CN101209591A - 连续压实系统 - Google Patents

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Abstract

一种连续压实系统，包括：用于提供织物(12)的卷轴(10)；加热装置(16)，用于在该织物(12)从该卷轴(10)上展开时加热该织物(12)，以便形成加热织物(18)；复合结构形成工具(14)，用于使得该加热织物(18)缠绕该复合结构形成工具(14)；树脂施加器(26)，用于在该加热织物(18)缠绕该复合结构形成工具(14)时将树脂施加至该加热织物(18)，以形成富含树脂的织物表面(28)，随后层的加热织物(18)被施加至该富含树脂的织物表面(28)，以形成浸渍复合材料(30)；以及压辊(24)，用于同时压实并冷却该浸渍复合材料(30)，以形成复合结构预制品(32)。

Description

连续压实系统
技术领域
这里所述的实施例总体涉及一种连续压实(debulking)系统。特别是，这里的实施例总体介绍了用于压实织物的系统，该织物用于制造复合结构预制品。
背景技术
近年来，复合材料越来越普遍地用于各种航空航天用途，因为它们具有耐久性，且重量相对较轻。尽管复合材料可以提供优良的强度和重量特性，但是由复合材料制造的结构仍然有一些问题。
例如，用于制造复合结构的织物固有大量的松散材料(bulk)。在复合材料(该复合材料是浸渍有树脂的织物)的层合(layup)和硬化过程中，该松散材料可能导致在最终的复合结构中形成褶皱。为了帮助防止褶皱，复合材料的纤维可以被聚合或压缩成更接近于所希望的最终硬化(cured)厚度的尺寸。该聚合在压实过程中产生。
当前的制造方法通常涉及使用热和冷的真空袋装成型(vacuumbagging)来压实复合材料。不过，在硬化之前均匀压实复合材料不能消除前述的褶皱形成，特别是当制造柱形形状的复合结构时。这是因为当织物环绕柱形形状的复合结构形成工具布置时，松散织物起皱或折叠的可能性增大，这可能在最终的复合结构中产生褶皱。
此外，当制造柱形形状的复合结构时，当前的压实技术在每施加四层至六层织物之后需要进行真空袋装成型。由于复合结构通常平均包括至少大约六十层织物，因此这会是一个耗时的过程。另外，该过程的非连续特性也进一步促进褶皱的形成，因为重复地开始和停止压实可能增加在织物中产生褶皱或折叠的可能性。
因此，还需要具有时间效益的、压实用于制造复合结构的织物的系统，由此减少褶皱的形成。
发明内容
这里的实施例通常涉及连续压实系统，该系统包括：用于提供织物的卷轴；加热装置，用于在该织物从该卷轴上展开时加热该织物，以便形成加热织物；复合结构形成工具，用于使得该加热织物缠绕该复合结构形成工具；树脂施加器，用于在该加热织物缠绕该复合结构形成工具时将树脂施加至该加热织物，以形成富含树脂的织物表面，随后层的加热织物被施加至该富含树脂的织物表面，以形成浸渍复合材料；以及压辊，用于同时压实并冷却该浸渍复合材料，以形成复合结构预制品。
本领域技术人员通过下面的说明将清楚这些和其它特征、方面和优点。
附图说明
尽管说明书结束于权利要求，该权利要求特别指出和清楚要求了本发明，但是应当知道，通过下面的说明并结合附图将更好地理解这里所述的实施例，附图中，相同参考标号表示相同元件。
图1是本说明书的连续压实系统的一个实施例的示意侧视图；
图2是本说明书的复合结构形成工具的一个实施例的示意正视图；
图3是本说明书的压辊的一个实施例的示意正视图；以及
图4是本说明书的压辊的另一实施例的示意正视图。
具体实施方式
这里所述的实施例总体上涉及用于连续压实织物的系统，该织物用于制造复合结构预制品。这里使用的术语“连续”的意思是，一旦开始该制造过程，它就可以连续而不中断，直到制成所需的复合结构预制品。尽管这里的实施例可以主要集中对燃气轮机的复合风扇机匣预制品的制造，但是本领域技术人员应当知道，本发明并不局限于此。实际上，如下面的说明书所述，这里所述的方法可以用于任何总体上为柱形形状的复合结构。
首先，如图1中所示，这里所述的系统包括提供一卷轴10的织物12。“织物(fabric)”的意思是指可将树脂施加于其上以形成复合材料的任何材料。尽管这里可以使用各种织物12，但是在一个实施例中，织物12可以包括由本领域技术人员已知的任意合适增强纤维制成的一层材料，该纤维包括但不局限于：玻璃纤维、石墨纤维、碳纤维、陶瓷纤维、芳族聚酰胺纤维例如聚对亚苯基对苯二甲酰胺(poly(p-phenylenetherephtalamide))纤维(即KEVLAR)以及它们的组合。在一个实施例中，织物12可以包括碳纤维。另外，织物12可以采取任意各种形式，例如但不局限于：多向纺织预制品(例如编织物、针织物以及有褶或无褶的无纺物)，在该材料的每个纤维束中有大约3000至大约24000根纤维丝。
