纤维复合支柱的制作方法

纤维复合支柱
1.相关申请的交叉参考
2.本技术要求于2019年3月8日提交的德国申请号10 2019 001585.1的优先权。前述申请通过引用以其整体并入本文中。
技术领域
3.本发明涉及一种由纤维复合材料制成的支柱(strut)或拉力压缩杆(tension
‑
compression rod)。


背景技术：

4.重型纤维复合材料(例如具有碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、陶瓷纤维或玄武岩纤维并且具有例如热固性或热塑性材料、弹性体、碳、石墨或陶瓷的基体)的使用需要使用适合于所涉及材料的相称设计来传递力。在这种情况下“适合于所涉及材料”是指关于纤维方向上和其横向上的不同机械性质，有目的地利用材料的各向异性。
5.由纤维复合材料制成的用于力传输的连杆尤其用于导向和机械安装、用于支撑、用于斜撑(bracing)或用于连接。由纤维复合材料制成的连杆已为人所知多年。此类连杆优选但不排他地用于航空航天。飞行器和航天器(例如飞机、旋翼飞机、飞艇、无人航空系统、火箭和卫星)的连杆主要通过压缩力和拉力轴向加载。
6.当使用纤维增强管时，经常存在将力引入该结构的基本问题。通常，为此目的使用设置在管中的金属螺纹元件。对于金属元件和纤维增强管的连接问题，有多种解决方案。与金属支柱相比，具有由纤维复合材料制成的管状体的这种性质的支柱与金属支柱相比的区别尤其在于它们的重量轻。
7.通常，此类支柱的末端的力引入元件由金属制成。在大多数情况下，使用由铝制成的力引入元件。通常，它们通过粘合方式整体连接到由纤维复合材料制成的管状体上。金属力引入元件的重量大、耐腐蚀性差、粘合接头的劳动密集型质量控制以及相关的高制造成本在这里是不利的。在极少数情况下，力引入元件也由塑料制成，在这种情况下，它们的低强度和它们与纤维增强管明显不同的热膨胀系数会产生不利影响。
8.特别是在此类支柱也被称为支架、连杆或拉力压缩杆的航空航天应用中，支柱特别用于引导和机械安装或用于支撑(“支柱”或“拉杆”)，会受到极端温度波动的影响，因此必须符合最高质量标准。支柱也可称为拉杆。此类支柱的主要加载方向是在支柱的纵轴上。这种性质的支柱通常包括基本上管状的主体，在其每一端处设置有用于安装支柱的元件(力引入元件或插入件)。
9.对此类支柱提出了特别高的要求，即所用材料的强度高同时重量轻、具有可再现性和质量保证以及具有耐腐蚀性。此外，支柱必须对机械应力、热应力和其他环境应力具有极强的抵抗力。根据每种情况下可用的安装空间，有时需要在圆柱形安装空间内构造具有最大可能的外径的此类支柱。
10.对减轻重量和节约成本日益增长的要求正在接近用于具有由纤维复合材料制成
的管状体的支柱的已知构造方法的潜力的极限。
11.由现有技术已知用于纤维复合支柱的可靠锁定载荷引入和/或整体载荷引入(positive
‑
locking and/or integral load introduction)的各种解决方案概念。
12.wo 2009/003,207 a1描述了一种用于吸收和/或传递拉力和/或扭转力的连接设置。力引入元件至少部分地被护套元件包围，其中该元件基本上由纤维复合材料组成。在力引入元件的至少一个区段上，在其面向护套元件的外表面上设有突起，这些突起至少部分地穿透护套元件。
13.这里的缺点是连接不能最佳地用于压缩力的传递。此外，力引入元件的外表面用于将该元件粘附到护套元件上。因此，需要大的外表面。
14.根据de 10 2014 109,886 a1，已知长纤维复合材料部件上的连接段用于将纤维复合材料部件连接到连接器部件，该连接段在其内部具有至少一个纤维偏转元件，以产生轻量级和稳定的连接。在该设计中，长纤维作为围绕纤维偏转元件的环运行。纤维偏转元件用作紧固突起，用于力的可靠锁定引入。
15.这里的缺点是劳动密集型制造过程，这是产生围绕纤维偏转元件的环所必需的。此外，在没有后处理的情况下，不可能在支柱的整个长度上的圆柱形安装空间内实现最大可能的外径。
