阅读说明：本技术 制备具有集成电导体电路的复合材料部件的方法和设备和可利用其获得的复合材料部件 (Method and apparatus for producing a composite component with integrated electrical conductor circuit and composite component obtainable therewith ) 是由 S·苏卡拉姆 S·舒克拉 P·林德 于 2019-08-26 设计创作，主要内容包括：出于将导体电路简单集成至复合材料部件(10)中的目的,本发明提出了用于制备这种类型的复合材料部件(10)的方法和设备；其中导体电路(12)印刷于或以其它方式施加至支撑件(16),提供有可热活化粘合剂(40),并且然后所述支撑件(16)施加至所述复合材料部件(10)的坯体(58)以用于共同固化。高压和高温下的所述固化在所述导体电路(12)和所述复合材料部件(10)之间形成有力连接。(For the purpose of simple integration of conductor circuits into composite components (10), the invention proposes a method and a device for producing composite components (10) of this type; wherein a conductor circuit (12) is printed or otherwise applied to a support (16), provided with a heat-activatable adhesive (40), and then the support (16) is applied to a blank (58) of the composite part (10) for co-curing. The curing at high pressure and high temperature forms a strong connection between the conductor circuit (12) and the composite part (10).)

制备具有集成电导体电路的复合材料部件的方法和设备和可 利用其获得的复合材料部件

技术领域

本发明涉及用于制备具有集成电导体电路的复合材料部件的方法和设备。

本发明还涉及可利用该方法和设备制备的纤维复合材料部件。本发明最终涉及包括这种 类型的纤维复合材料部件的交通工具或风力发电设施。

背景技术

复合材料(诸如，尤其是纤维增强塑料)在交通工具(尤其是飞行器，诸如飞机或直升 机)的制备中和其它技术领域(诸如风力发电设施)中变得日益重要。

因为大多数复合材料为非导电的，所以已开发不同技术以向复合材料部件提供导电区域 或层来特别地实现雷电防护。

特别地，根据US 2009/0004480 A、US 2005/0181203 A1、US 2008/0311374 A1、US 2009/0029113 A1和US 7 678 997 B2，用于将导电金属区域集成至纤维复合材料中的设备 和方法为已知的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种方法和设备，利用该方法和设备，能够以简单和成本有效的 方式来制备具有集成电导体电路的复合材料部件。

该目标通过根据独立权利要求的方法和设备来实现。可利用该方法和设备获得的纤维复 合材料部件、提供有纤维复合材料部件的交通工具或提供有纤维复合材料部件的风力发电设 施为其它并列权利要求的主题。