当织物12从卷轴10上展开时，它可以被加热，以便产生加热织物18，该加热织物18可以被传送至复合结构形成工具14上，该复合结构形成工具14可以位于卷轴10附近以便于传送。应当知道，在一个实施例中，根据这里所述系统的连续特性，对织物12的加热和传送可以同时进行。
加热可以利用本领域技术人员已知的任何加热装置16来实现，例如辐射加热器、强制空气(forced air)加热器、加热空气刀、加热辊、加热压板等。可以将织物12加热至任意所需温度，以便形成该加热织物18。应当知道，术语“加热织物”可以指围绕工具14布置的初始层的加热织物以及在复合结构预制品的制造过程中布置在该初始层顶部上的任何随后层。在一个实施例中，织物12可以加热成这样，即，当随后将树脂施加至该加热织物18时，来自加热织物18的热量可以帮助熔化该树脂，如下文所解释的那样。通过只加入足以帮助熔化树脂的热量，则在以后步骤中需要除去的热量就减少了。这会有利于实现一种连续系统。
本领域技术人员应当知道，所需的加热温度可以根据所使用的织物和树脂而变化。不过，通常可能希望加热织物18具有从大约65℃至大约120℃的温度；在另一实施例中为从大约80℃至大约105℃，用于施加环氧树脂；从大约65℃至大约160℃，且在另一实施例中为从大约80℃至135℃，用于施加BMI树脂；以及从大约240℃至大约275℃，且在另一实施例中为从大约250℃至大约270℃，用于施加聚酰亚胺树脂。应当知道，当加热织物18缠绕在工具14上时，加热织物18的温度可能会稍微降低。不过，加热织物18通常将仍然保持在前述温度范围内，直到施加树脂。不管被加热到的温度是多少，加热织物18都可以连续缠绕到复合结构形成工具14上。
复合结构形成工具14可以具有与要制造的复合结构相对应的任意合适几何形状。在一个实施例中，工具14可以用于制造燃气轮机的风扇机匣预制品，因此可以沿周向成形为具有总体上为柱形形状的芯20以及可拆卸地安装在该芯20上的端板22，基本上如图1和2中所示。例如，见授予Blanton等人的美国专利申请No.2006/0134251。织物12可以首先在开始点X接触工具14。可以使用树脂来使织物12的该端部有粘性，以便当其缠绕到工具14的芯20上时将其保持就位，该芯20可以通过人工或机械装置而连续轴向旋转。
当加热织物18缠绕工具14的芯20时，可以利用本领域技术人员已知的任何树脂施加器26(例如热熔胶施加器)来施加树脂，以便制造富含树脂的织物表面28。所使用的树脂可以变化，不过，在一个实施例中，该树脂可以是热熔树脂。这里可以使用的热熔树脂可以包括但不局限于：环氧树脂、BMI树脂、聚酰亚胺树脂以及它们的组合。在一个实施例中，可能希望恰好在工具14转一整圈返回到开始点X之前向该加热织物18施加树脂。这样，所形成的富含树脂的织物表面28可以立即由随后层的加热织物18覆盖(随着织物从卷轴10上展开并传送至工具14)。因为树脂有朝着加热织物18的热量流动的趋势，因此，树脂可以从富含树脂的织物表面28渗入到该随后层的加热织物18，从而将这些层粘在一起，以便形成一种浸渍复合材料30。
然后，该浸渍复合材料30可以利用压辊24来压实。压实有助于将多层浸渍复合材料30压在一起。也可选择，在一个实施例中，压辊24可以压力释放，以便周期性缓减在连续缠绕和压实处理过程中积累的压力。更具体地说，如图3中所示，安装在压辊24上的气缸36可以用于向辊24施加压力，在一个实施例中，该辊24可以有变化的直径。当辊24旋转时，较大直径的区域的行程比较小直径的区域更远，从而在它们之间产生至少一个应力积累区域38，该应力积累区域38会导致该浸渍复合材料起皱和/或折叠。为了帮助防止产生该变形，该压力可以周期性地缓减或为脉冲形式，以允许该浸渍复合材料在发生不可逆损坏之前弹回至松弛的无变形状态。在图4所示的另一实施例中，压辊124可以分段成两个或更多较小的辊，以便产生至少两个较小的应力积累区域138，并降低压力需要缓减的频率。
