制备航空和航空航天用纤维复合材料部件的方法及由此得到的纤维复合材料部件.pdf

本发明公开了用于制备纤维复合材料部件(1)、尤其是航空航天用纤维复合材料部件(1)的方法和模塑芯，所述方法包括下列方法步骤：形成包含预定数量的中空体(7)的模塑芯(4)，所述中空体(7)用于限定模塑芯(4)的外部几何形状，中空体(7)被设计成它们在模塑芯(4)的纵向上延伸并且在至少在它们的横向上可弹性膨胀，并且被彼此固定，形成的模塑芯(4)具有用于使其外表面的轮廓平滑的挠性外层(16)以及围绕模塑芯(4)的芯套管(9)，用于使模塑芯(4)与纤维复合材料部件(1)隔离；至少在已经形成的模塑芯(4)上的适当位置上，放置至少一个纤维半成品(3)，以使待制备的纤维复合材料部件(1)的至少一个模塑部分(14)造型；以及对所述至少一个模塑部分(14)施加热和/或压力，以产生纤维复合材料部件(1)。

1.  用于制备纤维复合材料部件(1)、尤其是航空航天用纤维复合材料部件(1)的方法，所述方法包括下列方法步骤：
-形成包含预定数量的中空体(7)的模塑芯(4)，所述中空体(7)用于限定所述模塑芯(4)的外部几何形状，所述中空体(7)被设计成它们在所述模塑芯(4)的纵向方向上延伸并且至少在它们的横向方向上可弹性膨胀，并且被彼此固定，形成的模塑芯(4)具有用于使其外表面的轮廓平滑的挠性外层(16)以及围绕所述模塑芯(4)的芯套管(9)，所述芯套管(9)用于使所述模塑芯(4)与待制备的所述纤维复合材料部件(1)隔离；
-至少在已经形成的所述模塑芯(4)上的适当位置上，放置至少一个纤维半成品(3)，以使待制备的所述纤维复合材料部件(1)的至少一个模塑部分(14)造型；以及
-对所述至少一个模塑部分(14)施加热和/或压力，以制备所述纤维复合材料部件(1)。

2.  根据权利要求1所述的方法，
其特征在于
所述中空体(7)被彼此固定在它们的接触线上。

3.  根据权利要求2所述的方法，
其特征在于
所述中空体(7)的末端在一侧闭合，而在另一侧上设置有连接设备(17)，以应用压力介质，或者在两侧都设置有连接设备(17)。

4.  根据前述权利要求中至少一项所述的方法，
其特征在于
所述芯套管(9)是挠性管。

5.  根据前述权利要求中至少一项所述的方法，
其特征在于
将分离层涂敷到所述模塑芯(4)的芯套管(9)上，并且分离层防止纤维半成品(3)和/或基质对套管的粘附。

6.  根据前述权利要求中至少一项所述的方法，
其特征在于
在将至少一个纤维半成品(3)向下至少放置在适当的位置的情况下，所述模塑芯(4)被安置在由纤维复合材料半成品构成的基底部件(2)上，和/或至少部分地被纤维半成品(3)包围，以形成所述纤维复合材料部件(1)的所述至少一个模塑部分(14)，所述模塑芯(4)的所述中空体(7)具有通过它们的末端施加给它们的可调内压。

7.  根据权利要求6所述的方法，
其特征在于
当向下至少放置在适当位置时，所述芯套管(9)的末端和所述模塑芯(4)的所述中空体(7)的末端被安置在所述模塑部分(14)的外侧。

8.  根据前述权利要求中至少一项所述的方法，
其特征在于
将基质引入到所述至少一个具有模塑芯(4)的纤维半成品(3)中，然后至少部分地通过压力和/或加热将基质固化。

9.  根据前述权利要求中至少一项所述的方法，
其特征在于
在应用加热和/或压力之后，在所述中空体(7)中的内压通过它们的末端而变化，使得所述模塑芯(4)收缩，以从所述模塑部分(14)移出。

