本發(fā)明涉及一種用于制造包括集成的玻璃纖維的金屬組件的3D打印方法，以及一種使用這種方法制造的包括集成的玻璃纖維的金屬組件。尤其地，本發(fā)明涉及一種用于航空航天領(lǐng)域的包括集成的玻璃纖維的金屬組件。

背景技術(shù)：

盡管根據(jù)本發(fā)明的包括集成的玻璃纖維的金屬組件可被用于多種應(yīng)用，然而將針對飛機對這些組件和所解決的問題做更詳細的描述。

在現(xiàn)代飛機構(gòu)造的領(lǐng)域中，金屬組件常被用作復(fù)合構(gòu)造中的結(jié)構(gòu)組件。在有些情形下，飛機機身的板材由玻璃-纖維-增強鋁(“玻璃層壓鋁增強環(huán)氧樹脂”，)，即包括鋁和玻璃纖維層壓片的交替層的層壓復(fù)合物(玻璃-纖維-增強塑料材料)制造。在這種情況下，由鋁或鋁合金制造的薄金屬片彼此堆疊并且在各種情況下借助于粘結(jié)層相互連接，該粘結(jié)層具有至少一個樹脂浸漬的、單向的玻璃-樹脂鑲嵌物。最終，該復(fù)合構(gòu)造通過施加壓力和溫度被固化以形成金屬片層壓件。提高了損傷容限、改善了對裂紋傳播的抑制、良好的耐蝕性以及輕質(zhì)有時被作為相對于單體(monolithic)金屬組件的優(yōu)點給出。

除了這種金屬層壓復(fù)合物的使用，在金屬基體中嵌入玻璃纖維也是已知的。例如，US 7,774,912 B2和US 2005/0133123 A1描述了用于制造可用于航空航天領(lǐng)域的玻璃纖維-金屬基體復(fù)合物的方法。在這種情況下，玻璃纖維束被牽拉穿過集成到熔化爐中的液態(tài)金屬容器。之后，在它們被最終冷卻即固化之前，金屬浸潤的纖維束借助于模制工具實現(xiàn)期望的布置。因此，這些方法與用于制造纖維-增強塑料材料的擠壓成型方法基本相似，并且，最終，這些類型的方法的共同點是纖維的布置只在一定的限制中是可能的。

不考慮玻璃纖維的用于改善金屬組件的性能的作用，所述玻璃纖維原則上也用于各種其他技術(shù)領(lǐng)域。玻璃纖維由此以玻璃纖維線纜(“光纖”)的形式用于例如電信中，作為用于傳輸數(shù)據(jù)的光纖，或作為光纖傳感器的組件。在飛機上，數(shù)據(jù)線纜(玻璃纖維線纜，銅線纜等)通常在預(yù)定的位置借助于相應(yīng)的保持裝置緊固到飛機的結(jié)構(gòu)組件上。例如，使用特定的緊固件，其圍繞待接收的數(shù)據(jù)線纜夾持并且相對于飛機固定所述線纜。這些線纜和固定件根據(jù)需要必須進一步被封閉和/或絕緣。飛機上的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)架構(gòu)原則上相當復(fù)雜。

在也常被稱為“3D打印方法”的生成或增材制造方法中，由物體的數(shù)字化幾何模型開始，一種或多種原始材料被彼此連續(xù)地堆積成層并且固化。因此，例如在熔融沉積造型(FDM)中，部件由造型材料分層地構(gòu)造，該造型材料為例如塑料材料或金屬，其中造型材料通過加熱被液化并且被擠出穿過噴嘴。3D打印為設(shè)計提供了充分的自由并且使得可能以合理的成本生產(chǎn)出使用傳統(tǒng)的方法不可能生產(chǎn)出的或是只有以相當大的成本才可能生產(chǎn)出的物體。由于該原因，3D打印方法目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計、機動車輛產(chǎn)業(yè)、航空航天產(chǎn)業(yè)或通常的工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)中，在工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)中，資源節(jié)約工序鏈根據(jù)需要被用于個性化組件的小規(guī)模和大規(guī)模的批量生產(chǎn)中。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

