用于增强多孔材料的方法及针技术

本发明专利技术涉及一种用于增强多孔材料(1)的方法，包括：在多孔材料(1)中制造从多孔材料(1)的第一表面延伸到多孔材料(1)的第二表面的通孔；穿过通孔(2)从多孔材料(1)的第一表面到达多孔材料(1)的第二表面；在多孔材料(1)的第二表面处抓住至少一个纤维束(3)；以及将至少一个纤维束(3)拉到多孔材料(1)中的通孔(2)中，其中在多孔材料(1)中制造通孔(2)包括利用旋转和/或振荡针(8)穿透多孔材料(1)。

【技术实现步骤摘要】
用于增强多孔材料的方法及针
本专利技术涉及一种用于增强多孔材料的方法以及涉及一种在这种方法中使用的针。本专利技术特别涉及增强作为夹层式部件的芯部的多孔材料。本专利技术更具体地涉及用于航空器或航天器的夹层式部件的增强多孔材料。
技术介绍
虽然适用于制造和/或增强各种部件，例如，用于运输工业中的陆运、空运或水运车辆，但将参考用于商用航空器的部件更详细地解释本专利技术及其所基于的问题。由于其优越的刚性或强度与密度的比，夹层结构广泛地用于航空器结构领域。夹层式部件通常由上和下覆盖层或表面组成，在它们之间布置蜂窝状芯结构以增加部件的刚性，其中芯结构由具有六边形横截面的垂直延伸的孔组成。在芯结构被相应地实现的情况下，夹层构造还可以具有其他性能，例如声或热的绝缘性能。刚性多孔材料用作具有蜂窝结构的设计的替代。与蜂窝结构相比，多孔或泡沫材料在热和声的绝缘以及部件制造方面提供了某些优点。通过利用缝合技术将纤维或线结合到由多孔材料制成的部件中，与具有相当密度的蜂窝状芯结构的夹层结构相比，可以实现优异的机械性能。在树脂渗透过程之后，被纤维渗透的区域有助于多孔材料的机械增强。在替代方法中，多孔材料直接渗入由纤维和固化基质材料制成的预固化针。在许多已知的缝合方法中，如在US6,187,411B1中描述的那种，针最初穿透多孔材料并同时将线引入多孔材料中。在多孔材料的穿刺期间，线基本上在整个长度上平行于针延伸。因此，穿刺孔的孔尺寸由针的直径和线的厚度限定。因此，针从多孔材料退出后残留的孔相对于引入的线的厚度可以较大。这导致孔的未被纤维填充的区域在树脂浸润之后被树脂填充，使得机械性能基本上基于渗透的树脂。DE102005024408A1描述了一种称为“束缚的泡沫芯部”的技术，其构成对纤维或纤维束的多孔材料的增强的改进，其中引入的纤维或多或少地仅仅用于改善多孔材料芯部的机械性能。为此，首先通过用针刺穿多孔材料而在从第一表面延伸到第二表面的多孔材料中制造通孔。然后，针在第二表面处利用钩抓住纤维束，该纤维束被针连续地拉回到通孔中，使得通孔的横截面基本上完全被纤维束填充。对于某些结构应用，需要非常高的芯部密度和/或芯部高度(即相应的夹层部件的厚度)，以实现良好的重量性能和损伤公差，同时维持高的弯矩。然而，可实现的芯部厚度和芯部密度常常受到所使用的针的最大长度和/或稳定性的限制。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供用于增强具有较高密度和/或厚度的芯部材料的解决方案，同时保持良好的重量/成本比。该目的通过具有权利要求1的特征的方法和具有权利要求12的特征的针来实现。根据本专利技术的第一方面，一种用于增强多孔材料的方法包括在多孔材料中制造从多孔材料的第一表面延伸到多孔材料的第二表面的通孔。该方法还包括穿过通孔从多孔材料的第一表面到达多孔材料的第二表面。该方法还包括在多孔材料的第二表面处抓住至少一个纤维束。该方法还包括将至少一个纤维束拉入多孔材料的通孔中。在多孔材料中制造通孔包括利用旋转和/或振荡针来穿透多孔材料。根据本专利技术的第二方面，用于使用根据本专利技术的第一方面的方法增强多孔材料的针包括圆柱轴。针还包括在圆柱轴的尖端处的切削刃。针还包括集成到圆柱轴中的钩，以用于抓住纤维束。本专利技术的一个想法是通过采用针来改进束缚泡沫芯部技术，以这种方式有效地减小穿透多孔材料的芯部所需的力，并因此提高制造更高的芯部密度和厚度且没有任何显著的成本或重量增加的可能性。束缚泡沫芯部技术基于消除在孔的制造期间同时引入用于增强多孔材料的纤维束的想法。首先在第一步骤中在多孔材料中制造通孔，以便随后将在第二表面的另一侧上可用的纤维束沿第一表面的方向拉入通孔中。所讨论的多孔材料可以在相对表面具有三维几何形状，其中平行表面仅存在于简单实施例中。夹层结构经常具有三维曲率，厚度的突然变化等特征。本专利技术采用具有振动/振荡和/或旋转运动的针，以便更好地穿透多孔材料。为此目的，传统的针可以由根据本专利技术的针代替，该针基本上用作具有切割/钻孔刃和/或尖端的钻头。然而，根据本专利技术，针也可以利用振动/振荡运动，没有任何旋转。根据使用情况，这种振荡运动的不同频率可能是有利的。例如，针可以在超声波状态振荡。本领域技术人员将容易地认识到，根据具体应用，其它振荡频率可能是优选的。同时，根据本专利技术的针配置有用于接收纤维束的钩。因此，根据本专利技术的针组合了钻头的特征与更常规的缝纫针的特征。对于振荡和/或旋转(即钻孔)运动，针可以连接到机械和/或电钻机构，其提供扭矩和轴向力以构建通孔。针可以具有尽可能小的轴直径，以避免制造具有过大截面的通孔。特别地，针轴的横截面可以不超过待拉动穿过通孔的纤维束的厚度(或者不大于处于拉伸的初始状态中的纤维束的单一厚度的两倍)。利用根据本专利技术的方法和针，可以制造更高的芯部密度和厚度，而没有任何显著的成本或重量增加，例如芯部厚度大于100mm，芯部密度大于70kg/m3。根据本专利技术的针可具有小于一毫米的轴厚度。然而，对于特定使用情况，一或几毫米，如2，3或4mm，的轴厚度可能是优选的。在本专利技术的上下文中使用的术语“多孔材料”是指适合用作夹层结构中的芯部材料的任何芯部材料。多孔材料优选地由实际的多孔材料组成，但是在本专利技术的上下文中也可以由例如毛毡的纺织品或任何其它无纺布组成。例如，所述方法同样允许利用无问题的纺织半成品，特别是毛毡或无纺布，以便改进它们在另一维度上的性能。在本专利技术的上下文中，术语“纤维束”是指由多根单根纤维或单丝、单根纤维以及通过扭绞单根纤维或纤维束产生的纱线组成的粗纱。术语“纤维束的厚度”在本专利技术的上下文中是指压缩形式的所有单根纤维的总和。多孔材料可以由任何任意的多孔材料组成，但是高质量的PMI刚性多孔材料在航空领域可能是有利的。自然地，也可以使用由例如聚氯乙烯或聚氨酯组成的其它多孔材料。代替使用根据本专利技术的用于增强多孔材料的方法，本专利技术的方法也可以用于增强织物，例如毛毡或任何其它无纺布，在本专利技术的上下文中，其也可以是归入一般术语“多孔材料”。通孔可以以任何角度位置产生在多孔材料中。特别地，通孔的取向可以单独地适配于待增强的多孔材料的相应形状以及在操作条件下预期的负载情况。该方法使得可以根据特定的负载和应用来定制夹层结构变的可能。如上所述，至少一个纤维束在多孔材料的第二表面的另一侧上可用。为了容易地抓住纤维束，其可以保持在通孔的区域中，例如，在第二表面附近以直的、伸长的方式保持，以便利用钩等可靠地抓住纤维束。当抓住这种直的、伸长的纤维束以便穿过通孔拉动纤维束时，它可以形成最初状态的两倍，并形成环。由于这种措施，最终延伸穿过通孔的(单)细丝的数量是初始状态下纤维束的单根纤维的数量的两倍。或者，可能已经产生了被抓住或抓取的环，使得折叠过程被消除。所使用的纤维材料可以由例如芳族聚酰胺纤维、碳纤维、尼龙纤维、聚酯纤维、金属纤维或玻璃纤维构成，其中也可以使用任何其它纤维材料。根据本专利技术的方法可以改善在各种领域中使用的多孔材料的特定机械性能。这种类型的增强多孔材料主要用于重要的是以低材料成本和小重量实现严格的刚性要求的应用中。航空和航天领域是使用这种增强多孔材料的领域的一个经典实例，即因为在这种情况下总是要求关于结构部件的刚性或强度和可能的最小重量。在航空和航天工程中，例如，根据本专利技术的方法使得通本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于增强多孔材料(1)的方法(M)，其包括：在多孔材料(1)中制造通孔(2)的步骤(M1)，所述通孔从多孔材料(1)的第一表面延伸到多孔材料(1)的第二表面；穿过通孔(2)从多孔材料(1)的第一表面到达多孔材料(1)的第二表面的步骤(M2)；在多孔材料(1)的第二表面处抓住至少一个纤维束(3)的步骤(M3)；以及将至少一个纤维束(3)拉入到多孔材料(1)中的通孔(2)中的步骤(M4)，其中，在多孔材料(1)中制造通孔(2)的步骤(M1)包括利用旋转和/或振荡针(8)穿透多孔材料(1)。

