包括集成的玻璃纖維的金屬組件及制造它的3D打印方法技術

本發明專利技術提供一種用于制造包括集成的玻璃纖維(3，3′)的金屬組件(1)的3D打印方法。該3D打印方法(M)包括：加熱和液化(M1a)金屬造型材料(2a)、將金屬造型材料(2a)分層沉積(M2a)成材料層、分層固化(M3a)材料層中的金屬造型材料(2a)。3D打印方法進一步包括加熱和液化(M1b)玻璃造型材料(2b)、將玻璃造型材料(2b)分層沉積(M2b)在材料層中；以及分層固化(M3b)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形成。金屬造型材料(2a)和玻璃造型材料(2b)沉積為材料層，使得固化的玻璃造型材料(2b)形成穿過金屬組件(1)的至少一個玻璃纖維(3，3′)。本發明專利技術進一步提供一種使用根據本發明專利技術的方法制造的包括集成的玻璃纖維(3，3′)的金屬組件(1)。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術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，本專利技術涉及一種用于航空航天領域的包括集成的玻璃纖維的金屬組件。
技術介紹
盡管根據本專利技術的包括集成的玻璃纖維的金屬組件可被用于多種應用，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。在現代飛機構造的領域中，金屬組件常被用作復合構造中的結構組件。在有些情形下，飛機機身的板材由玻璃-纖維-增強鋁(“玻璃層壓鋁增強環氧樹脂”，)，即包括鋁和玻璃纖維層壓片的交替層的層壓復合物(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層相互連接，該粘結層具有至少一個樹脂浸漬的、單向的玻璃-樹脂鑲嵌物。最終，該復合構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有時被作為相對于單體(monolithic)金屬組件的優點給出。除了這種金屬層壓復合物的使用，在金屬基體中嵌入玻璃纖維也是已知的。例如，US7,774,912B2和US2005/0133123A1描述了用于制造可用于航空航天領域的玻璃纖維-金屬基體復合物的方法。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
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，作為用于傳輸數據的光纖，或作為光纖傳感器的組件。在飛機上，數據線纜(玻璃纖維線纜，銅線纜等)通常在預定的位置借助于相應的保持裝置緊固到飛機的結構組件上。例如，使用特定的緊固件，其圍繞待接收的數據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需要必須進一步被封閉和/或絕緣。飛機上的數據網絡的技術架構原則上相當復雜。在也常被稱為“3D打印方法”的生成或增材制造方法中，由物體的數字化幾何模型開始，一種或多種原始材料被彼此連續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打印為設計提供了充分的自由并且使得可能以合理的成本生產出使用傳統的方法不可能生產出的或是只有以相當大的成本才可能生產出的物體。由于該原因，3D打印方法目前廣泛應用于工業設計、機動車輛產業、航空航天產業或通常的工業產品開發中，在工業產品開發中，資源節約工序鏈根據需要被用于個性化組件的小規模和大規模的批量生產中。
技術實現思路
在此背景下，本專利技術的目的在于尋找包括玻璃纖維的多功能金屬組件的技術方案。根據本專利技術，該目的通過具有權利要求1的特征的3D打印方法、具有權利要求14的特征的金屬組件和具有權利要求16的特征的飛機或航空器來實現。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本專利技術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，其包括根據本專利技術的包括集成的玻璃纖維的金屬組件。本專利技術所基于的構思在于借助于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。傳統地，金屬-玻璃復合組件由金屬和玻璃纖維層的交替層構造而成。在這些傳統的技術方案中，玻璃纖維因此基本上在層的平面內僅僅隨意布置。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。)由此根據本專利技術的技術方案的一個顯著的優點在于：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約成本地制造。根據本專利技術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合構造中的增強目的或其他結構改善目的。然而另一方面，玻璃纖維也可被用作或設計成玻璃纖維線纜、光纖或光纜，并且因此它們可用于相應的不同的技術用途。例如，這種玻璃纖維可用于傳輸數據。這種類型的數據傳輸可使得不需要傳統的線纜或線，這些線纜或線以前必須使用特定的緊固件等以復雜的方式固定到飛機的結構上。由此傳輸數據的裝置可被一定程度上直接集成到飛機的支撐或增強結構中。玻璃纖維線的入口開口和出口開口可因此設置在結構組件的特定的預定位置處，飛機的例如來自駕駛艙或機艙管理系統或類似結構的數據線可在該預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)的數目上可能有相當大的節省，從而節省了重量、組裝工作和用時以及成本。此外，高復雜的幾何形狀也可使用3D打印方法容易地制造，因此，數據連接(玻璃纖維)可根據例如可被預料到的結構組件的載荷(載荷路徑)而在組件中非常靈活地定向。在進一步有利的應用中，玻璃纖維可被用于監測飛機結構的系統，例如用于監測復合構造或部分復合構造的結構組件，例如，用來確定損傷等。本技術方案的優點的原因尤其在于所使用的材料具有各向同性的性能。根據本專利技術的金屬組件和具有玻璃纖維“真正”的三維結合的組件有效地具有近似的性能。金屬組件的性能相應地可借助于玻璃纖維被靈活控制。本專利技術的上下文中的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中的化學和/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定形狀的物體。在工藝中，本專利技術的上下文中的3D打印方法使用增材工藝，其中原始材料以預定的形狀連續積聚成層。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(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利要求和參照附圖的說明書中陳述。根據一個擴展，分層沉積玻璃造型材料可包括擠出液態的玻璃造型材料。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。根據一個擴展，3D打印方法可包括熔融沉積造型方法。本專利技術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，在冷卻時本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種3D打印方法，用于制造包括集成的玻璃纖維(3，3′)的金屬組件(1)，其中所述3D打印方法(M)包括如下方法步驟：加熱和液化(M1a)金屬造型材料(2a)；將金屬造型材料(2a)分層沉積(M2a)成材料層；分層固化(M3a)所述材料層中的金屬造型材料(2a)；加熱和液化(M1b)玻璃造型材料(2b)；將玻璃造型材料(2b)分層沉積(M2b)在所述材料層中；并且分層固化(M3b)所述材料層中的玻璃造型材料(2b)；其中，金屬組件(1)由沉積的材料層一體形成，其中金屬造型材料(2a)和玻璃造型材料(2b)沉積成材料層，使得固化的玻璃造型材料(2b)形成穿過金屬組件(1)的至少一個玻璃纖維(3，3′)。

