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CN114269548B - 用于制造由纤维复合材料构成的构件的方法和装置 - Google Patents

用于制造由纤维复合材料构成的构件的方法和装置 Download PDF

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CN114269548B
CN114269548B CN202080059377.8A CN202080059377A CN114269548B CN 114269548 B CN114269548 B CN 114269548B CN 202080059377 A CN202080059377 A CN 202080059377A CN 114269548 B CN114269548 B CN 114269548B
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Abstract

本发明涉及一种用于制造由纤维复合材料(2)构成的构件的方法和装置，其具有如下步骤：‑在内模具(3)与外模具(4)之间形成的模具空间(9)内将由以基质浸渍的纤维构成的多个层(10,11)引入到内模具(3)上，‑将朝向外模具密封的膜片(6)放置到以基质浸渍的纤维上，如此使得在外模具(4)与膜片(6)之间形成沿着外模具的周面延伸的空腔(7)，以及‑以具有大于基质的熔点的温度和大于周围环境压力的压力的可调温的压力流体加载空腔(7)，如此使得可调温的压力流体以压力作用到膜片上。为了制造具有至少一个增强层的构件，该构件具有特别平滑的、无阶级的表面，提出了将具有主要平行取向的纤维的在膨胀方面更小的至少一个增强层(11)借助于放入装置(12)局部地放置到基层(10)的面向外模具(4)的侧面的一部分上，并且随后具有1.0µm之下、优选地0.1µm之下的平均粗糙度的膜片(6)将设定的在空腔中的压力施加到构件(2)上。