16.在专利文件de 10 2013 008,810 b4中，描述了一种带有插入元件的纤维复合管，用于力的可靠锁定引入。插入元件在轮廓附近(从插入元件的外轮廓开始径向测量，距离为0mm到0.5mm)被纤维复合材料包围，其中相对于管的纵轴测量的，轮廓附近区域中的纤维以0和
±
40之间的角度取向，并且轮廓附近区域中的纤维在纤维方向上具有60gpa至600gpa的弹性模量，并且插入元件同样被远离轮廓的纤维复合材料包围，其中相对于管的纵轴测量，远离轮廓的区域中的纤维以
±
41
°
和
±
89
°
之间的角度取向，并且从插入元件的外轮廓开始径向测量，远离轮廓的区域开始于0.5mm的距离，并且远离轮廓的区域中的纤维在纤维方向上具有200gpa至700gpa的弹性模量，其中轮廓附近区域中的纤维的弹性模量低于远离轮廓的区域中的纤维的弹性模量。
17.该理念的缺点是在插入元件的区域中管直径增大。
18.de 10 2013 018,970 b3描述了一种以非金属方式整体实施的纤维复合管，由薄壁且轻质的抽芯(lost core)组成，其中抽芯的中心段由纤维复合材料组成，并且内径大于力引入元件，使得纤维复合管在朝向管的中心轴的端部逐渐变细，并且力引入段被由纤维复合材料制成的外壳以可靠锁定的方式包围，以进行力传递。
19.在该解决方案中，管体在力引入段的区域中的锥度是不利的。
20.在公开的专利申请de 10 2016 007,663 a1中，描述了一种设有过渡元件的管状纤维复合体。其内部设有内螺纹，并且面向管状纤维复合体的一侧具有孔，其中放置销钉，并且过渡元件面向管状纤维复合体的一侧与管状纤维复合体之间设有公差补偿中间层，并且一部分销钉在整个壁厚上同时穿过公差补偿中间层和管状纤维复合体，并且通过过渡元件与管状纤维复合体连接的连接元件的长度是可以通过螺纹无级调节的。
21.附加地使用销钉和与之相关的劳动密集型制造过程以实现可靠锁定载荷引入在这里是不利的。
22.de 10 2017 003,024 a1描述了一种用于传递拉力和压缩力的已经预制的纤维塑
料复合管，特别是，该管设有管终止元件，并且内部元件在其外表面上具有凸出的突起，并且纤维塑料复合管在其内表面上具有压痕，管的纵轴和内部元件的外轮廓之间的角度(以度为单位)最小为1
°
并且最大为65
°
，使得至少在拉伸载荷下，通过在相互接触的表面上产生法向力而产生摩擦连接。
23.该专利中提出的力的引入需要对纤维复合管进行额外的处理。此外，管在支柱的整个长度上的圆柱形安装空间内不具有最大可能的外径。


技术实现要素：

24.本发明涉及一种纤维复合支柱，其具有连接到纤维复合中空结构，例如纤维塑料复合中空结构的插入件。在某些实施方案中，纤维复合中空结构至少由基体材料和纤维制成，并且插入件具有至少一个底切(undercut)。纤维复合中空结构与该底切接合(engage)。在进一步的实施方案中，纤维复合中空结构的外部区域也具有至少一个底切，并且该底切至少部分地填充有纤维复合护套，例如纤维塑料复合护套。在另外的实施方案中，纤维复合中空结构的内部区域至少在一个子区域中具有与其连接的芯体。
25.在某些实施方案中，纤维复合中空结构包括纤维塑料复合材料。在其他实施方案中，纤维复合护套包括纤维塑料复合材料。在本发明的其他实施方案中，芯体包括纤维塑料复合材料。
26.此外，在本发明的某些实施方案中，插入件设有内螺纹。在进一步的实施方案中，内螺纹是圆形、梯形、锯齿形(buttress)或三角形螺纹。
27.在某些实施方案中，纤维复合护套的最外径在纤维复合支柱的最外径内。
28.在一些实施方案中，纤维复合中空结构包括大于45体积％的纤维成分，其中所述纤维成分主要包括连续纤维。
29.在某些实施方案中，纤维复合支柱包括纤维复合材料，所述纤维复合材料包括玻璃纤维和/或陶瓷纤维和/或碳纤维和/或玄武岩纤维和/或塑料纤维以及热塑性和/或热固性材料。
30.在其他实施方案中，插入件另外通过粘合剂粘结连接到纤维复合中空结构。
31.在进一步的实施方案中，插入件包括金属材料和/或陶瓷材料和/或短纤维增强塑料和/或非增强塑料。
32.在一些实施方案中，纤维复合中空结构的纤维取向相对于纤维复合支柱的中心轴为0
