用于接合零件的層壓制件以及用于接合零件的方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】提供一種用于接合由復合材料制成的零件(1、2)的層壓制件(3)以及一種用于將由復合材料制成的至少兩個零件(1、2)與根據(jù)本發(fā)明的層壓制件(3)接合的方法，該層壓制件(3)包括：由粘合材料制成的第一層(3.1)，與第一層(3.1)相鄰的由預浸漬的復合材料制成的第二層(3.2)，以及與第二層(3.2)相鄰的由粘合材料制成的第三層(3.3)；該方法包括下述步驟：提供已固化的復合材料零件(1、2)，將用于接合的層壓制件(3)定位在兩個固化的零件(1、2)之間，將壓力和溫度施加至包括至少兩個零件(1、2)和層壓制件(3)的整個結(jié)構(gòu)，以使層壓制件(3)被固化并且使至少兩個零件(1、2)在所獲得的結(jié)構(gòu)中被接合在一起。
【專利說明】用于接合零件的層壓制件以及用于接合零件的方法和系統(tǒng)

【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于接合一對飛行器零件的方法。接合部在由包括樹脂基體和增強纖維的復合材料制成的第一固化零件與第二固化零件之間形成。

【背景技術(shù)】
[0002]飛機已大部分或完全由金屬部件構(gòu)建，金屬部件在機械特性方面提供了良好的性能，但是，其缺點是還提供了太多的重量。
[0003]隨著航空公司之間競爭的增加，飛行器機架制造商探索改善特定的性能的新途徑，即，增加或保持結(jié)構(gòu)特性并且針對金屬構(gòu)造降低重量。
[0004]在本文中，措辭“復合材料”應理解為任何類型的材料，例如CFRP(碳纖維增強聚合物)，其包括兩個或更多個物理地可辨別的且機械地可分開的部分，這兩個或更多個部分不能溶解在彼此中。CFRP用于主要結(jié)構(gòu)零件的優(yōu)點在于實現(xiàn)了重要的重量減輕以及運營成本的降低。具有較大CFRP成分的第一飛行器為空客A320，其CFRP成分多于20%。
[0005]已經(jīng)提出了在經(jīng)濟上有競爭力的制造復合零件的方法，諸如過程的自動化，如預浸潰層合(ATL(自動鋪帶機)、AFP(自動鋪絲機))、切割、修整、NDT(非破壞性測試)以及其他。不同的CFRP制造方法(預浸潰、樹脂傳遞模塑、干燥纖維等)、新型聚合物材料等改善了復合材料的收益性。
[0006]總之，復合材料已經(jīng)被證明滿足以下要求:
[0007]-重量減輕；
[0008]-成本有效；
[0009]-在飛行器條件下滿足結(jié)構(gòu)需求；
[0010]-受益的成本/重量關(guān)系。
[0011]用于接合固化的復合材料零件的常規(guī)方法為特別地借助于鉚釘?shù)臋C械結(jié)合。在現(xiàn)有技術(shù)中要解決的技術(shù)問題是如何避免在具有不同的固化零件的組件中使用鉚釘以在整個結(jié)構(gòu)中減輕重量。
[0012]使用機械結(jié)合來接合兩個固化零件的另一缺點在于在要被接合的零件的表面之間由于其制造公差可能產(chǎn)生的任何間隙將必須通過墊片來填充，而墊片增加重量且使組件操作復雜化。因此需要提供一種能夠吸收將要被接合的零件的所述制造公差的接合部。
[0013]在本說明書中的以下術(shù)語定義為:
[0014].共固化:通過單個的固化周期將提供的處于新鮮狀態(tài)(fresh state)的兩個復合層壓制件接合的工藝。所獲得的接合部被驗證用于一級結(jié)構(gòu)。
[0015].共結(jié)合:通過固化周期和沿著層壓制件的接合表面施加粘合劑將提供的處于新鮮狀態(tài)的復合層壓制件接合至固化的復合層壓制件的工藝。所獲得的接合部被驗證用于一級結(jié)構(gòu)。
[0016].結(jié)合:通過粘合材料接合兩個固化的復合零件的工藝。該工藝未被驗證用于接合一級結(jié)構(gòu)。
[0017].機械結(jié)合:借助于諸如鉚釘或螺栓之類的緊固裝置接合兩個零件的工藝。所獲得的接合部被驗證用于一級結(jié)構(gòu)。
