CN1187161A - 用在有复合曲率表面上的移画印花装饰材料 - Google Patents

Abstract

愈来愈严格的环境保护限制使得传统的涂层施工方法(如喷漆)因其使用了有害的挥发性溶剂和油漆颜料而受到愈来愈严峻的挑战。本发明对表面精密覆盖的施工方法提供了另一种选择。在本发明的方法中,我们将等高斯曲率的移画印花装饰材料应用到有类似曲率的对应区域上。我们在一套具有不同高斯曲率的模具上压制移画印花装饰材料从而避免了按照被施工表面的形状去制造大量模具来生产这种装饰材料。否则,如果试图用平面移画印花装饰材料去覆盖这些表面,则出现***、皱纹、空隙等缺陷。

Description

用在有复合曲率表面上的 移画印花装饰材料

本发明涉及到用在有复合曲率的表面上特别是用在飞机的外部空气动力表面上的移画印花装饰材料，以及它们的使用方法。

长期以来都采用喷涂方法对复合曲率表面进行涂敷，这是因为喷涂方法好控制，工作可靠，操作简便及通用性好，而且油漆中还能够加入各种添加剂使得被喷涂表面具有理想的物理特性。因此喷涂方法已被公认为即使在表面有复合曲率的情况下也能生产出性质均匀的高质量特性的覆盖层。

遗憾的是，喷涂方法要受到严密的环境保护的监控，这是因为用来作为颜料载体的挥发性溶剂或者颜料本身会污染环境。因此，有必要采用一种对环境的影响较小的工艺方法来取代喷涂方法。

此外，尽管喷涂方法已有明确的技术规范，为人们所熟知并且使用普遍，但是喷涂仍然是一种“技艺”，师傅生产的产品总是优于学徒或者新手生产的产品，即使师傅教他们如何操作以及为什么这样操作他们也不一定能够干得很漂亮。

喷涂层通常还缺乏耐久性，而这正好是有质量意识的用户经常提出的要求。涂层表面必须精心处理并保持干净。在喷涂施工期间对环境的污染必须进行控制。还有，涂层容易被损伤，而局部的损伤可能要求对大面积进行修理，比如可能要对整个板面重新进行喷涂。

最后，喷雾还将造成不可避免的和无法预计的油漆浪费，这是因为喷漆“技艺”包含了很大的操作技巧，而不合适的操作方法在为了消除由于小的操作失误而造成一大片涂层缺陷进行返工以前是不可能发现的。

由Marentic提出的4,986,496号美国专利中关于减小摩擦阻力的论文叙述了一种合适的表面带有图案的板材(一种移画印花材料)，可应用到飞机上的气流控制表面以减少飞机的阻力。这种材料由于其基础载体薄膜的柔韧特性因而在贴到曲面上时不会出现断裂，气泡或皱纹。Marentic的移画印花材料被制成平面型，然后铺展到具有简单曲率的表面上。这种铺展在经过一段时间后可能会发生问题，比如当被铺展的材料发生收缩，就会在相邻的移画印花材料之间曝露出一段空隙，该空隙表面以及移画印花材料与被贴表面间的界面就会受到日晒和风雨吹打的侵蚀。在铺展中出现的问题使得在曲率变化缓慢的表面上使用Marenic的移画印花方法受到限制。我们仅将该专利作为参考。

本发明所涉及的具有复合曲率的移画印花装饰材料可用来取代喷涂法以便连续地在复合曲率表面上形成一道完整、无气泡、无皱纹的覆盖，并且没有明显的伸缩，否则将会在表面上产生空隙。本发明所述的方法舍弃了油漆颜料的喷射，因此对保护环境更为有利。

