CN101657317B - 制造由合成材料制成的组件、特别是飞机机身部件的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制造由合成材料制成的空心组件、尤其是诸如飞机机身部件的方法和装置，所述空心组件包括外皮和可能的加固元件。该方法包括将安装有纤维铺放头(13)的多关节臂(11)插入到伸长形状的阴性模具(2)中的步骤，所述阴性模具通过纵向切口(26)敞开，该纵向切口用以容纳所述多关节臂的支承机构(12，14)，以及使用铺放头将纤维涂覆到阴性模具的内型面(21a)以形成所述合成材料外皮的步骤，通过使用多关节臂移动涂覆头以及沿着所述纵向切口相对平移多关节臂的所述支承机构。

Description

制造由合成材料制成的组件、特别是飞机机身部件的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种制造由合成材料制成的空心组件的方法和装置，所述空心组件包括外皮和可能的加固元件，尤其涉及诸如飞机机身部件的空心组件的制造。

背景技术

飞机机身传统地由通常是圆柱形的机身部件组装而成，每个部件包括涂层或外皮和诸如纵梁、构架及特别是用于例如机翼、驾驶员舱和起落装置的连续组件的局部刚性梁的加固元件。

为了在保证良好的机械性能的同时限制其重量，提出一个建议，该建议是关于由嵌入在树脂矩阵中的长纤维、尤其是嵌入在热固树脂矩阵中的碳纤维形成的合成材料制成的部件。合成材料外皮传统地通过在由旋转阳性心轴构成的工具的外表面上覆盖浸渍未硬化或天然的树脂的纤维而获得。使用与安装在心轴周围的笛卡尔移动系统相关的纤维铺放头以条的形式涂覆纤维。然后将具有浸渍未硬化的树脂的纤维的天然外皮在高压炉中被聚合或硬化。合成材料的加固元件分别利用预浸渍树脂的纤维制造，然后在通过纤维铺放制造外皮之前将加固元件放进心轴的凹处。然后，天然状态的外皮和加固元件在高压炉中一起硬化。因此获得的部件是封闭型的，其外皮在横截面中具有360°延伸的封闭轮廓。

有旋转工具的这种类型的制造方法特别证明了不易实施。它需要笨重、麻烦和复杂的实施设备，因为旋转的心轴必须足够刚硬以阻止其弯曲或限制其弯曲。

而且，为了获得干净的外表面状况，反向结构(也称为样板(former))必须逆着天然外皮的外表面涂覆以用于其在高压炉中的硬化。这些具有保持系统的样板对于安装来说是长且沉闷的，并增加了必须放入高压炉中的组件的重量和体积。

为了避免使用样板，在美国专利文件7048024中提出一种建议，通过将纤维涂覆于旋转空心心轴的内表面来制造部件的外皮。所描述的方法仅允许没有加固元件而制造部件的外皮，且还基于旋转工具。

发明内容

本发明的目的是为了克服前述缺陷，提出一种制造空心组件、尤其是飞机机身部件的方法，该方法简单易行。

为了此目的，本发明提出一种制造由合成材料制成的空心组件的方法，该空心组件包括外皮和可能的加固元件，所述方法包括：

a)将安装有纤维铺放头的多关节臂插入到伸长形状的阴性模具中的步骤，所述阴性模具通过纵向切口敞开用以容纳所述多关节臂的支承机构，

b)使用纤维铺放头将纤维、优选为浸渍树脂的纤维涂覆到阴性模具的内型面以形成所述合成材料外皮的步骤，所述涂覆步骤是通过使用多关节臂移动涂覆头以及沿着阴性模具的所述纵向切口相对平移多关节臂的所述支承机构来执行的。

根据本发明，使用伸长形状的阴性模具制造由合成材料制成的空心组件，该阴性模具具有纵向切口以允许在制造合成材料外皮时带动纤维铺放头移动多关节臂。根据本发明的方法允许在没有旋转工具的情况下制造大尺寸的空心组件。

