CN101263000B - 固化角部的可膨胀装置和制造复合结构的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于将复合材料固化在复合部件所用刻面中空或管状模具内侧的可膨胀压紧工具，由弹性材料制成。该压紧工具包括相对平坦的壁部节段，其由角部节段结合，以限定密封舱体。所述壁部节段向每个壁部节段中点从所述模具表面弯曲背离，以使随着受压流体引入所述压紧工具，施加在所述工具内表面上的力分量经过所述壁部节段向所述角部节段传递。于是在开始膨胀过程中，在所述壁部节段接触复合材料之前，将所述角部节段推向模具角部区域，并在所述壁部节段贴靠复合材料的摩擦力限制所述角部节段膨胀进入模具角部区域之前，将复合材料紧紧压入模具角部区域。

Description

固化角部的可膨胀装置和制造复合结构的方法
技术领域
本发明一般涉及复合部件制造。更特别地，本发明涉及用于将纤维增强树脂材料层压在中空刻面(faceted)模具中的装置、系统和方法。
背景技术
复合材料，包括例如纤维增强树脂材料，相对于传统金属材料具有许多优势，包括强度重量比率高以及耐腐蚀性好。传统复合材料通常包括编织或非编织结构的玻璃、碳或聚芳酰胺纤维。在生料阶段，可以用树脂预浸渍所述纤维或者保持其干燥。如果保持干燥，则可以在层布到模具表面之后，将树脂注入纤维。可以将模具表面上浸渍了树脂的纤维加热或加压，以固结树脂并使层压件硬化为模具的形状。可以用炉子、压热器、加热的平坦或仿形成形工具或者组合方法包括使用真空包来加热或加压。
可以在凹凸工具两者上以上述方式形成复合部件。利用凸工具，复合片层(ply)施加在形成部件内模具线的外模具表面上。向凸工具上的敷层(layup)添加片层将增加部件厚度并改变外模具线，而内模具线保持不变。相反，对于凹工具，复合片层施加到形成部件外模具线的内模具表面上。向凹工具上的敷层添加片层将增加部件厚度并改变内模具线，而外模具线保持不变。
如果配合表面位于部件外部，则希望使用凹工具，因为凹工具允许牢牢控制外模具线(即，外部表面)。如果制作多个外部尺寸相同但厚度不同的部件，则希望使用凹套具(tooling)(也称为“外模具线套具”)。例如，飞行器机身通常具有多个外部尺寸相同而厚度不同的框架。在这种情况下，全部框架可以用单个凹工具来制作，因为该工具允许改变厚度而不改变外部尺寸。如果将来飞行器增大要求进一步加厚所述框架，则可以实现目的而不改变套具。相反，如果使用凸套具，则每个不同的框架厚度需要一种单独的工具。
中空或管状模具是至少一个截面封闭的凹套具的特例。可以将一些中空或管状模具刻面(facet)，就是说可以包括相对平坦的壁部节段和联合内径，或角部区域，它们限定封闭截面或腔体。在这种情况下，可膨胀心轴或球胆可以位于该中空或管状模具内侧并且可以膨胀来贴靠模具内表面压缩复合材料。但是，如果以中空或管状套具制造复合部件，则复合片层有时会在模具表面角部区域范围内“搭接(bridge)”或起皱，导致角部区域复合材料固化不良或树脂聚集，材料特性较差，例如包括材料厚度过大且孔隙过多。
以热膨胀系数大于模具或者复合材料的材料例如铝或特富龙制成的实心心轴用于中空或管状模具来避免角部搭接和起皱。但是，这种心轴的使用通常限于模制内表面光滑平直的复合部件，因为模具内表面上的弯曲、弯折或者拐角可能阻碍复合材料固结后取出心轴。
