專利名稱：模制填料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在制造復(fù)合部件期間模制填料的方法。
技術(shù)背景
眾所周知，復(fù)合部件在固化期間，厚度減小。這個(gè)過程被稱為“去脹(debulking) ”， 其基本上完全是由于夾帶空氣的釋放而引起的。通常，預(yù)浸漬層壓件(通常被稱為“預(yù)浸料 坯”)的厚度減小約10-15%，而對(duì)于干燥的織物復(fù)合物來說，會(huì)有更大的厚度降低。在以下 任一情況時(shí)，這會(huì)變?yōu)閲?yán)重的問題a)部件厚度較大(通常大于IOmm)，且至少是部分非平面的；或者b)部件包括比該周圍材料的填充區(qū)厚很多的填充區(qū)。在US 2002/0012591 Al中描述了一種由復(fù)合材料層模制制品的方法。膜在模制 工具上被拉伸，同時(shí)，在該工具和該膜之間形成部分真空。該膜由彈性材料構(gòu)成，例如硅橡 膠。被拉伸的膜用來鞏固這些層，并且除去空氣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一方面提供一種在制造復(fù)合部件期間模制填料的方法，該方法包括將該填料和隔膜放置在陽(yáng)模上，該填料具有放置于陽(yáng)模頂部之上的第一部分，和 突出到陽(yáng)模一側(cè)的第二部分；以及通過在所述隔膜上施加壓力差以及在施加壓力差時(shí)在陽(yáng)模上拉伸隔膜，使填料的 第二部分抵靠著陽(yáng)模的側(cè)面逐漸變形，其中，所述隔膜在隔膜的平面內(nèi)具有大于5MPa的拉伸模量。優(yōu)選地，該隔膜在隔膜的平面內(nèi)在伸長(zhǎng)率100%、200%和/或300%時(shí)具有大于 5MPa的拉伸模量。該隔膜可在隔膜的平面內(nèi)具有大于6、7或SMPa的拉伸模量。優(yōu)選地，在伸長(zhǎng)率 100%、200%和/或300%時(shí)具有大于6、7或8MPa的拉伸模量。本發(fā)明的第二方面提供一種在制造復(fù)合部件期間模制填料的方法，該方法包括將該填料、支撐膜和隔膜放置在陽(yáng)模上，該支撐膜和隔膜位于該填料的相反的兩 側(cè)，該填料具有放置于陽(yáng)模頂部之上的第一部分和突出到陽(yáng)模一側(cè)的第二部分；由支撐膜支撐該填料的第二部分的重量；以及通過在所述隔膜上施加壓力差以及在施加壓力差時(shí)在陽(yáng)模上拉伸隔膜使該支撐 膜和該填料的第二部分抵靠著陽(yáng)模的側(cè)面逐漸變形，其中，所述隔膜在隔膜的平面內(nèi)的剛 度高于支撐膜在支撐膜的平面內(nèi)的剛度。已發(fā)現(xiàn)，通過使得隔膜在隔膜的平面內(nèi)相對(duì)硬，然后該壓力被集中在該陽(yáng)模的任 何高曲率區(qū)域內(nèi)，這有利于去脹。還發(fā)現(xiàn)，通過應(yīng)用上述相對(duì)硬的隔膜，獲得了更好的成形 結(jié)果，具有較少的褶皺。本發(fā)明的第一方面以絕對(duì)定義將該隔膜的剛度定義為該材料的內(nèi)在性質(zhì)(也叫作體積特性)-也就是拉伸模量。本發(fā)明的第二方面以相對(duì)定義將該隔膜的剛度定義為該 材料的外延性質(zhì)-即剛度k，被定義為 P = 7 其中，δ為在施加張力P的作用下偏離的距離。該隔膜可能包括多層隔膜或單層隔膜。在多層隔膜的情況下，其中一層可能具有 相對(duì)高的拉伸模量，并且其他層可能具有相對(duì)低的拉伸模量。優(yōu)選地，至少其中一層隔膜是 剛性的_即該層隔膜在隔膜的平面內(nèi)的拉伸模量大于5、6、7或8MPa?？蛇x地，各層隔膜的 拉伸模量之和可能大于5、6、7或8MPa。通常，該方法進(jìn)一步包括將變形的填料從陽(yáng)模上移除；并且在陰模上固化變形的 填料。通常，該陽(yáng)模的頂部與該陽(yáng)模的側(cè)面相接于具有相對(duì)高曲率的凸形角處，即曲率 高于該陽(yáng)模的頂部和側(cè)邊。