10.  根据权利要求9所述的方法，
其特征在于
所述中空体(7)的内压通过应用大气压或真空而变化。

11.  根据前述权利要求中至少一项所述的方法，
其特征在于
用于制备所述纤维复合材料部件(1)的方法是手工层压、预浸渍料坯法、注塑和/或真空浸渍法。

12.  用于制备纤维复合材料部件(1)的模塑芯(4)、尤其是用于制备在航空航天用基底部件(2)上的纵梁(20)的模塑芯(4)，所述模塑芯(4)具有预定数量的中空体(7)，所述中空体(7)在所述模塑芯(4)的纵向方向上延伸并且至少在它们的横向方向上可弹性膨胀，所述中空体(7)被彼此固定，并且所述模塑芯(4)包含挠性外层(16)以使其外表面的轮廓平滑，以及包含围绕所述模塑芯(4)的芯套管(9)，以使所述模塑芯(4)与待制备的所述纤维复合材料部件(1)隔离。

13.  根据权利要求12所述的模塑芯(4)，
其特征在于
所述中空体(7)被彼此固定在它们的接触线上。

14.  根据权利要求12或13所述的模塑芯(4)，
其特征在于
所述外层(16)向内扩展，以使所述模塑芯(4)的外表面的轮廓平滑，并且还填充中间间隔(15)，从而为所述中空体(7)提供固定。

15.  根据权利要求12至14中至少一项所述的模塑芯(4)，
其特征在于
所述中空体(7)各自具有近似圆形的横截面。

16.  根据权利要求12至15中至少一项所述的模塑芯(4)，
其特征在于
所述中空体(7)各自都由来自芳族聚硫化物和/或聚砜的组中的热塑性材料构成。

17.  根据权利要求12至16中至少一项所述的模塑芯(4)，
其特征在于
所述芯套管(9)是挠性管。

18.  根据权利要求12至17中至少一项所述的模塑芯(4)，
其特征在于
所述芯套管(9)具有分离层，所述分离层形成所述模塑芯(4)的外表面。

19.  根据权利要求17或18所述的模塑芯(4)，
其特征在于
所述模塑芯(4)由塑料、尤其是由聚酰胺和/或PTFE塑料形成。

20.  根据权利要求12至19中至少一项所述的模塑芯(4)，
其特征在于
增强装置(13)被安置在所述模塑芯(4)中、在其外部几何形状中必须形成有锐边的过渡区域中。

21.  根据权利要求20所述的模塑芯(4)，
其特征在于
所述增强装置(13)是由金属和/或塑料构成的拐角型坯部件。

22.  根据权利要求12至22中至少一项所述的模塑芯(4)，
其特征在于
所述模塑芯(4)是Ω-形、梯形、三角形、环形和/或波浪形。

23.  具有至少一个纵梁(20)的纤维复合材料部件(1)，尤其是航空航天用具有至少一个纵梁(20)的纤维复合材料部件(1)，其是通过根据权利要求12至22中至少一项所述的模塑芯(4)和/或根据权利要求1至11中至少一项所述的方法制备的。