有利改进为从属权利要求的主题。

根据第一方面，本发明提供了一种用于制备具有集成电导体电路的复合材料部件的方法， 该方法包括：

a)将电导体电路施加至支撑件的表面，

b)将可热活化粘合剂施加至导体电路，

c)将支撑件提供有导体电路的表面放置于部件坯体上，该部件坯体包括仍待固化的复 合材料，和

d)使部件坯体在高于粘合剂的活化温度的温度下固化，使得粘合剂活化并且将导体电 路以粘合的方式结合至部件。

优选的是，步骤a)包括步骤：

将电导体电路印刷于表面上。

优选的是，步骤a)包括步骤：

将电导体电路施加至作为支撑件的分离膜。

优选的是，步骤a)包括步骤：

将电气电路构造于支撑件上。

优选的是，步骤a)包括步骤：

以支撑件和电导体电路之间的粘合力低于活化状态的粘合剂的粘合力的方式选择支撑件 和施加方式。

优选的是，步骤a)包括步骤：

施加预规定布局的导体迹线作为导体电路。

优选的是，步骤a)包括步骤：

将由金属形成的导体迹线施加至支撑件的表面。

优选的是，步骤b)包括步骤：

仅将粘合剂选择性地施加至导体电路的、偏离支撑件的表面。

优选的是，步骤b)包括步骤：

在步骤c)之前施加粘合剂。

优选的是，步骤b)包括步骤：

在执行步骤c)时施加粘合剂。

优选的是，步骤b)包括步骤：

以自由流动形式施加粘合剂。

优选的是，步骤b)包括步骤：

借由喷嘴施加粘合剂。

优选的是，步骤b)包括步骤：

借由刷子施加粘合剂。

优选的是，步骤b)包括步骤：

借由施加工具施加粘合剂，该施加工具就其位置而言可进行控制以符合导体电路的元件 或导体迹线的外形。

优选的是，步骤b)包括步骤：

借由喷涂施加方式施加粘合剂。

优选的是，步骤b)包括步骤：

借由选择性涂布方法以粘合剂涂布导体电路。

优选的是，步骤c)包括步骤：

提供包括碳纤维增强复合材料的部件坯体。

优选的是，步骤c)包括步骤：

提供由预浸料坯所预形成的部件坯体。

优选的是，步骤c)包括步骤：

提供具有纤维编织物或纤维稀松布的部件坯体。

优选的是，步骤c)包括步骤：

将支撑件放置于部件坯体的、待提供有电导体电路的外或内表面上。

优选的是，步骤c)包括步骤：

在将导体电路施加至上表面并且将该表面放置于部件坯体的最顶层上之后，使支撑件旋 转。

优选的是，步骤c)包括步骤：

通过与导体电路偏离的表面，将支撑件放置于模具上，并且将部件坯体***模具中。

优选的是，步骤c)包括步骤：

将模具表面和/或膜表面按压至部件坯体的、提供有支撑件的区域上。

优选的是，步骤c)包括步骤：

以通过在高温下的压缩模制能够从复合材料面板坯体获得复合材料面板的方式，提供复 合材料面板坯体，该复合材料面板坯体包括纤维和可固化基质材料。

优选的是，步骤d)包括步骤：

使部件在高压釜中固化，支撑件施加至该部件。

优选的是，步骤d)包括步骤：

使部件在模具和/或真空包装中固化。

优选的是，步骤d)包括步骤：

使部件在高压下固化。

优选的是，步骤d)包括步骤：

使部件在模压机中固化。

该方法优选地包括步骤e)：

从部件移除支撑件，其在步骤d)之后发生。

根据另一方面，本发明提供了一种用于制备具有集成电导体电路的复合材料部件的设备， 该设备包括：

导体电路施加装置，用于将电导体电路施加至支撑件的表面，

粘合剂施加装置，用于将可热活化粘合剂施加至导体电路，

输送装置，用于将支撑件提供有导体电路的表面放置于部件坯体上，该部件坯体包括仍 待固化的复合材料，和

固化装置，用于使部件坯体在高于粘合剂的活化温度的温度下固化，使得粘合剂活化并 且将导体电路以粘合的方式结合至部件。

优选的是，导体电路施加装置具有导体电路印刷装置以用于将电导体电路印刷于表面上。

优选的是，导体电路施加装置具有分离膜提供装置以用于提供作为支撑件的分离膜。

优选的是，导体电路施加装置具有导体电路施加控制器以用于施加预规定布局的导体迹 线作为导体电路，该导体电路施加控制器设计成控制导体电路施加装置。

优选的是，导体电路施加装置具有金属材料提供装置以用于提供金属材料来施加由金属 形成的导体迹线。

优选的是，粘合剂施加装置具有粘合剂施加控制器以用于仅将粘合剂选择性地施加至导 体电路的、偏离支撑件的表面，该粘合剂施加控制器设计成使粘合剂施加装置致动。

优选的是，粘合剂施加装置具有粘合剂提供装置以用于以自由流动形式提供粘合剂。

优选的是，粘合剂施加装置具有至少一个喷嘴以用于施加粘合剂。

优选的是，粘合剂施加装置具有至少一个刷子以用于施加粘合剂。

优选的是，粘合剂施加装置具有施加工具，该施加工具就其位置而言可进行控制以符合 导体电路的元件或导体迹线的外形。

优选的是，粘合剂施加装置具有喷涂装置以用于借由喷涂施加方式施加粘合剂。

优选的是，粘合剂施加装置具有涂布装置以用于以粘合剂涂布导体电路。

优选的是，固化装置具有模具。

优选的是，固化装置具有高压釜。

优选的是，固化装置具有加热装置。

优选的是，固化装置具有熔炉。

优选的是，固化装置具有温度控制装置以用于调整温度。

优选的是，固化装置具有压机。

根据另一个方面，本发明提供了一种具有集成电导体电路的纤维复合材料部件，该纤维 复合材料部件可利用根据前述改进的一项所述的方法来获得。

根据另一个方面，本发明提供了一种具有集成电导体电路的纤维复合材料部件，该纤维 复合材料部件具有预规定图案的导体迹线，这些导体迹线借由可热活化粘合剂以粘合的方式 结合至纤维复合材料的子区域。