[0018]在本說明書中，“一級結(jié)構(gòu)”應被理解為這些結(jié)構(gòu)的失效或者破壞將意味著飛行器在飛行時的災難性后果。因此，根據(jù)需求，這種結(jié)構(gòu)的驗證比二級結(jié)構(gòu)的驗證要求更高，二級結(jié)構(gòu)的失效或破壞將不意味著飛行器在飛行時的災難性后果。
[0019]通過本發(fā)明要解決的另一技術(shù)問題是如何在避免使用鉚釘且仍然遵循一級結(jié)構(gòu)的驗證的情況下接合一級結(jié)構(gòu)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0020]本發(fā)明提供了一種通過根據(jù)本發(fā)明的第一方面的層壓制件解決前述問題的解決方案，一種根據(jù)本發(fā)明的第二方面的用于接合兩個零件的方法，以及一種根據(jù)本發(fā)明的第三方面的系統(tǒng)。
[0021 ] 在本發(fā)明的第一方面中提供了一種用于接合由復合材料制成的零件的層壓制件，該層壓制件包括:
[0022].由粘合材料制成的第一層；
[0023].與第一層相鄰的包括預浸潰的復合材料的第二層；以及
[0024].與第二層相鄰的由粘合材料制成的第三層。
[0025]在本發(fā)明中，由預浸潰的復合材料制成的層將包括至少一層嵌入在樹脂基體中的增強纖維。
[0026]在層壓制件的第二層內(nèi)的纖維的定向?qū)⒏鶕?jù)將要施加至所獲得的零件的載荷來確定。
[0027]層壓制件適于接合零件，特別是已固化的由復合材料制成的零件。
[0028]在本發(fā)明的第二方面中提供了一種用于將由復合材料制成的至少兩個零件與根據(jù)本發(fā)明的第一方面的層壓制件接合的方法，該方法包括以下步驟:
[0029].提供已固化的由復合材料制成的零件；
[0030].將用于接合的層壓制件定位在兩個固化的零件之間，
[0031].將壓力和溫度施加至包括至少兩個零件和層壓制件的整個結(jié)構(gòu)，以使層壓制件被固化并且使至少兩個零件在所獲得的結(jié)構(gòu)中被接合在一起。
[0032]兩個零件在對整個結(jié)構(gòu)施加壓力和溫度以及接合層壓制件的第二層中的樹脂被聚合的步驟期間被接合在一起。
[0033]要接合的零件已固化的事實意味著零件具有足夠的剛度以能夠?qū)⑹┘又琳麄€結(jié)構(gòu)的壓力從外部均勻地分布至結(jié)合區(qū)域。
[0034]溫度在兩個零件的接合部的結(jié)合區(qū)域中局部地升高以執(zhí)行接合層壓制件的第二層的固化周期。這涉及能量的有效利用，因為僅在需要的地方提供熱量并且減少浪費。這種方法還利用了如下事實:固化的復合材料支持進一步的固化周期而不損失其特性。
[0035]當溫度在固化周期期間升高時，層壓制件的第二層中的樹脂轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w。有利地，這允許樹脂沿著兩個固化的表面分布以及在層壓制件的纖維之間分布。這連同通過要被接合的固化零件施加在接合層壓制件上的均勻壓力意味著樹脂填充可能由兩個固化的零件因其制造公差在固化周期之前的定位造成的任何間隙。一旦樹脂被聚合，則零件的定位和施加給零件的壓力將提供具有所期望的幾何形狀的接合部結(jié)構(gòu)。
[0036]因此，在固化周期期間施加壓力允許:
[0037].達到良好的壓實，消除孔隙度，以及
[0038].獲得目標的厚度，同時吸收要被接合的零件的制造公差。
[0039]三個零件的定位必須精確以吸收:
[0040].當要被接合的零件的表面不完全平坦時在定位中的公差，或者
[0041].當零件具有不規(guī)則區(qū)域時由于制造工藝而在制造中的公差。
[0042]該發(fā)明能夠借助于可以在高壓釜外部執(zhí)行的固化周期將簡單的零件(先前驗證的)通過結(jié)合集成為復雜結(jié)構(gòu)，因此在工業(yè)化中具有主要的優(yōu)點。
[0043]有利地，由于復合零件已通過NTD驗證且在“雙共結(jié)合”之前被修整至最終的形狀的事實，對所得的結(jié)構(gòu)的NDT和修整被最小化。僅需要接合部區(qū)域的小檢查，從而允許在低成本下的高集成。