通常，該填料包括復(fù)合材料，其可以是層疊的形式。例如，該填料可包括通過單軸 碳纖維(每一層包含一系列彼此大體上對(duì)齊的纖維)或編織碳纖維補(bǔ)強(qiáng)的樹脂制成的預(yù)浸 材料。然而，在可選的實(shí)施方式中，填料可能是浸漬有基層的非復(fù)合形態(tài)，在成型步驟期間 或之后形成復(fù)合部件。例如填料可包括不卷曲的織物，所述不卷曲的織物包含多軸向干燥 纖維，并具有在成型前施加于其表面的粘合劑，以使得能制造去脹過的干燥纖維預(yù)制品。該 干燥纖維預(yù)制品之后將采用液體樹脂利用諸如RIFT(真空浸注)或RTM(注射)技術(shù)被真 空浸注或注射以制作復(fù)合部件。當(dāng)填料上升到固化溫度時(shí)，或者在單獨(dú)的加熱/冷卻周期 內(nèi)，可以在固化模具中執(zhí)行該浸注/注射步驟?？蛇x地，未粘結(jié)的干燥纖維層可與樹脂膜層 交織在一起，從而形成樹脂膜浸注(RFI)層。在成型期間對(duì)填料加熱時(shí)，樹脂膜流動(dòng)并浸漬 纖維層。在某些應(yīng)用場(chǎng)合，這種材料是優(yōu)選的，因?yàn)槠滗佋O(shè)起來較快(通常為0. 75mm每層， 相比而言，在預(yù)浸料坯中是0.2mm每層)。盡管與預(yù)浸料坯相比，RFI復(fù)合部件的機(jī)械特性 受到機(jī)械性能降低的不利影響，然而，與諸如RTM的液體樹脂技術(shù)相比，它們具有改進(jìn)的機(jī) 械特性。其緊縮率通常高于預(yù)浸料坯中的緊縮率。在以下描述的優(yōu)選實(shí)施方式，填料被用于形成飛行器機(jī)翼的翼梁。然而，本發(fā)明可 用于形成多種其他飛行器部件(例如衍條)、或形成(例如)船、汽車等的其他復(fù)合結(jié)構(gòu)的 部件。


現(xiàn)在將參照附圖描述本發(fā)明的實(shí)施方式，附圖中圖1是陽(yáng)模和一對(duì)邊緣條的俯視圖；圖2是沿圖1中A-A線的截面圖；圖3是圖2的部分放大圖；圖4是填料成型之后陽(yáng)模的截面圖；圖5是陰模具的截面圖；圖6是可選成型裝置的截面圖；以及圖7是另一可選成型裝置的截面圖。
具體實(shí)施例方式圖1是用于形成C-斷面的飛行器翼梁的一對(duì)邊緣條3以及模制和去脹陽(yáng)模(male moulding and debulking tool) 2的俯視圖。圖2是沿圖1中A-A線的截面圖。如圖2所 示，陽(yáng)模2和邊緣條3被安裝在工作臺(tái)1上。第一步，在平的工作臺(tái)上(未示出)通過鋪帶機(jī)(tape-laying)或其他自動(dòng)機(jī)器形成復(fù)合預(yù)浸料坯的平面片材。然后從平面片材切割出理想形狀的平面預(yù)浸料坯填料12。 應(yīng)理解的是，預(yù)浸料坯填料12可由多種合適的復(fù)合材料形成。在優(yōu)選實(shí)施方式中，該填 料由通過單軸向碳纖維補(bǔ)強(qiáng)的環(huán)氧樹脂形成，例如Hexcel提供的T700/M21 (www. hexcel. com) ο參照?qǐng)D3，由Vacf i Im 430制成的柔軟的支撐膜8披覆在模具2和邊緣條3上，并通 過一條條的帶7固定在邊緣條3上。Vacfilm 430是高伸長(zhǎng)彈性袋膜，能從Aerovac System Ltd (www. aerovac. com)獲得。該膜在伸長(zhǎng)率為100%時(shí)具有相對(duì)低的拉伸模量700psi (4. SMPa)。當(dāng)該膜在隔膜的平面內(nèi)在伸長(zhǎng)率為100%拉伸時(shí)承受張力，該拉伸模量被定義為張 應(yīng)力與拉伸應(yīng)變的比值。