为了解决这个问题，还用热膨胀系数相对较高且在复合材料固结后可以从模具中洗出或者断裂的材料制作心轴。这种材料包括共晶盐和可溶性石膏。但是，这种心轴需要在铸造工具、干燥炉和存储架等方面投入巨资。此外，这种材料拉伸强度低，容易使心轴变脆并且要求小心操作。而且，一些这种材料会产生有害环境的废弃物。
因此，希望提供一种方法和装置，其可以贴靠中空或管状模具相对平坦的壁部表面压缩复合材料并将复合材料压入内角部区域，并且可以从用于内表面弯曲或成角度的复合部件的模具中取出，还可以重复使用，并且在一些情况下，可以在不产生对环境显著危害的废弃物的前提下，相对容易且廉价地制造。
发明内容
本发明在很大程度上满足了前述需求，其中在一个方面，提供了一种装置，其在某些实施例中能贴靠中空或管状模具以较之一些现有设备来说更为均匀的方式压缩复合材料并将复合材料压入内角部区域；能从内表面弯曲或者成角度的复合部件所用的模具中取出；能重复使用；并且能在不产生对环境显著有害的废弃物的前提下相对容易且廉价地制造。
根据本发明一个方面，用来固化至少一个截面封闭的复合元件的可膨胀压紧工具可以包括角部节段，当该工具膨胀时，所述角部节段用来将复合材料压入模具内角部区域；和壁部节段，当该工具膨胀时，所述壁部节段用来贴靠模具内表面压缩复合材料；另外，该工具可以配置成其膨胀时，在至少一部分壁部节段开始压缩复合材料之前，所述角部节段就开始压缩复合材料；其中，所述工具配置成使得所述工具未膨胀时，所述角部节段突出而所述壁部节段凹陷，以使随着所述工具膨胀，在所述壁部节段贴靠所述模具内壁压缩复合材料之前，所述壁部节段将力传递到所述角部节段，从而容易将角部节段压入所述模具内角部区域；随着该工具膨胀，所述角部首先将复合材料压入所述模具内角部区域，然后所述壁部节段贴靠所述模具内壁压缩复合材料，使得复合材料基本上均匀固化在所述一个封闭截面周围。
根据本发明另一个方面，固化至少一个截面封闭的复合元件的可膨胀工具可以包括角部器件，当该工具膨胀时，所述角部器件用来将复合材料压入模具内角部区域；和壁部器件，当该工具膨胀时，所述壁部器件用来贴靠模具内表面压缩复合材料。此外该工具可以配置成其膨胀时，在至少一部分壁部器件开始压缩复合材料之前，所述角部器件就开始压缩复合材料。
根据本发明另一个方面，固化至少一个截面封闭的复合元件的方法可以包括使压紧工具膨胀；将复合材料压入模具内角部区域；然后贴靠模具内壁压缩复合材料，以使复合材料均匀固化在所述一个封闭截面周围；其中，所述压紧工具配置成使得所述工具未膨胀时，所述角部节段突出而所述壁部节段凹陷，以使随着所述工具膨胀，在所述壁部节段贴靠所述模具内壁压缩复合材料之前，所述壁部节段将力传递到所述角部节段，从而容易将角部节段压入所述模具内角部区域。
应该说这里宽泛地概述了本发明的特定实施例，以使本发明的详细说明得到更好的理解，并且使本发明对本领域的贡献更为清楚。当然，以下还要说明本发明的另外实施例，它们将形成附带的权利要求书的主题。
这里，在详细解释本发明至少一个实施例以前，应该理解，本发明的应用并未限于以下说明或附图图示的结构细节以及部件布置。本发明除所述内容之外还可以实施，并以不同方式实践或施行。另外，应该理解，本发明以及摘要采用的表达方式和术语用于说明的目的，而不应该认为有限制的意思。
于是，本领域技术人员应该理解，本公开内容所依据的概念容易用作设计其他结构、方法和系统的基础，从而用于实施本发明的若干目的。因此，重要的是指出权利要求书包括这种同等结构，只要它们不背离本发明的精神和范围。
附图说明
图1是截面端视图，图示了现有技术中复合制造工具角部区域周围复合材料搭接；
