CN101489768A - 制造复合部件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制造复合部件的方法，该方法包括：将填料放置在具有凸表面区域的阳模上；通过向所述填料施加压力而在所述阳模上对所述填料进行去胀，所施加的压力沿所述填料的表面变化，从而在所述填料与所述阳模的所述凸表面区域接合之处压力增强；以及在具有凹表面区域的阴模上固化所述填料。在一系列步骤中对填料进行成形和去胀，以形成层压件。在第一温度T1下对填料进行成形；在第二温度T2下对所述填料进行去胀；以及在第三温度T3下固化所述填料，其中，T1＜T2＜T3。

Description

制造复合部件的方法
技术领域
本发明涉及一种制造复合部件的方法。
背景技术
公知的是，复合部件在固化期间厚度减小。该过程称为“去胀(debulk)”，其基本上完全是由于夹带空气的释放而引起的。通常，预浸渍层压件(通常称为“预浸料坯”)的厚度降低约为10～15％，而对于干燥的织物复合物来说，会有更大的降低。在以下情况时，这会变为严重的问题：
(a)部件有着较大的厚度(通常大于10mm)，且至少是局部非平面的；或者
(b)部件结合有远厚于周围材料的填充区。
图1示出了部件有着较大的厚度，且至少局部为非平面时的问题。填料1放置在阴模2中，且被加热以固化复合材料。在填料的平面区域内均匀地进行去胀，但是在凹形角部区域内，碳纤维(不能显著拉伸)会如虚线5、6所示在角部处跨接。这产生孔隙，从而不能满足角部区域内的几何公差要求。
在US 2006/0017200中描述了针对该问题的一种传统方法，其中，采用冲压装置在阴模的凹形角部区域内局部地挤压填料。
在US 6723272中描述了一种通过在模具上拉伸膜而模制物件的方法。
发明内容
本发明的第一方面提供一种制造复合部件的方法，该方法包括：
将填料放置在具有凸表面区域的阳模上；
通过向所述填料施加压力而在所述阳模上对所述填料进行去胀，所施加的压力沿所述填料的表面变化，从而在所述填料与所述阳模的所述凸表面区域接合之处压力增强；以及
在具有凹表面区域的阴模上固化所述填料。
本发明的第一方面认识到，与US 2006/0017200中所述的需要复杂冲压装置来接近模具的凹角部区域的阴模相比，在阳模上能更容易地强化去胀。在不同模具上对填料进行去胀和固化使得可设计出具有最佳性能的模具。
可以以多种方式向填料施加压力，包括利用刚性冲压装置直接施加压力、贴着填料放置一膜并提高膜的一侧上的压力、以及/或者贴着填料放置一膜并将填料和膜之间的空腔排空。
可通过在填料与阳模的凸角部区域接合之处挤压填料的刚性冲压装置来增强压力。然而，在一优选实施方式中，通过在所述填料与所述阳模的所述凸区域接合之处拉伸所述填料上的弹性膜而增强压力。通常，通过在所述阳模附近设置通道并使所述弹性膜桥接在该通道上而拉伸该膜。发明人意识到，可采用弹性膜来施加非均匀的压力：即，压力沿着填料的表面变化，且在凸表面区域内压力增强。US6723272中不存在这样的可能性。
所述阳模的凸表面区域可以是弯曲的，或由一系列平的表面形成。优选的是，所述阳模包括由不凸出的区域(例如，其可以是大致平面的，或凹的)分隔开的一对凸表面区域。在此情况下，在所述凸表面区域中施加的压力大于在所述不凸出的区域中施加的压力。
可以预成形所述填料，即，在将填料放置在所述阳模上之前在成形模具上对填料进行成型。然而，优选的是，本方法还包括在所述阳模上对所述填料进行成型和去胀。这使得可采用单个模具来进行成型和去胀。优选的是，在去胀之前且在较低温度下进行成型。可选的是，可通过手动地将一系列层铺设在所述阳模上(每一层在铺设时都与模具的形状相符)而制造预制品，而不是通过对平的填料进行成形处理而对填料进行成型。
在一个实施方式中，该方法还包括：在去胀后的填料上铺设一层或多层材料组，从而形成层压件；以及在所述固化步骤之前，对所述层压件进行去胀。已经发现，通过在一系列步骤中对层压件进行去胀，去胀效果能获得改进。铺设和去胀步骤可重复多次，以形成具有理想厚度的层压件。
