CN101426637A - 制造长复合材料片材的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通过铺放、切割和热成型操作制造多片复合材料的设备，所述设备包括：两个相同的工作台(11，13)，所述工作台(11，13)构造有平坦上表面(41)或构造有将被制造的片材形状的上表面(43)，所述工作台(11，13)还包括一装置，用于在所述装置的封闭空间内产生真空；自动铺放头(15)，所述自动铺放头(15)由允许所述自动铺放头(15)在所述工作台(11，13)上移动的装置支撑，且切割头(17)连接到所述自动铺放头(15)；以及工具(21)，所述工具(21)也可以在所述工作台(11，13)上移动，所述工具(21)包括成型薄膜(25)和加热装置(27)。本发明还包括通过在同一设备上实施的铺放、切割和热成型操作制造复合材料片材的方法。

Description

制造长复合材料片材的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种制造长复合材料片材(long pieces of compositematerial)的设备和方法，本发明具体地涉及一种通过铺放(laying)、切割和热成型连续操作地制造复合材料片材的工具和方法。
背景技术
铺放过程包括将增强复合材料层以层列(course)的方式放在在模具上。经常用在航空行业的一种复合材料的例子为预浸(preimpregnated)复合材料，该预浸复合材料为一种用于制造复合材料的纤维增强材料和聚合物基体的混合物，以使得它们可以被存放以便后面的使用。
它可以是薄片状、层状、粗纤维状或纤维织物状。在热固基体(thermosetting matrices)的情况下，树脂通常被部分固化，或者通过其它方法使其达到一控制的粘度，这被称为阶段B。可以添加诸如催化剂、抑制剂、火焰稳定剂的添加剂以获得在最终使用中的特定特征，以及提高方法、储存和处理特征。
在此过程中，不是随机地铺放层列，而是通常在一定的方向上将它们铺放或堆积，具体地以0°、90°、45°和-45°方向铺放或堆积。根据片材在每一点内将要承受的应力的性质和大小确定在一个方向或其它方向上的层数(厚度)和层列的布置。
有两种铺放类型：平面铺放和曲面铺放，这分别取决于将要被铺放的表面是平面还是曲面。
可以手动或自动实施铺放过程。实施铺放的机器基本上有两种：
-铺放机器：在平坦表面或者稍微弯曲的表面上铺放。
-纤维定位机器：在不可以通过使用铺放机器进行铺放的、具有大曲率的表面上铺放。
决定自动铺放片材还是手动铺放片材的标准主要有两种：使用的材料和片材的尺寸。
其中用于铺放的材料是预浸材料。这种材料具有粘性，并且其处理不简单。手动地使预浸层列适于包含在一平面内的整齐层并不复杂，然而，使所述层列适于一曲面是非常复杂的，因为这些材料本身不能发生变形，因此，随着为粘性的层列所带来的附加困难，操作者必须不断地保持层列受压，以使得后面的发生变形并适于期望的弯曲。更进一步，如果将被定位的层的数量较大，复杂程度将大幅增加。
切割步骤包括CNC高架型(gantry)移动吊架机器，所述高架型移动吊架机器沿着一个被完全覆盖的金属切割工作台移动，该切割工作台具有允许实施真空的塑料多孔表面，且电缆、链条、管子等在于所述工作台内。通常，高架型高架型移动吊架机器设有超声波头部和压下组件(depressgroup)，该压下组件用于实施片材的真空保持。
这就是切割通过铺设机器完成的层压材料的步骤。
一旦切割需要的元件(通常是平坦的)，它们将经历热成型过程。热成型过程基本上包括形成平坦的碳纤维层压材料，将所述层压材料预先放在具有近似几何结构的工具或心轴(mandrel)上，并依照一定的周期施加热量和真空，由于薄膜相互抵靠所施加的压力，因此这种层压材料适于工具的形状。
本发明是基于试图在制造航空片材中将三个步骤统一起来，以降低成本的需求而产生的。显然，不需要任何类型的处理而实施这三个步骤是相当有利的。
发明内容
在第一方面中，本发明提供了一种用于通过铺放、切割和热成型操作来制造复合材料片材的设备，所述设备包括以下元件：
-两个相同的工作台，所述工作台中每一个包括外模块和内模块，所述内模块具有带有将要被制造的片材的形状的上表面，和在垂直方向上的致动件(actuation)，以使得所述内模块能够向上或向下移动，以与外模块一起或者形成具有平坦上表面的所述工作台，或者形成具有可以用作用于形成将被制造的片材的工具的上表面的所述工作台。这些工作台在它们的内部包括一装置，用于在所述装置上的封闭空间内生成真空。此外，工作台还包括用于将热量提供给工作台的上表面的装置。