在此背景下，本發(fā)明的目的在于尋找包括玻璃纖維的多功能金屬組件的技術(shù)方案。

根據(jù)本發(fā)明，該目的通過具有權(quán)利要求1的特征的3D打印方法、具有權(quán)利要求14的特征的金屬組件和具有權(quán)利要求16的特征的飛機或航空器來實現(xiàn)。

因此，提供了一種用于制造包括集成的玻璃纖維的金屬組件的3D打印方法。該3D打印方法包括：加熱和液化金屬造型材料、將金屬造型材料分層沉積成材料層、以及分層固化所述材料層中的金屬造型材料。3D打印方法進一步包括：加熱和液化玻璃造型材料、將玻璃造型材料分層沉積在所述材料層中，以及分層固化所述材料層中的玻璃造型材料。金屬組件由沉積的材料層一體形成。金屬造型材料和玻璃造型材料被沉積為材料層，使得固化的玻璃造型材料形成穿過金屬組件的至少一個玻璃纖維。

此外，進一步提供了一種通過根據(jù)本發(fā)明的方法制造的包括集成的玻璃纖維的金屬組件。

此外，提供了一種飛機或航空器，其包括根據(jù)本發(fā)明的包括集成的玻璃纖維的金屬組件。

本發(fā)明所基于的構(gòu)思在于借助于3D打印方法在單個集成的制造工藝中制造包括集成的玻璃纖維的三維金屬組件。在本文中，三維意味著任意形狀的實心(solid)金屬組件原則上可被制造成單一件，玻璃纖維原則上可沿所有的三維空間方向前進穿過該組件并且尤其地也可跟隨曲線或軌跡。傳統(tǒng)地，金屬-玻璃復(fù)合組件由金屬和玻璃纖維層的交替層構(gòu)造而成。在這些傳統(tǒng)的技術(shù)方案中，玻璃纖維因此基本上在層的平面內(nèi)僅僅隨意布置。相反地，使玻璃纖維垂直于這些層定向被證明極其困難或費力(例如，之后可穿過金屬層鉆或銑出通孔，玻璃纖維可通過該通孔被放置。)

由此根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案的一個顯著的優(yōu)點在于：包括靈活布置的集成的玻璃纖維的實心金屬組件可使用相對簡單的3D打印方法的手段被簡單和節(jié)約成本地制造。根據(jù)本發(fā)明的金屬組件為多功能的意指玻璃纖維能以多種目的被集成到金屬組件中。一方面，可以提供玻璃纖維用于在類似于金屬組件的層壓復(fù)合構(gòu)造中的增強目的或其他結(jié)構(gòu)改善目的。然而另一方面，玻璃纖維也可被用作或設(shè)計成玻璃纖維線纜、光纖或光纜，并且因此它們可用于相應(yīng)的不同的技術(shù)用途。例如，這種玻璃纖維可用于傳輸數(shù)據(jù)。這種類型的數(shù)據(jù)傳輸可使得不需要傳統(tǒng)的線纜或線，這些線纜或線以前必須使用特定的緊固件等以復(fù)雜的方式固定到飛機的結(jié)構(gòu)上。由此傳輸數(shù)據(jù)的裝置可被一定程度上直接集成到飛機的支撐或增強結(jié)構(gòu)中。玻璃纖維線的入口開口和出口開口可因此設(shè)置在結(jié)構(gòu)組件的特定的預(yù)定位置處，飛機的例如來自駕駛艙或機艙管理系統(tǒng)或類似結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)線可在該預(yù)定位置處借助于插頭連接或其他連接模塊連接。因此，在安裝組件(緊固件、線纜、線等)的數(shù)目上可能有相當大的節(jié)省，從而節(jié)省了重量、組裝工作和用時以及成本。此外，高復(fù)雜的幾何形狀也可使用3D打印方法容易地制造，因此，數(shù)據(jù)連接(玻璃纖維)可根據(jù)例如可被預(yù)料到的結(jié)構(gòu)組件的載荷(載荷路徑)而在組件中非常靈活地定向。在進一步有利的應(yīng)用中，玻璃纖維可被用于監(jiān)測飛機結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，例如用于監(jiān)測復(fù)合構(gòu)造或部分復(fù)合構(gòu)造的結(jié)構(gòu)組件，例如，用來確定損傷等。本技術(shù)方案的優(yōu)點的原因尤其在于所使用的材料具有各向同性的性能。根據(jù)本發(fā)明的金屬組件和具有玻璃纖維“真正”的三維結(jié)合的組件有效地具有近似的性能。金屬組件的性能相應(yīng)地可借助于玻璃纖維被靈活控制。