本发明的第二方面提供一种制造复合部件的方法，该方法包括：
在第一温度T1下对填料进行成形；
在第二温度T2下对所述填料进行去胀；以及
在第三温度T3下固化去胀后的填料，
其中，T1<T2<T3。
通过在相对低的温度(与固化温度T3相比而言)对填料进行成形和去胀，降低了材料上的热史效应(这例如可提高填料的固化水平)，还减少了能量消耗。而且，在相对高的温度(与成形温度T1相比而言)进行去胀会增强去胀效果。
以下说明适用于本发明的所有方面。
通常，在去胀期间加热填料或层压件。
复合部件可由任何合适的复合材料形成。在以下描述的优选实施方式中，填料(或层压件)通常是由通过单轴向碳纤维或编织碳纤维补强的树脂制成的预浸料坯材料。然而，在可选实施方式中，可通过其他方式制造复合材料。例如，填料(或层压件)可以呈干燥纤维的形式，诸如包括多轴向干燥纤维的不卷曲织物，在去胀之前，可在该不卷曲织物的表面上施加粘合剂，以使得能制造去胀过的干燥纤维预制品。然后，利用诸如RIFT(真空浸渍)或RTM(注射)之类的技术用液体树脂对该干燥纤维预制品进行真空浸渍或注射。该浸渍/注射步骤优选在与最小粘度相同的温度下进行，该温度通常低于固化温度。从而可在使填料处于固化温度时在固化模具上执行该浸渍/注射步骤，或者可在单独的加热/冷却周期内进行。可选的是，将未粘接的干燥纤维层与树脂膜形成的层交织在一起，从而形成树脂膜浸渍(RFI)层。在去胀期间对填料加热时，树脂膜发生流动并浸渍纤维层。在某些应用场合，这种材料是优选的，因为其铺设起来较快(其通常为0.75mm每层，相比而言，在预浸料坯中，为0.2mm每层)。尽管与预浸料坯相比，RFI复合部件的机械性质受到机械性能降低的不利影响，然而，与诸如RTM的液体树脂技术相比，它们的机械性能有所提高。
在以下描述的优选实施方式中，所述复合部件包括飞行器机翼的翼梁。然而，本发明可用于形成多种其他的飞行器部件(例如桁条)、或用于(例如)船、汽车等的其他复合结构部件。
附图说明
下面将参照附图描述本发明的实施方式，附图中：
图1示出了传统固化方法的问题；
图2示出了成形之前的平面填料；
图3示出了成形处理；
图4a示出了在成形后向填料添加的一组耗材；
图4b示出了去胀设置；
图5示出了去胀期间膜片的运动；
图6示出了在去胀期间膜片的最终位置；
图7示出了填料在去胀之前和之后的厚度差；
图8示出了固化设置；
图9示出了可选的双膜片成形和去胀设置；
图10示出了扫除块的可选设置。
具体实施方式
图2至图7示出了C形截面的飞行器翼梁的制造方法。
在第一步骤中，通过铺带机或其他自动机器在平的台面(未示出)上形成复合预浸料坯的平面片材。然后从平面片材切割出理想形状的平面预浸料坯填料20。将平面预浸料坯填料20放置在位于台面22上的模制和去胀阳模21上，如图2所示。应理解的是，预浸料坯填料20可由多种合适的复合材料形成。在一优选实施方式中，该填料由通过单轴向碳纤维，例如Hexcel制造提供的T700/M21(www.hexcel.com)补强的环氧树脂制成。
将弹性膜片23放置在填料20上，且(通过未示出的构件)固定到台面22上。应理解的是，膜片23可由多种合适的弹性材料制成。在一优选实施方式中，膜片由德克萨斯州(Texas)Fort Worth市的MositeRubbery公司制造的硅橡胶制成。
通过将台面22和膜片之间的空腔24、25排空而向填料20施加压力。可通过膜片23中的一个或多个端口(未示出)或台面22中的一个或多个端口(未示出)来产生这一真空。该压力与70℃至90℃(优选为75℃)的增高温度T1一起使得填料20成形为符合如图3所示的翼梁模内衬(IML)的几何形状。填料被保持在理想温度T1下，然后冷却。