阴性模具具有环形的横截面，纵向切口构成狭窄开口，该开口在横截面中的横截面尺寸小于内型面的轮廓。阴性模具可以具有任何类型的凹进内表面，该内表面可具有恒定或非恒定的横截面、具有或不具有对称的纵向面。尽管还可使用在两个相邻平面部件之间包括夹角的凹进内表面，但内表面总体上还尤其是圆柱形的和/或斜截锥形的。

根据本发明的方法允许制造空心的、开口的组件，所述组件具有与阴性模具的纵向切口相应的狭窄纵向开口。通过联接到开口空心组件很容易制造具有封闭的横截面的空心组件，获得形状与纵向开口的形状互补的互补组件。所述涂覆步骤优选地包括涂覆浸渍树脂的纤维。作为变化，本方法包括干纤维涂覆步骤，接着是将树脂注入或灌入到放置在阴性模具上的干纤维中。

根据一个实施例，支承机构包括用以支撑和移动多关节臂的至少一个线性导轨，涂覆步骤b)是通过沿着容纳在阴性模具的纵向切口中的线性导轨移动多关节臂而在固定的阴性模具上执行，所述线性导轨优选地安置在地面上，阴性模具放置在所述导轨上并安置在纵向切口任一侧的地面上。

根据一个实施例，阴性模具包括呈现所述纵向切口的至少一个开口端，通过支承机构相对于阴性模具的纵向平移的相对位移，在步骤a)中插入的多关节臂穿过所述开口端。

根据本发明的方法优选地可以用于制造诸如飞机机身部件的空心组件，该组件包括具有总体上是圆柱形的和/或斜截锥形的横截面的外皮，且具有至少一个对称纵向面。由上述方法产生的开口空心组件构成开口机身部件，该部件通过装配一个或多个由合成材料制成的互补组件而被封闭，该互补组件在形状上与开口部件的纵向开口互补以便形成封闭部件。在飞机机身部件的情况下，所述互补组件将优选地构成飞机机身的上部，即所谓的顶部。该顶部事实上不起作用，因此不要求加固元件或在结构上可以不同，例如是夹层结构。

机身部件类型的开口空心组件还可用于制造例如船体、潜艇、空间火箭或坦克。

根据飞机机身部件类型的空心组件的一个实施例，为了形成合成材料外皮，纤维涂覆步骤b)之后还有以下步骤：

c)将由天然状态的合成材料制成的诸如纵梁、框架和局部刚性梁的加固元件靠着外皮安装在阴性模具内的步骤，

d)例如通过将外皮和加固元件放入高压炉中而使它们同时硬化的步骤，及

e)将由合成材料制成的空心组件脱模的步骤。

为了获得还具有洁净内表面状况的外皮，本方法在步骤c)之后优选地包括将阳性反向结构靠着合成材料外皮和加固元件安装在阴性模具内，在硬化步骤d)中将该阳性反向结构保持在合适的位置。

根据一个实施例，阴性模具是刚性的，阳性反向结构是弹性的，例如由至少两部分逐渐彼此重叠的片状金属形成，以使其插入到阴性模具中处于收缩位置，然后在展开位置相对外皮变平。

作为变化，根据本发明的阴性模具由弹性的阴性反向结构形成，该反向结构在收缩状态中使用用于纤维涂覆步骤的加硬器而被硬化。在已经涂覆纤维之后，将移除加硬器以将其安装到刚性阳性模具。

根据一个特性，该方法包括将合成材料制成的互补组件在一个或多个部分联接到外皮的步骤，所述互补组件在形状上与外皮的纵向开口互补以便形成具有封闭的横截面的空心组件。

在一个实施例中，在所述硬化步骤d)之后，并且有可能在脱模步骤e)之后，所述互补组件联接于硬化的外皮。

在另一实施例中，该方法在步骤c)之后包括将天然状态的互补组件放置在阴性模具的纵向切口处的步骤，在硬化步骤d)过程中所述互补组件被硬化并联接于外皮以便获得封闭的空心部件。

