用于生产结构元件的方法与流程

1.本发明涉及一种用于生产尤其空中-、陆地-或水上运输工具或风能设备的转子叶片的结构元件的方法，在其中将由纤维和塑料构成的组件放入到模具中，并且加载以增加的压力和提高的温度，其中，使用具有至少一个凹部的模具，在该凹部中布置加强元件。


背景技术：

2.这种方法例如从de 10 2017 113 595 a1中已知。
3.由纤维和塑料构成的组件后来形成结构元件的表层(haut)或壁，所述表层或壁通过也称为“纵梁(stringer)”的加强元件来加强。尤其地，加强元件用于加固结构元件。然后可以将结构元件用作用于所述运输工具中的一个的车身元件或机身元件(或船体元件，即rumpfelement)。例如，如果表层设计为半壳，那么可以将两个这种半壳以相反的定向组装，以便构造飞机的机身或舱室。
4.如果由纤维和塑料构成的组件被加载以增加的压力和提高的温度，那么塑料熔化并且与纤维形成紧密的复合物。在塑料冷却和固化之后，于是得到在机械上非常稳定的结构元件。然而在此具有一定重要性的是，产生和维持一定的压力直到表层冷却，该压力不仅作用到由纤维和塑料构成的组件上，而且作用到加强元件上。
5.但同时，旨在能够使在制造结构元件时的成本尽可能小地保持。