【技術特征摘要】
2015.06.23 DE 102015211559.31.一種3D打印方法，用于制造包括集成的玻璃纖維(3，3′)的金屬組件(1)，其中所述3D打印方法(M)包括如下方法步驟：加熱和液化(M1a)金屬造型材料(2a)；將金屬造型材料(2a)分層沉積(M2a)成材料層；分層固化(M3a)所述材料層中的金屬造型材料(2a)；加熱和液化(M1b)玻璃造型材料(2b)；將玻璃造型材料(2b)分層沉積(M2b)在所述材料層中；并且分層固化(M3b)所述材料層中的玻璃造型材料(2b)；其中，金屬組件(1)由沉積的材料層一體形成，其中金屬造型材料(2a)和玻璃造型材料(2b)沉積成材料層，使得固化的玻璃造型材料(2b)形成穿過金屬組件(1)的至少一個玻璃纖維(3，3′)。2.根據權利要求1所述的3D打印方法(M)，其中分層沉積(M2b)玻璃造型材料(2b)包括擠出液態的玻璃造型材料(2b)的步驟。3.根據權利要求1或2所述的3D打印方法(M)，其中3D打印方法(M)包括熔融沉積造型方法。4.根據權利要求1至3中至少一項所述的3D打印方法(M)，其中分層沉積(M2a)金屬造型材料(2a)包括擠出液態的金屬造型材料(2a)的步驟。5.根據權利要求1至3中至少一項所述的3D打印方法(M)，其中加熱和液化(M1a)金屬造型材料(2a)的步驟包括使用激光熔化或燒結所述金屬造型材料(2a)。6.根據上述權利要求中至少一項所述的3D打印方法(M)，其中加熱和液化(M1a)金屬造型材料(2a)的步驟在金屬造型材料(2a)的平均金屬熔點(Ta)下進行，并且加熱和液化(M1b)玻璃造型材料(2b)的步驟在玻璃造型材料(2b)的平均玻璃熔點(Tb)下進行，其中分層沉積...

【專利技術屬性】
技術研發人員：克里斯蒂安·文特，奧利弗·德羅斯特，
申請(專利權)人：空中客車德國運營有限責任公司，
類型：發明
國別省市：德國;DE