-自动铺放头，其由允许所述自动铺放头在所述工作台上移动的装置支撑，以实施铺放操作；
-切割头，其由允许所述切割头在所述工作台(11，13)上移动的装置支撑，以执行切割操作；切割头有两个位置，一个静止位置和一个切割位置。在静止位置，切割头位于铺放头位置的上方，而在较低位置时，切割头位于次高度(inferiorheight)处，以使得在此过程中不干涉铺放头的情况下允许对已经铺放的进行切割。此切割头也可以使用数字控制程序。
-工具，包括成型薄膜，所述工具由装置支撑，所述装置允许所述工具移动，以将所述工具放在每一个工作台上，并将薄膜定位在所述工作台中的每一个上，以实施成型操作。此工具在其内部包括一装置，用于为放在其下方的表面上提供热量。
该设备的一个重要特征在于：在不需要在一个操作与另一个操作之间对这种分层材料实施任何处理或移动的情况下，所述设备通过原位加热(heat in situ)而具有层压、切割并形成分层复合材料的能力。
设备的另一个重要特征在于其允许在每一个工作台内制造两个平行的片材。一旦在第一工作台上的切割过程完成，则铺放/切割头将移动向第二工作台，以在第二个工作台上开始铺放操作。成型工具而又移动到第一工作台，以实施成型操作。
第二个方面，本发明提供了一种用于通过铺放、切割和热成型操作来制造复合材料片材的方法，包括以下步骤：
-借助于自动铺放头并通过使用数字控制程序，通过在预定位置并以预定数量在所述表面层上放置纤维织物，而在构造有平坦表面的设备上进行层压；
-通过切割头或通过利用适当的装置在布置在升高的表面上的层压片材的外轮廓上的冲压操作，在同一设备上切割层压材料的多余部分；
-通过在片材上布置成型薄膜、升高具有片材形状的模块以及施加热量和真空，而在同一设备内形成具有期望形状的片材。
在以下与附图相关的本发明的目的的图示的实施例的详细说明中公开本发明的其它特征和优点。
附图说明
图1a和图1b示出了本发明的设备对象的透视示意图，本发明的设备对象示出了铺放头和切割头的不同位置和具有成型薄膜的工具的不同位置。
图2a和图2b是在示出了具有模块的设备工作台的示意图，所述模块形成上平坦表面和具有片材形状的上表面。
图3a示出了在成型工具内使用的加热装置的示意图，而图3b示出了在成型工具内使用的薄膜的示意图。
图4a和图4b示出了利用本发明的设备和方法制造的片材的透视示意图。
具体实施方式
在附图所示的优选的实施例中，本发明的设备对象包括：两个工作台11、13；铺放头15和由装置19支撑的切割头17，所述装置19允许切割头17在所述工作台11、13上方移动；和工具21，所述工具21包括成型薄膜25和用于将热量提供给设在所述工具21内的空间的装置27，所述工具21由装置23支撑，所述装置允许所述工具21移动，以将工具21放在工作台11、13中的每一个上并将成型薄膜25放置在工作台11、13中的每一个上。
此设备使得对于在制造如图4a和4b中所示的具有U型截面的长片材尤其有利。
切割头17位于铺放头15的后部，在切割需要时，切割头能够向下移动到运动时的较低位置。
工作台11、13是相同的，并具有模块结构，工作台11、13包括外模块31和内模块33，以被初始构造有平坦的上表面41，从而通过提供一表面而在所述平坦的上表面41上实施铺放和切割操作，所述表面的功能是支撑分层材料和重新生成由铺放头15产生的垂直力，以及在不损坏切割刀片的情况下允许实施切割操作。
工作台11、13也可以构造成具有将要被制造的片材形状的上表面43，以实施相同的成型操作。
工作台11、13包括用于在其上的封闭空间内产生真空的装置(未示出)，优选地，包括用于将热量提供给工作台的上表面的装置(未示出)。
在将要制造的片材在其表面上具有弯曲部分(例如无线电设备)和/或具有不同的厚度的情况下，工作台11、13的内模块33也应该具有弯曲部分和/或具有不同的厚度。无论如何，复制将被制造的片材的内表面的内模块33必需本身总是在工作台11、13内是可完全缩回，如果必要的话，使用辅助装置来实现该功能。
设备包括两个工作台11、13，以使得当在其中的一个工作台上实施成型操作时，可以在另一个工作台上实施铺放和切割操作。以这种方式，优化了铺放头15、切割头17和具有成型薄膜的工具21的使用。
下面将描述本发明的方法对象。
在第一步骤中，通过自动铺放头在具有平坦表面的工作台上执行层压过程。
