用于機(jī)翼和轉(zhuǎn)子葉片結(jié)構(gòu)的熱塑性桁架結(jié)構(gòu)和制造方法
【專利摘要】本發(fā)明總體涉及熱塑性桁架結(jié)構(gòu)(219)以及形成它們的方法。桁架結(jié)構(gòu)(219)通過使用熱塑性材料諸如纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂而形成，并且基于所述桁架結(jié)構(gòu)(219)的形狀利于定向載荷支撐。在一個示例中，纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂的多個二維圖案以鋸齒形圖案、正弦圖案或其他反復(fù)圖案被布置在彼此上，并在選擇的位置被彼此粘附。二維圖案然后可以在第三維度上被擴(kuò)展以形成三維交聯(lián)桁架結(jié)構(gòu)(219)。三維交聯(lián)桁架結(jié)構(gòu)然后可以被加熱或以其他方式處理以保持所述三維形狀。
【專利說明】
用于機(jī)翼和轉(zhuǎn)子葉片結(jié)構(gòu)的熱塑性桁架結(jié)構(gòu)和制造方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明的實施例總體涉及輕量的熱塑性/纖維結(jié)構(gòu)，其用于傳遞剪切力并維持用于機(jī)翼和轉(zhuǎn)子葉片結(jié)構(gòu)的整流罩的形狀。
【背景技術(shù)】
[0002]為了保持穩(wěn)定，扭轉(zhuǎn)柔軟的結(jié)構(gòu)諸如長的、細(xì)的機(jī)翼和轉(zhuǎn)子葉片應(yīng)該具有在葉片弦的前四分之一內(nèi)的重心。整流罩通常由蒙皮和芯體構(gòu)成“夾層”結(jié)構(gòu)。使用熱塑性、可熔融結(jié)合樹脂的復(fù)合材料提供了更容易制造且更強(qiáng)硬的結(jié)構(gòu)的可能性。在形成熱塑性蒙皮時需要背壓以產(chǎn)生高質(zhì)量表面并且提供裝配件的零件的良好粘附。
[0003]現(xiàn)有的解決方案利用肋條、蜂窩結(jié)構(gòu)或泡沫作為用于整流罩結(jié)構(gòu)的芯體材料。蜂窩結(jié)構(gòu)經(jīng)常用于轉(zhuǎn)子葉片，然而，由于蜂窩結(jié)構(gòu)不可以在蜂窩單元的開口部分上提供足夠的背壓，所以蜂窩難于熔融結(jié)合到熱塑性蒙皮。當(dāng)使用可溶性工具時，蜂窩結(jié)構(gòu)也會造成問題。特別地，蜂窩結(jié)構(gòu)不提供足夠開放的結(jié)構(gòu)以洗出可溶性工具介質(zhì)，即使在使用了可透氣式蜂窩結(jié)構(gòu)時。肋條也可用于形成整流罩結(jié)構(gòu)。然而，肋條必須間隔足夠遠(yuǎn)，以免增加太多額外重量。肋條之間增加的間距需要額外的加固組件和較厚的蒙皮，這增加了不期望的重量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明總體涉及熱塑性桁架結(jié)構(gòu)以及形成它們的方法。桁架結(jié)構(gòu)通過使用熱塑性材料諸如纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂而形成，并且基于所述桁架結(jié)構(gòu)的形狀便于定向載荷支撐。在一個示例中，纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂的多個二維圖案以鋸齒形圖案、正弦圖案或其他反復(fù)圖案被布置在彼此之上，并在選擇的位置被彼此粘附。所述二維圖案然后可以在第三維度中被擴(kuò)展以形成三維交聯(lián)桁架結(jié)構(gòu)。三維交聯(lián)桁架結(jié)構(gòu)然后可以被加熱或以其他方式處理以保持所述三維形狀。
[0005]在一個實施例中，支撐結(jié)構(gòu)包括三維交聯(lián)桁架結(jié)構(gòu)，該三維交聯(lián)桁架結(jié)構(gòu)包含結(jié)合在一起的多個熱塑性導(dǎo)線片段。三維交聯(lián)桁架結(jié)構(gòu)可以被用作機(jī)翼、轉(zhuǎn)子葉片、燃料箱和其它機(jī)械組件的支撐結(jié)構(gòu)。
[0006]在另一實施例中，一種形成支撐結(jié)構(gòu)的方法包含定位熱塑性材料的第一導(dǎo)線片段，所述第一導(dǎo)線片段具有第一鋸齒形圖案;在所述第一導(dǎo)線片段上定位熱塑性材料的第二導(dǎo)線片段，所述第二導(dǎo)線片段具有從所述第一鋸齒形圖案偏移的第二鋸齒形圖案;粘附所述第二導(dǎo)線片段到所述第一導(dǎo)線片段;在所述第二導(dǎo)線片段上定位熱塑性材料的第三導(dǎo)線片段，所述第三導(dǎo)線片段具有所述第一鋸齒形圖案，所述第三導(dǎo)線片段與所述第一導(dǎo)線片段對齊，并且從所述第二導(dǎo)線片段偏移;粘附所述第三導(dǎo)線片段到所述第一導(dǎo)線片段;并且擴(kuò)展所述第一導(dǎo)線片段、所述第二導(dǎo)線片段和所述第三導(dǎo)線片段。
【附圖說明】
[0007]為了可以詳細(xì)理解本發(fā)明的上述特征，如上簡要概述的
【發(fā)明內(nèi)容】
的更具體的描述可以參考實施例獲得，所述實施例中的一些在附圖中說明。然而，應(yīng)注意，附圖只說明示例性的實施例，并且因此不應(yīng)將這些附圖視為限制本發(fā)明的范圍，并且本發(fā)明可允許其他等效的實施例。