本发明的另一目的是提供一种用于制造飞机机身的方法，该方法的特征在于包括制造如前述的飞机机身的至少两个开口部件，及装配由合成材料制成的一个或多个互补组件以形成延伸360°的封闭部件，所述互补组件形成机身的上部。优选为在通过开口端装配开口部件之后再装配所述互补组件。开口部件的装配允许在将被轻易占据的部件之间的任何活动，从而证明比封闭部件的装配更容易达到。

本发明的另一目的是提供一种用于实现前述方法的装置，其特征在于包括多关节臂，其安装有纤维铺放头且优选地可动地安装在由地面支撑的至少一个线性导轨上；阴性模具，其包括至少一个开口端和呈现在所述开口端的一个纵向切口；及保持机构，其能够在所述导轨的任一侧的实质整个长度上，以固定的方式将所述阴性模具保持在由地面支撑的所述导轨上，使得所述多关节臂能够在模具内返回穿过开口端而移动，所述保持机构例如由接合于锚定于地面的导轨上的所述模具的两个底板形成。

附图说明

在以下参照附图对本发明的一个具体的、普通优选实施例的详细解释说明中，本发明将得以更好地理解，且其他的目的、细节、特征和优点将更清楚地呈现，在附图中：

-图1表示根据本发明的制造由合成材料制成的空心组件的装置的示意立体图，示出了纤维铺放系统、阴性模具、用于涂覆反向结构和高压炉的系统；

-图2表示在自动机械进入阴性模具之前，图1中的阴性模具和铺放系统的侧视图；

-图3表示在将纤维涂覆于固定的阴性模具的内表面的过程中的阴性模具和纤维铺放系统的前视图；

-图4表示在定位于反向结构涂覆系统的过程中阴性模具的立体图；

-图5分别表示位于阴性模具中的反向结构涂覆系统的前视图；

-图6表示具有外皮的阴性模具和插入到反向结构和阴性模具之间的刚性梁的局部横截面图。

附图表示根据本发明的、用于制造由合成材料制成的包括外皮和加固元件的飞机机身的部件的方法和装置。明确地说，本发明可以涂覆于制造由如前述的合成材料制成的任何空心组件。

具体实施方式

参照图1至图3，根据本发明的装置包括纤维铺放系统1和阴性模具2以及高压炉3和用于反向结构4的涂覆系统5。阴性模具2具有内部型面21a，其形状与要求制造的部件的外皮的形状相适应。内表面由实质上连续的壁21的内表面形成，壁21由一个或多个金属片构成或由合成材料制成，该壁在外形上适应于纵向22和横向23的刚性梁以使阴性模具硬化。在本实施例中，阴性模具用于制造包括驾驶员舱部件的飞机机身的前面部件。内部型面21a具有所谓的后部210a，该后部具有基本恒定的横截面，该后部的形状一般是圆柱形；前部，该前部从模具的后面开口的且总体上为圆形的端部24开始，通过第二所谓前部210b延伸，该前部具有不恒定的横截面，其在向着模具的前端25的方向上变小。在本实施例中，前端210b是半径小于后面开口端24的截锥形，其具有一般为圆形的开口前端25。作为示例，后端24的半径达到2米。

阴性模具具有纵向切口26，该切口从后端24至前端25在模具的整个长度上延伸，以使阴性模具放置在如以下所说明的纤维铺放系统1上。

纤维铺放系统包括本质上为六轴自动机械型的多关节臂11，其可动的安装在线性轴12上，该多关节臂的端腕部11a安装有纤维铺放头13。多关节臂在各个方向上移动纤维头。纤维铺放头包括已公知的施料辊131，其能够与模具接触以便涂覆由预浸渍有树脂的几种条形纤维。多关节臂通过其基板11b锚定在支承架14上，该支承架安装成在线性轴12上滑动，所述线性轴由固定在地面上的两个平行导轨121、122构成。支承架安装有例如是由控制单元自动控制的电动机驱动辊型的驱动设备以沿着这些导轨移动铺放头。纤维将优选地储存在线轴架(未示出)的绕线筒上，并通过弹性输送管单独输送到涂覆头上，如专利文件WO2006/092514所述。而且，如该专利文件中所说明的一个或多个张力限制系统可以设置在线轴架和涂覆头之间以便于减小辊上的纤维的张力。线轴架还安装在下面的支承架15上，该支承架安装于导轨121、122上，例如机械地连接于支撑自动机械的支承架14。