如果对层压材料的厚度有所要求，则由真空实施的压缩可以是必需的，这需要工作台是气密的。为了此效果，在执行铺放操作之前使用塑料材料薄膜或无孔的任意类型的薄膜覆盖将被铺放的区域。为了保持薄膜在适当的位置，并以使得薄膜不因为铺放过程中产生的所有类型的载荷而发生移动，薄膜被真空固定到表面，且真空通过在工作台本身上和/或热成型工具上实施的钻孔被传送。
在第二步骤中，通过切割头在工作台上切割层压材料的多余部分。为了实施此操作，必须通过真空将层压材料固定到工作台。如前段所述，这被产生并传送通过所述工作台内的钻孔。更进一步，塑料或其它材料的薄膜位于层压材料上，并覆盖整个工作台，从而减少真空损失。工作台的上部分由在不损坏切割刀片的情况允许对已经铺放的材料的进行切割的材料所覆盖。
在第三步骤中，通过在片材上布置成型薄膜，升高具有片材形状的模块和施加热量和真空，而使片材形成有期望的形状。
在本发明的优选实施例中，此步骤通过以下步骤实现：
-在片材上布置成型薄膜；
-施加初始加热周期直至达到预定温度，所述预定温度取决于所使用的碳纤维材料。这样，在后面的阶段中有助于在弯曲区域内产生大折痕(crease)。
-施加第一真空周期直到达到预定内部压力(大约1巴)。
-以预定速度向上移动具有片材形状的设备的模块。
-施加第二周期真空并加热，直至达到预定压力和预定温度，将所述第二周期真空和加热保持一必要时间以形成片材。
-在刚刚所述的优选的实施例中，可以引入包括在由以下权利要求限定的保护范围内的那些变型。

Claims (7)

1、一种用于通过铺放、切割和热成型操作制造复合材料片材的设备，其特征在于，所述设备包括：
-两个相同的工作台(11，13)，所述工作台(11，13)中每一个均包括外模块(31)和内模块(33)，所述内模块(33)具有带有将要被制造的片材的形状的上表面(43)，和在垂直方向上的致动件，以使得所述内模块(33)能够向上或向下移动以与所述外模块(31)一起或者形成具有平坦上表面(41)的工作台(11，13)，或者形成具有可以用作用于形成将被制造的片材的工具的上表面的工作台(11，13)，所述工作台(11，13)还包括用于在其上的封闭空间内生成真空的装置；
-自动铺放头(15)，其由允许所述自动铺放头(15)在所述工作台(11，13)上移动的装置(19)支撑，以实施所述铺放操作；
-切割头(17)，其由允许所述切割头(17)在所述工作台(11，13)上移动的装置支撑，以执行所述切割操作；
-工具(21)，包括成型薄膜(25)和加热装置(27)，所述工具(21)由允许所述工具(21)移动的装置(23)支撑，以将所述工具(21)放在所述工作台(11，13)上，并将所述成型薄膜(25)定位在所述工作台(11，13)中的每一个上，以实施所述成型操作。
2、根据权利要求1所述的用于制造复合材料片材的设备，其特征在于：所述工作台(11，13)还包括用于将热量提供给所述工作台(11，13)的上表面的装置。
3、根据权利要求1或2所述的用于制造复合材料片材的设备，其特征在于：所述模块(31，33)包括辅助装置，当所述内模块的上表面(43)包括弯曲部分时，所述辅助装置用于使所述工作台(11，13)构造有平坦的上表面(41)，所述弯曲部分阻止利用所述模块(31，33)单独实施复合材料片材的制造。
4、一种用于通过铺放、切割和热成型操作制造复合材料片材的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
a)通过自动切割头在构造有平坦表面的设备上实施第一层压过程；
b)在同一设备上切割层压材料的多余片材；
c)通过在片材上布置成型薄膜、升高具有所述片材形状的模块以及施加热量和真空在所述同一设备内形成具有期望形状的片材。
5、根据权利要求4所述的用于制造复合材料片材的方法，其特征在于：通过联结到铺放头的切割头实施步骤b)。
6、根据权利要求4所述的制造复合材料的方法，其特征在于：通过布置在升高的表面上的层压片材的轮廓上的冲压操作实施步骤b)。
7、根据权利要求4所述的制造复合材料片材的方法，其特征在于：通过以下步骤实施步骤c)：
c1)在所述层压材料上布置成型薄膜；
c2)施加第一加热周期直至达到预定温度；
c3)施加第一真空周期直至达到预定内部压力；
c4)以预定速度向上移动具有片材形状的设备的模块；
c5)施加第二真空周期并加热，直至达到预定压力和预定温度。
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