CN101801649A - 制造复合材料结构的方法和模具 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制造复合材料加强结构(1)的方法，该结构包括外蒙皮(2)和多个加强件(3)，加强件的横截面具有一限定内部通道(6)的闭合形状，该方法包括以下步骤：a)提供成形模具(34)；b)提供带有沿其长度被增强(33)的内部腔室(32)的辅助阳模具(36)，该辅助阳模具涂敷有适于固化的膜(37)；c)提供加强件(3)；d)将加强件(3)布置在模具(34)中，且在加强件(3)的内部通道(6)中布置辅助阳模具(36)；e)层压外蒙皮(2)；f)使得加强结构(1)在高温和高压的条件下固化；g)在减小辅助阳模具(36)的横截面(41)后，去除辅助阳模具(36)；h)将固化的加强结构(1)从模具(34)分离，内部腔室(32)的设计包括其增强装置(33)以及通过施加过压或负压分别维持或减小其横截面的能力。

Description

制造复合材料结构的方法和模具
技术领域
本发明涉及一种用于航空(飞机)机身的复合材料结构的制造方法以及这种制造方法中使用的模具。
背景技术
在航空工业中，重量是非常重要的一个方面，因此由复合材料、主要是碳纤维复合材料制成的优化结构胜于金属结构。
自动碳纤维铺带机相对于手工操作具有巨大的进步。这些机械具有一压靠于待铺带表面的头部，因此，此表面必须能够抵抗该力。
用于航空机身的复合材料结构由板构成，这些板又包括一系列加强件。因此，上述方面在航空机身中的应用导致以最少的操作量将构成所述机身的板与其加强件形成一体，并同时使所述加强件最优化。
具有封闭横截面的加强件的应用日益频繁，因为这些加强件可以实现更加刚性的结构、且每个加强件所增加的重量较小。但是，这种类型的加强件的结合使得制造复合材料结构的过程复杂化，这是因为在所述加强件内需要有模具，所述模具允许对部件的铺带和使复合材料固化的操作，同时在加强件为空心时需要能够将这些模具从加强件内除去。
用于制造这些结构的方法是已知的，其中，刚性元件被引入加强件的截面内以便抵抗铺带压力和使复合材料固化的压力。但是，这些方法是昂贵的，因此需要有更有效的方法，通过本发明实现这个目的。
发明内容
在第一方面，本发明提出一种由复合材料制造加强结构的方法，该加强结构包括外蒙皮和多个加强件，所述多个加强件的横截面具有凸凹不平的轮廓，该凸凹不平的轮廓具有连接于所述蒙皮的至少一个凸缘，所述轮廓限定内部通道，该方法的特征在于其包括以下步骤：
-提供一成形模具，该成形模具在加强件侧的外表面形状和所述结构的形状相似，包括用于容纳加强件的榫槽；
-提供辅助阳模具，该辅助阳模具包括由这样的材料制成的元件，所述材料在给设置于所述元件内的柱形腔室施加过压时可保持该元件的横截面、且在给这些腔室施加负压时可缩小该元件的横截面；这些辅助阳模具制成具有和加强件的内部通道相似的外部几何形状、且涂敷有适于使复合材料固化的膜；
-提供处于未固化(fresh)或固化状态的加强件；
-将加强件布置在模具的榫槽中，使得所述加强件与榫槽的几何形状配合，且在加强件的内部通道中布置与其几何形状相配合的辅助阳模具；在此步骤中，辅助阳模具帮助固化膜与各个加强件的内部几何形状之间的连接；
-在由模具、加强件和辅助阳模具形成的表面上层压外蒙皮；成形模具和辅助阳模具借助于施加在内部柱形腔室中的过压抵抗层压力；
-使得加强结构在高温和高压的条件下固化；
-去除辅助阳模具，在固化后，借助于施加在内部柱形腔室中的负压使得阳模具的横截面减小；以及
-将固化的加强结构从模具分离。
在第二方面，本发明提供一种应用于前述方法中的辅助阳模具，该辅助阳模具由弹性和/或柔性材料制成。这些阳模具有横截面呈圆形或稍呈椭圆形或卵形的、沿其长度(延伸)的柱形腔室，这些腔室的内部又通过材料(玻璃纤维、尼龙等)加强，防止当施加内部过压时腔室横截面的周长增加，而同时所述材料具有足够的柔性以便允许当施加负压时这些腔室缩陷，从而减小阳模具的横截面，并从而允许阳模具随后从加强件内部去除。如果内部腔室的横截面呈长形，则一旦施加内部过压，腔室将变形以试图获得更圆的横截面，还使得阳模具的外横截面变形。