然后去除膜片23，并将一对扫除块(sweeper block)41、42放置在模具21的两侧，如图4b所示。所述扫除块定位成形成宽度大约等于其高度的通道43、44。
然后将如图4a所示的一组耗材30施加到填料上。耗材30可例如为与填料直接接触的多孔脱模薄膜(诸如氟化乙丙烯)；位于上方的诸如脱模布G(可从英国Rochdale的Tygavac Advanced Materials Ltd获得)的脱模布和其下方的诸如UW606(也可从Tygavac Advanced Materials Ltd获得)的透气层。
应注意的是，在以下参照图4b至图7所述的去胀过程中，耗材30保持在合适的位置，但是为了清楚起见，在这些图中没有示出耗材30。耗材30在热去胀处理中允许任何夹带空气和挥发物逸出。
然后，如图4b所示，将膜片23批覆在模具和扫除块41、42上。然后将组件加热到85℃至95℃(优选为90℃)的温度T2，并在去胀期间保持在该温度T2下。已经发现，去胀温度T2优选高于成形温度T1。在去胀期间可通过炉、红外加热元件或任何其他装置进行加热。在膜片23和台面22之间施加真空，这使得膜片经由图5中的虚线和实线所示的若干中间状态而逐渐形成图6所示的形状。可选的是，可通过将组件放置在压热器内并向膜片23的外侧施加超过1bar的压力而提供额外的去胀压力。
横过膜片的压力差在填料的所有区域上施加均匀的静压。膜片23桥接在通道43、44上方，这使得膜片被拉伸，从而在膜片的平面内形成拉伸力，在填料与阳模的凸表面区域接合之处(即，在角部61、62处)，该拉伸力受到填料的反作用。从而施加到填料上的去胀压力在填料与模具顶部或侧面的不凸出的大致为平面的表面区域相接合之处的纯静压(等于大气压力，如使用压热器，则超过大气压力)与凸形角部61、62处的增强压力之间变化，该增强压力包括添加到静压上的拉伸压力。
在去胀阶段，通过压力和升高温度的组合而引起填料的去胀。膜片23的动作，即，沿着填料的垂直侧缓慢下移，经过图5所示的中间状态，从而将多余的空气挤出填料外，也有助于去胀。
图7以实线示出了填料在去胀之前的外轮廓，以虚线示出了去胀之后的外轮廓。去胀处理将填料的厚度从去胀之前的厚度70减小为去胀之后的厚度71。应注意的是，在填料的非平面区域和平面区域，厚度的减少量近似。在一个实施方式中，厚度70约为34mm，厚度71约为30mm。
去胀之后去除耗材30，将去胀后的填料20转移到图8所示的固化阴模80，并将相关的耗材施加到填料20形成的膜内衬。然后将模具80放置在压热器中，在该压热器中将模具80加热到大约180℃的温度T3，并加压到约7bar，以固化填料。
固化阴模80上的填料是净厚度，这意味着填料形成的模内衬表面在固化时不必移动。因此，填料的厚度在其中填料与模具的凸形角部表面82、82接合的非平面区域内保持不变。
在可选处理中，可在用于模制和去胀的阳模21上固化填料，而不是如图8所示在阴模80上固化填料。在该情况下，可将牺牲层添加到填料形成的模外衬(OML)以进行加工而满足几何公差。热去胀处理控制固化凸翼梁的厚度，从而降低部件可变性，并使所需的牺牲层厚度(或数量)最小。
图9示出了图2至图7所示的单个膜片模制和去胀处理的另选方式。在该示例中，填料20被接收在一对膜片90、91之间，而不是使用单个膜片23。在模制和去胀期间，膜片90、91之间的空腔被排空，而且下膜片91和台面22之间的空腔也被排空。膜片使填料处在张力之下，从而能更加容易地沿着阳模上的斜坡或其他复杂形状成型填料。
图10示出了一组可选的扫除块。在该示例中，用具有在填料20成形时与其边缘接合的倾斜且弯曲的侧壁的扫除块100、101取代侧壁垂直的扫除块41、42。
上述处理仅涉及到单个成形步骤(图3)和单个去胀步骤(图6)。然而在可选实施方式中，可重复进行成形和去胀步骤以形成厚度增加的层压件。从而，在此情况下，按照以下方式进行处理：
1.模制通常具有20至30层的(如图3中的)填料20；
2.添加耗材
3.对填料进行去胀(如图6中那样)；