Description

用于制造由纤维复合材料构成的构件的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于制造由纤维复合材料构成的构件的方法，其具有如下步骤：
-在内模具与外模具之间形成的模具空间内将由以基质浸渍的纤维构成的多个层引入到内模具上，
-将朝向外模具密封的膜片放置到以基质浸渍的纤维上，如此使得在外模具与膜片之间形成沿着外模具的周面延伸的空腔，以及
-以具有大于基质的熔点的温度和大于周围环境压力的压力的可调温的压力流体加载空腔，如此使得可调温的压力流体以压力作用到膜片上。
本发明此外涉及一种用于在内模具上制造由纤维复合材料构成的构件的挤压组件，其具有：
-外模具，其与内模具形成模具空间，
-朝向外模具密封的、与该外模具形成空腔的膜片，
-和压力联接件，其用于以可调温的压力流体填充空腔，使得压力和温度可以作用到膜片上。
背景技术
在DE102017113595A1中详细地描述了这种方法和这种挤压组件。本发明由该描述的方法或该描述的挤压组件的改进产生。
优选地，膜片由金属制成并且在模具空间内分隔出空腔。作为可调温的压力流体，通常最合理地使用热油
属于纤维复合材料的有机板材在现有技术中是已知的并且尤其被使用在飞机制造和汽车制造中，以便相对于传统的材料在刚性类似或甚至更好的情况下获得显著更轻的构件。这种有机板材通常具有嵌入到热塑性的塑料基质中的纤维织物或纤维布(Fasergelege)，并且经常与作为纤维材料的玻璃、芳纶或碳一起作为纤维基质半成品存在。例如，有机板材由合并的预浸料层产生。因为预浸料能够以简单的方式借助于已知的金属加工的方法热成型，造成与常规的热固性的纤维复合材料相比更短的过程时间。
在飞机制造的领域中，由纤维复合材料构成的在剖面中半圆形的机身部分最近被单独地预制为下壳和上壳，并且在随后的最终装配中组装成成品的飞机机身。机身部分通常借助于内模具和外模具在C型框架挤压机中成型。
在借助于根据DE102017113595A1的方法制造大型复合构件的情况下确保了恒定的合并压力(Konsolidierungsdruck)全面地作用到飞机机身半部上。此外，可以保证，例如在半圆形飞机机身半部的纵向边缘处的合并压力相对于构件具有足够大的或总体存在的法向分量。
然而，在制造中发现，从期望更厚的壁厚区域到更薄的壁厚区域的过渡醒目地阶级状地设计。这不仅不美观，而且例如在飞机构件、船舶构件或汽车构件中具有在表面处产生空气或水的涡流的特性。
发明内容
由此出发，本发明的目的是，说明一种方法和一种挤压组件，借助于所述方法和挤压组件可以制造由纤维复合材料构成的构件，其在制造过程中面向膜片的侧面上局部地具有由以基质浸渍的纤维构成的至少一个增强层，但仍然具有特别平滑的、无阶级的表面。
本发明的目的在方法方面通过下文描述的特征来实现，并且尤其由此来实现，即将具有主要平行取向的纤维的在尺寸方面更小的至少一个增强层借助于放入装置局部地放置到基层的面向外模具的侧面的一部分上，并且随后具有1.0μm之下、优选地0.1μm之下的平均粗糙度深度的膜片将设定的在空腔中的压力施加到构件上。
本发明的目的在挤压组件方面通过下文描述的特征来实现，并且尤其由此来实现，即存在放入装置用于将由以基质浸渍的纤维构成的多个层连续放置到内模具上，并且其适合于将在尺寸方面更小的至少一个增强层局部地放置到基层的面向外模具的侧面的一部分上，并且具有1.0μm之下、优选地0.1μm之下的平均粗糙度深度的膜片如此布置和密封，使得空腔中的压力将膜片压到至少一个增强层和基层上。
增强层即利用放入装置被放置到基层上。在此，纤维可以如此取向，使得其相对于基层的纤维形成期望的角度。在将增强层的准确的放置区域保持到基层上时的精度利用放入装置来实现。例如以预浸料的形式的增强层在此通常具有50μm至200μm的厚度。与此相反，基层例如也可以由有机板材形成。
由将可调温的压力流体用作在外模具与膜片之间的空腔中的压力-和加热介质的基本构思出发，可以全面地在膜片处实现一样大的合并压力、以基质浸渍的纤维的针对性的且均匀的加热以及可调温的压力流体的用于冷却和维持构件的快速交换。
在挤压过程中，于是令人惊讶地表明，具有基本上平行取向的纤维的增强层借助于“镜面平滑”的膜片产生构件的与利用目前为止使用的膜片不同的特性。在此，在放置侧处的膜片的平均粗糙度深度应处于1.0μm之下，优选地0.1μm之下，并且相当优选地甚至0.05μm之下。在挤压过程之前放入增强层之后清楚可见的阶级利用这样的膜片在挤压过程之后完全消失。取而代之，产生了完全平滑的表面，亦即达到不再可感觉从基础层到增强层的过渡的程度。极其平滑的膜片原因在于，由于可调温的压力流体作用到膜片上的和因此作用到以尤其热塑性的塑料基质浸润的纤维上的挤压压力在膜片的每个部位处在膜片的法向的方向上和因此同样在所放入的增强层的阶级的方向上相对于基层起作用。每个阶级以这种方式被平滑成弯曲的面。假设纤维的很大程度的平行度给出自由空间，在外棱边处也可以如此强烈地挤压增强层，使得实现到基层的不可感觉的过渡。