[0044]該工藝在本發(fā)明范圍內(nèi)被命名為雙共結(jié)合。換言之，雙共結(jié)合工藝進行一類結(jié)合但用以下“夾層”代替粘合劑:
[0045].粘合劑，其可以為在共結(jié)合的現(xiàn)有技術(shù)中所使用的任何類型的粘合劑。
[0046].預浸潰體，以及
[0047].粘合劑。
[0048]本發(fā)明基于共結(jié)合技術(shù)。正如所解釋的，共結(jié)合的接合部通過中間粘合劑以及隨后的固化周期被用在兩個部件(一個固化的部件以及一個新鮮的部件)之間。最終在零件之間形成共接合的結(jié)構(gòu)。還通過在接合層壓制件中包括由預浸潰的復合材料制成的層以及通過共結(jié)合整個結(jié)構(gòu)，在兩個未固化的零件之間提供了具有共接合的接合部特性的接合部。因此，本方法可以用于接合一級結(jié)構(gòu)。
[0049]產(chǎn)生的優(yōu)點為:
[0050].避免使用鉚釘接合兩個固化的零件，并且因此減輕重量，
[0051].具有確保在固化的零件之間墊補間隙的結(jié)構(gòu)接合部。
[0052]在本發(fā)明的第三方面中提供了用于接合由復合材料制成的兩個零件的系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括:
[0053].至少兩個熱板，所述至少兩個熱板適用于施加壓力和溫度；
[0054].定位裝置，所述定位裝置適用于以使兩個零件利用根據(jù)本發(fā)明的第一方面的層壓制件接合的方式定位兩個零件；以及
[0055].控制裝置，該控制裝置適用于實施根據(jù)本發(fā)明的第二方面的方法的步驟。
[0056]在本發(fā)明的第四方面中提供了一種飛行器，該飛行器包括至少一個結(jié)構(gòu)，所述至少一個結(jié)構(gòu)的零件已利用根據(jù)本發(fā)明的用于接合由復合材料制成的至少兩個零件的方法接合。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0057]參照附圖，本發(fā)明根據(jù)僅作為示例給出且不局限于此的本發(fā)明的優(yōu)選實施方式變得明顯，本發(fā)明的這些及其他特征和優(yōu)點鑒于本發(fā)明的詳細描述將被清楚地理解。
[0058]圖1:該圖示出了根據(jù)本發(fā)明的層壓制件(3)。示出了三層，因此可以觀察到各層(3.1、3.2、3.3)。
[0059]圖2:該圖示出了待使用根據(jù)本發(fā)明的層壓制件(3)被接合的兩個零件(1、2)。溫度和壓力例如通過使用熱板壓力機施加在第一零件(I)的基部中和第二零件(2)上，由于僅局部施加溫度，因此節(jié)省能量。
[0060]圖3a:該圖示出了使用根據(jù)本發(fā)明的層壓制件(3)接合的兩個零件(1、2)，其中，定位公差和制造公差被吸收。
[0061]圖3b:該圖示出了使用根據(jù)本發(fā)明的層壓制件(3)接合的兩個零件(1、2)，其中，樹脂和纖維層(3.2)和粘合劑層(3.1,3.2)適于由零件(1,2)所施加的波動。
[0062]圖4:該圖示出了定位成將壓力和溫度施加在由復合材料制成的兩個零件(1、2)上的熱板壓力機(9)的圖示。

【具體實施方式】
[0063]一旦概述了本發(fā)明的目的，則將在下文中描述具體的非限制性實施方式。
[0064]在本說明書(包括權(quán)利要求、說明書以及附圖)中描述的所有特征可以以除互相排斥的特征的組合之外的任何組合方式組合。
[0065]用于接合至少兩個零件(1、2)的層壓制件(3)
[0066]如圖1所示，層壓制件(3)包括:
[0067].由粘合材料形成的第一層(3.1),
[0068].與第一層(3.1)相鄰的由預浸潰復合材料形成的第二層(3.2)，以及
[0069].與第二層(3.2)相鄰的由粘合材料形成的第三層(3.3)。
[0070]層壓制件3允許載荷在兩個零件(1、2)之間傳輸。載荷由要被接合的零件(1、2)承受但不由層壓制件(3)承受。
[0071]第二層(3.2)中的纖維的作用不被規(guī)定為承受載荷或在兩個零件(1、2)之間傳輸載荷。載荷通過第二層(3.2)的樹脂基體來傳輸，并且所述第二層(3.2)中的纖維的作用是將樹脂基體保持在一起。在具體的示例中，纖維的數(shù)目被最小化以使解決方案的重量不利最小化。