[0008]圖1示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的一個方面的飛行器。
[0009]圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個方面的飛行器的機(jī)翼截面視圖的示意圖。
[0010]圖3A-3C是根據(jù)本發(fā)明的方面的不同密度的桁架結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0011]圖4A-4L是圖示說明根據(jù)本發(fā)明的一個方面的桁架結(jié)構(gòu)的形成的示意圖。
[0012]為了便于理解，相同的參考數(shù)字在可能的地方被用于指示附圖中共有的相同的元件?？梢灶A(yù)期的是，一個實施例的元件和特征可以被有利地并入其他實施例中，無需進(jìn)一步限定。
【具體實施方式】
[0013]本發(fā)明總體涉及熱塑性桁架結(jié)構(gòu)以及形成它們的方法。桁架結(jié)構(gòu)通過使用熱塑性材料諸如纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂而形成，并且基于所述桁架結(jié)構(gòu)的形狀便于定向載荷支撐。在一個示例中，纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂的多個二維圖案以鋸齒形圖案被布置在彼此之上，并在選擇位置中被彼此粘附。二維圖案然后可以在第三維度上被擴(kuò)展以形成三維交聯(lián)桁架結(jié)構(gòu)。三維交聯(lián)桁架結(jié)構(gòu)然后可以被加熱或以其他方式處理以保持三維形狀。三維交聯(lián)桁架結(jié)構(gòu)可以被用作機(jī)翼、轉(zhuǎn)子葉片、燃料箱和其它機(jī)械組件的支撐結(jié)構(gòu)。
[0014]圖1示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的一個方面的飛行器100。圖1所示的飛行器100包括用于容納乘客和/或貨物的機(jī)身110。提供飛行器100飛行所需升力的兩個機(jī)翼114被耦連(coupled)到機(jī)身110的相對兩側(cè)。垂直安定面116和兩個水平安定面118在機(jī)身的尾端被親連至機(jī)身110。提供推進(jìn)飛行器100前進(jìn)所需要的推力的一個或多個發(fā)動機(jī)102(示出兩個)被耦連到機(jī)翼114。
[0015]在飛行器100的機(jī)翼114上還存在擾流板128、襟翼126和縫翼130，其可以被稱為輔助飛行控制表面。擾流板128被設(shè)置在機(jī)翼114上并且執(zhí)行各種功能，所述功能包括協(xié)助控制垂直飛行路徑，作為空氣制動器以控制飛行器100的前進(jìn)速度和作為地面擾流板以減少機(jī)翼升力從而在制動時幫助保持起落架和跑道之間的接觸。襟翼126和縫翼130被設(shè)置在飛行器100的機(jī)翼上，以改變影響飛行器100的升力和阻力，其中襟翼126被定位在所述機(jī)翼114的后緣，并且縫翼130被定位在機(jī)翼114的前緣。當(dāng)襟翼126和縫翼130被擴(kuò)展時，機(jī)翼114的形狀改變以提供更多升力。由于增加的升力，飛行器100能夠以較低的速度飛行，從而簡化著陸過程和起飛過程兩者。
[0016]飛行器100還包括多個主飛行控制，以方便在飛行過程中飛行器100的方向變化。飛行器100上的主飛行控制表面包括副翼124、升降舵120和方向舵122。副翼124被設(shè)置在飛行器100的機(jī)翼114后緣上并且控制飛行器100的側(cè)滾(roll)。升降舵120被設(shè)置在飛行器100的水平安定面118上并且控制飛行器100的俯仰(pitch)。方向舵122被設(shè)置在垂直安定面116上并且控制飛行器100的偏航(yaw)。在一些飛行器中，可以具有將導(dǎo)向器控制器連接到致動器的電纜或?qū)Ь€(未示出)，致動器用于移動主控制表面。
[0017]圖2說明了根據(jù)本發(fā)明的一個方面的沿剖面線2-2的飛行器100的機(jī)翼114的截面視圖。機(jī)翼114包括限定其外表面的外蒙皮215。三維交聯(lián)導(dǎo)線桁架結(jié)構(gòu)219被定位在蒙皮215內(nèi)以向蒙皮215提供支撐并且保持蒙皮215處于預(yù)定形狀。三維交聯(lián)導(dǎo)線桁架結(jié)構(gòu)219是由多個交聯(lián)的或交叉的熱塑性材料的導(dǎo)線片段形成的三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。熱塑性材料的導(dǎo)線片段在各自交叉點處被接合以形成整體材料件，從而利于增加三維交聯(lián)導(dǎo)線桁架結(jié)構(gòu)219的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。
