用于制造用作夹层构造中的芯部结构的三维框架结构的方法和由此制造的框架结构

摘要

本申请涉及一种用于制造用作夹层构造中的芯部结构的三维框架结构的方法。此外本发明还涉及一种用于夹层构造的框架结构，所述框架结构是按照根据本发明的方法进行制造。在该方法中，二维网格结构(1)是由条形线性半成品(2，3)制造，在所述结构中半成品(2，3)在限定的交叉点(4)处交叉；使条形线性半成品(2，3)在交叉点(4)处连接，并且在所有情况下通过沿着三条非交叉(假想的)直线(5，6)对网格结构(1)局部施加热量而使其软化。为了使网格结构(1)具有三维形状，沿着对其施加热量的(假想的)直线(5，6)中的中间一条将力(F)引入网格结构(1)，其中由于网格结构的变形，所引入的力(F)偏转成作用在半成品上的成对张力，因此沿着对其施加热量的(假想的)中间直线(5，6)将所述网格结构(1)拉入第三维。

说明书

相关申请的参照

本申请要求2006年2月24日提交的德国专利申请No.10 2006 008728.3和2006年2月24日提交的美国临时专利申请No.60/776,524的优先权，上述申请的公开在此以参引的方式纳入本文。

技术领域

本发明涉及复合材料的技术领域。具体地，本发明涉及一种用于制造用作夹层构造中的芯部结构的三维框架结构的方法。此外，本发明涉及一种用于夹层构造的框架结构，所述框架结构按照根据本发明的方法制造，并且涉及一种包括夹层构造形式的结构部件的飞行器，所述夹层构造的芯部结构利用根据本发明的方法制成。

背景技术

由于复合材料的刚度或强度与密度的良好比率，尤其是夹层构造，复合材料在飞行器构造领域中具有广泛的应用范围。一般来说，夹层构造由顶覆盖层和底覆盖层以及为了增强刚性而位于顶覆盖层和底覆盖层之间的例如由垂直延伸的六边形横截面的单元所组成的蜂巢状的芯部结构形成。

作为包括蜂巢结构的设计的一种替代方式，可以使用刚性多孔材料。但是，当与具有蜂巢芯部结构和类似密度的夹层构造相比时，包括刚性多孔材料芯部的夹层构造在一定程度上具有缺陷，即它们的机械性能较差。为了弥补这一缺点，纤维、细丝或拉挤成型的半成品框架可以以限定的角度以及限定的密度结合在刚性多孔材料中。在结合纤维或细丝以及随后的树脂浸渍程序的情况下，纤维便有助于多孔材料的机械强度。在这种情况下，多孔材料不仅充当载体用于将以树脂增强纤维或细丝形式出现的针状物保持在适当的位置，还用来稳固针状物以防止或至少推迟当所述针状物处于载荷下的任何翘曲或断裂。

但是，由于这种增强的刚性多孔材料的载荷承受能力主要是由所引入的针状物或所引入的拉挤成型的半成品框架所决定，因此现有的多孔芯部以不期望的方式倾向于导致芯部结构的密度的增加。另外通常地，增加强度的多孔材料结构仅包括在载荷下具有弹性的很小的区域，这样通常倾向于对复合材料造成塑性的且永久的损坏。最后，具有增加刚性的多孔材料的夹层构造无法通风和排水，因为覆盖层之间的空间完全被刚性多孔材料填满。

例如从WO 2004/022869 A2和WO 03/101721 A1中，已知用于制造三维网格结构的方法，在所述方法中，首先生成金属网格结构，借助于下模具和相应的上模具将金属网格结构向第三维弯曲，从而产生三维的网格结构。在这种弯曲的期间，金属网格栅网的横向边界没有保持在原位，因为这将阻止任何进入第三维的弯曲。但是，这种利用下模具和相应的上模具的弯曲是相当不灵活的，因为改变网格结构的角度和改变网格结构的高度需要更换下模具和相应的上模具。

US 3,884,646也描述了一种在夹层构造中作为芯部结构使用的三维网格结构的制造方法。在该方法中，首先从金属板上形成平面的网格结构，接下来弯曲所述网格结构，再次通过一个成形步骤，借助于下模具和相应的上模具使所述平坦网格结构具有三维形状。