图2是根据本发明优选实施例用来制造矩形截面复合部件的可膨胀压紧工具透视图；
图3是用来制造梯形截面复合部件的可膨胀压紧工具切开透视图；
图4是用来制造三角形截面复合部件的可膨胀压紧工具截面端视图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种可膨胀压紧工具，其可以在中空或管状刻面模具中膨胀，以贴靠所述模具内壁和角部区域压缩复合材料。所披露的可膨胀压紧工具结合了可膨胀心轴的仿形和可重复使用的特征以及热膨胀系数相对较高的实心心轴的压实特征。所述可膨胀压紧工具可以与封闭中空模具一起使用，或与端部开放的管状模具一起使用，所述端部开放的管状模具具有经由角部区域相结合的相对平坦壁部区域和内径的组合结构。例如，所述可膨胀压紧工具可以用来制造截面为梯形或“帽子形状”的飞行器机身复合桁条(stringer)。
膨胀之前，所述压紧工具可以具有基本上符合相应模具内表面形状的外壁。但是，所述压紧工具可以具有这样的外部尺寸，以使在所述压紧工具外表面和所述模具内表面之间形成空隙。空隙尺寸可以等于或大于可以施加到所述内模具表面以形成复合部件的未固结复合材料的主体(bulk)厚度。
而且，所述可膨胀压紧工具外壁表面具有这样的轮廓或曲线，以使膨胀前所述压紧工具外壁表面从所述模具内壁表面弯曲背离。就是说，所述压紧工具外表面和所述模具内表面之间的空隙或者间隙从角部区域随着距离增大而增大，以使所述压紧工具外表面和所述模具内表面之间的间隙在每一对由相对平坦的壁部连接的角部区域之间约一半距离的地方达到最大。
于是，当所述压紧工具开始膨胀时，内部流体压力可以向所述压紧工具内表面施加向外的力，该力可以经由所述压紧工具弯曲的壁部节段传递，从而在所述压紧工具壁部节段接触所述复合材料之前，朝向所述模具角部区域推所述压紧工具角部节段。于是，在所述压紧模具开始膨胀过程中，所述压紧工具和所述复合材料之间阻碍所述压紧工具膨胀到所述模具角部区域的摩擦力可以降低或者最小化。这样可以允许在所述压紧工具中部相对平坦的壁部节段接触所述复合材料之前，或者在所述压紧工具壁部节段以足够的力压缩所述复合材料从而产生足够的摩擦力以有效阻止所述压紧工具角部节段膨胀到所述模具角部区域之前，所述压紧工具角部节段紧紧压缩所述复材料进入所述模具相应角部区域。
因此，基本上可以避免复合材料在所述模具角部区域范围内搭接或者起皱。因此，可以改善复合材料角部固化效果。就是说，利用所披露的压紧工具实施例，可以避免完成的复合部件角部区域纤维密度降低，利用现有的心轴可能会出现这种问题。
现在将参照附图说明本发明，全文中类似的附图标记指代类似的部件。图1图示了复合材料12布置在模具10内表面14上的中空或管状模具10截面端视图。模具10具有多个相对平坦的侧部区域，或内壁区域16，通过内径或角部区域18接合。示意性地存在的可膨胀心轴20或球胆，可以定位在中空或管状模具10内侧并膨胀压缩复合材料12和在固结循环或过程中将复合材料12贴靠模具内表面14固紧或贴靠前一片层表面22固紧。
在这种配置中，随着可膨胀心轴20膨胀，压力贴靠内壁区域16紧紧压住复合材料12，且复合材料12和壁部区域16之间产生的摩擦力导致复合材料12抵抗移动而进入所述内径区域并在角部区域18范围内搭接，从而降低角部区域18的纤维密度。例如，图1示出了若干复合材料12层或片层24在模具10角部区域18范围内不同程度搭接。角部区域所发生的纤维密度降低可能破坏完成的产品的结构完整性。