4.去除耗材；
5.在阳模21上的模制和去胀后的填料上铺设另一通常具有20至30层的平面预浸料坯填料；
6.模制阳模21上的所述另一平面预浸料坯，从而形成厚度增加的层压件；
7.添加耗材；
8.对填料进行去胀；
9.按需要次数重复步骤4至8，从而形成具有所需总厚度的层???压件；以及，然后
10.固化所述层压件。
通常，所需的层压件的总厚度达到100层，从而要以多达五个去胀步骤形成层压件。
在以上实施方式中，扫除块41、42(或100、101)是在图3所示的成形步骤之后引入的。然而，还可以在成形步骤和去胀步骤中使用扫除块。
尽管以上已经参照一个或多个优选实施方式描述了本发明，但是应理解的是，在不偏离所附权利要求中所限定的本发明范围的情况下可作出多种变化或改变。

Claims (15)

1.一种制造复合部件的方法，该方法包括：
将填料放置在具有凸表面区域的阳模上；
通过向所述填料施加压力而在所述阳模上对该填料进行去胀，所施加的压力沿所述填料的表面变化，从而在所述填料与所述阳模的所述凸表面区域接合之处压力增强；以及
在具有凹表面区域的阴模上固化所述填料。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述阳模包括由不凸出的区域分隔开的一对凸表面区域，且其中在所述凸表面区域中施加的压力大于在所述不凸出的区域中施加的压力。
3.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过拉伸所述填料上的弹性膜而在所述填料与所述阳模的所述凸区域接合之处使压力增强。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，通过在去胀模具附近设置通道并使所述弹性膜桥接在该通道上而拉伸该膜。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述阳模的所述凸表面区域是弯曲的。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过贴着所述填料放置一膜并排空所述填料与所述膜之间的空腔而向所述填料施加压力。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，该方法还包括在所述阳模上对所述填料进行成型。
8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，该方法还包括：
在去胀后的填料上铺设一层或多层材料组，从而形成层压件；以及
在所述固化步骤之前，对所述层压件进行去胀。
9、根据上述权利要求中任一项所述的方法，该方法还包括在去胀期间加热。
10.根据权利要求9所述的方法，该方法还包括：
在第一温度T1下，在所述阳模上对所述填料进行成型；
在第二温度T2下，在所述阳模上对所述填料进行加热和去胀；以及
在第三温度T3下，固化去胀后的填料，
其中，T1<T2<T3。
11.一种制造复合部件的方法，该方法包括：
在第一温度T1下对填料进行成形；
在第二温度T2下去胀所述填料；以及
在第三温度T3下固化去胀后的填料，
其中，T1<T2<T3。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述填料通过在成型模具上对填料进行成型而形成。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述填料还在所述成型模具上进行去胀。
14.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，所述复合部件为飞行器部件。
15.一种通过以上任一权利要求所述的方法制造的复合部件。
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