制备航空和航空航天用纤维复合材料部件的方法及由此得到的纤维复合材料部件
本发明涉及一种制备纤维复合材料部件、尤其是航空航天用纤维复合材料部件的方法，涉及用于制备这样的纤维复合材料部件的模塑芯，以及涉及由这样的模塑芯和/或这样的方法制备出的、具有至少一个纵梁(stringer)的纤维复合材料部件。
尽管它可以被应用于任何所需的纤维复合材料部件，但是本发明及其所基于的问题在下文中根据平坦的纵梁-补强的碳纤维增强塑料(CRP)部件，例如航空器的外壳进行更详细地说明。
通常已知的是，可以使用CFP纵梁来补强CFP外壳，以用尽可能低的额外重量承受在航空器部件中的高负载。在这种情况下，在于两种类型的纵梁：T形纵梁和Ω形纵梁之间基本上划出区别。
T形纵梁的横截面由基底部和茎部构成。基底部形成对于外壳的连接表面。航空器构造中，T形纵梁补强的外壳的使用是广泛的。
Ω形纵梁具有近似于大视帽形状的外形，它的末端与外壳连接。Ω形纵梁当其自身处于固化状态时可以被粘合剂粘合到同样固化的壳上，或可以使用湿-湿(wet-in-wet)法使它们与壳同时进行固化。后者是适宜的，因为它从工艺技术观点考虑更好。然而，对于用Ω形纵梁补强的外壳的湿-中-湿的制备，必需有支撑芯或模塑芯，以在该制备工艺过程中固定和支撑该处于所需的Ω形状的二维不稳定的纤维半成品。带有Ω形纵梁的外壳相对于T形纵梁的优点在于：在将基质例如环氧树脂引入到纤维半成品中的浸渍法过程中的渗透能力更好。例如，相比于其它已知的制备纤维复合材料部件的方法比如预浸渍料坯法，浸渍法可能是更成本有效的，因为这种方法允许使用更低成本的纤维半成品。
然而，在Ω形纵梁的制备中所存在的一个问题是：当前用于支撑芯或模塑芯的材料是昂贵的，并且在形成Ω形纵梁之后不能在没有困难的情况下移出，导致残留在纵梁中的材料对航空器的总重量产生了不利的贡献。
在这种背景下，本发明基于的目的是提供一种更低成本和更轻的纤维复合材料部件，尤其是航空航天用纤维复合材料部件。
根据本发明，这个目的通过具有专利权利要求1的特征的方法、具有专利权利要求12的特征的模塑芯和/或通过具有专利权利要求23的特征的纤维复合材料部件得以实现。
因此，提供用于制备纤维复合材料部件、尤其是航空和航天用纤维复合材料部件的方法，所述方法具有下列方法步骤：形成模塑芯，所述模塑芯具有预定数量的空心体以限定所述模塑芯的外部几何形状，并且所述中空体被设计成它们在所述模塑芯的纵向方向上延伸并且可以至少在它们的横向方向上弹性膨胀；至少在所形成的模塑芯(4)的适当位置上放置至少一个纤维半成品(3)，以使待制备的所述纤维复合材料部件(1)的至少一个模塑部分(14)造型；以及对所述至少一个模塑部分(14)施加热和/或压力，以产生纤维复合材料部件(1)。
当以适当方式使用模塑芯时，这些中空体具有施加给它们的内压，其结果是它们在横向方向上膨胀并且形成具有外部几何形状的模塑芯。为了从模制品中移出，改变内压，使得例如模塑芯的横截面再次减小。这样有利地允许容易地移出模塑芯。另外的优点在于所述模塑芯是可再使用的。
此外，模塑芯被提供用于制备纤维复合材料部件，尤其在基底部件上的纵梁，所述模塑芯具有由塑料构成的芯材料并且具有预定数量的中空体，所述中空体在模塑芯的纵向方向上延伸并且具有至少在它们的横向方向上弹性膨胀的能力。
此外，纤维复合材料部件被提供有至少一个纵梁，尤其是航空和航天用纵梁，所述纤维复合材料部件是通过根据本发明的模塑芯和/或根据本发明的方法制备的。
因此，本发明相对于最初提及的方法具有的优点在于：可以通过低成本的模塑芯制备出所述纤维复合材料部件。能够有利地使用可再使用的模塑芯来代替被残留在部件中的通常昂贵的芯材料，所述可再使用的模塑芯的形状通过应用内压可以以简易方式改变，因而它可以容易地从模具中移出。结果，模塑芯不再对部件重量有贡献。