°‑
45
°
。
33.在进一步的实施方案中，芯体的纤维取向相对于纤维复合支柱的中心轴为0
°‑
90
°
。
34.在某些实施方案中，芯体由聚合物和/或聚合物泡沫制成。
35.在进一步的实施方案中，纤维复合护套的纤维取向相对于纤维复合支柱的中心轴为70
°‑
90
°
。
36.在一个特定实施方案中，通过将插入件的底切与纤维复合中空结构的底切在纤维复合中空结构的内径处配合(fitting)，将插入件连接到中空结构，作为可靠锁定载荷引入(positive
‑
locking load introduction)。
37.在一些实施方案中，纤维复合中空结构、芯体或纤维复合护套中的任一个包括连
续玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、陶瓷纤维和/或塑料纤维以及环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂和/或乙烯基酯树脂，或热塑性塑料，例如pp、pa、abs、pei、pps或peek基体。
38.在一个特定实施方案中，纤维复合支柱是杆状的。
39.在进一步的实施方案中，纤维复合支柱在支柱的长度上的最外径的尺寸为支柱的安装空间的直径的85
‑
99％。在某些实施方案中，最外径在纤维复合支柱的力引入区域和中心区域的长度上。在进一步的实施例中，最外径在纤维复合支柱的整个长度上。
附图说明
40.图1示出了包括芯体(103)的本发明的纤维复合支柱(101)的横截面轮廓。本实施方案中的芯体(103)可以在纤维复合中空结构(102)的制造过程中支撑该中空结构。
41.图2示出了包括芯体(203)的本发明的纤维复合支柱(201)的横截面轮廓。本实施方案中的芯体(203)可以在纤维复合中空结构(202)的制造过程中支撑该中空结构。
具体实施方式
42.本公开中的术语“包含(comprising、comprises)”可以表示“包括(including、includes)”，或者可以具有美国专利法中通常赋予术语“包含”的含义。如果在权利要求中使用，那么术语“基本上由
……
组成(consisting essentially of)”或“基本上由
……
组成(consists essentially of)”具有美国专利法赋予它们的含义。本发明的其他方面在以下公开内容中描述或从以下公开内容中显而易见(并且在本发明的范围内)。
43.当使用纤维增强管时，经常存在将力引入该结构的基本问题。根据每种情况下可用的安装空间，有时需要在例如圆柱形安装空间内构造具有最大可能的外径的此类支柱。因此，支柱的最大可能外径是仅受例如圆柱形安装空间限制以允许将支柱引入圆柱形空间内的外径。
44.本发明在此提供一种纤维复合结构，其在圆柱形安装空间内的纤维复合结构的长度，例如整个长度上具有最大可能的外径。在某些实施方案中，圆柱形安装空间内的纤维复合结构的最大可能外径在纤维复合结构的力引入区域上或插入件的长度上以及在中心区域上或包括芯体的区域上实现，由此可以克服现有技术的所述缺点。例如，通过在纤维复合结构例如纤维复合支柱的整个长度上具有最大可能的外径，实现了更大的抗弯阻力。此外，通过例如无需对支柱及其外径进行后处理，实现了降低的生产成本。
45.在某些实施方案中，本发明的支柱的外径可以为10mm
‑
80mm。在该实施方案中，例如，如果安装空间的直径为70mm，则支柱的最外径可以为约65mm。然而，在本领域中会认识到，这些确切的数字可能会有所不同，部分取决于压缩载荷期间的挠度和/或杆长。例如，在安装空间的直径可以是70mm的情况下，支柱的最外径可以为67mm
‑
63mm。或者，安装空间的直径可以是50mm，而支柱的最外径可以为48mm
‑
43mm，作为最大可能的外径，这取决于例如挠度和/或杆长。除非另有说明，作为非限制性示例，本发明的支柱的最外径可以是安装空间的直径尺寸的大约85
‑
99.9％。