模具的纵向切口26在角形区域上充分延伸，以使导轨能够置于所述纵向切口的两个相对的纵向边261、262之间。纵向切口在相对于内部型面延伸所在的角形区域小的角形区域上横向延伸。内部型面因此在大于180°、优选为大于270°、例如达到300°的角形区域上横向延伸，如图所示。

阴性模具包括安置在纵向切口两侧的两个纵向底板27，通过该底板将模具支撑在导轨每侧的地面上。如图所示，底板优选地安置在线性轴12的两侧所设置的导轨28上。作为变化，阴性模具安装有其自身的位移系统，每个底板例如是安装在由无线电、激光或视觉引导和定位系统控制的自主电动机驱动支承架上。模具在其整个长度上安置在地面上，这保证了在纤维涂覆操作过程中模具的稳定性和刚性。

为了制造机身部件的外皮91，通过移动导轨上的阴性模具而将阴性模具引入纤维铺放系统的导轨121、122上。之后为纤维涂覆操作而将阴性模具固定不动。通过使用多关节臂11和在导轨121、122上移动多关节臂移动涂覆头来制造外皮，沿着阴性模具的纵向切口，自动机械被通过阴性模具的后面开口端插入到模具中。一旦天然外皮已经制成，阴性模具可以移入高压炉3(图1)中以通过聚合和/或施压于外皮的网状物而硬化。然后，将阴性模具从高压炉中移出，硬化的外皮得以脱模。为此，将阴性模具制成两个对称的半模具20a、20b，两个对称的半模具20a、20b通过其上部使用螺栓29而彼此结合。结合优选地位于两个半模具的接合界面处，特别是为了保证在下面所说明的真空形成操作过程中的密封。

优选地，由合成材料制成的加固元件靠着将在高压炉中硬化的外皮的内表面放置。在本实施例中，通常称为纵梁的纵向部件在其基本上整个长度上靠着外皮的内表面放置。在图6中能更好地看到，纵梁92具有Ω形的横截面，并通过插入例如是硅树脂的芯93而放置在外皮91上，该芯将在硬化操作之后移除。明确地，可以设置未示出的其他类型的加固元件，尤其是用于例如前起落装置、驾驶员舱和侧舷窗的局部刚性梁。

参照图4至图6，所述装置优选地包括用于反向结构的涂覆的系统5或用于靠着纵梁92和外皮91的内表面放置反向结构4的反向模具，以便当它们通过同时硬化组装时保持纵梁靠着外皮，尤其是保证最后部件的清洁的内表面状况。

反向结构4由在形状上与阴性模具互补的片状金属形成，该反向结构具有圆柱形的后部4a和一般为截锥形的前部4b。反向结构在其外表面上具有在形状上与纵梁互补的纵向凹部41。尽管由于简化的原因未示出，但反向结构的前部4b还包括用以容纳纵梁的凹部。如图6所示，反向结构由片状金属形成，该片状金属的几个部件40a、40b在两个相邻的部件之间逐渐交叠。

反向结构放置在涂覆系统5上，该涂覆系统5包括一套起重器51，所述起重器沿着锚定于地面的纵向支承52安装，以便能使反向结构从收缩位置展开到展开位置。反向结构在其内表面上具有纵向槽42，反向结构通过所述槽支撑在起重器杆上。

在制造外皮和将纵梁安装于阴性模具中之后，平移阴性模具以便将其带入到涂覆系统5上处于收缩位置的反向结构上，当装配的时候模具的纵向切口能使涂覆系统的纵向支承52通过。之后，促动起重器以使反向结构相对于外皮和纵梁变平，然后通过将合适的装配机构放置在尤其是阴性模具的前面开口25和后面开口24处，而将反向结构联接到阴性模具。然后收回起重器，阴性模具连同反向结构通过平移中的倒转放置而从涂覆系统5收回。