[0018]三維交聯(lián)導(dǎo)線桁架結(jié)構(gòu)219限定具有多個開口221(標(biāo)記出兩個)的開放式網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。多個開口221便于可溶性工具結(jié)合三維交聯(lián)導(dǎo)線桁架結(jié)構(gòu)219的使用。在一個示例中，當(dāng)構(gòu)造三維交聯(lián)導(dǎo)線桁架結(jié)構(gòu)219時，可溶性材料或介質(zhì)(未示出)可以被用于支撐熱塑性材料的片段，使得三維交聯(lián)導(dǎo)線桁架結(jié)構(gòu)219具有期望的形狀或配置。在這種示例中，所述三維交聯(lián)導(dǎo)線桁架結(jié)構(gòu)219可以以期望的取向被定位，并且可溶性材料可以被施加到三維交聯(lián)導(dǎo)線桁架結(jié)構(gòu)219以保持三維交聯(lián)導(dǎo)線桁架結(jié)構(gòu)219的配置。三維交聯(lián)導(dǎo)線桁架結(jié)構(gòu)219然后可以被固化以保持期望的取向，并且可溶性材料然后可以被除去。
[0019]可替換地，可溶材料可用于相對于三維交聯(lián)導(dǎo)線桁架結(jié)構(gòu)219支撐蒙皮215，使得蒙皮215可以被施加到三維交聯(lián)導(dǎo)線桁架結(jié)構(gòu)219并且在其間可以發(fā)生適當(dāng)?shù)恼掣?。在一個示例中，可以通過熔融結(jié)合進(jìn)行粘附。熔融結(jié)合的過程涉及在組件的結(jié)合位置處加熱和熔化熱塑性材料，并且然后為了凝固和鞏固而將這些表面按壓在一起。在粘附后，可溶性材料可以選擇性地相對于熱塑性材料溶解到溶劑中并被除去，只留下三維交聯(lián)導(dǎo)線桁架結(jié)構(gòu)219和蒙皮215。不同于先前使用的蜂窩結(jié)構(gòu)，三維交聯(lián)導(dǎo)線桁架結(jié)構(gòu)219的開口 221足夠大以允許溶劑溶解和除去用于可溶性工具中的可溶性材料。在一個示例中，三維交聯(lián)導(dǎo)線桁架結(jié)構(gòu)219的孔隙率可為約50%或更高，以便于除去可溶性材料。
[0020]此外，進(jìn)一步與蜂窩結(jié)構(gòu)對比，三維交聯(lián)導(dǎo)線桁架結(jié)構(gòu)219的密度(例如，每個單位長度的導(dǎo)線片段交叉點的數(shù)目)可以變化，以降低在機(jī)翼114的相關(guān)區(qū)域中三維交聯(lián)導(dǎo)線桁架結(jié)構(gòu)219的重量。例如，機(jī)翼144的后四分之三223a具有比機(jī)翼114的前四分之一 223b更小的桁架結(jié)構(gòu)密度，因此利于期望的機(jī)翼114的重量平衡。在一個示例中，機(jī)翼114的前四分之一的重量可以大約等于機(jī)翼的后四分之三的重量。期望的是，朝向翼弦的前緣轉(zhuǎn)移重量以減少顫振的可能性。與此相反，蜂窩結(jié)構(gòu)一般具有均勻的密度，并且因此，當(dāng)使用蜂窩結(jié)構(gòu)時降低機(jī)翼后緣重量的唯一方式是完全除去部分材料。然而，這種除去可能不期望地犧牲結(jié)構(gòu)剛性和支撐，因為材料可能從機(jī)翼114內(nèi)的關(guān)鍵支撐區(qū)域被除去。相比之下，三維交聯(lián)導(dǎo)線桁架結(jié)構(gòu)219可以利用沿機(jī)翼114的長度的變化的密度，使得通過使用較少密度的支撐結(jié)構(gòu)降低重量，但結(jié)構(gòu)支撐保持在關(guān)鍵位置中，因為三維交聯(lián)導(dǎo)線桁架結(jié)構(gòu)219沒有為了減輕重量的目的而被完全移除。
[0021]圖3A-3C說明了根據(jù)本發(fā)明的多個方面的不同密度的三維交聯(lián)導(dǎo)線桁架結(jié)構(gòu)319a-319c。圖3A示出了具有第一密度的熱塑性片段331a的三維交聯(lián)導(dǎo)線桁架結(jié)構(gòu)319a。片段331a之間交叉的相對角度332，以及每個片段331a的方向變化的相對角度333可以被調(diào)節(jié)以便于三維交聯(lián)導(dǎo)線桁架結(jié)構(gòu)319a處于期望的密度水平。
[0022]圖3B示出了具有第二密度的熱塑性片段331b的三維交聯(lián)導(dǎo)線桁架結(jié)構(gòu)319b。特別地，片段331b具有沿其長度變化或分級的密度。片段331b在區(qū)域334內(nèi)具有較低密度并且在區(qū)域335內(nèi)具有較大密度。通過改變沿桁架結(jié)構(gòu)319b的長度的角度332、333來調(diào)節(jié)密度。因此，如圖所示，三維交聯(lián)導(dǎo)線桁架結(jié)構(gòu)31%的密度可以沿其長度而變化(例如，沿弦線)，以產(chǎn)生三維交聯(lián)導(dǎo)線桁架結(jié)構(gòu)319b的期望的重量和支撐輪廓。
[0023]圖3C示出了具有重疊或交織的桁架結(jié)構(gòu)335a、335b的三維交聯(lián)導(dǎo)線桁架結(jié)構(gòu)319c。因此，三維交聯(lián)導(dǎo)線桁架結(jié)構(gòu)319c由兩個獨立的桁架結(jié)構(gòu)335a、335b形成，桁架結(jié)構(gòu)335a、335b可以同時一起形成，或可以相對于彼此先后形成。例如，桁架結(jié)構(gòu)335a可以被形成且定位為期望的配置，并且隨后，桁架結(jié)構(gòu)335b可圍繞桁架結(jié)構(gòu)335a形成。如圖所示，桁架結(jié)構(gòu)335a延伸弦諸如機(jī)翼弦的整個長度或大部分長度，而第二桁架結(jié)構(gòu)335b延伸弦的局部距離，例如，弦長度的約30%到約50%。然而，可以預(yù)期的是，第二桁架結(jié)構(gòu)335b可比圖示延伸弦的更大或更小長度，諸如弦的大約10%至大約90%，并且特別地，例如弦長度的大約30%至大約70 %。
[0024]兩個獨立的桁架結(jié)構(gòu)335a、335b的利用有利于用來調(diào)節(jié)三維交聯(lián)導(dǎo)線桁架結(jié)構(gòu)319c的相對重量和結(jié)構(gòu)支撐的更有針對性的方法。特別地，第二桁架結(jié)構(gòu)諸如桁架結(jié)構(gòu)335b可以用于向機(jī)翼弦的前四分之一轉(zhuǎn)移重量，或在承受更大載荷百分比的機(jī)翼區(qū)域內(nèi)提供增加的結(jié)構(gòu)支撐。與此相反，蜂窩結(jié)構(gòu)不能夠?qū)崿F(xiàn)這種互鎖幾何結(jié)構(gòu)，因此，在形狀和配置上具有更多限制。
[0025]圖4A-4L說明了根據(jù)本發(fā)明的一個方面的三維交聯(lián)導(dǎo)線桁架結(jié)構(gòu)的形成。圖4A說明了熱塑性材料的第一片段431a的定位。所述第一導(dǎo)線片段431a以鋸齒形或Z字形圖案被定位在支撐結(jié)構(gòu)(未示出)上，如圖所示。每個單位長度的每個Z字形的相對高度和每個Z字形的頂點可以基于完成的支撐結(jié)構(gòu)所要求的期望結(jié)構(gòu)需求和重量特性來選擇。
[0026]使用自動鋪設(shè)裝置，所述第一導(dǎo)線片段431a可以從一卷熱塑性材料中被分配，以按期望的Z字形配置定位第一導(dǎo)線片段431。在一個示例中，通過在第一方向(如y軸正向方向)上移動的自動鋪設(shè)裝置鋪放第一導(dǎo)線片段431a，如由箭頭480所示，同時在z方向上來回掃略以形成Z字形圖案。
[0027]隨后，如圖4B所示，熱塑性材料的第二導(dǎo)線片段431b以鋸齒形圖案被布置在第一導(dǎo)線片段431a上。第二導(dǎo)線片段431b的鋸齒形圖案從第一導(dǎo)線片段431a的鋸齒圖案偏移以形成部分或全部沿第一片段431a和第二導(dǎo)線片段431b的長度的交叉圖案。在一個示例中，自動鋪設(shè)裝置在與第一方向相反的第二方向(例如，沿返回路徑)上行進(jìn)時沉積第二導(dǎo)線片段431b，如箭頭481所示。第二導(dǎo)線片段431b可以具有大約等于第一導(dǎo)線片段431a的長度。
[0028]當(dāng)定位第二導(dǎo)線片段431b時，第二導(dǎo)線片段431b和第一導(dǎo)線片段431a之間每個單位長度的交叉點的數(shù)目可以通過改變角度332和333而被調(diào)節(jié)(在圖3B中示出)。通常，在材料的給定長度上的越多的交叉點提供對局部屈曲的越大的阻力。在任何給定的橫截面內(nèi)，通過第一導(dǎo)線片段431a和第二導(dǎo)線片段431b的交叉點形成的“X”的一半處于拉伸中，而另一半處于壓縮中，這是由于作用在第一導(dǎo)線片段431a和第二導(dǎo)線片段431b上的力同時還支撐載荷。在處于拉伸的部分和處于壓縮的部分之間的結(jié)合減少了處于壓縮的部分的屈曲。每個單位長度上更大密度的交叉點可以被用于進(jìn)一步減少局部屈曲；然而，這可能會增加密度，并且因此增加所得的桁架支撐結(jié)構(gòu)的重量。
[0029]在鋪放第二導(dǎo)線片段431b之后，第二導(dǎo)線片段431b和第一導(dǎo)線片段431a可以在交叉點432處通過加熱交叉點432至足以引起其間粘附的溫度而被接合。在一個示例中，激光可以被用于加熱期望的區(qū)域(例如，第二導(dǎo)線片段431b和第一導(dǎo)線片段431a的交叉點)，而不是整個片段本身，目的是便于在期望的位置結(jié)合。
[0030]當(dāng)使用熱塑性樹脂諸如聚醚酮酮(PEKK)或聚醚醚酮(PEEK)(但是其它的熱塑性樹脂是可能的且可預(yù)計)時，熱塑性材料的期望的區(qū)域可被加熱到約550華氏度到約750華氏度的范圍內(nèi)的溫度，例如約600華氏度至約700華氏度，以利于第一導(dǎo)線片段431a和第二導(dǎo)線片段431b的結(jié)合?？梢栽O(shè)想，壓力可以被施加到第一導(dǎo)線片段431a和第二片段431b以利于粘附(例如，熔融結(jié)合)。
[0031]在加熱后，第一導(dǎo)線片段431a和第二導(dǎo)線片段431b可以被允許冷卻以利于結(jié)合的固定。與環(huán)氧樹脂材料相比(如那些在蜂窩結(jié)構(gòu)中使用的環(huán)氧樹脂材料)，使用熱塑性材料的結(jié)合形成要快得多。例如，熱塑性塑料之間的結(jié)合可以在幾秒鐘或幾分鐘內(nèi)被完成且被固定，然而使用環(huán)氧樹脂的結(jié)合需要數(shù)小時來固定。因此，如本文所公開的，與使用環(huán)氧樹脂的支撐結(jié)構(gòu)相比，熱塑性材料的利用可以利于減少構(gòu)造時間。此外，熱塑性材料可以比環(huán)氧樹脂和/或酚更加熱穩(wěn)定。例如，某些熱塑性材料可以在上至約600華氏度的溫度下熱穩(wěn)定，而某些環(huán)氧樹脂只可以在上至約200華氏度下熱穩(wěn)定。