本发明的一个优点是便于制造这样一种结构，在该结构中加强件的横截面及面积沿纵向变化，这些加强件甚至可在一端或两端处具有比中部的横截面更小的尺寸，这是因为辅助阳模具的形状可以和横截面相适应。
本发明的另一优点是便于使用带有压力铺带头部的机械，这是因为辅助阳模具在加强件内部提供了一衬底以便抵抗该头部的力。
从以下结合附图的示例实施例的详细描述中可知本发明的其它特征和优点。
附图说明
图1a、1b和1c示出用于航空机身的复合材料结构的示意图，所述复合材料结构包括蒙皮和多个分别呈Ω形、梯形和不规则Z形的加强件。
图2示意性地示出根据本发明的制造用于航空机身的复合材料结构的方法的步骤，所述复合材料结构包括蒙皮和多个Ω形的加强件。
图3示意性地示出根据本发明的制造用于航空机身的复合材料结构的方法的步骤，所述复合材料结构包括蒙皮和多个Ω形的加强件，其中执行用于铺设蒙皮的工艺。
图4示意性地示出根据本发明的制造用于航空机身的复合材料结构的方法所使用的模具的横截面。
图5示意性地示出根据本发明的制造用于航空机身的复合材料结构的方法的步骤，所述复合材料结构包括蒙皮和多个Ω形的加强件，其中执行固化工艺。
图6示意性地示出根据本发明的制造用于航空机身的复合材料结构的方法的步骤，所述复合材料结构包括蒙皮和多个Ω形的加强件，其中该结构从用于制造该结构的模具中分离。
具体实施方式
下面描述根据本发明的制造复合材料加强结构1的方法的实施例，该加强结构1包括蒙皮2和多个omega(Ω)形的加强件3，该加强件3带有连接于蒙皮2的凸缘4和与蒙皮2分离的腹板5和头部7。
本发明方法的对象还可用于制造包括蒙皮12和多个梯形加强件13——所述梯形加强件13带有连接于蒙皮12的凸缘14和与蒙皮12分离的腹板15和头部17——的加强结构11、以及包括蒙皮22和多个不规则Z形加强件23——所述不规则Z形加强件23带有连接于蒙皮22的凸缘24和与蒙皮22分离的腹板25和头部27——的加强结构21。
加强件3、13和23的共同点在于，它们的横截面都具有带有连接于蒙皮2、12、22的至少一个凸缘4、14、24的凸凹不平的轮廓，所述轮廓限定内部通道6、16、26的边界。
如同飞机机身部件的情形，结构1、11、21可具有开放的形状或回转部件的形状。
如图2所示，在根据本发明的制造用于航空机身的复合材料结构——复合材料结构包括蒙皮和多个加强件——的方法中，Ω形加强件3布置在具有榫槽35的成形模具34上，且涂敷有适于使复合材料固化的膜37的辅助阳模具36布置在此加强件上。
可使用固化或未固化的加强件3。
阳辅助模具36由弹性和/或柔性材料——例如硅酮、橡胶等——制成，并带有横截面呈圆形或稍呈椭圆形或卵形的、沿其长度(延伸)的柱形腔室，所述腔室由一材料、织物或长丝增强，以在一定程度上防止当施加内部过压时腔室周长的增加，但是允许当施加负压时这些腔室缩陷，从而减小阳模具的横截面，由此允许阳模具与加强件3分离。通过合适的制造技术将这些辅助阳模具制成具有和加强件的内部通道6相似的外部几何形状。
当每个辅助阳模具36被引入加强件3的通道6中时，固化膜37有助于与每个加强件3的内部几何形状配合。
在预先配合好后，加强件3和阳模具36可布置在成形模具34中。
图3示出在随后的步骤中，蒙皮2通过铺带机的头部38层压到由成形模具34、加强件3和覆盖辅助阳模具36的膜37所形成的表面。
图4示出由弹性材料31制成的辅助阳模具36的横截面，该模具借助于施加在其内部腔室32中的过压抵抗铺带头部38的力。借助于所包含的增强装置33，通过在这些准不可扩张的腔室中施加压力，获得的效果与通过将横截面和腔室相同的刚性杆(由钢、铝等制成)穿过所述腔室所获得的效果相似。
该方法的一种变型是手工铺设蒙皮2。
图5示出在随后的步骤中，固化膜39和可选的压板40布置在该结构组件上。然后，该结构在热压机中于高温和高压的条件下固化。在固化的过程中，覆盖辅助阳模具36的膜37使加强件3的内部和热压机内的空气连通，从而使围绕此膜的复合材料——即加强件3和层压件2的复合材料——保持受压而导致固化。