本发明的装置和方法实施例示于图2，该图图示了用来制造矩形截面复合部件的刻面中空或管状可膨胀压紧工具26。可膨胀压紧工具26例如可以与刻面中空或管状复合部件模具10组合使用。如图2所示，模具10可以具有上部件28和下部件30。但是，在另一种实施例中，模具10可以具有任何适当数量的部件，诸如一件式模具、三件式模具等。此外，尽管图2所示模具10和可膨胀压紧工具26用来形成矩形截面复合部件，但是在另一种实施例中，模具10和可膨胀压紧工具26可以用来形成任意尺寸和形状的、包括至少一个封闭截面的复合部件，就是说，至少一个截面具有连续闭合或未断开的周边，诸如方形、三角形、梯形、平行四边形、圆形或椭圆形截面。
图3所示了用来制造梯形截面32的复合部件例如“帽子形”截面飞行器桁条的模具10和可膨胀压紧工具26的切开透视图。如图3所示，复合部件模具10可以具有相对平坦的内壁与内径或内角部区域18相组合的结构，该组合结构限定了封闭截面32或者限定了腔体34(如图2所示)，在后一种情况下，模具10全部截面都封闭。可膨胀压紧工具26可以插入封闭截面32或腔体34中，在固结循环中贴靠模具内表面14压缩复合材料12，或者贴靠前一片层22压缩复合材料12。
可膨胀压紧工具26进一步可以形成密封或流体密封的舱体36。例如，压紧工具26可以具有封闭中空形状，诸如球形或金字塔形，或者带有封闭端38的一般管状，如图2所示。此外，压紧工具26可以包括流体入口40，或端口，如图2所示，该端口可以任选包括单向阀(未示出)，以有利于将受压流体引入压紧工具26。例如，可以在大于大气压或环境压力的压力下，将空气或者其他气体引入压紧工具26。
如图3所示，复合材料12诸如纤维增强的合成树脂基体，可以布置在模具10内表面14上用于固结。复合材料12可以包括多个纤维片层，例如干复合织物或以树脂浸渍的“预浸渍”织物。如果布置在模具10上的时候，纤维开始时是干燥的，则在所述片层布置在模具内表面14上之后，可以使用树脂注入系统来将树脂注入复合材料12。例如，可以使用2004年9月29日提交的、题为“Apparatuses，Systems，and Methods for ManufacturingComposite Parts”的美国专利申请No.10/953,670所披露的树脂注入系统将树脂注入复合材料12，该申请以引用方式全文包括在此。
而且，可以用弹性材料诸如弹性体制作压紧工具26，以使压紧工具26可以对于形状改变具有挠性和弹性。因此，如果受压流体引入压紧工具26，则可膨胀压紧工具26可以膨胀到更大尺寸，而当受压流体排出时，就是说，当压紧工具26内的流体压力返回到大气压力的时候，可膨胀压紧工具26能返回到基本上原始尺寸和形状。
在各种实施例中，压紧工具26可以用任何可以在压力下膨胀和弯曲并在一定偏转范围内展现弹性的适当材料形成，包括金属片材，诸如不锈钢或铝；热塑性材料，这种材料易于相对廉价地制造，以使压紧工具26在单次使用后可以抛弃而不会显著影响成本。
在替代实施例中，可膨胀压紧工具26内壁24可以用刚性材料形成，诸如金属，可膨胀压紧工具26外壁44可以用挠性或弹性材料形成。在该替代实施例中，可以将受压流体引入内壁42和外壁44之间，且在压紧工具26膨胀过程中内壁42可以保持均匀形状，而外壁44发生膨胀。
压紧工具26原始未膨胀形状基本上符合复合部件模具10内表面14的形状。但是，可以如此确定压紧工具26的尺寸，以使未膨胀压紧工具26外表面48和复合部件模具10内表面14之间存在空隙或间隙46。间隙46的尺寸或宽度基本上相当于将要布置在模具10上的复合材料12的未固结厚度。