但是根据上述印刷出版物制造的三维网格结构与上述的多孔材料增强芯部结构的缺点并不相关，所述的用来制造三维网格结构的制造方法由于使用了下模具和上模具而相对不灵活。

发明内容

其中，需要指出一种在不使用例如刚性多孔材料的载体材料的情况下来制造三维框架结构的方法，其中所述框架结构在关于生产各种网格几何形状的方面比所述的使用下模具和上模具的成形方法更具有灵活性。

如果在本发明的上下文中使用术语“条形线性半成品”，其指的是拉挤成型、挤压成型或拉拔成型的具有限定横截面的条形几何形状，所述横截面可以例如是圆形、三角形、矩形、六边形、管状或一些类似的几何形状。半成品可以在有或没有用于增强的增强纤维的情况下制成。半成品可以例如包括：挤压成型的热塑性塑料；拉挤成型的(部分交联的)聚合体，尤其是热固塑料材料或硬质体(duromer)；挤压成型的金属或陶瓷，尤其是前体陶瓷，其中热塑性和热固性塑料材料(硬质体)可以额外地包括增强纤维。

根据本发明的第一方面，本发明的目的可以通过一种用于制造三维框架结构的方法来实现，在所述方法中，在第一步骤中，制造由条形线性半成品制成的二维网格结构。在该方法中，线性半成品可以作为连续材料提供。在此过程中，布置线性半成品以形成二维网格结构，使得它们在所限定的交叉点处交叉。例如，初始时可以布置第一层线性半成品，在该层中，各个条形线性半成品以彼此平行的方式成组地延伸。接下来，将以彼此平行的方式成组地延伸的第二层线性半成品放置于第一层之上，其中该线性半成品相对于第一层中的线性半成品以不同的角度排列，使得两层中的线性半成品在所限定的交叉点处交叉。初始时没有被彼此连接的条形线性半成品所形成的网格结构可以包括均匀图案，但这并不是必需的。在进一步的工序中，接下来使条形线性半成品在交叉点处相互连接。这种连接可以例如通过在交叉点区域中的点接触加热来实现，从而半成品被软化并且彼此之间稍微粘接。在与该方法相关的接下来的进一步的步骤中，然后使条形线性半成品软化，从而使其变得有些发粘或具有粘性。这种软化可以例如通过沿着三条假想的非交叉直线对网格结构局部施加热量来实现。例如可以沿着第一组(假想的)非交叉直线和相应地沿着第二组(假想的)非交叉直线进行对二维网格结构施加热量，其中第一组直线和第二组直线彼此交替地延伸；换句话说，在所有的情况下，第二组的直线位于第一组的两条直线之间，且第一组的直线位于第二组的两条直线之间。

为了接下来使网格结构具有期望的三维结构，沿着对其施加热量的假想直线中的中间直线将力引入网格结构，从而使网格结构脱离它的二维平面变形。由于网格结构的这种变形，所引入的力偏转成作用在半成品上的成对张力，因此沿着对其施加热量的中间假想直线将所述网格结构拉入第三维。该步骤类似深冲压程序，在该程序中半成品的材料没有伸长。相反，由于网格结构变形进入第三维从而在平面中缩短。为了避免当力引入时网格结构任意地偏离，可以通过可移动轴承来保持网格结构的边界或中间直线两侧的直线，这样保证了所引入的力可以按照目标的方式转换或分解成半成品中的张力。

在将力引入网格结构的步骤中，通过接连地并交替地形成顶峰和波谷使二维网格结构变形成三维折叠结构。在这种布置中，顶峰位于第一组的直线上，而波谷的最深点位于第二组的直线上。在本文中，任何涉及顶峰和波谷的术语涉及到所产生的三维折叠结构的横截面视图，其中折叠结构的顶峰和波谷是明显的。在立体图中，当相对于网格结构表面看去时，顶峰和波谷被拉长成“山脉”或山脊、以及位于它们之间的长形的“山谷”。在这种布置中，顶峰和波谷是以如下方式产生：即在两组直线的直线区域内，在所要产生高点和低点的方向上交替地将力引入网格结构。通过在所要产生的高点和低点的方向上将力引入，使二维网格结构从平面变形，因此沿着两组直线中的直线产生上述的其间具有山谷的山脉。由于施加在网格结构的半成品上的力，二维网格结构沿着两个直线组的直线从平面变形，因此按照所期望的方式产生顶峰和波谷。应当指出，任何涉及“沿着”直线将力引入网格结构都意味着以大致垂直的方式将力施加到网格结构，所述力沿着直线分布。