当结构1被固化并冷却时，辅助阳模具37通过横截面41的减小——当在内部柱形腔室中施加负压时横截面就会减小——而被去除，从而有利于结构1与成形模具34的分离以及辅助阳模具36从加强件3的去除，图5示出了其尺寸比原始尺寸小。
包括在由所附权利要求限定的范围内的变型可引入上述的优选实施例中。

Claims (14)

1.一种制造复合材料加强结构(1)的方法，所述结构(1)包括外蒙皮(2)和多个加强件(3)，所述加强件的横截面的轮廓由内部通道(6)限定，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
a)提供模具(34)，所述模具在所述加强件(3)侧的外表面形状和所述结构(1)的形状相似，包括用于容纳所述加强件(3)的榫槽(35)；
b)提供包括内部腔室(32)的辅助阳模具(36)，当在所述腔室(32)内施加过压时，这些模具(36)能够在层压蒙皮(2)的过程中保持其横截面，且同时所述内部腔室(32)的结构必须允许当在这些腔室中施加负压时这些腔室的缩陷，以使得所述阳模具(36)的横截面(41)减小，从而允许从加强件(3)中去除所述阳模具，这些阳模具(36)制成具有和加强件(3)的内部通道(6)相似的外部几何形状且涂敷有适于使复合材料固化的膜；
c)提供处于未固化或固化状态的加强件(3)；
d)将所述加强件(3)布置在所述模具(34)的榫槽(35)中，使得所述加强件与榫槽的几何形状配合，且在所述加强件(3)的内部通道(6)中布置与其几何形状相配合的辅助阳模具(36)；
e)在由所述模具(34)、加强件(3)和辅助阳模具(36)形成的表面上层压外蒙皮(2)；此时施加所需的过压以维持所述辅助阳模具(36)的横截面；
f)使得加强结构(1)在高温和高压的条件下固化；
g)去除所述辅助阳模具(36)，预先施加所需的负压以减小所述辅助阳模具的横截面(41)；
h)将固化的加强结构(1)从模具(34)分离。
2.根据权利要求1所述的制造复合材料加强结构(1)的方法，其特征在于，所述辅助阳模具(36)包括由弹性材料(31)制成的元件。
3.根据前述权利要求中任一项所述的制造复合材料加强结构(1)的方法，其特征在于，所述辅助阳模具(36)的腔室(32)沿其长度通过一材料、织物或长丝(33)加强，防止在施加内部过压时所述腔室(32)的周长增加，以便承受铺带头的压力。
4.根据前述权利要求中任一项所述的制造复合材料加强结构(1)的方法，其特征在于，所述辅助阳模具(36)的腔室(32)是呈圆形、椭圆形或卵形横截面的柱形。
5.根据前述权利要求中任一项所述的制造复合材料加强结构(1)的方法，其特征在于，所述加强架构(1)是一回转部件。
6.根据前述权利要求中任一项所述的制造复合材料加强结构(1)的方法，其特征在于，所述加强件(3)呈Ω形。
7.根据前述权利要求中任一项所述的制造复合材料加强结构(1)的方法，其特征在于，在步骤d)中，加强件(3)布置在所述模具(34)的榫槽(35)中，所述辅助阳模具(36)预先配合在所述加强件(3)的内部通道(6)中。
8.根据前述权利要求中任一项所述的制造复合材料加强结构(1)的方法，其特征在于，步骤e)通过铺带机的头部(38)执行。
9.根据前述权利要求中任一项所述的制造复合材料加强结构(1)的方法，其特征在于，在步骤f)之前，压板(40)置于蒙皮(2)上。
10.一种辅助阳模具(36)，其用于根据权利要求1-9中任一项所述的制造加强结构(1)的方法中，其特征在于，所述辅助阳模具由弹性合成物制成。
11.根据权利要求10所述的辅助阳模具(36)，其特征在于，所述弹性合成物是柔性的。
12.根据权利要求10-11中任一项所述的辅助阳模具(36)，其特征在于，所述辅助阳模具由基于硅酮的合成物制成。
13.根据权利要求10-12中任一项所述的辅助阳模具(36)，其特征在于，所述辅助阳模具包括多个沿其长度的腔室(32)。
14.根据权利要求10-13中任一项所述的辅助阳模具(36)，其特征在于，所述腔室(32)是呈圆形、椭圆形或卵形横截面的柱形(32)。
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