可以在从属权利要求和在结合有附图的描述中可以找到本发明有利的改进、发展和改善。
在比如这样的模塑芯的情况下，优选中空体被彼此固定，并且以这种方式形成的模塑芯被设置有挠性外层，以使模塑芯的外表面的轮廓平滑。这样有利地使得模塑芯的外表面平滑。外层的挠性意味着中空体可以以简易的方式在横向方向上挠性地膨胀和收缩。
一个备选实施方案规定：涂敷外层，使得它可以完全包围中空体7，并且形成中空体彼此的固定。
在一个优选实施方案中，模塑芯被芯套管完全包围，所述的芯套管通过从模制品中移出，导致模塑部分和模塑芯的表面之间的有利分离。此外，如果小管发生任何泄漏，则芯套管使压力介质例如空气不能够逃逸进入到纤维复合材料部件中。同时，这样防止了对模塑芯的损害和不利的作用，由此确保它能够被再使用。
根据本发明的一个优选实施方案，增强装置被安置在芯套管的内侧或外侧中、在将要形成的模塑芯的外部几何形状中必须形成有锐边的过渡区域中。这些增强装置，尤其是拐角型坯部件，具有的优点在于：它们形成锐边和拐角，并且所述模塑芯在这种区域中可以被设置有容易被制备的圆形区域。
分离层优选被涂敷于芯套管上，并且防止了纤维半成品和/或基质对芯套管的粘合。这样使得，在通过所述模塑芯制备的纤维复合材料部件的所述部分至少部分固化之后，更容易地移出所述芯套管。
纤维半成品包括织物、薄纱(tissue)和纤维毡。这些都被提供有基质，例如环氧树脂，然后例如在高压釜中进行固化。
根据本发明的进一步优选的方案(development)，模塑芯被安置在由纤维复合材料半成品构成的基底部件上，和/或至少部分地被纤维半成品包围，以形成所述纤维复合材料部件的至少一个模塑部分。这样有利地允许基底部件例如外壳、压力杯等上形成有Ω形纵梁。备选地或另外地，还可以制备出分开的纤维复合材料部件，这样的纤维复合材料部件是在它们的形状完全由模塑芯限定的情况下制备的。
在Ω形纵梁的制备过程中，例如，当芯套管从模具中移出时，其从纵梁的纵向方向上从模具中移出。因此，所述芯不再对航空器的总重量有贡献。
本发明将在下文中参考示例性实施方案作更详细说明，所述示例性实施方案在附图的示意图中示出，在所述的附图中：
图1显示了在使用根据本发明的一种方法的制备过程中，纤维复合材料部件的第一示例性实施方案的示意性透视图；
图2显示了用于图1所示纤维复合材料部件的模塑芯的示意性总截面图；
图3显示了用于图1所示纤维复合材料部件的根据本发明的第一模塑芯的示意性截面图；
图4显示了用于图1所示纤维复合材料部件的根据本发明的第二模塑芯的示意性截面图；
图5显示了如图3或4所示的根据本发明的第一或第二模塑芯的示意性侧视图；和
图6显示如图1所示的成品纤维复合材料部件在移出模塑芯之后的示意性透视图。
在附图的所有图中，相同和功能上相同的元件都用相同的附图标记表示，除非有相反的说明。
图1显示了在使用根据本发明的一种方法的制备过程中，纤维复合材料部件1的第一示例性实施方案的示意性透视图。
本实例具有两个模塑芯4，但是数量并不限于这样。这两个模塑芯4的制备在下面进一步说明，它们被提供有近似为梯形的横截面，并且它们的底部5保持在基底部件2上。
纤维半成品3被向下放置在模塑芯4上。在这种情况下的纤维半成品3的中心部分位于模塑芯4的外表面上，并且它们的末端在基底部件2上，例如在航空器的外壳上。由此，形成了纤维复合材料部件1的两个模塑部分14。
可以使用各种制备方法来处理纤维复合材料。优选选择所谓的浸渍法，以将基质即例如环氧树脂引入到纤维半成品中。然而，在这种情况下，也可以使用预浸渍料坯法。