例如，如图4所示，该图示出了用来制造三角形截面复合部件的可膨胀压紧工具26，压紧工具26可以具有密切相应于固结前布置在模具10上的所添加的复合主体的内表面50(由于复合材料12在固结过程中收缩，所以所述主体或未固结复合材料填充固结或固化复合材料54以及添加的未固结复合主体52的组合厚度)。在优选实施例中，可膨胀压紧工具26的未膨胀外部尺寸可以沿边缘小于添加的未固结复合主体52内表面50，以使可膨胀压紧工具26未膨胀外表面48与添加的未固结复合主体52内表面50形成间隙配合。
同样，压紧工具26膨胀后外部尺寸密切相应于固结后的固化复合材料54内表面56或者完成的复合部件内表面56。因此，在固结或固化过程中，可膨胀压紧工具26必须从复合材料12的未固化尺寸Dbulk膨胀到固化尺寸Dcon，如图4所示。
回到图3，可膨胀压紧工具26的优选实施例可以包括例如相应于模具壁部区域16和角部区域18的两个或更多个壁部节段58和两个或更多个角部节段60。此外，压紧工具26壁部节段58可以仿形或弯曲，以使该工具壁部节段58外表面50相对于模具壁部区域16基本上向内凹陷，如图3所示。就是说，从模具10角部区域18开始，工具壁部节段58和模具壁部区域16之间的间隙46随着距离增大而增大，如图3所示。
于是，未膨胀压紧工具26外表面48和模具10内表面14之间的最小间隙62大约位于工具角部节段60或模具角部区域18中心点，而最大间隙64可以沿着工具壁部节段58和模具壁部区域16位于中点位置。例如，所述中点位于两个压紧工具角部节段60之间或者两个模具角部区域16之间大约一半距离的地方。
操作中，由于工具壁部节段58仿形或弯曲的原因，当压紧工具26开始膨胀时，由受压流体68施加在工具壁部节段58内表面60上的法向力分量(在图4中示出)可以经由工具壁部节段58向工具角部节段60横向传递。因此，在压紧工具26开始膨胀过程中，在工具壁部节段58接触布置在模具壁部区域16上的复合材料12之前，可以将工具角部节段60推向模具角部区域18。结果，在开始膨胀过程中，工具外表面48和布置在模具内表面14上的复合材料12之间的摩擦力可以显著减小或者最小化，允许布置在模具角部区域18的复合材料12紧紧压缩在工具角部节段60和模具角部区域18之间。
随着膨胀继续进行，工具壁部节段58最终变得相对平坦而压缩布置在模具壁部区域16上的复合材料12，如图4所示。这种操作可膨胀压紧工具26的过程或者方法，可以显著减小复合材料12在模具角部区域18的搭接和起皱，在固结循环过程中使得复合材料12整体纤维密度相对均匀，并且改善了完成的复合工件中已固结复合材料12的特性。
复合材料12固结后，形成固化复合材料54的固化尺寸Dcon或轮廓，通过将受压流体68释放到大气压力或者从压紧工具26部分排出流体，可以将压紧工具26压瘪。于是，易于从模具10中取出压紧工具26。
尽管图2、图3和图4所示的可膨胀压紧工具26分别具有矩形、梯形或三角形截面，但是可以采用许多其他形状，例如方形、平行四边形、圆形或椭圆形截面至少其中一种。而且，可膨胀压紧工具26可以实现更复杂的形状，其中一个或多个表面是不平坦、光滑或平直的，例如包括倾斜或局部倾斜的表面；弯曲表面，诸如圆形或椭圆形表面；成角度的表面；或者其他仿形表面。
从详细说明书中，本发明的许多特征和优势是显然的，因此，表明附带的权利要求书覆盖落入本发明真实精神和范围内的本发明的全部这些特征和优势。而且，由于本领域技术人员易于制作许多改动和变形，所以并不希望将本发明限制到所示和所述的精确结构和操作，因此可以复原的全部适当改动和同等方案均落入本发明的范围内。