填料12由兩層聚全氟乙丙烯(FEP)離型膜9、10包住，并如圖2和3中所示放置。 填料具有放置在陽(yáng)模頂部之上的中心部分12a和在陽(yáng)模相對(duì)的兩側(cè)突出的邊緣部分12b、 12c。胎模板(caul plate) 11放置在填料的頂部，并且雙層隔膜4、6披覆在裝置上。 注意胎模板11是可選的，并可被省略。第一層隔膜是由Wrightloni WL7400膜制成的層 6，其披覆在裝置上，并被一條條的帶5固定在工作臺(tái)1上。Wrightlon WL7400膜可從 Huntington Beach，CA，USA 的 Airtech AdvancedMaterials Group 獲得。隔膜層 6 的拉伸模 量高于支撐膜8的拉伸模量。另外，隔膜層6(涉及拉伸模量)在隔膜層6的平面內(nèi)的拉伸 剛度高于該支撐膜8在支撐膜8的平面內(nèi)的拉伸剛度。第二層隔膜是低剛度層4，其披覆在 裝置上并通過堅(jiān)固的鋼架固定在工作臺(tái)1上。第二隔膜層4可由多種合適的回彈材料形成。 在優(yōu)選實(shí)施方式中，隔膜層4由Mosite 1453D制成——德克薩斯州FortWorth市的Mosite Rubber公司制造的一種高強(qiáng)度硅橡膠。其在伸長(zhǎng)率300%的情況下具有600psi (4. IMPa) 的拉伸模量。注意，示出該層6為單層材料，但可選的是，層6可包括WL7400膜構(gòu)成的多層。通過工作臺(tái)1內(nèi)的一排小孔(未示出)來產(chǎn)生一真空，應(yīng)用真空向裝置施加壓力。 這些小孔分布在整個(gè)工作臺(tái)上，這樣整個(gè)裝置可被抽真空。換句話說，在支撐膜8和工作臺(tái) 1之間的空穴被抽真空，且支撐膜8和雙層隔膜4、6之間的空穴被抽真空，以及隔膜層4和 6之間的空穴被抽真空。如圖4所示，通過在陽(yáng)模12和邊緣條3之間的通道17、18上方橋接所述隔膜，這 使得隔膜在陽(yáng)模上被拉伸，從而壓力差將隔膜拉伸到通道內(nèi)。如圖4所示，當(dāng)隔膜被拉伸 到通道17、18內(nèi)，它們逐漸地使填料的側(cè)邊12b、12c抵靠著該陽(yáng)模的兩側(cè)變形。成型可在 850C -950C (優(yōu)選90°C)的高溫Tl或者45°C的低溫下完成。注意為了清晰起見，在圖4中 并未示出低剛度隔膜層4，離型層9、10，胎模板11和膜8?？赏ㄟ^爐、紅外加熱元件或其他的方法加熱。可選地，可通過將組件放置在壓熱器內(nèi)，并向隔膜的外側(cè)施加超過Ibar的壓力而提供額外的去脹壓力。當(dāng)接近成型和去脹溫度Tl時(shí)，支撐膜8支撐填料的側(cè)邊12b、12c的重量，避免導(dǎo) 致起皺的自身成型的趨向。支撐膜8也確保了翼梁邊緣(spar flange)能僅成型為懸鏈線， 否則會(huì)導(dǎo)致起皺。剛性膈膜層6和支撐膜8使填料12處于張力狀態(tài)中，使其更加容易的在陽(yáng)模上沿 著斜坡或其他復(fù)雜形狀模制。注意，隔膜層4、6在張力下平鋪，以在抽真空之前減少松弛。隔膜上的壓力差在填料12的所有區(qū)域上施加均勻的靜壓。該隔膜在陽(yáng)模和邊緣 條3之間的通道上橋接，這使得隔膜被拉伸，在隔膜的平面內(nèi)提供拉伸力，該拉伸力受到與 陽(yáng)模的凸角接合處的填料的反作用。從而，施加在填料上的壓力在填料表面上在下述兩個(gè) 壓力之間變化在填料與模具2頂部和側(cè)面的較不凸出的大致為平面的表面區(qū)域相結(jié)合之 處的純靜壓(達(dá)到大氣壓力，或者如使用壓熱器，則超過大氣壓力)；在凸形高曲率角部處 的包括增加到該靜壓的拉伸壓力在內(nèi)的增強(qiáng)壓力。通過壓力和升高的溫度的組合而引起填料的去脹。隔膜沿著填料的側(cè) 邊12b、12c 緩慢下移的動(dòng)作擠出填料中的多余的空氣，有助于去脹。