技术实现要素：

6.本发明目的在于，以较低的成本生产空中-、陆地-或水上运输工具的结构元件。
7.在开头提到的类型的方法中，该目的由此来实现：将加强元件与芯部一起放入到凹部中，其中，至少在预先确定的区域中在凹部与芯部之间的差值体积(differenzvolumen)被选择得比加强元件的布置在该区域中的区段小了预先确定的数值。
8.在制造结构元件时，出于成本原因，通常使用作为半成品提供的纵梁或加强元件。这种加强元件具有相对较大的公差，即其外部尺寸明显相差了几个百分点。其他的或附加的问题由在原料与模具和/或芯部的材料之间的不同的热膨胀引起。与原因无关地，这可导致加强元件上的压力在由纤维和塑料构成的组件的加载期间下降或甚至完全消失。如果由纤维和塑料构成的组件(其下面简称为“表层”)被加载以提高的温度，这不仅导致表层的塑料熔化。提高的温度也蔓延到加强元件中，使得布置在那里的塑料现在同样变软并且获得粘稠的、糖浆似的状态。在这种状态下，必须维持一定的压力，以便之后获得期望的形状。如果空腔(即在凹部与芯部之间的差值体积)被选择得比加强元件略微更小，其中，这种“更小”可以被限制于加强元件的多个预先确定的区域或至少一个预先确定的区域，那么用于加强元件的半成品被略微挤压。加强元件的粘稠的原料导致加强元件于是处于静液压力下。因此实现了均匀的压力分布。虽然压力可由于不同的热膨胀系数而减少，但不会降至零。加强元件以及由纤维和塑料构成的组件即持续地处于压力下。
9.优选地，差值体积在预先确定的区段之外具有至少一个挤出区域。凹部中的压力
应尽可能不变得过大。这一方面可以由此来实现：使差值体积的“更小”相对精确地协调于加强元件的所使用的原料。然而，这在加强元件的公差较大的情况下是困难的。现在可以设置如下挤出区域，挤出元件的“多余塑料”可以被挤出在该挤出区域中。然而，挤出区域不一定必须能够容纳加强元件的全部溢出的体积。完全可以接受的是，加强元件的体积的一小部分保留在由纤维和塑料构成的组件的区域中，并且在那里导致较小的加厚部。
10.优选地，在加强元件的背离由纤维和塑料构成的组件的侧面上布置有至少一个挤出区域。在加载以提高的温度和增加的压力时，压力至少从由纤维和塑料构成的组件的侧面被作用到加强元件上。经过一定的时间，提高的温度才蔓延到背离的端部。在该时间内，加强元件的塑料虽然可变得粘稠。塑料也可以偏移到挤出区域中，但在此必须经过加强元件的一部分，该加强元件因此可以说形成了维持凹部中的压力的节流件。
11.优选地，挤出区域经由节流部位与预先确定的区段连接。该节流部位可以简单地存在在横截面缩窄部中。节流部位允许加强元件的塑料偏移到挤出区域中，但维持其余的差值体积中的压力。
12.优选地，加强元件具有高度，并且凹部具有小于该高度的深度。加强元件的高度是垂直于由纤维和塑料构成的组件的尺寸。如果凹部相比于该高度略微没那么深，那么当增加的压力被施加时，加强元件被压缩。
13.备选地或附加地，可以使用如下加强元件，该加强元件具有从由纤维和塑料构成的组件突出的接片，并且在接片的区域中在芯部与凹部的壁之间的间距小于接片的厚度。当由纤维和塑料构成的组件被加载以增加的压力和提高的温度时，那么芯部被压到凹部中并且施加压力到接片上。
14.优选地，可以使用如下加强元件，该加强元件具有至少一个贴靠在由纤维和塑料构成的组件处的第一支腿，其中，凹部具有用于容纳第一支腿的第一子区域，并且第一子区域具有小于第一支腿的厚度的深度。在此适用如在接片的情况下的相同内容。当由纤维和塑料构成的组件被加载以增加的压力和提高的温度时，支腿在其厚度方向上被压缩，即被加载以压力。
15.在此优选的是，第一子区域在平行于由纤维和塑料构成的组件的方向上具有第一延长部，该第一延长部使第一子区域的长度延长超过第一支腿的长度，其中，第一延长部具有如下深度，该深度小于第一子区域在延长部之外的深度。延长部于是形成挤出体积。因为延长部具有小于第一子区域在延长部之外的深度的深度，在此存在上述节流部位，该节流部位虽然允许多出的加强元件的塑料推进，但存在一定的阻力抵抗这种推进，从而保持作用到加强元件上的静液压力维持不变。
16.优选地，使用如下加强元件，该加强元件在背离第一支腿的端部处具有第二支腿，其中，凹部具有用于容纳第二支腿的第二子区域，并且第二子区域具有小于第二支腿的厚度的深度。在此适用如针对第一支腿的相同内容。
17.在此还可以设置成，第二子区域在平行于由纤维和塑料构成的组件的方向上具有第二延长部，该第二延长部使第二子区域的长度延长超过第二支腿的长度，其中，第二延长部具有如下深度，该深度小于第二子区域在延长部之外的深度。
18.为了执行这种方法，例如可以使用模具，在该模具中放入预浸料(prepreg)。作为预浸料，例如可以使用单向的预浸料，即其中碳纤维或其他增强纤维(例如玻璃纤维)全部
沿相同的方向伸延的预浸料。备选于此，也可以使用其中增强纤维沿不同的方向布置的预浸料，其中优选地，针对每个方向设置有特有的纤维层。为了使增强纤维沿不同的方向布置，也可以将多个单向的预浸料相叠布置，并且可以通过预浸料的取向来预设增强纤维的相应方向。
19.在预浸料的情况下，增强纤维以塑料预浸渍。在此优选地使用热塑性塑料、尤其聚酰胺，例如pa6。
20.为了施加提高的温度和增加的压力，例如使用限制油压室的膜片。那么例如可以将具有例如350℃至410℃的范围内的升高温度的油供给到油压室中。油例如也可以被使用于在加热之后又使温度降低，通过将油的温度冷却到例如20℃至40℃、尤其30℃的温度范围。