形成纤维复合材料部件1的另一个步骤在于：在加热和压力的作用下，利用不再更详细说明的固化周期，使基底部件2以及模塑芯4和纤维半成品3一起在高压釜或烘箱中固化，由此制备出完整的纤维复合材料部件1。
首先，将参考图2至4描述模塑芯4的制备。
图2显示了用于如在图1中所示纤维复合材料部件1的根据本发明的模塑芯4的横截面形式的示意性总截面图。
模塑芯4的构造将在下面进一步详细地论述，它具有横截面6，该横截面6被引入到模具8中并且在该模具中改变为所需形状，在此情况下是近似梯形形状。在这个实例中，模塑芯4被芯套管9包围，芯套管9完全包封模塑芯4并且在温度和压力方面适合于其制备方法及其进一步处理和加工。芯套管9由塑料、尤其是聚酰胺和/或PTFE塑料制备。其内侧11直接位于模塑芯4的表面上，在这个实例中，其外侧10被涂布有分离(脱模)层(未显示)，该芯套管9也可以包含另外的套管。在从模具中移出过程中，该分离层被用于使模塑芯4从模塑部分14中正确地分离。
如图3所示，模塑芯4由独立的中空体7构成。在这个实例中，中空体7分别为具有近似圆形横截面的小管，优选为薄膜形式，这些小管在横向方向上即在径向方向上具有挠性。中空体7形成对于模塑芯4的横截面6而言，最初有点粗糙的结构。它们在例如合适粘合剂粘合的帮助下，彼此固定在纵向方向上的接触线上。在这种情况下，在它们之间保持有中间间隔15。彼此横靠着并且一个在另一个之上的小管的数量以及它们的直径可以在一定的范围内自由地选择，以达到所需的横截面。在此实例中，唯一的特征在于所述拐角被设定为60°。
然后，由独立中空体7形成的模塑芯4的外侧设置外层16，这有助于使其轮廓平滑；并且例如使用模具8形成模塑芯4的平滑表面(图2)。这种外层16填充了中空体7之间的外部凹槽。
在图3中，在下面拐角处使用型坯形式的增强装置13，例如由金属或塑料构成的带材。通过在单独的模具中制造出增强装置13，模塑芯4可以以这种方式被提供有成形特别良好的拐角区域。它们可以被安置在芯套管9的内部(图3中未显示)或被安置在芯套管9的外侧。
外层16由足够挠性的材料例如合适弹性的塑料构成，这样的材料将可靠地经受所出现的加工温度。
外层可以在分区中被涂敷得更厚，使得固定的60°的拐角可以在一定的范围内变化。
还可以涂敷外层16使得它完全包围中空体7并且形成它们的彼此固定。在图4中显示了比如这种方案的芯的一个实例，这种芯同时具有除60°之外的拐角。
以这种方式制备出的模塑芯4从模具8中移出，并且按如上所述被应用到基底部件2上。这种状态示出在图3和4中。在这种未加压的状态中，模塑芯起初具有稍微小的横截面。然后，对中空体7施加内压，使得模塑芯4表现出所需的外部几何形状。这将在下面进一步更详细地说明。然后，如上所述，模塑芯4上涂布纤维半成品3以形成模塑部分14。
在固化周期之后制备的纤维复合材料部件1下面将不再详细描述，以将模塑芯4从模具中移出之后的相应视图形式示出在图6中，所述纤维复合材料部件1具有纵梁20形式的模塑部分14。
图5显示了示意性说明的模塑部分14的侧视图。安置模塑芯4使得芯套管9的两端由其开口12从模塑部分14中突出。这样具有的有利之处在于：如果存在任何的来自中空体7的泄漏，则逃逸的空气不能进入到被固化的纤维半成品3中，而是通过芯套管9被传输到外部。中空体7的所有末端同样在模塑部分14两个末端上突出。
在这个实例中，模塑体7的右手端被封闭件19所封闭，而中空体7的另一个相反的末端连接到连接设备17上。这种连接可以被构造成所述连接被插入到中空体7的末端上，或如图5所示，被插入到它们之内。在此实例中，连接设备17包含具有分支末端的管线18，该分支末端通向各个中空体7并且连接到中空体7上。