[0032]在結(jié)合第二導(dǎo)線片段431b和第一導(dǎo)線片段431a之后，第三導(dǎo)線片段431c被布置在第一導(dǎo)線片段431a之上且與其對齊，如圖4C所示。第三導(dǎo)線片段431c可以通過在第一方向上行進(jìn)的自動鋪設(shè)裝置而被定位，如箭頭480所示。一旦第三導(dǎo)線片段431 c被定位，第三導(dǎo)線片段431c就可以被接合到第一導(dǎo)線片段431a，例如，通過加熱第一導(dǎo)線片段431a和/或第三導(dǎo)線片段431c的部分以引起它們之間的粘附。如圖4C所示，第一導(dǎo)線片段431a和第三導(dǎo)線片段431c的鋸齒性結(jié)構(gòu)的上頂點被接合在一起，如在點433處所示。
[0033]在第三導(dǎo)線片段431c的沉積和粘附之后，第四導(dǎo)線片段431d被布置在第二導(dǎo)線片段431b之上且與其對齊，如圖4D所示。第四導(dǎo)線片段431d可以通過在第二方向上行進(jìn)的自動鋪設(shè)裝置而被沉積，如箭頭481所示，并且可以與第二導(dǎo)線片段431b具有大約相同的長度。第四導(dǎo)線片段431d在點434處被接合到第三導(dǎo)線片段431c。第四導(dǎo)線片段431d也可以在由第二導(dǎo)線片段431b和第四導(dǎo)線片段431d形成的鋸齒形形狀的重疊的下頂點處被接合到第二導(dǎo)線片段431b，如在點435處所示。
[0034]如在圖4E中所示，第五導(dǎo)線片段431e被布置在第一導(dǎo)線片段431a和第三導(dǎo)線片段431c之上且與其對齊。第五導(dǎo)線片段431e可以通過在第一方向上行進(jìn)的自動鋪設(shè)裝置而被沉積，如箭頭480所示。在第五導(dǎo)線片段431e被鋪設(shè)后，第五導(dǎo)線片段431e可在第三導(dǎo)線片段431c和第五導(dǎo)線片段431e的重疊的下頂點處被粘附到第三導(dǎo)線片段431c，如在點436處所示。與之前的描述類似，第五導(dǎo)線片段431e可以使用熱源諸如激光被粘附到第三導(dǎo)線片段431c。
[0035]在第五導(dǎo)線片段431e的鋪設(shè)后，第六導(dǎo)線片段431f以鋸齒形圖案被布置在第二導(dǎo)線片段431b和第四導(dǎo)線片段431d之上且與其對齊，如圖5F所示。第六導(dǎo)線片段431f可以通過在第二方向上移動的自動鋪設(shè)裝置而被沉積，如由箭頭481所示。第六導(dǎo)線片段431f可以具有與第二導(dǎo)線片段431b和第四導(dǎo)線片段431d大約相等的長度。第六導(dǎo)線片段431f在上頂點和與第四導(dǎo)線片段431d的交叉點處使用熱源被粘附到第四導(dǎo)線片段431d，熱源諸如上面描述的激光。粘附的區(qū)域被指示在點437、438處。點437是第五導(dǎo)線片段431e和第六導(dǎo)線片段437f的交叉點。粘附點438是第六導(dǎo)線片段431f和在下面的第四導(dǎo)線片段431d的上頂點。
[0036]附加片段可以被布置在結(jié)構(gòu)上以產(chǎn)生期望尺寸的桁架結(jié)構(gòu)。例如，附加沉積和粘附(如在圖4C-4F中所示的那些)可以根據(jù)需要被重復(fù)。另外，應(yīng)注意的是，本文描述的特定粘附點僅是示例性的，并且片段之間的其他粘附區(qū)域是可預(yù)期的。
[0037]圖4G示出了處于堆疊配置的片段431a_431f的旋轉(zhuǎn)視圖。為清楚起見，在導(dǎo)線片段431A-431f之間示出了空隙或間距。在圖4H和圖41中，片段431a-431f以局部擴(kuò)展配置分別被示出。圖4H示出了三維交聯(lián)導(dǎo)線桁架結(jié)構(gòu)419的俯視圖，并且圖41示出了三維交聯(lián)導(dǎo)線桁架結(jié)構(gòu)419的相應(yīng)的透視圖。參考圖4G和4H，導(dǎo)線片段431a-431f在X方向上被擴(kuò)展以形成三維結(jié)構(gòu)，例如，三維交聯(lián)導(dǎo)線桁架結(jié)構(gòu)419?？梢灶A(yù)期的是，擴(kuò)展的水平可以被調(diào)節(jié)以產(chǎn)生三維交聯(lián)導(dǎo)線桁架結(jié)構(gòu)419的期望的密度或配置。
[0038]圖4J和4K示出了處于進(jìn)一步擴(kuò)展配置的三維交聯(lián)導(dǎo)線桁架結(jié)構(gòu)419。圖4J示出了三維交聯(lián)導(dǎo)線桁架結(jié)構(gòu)419的俯視圖，并且圖4K示出了三維交聯(lián)導(dǎo)線桁架結(jié)構(gòu)419相應(yīng)的透視圖。由于桁架結(jié)構(gòu)419被擴(kuò)展成期望的配置，所以三維交聯(lián)導(dǎo)線桁架結(jié)構(gòu)419可以經(jīng)受熱加工諸如退火操作，以將三維交聯(lián)導(dǎo)線桁架結(jié)構(gòu)419保持在期望的配置。所產(chǎn)生的被擴(kuò)展的處于硬化狀態(tài)的三維配置在圖4L中被示出。例如，通過修整三維交聯(lián)導(dǎo)線桁架結(jié)構(gòu)419至期望的形狀和/或大小，圖4L中的結(jié)構(gòu)可以被成形為機(jī)翼、轉(zhuǎn)子葉片或其他組件。