本方法包括下面这些步骤：

(a)分析将要被移画印花装饰材料覆盖表面的高斯曲率，以确定等高斯曲率的保角映像曲线；

(b)确定表面上的最短程线；

(c)分析将高斯曲率不同的相邻区域的移画印花装饰材料掺合协调起来所需要的延伸性；

(d)利用一整套模具制造具有不同高斯曲率的移画印花装饰材料块片；

(e)在表面上标出等高斯曲率线并连接最短程线；以及

(f)分别将与不同高斯曲率相配对的移画印花装饰材料铺展到表面的相应部位上，从而在表面上形成一道与传统喷涂层相类似的，完整、无气泡、无皱纹的覆盖，同时将任何一片装饰材料的伸缩量减到最小程度以最终完成涂敷。

本方法确认的事实是：具有相同高斯曲率的各曲面能够拓扑学地保角映像对应起来。这一事实表明，如果你有一个高斯曲率为(5英尺)^-2的曲面，用来代替制造关于该曲面的多套模具以便制作多种移画印花装饰材料的全部工作的实际上只需在一个曲率为(5英尺)^-2的样板模具上压制曲率为(5英尺)^-2的装饰材料。例如该模具或许是一个球体。从样板模具上压出的装饰材料将无气泡、无皱纹的贴合到实际曲面上。

当进行精密涂层施工时(这种涂层对于现代商业和军用飞机在考虑空气动力阻力和其他因素时是很重要的)，喷涂方法相对来说不够可靠。这是因为在从一个部位到另一个部位的喷涂过程中为了要得到精确一致的涂层，要对喷头和喷射条件进行控制有困难。在该过程中一个经常被忽视的可变因素是在对飞行器的涂漆施工中从一个部位转到另一个部位时情况的变化。这种变化是误差累积的自然结果(这种累积偏差是由于对每一个另件在装配中允许的控制极限偏差值引起的)。而移画印花装饰方法可以对覆盖层的施工进行较好地控制，以便通过在整个装饰表面上对颜料和添加剂的合理调配而使其具有正确的频谱特性。因此勿须多花人力物力去刮掉整个涂层便能克服涂层为了获得理想特性而进行的精确施工过程中出现的困难，该涂层可能是由于有缺陷和不符合质量要求而必须花费很大力气强行刮掉再重新施工。

应用移画印花装饰法也可以对飞机表面精密覆盖层采用替换法进行小面积的修理。这种方法只须简单地将受损部位刮去并重新贴上合适的、新制成的移画印花补钉。而喷涂方法在处理这种情况时就有许多麻烦。因为喷雾会在被刮掉的区域和原涂层之间散布开来。例如，为了修补一块小面积的缺陷，采用传统技术时可能要将整个屏板都重新喷涂一遍。而移画印花装饰技术则显示出允许简单地刮掉缺陷部位并使用一块与之相匹配的新装饰材料去修补该表面。

为了便于施工，移画印花装饰材料通常带有单层或双层保护纸。一层保护纸覆盖在装饰材料的表面上，该表面将与被装饰表面贴合并粘结在一起。该表面还带有胶粘性以便能粘结到金属或复合飞机构件的表面上。在材料的另一暴露表面上还有一层类似的保护纸用来增强材料，并可在运输和定位过程中保护材料，而在正确定位之后便被剥离掉。识别标志和使用说明可以印在该纸面上以便利用户使用。

尽管装饰材料本身在其接触面上带有粘接性，但仍可能要使用单独的粘合剂，装饰材料本身也可具备足够的粘接性，这样就可以省去另外的粘接剂。

图1为一个有着复合曲率的表面的示意图，显示了等高斯曲率线和最短程线。

图2为用来制作移画印花装饰材料的椭球形样板模具的示意图。该模具上有等高斯曲率线和最短程线。

图3为典型的移画印花装饰材料的平面示意图。

图4为图3所示装饰材料的断面示意图，它包括了在接触表面和暴露表面上的保护纸。

图5为一架飞机的外形图，显示了有复合曲率的外表面，该表面可用本发明所述的装饰材料涂敷。

制作移画印花装饰材料的方法已众所周知，因此本说明对它将只作有限的描述。我们将把美国专利4,986,496号作为参考，它提出了用于气流控制表面的平面装饰材料的制作方法。该技术同样可用于本发明。