为了在关于所需时间的方面以最优化的方式实施本方法，可以在连续的流水作业中执行在交叉点处连接条形线性半成品、软化条形线性半成品以及将力引入，其中上述步骤是在重复的、在生产方向上进行的连续程序中实施。尤其，如果在所述产品被软化时进行条形线性半成品的连接将是有利的，因为由于这种软化使这些产品变得有些发粘，即稍微具有粘性，从而使彼此叠置的半成品很容易彼此粘接在一起。当然，条形线性半成品的软化必需发生在连接点的区域中，从而使条形线性半成品在这些区域内彼此连接。这种连续重复的生产程序的特征在于生产方向，在连续的程序中，将热量施加到网格结构的另一假想直线，并且为了使网格结构变形而沿着这些直线施加力。

为了进一步优化制造程序，当沿着三条非交叉直线对网格结构施加热量时进行力的施加。由于这种热量的施加，可以由于力的引入而按照目标的方式使网格结构沿着上述直线发生塑性变形。

因为涉及静力学和构造的原因，如果条形线性半成品在第三维上的交叉点形成将要生产的三维框架结构的外边界，则热量的施加希望以如下的方式进行：即热量总是同时施加到位于关于生产方向垂直的方向上的交叉点。这些位于关于生产方向垂直的方向上的交叉点是网格结构的不同的线性半成品在该处交叉的邻近的交叉点。由于总是沿着在网格结构上对其施加热量的三条直线中的中间直线将力引入网格结构中，由于力的引入以及由于网格结构的变形而使力偏转成作用在半成品上的成对的张力，因此已经被施加热量的交叉点被拉入期望的第三维，于是利用所述交叉点形成了三维框架结构在第三维的外边界。

如上所述，在将热量同时施加到位于垂直于生产方向的方向上的交叉点的期间，能够在交叉点处连接条形线性半成品。这样是有利的，尤其是在热量的施加是使热量同时施加到位于关于生产方向垂直的方向上的交叉点的情况下，因为在这种方式中各层中的线性半成品在交叉点的区域中变软，且由于它们的接触——以及如果适用的话由于相应的力的施加(例如重力)——而被彼此连接。

根据本发明的特殊方面，可以以如下方式产生三维折叠结构：即在连续的以及重复的程序中，接下来，沿着对其施加热量的每条第二假想直线将力引入网格结构，所述力将半成品拉入第三维的期望的深度。在这个程序中，网格结构的平面发生变形，使得对其施加热量的中间直线两侧的两条直线在平面内彼此靠近，因此产生折叠结构，当从横截面观察时所述折叠结构具有六角手风琴形状。当然也可能沿着对其施加热量的每条第二直线在第三维的正方向上使网格结构受力，而对其施加热量的每个第一、第三、第五等直线也在第三维的负方向上受力，其中同样产生锯齿形的折叠结构。

当与使用下模具和上模具的成形工具的已知方法相比较时，根据本发明的方法是非常灵活的，由于沿着对其施加热量的直线将力引入，可以生产任何期望的特殊厚度或强度的三维框架结构。例如，借助于可移动进入第三维且能够加热的棱边可将力和热量施加到半成品，其中，取决于棱边进入到第三维的深度，可以产生不同厚度的框架结构。因此，例如三维框架结构的厚度可以不断地改变，只要为了使网格结构变形而将处于网格结构的不同位置处的棱边移入到第三维中的不同程度。

为了保证条形线性半成品在交叉点处的可靠的连接，在沿着位于关于生产方向垂直的方向上的交叉点施加用于软化条形线性半成品的热量的期间已经可以将力引入，从而在交叉点的区域中，在线性半成品上出现小面积的受压材料，这作为正面效果可以使得提高在这些位置处的半成品的可折叠性。