【技术特征摘要】
2015.11.26 EP 15196589.41.一种用于增强多孔材料(1)的方法(M)，其包括：在多孔材料(1)中制造通孔(2)的步骤(M1)，所述通孔从多孔材料(1)的第一表面延伸到多孔材料(1)的第二表面；穿过通孔(2)从多孔材料(1)的第一表面到达多孔材料(1)的第二表面的步骤(M2)；在多孔材料(1)的第二表面处抓住至少一个纤维束(3)的步骤(M3)；以及将至少一个纤维束(3)拉入到多孔材料(1)中的通孔(2)中的步骤(M4)，其中，在多孔材料(1)中制造通孔(2)的步骤(M1)包括利用旋转和/或振荡针(8)穿透多孔材料(1)。2.根据权利要求1所述的方法(M)，其中针(8)钻入多孔材料(1)中以制造通孔(2)。3.根据权利要求1至2中任一项所述的方法(M)，其中在多孔材料(1)中制造通孔(2)的步骤(M1)包括预钻通孔(2)。4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法(M)，其中至少一个纤维束(3)通过被钩在针(8)中而被抓住。5.根据权利要求4所述的方法(M)，其中至少一个纤维束(3)被钩在集成到针(8)中的凹槽(13)中。6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法(M)，其中在制造通孔(2)的步骤(M1)之前和/或期间加热针(8)。7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法(M)，其中将至少一个纤维束(3)拉入到通孔(2)中的步骤(M4)包括将针(8)拉入通孔(2...

【专利技术属性】
技术研发人员：保罗·约恩，马库斯·米勒，
申请(专利权)人：空中客车运营有限公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE