用于制造连续纤维增强复合部件的制造方法和系统与流程

1.本发明涉及用于制造由具有连续纤维增强物的复合材料制成的部件的制造方法。此外，本发明涉及用于制造由具有连续纤维增强物的复合材料制成的部件的制造系统。


背景技术：

2.3d增强复合结构与诸如城市航空器、卫星、haps、ngws/fcas、无人机或其他载体之类的交通工具和飞行器中的所有未来结构应用越来越相关。特别地，适应负载的3d增强复合结构是负载轻质结构的通用促成因素。
3.实现3d增强复合结构的一种可能性是对整个增强复合部件进行复合3d打印，这特别适用于小规模生产。对于更大系列的生产，可以使用热弯曲和包覆成型制造，其中对制造工具的投资更高。
4.ep 3231592a1涉及一种用于制造由复合材料制成的部件的方法，该部件具有本体和在该本体内部的一个或更多个连续纤维束，其特征在于，该方法包括以下阶段：
5.a)获得在其内部包括一个或更多个管状腔体的本体，该管状腔体在第一端部与和第一端部相反的第二端部之间延伸，该第一端部设置在本体的外表面上并且包括入口孔；b)通过管状腔体的入口孔将液体状态的树脂和连续纤维束引入至少一个管状腔体的内部；以及c)将树脂固化直至树脂凝固、附着至本体并且固定连续纤维束。ep 3231592a1还涉及一种用于制造由复合材料制成的部件的系统以及由获得的复合材料制成的部件。


技术实现要素：

6.本发明的目的是使能够以更低的工具和加工成本制造更轻量的适应负载的3d增强复合材料部件。
7.为了实现该目的，本发明提供了根据独立权利要求的制造方法、制造系统和由此可获得的复合材料部件。有利的实施方式形成从属权利要求的主题。
8.根据一个方面，本发明提供了一种用于制造由具有连续纤维增强物的复合材料制成的部件的制造方法，该方法包括以下步骤：
9.a)提供本体，该本体具有管状腔体并且具有由第一聚合物材料制成的至少一个第一部分和由第二聚合物材料制成的至少一个第二部分；
10.b)将树脂和连续纤维引入管状腔体中，
11.c)至少部分地去除第二聚合物材料。
12.步骤a)包括：
13.a1)从能够溶于溶剂的材料中选择第二聚合物材料并且从不溶于所述溶剂的聚合物材料中选择第一聚合物材料。
14.步骤c)包括：
15.c1)将第二材料溶解在溶剂中。
16.优选地，步骤c)包括：
17.c2)去除至少一个第二部分。
18.优选地，步骤c)包括：
19.c3)从本体去除所有的第二材料。
20.优选地，步骤a)包括：
21.a2)本体的加层制造。
22.优选地，步骤a)包括：
23.a3)将本体设计成具有限定腔体的开口的第一部分。
24.优选地，步骤a)包括：
25.a4)将本体设计成具有限定腔体的弯曲部分的第一部分。
26.优选地，步骤a)包括：
27.a5)将本体设计成具有限定连续纤维增强物的接合区域的第一部分。
28.优选地，步骤a)包括：
29.a6)将本体设计成具有限定管状腔体的中间部段的至少一个第二部分。
30.优选地，步骤a)包括：
31.a7)将本体设计成具有限定管状腔体的直线部段的至少一个第二部分。
32.优选地，步骤a)包括：
33.a8)将本体设计成具有较大含量的第二材料和较少含量的第一材料。
34.优选地，本体的重量的至少60％、尤其是重量的70％至95％由第二材料制成。
35.优选地，步骤a)包括：
36.a9)将本体设计成具有彼此间隔开并由至少一个第二部分连接的若干个第一部分。
37.优选地，步骤a)包括：
38.a10)将本体设计成使得至少一个管状腔体相继穿过至少一个第一部分和至少一个第二部分。
39.优选地，步骤a)包括：
40.a11)将金属构件添加和/或连接至本体，使得金属构件具有与管状腔体的开口端部对准的开口。
41.优选地，步骤b)包括：
42.b1)同时引入液体状态的树脂和连续纤维束。
43.优选地，步骤b)包括：
44.b2)将连续纤维束引入至少一个所述管状腔体内，借助于加压流体或树脂在连续纤维上施加粘性阻力，施加压力差。
45.优选地，步骤b)包括：
46.b3)将连续纤维束引入至少一个所述管状腔体内，在连续纤维的束上施加机械推力。
47.优选地，步骤b)包括：