当平面装饰材料用到有复合曲率的表面上时要起皱纹或被撕裂，这是因为材料衬底的伸缩性能不足。虽然可以象衣服缝纫技术中常用的办法消除尖角或楔劈以构成某些复合曲率形状的外形，但是要想得到完整的、无接缝的、无气泡的和无皱纹的覆盖层则需要进行周密的计划和熟练的缝纫技巧。采用缝纫的方法不仅要浪费一些材料而且还不能应付实际表面上的某些独特的、不规则的形状。这就是说采用缝纫方法需要假定同一型号飞机的每一个被涂表面有完全相同的外形。但是实际上对于有复杂结构的飞机而言，每架飞机的表面曲率和结构特征都有微妙的但是重要的差别。对于这些微妙的差别就要求用缝纫的办法去分别处理因而不能进行大批量生产。

本发明采用了首先对被涂表面的曲率进行分块评价分析以确定其等高斯曲率线。如果被涂表面被设计成各个另件的实体模型并可以进行数字模拟预装配的话(如波音777飞机所采用的)，这种分析在某种程度上可以简化。曲率则可利用带有传统的激光座标测量仪，摄影测绘仪或类似设备的轮廓曲线测定仪来确定。通过对外形轮廓分析的方法来确定被测对象表面的实际曲率比从设计参数计算出来的理论曲率更有用。为了得到精确的覆盖层，轮廓曲线测定仪可能是必不可少的设备。绘制轮廓曲线的设备对在被测对象表面上标记出等高斯曲率线25和最短程线50(见图1)也是有用的。这样一来各个装饰材料就可用“按数字标颜色”的方法绘制出来。通过作出“标记”我们就可确定每一块装饰材料的位置。做这种标记可以利用投影灯或更普通的标记方法(如用粉笔，铅笔等)来完成。

移画印花装饰材料通常是做成平面型的，柔软易于弯曲。我们可以将这种形式的装饰材料用于平直表面和简单的曲面如圆柱面，锥面及辊轧弯曲面。而对于那些包含复合曲率的形状更为复杂的表面则仅当材料能够伸缩而免于起皱纹和撕裂时才能被覆盖。如果材料的弹性不足，则可采用切开来重叠搭接、消除楔劈及尖角等缝纫办法来扩展名义上是平面型的移画印花装饰材料的应用范围。但是这种办法既费时又会将材料破坏，而且如果材料具有某种特定的方向性(例如带状材料)使用起来还可能出现问题。

一种用来覆盖复杂曲面的替***法是利用模具来制造覆盖材料，该模具应与材料最终将要覆盖的表面的形状相匹配。虽然这种办法是有效的，但仍是不够理想，因为这需要制造大量的模具，特别是在各种不同飞机的外部表面形状十分复杂的情况下。由于被涂表面各式各样，对于一批飞行器中的每一架可能都需要一大批单独的模具，而制造和储存这些模具的费用将是十分可观的。

本发明所涉及的方法介于上述两种方法之间。它包括模具按照高斯曲率(GC)分级预制移画印花装饰材料100(见图2和图3)的制造，假定某种材料具有一定的弹性，一种用这种材料特别制成的移画印花装饰块将适用于高斯曲率在某一范围内的那些曲面。而某一复合曲面则可被划分成与各高斯曲率范围相对应的若干个区域，在每一个区域内就可以使用某种用模具单独预制的移画印花材料。正如利用这些平面材料覆盖那些适当的表面一样，每一个区域虽然可能包括许多不同形状的曲面，但仅从属于某一特定的高斯曲率范围。这种模具预制方法将会大大减少对特殊模具的需求，因为这里已充分使用了一整套球形的或者对称马鞍形的标准化曲面模具，而它们的形状并非是最终表面所特有的。

