CN101918188A - 制造复合材料结构的夹具和无高压釜方法 - Google Patents

制造复合材料结构的夹具和无高压釜方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于以无高压釜的方式制造复合材料部件的夹具(9)，所述夹具包括：基部(11)，所述基部的上表面包括堆叠工作台(13)，所述堆叠工作台具有旋转运动和沿层压方向的位移运动；和头部(15)，所述头部通过允许在所述堆叠工作台(13)上垂直于层压方向移动的装置被支撑在门式框架(17)上，所述头部(15)又包括：自动装置(21)，所述自动装置用于放置预浸料坯形式的复合材料带或粗纱；压紧装置(23)，所述压紧装置用于压紧复合材料；和固化装置(25)，所述固化装置用于聚合复合材料。本发明还公开了一种用于制造复合材料结构的无高压釜方法。

Description

制造复合材料结构的夹具和无高压釜方法
技术领域
本发明涉及一种夹具和制造复合材料结构的方法，并且更具体地涉及一种夹具和无高压釜制造方法，其结果类似于在高压釜中包括固化步骤的方法。
背景技术
复合材料由于其高强度和强度-重量比，正日益在诸如航空工业、造船工业、汽车工业或汽车行业的不同行业中具有广泛的应用而具有吸引力。
最常用于上述行业的复合材料是指那些以预浸渍材料或“预浸料坯”的形式将纤维或纤维束嵌入热固性或热塑性树脂基体中。
复合材料结构由多层预浸渍材料形成。通过纤维或纤维束形成预浸渍材料的每一层，所述纤维或纤维束可以彼此交联从而形成不同形式的织物，或者可以被定向在单一方向上从而形成单向(one-way)带。这些纤维或纤维束被预浸有树脂(热固性树脂或热塑性树脂)。
具有主要基于环氧树脂和碳纤维的有机基体和连续纤维的复合材料目前正被大量和主要用于航空航天工业。
这些类型的材料的使用水平已经不断提高，特别是在航空工业，直到到达目前具有环氧树脂和碳纤维的复合材料可以被认为是在多种结构元件中最常用的选择的水平。这种情况已经迫使或持续迫使制造方法发展，该方法可以制造具有在重复方式中所需的质量和合理制造成本的元件。
关于制造复合材料结构的预浸渍材料的装置，多个方法基于用于定位(尤其是手动堆叠和自动堆叠)的可获得的方法。
在手动堆叠时，操作员放置具有所需尺寸和方位的不同层的预浸渍材料。
在自动堆叠时，自动化***负责放置具有所需尺寸和方位的不同层的预浸渍材料，并将所述不同层的预浸渍材料切成特定长度。
在自动堆叠内，两种基本类型基于开始的预浸渍材料和当堆叠所述预浸渍材料时所述预浸渍材料的宽度：
-ATL(自动带状铺叠)：自动化***放置或多或少的宽带材形式的单向带预浸渍材料，以覆盖平坦表面或具有基本小曲率的表面。
-AFP(自动纤维放置)：自动化***放置多组非常窄的带材以覆盖具有双曲率几何结构的表面。
从这种多层(层压)制造复合材料结构的方法通常一方面需要压紧以获得期望的纤维体积分数并消除间隙和从复合材料中截留的空气，而另一方面需要固化过程，由此获得浸渍纤维的树脂的聚合物链的交联。
这些结构传统上已经通过应用压力和真空的装置(作为压紧装置)和应用加热装置(作为获得聚合物链的交联的装置)具体地在高压釜中制造而成，在所述高压釜内部生成被控制的大气。
从预浸渍材料制造结构所花费的时间是每一个必须步骤花费时间的总和：堆叠连续层的预浸渍材料以形成所述结构，应用真空(作为压紧装置中的一种)和在高压釜中在压力(压紧)和热量(聚合物链的交联)的作用下固化所述结构。总时间一般很长，并且堆叠的层数越大和复杂性越高，时间越长。
另一方面要考虑制造复合材料结构的高成本，尤其是高压釜所需要的能量的高成本。高成本来源于热量损失和加热中由于高压釜的空气与固化夹具的空气对流所使用的时间。
所以这些行业经常需要允许降低制造复合材料结构所必需的时间和能量的新方法。