48.b4)依次引入树脂和连续纤维，特别是首先引入连续纤维，并且随后引入液体状态的树脂。
49.优选地，步骤b)包括：
50.b5)引入增强纤维，特别是碳纤维和/或碳纤维束。
51.优选地，步骤b)包括：
52.b6)引入功能性纤维，特别是玻璃纤维和/或陶瓷纤维。
53.优选地，步骤b)包括：
54.b7)引入玻璃纤维以形成至少一个温度计和/或应变计。
55.优选地，步骤b)包括：
56.b8)引入陶瓷纤维以形成至少一个致动器。特别地，通过引入用于形成具有压电特性的纤维结构的陶瓷束，可以在纤维结构中形成一个或若干个压电致动器。
57.优选地，步骤b)包括：
58.b9)在将树脂和连续纤维引入管状腔体中之后固化树脂。
59.根据另一方面，本发明提供一种复合材料部件，该部件通过根据前述实施方式中的任一项所述的制造方法获得。
60.优选地，复合材料部件形成为增强纤维桁架结构。
61.根据另一方面，本发明提供了一种用于制造由具有连续纤维增强物的复合材料制成的部件的制造系统，该制造系统包括：
62.加层制造装置，该加层制造装置用于加层制造本体，该本体具有由不能够溶于溶剂的第一材料制成的至少第一部分和由能够溶于溶剂中的第二材料制成的第二部分以及穿过第一部分和第二部分的至少一个管状腔体；
63.树脂和纤维引入装置，该树脂和纤维引入装置用于将树脂和连续纤维引入至少一个管状腔体中；以及
64.溶解装置，该溶解装置用于将第二材料溶解在溶剂中。
65.根据另一方面，本发明提供一种运输载体或交通工具、特别是有人驾驶或无人驾驶的飞行器或卫星，该运输载体或交通工具包括通过根据前述实施方式中的任一项所述的方法和/或通过使用根据本发明的其他方面的制造系统获得的部件和/或如上所述的复合材料部件。
66.本发明涉及材料科学领域，并且尤其涉及3d增强复合结构的制造。能够通过本发明的实施方式获得的这种结构的优选用途是在诸如城市航空器、卫星、haps、ngws/fcas、无人机之类的运输载体和交通工具以及飞行器中的结构应用。更通常地，能够通过本发明获得的部件用作负载轻质结构的基础。
67.本发明的实施方式尤其使用连续纤维注射方法，比如在通过参引并入本文中的ep 3231592a1中公开和描述的。本发明的实施方式提供了全3d纤维增强物，该纤维增强物被视为轻质部件的缺失块并且是最新地不可制造的。
68.本发明的实施方式涉及一种用于借助于3d打印的可溶性制造工具生产全3d纤维增强聚合物复合材料的方法。
69.连续纤维注射方法具有的优点是可以以低生产成本和低工具投资成本制造适应负载的3d增强复合部件。由于纤维在聚合物本体中的管状腔体中以高压注射，因此本体需要能够承受这些压力的聚合物结构。通过本发明，可以降低通过这种连续纤维注射方法获得的部件的重量。
70.本发明的优选实施方式具有以下优点中的至少一个、若干个或全部优点：
71.·
与包括最佳的抗蠕变性、抗温度/介质、抗疲劳性等的高性能聚合物相比，可以提供比特定强度/模量高约50倍的碳纤维ud(单向)增强物。
72.·
结构中的载荷以全3d定向——需要具有全3d纤维定向能力的技术。
73.·
除了承载增强物外，还可以集成功能性纤维(比如作为温度计/应变计的玻璃纤维、作为致动器的陶瓷纤维)。
74.·
本发明的优选实施方式提供了具有低聚合物比率/质量的复合结构，但理想的全3d定向增强纤维具有可行的最低工具成本和加工成本。
75.·
该制造方法适合低/中速率系列。
76.制造系统的优选实施方式尤其包括用于生产全3d复合结构的技术手段。
77.根据优选实施方式，提供了纤维增强物、聚合物部件材料和可溶性辅助/支承材料的几何设计。
78.几何设计被转移到工艺路径(g代码)中，例如经由切片软件进行转移。
79.第一材料尤其是聚合物部件材料(例如peek)。第二材料尤其是能够溶解的支承材料(例如，3dgenceesm-10)。
80.优选地，提供液体树脂和增强/功能性纤维。
81.优选地，使用能够处理至少一部分聚合物材料和一种可溶性材料的alm(加层制造)机器。这种alm的示例是flm(细丝层制造)打印机(市场上可获得的)、改进的hss机器(hss＝高速烧结；例如，使用适应油墨进行ir激活的粘合剂喷射)或具有多材料再涂覆机的适应sls机器(sls＝选择性激光烧结，特别适用于两种材料，示例是能够从aerosint公司获得的aerosint再涂覆机)。