本發(fā)明的上下文中的3D打印方法包括所有的生成和增材制造方法，在這些方法中，基于幾何模型、借助于在特定的生成制造系統(tǒng)中的化學(xué)和/或物理工藝、由例如液體或粉末的無定型材料或例如帶狀或線狀材料的中性成形的半成品制造具有預(yù)定形狀的物體。在工藝中，本發(fā)明的上下文中的3D打印方法使用增材工藝，其中原始材料以預(yù)定的形狀連續(xù)積聚成層。在這種情況下，3D打印方法尤其包括熔融沉積造型(FDM)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)和選擇性激光熔化(SLM)。

有益的實施例和擴展在進一步的從屬權(quán)利要求和參照附圖的說明書中陳述。

根據(jù)一個擴展，分層沉積玻璃造型材料可包括擠出液態(tài)的玻璃造型材料。擠出工藝使得沉積的玻璃層形成特別光滑和平坦的紋理。這在玻璃纖維用作光纖時尤其有利。

根據(jù)一個擴展，3D打印方法可包括熔融沉積造型方法。本發(fā)明的上下文中的熔融沉積造型(FDM)包括如下工藝：基于三維物體的數(shù)字表示，并借助于擠出被加熱的流體材料并且將所述材料成層地沉積在先前沉積的材料上來形成三維物體。在這種情況下，在冷卻時，沉積的材料與先前施加的材料結(jié)合并且固化以使得其形成整體的物體。

根據(jù)一個擴展，分層沉積金屬造型材料可包括擠出液態(tài)金屬造型材料。例如，金屬和玻璃都被加熱到其相應(yīng)的熔點之上并且被擠出。在這種情況下，可使用單個的、靈活的擠出機對每一層實施擠出，或者，可替代地，例如，使用兩個分開的擠出機輪流地相繼對每一層實施擠出。

根據(jù)一可替代的擴展，加熱和液化金屬造型材料的步驟可包括使用激光熔化或燒結(jié)金屬造型材料?？商娲?，金屬造型材料可因此使用激光被熔化，例如，造型材料能以粉末或帶或線的形式被沉積并且之后使用激光熔化。在該擴展中，3D打印方法可包括激光燒結(jié)工藝或激光熔化工藝或類似的工藝。在已知的選擇性激光燒結(jié)(SLS)和選擇性激光熔化(SLM)中，粉末狀材料以薄層逐步施加到基板上，隨后使用激光束熔化或燒結(jié)并且之后固化。

根據(jù)一個擴展，金屬造型材料的加熱和液化可在金屬造型材料的平均金屬熔點處進行。此外，玻璃造型材料的加熱和液化在玻璃造型材料的平均玻璃熔點處進行。分層沉積和分層固化在每一情況下對每一材料層實施，由具有更高的熔點的造型材料開始。該擴展解決了(addresses)玻璃造型材料和金屬造型材料的不同熔點的問題。有利地，具有更高的熔點的材料對每一層可相應(yīng)地被首先施加和固化。相應(yīng)的另一材料隨后在更低的溫度下被施加。本領(lǐng)域技術(shù)人員將據(jù)此推斷出：根據(jù)用途和需求的玻璃造型材料和金屬造型材料的特定組合會是有利的。因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員也將清楚例如如何根據(jù)玻璃造型材料是否首先施加、或反之亦然、或是否需要進一步的措施以避免或限制已沉積材料的不期望的重熔來修改該方法。

