，例如用于航空或航天的舵單元的外殼組件。其他增強部分也由發(fā)揮支撐元件功能的 相應成形/支撐元件4支撐。這種所謂的定型工藝之后是固化工藝(未說明)，例如類似 于圖7d所示的工藝。在分離元件15 (參見圖5和圖6)的情況下，這些元件以密封方式連接在一起， 其中成形/支撐元件4如上文所述被定位在此真空區(qū)域之外。在使如此增強的纖維復合組件1固化之后，在處理裝置的幫助下將成形/支撐元 件4移除且重新插入于用以準許對其重新使用的成形工具2的模具部分3中。本發(fā)明并不限于圖中所示的生產用于航空和航天的纖維復合組件1的特定方法 和成形裝置。舉例來說，本發(fā)明概念也可應用于運動裝備或賽車運動領域中的纖維復合組 件。增強部分7、8和9還可制造為其它型材形狀。成形工具2還可由鑄造材料制成。成形/支撐元件4還可由復合纖維材料(例如，CFRP)構成。在用于生產用于航空和航天的增強型纖維復合組件1的方法中提供具有預定義 的模具部分3的成形工具2。借助于成形工具2的模具部分3來模制成形/支撐元件4。 然后使半成品纖維產物5至少部分地沉積于成形的成形/支撐元件4上。使沉積的半成 品纖維產物5借助于成形/支撐元件4而變形以形成至少一個增強部分7、8、9。然后將 成形/支撐元件4連同形成在此元件上的增強部分7、8、9 一起從成形工具2中移除，接 著通過以成形/支撐元件4支撐而相對于相關聯(lián)的纖維復合組件部分12對如此形成的增 強部分7、8、9進行界定的定位。增強部分7、8經(jīng)固化以形成增強型纖維復合組件1。 成形裝置具備固持成形/支撐元件4使得其可被移除的預定義的模具部分3。
權利要求
1.一種生產用于航空和航天的增強型纖維復合組件(1)的方法，其具有以下步驟 ω提供具有預定義的模具部分(3)的成形工具(2)；( )借助于所述成形工具(2)的所述模具部分(3)而模制成形/支撐元件(4)； (iii)將半成品纖維產物(5)至少部分地沉積在成形的所述成形/支撐元件(4)上； (iV)借助于所述成形/支撐元件⑷而模制沉積的所述半成品纖維產物(5)以形成至 少一個增強部分(7、8、9)；(V)將所述成形/支撐元件(4)連同形成在此元件上的所述增強部分(7、8、9) 一起 從所述成形工具(2)中移除；(Vi)通過以所述成形/支撐元件⑷支撐而相對于相關聯(lián)的纖維復合組件部分(12) 對如此形成的所述增強部分(7、8、9)進行界定的定位；以及(Vii)將所述增強部分(7、8、9)固化以形成所述增強型纖維復合組件(1)。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述半成品纖維產物(5)至少部分地沉積在形成的所述成形/支撐元件(4)上以及所 述成形工具(2)上。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的方法，其特征在于，在部分沉積至少一個所述半成品纖維產物(5)之前，將分離元件(15)應用于所述半 成品纖維產物(5)之下。
4.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于， 所述分離元件(15)為真空膜。
5.根據(jù)前述權利要求中至少一項權利要求所述的方法，其特征在于，將至少兩個增 強部分(7、8)接合在一起以在使所述沉積的半成品纖維產物(5)變形之后形成至少一個 復合增強部分(9)。
6.根據(jù)權利要求5所述的方法，其特征在于，將增強部分(8)在縱向方向上分開以形成兩個單個的增強部分(7)。
7.根據(jù)權利要求5或6所述的方法，其特征在于所述至少兩個增強部分(7、8)連同所述成形/支撐元件(4) 一起在所述接合工藝期 間留在所述相應成形工具(2)上且通過一起按壓所述成形工具(2)而接合。
8.根據(jù)前述權利要求中至少一項權利要求所述的方法，其特征在于，將所述成形/支撐元件(4)連同形成在此元件上的所述增強部分(7、8、9) 一起從所 述成形工具(2)中移除且借助于處理裝置(13)而界定位置。
9.根據(jù)前述權利要求中至少一項權利要求所述的方法，其特征在于，在形成所述增強型纖維復合組件(1)之后將所述成形/支撐元件(4)移除且重新放置 在所述成形工具(2)的所述模具部分(3)上以便對其重新使用。
10.根據(jù)前述權利要求中至少一項權利要求所述的方法，其特征在于， 所述成形/支撐模(4)包含金屬材料和/或復合材料。
11.一種生產用于航空和航天的增強型纖維復合組件(1)的成形裝置，其具有 成形工具(2)，其具有預定義的模具部分(3)；以及成形/支撐元件⑷，其固持在所述成形工具⑵的所述模具部分⑶中使得其可被移除， 所述成形工具⑵的所述預定義的模具部分⑶經(jīng)配置以使所述成形/支撐元件⑷成形。
全文摘要
在一種生產用于航空和航天的增強型纖維復合組件(1)的方法中，提供了具有預定義的模具部分(3)的成形工具(2)。借助于所述成形工具(2)的所述模具部分(3)而模制成形/支撐元件(4)。然后使半成品纖維產物(5)至少部分地沉積于所述成形的成形/支撐元件(4)上。借助于所述成形/支撐元件(4)而使所述沉積的半成品纖維產物(5)變形以形成至少一個增強部分(7、8、9)。然后將所述成形/支撐元件(4)連同形成在此元件上的所述增強部分(7、8、9)一起從所述成形工具(2)中移除，接著是通過以所述成形/支撐元件(4)支撐而相對于關聯(lián)的纖維復合組件部分(12)對如此形成的所述增強部分(7、8、9)進行界定的定位。使所述增強部分(7、8、9)固化以形成所述增強型纖維復合組件(1)。成形裝置具備固持成形/支撐元件(4)使得其可被移除的預定義的模具部分(3)。
文檔編號B29D99/00GK102015274SQ200980115231
公開日2011年4月13日 申請日期2009年3月13日 優(yōu)先權日2008年4月30日
發(fā)明者H·朗斯菲爾德, H·馬夸特, P·桑德 申請人:空中客車控股有限公司