82.该系统的实施方式还包括纤维注射机(cfip)，并且最终包括烘箱——在热固化热固性树脂的情况下。在通过参引并入本文中的ep 3231592a1中示出和描述了cfip机器的示例。
83.该系统的实施方式还提供溶剂以溶解支承材料。
84.该制造方法的优选实施方式包括以下步骤：
85.1)纤维增强物、聚合物部件材料(第一材料的示例)以及周围辅助/支承材料(第二材料的示例)的几何设计。
86.2)使用诸如simplify3d、cura、slic3r等常规的切片软件生成加工路径，
87.3)在一个步骤中打印第一材料和第二材料，其中，纤维路径集成为开放腔体、特别是管状腔体，
88.4)根据需要，使用减材方法(溶剂、喷砂铣削、钻削等)进行表面清洁，
89.5)根据cfip方法和装置将液体树脂和干纤维一起注射，该cfip方法和装置例如在ep 3231592a1中描述和示出，
90.6)根据需要，在烘箱中固化纤维增强物中的热固性树脂，
91.7)用减材技术和/或溶剂(酸、水等)溶解第二材料，
92.8)整理过程，比如切割纤维端部和/或根据需要用喷砂、铣削、研磨、溶剂或其他方法清洁表面。
93.根据优选实施方式，实现了具有局部聚合物和负载定向的“裸”纤维增强物的全3d增强部件。
附图说明
94.参照附图更详细地描述了本发明的优选实施方式。
95.图1是用于制造由具有连续纤维增强物的复合材料制成的部件的方法的流程图；
96.图2是在图1的制造方法的第一步骤中得到的本体的立体图；
97.图3是图2的本体的立体图；
98.图4是图2的本体的侧视图；
99.图5是可选地用在图1的方法中的金属构件的平面图；
100.图6是图5的金属构件的立体图；
101.图7是图2的本体的立体图，其中，图5的金属构件附接至该本体；
102.图8是图7的本体和金属构件的布置结构的另一立体图；
103.图9是在制造方法的另一步骤之后与图7类似的视图，其中，连续纤维已经被注射到本体中；
104.图10是具有本体、金属构件以及注射到本体中的连续纤维的图9的布置结构的另一立体图；
105.图11是具有可选的金属构件的使用图1的方法制造的部件的立体图；
106.图12是图11的部件的另一立体图；以及
107.图13是图11的部件的侧视图。
具体实施方式
108.图1是用于制造由具有连续纤维增强物14的复合材料12制成的部件10的制造方法的流程图。在图11至图13中示出了通过这种方法获得或能够获得的这种部件10的示例。
109.该方法包括第一步骤：
110.s1提供本体16，参见图2至图4，本体16具有管状腔体18、以及由第一聚合物材料22制成的至少一个第一部分20和由第二聚合物材料26制成的至少一个第二部分24。
111.另外，图1的制造方法包括第二步骤：
112.s2将树脂和连续纤维28——参见图9和图10——引入本体16的管状腔体18中。
113.另外，图1的制造方法包括第三步骤：
114.s3去除至少一个第二部分24。
115.在优选实施方式中，第一步骤s1包括制造内部包含管状腔体18的一个或若干个工具部件。优选地，第二聚合物材料26是能够溶于特定溶剂的可溶性聚合物，而第一聚合物材料22是不溶于特定溶剂的不可溶性聚合物。最优选地，本体16是通过使用不可溶性聚合物22和可溶性聚合物26进行加层制造而制成的。
116.对于本体16的制造，步骤s1包括第一子步骤：
117.s1a纤维增强物14、应存在于要制造的部件中的第一聚合物材料22以及仅用作制造部件10的周围辅助或支承材料并且在步骤s3中被去除的第二聚合物材料26的几何设计。
118.例如，设计是使用cad软件进行的。
119.在第一子步骤s1a中，本体16优选地设计成使得每个管状腔体18从第一开口端部30至第二开口端部32穿过本体16。
120.在优选实施方式中，第一部分20被设计成使得第一部分20存在于连续纤维28——