根据另一个方面，本发明提供了一种交通工具或风力发电设施，其包括根据前述改进的 一项所述的具有集成电气电路的纤维复合材料部件。

交通工具优选地为飞行器，尤其是飞机。

电导体电路应理解为意指其中电子可从电压或电流源流动的至少一个路径，或这种类型 的路径的布置。特别地，电导体电路应理解为意指电气电路的至少一个子区域的导体迹线的 布置。电导体电路的一个实例为例如导体迹线的布置，该导体迹线可见于印刷电路板上。

本发明涉及具有电导体电路的复合材料零件的制备。本发明特别地涉及一种用以生成电 导体迹线、电导体电路和/或路径(以用于在复合材料零件上传导电子)所需的制备方法。该 方法和设备优选地并且特别地适用于碳纤维增强塑料、玻璃纤维增强塑料和混合复合材料的 复合材料制备，该复合材料制备利用高压釜或熔炉来执行。

本发明适用于制备船舶领域和海事领域以及风力发电领域的高功率复合部件的所有技术 和行业，包括航天领域、机动车辆和摩托车制造。

迄今为止，尚未大规模实现电导体电路在可商购获得的飞行器产品或机动车辆产品的复 合材料结构部件中的集成。

电导体电路可利用不同手段来实现，诸如，例如：

1.金属喷涂，

2.喷墨印刷，

3.无电沉积，等等。

本发明的优选改进涉及借由分离膜或拉脱膜和借由温度敏感粘合剂而用于印刷电导体电 路和用于将所述电导体电路施加至其最终目标部件的设备和方法。

借助于使印刷过程与施加过程分离，印刷可在受控实验室条件下以高水平的精度发生。

导体电路优选地由分离膜保持于适当位置，并且最终利用热量和压力以粘合的方式结合 至部件。这优选地仅在高压釜中发生。由于热量和压力的施加，最大可靠性的粘合可实现。

下文将更详细地解释本发明的特别优选改进的一些优点。

导体电路可有利地以高质量导电材料来制造。

在受控实验室条件下，导体电路可优选地放置于支撑件上，尤其是分离膜。

在期望或需要的情况下，可优选地施加额外绝缘材料、绝缘和保护层，等等。

受控量的粘合剂优选地放置于导体电路上。因此，优选的是，无需辅助工作过程。粘合 剂连接可有利地在高温和高压下实现，使得非常有力连接可实现。

附图说明

本发明的示例性实施例将参考附图在下文进行更详细地解释，其中：

图1示出了作为支撑件的优选实施例的分离箔的示意图；

图2示出了用于将电导体电路施加至支撑件的导体电路施加装置的一个实施例的示意性 透视图；

图3示出了用于将粘合剂施加至电导体电路的粘合剂施加装置的一个示例性实施例的示 意性透视图；

图4示出了在输送过程期间作为支撑件的实例的分离箔，该分离箔提供有导体电路和粘 合剂；

图5示出了复合材料部件坯体，支撑件施加至该复合材料部件坯体；

图6示出了固化装置的一个示例性实施例，该固化装置用以通过固化从复合材料部件坯 体制备复合材料部件；

图7示出了在固化之后执行的另一方法步骤的示意图；

图8示出了作为交通工具(尤其是飞行器)的一个示例性实施例的飞机，该飞机包括提 供有导体电路的复合材料部件；和

图9示出了风力发电设施，该风力发电设施包括提供有电导体电路的复合材料部件。

具体实施方式

图1至图7示出了用于制备具有集成电导体电路12的复合材料部件10的方法的 不同阶段。图1至图7所示的用于执行该方法的不同装置22、26、32、34、42、46、 54、56、70为设备的一部分；该设备整体标注为14，用于制备具有集成电导体电路 12的复合材料部件。图9示出了这种类型的复合材料部件10的应用实例。设备14 可为例如用于制备复合材料部件10的制备设施，该制备设施原理上已用于例如飞机 制造，但具有下文所列出的修改。