高斯曲率是一种表面特性，可用来度量复合曲率。这个课题通常是在微分几何的教科书中进行讨论，而在工程技术领域内并不为人们所熟知。要深入理解这一概念可以通过考虑一个数学平面，该平面包括了在某曲面上的一个特定点处的曲面法向矢量。平面与曲面相交形成的曲线被称为法向曲线。如果该平面绕着由曲面法线确定的轴线自转则会产生无穷多的法向曲线。在某一特定方向上，一个最大的曲率将会得到。从微分几何导出的意想不到的结果是：一条曲率最小的法向曲线产生于平面旋转90度时。这两个曲率被称为主曲率，并可以用来通过一个简单的公式来表述其他方向法向平面上的曲线的曲率。每一个主曲率可以用该处曲率半径的倒数来表示。而高斯曲率就是这两个主曲率的简单乘积。两个最基本的例子将有助于说明这一概念。对于圆柱形表面上的某一点而言，其一个主曲率为零(即一个点在该曲面上沿着纵向轴线方向移动的轨迹是一条直线)，因此高斯曲率为零。对于所有其他由平面材料经弯曲而形成的表面其高斯曲率也为零。另一个简单的例子就是球面。很明显，整个球面有同一高斯曲率，它等于球半径平方的倒数。马鞍形表面将出现负高斯曲率，这是因为其曲率中心位于曲面的不同侧面。最一般的情况是：高斯曲率在跨越曲面的两侧变化。另一个很好的而且比较普遍的例子就是扁椭球(有如橄榄球)，在它的两个端头处高斯曲率最大。

带有特定高斯曲率(GC)的移画印花装饰材料100，200等可以用具有对称形状的模具(比如球形或对称马鞍形模具)来制造。所用的材料应是柔性的，这样制成的移画印花装饰块将能无皱纹的贴到任何其他具有相同GC的表面上，即使表面是弯曲的和不对称的。特别值得注意的是材料在任何需要的方向均能使用。如前所述，如果材料能够伸缩，它就应能适合于覆盖GC值在某一范围内变化的表面。另外，也可应用椭球状模具制造过渡型的移画印花材料块，其GC值有一定的变化梯度。

这种采用模具预制移画印花装饰材料块的方法可用于以曲面形状复杂为特征的飞机上，并提供了一种可供选择的替代涂层施工方法。虽然这种方法用在商业飞机上可能是很有价值的，但它特别适用于那些需要迅速改变外部涂层以便伪装起来以及其他需要隐形涂层的军用飞机上。这种移画印花装饰方法可能在许多其他的领域内如汽车、舰船以及范围很广的一大类商品中都具有明显的商业价值。

图2表示一个椭球模具，其上标有从中心10至两端呈对称分布的等高斯曲率线(10，20，30和40)。该曲率线在表面上呈直线形状，并在椭球模具的横断面方向上彼此互相平行地延伸。该线与普通地图上的地球纬度线相对应。图2还显示了在其表面上标出的最短程线50，该线从椭球的一极向另一极以整齐漂亮的曲线纵向延伸，有如全球地图上的经度线。各移画印花装饰块均以每一条帽缘线(即经纬线)为中心并呈菱形形状。

为了便于讨论，在曲面上的两点之间绘出了最短连线即最短程线。在一个球面上，两点之间的最短程线将是圆的一部分。一条最短程线有一个等于零的曲率矢量并有与曲面法线一致的主法线。

移画印花块100的名义高斯曲率为10；移画印花块200的名义高斯曲率为20，其余类推。两个端头的移画印花块400呈相对较大的杯形或郁金香花形状400。各种移画印花块贴在一起就可将整个表面覆盖而不会出现皱纹，空隙或气泡。