除了被压实，该浸渍复合材料30还可以冷却以便使树脂固化(solidify)，并使多层浸渍复合材料30保持在形成复合结构预制品32所需的希望压缩状态。这里使用的“复合结构预制品”是指包括固化但尚未硬化的树脂在内的压实的多层浸渍复合材料。冷却可以利用任意各种冷却装置来实现，例如空调系统。在可选实施例中，冷却可以通过利用压辊24作为冷却装置而与压实同时进行，如图1中所示。更具体地说，在该实施例中，冷却流体可以循环通过压辊24，以便冷却该压辊的外表面34。
本领域技术人员应当知道，合适的冷却温度将根据织物和树脂以及该织物的初始加热温度而变化。不过，通常可以希望将该浸渍复合材料30冷却至从大约18℃至大约27℃的温度，在一个实施例中为从大约20℃至大约25℃(当使用环氧树脂时)；从大约60℃至大约80℃，在另一实施例中为从大约65℃至大约70℃(当使用BMI树脂时)；以及从大约150℃至大约225℃，且在另一实施例中为从大约190℃至大约210℃(当使用聚酰亚胺树脂时)。如前所述，通过只将织物加热至帮助熔化树脂所需的最小温度，可以使得在用于固化树脂和获得复合结构预制品的冷却过程中所必须除去的热量最少。
一旦获得合适的厚度，复合结构预制品32则为最终的硬化处理做好了准备。本领域技术人员应当知道，该最终硬化工具和过程可以根据诸如所使用的树脂、部件几何形状和设备能力等因素而变化。
这里所写的说明利用示例来说明本发明，包括最佳模式，且使得本领域任何技术人员能够制造和使用本发明。本发明的专利范围由权利要求来确定，并可以包括本领域技术人员知道的其它示例。当这些其它示例的结构元件与权利要求的文字语言没有区别时，或者它们包括与权利要求的文字语言没有实质区别的等效结构元件时，它们也将在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种连续压实系统，包括：
用于提供织物(12)的卷轴(10)；
加热装置(16)，用于在该织物(12)从该卷轴(10)上展开时加热该织物(12)，以便形成加热织物(18)；
复合结构形成工具(14)，用于使得该加热织物(18)缠绕该复合结构形成工具(14)；
树脂施加器(26)，用于在该加热织物(18)缠绕该复合结构形成工具(14)时将树脂施加至该加热织物(18)，以形成富含树脂的织物表面(28)，随后层的加热织物(18)被施加至该富含树脂的织物表面(28)，以形成浸渍复合材料(30)；以及
压辊(24)，用于同时压实并冷却该浸渍复合材料(30)，以形成复合结构预制品(32)。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，该卷轴(10)包括织物(12)，该织物(12)选自：玻璃纤维、石墨纤维、碳纤维、陶瓷纤维、芳族聚酰胺纤维以及它们的组合。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，该树脂施加器(26)施加树脂，该树脂选自：环氧树脂、BMI树脂、聚酰亚胺树脂以及它们的组合。
4.根据权利要求1、2或3所述的系统，其中，该加热装置(16)将该织物加热至：从大约65℃至大约120℃，用于施加环氧树脂；从大约65℃至大约160℃，用于施加BMI树脂；以及从大约240℃至大约275℃，用于施加聚酰亚胺树脂。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的系统，其中，该加热装置(16)包括辐射加热器。
6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的系统，其中，该压辊(24)包括冷却外表面(34)，用于冷却该浸渍复合材料(30)。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，该冷却外表面(34)将该浸渍复合材料(30)冷却至：从大约18℃至大约27℃，用于环氧树脂；从大约60℃至大约80℃，用于BMI树脂；以及从大约150℃至大约225℃，用于聚酰亚胺树脂。
8.根据权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的系统，其中，该压辊(24)包括变化的直径。
9.根据权利要求1、2、3、4、5、6、7或8所述的系统，其中，该压辊(24)被释放压力。
10.根据权利要求1、2、3、4、5、6、7、8或9所述的系统，其中，该复合结构预制品(32)包括燃气轮机的风扇机匣。
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