在上面的段落中，已经描述了一种用于制造三维框架结构的方法，其中一般来讲，二维网格结构沿其而折叠的直线并不交叉。但是为了生产尽可能规则的三维网格结构，当然也可以沿着平行的(假想的)直线对网格结构施加热量，并且在上述的直线处将力引入网格结构。

为了使得二维网格结构容易向第三维变形，在进一步的步骤中，沿着对其施加热量的直线，在随后将要在第三维的方向上产生的成形的方向上将预成形凹坑压印到半成品中。预成形凹坑的压印可以借助于专门提供用于此目的的棱形压印工具在完全独立的步骤中进行；作为对此的一种替代，预成形凹坑也可以借助于可移动以及可加热的棱边而被压印到半成品中。由于各层中的条形线性半成品在交叉点处交叉，从而在这些位置处的材料厚度类似于加倍，通过在交叉点区域中压印预成形凹坑，这些增厚部分可以被减少或者在热塑性半成品的情况下甚至可以被完全消除。特别地，在热塑性半成品的情况下也可以使用用于连接的焊接方法。

为了增加以这种方式生产的三维框架结构的力拒抵抗性能，使得所述框架结构在关于弯曲变形方面不易发生反应，在进一步的与该方法相关的步骤中可以将覆盖层附接于——例如胶合于——所生产的立体框架结构的至少一个侧面，使得覆盖层与框架结构的相应侧面的被拉入第三维的最远端邻接。因此，这些覆盖层吸收由于施加弯曲力拒而产生的压缩力和张力，从而当受到弯曲力拒时，三维框架结构本身不会变形，或只是轻微变形。为了使这些覆盖层对于剪切载荷或者对于三维框架结构的相关剪切变形不易受到影响，并且尤其为了增加可以被传递的剪切载荷，除了上述的附接之外，覆盖层可以通过缝合程序而缝合到框架结构的相应侧面的最远端，其中特别地可以使用一侧缝合方法。作为一种替代，覆盖层也可以通过如下方法固定至框架结构：即定位梳的齿沿着它的最远端穿过框架结构并被压入覆盖层中，其中由于树脂固化而使所述齿最终固定在覆盖层中。

如在上面的段落中所示，利用根据本发明的用于制造三维框架结构的方法，当与利用刚性多孔材料作为芯部结构的设计相比较时，因为在根据本发明的方法中不需要提供这种刚性多孔材料，所以能够实现芯部结构密度的减小。另外，利用根据本发明的方法能够生产透空式结构，其特征在于所述结构有助于排放，即可以容易地通风和排水。此外，由于结构的透空式设计，毫无疑问可以利用人造通道通过该结构来放置线缆而不会引发任何危及所述结构机械完整性的问题。

当与使用刚性多孔材料的芯部结构相比较时，利用根据本发明的方法所制造的三维框架结构进一步具有可以进行较大范围的弹性变形的特点，从而不存在塑性变形损坏或者只留下很小的塑性变形损坏。而是，当受到过大的载荷时，折叠的线性半成品形式的单个条可以有弹性地下陷，由此可以实现改进的耐损坏性。

因为在根据本发明的方法中，可以使用拉挤成型、挤压成型或连续拉拔成型的限定横截面(三角形、四边形、六边形、中空、管状、圆形)的几何形状，所以结构工程师或设计者可以进一步选择改变三维框架结构的单个条的翘曲性能，从而通过对限定的框架几何形状的有目标的选择，芯部结构的特性可以按照目标的方式进行改善。

由于可以在连续的流水作业中实施本方法，通过改变挤压或拉出的速度，以及通过改变在网格结构中的角度，可以实现斜面的形成、三维框架结构的密度和厚度的差异。

因为在使二维网格结构向第三维折叠时并没有使用如本领域已知的下模具和上模具装置，所以能够提高程序的灵活性，这是由于当使用下模具和上模具时，为了改变折叠角度和结构的高度必需更换下模具和上模具。利用根据本发明的方法，这种折叠角度和结构高度的改变可以利用可加热的棱边来实现，所述棱边可以被移向第三维并且所述棱边可以在第三维中被移至不同的深度。