正如先前提到的，固化复合材料的传统方法基于例如通过热空气对流的方法或基于借助于树脂的官能团的热量而活化的其它的技术将热量施加(传递)到材料。在该技术中公知的一个过程是通过利用微波发射器局部施加热量来固化相对应的结构。尽管事实上微波发射器作为热源的使用可以涉及时间和能量上的节省(由于高压釜的热损失被最小化的事实)，但是有一些树脂的化学性质与公知的方法相比较允许通过使用更快形式的能量而不是热量来固化，这可以节省更多的时间和成本。
另外，通过应用微波发射器的固化过程具有不能很好集中于材料和结构固化并难于获得均一区域的缺点。
本发明旨在克服前述缺点。
发明内容
本发明旨在通过使用电子束而使用固化技术，其降低了实施用于制造具有复合材料的结构的自动化方法所必需的时间和成本。
有些树脂的化学组成允许通过将不同于热的其它形式的能量施加到材料而激活所述树脂的官能团。用于激活官能团所需的能量通过应用电子束来提供。
在航空航天工业里，通过电子束固化复合材料的应用不是新的。这项技术目前被用来固化碳纤维部件；这种固化在完成复合材料的堆叠之后在单个步骤中在封闭室内并且利用高能量值执行，藉此，在单个应用之后获得部件的完全固化，随后实现了所述过程所需的时间的减少，这涉及了重要的成本降低。
在第一方面中，本发明提供一种用于以无高压釜的方式制造复合材料部件的夹具，所述夹具包括以下元件：
-基部，所述基部的上表面包括堆叠工作台，材料在所述堆叠工作台上被层压；和
-可移动头部，所述头部设置有：自动装置，所述自动装置用于放置预浸料坯形式的复合材料带或粗纱；压紧装置，所述压紧装置用于压紧复合材料；和红外线发射器和电子束发射器，所述红外线发射器和电子束发射器用于固化所述复合材料。
在第二方面中，本发明提供一种用于(以一层又一层的方式)制造复合材料结构的无高压釜方法，包括以下步骤：
-将单向预浸渍料坯带或粗纱形式的复合材料放置在夹具上，在放置所述复合材料之后，压紧所述复合材料，并对所述复合材料进行部分固化，直到完成一层结构；
-重复上述步骤，直到完成所述结构的堆叠；以及
-通过利用电子束施加能量来固化结构的最后一层。
在第三方面中，本发明提供了一种用于制造复合材料结构的无高压釜方法，包括以下步骤：
-将预浸渍料坯带或粗纱形式的复合材料放置在具有结构的形状的夹具上，在放置所述复合材料之后，压紧所述复合材料，直到完成一层结构；
重复上述步骤，直到完成所述结构的堆叠；以及
-通过利用电子束施加能量来固化结构的最后一层。
为了本发明的目的，复合材料被理解为可以被电子束固化的具有有机(环氧树脂、双马来酰亚胺、聚酰亚胺、酚、乙烯酯…)基体和连续增强(碳、陶瓷、玻璃、有机、聚酰胺、PBO…)纤维的任何材料。
本发明的其它特点和优势将从以下其目的的详细的实施例描述结合附图推断。
附图说明
图1和2示出了本发明的夹具物体的示意性立体图；和
图3是本发明的夹具物体的头部的示意图。
具体实施方式
在附图中所示的优选实施例中，本发明的夹具9物体包括：
-基部11，其上表面包括堆叠夹具13，所述堆叠夹具具有旋转运动和沿层压方向的位移运动；和
-头部15，所述头部通过允许在所述工作台13上垂直于层压方向移动的装置被支撑在门式框架17上。
头部15依次包括：
-用于放置预浸料坯形式的复合材料带的自动装置21，所述自动装置包括预浸渍材料卷轴31、导向和切割单元33、加热压紧辊35和分离纸卷轴37；
-用于压紧预浸料坯层的压紧装置23，其包括加热的和/或冷却压紧辊39和超声波压紧单元41；
-固化装置25，其包括红外发线射器设备27和电子束发射器设备29。