移画印花装饰材料可以在图2所示的模具上制造，然后被转移到飞机(图5)、舰船、车辆或其他类似产品上。例如可将移画印花块100放置在被涂敷表面上与高斯曲率为10的曲线相对应的位置上。其他移画印花块均可用类似的方式取来并放置从而将整个表面覆盖起来。

移画印花块的大小取决于曲率变化的剧烈程度。如果曲率的变化梯度很大(即在短距离内高斯曲率改变很大)就需要较小的块片。显然，高斯曲率为零的平面移画印花装饰块片可用于圆柱形表面、平面以及其他高斯曲率为零的任何大面积表面上。

可用一套不同尺寸的模具来生产正高斯曲率的移画印花装饰块，而用另一套类似的马鞍形模具来制造与其相对应的负高斯曲率装饰块。

正如美国专利4,986,496所述，移画印花装饰材料可以有表面花纹，并且可以包含柔韧剂，增延伸率剂，抗氧化剂，抗紫外线辐射稳定剂，染色剂，颜料填充剂，增强辐射能力剂(如象碳化硅)，防断裂剂或连续纤维增强剂，以及其他类似成分。所有上述各种成分均被传统的移画印花装饰材料所采用。

典型的移画印花装饰基底材料500是一种有机树脂合成材料，一般是聚氨酯(即氰酸酯)，特别是聚酯，聚酯与聚醚氨基甲酸乙酯混合物，聚酰亚胺或类似的有机合成材料，以及与基底材料分层的合适的粘结剂，特别是压力敏感型或受热可恢复型粘结剂600。粘结剂通常为硅基材料或橡胶状的聚合物或共聚合物。基底材料应该是强韧的，耐久的以及能经受日晒和风雨吹打的侵蚀。我们推荐采用氨基甲酸乙酯。

移画印花装饰材料通常部带有单层或双层转移保护纸以便利于对它们的使用。一层保护纸700覆盖在移画印花装饰材料的与被涂敷表面相接触需要粘接在一起的表面上，该表面带有胶粘性以便能粘结到金属或飞机构件的表面上。在材料的另一暴露表面上还有一层类似的保护纸800用来增强材料，并在运输和定位过程中保护材料，而在正确定位之后便被剥离掉。识别标志和使用说明可以印在该纸面上以便利用户使用。

虽然我们已经对推荐实例作了说明，但对于那些精通这项技术的专业人员来说，应当清楚：在不违反本发明基本概念的前提下可以作出某些改变，变动和改进。因此，对与本发明的一般技巧完全相当的权利要求的充分解释均基于上述说明。给出的例子只是为了对发明作图解说明，而不构成限制。因此，权利要求的范围只是涉及到前面所述有关技术内容中的必不可少的那一部分。

Claims (16)

1.一种具有复合曲率的移画印花装饰材料，可用在一个复合曲率的表面上以形成一道十分完整的、无气泡和无皱纹的覆盖层；其底基材料是一种有机树脂合成薄膜，并用模具压制成已预先确定了高斯曲率数值的块片，在基底材料的至少一个面上涂有粘合剂以便将基底材料粘结到具有相同高斯曲率的表面上。

