用於生產複合材料部件的方法和裝置與流程

2023-05-06 19:33:21

本發明涉及一種方法，用於製造由具有纖維強化物的複合材料製成的部件。

此外本發明涉及實現這一方法的裝置。

背景技術：

複合材料的技術優點導致其在眾多技術領域中得到更多的應用，並且在諸如航空、航天或汽車行業中變得越來越重要。

單純用於說明，在航空領域中，飛行器的結構元件由複合材料製成，以減少機身重量。

通常，複合材料製成的部件包括纖維增強樹脂基質。一般通過在工具層上堆疊預先用樹脂浸漬的纖維來獲得這些部件。在放置纖維層之後，組合件與其他部分一起被真空袋覆蓋，然後組合件被引入到熱壓罐中，並經歷溫度和壓力循環，從而實現部件的聚合。

在這些聚合步驟中，對於常規部件，溫度通常為大約200攝氏度，而對於高溫應用材料，例如聚醯亞胺，溫度可以達到350攝氏度。

然而，注意到需要大量的能量來加熱通常由金屬製成的工具，而且從能源消耗的角度來看，所使用的烤爐或熱壓罐的體積對財務帶來不利影響。

此外，由於所需大量的能量和所用構件的高熱慣性，加熱速度通常限於小於1攝氏度/分鐘。

現在，由於生產率變得越來越快，傳統上使用的手段將很快受到限制，除了數量的增加從而造成製造成本的顯著增加，傳統上使用的手段與製造企業的經濟利益相矛盾。

電離聚合工藝是一種令人感興趣的替代方案，因為其提供了聚合和/或交聯而不需升高溫度。

因此，可以在相對短的時間內、使用相對少的能量獲得優質複合材料。

然而，到目前為止還沒有產生工業上的應用成果。

因此，迫切需要一種用於固化熱固性基體複合部件的方法或用於熱塑性基體複合部件的溫度固結的方法，該方法成本低，同時可以極大地提高生產速率。

本發明的目的在於通過提出一種用於生產複合材料部件的方法和裝置，來克服現有技術的各種缺點，該方法和裝置的設計和操作模式簡單、成本低，並且為相同的聚合效率提供限制熱能的消耗。

技術實現要素：

為此，本發明涉及一種生產複合材料部件的方法，其中放置連續的、導電纖維的層片，以在支撐件上形成層片的疊層。

根據本發明，至少承載該疊層的該支撐件的表面是電絕緣的，執行以下步驟：

a）在直接上下放置的所述至少兩個疊層的端部之間，這些電端子需要放置在這些層片的至少兩個相對側；

b）當纖維乾燥時，引入樹脂以浸漬該纖維；

c）在該電端子之間穿過該層片產生電流，以便通過焦耳加熱使樹脂固化，或通過焦耳加熱使樹脂變為液態，以確保樹脂固化。

由於纖維是連續的、導電的，通過將電端子放置在疊層的至少兩個相對側上，藉助於該纖維建立電路。

因此，電端子可以放置在所有層片之間或者兩個、三個或更多個層片之間，這取決於疊層的聚合條件。

當然，本領域技術人員將理解，步驟b）也可包括使用預浸漬纖維的疊層。

優選地，支撐件是電絕緣的，或者至少接收該疊層的支撐件的表面是電絕緣的。

本發明方法應用的複合材料是由樹脂和賦予這些材料特性的纖維強化物形成的材料。具體來說，這些複合材料由以疊層的形式呈現的纖維增強物和有機基底形成，這些纖維增強物確保了部件的強度和剛度，並且有機基底確保了纖維層之間的連接。連續並導電的纖維通常由碳製成。

有利的是，用於產生複合材料部件的本方法可以生產與傳統固結或聚合部件類似的複合部件，但是具有更好的受控能量成本和更快的生產速率。

本發明方法在使用複合部件的領域中應用，例如航天、航空、汽車、航海等。

在該方法的各種特定實施方式中，各實施方式具有特定的優點，可用於許多可能的技術組合：

-由於該疊層沿該部件的縱軸和橫軸中的至少一根軸的方向上具有更大的尺寸，在步驟c）中獲得的固化組合件根據待生產的部件的尺寸被切割；

因此，將所獲得的組合件切割成待製造部件的最終尺寸。有利的是，所獲得的組合件可以與該組合件中放置每個電端子的端部對齊地切割；

-在步驟a）中，至少在直接上下放置的兩個疊層的端部之間的該電端子被引入疊層的中心，以便在中心處加熱該疊層；

-放置該疊層中的至少一些層片，使得這些疊層的纖維相對於該疊層的主軸呈現不同的方向；

通過具有不同方向的纖維，在疊層中能獲得了更好的熱分布；

僅用於說明目的，由於每個層片由單向纖維形成，第一層片相對於疊層的縱軸呈0度的夾角，立即放置在第一層片的頂部上的層片相對於縱軸呈45度的夾角，而直接放置在第二層片上方的第三層片相對於該縱軸呈現90度的夾角；