图1提供了支撑件16，导体电路12首先施加至支撑件16。所用支撑件16特别地为分离 膜18或拉脱膜。所用分离膜18为例如当前以类似方式用于复合部件的制备的分离膜。

如图2所示，电导体电路12然后施加至支撑件16的第一表面20。施加特别地借由印刷 而发生。

图2示出了导体电路施加装置22的一个示例性实施例，导体迹线24的预定图案通过导 电材料(尤其是金属)的选择性施加借由导体电路施加装置22来施加。

为此，导体电路施加装置22特别地具有导体电路印刷装置26以用于印刷导体电路12。 导体电路印刷装置26具有导体电路施加控制器28，其中待制造的图案存储于存储器中作为 对应文件并且导体电路施加控制器28设计成使导体电路印刷装置26的移动设备30(例如， 机械臂)移动并且使金属材料提供装置32致动，金属材料提供装置32特别地设计为印刷喷 嘴以用于向导体迹线24提供金属材料。

图2还示出分离膜提供装置34，分离膜18借由分离膜提供装置34可提供用于印刷目的。 通过实例的方式，分离膜18可从适当供应卷轴36展开。

如图2所示，以借由导体电路施加控制器28根据存储于其中以用于形成导体电路12的 图案来控制的方式，印刷头部38在分离膜18的第一表面20上移动并致动以用于对应地印刷 导体迹线24。

因此，在受控实验室条件下，电导体电路12可由高质量导电材料以高度精确方式来制备。

根据图3，可热活化粘合剂40然后施加至导体电路12。

为此，粘合剂施加装置42的一个示例性实施例示于图3中。

粘合剂施加装置42具有粘合剂施加控制器44以用于控制粘合剂40的施加过程。通过实 例的方式，粘合剂施加控制器44连接至导体电路施加控制器28或与之共同地设计，使得导 体迹线24的预规定图案也可用于粘合剂施加装置42的移动控制。

粘合剂施加装置42具有粘合剂提供装置46以用于以自由流动形式提供粘合剂40。

所提供粘合剂40为热敏性粘合剂。特别地，提供了粘合剂40，粘合剂40在高于预定活 化温度的温度下活化并且在此类温度下固化。特别地，提供了热固性粘合剂。

粘合剂施加装置42具有施加工具48(例如具有喷嘴50、刷子(未示出)等)，该施加工 具就其位置而言可通过另一移动设备52(例如，台架系统)进行控制以符合导体电路12的 导体迹线24的外形。

粘合剂施加装置42可布置于相同位置(例如，设备14的制备站点)或另一站点，诸如 导体电路施加装置22。在后者情况下，将支撑件16(其设计为例如分离膜18)借由合适输送装置54从图2所示的导体电路施加装置22运送至图3所示的粘合剂施加装置42。

粘合剂40的施加在导体迹线24和/或导体电路12的其它元件的侧部(其偏离分离膜18) 上发生。

这样，借由粘合剂施加装置42将温度敏感粘合剂40施加至导体电路12。以相似方式， 绝缘物(其由一些层形成)和保护材料也可添加于该站点。

输送装置54或另一输送装置54将支撑件16从粘合剂施加装置42运送至复合材料部件 坯体提供装置56。输送步骤示于图4和图5中，其中图4还示出，通过使支撑件16适当地翻转或以其它方式取向，第一表面20(其提供有导体电路12并且初始是向上面向的)指向朝向复合材料部件坯体58的部件表面60，部件表面60待提供有导体电路12。

复合材料部件坯体提供装置56可为向纤维增强复合材料(其包括嵌入基质材料中的纤 维)提供坯体的任何制备装置。通过实例的方式，飞行器62(尤其是飞机64)的部件或风力 发电设施66的部件(如图8和图9所示)借由这种类型的提供装置56来预形成。