然后将芯套管9推到(push over)模塑芯4上，该芯套管9的外周比模塑芯4的外周稍大。
通过连接设备17将内压施加给中空体7，使得中空体7在它们的横向方向上膨胀，由此形成模塑芯4的所需外部几何形状。如上所述，这是在模塑部分14的制备之前进行的。所产生的外周的增大导致它被紧紧地绕着模塑芯4布置。芯套管9通过在模塑芯4的膨胀过程中施加的内压夹紧。
这种方法的操作受下列恰当组合的控制：高内压，例如10巴，但是，这样的高内压仍然允许中空体7在例如180℃的固化温度下的弹性可逆的纵向膨胀；以及中空体7的足够小的壁厚，例如为0.05mm。在此情况下的另一关键因素是材料，所述材料在弹性模量、在固化温度的低蠕动趋势与随时间的良好电阻性质、以及足够良好的延展性之间的适当平衡。在此情况下的可能材料尤其包括来自芳族聚硫化物和聚砜的组的热塑性材料，比如PSU、PPS或PES。这些材料提供了良好的长时期的耐温性，以及在比如这些的温度时小的蠕动趋势。
在此实例中，使用35个中空体7，每一个中空体7都具有5mm的直径。在上述引用的数据实例的情况下，可以达到在模塑芯的高度和宽度方面的2和3％之间的可逆膨胀。每一个中空体7都可以具有压力连接和封闭件。压力连接(连接设备17)在两侧也是可以的。
图6显示了图1所示的成品纤维复合材料部件1在移出模塑芯4之后的示意性透视图，该成品纤维复合材料部件1具有纵梁20形式的模塑部分14。
在从模具中移出过程中，中空体7具有经由连接设备17施加给它们的内压，因而中空体7返回到它们的开始程度，即，它们缩回，并且与壁分离且与单独的挠性管分离。还可以施加负压，负压导致芯的进一步缩回，其中甚至进一步使单独的小管坍塌，并且例如坍塌使得它们成为扁平的。这样使得能够非常大地减小横截面。
已经以这种方式缩小(shrunk down)的模塑芯4可以从固化的模塑部分14中移出，并且可以被再使用。然后，芯套管9可以同样地移出，并且这样可以特别有利地容易进行，并且当存在分离层时，也是如此。现在，可以进一步加工纤维复合材料部件1。如果存在增强装置13，则这些也可以同样被移出，或残留在纤维复合材料部件1中。
因此，提供了用于制备纤维复合材料部件的方法、相应的模塑芯和相应的纤维复合材料部件，它们与具有残留芯材料的现有技术相比，能够实现材料成本的显著降低。模塑芯可以被完全移出，由此使得纤维复合材料部件的重量能够相比于现有技术得到降低。
本发明并不限于在图中所示的用于制备航空航天用纤维复合材料部件的特定方法。
例如，本发明的构思还可以被应用于在运动装备或赛车运动(motorsports)中的纤维复合材料部件。
此外，模塑芯的几何形状、尤其是小管的壁厚和直径以及它们的配置可以以各种方式进行改变。
此外，为了形成被纤维复合材料毡包围的模塑芯，还可以使用多个模塑芯。在这种情况下的目的是通过模塑芯的多样性来产生更复杂的几何形状。这样可以制备出更复杂的纤维复合材料部件。
一个备选实施方案规定外层在分区中被涂敷得更厚，因而能够使固定的60°的芯角在一定的范围内变化。
中空体7的横截面当处于未加压状态时不一定需要是圆形的。它们的直径也可以不同，目的在于以这种方式制备出不同的拐角半径。
必需调节内压，以确保可重复的横截面膨胀。
中空体7的壁厚也可以不同。
附图标记的列表
1  纤维复合材料部件
2  基板
3  纤维半成品
4  模塑芯
5  模塑芯的基底部
6  穿过模塑芯的横截面
7  中空体
8  模具
9  芯套管
10 芯套管的外侧
11 芯套管的内侧
12 芯套管的开口
13 增强装置
14 模塑部分
15 中间间隔
16 外层
17 连接设备
18 管线
19 封闭件
20 纵梁