夹具9被构成为使得：一方面，所述夹具9可以自动调节支撑在头部15上的不同装置的工作表面(堆叠工作台13)上的距离，而另一方面，所述夹具9可以启动所提及的所有或部分装置。因此，例如，夹具9可以被构造成使得用于放置带的自动装置21、压紧装置23和固化装置25被启动(这通常发生在结构的堆叠期间)，或者夹具9可以被构造成使得仅固化装置25被启动(这将发生在一旦已经完成了层压将要固化结构时)。
夹具9的不同部件的性能并且特别是红外线发射器27的功率和电子束发射器29的电压和强度将基于要被处理的材料的特征(特别是所述材料的厚度(在一层接一层固化的情况下))而变化。因此，即使在材料的整个固化过程中红外线发射器装置27和电子束发射器29必须足够灵活以能够改变发射器功率、电压和强度。
夹具9的一个优选实施例的一些特征仅通过举例说明的方式如下指出：
-最大堆叠速度(头部15可以移动的最大速度)：70米/分钟。
-红外线发射器27：
波长在900nm至1600nm之间；
灯丝温度范围在1800℃和2200℃之间；
每个灯的功率为600W。
-电子束发射器29：
最大加速电压为200kV；
最大强度为3.2mA。
-所包括的超声压紧单元41的频率在20kHz至40kHz之间。
本发明的重要优点在于夹具9可以具有用于前述提及的不同的装置的单个控制面板，这简化了所述夹具9的处理与控制。
本发明的方法目标被如下描述，本发明的目的是在“无高压釜”的过程中结合制造复合材料结构的不同技术而使用，并且所述不同技术具体地为以下技术：
-用于堆叠复合材料的AFP或ATL。
-在复合材料的不同层之间获得合适的压紧的超声波。
-通过红外线发射器施加能量和在材料的宽度上扫掠电子束以获得复合材料的聚合物链的交联。
在第一实施例中，本发明的过程目标被如下实现。
结构的制造起始于第一层材料的放置。在此操作中，例如应用先前描述的夹具9，位于卷轴31上的预浸料坯朝向压紧辊35通过刀片***33，所述压紧辊35定位在堆叠夹具13的表面上。伴随预浸料坯的分离纸被卷起在卷轴37上。压紧辊39和超声波单元41随后对放置在堆叠夹具13上的预浸料坯带19执行压紧操作。被压紧的材料随后在红外线发射器27下被预热，并采用电子束发射器29将所述被压紧的材料固化到一定程度。通过堆叠工作台13和头部15的相对移动执行此操作，直到所有与该结构的一层相对应的材料被放置、压紧和部分固化。
此层并不能被完全固化，因为所述层必须具有一定厚度，使得下一层适于放置在其上。
下一层将以与第一层类似的方式(ATL或AFP、压紧辊、超声波压紧)被放置，并且红外线发射器27和电子束发射器29的致动将使第二层被部分固化，并完成第一层的固化。
不同层的位置将使先前定位的层经过连续固化周期，直到达到期望的固化程度。最后，为了获得最后一层的适当固化，在其放置之后，需要执行通过对固化装置的致动的另外的固化周期。
本发明的过程目标的第二实施例中，一旦已经结束堆叠之后，不同的层将被固化。
因此，如果使用夹具9，将形成结构的不同层以与以上描述的相同的方式被堆叠，并且所述不同层被压紧辊39和超声压紧单元41一层接一层地被压紧。
一旦具有合适尺寸和方位的复合材料的所有层已经被堆叠，所述层将被红外线发射器27和电子束发射器29固化，所述红外线发射器27和所述电子束发射器29与头部15一起执行必须的运行直到获得聚合物链的期望聚合。
在下列权利要求的保护范围内包括的修改可以被引入刚刚被描述的实施例中。

Claims (14)

1.一种用于以无高压釜的方式制造复合材料部件的夹具(9)，其特征在于所述夹具包括：
a)基部(11)，所述基部的上表面包括堆叠工作台(13)，所述堆叠工作台具有旋转运动和沿层压方向的位移运动；和
b)头部(15)，所述头部通过允许在所述堆叠工作台(13)上垂直于层压方向的移动的装置被支撑在门式框架(17)上，所述头部(15)又包括：
b1)自动装置(21)，所述自动装置用于放置预浸料坯形式的复合材料带或粗纱；