根據(jù)一個擴展，金屬造型材料可從包括金屬材料、金屬材料組合和金屬合金等的組中選擇。

根據(jù)一個擴展，金屬造型材料可從包括鋁、鈦和其合金等的組中選擇。

根據(jù)一個擴展，玻璃造型材料可從包括石英玻璃、摻雜石英玻璃、氟化玻璃、硫化物玻璃及其材料組合、以及例如聚甲基丙烯酸甲酯或聚苯乙烯的聚合物光學(xué)材料或其組合材料等的組中選擇。原則上，在本發(fā)明中，所有的能被在3D打印方法中分層堆積以形成玻璃纖維或聚合物光纖的玻璃質(zhì)材料都在考慮之列。

根據(jù)一個擴展，固化的玻璃造型材料可形成穿過金屬組件的多個玻璃纖維。

根據(jù)一個擴展，至少一個玻璃纖維可形成為光纖。在本發(fā)明的上下文中，光纖在此被理解為適于傳遞數(shù)據(jù)和/或功率的普通的玻璃纖維線纜或光纜。根據(jù)本發(fā)明的使用3D打印方法的技術(shù)方案也使得尤其是形成由在傳統(tǒng)玻璃纖維線纜的背景下不同地設(shè)計的同心層構(gòu)造而成的玻璃纖維成為可能。例如，可以提供由具有低反射率的外皮所包圍的光導(dǎo)芯?？商娲鼗蚋郊拥?，3D打印方法也可提供保護層等的形成，保護層由例如玻璃和/或塑料材料包圍實際的玻璃纖維線纜形成。原則上，根據(jù)本發(fā)明的方法可提供多于兩種造型材料的擠出(或相應(yīng)的3D打印方法)。原則上，有一種將聚合物光纖集成到金屬組件中的選擇(對“真正”的玻璃纖維附加地或可替代地)。

根據(jù)一個擴展，固化的玻璃造型材料可形成至少一個穿過金屬組件的玻璃纖維，該纖維完全穿過金屬組件。從而，借助于本發(fā)明，玻璃纖維也可特別地被形成以完全穿過金屬組件。然而可替代地，玻璃纖維也可被部分或全部地(包括端部)封閉在金屬組件中。因此，可以使用玻璃纖維來進行策略性的結(jié)構(gòu)增強，其中玻璃纖維不從組件突出。

根據(jù)一個擴展，金屬組件可被形成為用于增強飛機或航空器的機身的結(jié)構(gòu)組件。金屬組件可因此被形成為，例如，縱梁、翼肋、縱梁片段、翼肋片段、縱梁耦合器或翼肋耦合器等。原則上，根據(jù)本發(fā)明，也可能形成作為表皮區(qū)域(skin field)或表皮區(qū)域的一部分的金屬組件。除了連續(xù)數(shù)據(jù)線的選擇外，這也可被用于結(jié)構(gòu)監(jiān)測或可以例如提高飛機的抗沖擊性能。

根據(jù)本發(fā)明的進一步的一個方面，可提供一種計算機可讀取介質(zhì)，計算機可讀取介質(zhì)上存儲有計算機可執(zhí)行指令，當借助于數(shù)據(jù)處理裝置執(zhí)行計算機可執(zhí)行指令時，促使數(shù)據(jù)處理裝置實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的3D打印方法。