[0039]導(dǎo)線片段431a_431f可以被擴(kuò)展到期望的距離，使得每個導(dǎo)線片段431a_431f的鋸齒形結(jié)構(gòu)被取向在期望的方向中，因此當(dāng)載荷被施加時利于定向載荷傳遞。定向載荷傳遞在使用相對減少的支撐材料量時允許增加的結(jié)構(gòu)載荷被施加，因此降低了三維交聯(lián)導(dǎo)線桁架結(jié)構(gòu)419的重量。相反，蜂窩支撐結(jié)構(gòu)(其由紙帶結(jié)合環(huán)氧樹脂或膠帶形成)不適于支撐在特定方向上的載荷，當(dāng)與三維交聯(lián)導(dǎo)線桁架結(jié)構(gòu)419相比時，蜂窩支撐結(jié)構(gòu)可能需要更多蜂窩材料以用于支撐給定載荷。
[0040]三維交聯(lián)導(dǎo)線桁架結(jié)構(gòu)419還利于熱塑性蒙皮的使用(例如圖2中所示的蒙皮215)，其可以比由其他材料諸如鋁形成的可比較的蒙皮更輕。雖然熱塑性蒙皮是期望的，但是它們具有與先前使用的支撐結(jié)構(gòu)材料例如蜂窩支持結(jié)構(gòu)的結(jié)合問題，這是由材料之間的結(jié)合不兼容性導(dǎo)致的。然而，由于材料的相似性，熱塑性支撐桁架可以很容易地結(jié)合到熱塑性蒙皮。例如，熱塑性蒙皮可以包括由PEEK和/或PEKK形成的機(jī)翼蒙皮或轉(zhuǎn)子葉片蒙皮。
[0041]在一個示例中，熱塑性蒙皮的使用可以允許用于保持三維交聯(lián)導(dǎo)線桁架結(jié)構(gòu)419的剛性或配置的熱處理被省略。在這種示例中，導(dǎo)線片段431a-431f可以被擴(kuò)展成期望的配置，并且然后用在可溶性工具中的可溶性材料可以被施加到擴(kuò)展結(jié)構(gòu)并且被允許固定，以將導(dǎo)線片段431a-431f保持在擴(kuò)展配置中?？扇苄圆牧系氖纠◤膩喞Ｄ侵輬D森的高級陶瓷制造公司(Advanced Ceramics Manufacturing)可獲得的可溶性陶瓷?？梢灶A(yù)期的是，具有熔點低于熱塑性材料熔點的金屬材料也可以被使用。
[0042]熱塑性蒙皮可以被施加在所述形狀上，并且被加熱以在熱塑性蒙皮和三維交聯(lián)導(dǎo)線桁架結(jié)構(gòu)419之間形成結(jié)合?？扇苄圆牧先缓罂梢员怀?，留下處于期望配置中的三維交聯(lián)導(dǎo)線桁架結(jié)構(gòu)419，這是由三維交聯(lián)導(dǎo)線桁架結(jié)構(gòu)419和熱塑性蒙皮之間的粘附劑結(jié)合導(dǎo)致的。因為沒有利用外來粘附劑，所以與以前的結(jié)構(gòu)相比最終結(jié)構(gòu)的重量被進(jìn)一步降低。
[0043]雖然本文的實施例涉及熱塑性材料例如PEEK和PEKK的使用，但是可以預(yù)期的是，也可以使用纖維浸漬熱塑性材料。在一個示例中，碳纖維浸漬熱塑性材料或玻璃纖維浸漬熱塑性材料可以被利用;但是，其他纖維的使用也可以預(yù)計。浸漬纖維的利用增加了熱塑性樹脂的強(qiáng)度，從而允許使用更少的熱塑性樹脂來支撐相同的載荷，并且因此，有利于生產(chǎn)更輕重量的桁架支撐結(jié)構(gòu)。
[0044]在一個實施例中，塑料片段例如導(dǎo)線片段431a_431f在未被浸漬時可以具有約
0.0020英寸到約0.0030英寸的直徑，并且當(dāng)與纖維浸漬時，可以具有小于約0.0020英寸的直徑，例如0.0010英寸至約0.0020英寸的直徑。在另一示例中，導(dǎo)線片段431a-431f可以具有在約0.001英寸到約0.25英寸范圍內(nèi)的直徑?？梢灶A(yù)期的是，導(dǎo)線片段431a-431f可以具有圓形橫截面或其他橫截面。此外，導(dǎo)線片段431a-431f可以是中空的導(dǎo)線，其可提高屈曲強(qiáng)度。
[0045]雖然本文的實施例參考飛行器機(jī)翼和轉(zhuǎn)子葉片被描述，但是應(yīng)當(dāng)注意的是，本文描述的桁架結(jié)構(gòu)可以有利地用作其它組件的支撐結(jié)構(gòu)，包括飛行器組件外部的那些支撐結(jié)構(gòu)。另外，本文所描述的桁架結(jié)構(gòu)可以被用于容納流體的容器中，例如燃料箱，這是由于桁架結(jié)構(gòu)的開放性，其允許流體從中流過。此外，雖然本文中的實施例相對于鋸齒形圖案描述，但是可以設(shè)想，其他振蕩或重復(fù)圖案例如正弦圖案，也可以被使用。另外，雖然本文中的實施例利用自動鋪設(shè)裝置來定位熱塑性導(dǎo)線，但是，可以預(yù)期的是，熱塑性導(dǎo)線也可被手動定位。
[0046]本發(fā)明的優(yōu)點包括:具有降低的重量和定向承載能力的開放型的支撐結(jié)構(gòu)。由于材料的兼容性，所述支撐結(jié)構(gòu)可以容易地結(jié)合到熱塑性蒙皮，或者也可以容易地彼此結(jié)合以產(chǎn)生更大的支撐結(jié)構(gòu)。
[0047]另外本發(fā)明包含根據(jù)如下條款所述的實施例:
[0048]條款1.一種支撐結(jié)構(gòu)，其包含:
[0049]三維交聯(lián)導(dǎo)線桁架結(jié)構(gòu)，其包含結(jié)合在一起的多個熱塑性導(dǎo)線片段。