圖4用實(shí)線示出了填料去脹前的外輪廓，并用虛線示出了去脹后的外輪廓。去脹 處理將填料的厚度從去脹前的70降低為去脹后的厚度71。應(yīng)注意的是，在填料的非平面區(qū) 域和平面區(qū)域，厚度的減小量相似。在一個(gè)實(shí)施方式中，厚度70約為34mm，且厚度71約為 30mmo去脹之后，變形填料12轉(zhuǎn)移到圖5所示的固化陰模80，并將相關(guān)的耗材施加到填 料12的IML。然后，將模具80放置在壓熱器中，其中它被加熱到大約180°C的固化溫度T2， 并加壓到7-12bar，以固化填料。固化陰模80上的填料是凈厚度，這意味著填料的IML表面在固化時(shí)不必移動(dòng)。因 此，填料的厚度在其中填料與模具80的凸形角表面81、82接合的非平面區(qū)域內(nèi)保持不變。在可選處理中，可在用于模制和去脹的陽(yáng)模2上固化填料，而不是如圖5所示的在 陰模80上固化填料。在該情況下，犧牲層可被添加到填料構(gòu)成的模外襯(OML)以進(jìn)行加工 而滿足幾何公差。熱去脹處理控制該陽(yáng)固化翼梁的厚度，從而降低部件的可變性，并使所需 的犧牲層厚度(或數(shù)量)最小化。圖6示出了另一可選的成型和去脹裝置。這類似于圖1-3的裝置并且相似的特征 采用相同的附圖標(biāo)記。然而，要注意低剛度隔膜層4和胎模板11被刪除，且在剛性隔膜層 6之下設(shè)置有呼吸層20。也要注意，代替圖1-3中所示的三角形邊緣條3，設(shè)置了矩形打掃 塊(rectangular sweeper blocks)3a0圖7示出了進(jìn)一步的可選的成型和去脹裝置。其具有類似于圖6的裝置并且相似 的特征采用相同的附圖標(biāo)記。注意，相比較而言，圖7包括胎模板11。參照?qǐng)D1，模具2具有曲邊13，該曲邊具有大的曲率半徑(約100米)。每一層預(yù) 浸料坯包含大批沿著一個(gè)方向延伸的碳纖維。在翼梁的根部15和頂部16之間，某些預(yù)浸 料坯沿著翼展方向延伸平鋪纖維。這就是傳統(tǒng)的“零度纖維”，因?yàn)樗鼈冄刂碚?°方向 排列。某些沿著與翼展方向垂直的翼弦方向延伸平鋪纖維。某些以沿著翼展+/-45度角的 方向平鋪。在傳統(tǒng)的裝置中，起皺趨于沿著圖1所示的線14形成。我們認(rèn)為這是由于零度 纖維而形成的。
令人驚奇的是，已發(fā)現(xiàn)通過應(yīng)用相對(duì)硬的隔膜層6，這種起皺趨勢(shì)就不會(huì)形成。還 針對(duì)不同剛度的隔膜6做了實(shí)驗(yàn)，并且發(fā)現(xiàn)剛度越大，施加在陽(yáng)模2上的凸形角處的壓力就 越大。在凸形角處的力的集中有利于成型和去脹。低剛度隔膜層4具有回彈性可重復(fù)利用， 所以可在多次成型周期被再利用。相比 之下，高剛度隔膜層6盡管能獲得更好的層間固化，但是可能需要更頻繁的替換。盡管以上已經(jīng)參照一個(gè)或多個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式描述了本發(fā)明，但是應(yīng)理解的是，在 不偏離所附權(quán)利要求中所限定的本發(fā)明范圍的情況下可作出多種變化或改變。
權(quán)利要求
一種在制造復(fù)合部件期間模制填料的方法，所述方法包括將所述填料和隔膜放置在陽(yáng)模上，所述填料具有放置于所述陽(yáng)模頂部之上的第一部分和突出到所述陽(yáng)模一側(cè)的第二部分；以及通過在所述隔膜上施加壓力差以及在施加所述壓力差時(shí)在所述陽(yáng)模上拉伸所述隔膜，使所述填料的所述第二部分抵靠著所述陽(yáng)模的側(cè)面逐漸變形，其中，所述隔膜在所述隔膜的平面內(nèi)具有大于5MPa的拉伸模量。