本发明的相同的发明对象不仅对该方法而且对挤压组件有效。
如此，有利的是，膜片具有0.05mm-0.5mm的厚度。
优选地马氏体的优质钢作为膜片在该厚度中具有期望的延展性和拉伸强度。同时，在放入增强层时可以通过在外模具处的磁体使膜片保持，一直直到压力大到使得膜片从磁体上松开并且被压到增强层上。
优选的是，至少一个增强层具有与基层相同的基质材料。
基层的热塑性的基质材料和增强层的热塑性的基质材料那么可以在超过熔点之后形成一个整体。
优选地，具有朝向外模具越来越小的面积大小的多个加强层被层叠或来层叠。
并且特别优选地，具有朝向外模具越来越小的面积大小的增强层不突出超过位于下方的增强层。
以这种方式，可以在基层上产生增强层的多层的加厚部，其呈现具有极其平滑的表面的拱曲部。
有利地设置成，纤维具有在1与20μm之间的厚度。
尤其在下部区域中，纤维薄到使得阶级借助于熔化的倾斜伸延的基质材料不再可感觉。而在增强部的区域中穿过构件的每个剖面将表面的抛物线形伸延示出为平滑的曲线。
优选地，可调温的压力流体的温度可设定或被设定到高达400℃并且可设定或设定超过35bar的压力。
原则上，内模具和外模具可以具有任意形状。在压力机的情况下，内模具可以是下部工具并且外模具可以是上部工具。还进一步优选地，相叠安放的内模具和外模具在其边缘处压力密封地和/或密封地封闭并且/或者在其边缘处接触地相叠安放。就此而言，该方法优选地具有另外的步骤：将外模具安放到内模具上，如此使得外模具和内模具在其边缘处密封地相叠安放用于构造模具空间；并且/或者尤其借助于压力机使相叠安放的外模具和内模具相对于彼此固定和/或张紧。
该方法原则上可以利用任意的以基质浸渍的纤维来执行，但纤维优选地实施为玻璃纤维、芳纶纤维和/或碳纤维或炭纤维。相当特别优选地，以热塑性的塑料基质浸润的纤维实施为纤维基质半成品、纤维复合材料和/或有机板材和/或预浸料。以基质浸渍的纤维优选地实施为以热塑性的塑料基质浸润的纤维。
附图说明
下面参考附图依据一优选的实施例更详细地阐述本发明。
在附图中：
图1a至图1c以示意性的透视图在三个方法步骤中示出了挤压组件，其用于执行根据本发明的用于制造由纤维复合材料构成的构件的方法，以及
图2示出了可形成的由纤维复合材料构成的构件的横截面。
具体实施方式
图1a示意性地示出了挤压组件，其用于实施用于制造由纤维复合材料的基层和增强层构成的构件的方法，以及用于各个层的放入装置。在三个中的示出的第一方法步骤1a中，看出带有用于容纳基层10的挤压框架5的内模具或下部工具3。被抬起的上方部分由外模具4或上部工具4形成，其能够以未示出的方式密封地下降到内模具3上。内模具3和外模具4共同形成用于产生构件2的模具空间9。在外模具4处周围密封地装设有金属膜片6，从而在外模具4与金属膜片6之间形成空腔7，具有直到至少30bar、优选地甚至40bar的压力和直到例如400℃的可设定的温度的可调温的压力流体可以经由压力联接件8引入到该空腔中。
在图1a中示出的状态中，通过可调温的压力流体施加的压力还非常小，使得金属膜片6借助于磁体14被保持在外模具4处。在外模具的示出的被抬起的状态下，可以借助于放入装置12引入基层10和(多个)增强层11。可移动的且可活动的放入装置在图1a中以两个示意性示出的抽吸装置13表示，该放入装置例如可以拿起增强层11并且可以在其期望的放下位置处放下。
图1b示出了外模具和内模具行进到一起的状态。放入装置12已从模具空间9中移除。空腔7在高压下被填充以可调温的压力流体，在此例如热油，使得金属膜片与磁体松开并且平滑地置于基层10和增强层11的先前阶级状的相叠层结构上。高温和高压引起阶级被“平滑挤压”，从而在构件表面15处不再可感觉从基层10到增强层11的过渡。但为此，增强层必须具有基本上平行的带有在1与20μm之间的纤维厚度的纤维布置，以及金属膜片必须具有1.0μm之下、优选地0.1μm之下、相当优选地甚至0.05μm之下的最大平均粗糙度深度。热油用作压力-和加热介质，以便全面地经由金属膜片6将保持相同的合并压力施加到以热塑性的塑料基质浸润的纤维上，以及以便引起以热塑性的塑料基质浸润的纤维的针对性的、均匀的加热。基层的基质和增强层11的基质的同时进行的熔化和压力下的冷却于是在构件表面15处实现令人惊讶的平滑度。
在图1c中的状态示出了在空腔中的压力和温度被收回并且金属膜片6已经再度被磁体14吸引之后外模具的提升过程。
图2以横截面示出了可能的由纤维复合材料构成的构件2。看出下部基层10，其在制造过程期间位于内模具3的挤压框架5中。在其上层叠了多个增强层11，所述增强层以其面积大小向上减小并且在所述增强层中不存在增强层相对于其位于下方的增强层的突出。在借助于镜面平滑的金属膜片压制之后，构件表面非常平滑并且在剖面中呈现抛物线形状。
附图标记列表
1装置
2由纤维复合材料构成的构件
3内模具、下部工具
4外模具、上部工具
5挤压框架
6膜片
7用于可调温的压力流体的压力空间、空腔
8压力联接件
9模具空间
10基层
11增强层
12放入装置
13抽吸装置
14磁体
15构件表面。