[0050]條款2.根據(jù)條款I(lǐng)所述的支撐結(jié)構(gòu)，其中所述結(jié)合是熔融結(jié)合。
[0051]條款3.根據(jù)條款I(lǐng)或2所述的支撐結(jié)構(gòu)，其中所述熱塑性導(dǎo)線片段每個均包含浸漬在其中的纖維。
[0052]條款4.根據(jù)條款3所述的支撐結(jié)構(gòu)，其中所述纖維是碳纖維。
[0053]條款5.根據(jù)條款3或4所述的支撐結(jié)構(gòu)，其中所述熱塑性導(dǎo)線片段具有在約0.0010英寸至約0.0020英寸的范圍內(nèi)的直徑。
[0054]條款6.根據(jù)條款1、2、3、4或5所述的支撐結(jié)構(gòu)，其中所述熱塑性導(dǎo)線片段包括聚醚酮酮。
[0055]條款7.根據(jù)條款1、2、3、4、5或6所述的支撐結(jié)構(gòu)，其中所述熱塑性導(dǎo)線片段包括聚醚醚酮。
[0056]條款8.根據(jù)條款1、2、3、4、5、6或7所述的支撐結(jié)構(gòu)，其中所述熱塑性導(dǎo)線片段由中空的導(dǎo)線形成。
[0057]條款9.根據(jù)條款1、2、3、4、5、6、7或8所述的支撐結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步包括布置在所述三維交聯(lián)導(dǎo)線桁架結(jié)構(gòu)上并且結(jié)合到所述三維交聯(lián)導(dǎo)線桁架結(jié)構(gòu)的蒙皮。
[0058]條款10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的支撐結(jié)構(gòu)，其中所述蒙皮通過熔融結(jié)合被結(jié)合到所述三維交聯(lián)導(dǎo)線桁架結(jié)構(gòu)。
[0059 ]條款11.根據(jù)條款1、2、3、4、5、6、7、8、9或1所述的支撐結(jié)構(gòu)，其中所述熱塑性導(dǎo)線片段具有在0.0010英寸至約0.0020英寸的范圍內(nèi)的直徑。
[0060]條款12.根據(jù)條款1、2、3、4、5、6、7、8、9、10或11所述的支撐結(jié)構(gòu)，其中所述多個導(dǎo)線片段的密度沿所述支撐結(jié)構(gòu)的長度變化。[0061 ]條款13.—種形成支撐結(jié)構(gòu)的方法，其包含:
[0062]定位熱塑性材料的第一導(dǎo)線片段，所述第一導(dǎo)線片段具有第一鋸齒形圖案；
[0063]在所述第一導(dǎo)線片段上定位熱塑性材料的第二導(dǎo)線片段，所述第二導(dǎo)線片段具有從所述第一鋸齒形圖案偏移的第二鋸齒形圖案；
[0064]粘附所述第二導(dǎo)線片段到所述第一導(dǎo)線片段；
[0065]在所述第二導(dǎo)線片段上定位熱塑性材料的第三導(dǎo)線片段，所述第三導(dǎo)線片段具有所述第一鋸齒形圖案，所述第三導(dǎo)線片段與所述第一導(dǎo)線片段對齊，并且從所述第二導(dǎo)線片段偏移；以及
[0066]粘附所述第三導(dǎo)線片段到所述第一導(dǎo)線片段。
[0067]條款14.根據(jù)條款13所述的方法，還包含擴(kuò)展所述第一導(dǎo)線片段、所述第二導(dǎo)線片段和所述第三導(dǎo)線片段。
[0068]條款15.根據(jù)條款13或14所述的方法，還包含在所述第三導(dǎo)線片段上布置第四導(dǎo)線片段，所述第四導(dǎo)線片段具有所述第二鋸齒形圖案，所述第四導(dǎo)線片段與所述第二導(dǎo)線片段對齊。
[0069]條款16.根據(jù)條款15所述的方法，還包含粘附所述第四導(dǎo)線片段至所述第二導(dǎo)線片段和所述第三導(dǎo)線片段。
[0070]條款17.根據(jù)條款16所述的方法，還包含在所述第四導(dǎo)線片段上布置第五導(dǎo)線片段，所述第五導(dǎo)線片段具有第一鋸齒形圖案并且與所述第一導(dǎo)線片段和所述第三導(dǎo)線片段對齊。
[0071]條款18.根據(jù)條款17所述的方法，還包含粘附所述第五導(dǎo)線片段到所述第三導(dǎo)線片段。
[0072]條款19.根據(jù)條款13、14、15、16、17或18所述的方法，其中粘附所述第二導(dǎo)線片段到所述第一導(dǎo)線片段包含熔融結(jié)合所述第二導(dǎo)線片段到所述第一導(dǎo)線片段。
[0073]條款20.根據(jù)條款19所述的方法，還包含在擴(kuò)展所述第一導(dǎo)線片段、所述第二導(dǎo)線片段和所述第三導(dǎo)線片段之后，熱處理所述第一導(dǎo)線片段、所述第二導(dǎo)線片段和所述第三導(dǎo)線片段。
[0074]條款21.根據(jù)條款13、14、15、16、17、18、19或20所述的方法，還包含粘附熱塑性蒙皮到所述第一導(dǎo)線片段、所述第二導(dǎo)線片段和所述第三導(dǎo)線片段。
[0075]條款22.根據(jù)條款13、14、15、16、17、18、19、20或21所述的方法，還包含使用可溶性工具介質(zhì)將所述第一導(dǎo)線片段、所述第二導(dǎo)線片段和所述第三導(dǎo)線片段保持在擴(kuò)展配置中。
[0076]雖然前述內(nèi)容針對本發(fā)明的實施例，但本發(fā)明的其他和進(jìn)一步的實施例可以被設(shè)計出而不脫離本發(fā)明的基本范圍，并且本發(fā)明的范圍通過所附權(quán)利要求而確定。