46.在一些实施方案中，本发明的支柱的最外径为支柱的安装空间的直径尺寸的85％、86％、87％、88％、89％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％或99.9％，以及它们之间的值，例如85.5％和90.5％。在某些实施方案中，最外径为支柱的安
装空间的直径尺寸的90
‑
99.9％、90
‑
99％、90
‑
98％、90
‑
97％、90
‑
96％、90
‑
95％、90
‑
94％、90
‑
93％、90
‑
92％、90
‑
91％或90
‑
90.5％，以及它们之间的值，例如90
‑
96.5％或91
‑
99.9％。因此，本发明的支柱具有最大可能的外径，同时保持装配在例如圆柱形安装空间内的能力。
47.如图1所示，本发明的目的通过连接到纤维复合中空结构(102)的插入件(104)实现，其中中空结构(102)与插入件(104)的底切(107)接合，其中纤维复合中空结构(102)的外部区域同样具有底切(108)并且该底切填充有纤维复合护套(105)。
48.如图2所示，本发明的目的通过连接到纤维复合中空结构(202)的插入件(204)实现，其中中空结构(202)与插入件(204)的底切(207)接合，其中纤维复合中空结构(202)的外部区域同样具有底切(208)并且该底切填充有纤维复合护套(205)。
49.此类纤维复合支柱可用于飞行器或航天器，并且在这种情况下主要由压缩力和拉伸力轴向加载。
50.本发明还涉及提供用于杆状纤维复合结构的可靠锁定载荷引入。在某些实施方案中，如图1所示，通过将插入件(104)的底切(107)与中空结构(102)的底切(109)配合，插入件(104)连接到中空结构(102)，作为可靠锁定载荷引入。类似地，在图2中，通过将插入件(204)的底切(207)与中空结构(202)的底切(209)配合，插入件(204)连接到中空结构(202)作为可靠锁定载荷引入。
51.在本发明的实施方案中，插入件的最外径小于纤维复合中空结构的最外径。在一个实施方案中，本发明的支柱的纤维复合中空结构的纤维相对于支柱的中心轴以0
°
至45
°
的角度取向。由于在插入件的底切和中空结构的底切或插入件和中空结构的多个底切的区域中应用纤维复合护套，因此纤维复合中空结构的纤维沿着插入件的一个或多个底切和沿着中空结构的一个或多个底切以精确配合的方式分布(lie)。在某些实施方案中，纤维复合护套的纤维取向相对于纤维复合支柱的中心轴为70
°‑
90
°
。中心轴也可能被另外称为链线。在本发明的实施方案中，纤维复合护套的直径在支柱的最外径内。
52.纤维如何沿着插入件或中空结构的底切分布可以取决于例如护套和/或复合中空结构的基体。在某些实施方案中，护套和/或复合中空结构的基体是热固性塑料或热塑性塑料。在一些实施方案中，护套是纤维塑料复合护套，其通过在支柱的制造过程中对护套的纤维施加高张力，迫使复合中空结构的纤维沿着插入件的一个或多个底切和沿着中空结构的一个或多个底切以精确配合的方式分布。
53.此外，在某些实施方案中，插入件的一个或多个底切和中空结构的一个或多个底切在支柱的直径周围是基本连续的。在进一步的实施方案中，插入件的一个或多个底切和中空结构的一个或多个底切彼此处于平行位置或基本平行的位置。在其他实施方案中，插入件的一个或多个底切和中空结构的一个或多个底切通过彼此精确配合实现支柱的可靠锁定。在进一步的实施方案中，插入件的一个或多个底切在中空结构的内径处与中空结构的一个或多个底切相邻。
54.在某些实施方案中，插入件可以另外通过粘合剂粘结连接到纤维复合中空结构。
55.在其他实施方案中，根据本发明的连杆例如但不排他地涉及用于纤维增强的管状部件的力引入元件，其中实现了在圆柱形安装空间内具有最大可能外径的支柱。例如，插入件可以具有用于旋入力引入元件的内螺纹。合适的力引入元件的实例包括滚珠轴承、叉形端部和标准杆端部。此外，所有已知类型的内螺纹都可以用作所述内螺纹，包括也可以使用
的特殊螺纹形式。例如，圆螺纹、梯形螺纹、锯齿形螺纹和三角形螺纹是已知可以使用的内螺纹类型。