b2)压紧装置(23)，所述压紧装置用于压紧所述复合材料；和
b3)固化装置(25)，所述固化装置用于聚合所述复合材料。
2.根据权利要求1所述的用于以无高压釜的方式制造复合材料部件的夹具(9)，其特征在于：
所述固化装置(25)包括红外线发射器设备(27)和电子束发射器设备(29)。
3.根据权利要求2所述的用于以无高压釜的方式制造复合材料部件的夹具(9)，其特征在于：
所述红外线发射器(27)的功率和所述电子束发射器(29)的功率基于要被处理的材料的特征而变化，特别是基于要被处理的材料的厚度而变化。
4.根据权利要求1-3任一项所述的用于以无高压釜的方式制造复合材料部件的夹具(9)，其特征在于：
所述压紧装置(23)包括压紧辊(39)和超声波压紧单元(41)。
5.根据权利要求1-4任一项所述的用于以无高压釜的方式制造复合材料部件的夹具(9)，其特征在于：
所述自动装置(21)包括预浸渍材料卷轴(31)、导向和切割单元(33)、压紧辊(35)和分离纸卷轴(37)。
6.根据权利要求1-5任一项所述的用于以无高压釜的方式制造复合材料部件的夹具(9)，其特征在于：
所述夹具(9)被构造成自动调节支撑在所述头部(15)上的不同装置的所述堆叠工作台(13)上的距离。
7.根据权利要求1-6任一项所述的用于以无高压釜的方式制造复合材料部件的夹具(9)，其特征在于：
所述夹具(9)被构造成使得所述压紧装置(23)、所述自动装置(21)和所述固化装置(25)被启动。
8.根据权利要求1-6任一项所述的用于以无高压釜的方式制造复合材料部件的夹具(9)，其特征在于：
所述夹具(9)被构造成使得所述固化装置(25)被启动。
9.根据上述任意一项权利要求所述的用于以无高压釜的方式制造复合材料部件的夹具(9)，其特征在于：
所述头部(15)的最大堆叠速度是70米/分钟。
10.根据权利要求2-9所述的用于以无高压釜的方式制造复合材料部件的夹具(9)，其特征在于：
所述红外线发射器(27)具有以下特征：
波长在900nm与1600nm之间；
灯丝温度范围在1800℃与2200℃之间；以及
每一个灯的功率为600W。
11.根据权利要求2-9任一项所述的用于以无高压釜的方式制造复合材料部件的夹具(9)，其特征在于：
所述电子束发射器(29)具有以下特征：
最大加速电压为200kV；以及
最大强度为3.2mA
12.根据权利要求4-11任一项所述的用于以无高压釜的方式制造复合材料部件的夹具(9)，其特征在于：
所述超声压紧单元(41)的频率在20kHz与40kHz之间。
13.一种用于制造复合材料结构的无高压釜方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
a)将预浸渍料坯带或粗纱形式的复合材料放置在具有将要被制造的所述复合材料结构的形状的夹具上，在放置所述复合材料之后，压紧所述复合材料，并对所述复合材料进行部分固化，直到完成一层复合材料结构；
b)重复所述步骤a)，直到完成所述复合材料结构的堆叠；以及
c)固化所述复合材料结构的最后一层，直到达到所需的固化程度。
14.一种用于制造复合材料结构的无高压釜方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
a)将预浸渍料坯带或粗纱形式的复合材料放置在具有将要被制造的所述复合材料结构的形状的夹具上，在放置所述复合材料之后，压紧所述复合材料，直到完成一层复合材料结构；
b)重复所述步骤a)，直到完成所述复合材料结构的堆叠；以及
c)通过利用电子束发射器将能量局部地施加到所述复合材料结构的表面上来固化所述复合材料结构。
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