【主權(quán)項】
1.一種支撐結(jié)構(gòu)，其包含: 三維交聯(lián)導(dǎo)線桁架結(jié)構(gòu)(219)，其包含結(jié)合在一起的多個熱塑性導(dǎo)線片段(431a、431b)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的支撐結(jié)構(gòu)，其中所述結(jié)合是熔融結(jié)合。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的支撐結(jié)構(gòu)，其中所述熱塑性導(dǎo)線片段(431a、431b)每個均包括浸漬在其中的纖維。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的支撐結(jié)構(gòu)，其中所述熱塑性導(dǎo)線片段(431a、431b)由中空的導(dǎo)線形成。5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的支撐構(gòu)件，還包含布置在并且結(jié)合到所述三維交聯(lián)導(dǎo)線桁架結(jié)構(gòu)(219)上的蒙皮(215)。6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的支撐構(gòu)件，其中所述多個導(dǎo)線片段(431a、431b)的密度沿所述支撐結(jié)構(gòu)的長度變化。7.一種形成支撐結(jié)構(gòu)的方法，其包含: 定位熱塑性材料的第一導(dǎo)線片段(431a)，所述第一導(dǎo)線片段具有第一鋸齒形圖案； 在所述第一導(dǎo)線片段(431a)之上定位熱塑性材料的第二導(dǎo)線片段(431b)，所述第二導(dǎo)線片段(431b)具有從所述第一鋸齒形圖案偏移的第二鋸齒形圖案； 將所述第二導(dǎo)線片段(431b)粘附到所述第一導(dǎo)線片段(431a); 將熱塑性材料的第三導(dǎo)線片段(431c)定位在所述第二導(dǎo)線片段(431b)之上，所述第三導(dǎo)線片段(431c)具有所述第一鋸齒形圖案，所述第三導(dǎo)線片段(431c)與所述第一導(dǎo)線片段(431a)對齊并且從所述第二導(dǎo)線片段(431b)偏移；以及 將所述第三導(dǎo)線片段(431c)粘附到所述第一導(dǎo)線片段(431a)。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，還包括擴(kuò)展所述第一導(dǎo)線片段(431a)、所述第二導(dǎo)線片段(431b)和所述第三導(dǎo)線片段(431c)。9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的方法，還包含將第四導(dǎo)線片段(431d)布置在所述第三導(dǎo)線片段(431c)之上，所述第四導(dǎo)線片段(431d)具有所述第二鋸齒形圖案，所述第四導(dǎo)線片段(431d)與所述第二導(dǎo)線片段(431b)對齊。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，還包含將所述第四導(dǎo)線片段(431d)粘附到所述第二導(dǎo)線片段(431b)和所述第三導(dǎo)線片段(431c)。11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，還包含將第五導(dǎo)線片段(431e)布置在所述第四導(dǎo)線片段(431d)上，所述第五導(dǎo)線片段(431e)具有所述第一鋸齒形圖案并且與所述第一導(dǎo)線片段(431a)和所述第三導(dǎo)線片段(431c)對齊。12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，還包含將所述第五導(dǎo)線片段(431e)粘附到所述第三導(dǎo)線片段(431c)。13.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的方法，其中將所述第二導(dǎo)線片段(431b)粘附到所述第一導(dǎo)線片段(431a)包含將所述第二導(dǎo)線片段(431b)熔融結(jié)合到所述第一導(dǎo)線片段(431a)。14.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的方法，還包含將熱塑性蒙皮(215)粘附到所述第一導(dǎo)線片段(431a)、所述第二導(dǎo)線片段(431b)和所述第三導(dǎo)線片段(431c)。15.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的方法，還包含使用可溶性工具介質(zhì)將所述第一導(dǎo)線片段(431a)、所述第二導(dǎo)線片段(431b)和所述第三導(dǎo)線片段(431c)保持在擴(kuò)展配置中。
【文檔編號】B64C11/20GK105936335SQ201610118580
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年3月2日
【發(fā)明人】M·H·考索恩, C·E·烏默爾, D·R·克雷格
【申請人】波音公司