在第二步骤s2中以纤维束36的形式注射——形成弯曲的区域中和/或在部件10的接合区域40中。在接合区域40中，不同的纤维束36彼此靠近。在所示实施方式中，部件10是具有由连续纤维束36形成的桁架支柱和由接合区域形成的桁架节点的复合桁架结构42。
121.至少一个第二部分24存在于本体16的所有其他区域中。特别地，至少一个第二部分24在其中间部分和/或在其直线部段中形成管状腔体18的壁。
122.最优选地，管状腔体18相继穿过第一部分20和第二部分24。在优选实施方式中，管状腔体18的第一开口端部30和第二开口端部32中的至少一者由第一部分20形成。
123.重新参照图1，该制造方法的第一步骤s1还包括第二子步骤：
124.s1b使用加层制造机器(alm机器-未示出)制造本体16。
125.特别地，第二子步骤s1b包括使用诸如simplify3d、cura、slic3r之类的常规切片软件生成加工路径。特别地，通过第一子步骤s1a获得的设计被转换为可以由加层制造机器读取和处理的机器可读形式。
126.作为alm机器，可以使用能够处理第一聚合物材料22和第二聚合物材料26的任何alm机器(也称为3d打印机)。可以根据需要选择第一聚合物材料22和第二聚合物材料26。在优选实施方式中，材料22、26选择成使得第一聚合物材料22不能够被溶剂溶解并且第二材料26能够被溶剂溶解。例如，第二聚合物材料26作为可溶性辅助材料是在市场上可获得的材料，用于在打印期间支承3d结构并且可以在之后去除。一个示例是3dgenceesm-10。第一聚合物材料22是可以打印的并且不被用于去除第二聚合物材料26的溶剂溶解的聚合物材料。一个示例是peek。另一示例是pe、pp、abs、petg
……
127.alm机器的示例是flm打印机(在市场上可获得)、hs机器或sls机器。
128.在图2至图4中示出了第二子步骤s1b的结果的一个示例。它示出了具有管状腔体18的本体16，管状腔体18具有第一开口端部30和第二开口端部32以及位于第一开口端部30与第二开口端部32之间的复杂路径，其中，存在由第一聚合物材料22制成的第一部分20以形成第二开口端部32、接合点或接合区域40和/或管状腔体18的弯曲部段。在未示出的实施方式中，附加的第一部分20也可以形成第一开口端部30。如在图2至图4中所示的实施方式中，第一开口端部30设置在第二部分24内，第二部分24围绕并连接彼此间隔开布置的若干个第一部分20。
129.本体设计的一个目的是实现具有非常低的聚合物与增强纤维比率的部件。因此，在第三步骤中要去除的并且仅用作辅助材料的第二材料26优选地是本体16中的主要材料。例如，本体的重量的60％、特别是重量的70％至95％由第二材料26制成，并且仅其余部分由第一材料制成。因此，部件10将仅包含5％至40％的本体16的聚合物材料。
130.本体16用作制造图11至图13中所示的部件10的工具。第二部分24用作管状腔体18的形式件，以便注射连续纤维28。
131.在所示的实施方式中，还可以添加第三材料、例如金属材料。图5和图6中示出了金属构件44的示例。金属构件44在一个侧部上具有与本体16的一个端部互补的形式件，特别是与第二部分24的一个端部互补的形式件。金属构件44具有可以与第一开口端部30对准的开口。金属构件44可以附接至本体16的具有管状腔体18的第一开口端部30的端部。
132.根据一个示例，金属构件44具有限定开口46的突出部分48，该开口46可以与限定管状腔体18的第一开口端部30的第二部分24的凹部部分50接合。
133.因此，重新参照图1，第一步骤s1可以可选地具有附加的子步骤：
134.s1c制造金属构件44，以及
135.s1d预组装本体16和金属构件44。
136.在第三子步骤s1c中，金属构件16例如可以通过机械加工或其他制造技术制成。
137.在第四子步骤s1d的一个优选实施方式中，预组装是用重合的管状腔体18——即开口46与管状腔体18的第一开口端部30对准——完成的。组装可以通过不同的技术来完成。例如，金属构件44和本体16可以通过突出部分48与凹部部分50之间的形状配合接合附接至彼此。制造工具52的不同部件、例如本体16和金属构件44也可以例如通过胶合或粘合而连接至彼此。