2.一種在制造復(fù)合部件期間模制填料的方法，所述方法包括將所述填料、支撐膜和隔膜放置在陽(yáng)模上，所述支撐膜和所述隔膜位于所述填料的相 反的兩側(cè)，所述填料具有放置于所述陽(yáng)模頂部之上的第一部分和突出到所述陽(yáng)模一側(cè)的第 二部分；由所述支撐膜支撐所述填料的所述第二部分的重量；以及通過在所述隔膜上施加壓力差以及在施加所述壓力差時(shí)在所述陽(yáng)模上拉伸所述隔膜， 使所述支撐膜和所述填料的所述第二部分抵靠著所述陽(yáng)模的側(cè)面逐漸變形，其中，所述隔膜在所述隔膜的平面內(nèi)的剛度高于所述支撐膜在所述支撐膜的平面內(nèi)的 剛度。
3.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述填料包括堆疊的多層復(fù)合材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，每一層都包含一組彼此大體上對(duì)齊的纖維。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，通過在鄰近所述陽(yáng)模的通道上方橋 接所述隔膜，使得所述隔膜在所述陽(yáng)模上被拉伸，從而所述壓力差將所述隔膜拉伸到所述 通道內(nèi)。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，該方法進(jìn)一步包括將變形的所述填料從 所述陽(yáng)模上移除；并且在陰模上將所述填料固化。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述陽(yáng)模的頂部與所述陽(yáng)模的側(cè)面 相接于具有相對(duì)高曲率的凸形角處。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述復(fù)合部件是飛行器部件。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述隔膜在所述隔膜的平面內(nèi)具有 大于6MPa的拉伸模量。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述隔膜在所述隔膜的平面內(nèi)具有 大于7MPa的拉伸模量。
11.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述隔膜在所述隔膜的平面內(nèi)具有 大于8MPa的拉伸模量。
12.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述隔膜是多層隔膜。
13.—種通過上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法制造的復(fù)合部件。
全文摘要
一種在制造復(fù)合部件期間模制填料的方法，該方法包括將該填料和隔膜放置在陽(yáng)模上，該填料具有放置于該陽(yáng)模頂部之上的第一部分，和突出到該陽(yáng)模一側(cè)的第二部分；以及通過在所述隔膜上施加壓力差以及在施加所述壓力差時(shí)在陽(yáng)模上拉伸隔膜，使填料的第二部分抵靠著陽(yáng)模的側(cè)面逐漸變形。所述隔膜在該隔膜的平面內(nèi)具有大于5MPa的拉伸模量?？蛇x地，支撐膜可被放置在該填料的相反側(cè)。當(dāng)使用支撐膜時(shí)，該隔膜在隔膜的平面內(nèi)的剛度高于該支撐膜在支撐膜的平面內(nèi)的剛度。
文檔編號(hào)B29C70/54GK101835583SQ200880110061
公開日2010年9月15日 申請(qǐng)日期2008年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月4日
發(fā)明者杰戈·普里迪 申請(qǐng)人:空中客車英國(guó)有限公司