[0072]在具體的實施方式中，第二層(3.2)的總厚度被最小化。有利地，該事實減小了由于在要被接合的零件中的一個零件上施加剪切力而在另一零件中產(chǎn)生的動量。
[0073]層壓制件包括由至少一層新鮮纖維制成的第二層(3.2)。第二層(3.2)可以包括處于被認為對于所考慮的每種情況更適當?shù)亩ㄏ虻挠蓸渲屠w維制成的若干層。
[0074]在例如用于飛行器的雙共結(jié)合縱梁的層壓制件(3)的【具體實施方式】中，在縱梁端部處的第二層(3.2)的由樹脂和纖維制成的若干層的定向為0°。
[0075]在例如用于飛行器的雙共結(jié)合縱梁的層壓制件(3)的具體的實施方式中，在縱梁端部處的第二層(3.2)的由樹脂和纖維制成的若干層的定向為45°。
[0076]來源于使用層壓制件(3)接合零件(1、2)的優(yōu)點之一為層壓制件(3)在被固化之前可以適用于不同的形狀，例如在制造和/或定位中精度不足的那些零件(1、2)，如在圖3a中示出的一個例子。在圖3a中示出了使用根據(jù)本發(fā)明的層壓制件(3)接合的兩個零件(1、2)，其中，在定位和制造中的公差被吸收。第二層(3.2)中的纖維分布在層壓制件(3)的中央以占據(jù)位于要被共結(jié)合的兩個零件(1、2)之間的整個空間。
[0077]圖3b中示出了有利的適用性的另一示例。在圖3b中示出了使用根據(jù)本發(fā)明的層壓制件⑶接合的兩個零件(1、2)，其中，第二層(3.2)和粘合層(3.1,3.3)適用于由零件(1、2)所施加的波動。
[0078]用于將至少兩個零件(1、2)與層壓制件(3)接合的方法
[0079]要被接合的零件(1、2)由復合材料制成且零件(1、2)已經(jīng)通過固化工藝固化。
[0080]該方法包括以下步驟:
[0081].提供已固化的零件(1、2)，
[0082].將用于接合的層壓制件(3)定位在兩個固化的零件(1、2)之間，
[0083]?將壓力和溫度施加至包括至少兩個零件(1、2)和層壓制件(3)的整個結(jié)構(gòu)，以使層壓制件(3)被固化并且至少兩個零件1、2在所獲得的結(jié)構(gòu)中被接合在一起。
[0084]在具體的實施方式中，方法中所描述的三個步驟在單個機器中完成。
[0085]如圖3a和圖3b所示，通過施加均勻的壓力，樹脂沿著零件(1、2)在定位期間的波動或非對稱性分布。
[0086]在具體的實施方式中，定位通過實現(xiàn)所需的公差的定位裝置進行。公差取決于要被接合的部件及其形狀。
[0087]在圖2中示出了待使用根據(jù)本發(fā)明的層壓制件(3)被接合的兩個零件(1、2)。溫度和壓力僅局部地施加于:
[0088].第一零件(I)的基部上，該第一零件(I)例如可以是縱梁，以及
[0089].第二零件⑵上，
[0090]無需高壓釜。
[0091]在圖2中示出的實例中，該方法允許僅在縱梁(I)的基部上以及在第二零件(2)上施加溫度，這因此允許在無需高壓釜的情況下執(zhí)行固化周期，從而使能量消耗最優(yōu)化。因此，固化周期在本發(fā)明的背景下沒有構(gòu)思為高成本的固化周期，而是構(gòu)思為可以通過使用例如熱板壓力機(9)來執(zhí)行的簡單的固化周期。這與需要使用高壓釜的解決方案相比表現(xiàn)出在工業(yè)化中的優(yōu)點。
[0092]如上所述，在固化輔助層壓制件(3)的【具體實施方式】中，通過熱板壓力機(9)施加壓力和溫度，如圖4所示，在圖4中示出了將壓力和溫度施加在定位在根據(jù)本發(fā)明的層壓制件⑶的外部層(3.1,3.3) 二者上的兩個零件(1、2)上的熱板壓力機(9)的圖示。該圖還示出了層壓制件(3)的邊緣上的密封件⑶。有利地，該密封件避免了在施加壓力時樹脂被排出。
[0093]在具體的實施方式中，熱板壓力機(9)為可能的解決方案之一，但許多其他可能的解決方案可以適用于這些提議。
[0094]有利地，由復合材料制成的零件(1、2)允許熱量通過所述零件(1、2)朝向通過待使用熱壓板(9)固化的層壓制件(3)傳輸。
[0095]在具體的實施方式中，溫度在160°C至190°C的范圍內(nèi)以用于改善纖維的聚合。