-在該疊層中引入至少一個溫度傳感器，或者在該疊層的外表面上放置至少一個溫度傳感器，並且根據所需的溫度條件來控制電功率，

-在步驟b）中，該層片用熱固性或熱塑性樹脂浸漬；

通過低壓手段進行樹脂浸漬；

-該纖維層片是單向纖維層片或編織層片，編織層片即在同一層片中呈現90度的兩個纖維方向。

本發明還涉及一種裝置，用於實施如上文描述的製造複合材料部件的方法。

根據本發明，該裝置包括：

-一個模具，至少用於支撐該疊層的表面是電絕緣的，

-至少兩個電端子，

-一個電源，以及

-一個電源電路，用於將該電端子連接到該電源。

當然，當在步驟c）之前需要引入熱固性或熱塑性樹脂以浸漬該疊層的層片時，該裝置包括注射設備。

可以控制該注射設備的溫度，以在模具中保存待注射的材料，並在防止其聚合的溫度下在注射後使材料保存在設備中。

在該裝置的各種特定實施方式中，各實施方式具有特定的優點，可用於許多可能的技術組合：

-該電端子是金屬線或金屬箔；

-該裝置包括在聚合相期間在該疊層上施加壓力的擠壓構件；

該擠壓構件具有引起收縮的效果，收縮的目的在於在聚合步驟期間排出在層片之間的空氣和纖維周圍的空氣。因此，降低了孔隙率，並且在聚合步驟期間排出了空氣和溶劑；

-該模具由電絕緣材料製成，例如基於玻璃纖維或經處理的木材或任何其他非導電材料的複合材料；

該模具可以包括固定的半模，其外表面用於承載該疊層，以及用於覆蓋至少該疊層以便聚合的密封袋；

-該裝置包括連接到控制單元的一個或多個溫度傳感器，以根據所需的溫度條件來控制由該電源提供的電功率。

附圖說明

本發明的其他特定優點、目的和特徵將在下文結合參考附圖的用於解釋而不具任何限制性的說明中進行描述，其中附圖：

圖1示意性地表示根據本發明的一種實施方式的用於製造複合材料部件的裝置的剖面正視圖；

圖2示出了根據本發明方法的另一種實施方式從層片的疊層的上方觀察的局部視圖，在該實施方式中電端子布置在兩個連續層片的邊緣之間。

具體實施方式

首先，應注意各圖不是按比例繪製的。

圖1示意性地表示根據本發明的特定實施方式用於製造複合材料部件的裝置10的剖面正視圖。

該部件在此處通過在平面形半模11上堆疊用樹脂預浸漬的纖維12來製造。當然，根據該部件所需的最終形狀，工具11可以呈現不平坦的形狀，例如凸形。在這種情況下，半模11由如基於玻璃纖維的複合材料等電絕緣材料製成。

在這種情況下，每個層片12由連續且導電的單向纖維（例如碳纖維）形成，例如使用懸垂成型機（圖中未示出）放置這些層片。

兩個金屬箔13放置在由此製造的疊層的兩個連續層片12之間，其設置於層片12的兩個相對側，並且與由這些層片的單向纖維方向限定的方向相切或基本相切。

金屬箔13連接到由電流源14作為電源的供電電路，這些金屬箔13形成電端子，藉由層片的纖維將電流引入待聚合部件中，這些層片的纖維將不同側的這些電端子13電連接。這些金屬箔13可以例如是矩形的銅板。

儘管通常放置的層片12的數量取決於待製造的部件的厚度，但也要同時考慮在聚合相中壓實之後疊層厚度減小的係數，每個層片的縱向和橫向尺寸中的至少一個要大於待製造的部件相對應的尺寸，以便接收這些電端子。

在放置預浸漬的纖維層片12和金屬箔13之後，組合件與其他部分一起由真空袋15覆蓋，真空袋15既能使電源電路的電連接元件16（例如電線）通過，又能保證真空袋15自身的密封。

此外，在聚合步驟期間由擠壓構件（圖中未示出）對疊層施加壓力。該擠壓構件可以包括例如沿著豎直導軌移動的一個或多個滑杆。

由於焦耳效應，直接置於待聚合材料的核心處的熱源使材料的溫度升高，與聚合具有相同聚合效率的部件所需的能量相比，這種方法其中熱源直接置於待聚合材料的核心處有利地減少了具備相同聚合效率的情況下所需的能量。

通過將一個或多個溫度傳感器（圖中未示出）置於由此獲得的組合件中，例如直接置於待聚合的材料中，可以根據所需的溫度條件來控制由電流源14傳遞的電功率。

有利的是，對於厚度薄的部件或反應放熱低的材料來說，溫度上升的速度不受工具及現有加熱構件的熱慣性的限制。

一旦聚合步驟完成，將由此獲得的固化組合件切割成待製造部件的最終尺寸。當進行切割時，組合件的一些部分被除去，被除去的這些部分是位於金屬箔片13上的部分。

圖2是在本發明的方法的另一個實施方式中實施的從層片的疊層上方觀察的局部俯視圖。圖2中與圖1中具有相同的附圖標記的元件表示相同的對象，在下文不再說明。

通過放置編織層片17，即在纖維相互呈90度的層片中，獲得這些層片的疊層。此外，電端子13、18位於由兩個編織層片17限定的各側的兩個編織層片17之間。

當然，第一端子13也可以放置在兩個第一層片17之間的與這些第一層片相對的兩個第一邊緣處，第一端子13與第二端子18交替放置，第二端子18放置在兩個第二層片17之間的與這些第二層片相對的兩個第二邊緣處。優選地，這兩個第一和兩個第二層片具有共同的編織層片17，使得它們構成具有三個連續層片的疊層。

據此，確保了在疊層中對焦耳效應產生的能量進行更好的分布。