2.按照权利要求1所述的装饰材料，其特征在于，合成薄膜的材料是氨基甲酸乙酯。

3.按照权利要求1所述的装饰材料，其块片平面图呈菱形。

4按照权利要求1所述的装饰材料，还将有选择地包括用来保护基底材料的转移保护纸，该纸应至少粘附在基底材料上。

5.按照权利要求1所述的装饰材料，其特征在于，其基底材料应从下列一组材料中选取：

聚氨酯，聚酯以及聚酰亚胺。

6.按照权利要求5所述的装饰材料，其特征在于，粘合剂是压力敏感型的。

7.按照权利要求5所述的装饰材料，其特征在于，粘合剂是受热可恢复型的。

8.按照权利要求5所述的装饰材料，其特征在于，基底材料中应包含至少一种足够数量的从下列一组试剂中选取的添加剂：

柔韧剂、增延伸率剂、抗氧化剂、抗紫外线辐射稳定剂、染色剂、颜料填充剂、增强辐射能力剂、以及纤维增强剂。

9.一种移画印花装饰材料块，是用一种有机树脂基底材料经模压制成，并具有预先确定了高斯曲率数值的复合曲率，因此当它用在有相同高斯曲率的表面上时便能形成一道无气泡、无皱纹的覆盖，该装饰材料包括一层氨基甲酸乙酯薄膜，薄膜材料中含有至少一种足够数量的从下列一组试剂中选取的添加剂，它们是柔韧剂，增延伸率剂，抗氧化剂，抗紫外线辐射稳定剂，染色剂，颜料填充剂，增强辐射能力剂，以及纤维增强剂，在薄膜的至少一个面上涂有粘结剂，以便在施工中使装饰材料与表面粘结在一起，装饰材料块片可以通过将氨基甲酸乙酯材料在具有预先确定了高斯曲率的样板模具中压制出来。

10.一种在一个具有复合曲率的表面上进行覆盖施工的方法，包括下列步骤：

(a)在表面上绘出等高斯曲率线和最短程线；

(b)与表面曲率相对应，用模具压制出等高斯曲率的装饰块，并按照尺寸大小覆盖到该表面上以便形成一道无气泡、无皱纹的完整覆盖；

(c)沿着相应的最短程线和等高斯曲率线将各个装饰板块覆盖到表面上从而完成覆盖施工。

11.按照权利要求10所述的方法，其特征在于，所指的表面是一架飞机上的复杂曲面部分。

12.按照权利要求10所述的方法，还包括在施工表面上将所使用的装饰材料进行加热的步骤，以便最终完成覆盖。

13.按照权利要求10所述的方法，其特征在于，装饰材料是从聚氨酯、聚酯和聚酰亚胺这一组有机合成树脂中选取的一种并经模压制成。

它有选择性地含有一种粘结剂以便将装饰材料与表面连接起来，它还有选择性地至少含有一种数量足够的从由柔韧剂、增延伸率剂、抗氧化剂、抗紫外线辐射稳定剂、染色剂、颜料填充剂、增强辐射能力剂、以及纤维增强剂等组成的一组试剂中选取的添加剂。

14.按照权利要求13所述的方法，还包括在施工表面上将所使用的装饰材料进行加热的步骤，以便最终完成覆盖。

15.用于覆盖具有复合曲率表面的方法，包括下列各步骤：

(a)在选定的内表面上绘出等高斯曲率线并在外表面上绘出最短程线，该外表面上至少有两个不同的高斯曲率；

(b)对应于曲面上的每一个绘出的高斯曲率，用模具压制出用于每一个绘出的高斯曲率的装饰材料块片，这种具有弯曲形状的装饰块片是从聚氨酯，聚酯和聚酰亚胺这一组有机合成树脂中选取的一种并经模压制成，这种树脂还有选择性地至少含有一种数量足够的从由柔韧剂、增延伸率剂、抗氧化剂，抗紫外线辐射稳定剂、染色剂、颜料填充剂、增强辐射能力剂、以及纤维增强剂等组成的一组试剂中选取的添加剂；

(c)将第一高斯曲率装饰块沿着绘出的相对应的高斯曲率线铺展到表面上；

(d)将第二高斯曲率装饰块沿着绘出的相对应的高斯曲率线铺展到表面上，这时在不同高斯曲率的装饰块之间形成了一道光滑、无皱纹的接缝，从而完整地将表面覆盖；以及

(e)有选择性地加热装饰块以最终完成覆盖。

16.按照权利要求15所述的方法，其特征在于，每一片装饰材料块都有一个以各自绘出的高斯曲率线为中心的中央本体部分以及数条斜边，第一高斯曲率装饰块用它们的斜边与第二高斯曲率装饰块的相应边逐渐地接触并掺合在一起，最终在表面上形成一道完整的覆盖。

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