上面的實施例和擴展在合適時可根據(jù)需要相互組合。本發(fā)明進一步的可能的實施例、擴展和應(yīng)用也包括上述的或下面的關(guān)于實施例的本發(fā)明特征的未明確提到的組合。尤其地，在該情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員也會在本發(fā)明的相應(yīng)的基本形式上作為改進或補充而添加單獨的方面。

附圖說明

在下文中，將結(jié)合示意圖中示出的實施例對本發(fā)明進行更詳細的描述。其中：

圖1為根據(jù)本發(fā)明的實施例的包括集成的玻璃纖維的金屬組件的透視示意圖；

圖2為飛機的側(cè)視示意圖，其中圖1中的金屬組件被集成到飛機中；以及

圖3a、3b為根據(jù)本發(fā)明進一步的實施例的制造圖1中的金屬組件的3D打印方法的兩個示意流程圖。

具體實施方式

附圖旨在提供對本發(fā)明的實施例的進一步的理解。附圖示出實施例并且用于與說明書結(jié)合，以解釋本發(fā)明的原理和構(gòu)思。其他的實施例和很多所提到的優(yōu)點在附圖中顯示。附圖中的元件不一定以相對于彼此真實的比例示出。

在附圖中，除非另有說明，相同的、功能相同的、同樣運行的元件、特征和組件在每一種情況下具有相同的附圖標記。

圖1為根據(jù)本發(fā)明的實施例的包括集成的玻璃纖維的金屬組件的透視示意圖。

在圖1中，附圖標記1表示金屬組件。金屬組件1是形成為單一件的組件，即，整體組件。該整體組件由金屬造型材料2a制成，金屬造型材料2a由多個玻璃纖維3，3′穿透，多個玻璃纖維3，3′由玻璃造型材料2b制成。金屬組件1例如可以為飛機或航天器10的結(jié)構(gòu)組件，例如，縱梁或翼肋。圖2為飛機10的側(cè)視示意圖，其中圖1中的金屬組件作為縱梁集成到飛機10中。然而原則上本發(fā)明可用于任何其他可被包括在飛機10中的金屬組件，以用于各種目的。原則上，根據(jù)本發(fā)明的金屬組件1也可為復(fù)合組件等的金屬組件。在這點上，圖1中的金屬組件1應(yīng)純粹地被認為是示意圖。例如，所述組件可形成為縱梁或翼肋，該縱梁或翼肋具有任何形狀的橫截面，即，例如可以為Z形狀、L形狀和Ω形狀。

圖1通過示例的方式區(qū)分兩種基本類型的玻璃纖維3和3′。一些玻璃纖維3嵌入到金屬組件1中以改善金屬組件的結(jié)構(gòu)，例如用于改善在沖擊等發(fā)生時金屬組件1的損傷容限，或用于改善金屬組件的燒穿性能(burn-through behaviour)。這些玻璃纖維3沿金屬組件1的縱向方向彼此平行地設(shè)置。該設(shè)置只是為了示意性地示出。原則上，特別地，不平行的玻璃纖維3可在結(jié)構(gòu)優(yōu)化上有利。本發(fā)明完全地消除了傳統(tǒng)的纖維復(fù)合材料的限制，由此玻璃纖維3可沿任何空間方向以直的或彎曲形狀簡單地設(shè)置。相反地，一些玻璃纖維3’形成為光纖并且沿不同的空間方向從金屬組件1突出。這些玻璃纖維3’可以例如包括沿金屬組件1的縱向方向的玻璃纖維線纜(例如，當金屬組件1為縱梁等時在圖1的底部)，該玻璃纖維線纜包括預(yù)定間距的分配器分支，分配器分支側(cè)向地通向金屬組件1外(圖1中的頂部和右手側(cè))。連接器或連接模塊例如可在相應(yīng)的接觸點處耦合到玻璃纖維3′上，以將飛機等的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接到玻璃纖維線纜3′。在該實施例中，通過示例的方式給出，金屬組件1既可起到縱向增強縱梁的作用，同時也起到數(shù)據(jù)連接的作用。因此，該數(shù)據(jù)連接有利地直接集成到飛機10的結(jié)構(gòu)中。