[0096]在具體的實施方式中，至少兩個零件(1、2)的固化表面以及層壓制件(3)的新鮮表面的預處理通過如現(xiàn)有技術(shù)的共固化中的剝離層或表面預處理來執(zhí)行。
[0097]用于接合由復合材料制成的兩個零件(1、2)的系統(tǒng)
[0098]根據(jù)本發(fā)明的用于接合由復合材料制成的兩個零件(1、2)的系統(tǒng)的特征在于，其包括:
[0099].至少一個熱板壓力機(9)，所述至少一個熱板壓力機(9)適用于施加壓力和溫度，
[0100].定位裝置，該定位裝置適用于以使兩個零件利用層壓制件(3)接合的方式定位兩個零件，以及
[0101].控制裝置，該控制裝置適用于實施根據(jù)本發(fā)明的方法的步驟。
【權(quán)利要求】
1.一種用于接合由復合材料制成的零件(12)的層壓制件(3),所述層壓制件(3)包括: #由粘合材料制成的第一層(3.1)； -與所述第一層(3.1)相鄰的由至少預浸潰的復合材料制成的第二層(3.2)；以及 -與所述第二層(3.2)相鄰的由粘合材料制成的第三層(3.3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于接合零件(12)的層壓制件(3),其特征在于，所述第二層(3.2)包括至少兩層呈0。鋪設的新鮮纖維。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于接合零件(12)的層壓制件(3),其特征在于，所述第二層包括至少兩層呈45。鋪設的新鮮纖維。
4.一種用于將由復合材料制成的至少兩個零件(12)與根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任一項所述的層壓制件(3)接合的方法，所述方法包括以下步驟: -提供已固化的復合材料零件(12), -將用于接合的所述層壓制件(3)定位在兩個固化的零件(12)之間，，將壓力和溫度施加至包括所述至少兩個零件(12)和所述層壓制件(3)的整個結(jié)構(gòu)，以使所述層壓制件(3)被固化并且使所述至少兩個零件(12)在所獲得的結(jié)構(gòu)中被接合在一起。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，定位利用定位裝置進行。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的方法，其特征在于，利用熱板壓力機(9)施加壓力和溫度，而無需高壓釜工藝。
7.根據(jù)權(quán)利要求4至5中的任一項所述的方法，其特征在于，所述零件(12)包括通過剝離層或表面預處理執(zhí)行的固化表面。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述零件(12)包括通過剝離層或表面預處理執(zhí)行的固化表面。
9.一種用于接合由復合材料制成的兩個零件(12)的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括: -至少一個熱板壓力機(9),所述至少一個熱板壓力機(9)適用于施加壓力和溫度； -定位裝置，所述定位裝置適用于以使所述兩個零件利用根據(jù)權(quán)利1至3中的任一項所述的層壓制件(3)接合的方式定位所述兩個零件；以及 ，控制裝置，所述控制裝置適用于實施根據(jù)權(quán)利要求4至8中的任一項所述的方法的步驟。
10.一種飛行器，所述飛行器包括至少一個結(jié)構(gòu)，所述至少一個結(jié)構(gòu)的零件已利用根據(jù)權(quán)利要求4至8中的任一項所述的方法接合。
【文檔編號】B23K20/02GK104416280SQ201410432225
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2014年8月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月29日
【發(fā)明者】帕布洛·塞沃利亞加羅費, 卡洛斯·羅蒙巴諾貢 申請人:空中客車營運有限公司