56.此外，如本文所用，术语“芯体”涉及由包括但不限于塑料复合材料和/或泡沫材料的材料制成的芯体。在本发明的实施方案中，芯体在制造之后包括支柱的一部分，例如，芯体在制造之后不从支柱移除。在一些实施方案中，芯体包括支柱的最内径。通常，芯体用于提供基底，向所述基底施加复合材料例如复合中空结构的缠绕。芯体设定被缠绕的复合中空结构的内径。因此，在某些实施方案中，芯体充当心轴，例如当制造本发明的复合支柱时。根据所制成的复合中空结构的形状，复合中空结构可以能够或不能从芯体上滑落。作为本发明的一个实例，尤其是在复合中空结构不能从芯体上滑落的实施方案中，使用重量轻但也为缠绕操作提供足够支撑的泡沫芯体或复合芯体。
57.在某些实施方案中，本发明的复合中空结构可以通过将芯体和插入件放置在缠绕心轴上而制成。芯体和插入件放置在用于制造期望的复合中空结构的位置。之后，通过将复合中空结构缠绕在芯体和插入件的顶部来完成缠绕。因此，制造了复合中空结构。然后，缠绕一个或多个护套。关于例如螺纹，螺纹可以在缠绕过程之后加工，但也可以在缠绕过程之前加工到插入件中。
58.此外，在某些实施方案中，芯体和插入件之间的区域可以是芯体安装在插入件的套筒上或套筒的一部分上的区域。在其他实施方案中，插入件的后端表面和芯体的前端表面彼此相邻，例如面对面。此外，在本发明的实施方案中，插入件和/或芯体内部的区域或空间是中空的，即，它是空的空间或空隙。在本发明的某些实施方案中，插入件内部的区域或空间的一部分或全部在引入力引入元件时被填充。
59.例如，对于纤维塑料复合中空结构、纤维塑料复合芯体和/或纤维塑料复合护套，可以使用连续玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、陶瓷纤维和/或塑料纤维以及塑料，例如但不排他地，环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂和/或乙烯基酯树脂，或热塑性塑料，例如pp(聚丙烯)、pa(聚酰胺或尼龙塑料)、abs(丙烯腈丁二烯苯乙烯)、pei(聚醚酰亚胺)、pps(聚苯硫醚)或peek(聚醚醚酮)基体。
60.金属材料，例如铝、钛或钢，和/或陶瓷材料和/或短纤维增强塑料和/或非增强塑料可以用作插入件的材料。
61.下面基于示例性实施方案详细解释本发明。
62.图1描绘了代表纤维复合支柱的一部分的横截面轮廓(侧视图)，所述纤维复合支柱(101)由以下制成：复合中空结构(102)，例如纤维塑料复合中空结构，其具有在中空结构(102)的内径处的底切(109)和在中空结构(102)的外径处的底切(108)；芯体(103)，其例如由纤维塑料复合材料制成；插入件(104)，其具有内螺纹(106)和底切(107)；和护套(105)，例如纤维塑料复合护套。插入件(104)具有边缘(111)，芯体(103)安装在所述边缘上；芯体(103)安装在插入件(104)的套筒区域或外周边上。芯体(103)和插入件(104)都与复合中空结构(102)的内表面相邻。还示出了支柱(101)的中心轴(110)。芯体(103)的纤维取向相对于纤维复合支柱(101)的中心轴(110)可以为0
°‑
90
°
。芯体(103)还可以优选地但不排他地传递压缩载荷和/或拉伸载荷。
63.图2描绘了代表纤维复合支柱(201)的一部分的横截面轮廓(侧视图)，所述纤维复合支柱包括：复合中空结构(202)，例如纤维塑料复合中空结构，其具有在中空结构(202)的
内径处的底切(209)和在中空结构(202)的外径处的底切(208)；芯体(203)；插入件(204)，其具有内螺纹(206)和底切(207)；和护套(205)，例如纤维塑料复合护套。任何类型的塑料都可能作为芯体(203)的材料。例如，该实施例中的芯体(203)可由聚合物或聚合物泡沫材料制成。插入件(204)具有边缘(211)。芯体(203)与插入件边缘(211)相邻，使得芯体(203)和插入件(204)面对面定位。芯体(203)和插入件(204)都与复合中空结构(202)的内表面相邻。还示出了支柱(201)的中心轴(210)。
64.对上述内容的修改对于本领域普通技术人员来说是显而易见的，但不会使本发明被修改得超出本发明的范围。以下权利要求应解释为涵盖此类情况。