圖3a和3b示出根據(jù)本發(fā)明進一步的實施例的用于制造圖1中的金屬組件的3D打印方法的兩個示意流程圖。

圖3a中的3D打印方法M包括：在步驟M1a中，加熱和液化金屬造型材料2a；在步驟M2a中，將金屬造型材料2a分層沉積成材料層；并且，在步驟M3a中，分層固化材料層中的金屬造型材料2a。該3D打印方法M進一步包括：在步驟M1b中，加熱和液化玻璃造型材料2b；在步驟M2b中，將玻璃造型材料2b分層沉積在材料層中；以及，在步驟M3b中，分層固化在材料層中的玻璃造型材料2b。金屬組件1由沉積的材料層一體成型。金屬造型材料2a和玻璃造型材料2b沉積成材料層，使得已固化的玻璃造型材料2b形成至少一個穿過金屬組件1的玻璃纖維3和3′。在這種情況下，3D打印方法可被設(shè)計成例如熔融沉積造型方法，分層沉積步驟在每種情況下包括在相關(guān)材料被加熱和液化之后擠出所述相關(guān)材料。在這種情況下，金屬造型材料2a的熔點Ta比玻璃造型材料2b的熔點Tb要高，這意味著金屬造型材料2a被先沉積和固化。例如，金屬造型材料2a可被沉積成層以幾乎覆蓋整個表面區(qū)域，并且僅提供個別的、小的剩余凹陷用于之后插入或澆鑄玻璃造型材料。這些層的連續(xù)有序設(shè)置使得根據(jù)需要制造復(fù)雜的、實心的金屬組件1成為可能，該組件被玻璃纖維穿透。

圖3b中的3D打印方法M基本包括與圖3a中的方法M相同的步驟。然而與第一種方法不同，在該情況下，金屬造型材料2a不是被擠出，而是在最后被固化的步驟M3a之前，首先在步驟M2a中被沉積(例如以粉末或線的形式)，并且之后使用步驟M1a中的激光進行加熱和液化。不同地，玻璃造型材料2b與圖3a一樣地被擠出，即，首先在步驟M1b中被加熱和液化，之后在步驟M2b中被沉積(或澆鑄)并且在步驟M3b中被固化。

所描述的方法可被用于運輸業(yè)的所有分支，例如用于道路機動車輛、軌道車輛或船只，也通常用于土木工程和機械工程或其他領(lǐng)域，例如建筑學(xué)、建筑和土木工程等。

在上述詳細的描述中，以一個或多個示例概述了不同的特征，以改進所描述的對象的說服力。然而，應(yīng)該清楚的是，上述描述純粹用于示意性的目的，而不是用于限制。它覆蓋各種特征和實施例的可替代方式、修改方式和等同方式。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，基于其掌握的本領(lǐng)域的知識，在閱讀上述說明時，將立即并且直接地清楚想到多個其它示例。

所述實施例已經(jīng)被選擇和描述以能夠以可能的最好方式陳述本發(fā)明所基于的原理及其可實踐的可能應(yīng)用。因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)預(yù)期應(yīng)用以優(yōu)化方式修改和使用本發(fā)明及其各種實施例。在權(quán)利要求書和說明書中，術(shù)語“包含(containing)”和“具有(having)”被用作相應(yīng)的術(shù)語“包括(comprising)”的中性術(shù)語。此外，術(shù)語“a”、“an”和“one”的使用原則上不旨在排除多個所描述的特征和組件。

附圖標記列表

1 金屬組件

2a 金屬造型材料

2b 玻璃造型材料

3，3’ 玻璃纖維

10 飛機

Ta 金屬熔點

Tb 玻璃熔點

M 方法

M1a，M1b 方法步驟

M2a，M2b 方法步驟

M3a，M3b 方法步驟