Claims (13)

1.一种用来固化至少一个截面封闭的复合元件的可膨胀压紧工具，包括：
角部节段，当该工具膨胀时，所述角部节段用来将复合材料压入模具内角部区域；和
壁部节段，当该工具膨胀时，所述壁部节段用来贴靠模具内表面压缩复合材料，其中该工具可以配置成其膨胀时，在至少一部分壁部节段开始压缩复合材料之前，所述角部节段就开始压缩复合材料，
其中，所述工具配置成使得所述工具未膨胀时，所述角部节段突出而所述壁部节段凹陷，以使随着所述工具膨胀，在所述壁部节段贴靠所述模具内壁压缩复合材料之前，所述壁部节段将力传递到所述角部节段，从而容易将角部节段压入所述模具内角部区域；
随着该工具膨胀，所述角部首先将复合材料压入所述模具内角部区域，然后所述壁部节段贴靠所述模具内壁压缩复合材料，使得复合材料基本上均匀固化在所述一个封闭截面周围。
2.如权利要求1所述的压紧工具，其特征在于，所述复合元件进一步包括基本上管状刻面的中空形状。
3.如权利要求1所述的压紧工具，其特征在于，所述工具配置成使得其未膨胀外部截面形状与所述复合元件未固结内部截面形状间隙配合，且所述工具膨胀后外部截面形状符合所述复合元件固结后内部截面形状。
4.如权利要求1所述的压紧工具，其特征在于，所述工具配置成使得随着所述工具膨胀，在所述壁部节段接触复合材料之前，所述角部节段接触复合材料。
5.如权利要求1所述的压紧工具，其特征在于，所述工具由弹性材料形成；所述弹性材料限定基本上密封的封闭舱体，以使流体在大于环境压力的流体压力下引入所述舱体，使所述工具膨胀；所述压紧工具进一步包括与所述舱体流体连通的流体入口，以有利于将受压流体引入所述舱体。
6.如权利要求1所述的压紧工具，其特征在于，所述复合材料包括多个层压的层，并且在固结过程中，所述工具用来将所述层压在一起，以固化所述复合材料。
7.如权利要求1所述的压紧工具，其特征在于，所述复合材料包括树脂基体和纤维增强件。
8.如权利要求1所述的压紧工具，其特征在于，所述工具配置成压缩未固结状态的所述复合材料，并在固结过程中将所述复合材料固紧。
9.如权利要求1所述的压紧工具，其特征在于，所述复合元件进一步包括梯形截面的飞行器机身桁条。
10.一种固化至少一个截面封闭的复合元件的方法，包括：
使压紧工具膨胀；
首先将复合材料压入模具内角部区域；和
然后贴靠模具内壁压缩复合材料，以使复合材料均匀固化在所述一个封闭截面周围；
其中，所述压紧工具配置成使得所述工具未膨胀时，所述角部节段突出而所述壁部节段凹陷，以使随着所述工具膨胀，在所述壁部节段贴靠所述模具内壁压缩复合材料之前，所述壁部节段将力传递到所述角部节段，从而容易将角部节段压入所述模具内角部区域。
11.如权利要求10所述方法，其特征在于，所述压紧工具配置成使得其未膨胀外部截面形状与所述复合元件未固结内部截面形状间隙配合，且所述工具膨胀后外部截面形状符合所述复合元件固结后内部截面形状。
12.如权利要求10所述方法，进一步包括：在大于环境压力的流体压力下将流体引入所述压紧工具，使所述压紧工具膨胀，其中所述工具由弹性材料形成，该弹性材料限定基本上密封的封闭舱体。
13.如权利要求10所述方法，进一步包括：在固结过程中固紧所述复合材料，其中压缩步骤进一步包括压缩未固结状态的复合材料。
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