21.预浸料的放入例如可以借助于胶带层(tape-layer)来进行。
附图说明
22.下面依据一优选的实施例结合附图来描述本发明。其中：唯一的图示出了用于生产结构元件的模具的示意图。
具体实施方式
23.用于生产仅示意性地示出的结构元件2的模具1具有下部工具3和上部工具4。下部工具3具有凹部5。
24.为了生产该结构元件，将由纤维和塑料构成的组件6放入到下部工具3中。组件6优选地由所谓的预浸料形成，在其中纤维已经加载以塑料。作为纤维，优选地可以使用碳纤维或其他可较高地承受拉应力的纤维。作为塑料，优选地使用热塑性塑料、尤其聚酰胺，例如pa6。
25.预浸料的纤维可以单向布置，即全部沿相同的方向伸延。但也可以使用存在多个纤维层的预浸料，所述纤维层的纤维沿不同的方向伸延。也可以使用单向的预浸料，即所有纤维沿相同的方向伸延的预浸料，并且在下部工具3中沿不同的方向布置多个这种预浸料。纤维方向取决于结构元件2的之后期望的负载能力。例如，可以由结构元件2来生产空中-、陆地-或水上运输工具的机身(船体)或舱室。
26.该图示出了模具1，在其中结构元件获得基本上平坦的构造。但模具1也可以被如此设计，使得可制造至少轻微倒圆的形状，例如用于马达罩。模具1也可以被如此设计，使得可以制造壳状的结构元件2。
27.上述预浸料可以由手或由胶带层放入到模具1中。结构元件2的厚度可以通过使用或多或少的预浸料来调整。
28.此外，将加强元件7放入到凹部中，在当前情况下，该加强元件z形地构造并且具有接片8，该接片基本上垂直于由纤维和塑料构成的组件6。加强元件7具有贴靠在由纤维和塑料构成的组件6处的第一支腿9，并且在加强元件7的另一端部处具有第二支腿10。
29.将加强元件7与芯部11一起放入到凹部5中。
30.凹部5具有用于容纳第一支腿9的第一子区域12。第一子区域12具有第一延长部13，该第一延长部使第一子区域的长度l1延长超过第一支腿9的长度。然而，第一延长部13
具有如下深度，该深度小于第一子区域12在延长部13之外的深度t1。
31.凹部5还具有用于容纳第二支腿10的第二子区域14。第二子区域14具有延长部15，该延长部使第二子区域14的长度l2延长超过第二支腿10的长度。第二延长部15具有如下深度，该深度小于第二子区域14在延长部之外的深度t2。
32.芯部11具有小于凹部5的体积的体积。因此，当将芯部11放入到凹部5中时，产生差值体积或空腔。理论上，该差值体积应与加强元件7的体积相一致。
33.然而，不同于这种尺寸设定，并且用于加强元件的差值体积或空腔有意地被选择得比加强元件7的体积略微更小。由此可能的是，在加热期间、即在加载以提高的温度期间和尤其也在冷却期间、即在降低温度期间，将持续的压力维持到由组件6(其由纤维和塑料构成)和加强元件7构成的结构元件2上。由于制造中的公差、即加强元件7中的公差以及由于在原料与下部工具3和芯部11的材料之间的不同的热膨胀，该压力在不利的情况下可能消失或如此严重地下降，使得结构元件2的所期望的质量不再能够得以保障。
34.加强元件也可以利用上述热塑性塑料(例如聚酰胺)构造。如果由纤维和塑料构成的组件6经由上部工具4被加载以提高的温度和增加的压力，这通过箭头16表示，那么提高的温度也蔓延到加强元件，并且导致加强元件的半成品现在变得液化或变得能流动。即使加强元件7仅获得粘稠的或糖浆似的状态，也需要将加强元件7保持在上述压力下。这由此来实现，即加强元件7的体积至少逐段地小于在芯部11与下部工具3之间的相应的差值体积。由此，加强元件7的半成品被略微“挤压”，并且“挤压”的半成品处于静液压力下。这具有如下优点，即能够以简单的方式实现均匀的压力分布。虽然压力可由于不同的热膨胀系数而略微降低，但不会降至零。所生产的结构元件2即持续地处于压力之下。
35.差值体积的逐段的减小例如可以由此来引起，即将芯部11与凹部的相对而置的壁17之间的间距d1选择得比接片8在该区域中的相应厚度略微更小。备选地或附加地可以设置成，将第一凹部12的深度t1选择得比第一支腿9的厚度略微更小。备选地或附加地还可以设置成，将第二凹部14的深度t2选择得比第二支腿10的相应厚度略微更小。
36.当支腿9,10的材料被挤出时，该挤出的材料可以流入到第一延长部13或第二延长部15中。但因为第一延长部13和第二延长部15具有小于相应的子区域12,14的横截面，在此产生一定的节流效果，从而始终还可以维持足够的压力。节流效果不仅可以通过减小延长部13,15的深度来实现，而且可以通过另外减小横截面来实现。
37.从接片的区域中挤出的材料同样可以被挤出到例如由延长部13,15中的一个或由两个延长部13,15形成的挤出区域中。但该材料那么必须经过支腿9,10，这又仅在逆着增加的阻力的情况下才有可能。
38.以增加的压力和提高的温度的加载优选地经由引入在上部工具4中的油压室中的油进行。油压室通过未详细示出的膜片与由纤维和塑料构成的组件6分开。例如，如果期望提高的温度，油可以具有350℃至410℃的范围内的温度。在压挤之后、即在压力加载之后，温度可以降低到约30℃。
39.膜片在面向组件6的侧面上可以是相对平滑的，即例如具有低于0.1μm的rz值，从而得到结构元件2的极其平滑的表面。
40.在加载模具1中的由纤维和塑料构成的组件时的压力-和温度曲线应尽可能平行地上升，并且又尽可能平行地下降。