附图说明

下面，将参照附图更加详细地解释本发明。应当强调的是，所提供的附图仅是用于说明示例性实施方式的目的，而不应被解释为是对保护范围的任何形式的限制。下面示出：

图1示出了由条形线性半成品制成的二维网格结构；

图2解释了将预成形凹坑压印到半成品中；

图3说明了将力引入网格结构从而将网格结构拉入第三维；

图4示出了三维支撑框架结构的最终产品；以及

图5解释了将覆盖层放置到三维框架结构上。

贯穿所有附图，相同的附图标记用于同样的或对应的元件。

具体实施方式

图1示出了二维网格结构1，在图示中所示出的示例性实施方式中，其由两组线性半成品2制成，其中，首先布置第一组2，使得所述半成品在第一层中平行延伸且彼此间隔开。接下来将第二组3的条形线性半成品3布置在第一层之上，使得第二组的各个条形线性半成品3在第一层2之上的第二层中以彼此平行且彼此间隔开的方式延伸。由于第一组2和第二组3的条形线性半成品的这种布置方式而生成二维网格结构1，其中两层中的各个条形线性半成品在限定的交叉点4处交叉。

线性半成品可以例如包括：拉挤成型(部分交联的)热固塑料材料、挤压成型的热塑性材料、连续拉拔成型的金属或陶瓷——尤其是前体陶瓷，其中可以使用不同的横断面几何形状。

为了固定以这种方式生产的网格结构的形状，以便为了接下来的成形步骤，两层2、3的条形线性半成品在交叉点4处相互连接，例如，通过施加热量以及如果适用的话通过沿着图1中虚线所示的直线5、6施加相应的力来进行上述连接。在这种布置中，该连接在生产方向7上可以是连贯的和有序的。在这个程序中，在生产方向上，连贯地使在基本上关于生产方向7垂直的直线5、6上延伸的交叉点4同时受到加热。由于施加了热量，线性半成品在交叉点4处被稍微加热，从而使它们变得稍微发粘，即具有粘性，并且因此相互连接。

在进一步的与该方法相关的步骤中，接下来可以使组中的沿着三条非交叉直线5、6的条形线性半成品2、3变软，也可以例如通过对网格结构1局部施加热量来实现。因为在交叉点4处连接条形线性半成品的程序已经是在施加热量的情况下进行，所以在一个步骤中同时结合连接和软化条形线性半成品是有利的，从而相应地使网格结构1沿着图1中虚线所示的三条直线软化，所述直线相互连接在关于生产方向7垂直的方向上延伸的交叉点4。

为了在后面的变形步骤中便于网格结构1在第三维中的成形，如图2所示，在中间步骤中，可以在半成品2、3中压印预成形凹坑。如图2中的图示所示，在网格结构1中压印小凹坑，其中凹坑9延伸的方向即为随后网格结构1被拉入三维中所进入的方向。在这种布置中，凹坑9均匀地设置在前述的直线5、6上，已经沿着所述直线5、6将热量施加到网格结构1从而使条形线性半成品2、3软化。因为条形线性半成品2、3的软化优选地是以如下的方式进行：即将热量施加到这些半成品2、3的交叉点4的区域，由于压印上述的预成形凹坑9可以获得如下情况：即可以减少在交叉点4的区域中的材料的增厚部分，或者在热塑性半成品的情况下可以完全消除在交叉点4的区域中的材料的增厚部分。

如图3中所示，在进一步的该方法的相关的步骤中，沿着对其施加热量的三条假想直线中的中间一条将力F引入网格结构1，其中引入的力F导致网格结构1在第三维度中变形，这样导致该引入的力F被偏转为成对的力，如在图3的中间状态中所示，即作用在半成品上的张力F′和F″。在图3所示的单独的力的平行四边形中用图表的方式解释了这种力的分解或这种偏转。在这种方式中，于是将张力引入半成品，沿着对其施加热量的中间直线，所述张力将网格结构拉入第三维。