在复合材料部件10的其它通常制备期间，特别地借由输送装置54的适当功能，支撑件 16(其设计为例如分离膜18)翻转并且使之直接地接触复合材料部件坯体58的最后一层。 后续复合材料部件10(其将通过固化由复合材料部件坯体58制备)可特别地为飞机64或风 力发电设施66的叶片68的面板，该面板由纤维增强塑料(例如，诸如碳纤维增强塑料或玻 璃纤维增强塑料)形成。

在图5中，直接接触优选地在部件表面60上进行，部件表面60在随后操作期间向外或 向内指向。支撑件16优选地施加至部件表面60，部件表面60稍后由“真空包装(“袋侧”)围绕。

分离膜18还可放置于工具侧部上或内表面(诸如凸缘等)上，该工具侧部面向模制工具 (“工具侧”)。

当进行接触时，第一表面20、尤其是导体电路12(其施加至第一表面20)与该部件表 面60接触，其中粘合剂40***其间。

图6示出了使复合材料部件坯体58固化的步骤，由此制备复合材料部件10。固化装置 70(其以已知方式具有模具72(例如，模制工具)、高压釜74或熔炉和可能地压机或真空包 装装置(未示出))用于该目的。

固化装置70还提供有温度控制装置78，温度控制装置78在固化期间借由加热装置控制 复合材料部件10的温度。在该过程中，达到高于粘合剂40的活化温度的温度。

此外，支撑件16通过压机76和/或高压釜74(其可类似地进行控制)中的适当压力与复 合材料部件坯体58按压在一起，使得在复合材料部件坯体58固化的同时，粘合剂40在高温 和高压下固化。

在一个过程中，复合材料部件坯体58与分离膜18(其施加至复合材料部件坯体58并且 经受真空的作用)一起包括于膜中，使得非常紧密的包装得以制备并且模具固结。该复合物 然后移动至高压釜74以用于固化目的。在高压釜74中，高温(例如，120℃至180℃)使粘 合剂40活化，从而确保导体电路12和复合材料部件10之间的良好粘合剂连接。

如图6所示，当固化步骤已完成时，从高压釜74移除复合材料部件10。

从复合材料部件10移除支撑件16(其设计为例如分离膜18)，其中导体电路12保持有 力地以粘接方式粘结至部件表面60。

在分离膜18移除之后，印刷导体电路12以这种方式保持有力地连接至复合材料部件10。

因此，提供有导体电路12的复合材料部件10可用于不同目的。

作为应用实例，图8示出了作为交通工具(尤其是飞行器)的一个实例的飞机64。在此， 例如，面板(其形成例如翼部的子区域)可由适当复合材料部件10形成，使得翼部上的电气 装置可借由导体电路12来致动。

图9示出了作为复合材料部件10的可能用途的另一实例的风力发电设施66，复合材料 部件10提供有导体电路12。通过实例的方式，风力发电设施66的叶片68由设计为面板的 复合材料部件10构成。集成于其中的导体电路12可用于使叶片末端上的位置灯80致动。传 感器也可装配至叶片68，这些传感器可经由导体电路12发送有线信号并且可因此经由所述 导体电路来致动。

不言而喻，在所有应用实例中，致动器等也可经由导体电路12供应有电力和/或控制信 号。

附图标记列表：

10 复合材料部件

12 导体电路

14 设备

16 支撑件

18 分离膜

20 第一表面

22 导体电路施加装置

24 导体迹线

26 导体电路印刷装置

28 导体电路施加控制器

30 移动设备

32 金属材料提供装置

34 分离膜提供装置

36 供应卷轴

38 印刷头部

40 粘合剂

42 粘合剂施加装置

44 粘合剂施加控制器

46 粘合剂提供装置

48 施加工具

50 喷嘴

52 另一移动设备

54 输送装置

56 复合材料部件坯体提供装置

58 复合材料部件坯体

60 部件表面

62 飞行器

64 飞机

66 风力发电设施

68 叶片

70 固化装置

72 模具

74 高压釜

76 压机

78 温度控制装置

80 位置灯