138.优选地，制造工具52由本体16和诸如金属构件44之类的其他构件的布置结构形成，如图7和图8中所示。
139.在第一步骤s1的第四子步骤s1d之后，进行第二步骤s2。在第二步骤s2中，进行连续纤维注射方法(cfip)，比如在ep 3231592a1中所描述的。优选地，将纤维束36与液态树脂一起注射到管状腔体18中。该方法通常从ep 3231592a1中已知并且在本文中不再描述。特别地，碳纤维与热固性树脂一起注射。然后，纤维束36由管状腔体18的路径形成，即，纤维束36采用管状腔体18的复杂路径的形式。然后，与纤维束36一起注射的树脂被固定，使得纤维束36的形式通过树脂固定。
140.因此，制造工具52被用作形成纤维增强结构的形式件。
141.可以选择形式件使得复合桁架结构42中的载荷根据需要定向。
142.根据优选实施方式，不仅可以集成通过使用碳纤维束的承载增强件，而且还可以集成功能性纤维。因此，在管状腔体18中的至少一个管状腔体中，注射了功能性纤维、比如可以用于形成温度计和/或应变计的玻璃纤维或可以用于形成致动器的陶瓷纤维。
143.第二步骤s2还可以包括树脂的固定。为了实现这一点，可以将具有注射的纤维束36以及树脂的制造工具52放入烘箱(未示出)中以固化热固性树脂。在第二步骤s2之后，获得图9和图10中所示的结构。
144.图9和图10示出了包含注射的纤维束36的制造工具52。然后，将该制造工具52放入具有溶剂的浴器(未示出)中以便通过溶解第二聚合物材料26来去除第二聚合物材料26。这种浴器是用于溶解第二材料26的溶解装置的示例。
145.因此，使用特定溶剂溶解第二高聚合物材料26是第三步骤s3的一个优选实施方式。第三步骤s3还可以包括去除第二材料的其他技术、比如减材技术。特别地，第二聚合物材料26可以与半导体部分制造中已知的牺牲材料相类似地进行处理。
146.在去除第二材料26之后，得到如图11至图13中所示的部件10。在该特定实施方式中，部件10形成为复合桁架结构42，其中，第一聚合物材料22形成接合区域40和/或弯曲区域，而纤维束36被树脂固定以用作桁架支柱。
147.如从图11至图13可见，金属构件44可以用作将复合桁架结构42固定至其他部分的固定装置。
148.特别地，使用图1的制造方法获得的部件10可以用于航空载体或太空载体或其他交通工具、比如有人驾驶或无人驾驶飞行器或卫星的轻质结构部件。
149.为了以低的工具和工艺成本实现具有完全适应负载的3d纤维增强物的复合材料
部件(10)，本发明提供了一种用于制造由具有连续纤维增强物(14)的复合材料(12)制成的部件(10)的制造方法，该方法包括以下步骤：
150.a)提供本体(16)，本体(16)具有管状腔体(18)并且具有由第一聚合物材料(22)制成的至少一个第一部分(20)和由第二聚合物材料(26)制成的至少一个第二部分(24)；
151.b)将树脂和连续纤维(28)引入管状腔体(18)中，
152.c)去除至少一部分第二聚合物材料(26)。
153.附图标记列表
154.10 部件
155.12 复合材料
156.14 连续纤维增强物
157.16 本体
158.18 管状腔体
159.20 第一部分
160.22 第一聚合物材料
161.24 第二部分
162.26 第二聚合物材料
163.28 连续纤维
164.30 第一开口端部
165.32 第二开口端部
166.36 纤维束
167.40 接合区域
168.42 复合桁架结构
169.44 金属构件
170.46 开口
171.48 突出部分
172.50 凹部部分
173.52 制造工具(例如，本体16和金属构件44)
174.s1 为本体提供分别由第一材料和第二材料制成的第一部分和第二部分
175.s1a 纤维增强物以及第一部分和第二部分的几何设计
176.s1b 使用加层制造来制造本体
177.s1c 制造金属构件
178.s1d 对本体的不同部件或本体和其他构件进行预组装
179.s2 将树脂和连续纤维引入本体的管状腔体中
180.s3 去除至少一个第二部分