如在图3中进一步所示，沿着期望的直线5、6——其随后将代表三维框架结构的最远端，网格结构被夹在双桁条10之间，双桁条10能够同时实现三种功能。于是，使这些双桁条10可以适合被加热以及适合被移动到第三维中。在这种方式中，网格结构1的各个层的条形线性半成品2、3可以利用双桁条10而相互连接，提供的所述双桁条10沿着相邻的交叉点4作用于网格结构1。通过加热双桁条10，于是将热量施加于网格结构1或交叉点4，因此条形线性半成品2、3在这些位置被软化并相互连接。在交叉点4处连接条形线性半成品2、3的效果可以额外地得到支持，因为双桁条10抵靠彼此被挤压在一起，因此以一种有利的方式，可以减少在交叉点4处的材料的不希望增厚的部分。此外，通过将双桁条10压在一起，能够在随后将要在第三维的方向上产生的成形的方向上将预成形凹坑9压印在半成品中，这样能够便于由于将力引入网格结构1中所进行的成形。为了最终能够将网格结构拉入第三维，沿着已经对其施加热量的三条直线5、6中的中间一条借助于棱边8、双桁条10可以将力引入网格结构，从而如图3所示，由于上述的力的分解使网格结构1变形进入第三维。为了在力的分解的过程中能够在半成品的方向上实际上产生所限定的张力F′和F″，双桁条10沿着两条直线5牢牢地夹住网格结构。但是，在这种布置中，如图3中的箭头所指示，双桁条10可以在网格结构1的平面中被移动，从而由于施加力F，使得双桁条10向着中间直线6的方向移动，或者在所述方向上被拉动。在这个程序中，双桁条10产生对于位移的反作用力，从而能够按照目标的方式生成张力F′和F″。

如上面的说明中所阐述的，利用可移动和可加热的双桁条排列10能够在共同的步骤中实现在交叉点4处连接线性半成品、软化条形线性半成品2、3以及引入力，当沿着生产方向7观察时，其中上述的步骤可以连贯地并在连续重复的程序中执行。

根据本发明的方法，其中沿着对其施加热量的三条直线5、6中的中间一条将力F引入网格结构，其特征尤其在于，相对于使用下模具和上模具的已知变形程序其具有灵活性。因此，利用根据本发明的方法，可以制造改变密度和厚度的三维框架结构，因为可以将双桁条排列10或棱边8移动至第三维中的不同深度，由于所述程序使得可以影响到三维框架结构的厚度。因此不再需要复杂地更换下模具和上模具装置以便制造不同深度的三维框架结构。

图4示出了利用根据本发明的方法制造的三维框架结构。通过图1所示的二维网格结构1的变形，能够生成包括多个四棱锥的周期性重复的立体网格结构。在这种布置中，棱锥的顶端由原来作为二维网格结构1中的交叉点4形成，由于沿着相邻的交叉点4施加热量以及将力引入，所以在变形程序之后形成侧向上界定三维框架结构的最远端。为了说明的目的，图4再次示出了三条直线5、6，沿着所述直线，原先的二维框架结构1通过局部施加温度而在交叉点4处被软化，以便在沿着对其施加热量的直线中的中间一条将力引入网格结构的作用下，将二维网格结构1拉入第三维。

最后，图5描述了与该方法相关的可选的步骤，其中在所产生的三维框架结构的两个侧面施加覆盖层11，从而使覆盖层11被棱锥顶端所产生的点支撑住。为了将覆盖层11附接至三维框架结构，可以将覆盖层胶合至棱锥的顶端。但是，由于棱锥顶端的粘接表面很小，如图5中通过概略指出的缝合线12所示，可以额外地将覆盖层11缝合在棱锥顶端形式的三维框架结构的最远端上，其中优选地使用一侧缝合方法。

此外，应当指出，“包括”不排除其它元件或步骤，以及“一个”或“一中”不排除多个的情况。另外，应当指出，参照上面的示例性实施方式中的一个所描述的特征或步骤也可以与上述的其它示例性实施方式中的其它特征或步骤结合使用。权利要求中的附图标记不应被解释为起到限制的作用。

附图标记列表

1  网格结构(二维)

2  条形线性半成品(第一组，第一层)

3  条形线性半成品(第二组，第二层)

4  交叉点

5  直线(第一组)

6  直线(第二组)

7  生产方向

8  棱边(可移动，可加热)

9  预成形凹坑

10 双桁条

11 覆盖层

12 缝合线