Claims (16)

1.一种用于制造由纤维复合材料构成的构件(2)的方法，其具有如下步骤：
-在内模具(3)与外模具(4)之间形成的模具空间(9)内将由以基质浸渍的纤维构成的多个层(10,11)引入到所述内模具(3)上，
-将朝向所述外模具密封的膜片(6)放置到以所述基质浸渍的所述纤维上，如此使得在所述外模具(4)与所述膜片(6)之间形成沿着所述外模具的周面延伸的空腔(7)，以及
-以具有大于所述基质的熔点的温度和大于周围环境压力的压力的可调温的压力流体加载所述空腔(7)，如此使得所述可调温的压力流体以压力作用到所述膜片上，
其特征在于，
将具有主要平行取向的纤维的在尺寸方面更小的至少一个增强层(11)借助于放入装置(12)局部地放置到基层(10)的面向所述外模具(4)的侧面的一部分上，并且随后具有低于1.0μm的平均粗糙度深度的膜片(6)将设定的在所述空腔(7)中的压力施加到所述构件(2)上。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述膜片(6)具有0.05mm-0.5mm的厚度。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述至少一个增强层(11)具有与所述基层(10)相同的基质材料。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，具有朝向所述外模具(4)越来越小的面积大小的增强层(11)被层叠。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述增强层(11)被如此层叠，即，使得朝向所述外模具(4)越来越小的面积大小不突出超过位于下方的所述增强层。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述纤维具有在1与20μm之间的厚度。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述可调温的压力流体的温度被设定到最高达400℃并且设定超过35bar的压力。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述平均粗糙度深度低于0.1μm。
9.一种用于在内模具(3)上制造由纤维复合材料构成的构件(2)的挤压组件，其具有：
-外模具(4)，其与所述内模具(3)形成模具空间(9)，
-朝向所述外模具(4)密封的、与所述外模具形成空腔(7)的膜片(6)，
-和压力联接件(8)，其用于以可调温的压力流体填充所述空腔(7)，使得压力和温度能够作用到所述膜片(6)上，
其特征在于，
存在放入装置(12)用于将由以基质浸渍的纤维构成的多个层(10,11)连续放置到所述内模具(3)上，并且所述放入装置适合于将在尺寸方面更小的至少一个增强层局部地放置到基层的面向所述外模具的侧面的一部分上，并且具有低于1.0μm的平均粗糙度深度的膜片如此布置和密封，即，使得所述空腔(7)中的压力将所述膜片(6)压到所述至少一个增强层和所述基层上。
10.根据权利要求9所述的挤压组件，其特征在于，所述膜片具有0.05mm-0.5mm的厚度。
11.根据权利要求9或10所述的挤压组件，其特征在于，所述至少一个增强层(11)具有与所述基层(10)相同的基质材料。
12.根据权利要求9或10所述的挤压组件，其特征在于，层叠有具有朝向所述外模具(4)越来越小的面积大小的增强层(11)。
13.根据权利要求12所述的挤压组件，其特征在于，所述增强层(11)如此层叠，即，使得朝向所述外模具越来越小的面积大小不突出超过位于下方的所述增强层。
14.根据权利要求9或10所述的挤压组件，其特征在于，所述纤维具有在1与20μm之间的厚度。
15.根据权利要求9或10所述的挤压组件，其特征在于，所述可调温的压力流体的温度能够设定到最高达400℃并且能够设定超过35bar的压力。
16.根据权利要求9所述的挤压组件，其特征在于，所述平均粗糙度深度低于0.1μm。
CN202080059377.8A 2019-08-22 2020-07-29 用于制造由纤维复合材料构成的构件的方法和装置 Active CN114269548B (zh)

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