在插入到高压炉3之前，本质上已知的真空盖61(图6)将优选地靠着反向结构安装在阴性模具内，通过插入排水毡布62以便于形成真空。

飞机机身将以至少两个部件制成。设置特别形状的阴性模具以制造机身的其他部件。设置至少一个具有非恒定横截面的其他的特别阴性模具以形成机身的后面部件，且设置总体上为圆柱形的、恒定的横截面的一个或多个模具以形成中间部件。然后使用根据本发明的阴性模具所获得的开口部件将以实质上已知的方式彼此联接，并将互补的所谓顶部组件联接于所述开口部件。

在一个变化实施例中，多关节臂的支承架14或基板11b的横截面的形状呈字母I形，阴性模具的纵向切口用以容纳该I的中心部分、I的下部在阴性模具下面且其上部在阴性模具内。因此切口的宽度可以实质上相对于所示实施例减小。然后线性轴12插入地面和/或阴性模具相对于地平面升起。

尽管已经结合一个具体实施例得以说明本发明，但是显然本发明决不限于此，本发明包括落在其范围之内的所有与所说明的方式等同的技术以及它们的组合。

Claims (10)

1.用于制造由合成材料制成的空心组件的方法，所述空心组件包括外皮，其特征在于所述方法包括

a)将安装有纤维铺放头(13)的多关节臂(11)插入到伸长形状的阴性模具(2)中的步骤，所述阴性模具通过纵向切口(26)敞开用以容纳所述多关节臂的支承机构(12，14)，

b)使用所述纤维铺放头将纤维涂覆到所述阴性模具的内型面(21a)以形成合成材料外皮(91)的纤维涂覆步骤，所述纤维涂覆步骤是通过使用所述多关节臂移动所述纤维铺放头以及沿着所述阴性模具的所述纵向切口相对平移所述多关节臂的所述支承机构来执行的。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述支承机构包括用以支撑和移动所述多关节臂(11)的至少一个线性导轨(121，122)，并且所述纤维涂覆步骤b)是通过沿着容纳在所述阴性模具的纵向切口(26)中的所述线性导轨移动所述多关节臂而在固定的阴性模具(2)上执行。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述阴性模具(2)包括呈现所述纵向切口(26)的至少一个开口端(24)，通过所述支承机构(12，14)相对于所述阴性模具的纵向平移的相对位移，在步骤a)中插入的所述多关节臂(11)穿过所述开口端。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在为了形成合成材料外皮的所述纤维涂覆步骤b)之后还有以下步骤：

c)将由天然状态的合成材料制成的加固元件(92)靠着所述合成材料外皮(91)安装在所述阴性模具(2)内的步骤，

d)同时硬化所述合成材料外皮和加固元件的硬化步骤，及

e)将由合成材料制成的空心组件脱模的步骤。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，该方法在步骤c)之后包括将阳性反向结构(4)靠着所述合成材料外皮和加固元件(92)安装在所述阴性模具(2)内，在所述硬化步骤d)中将所述阳性反向结构保持在合适的位置。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，该方法包括将合成材料制成的互补组件在一个或多个部分联接到所述合成材料外皮(91)的步骤，所述互补组件在形状上与所述合成材料外皮的纵向开口互补，以便形成具有封闭的横截面的空心组件。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述硬化步骤d)之后，所述互补组件联接于硬化的所述合成材料外皮(91)。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，该方法在步骤c)之后包括将天然状态的互补组件放置在所述阴性模具的所述纵向切口(26)处的步骤，在所述硬化步骤d)过程中所述互补组件被硬化并联接于所述合成材料外皮(91)以便获得封闭的空心部件。

9.用于制造飞机机身的方法，其特征在于该方法包括

-根据权利要求4至8中的一项来制造飞机机身的至少两个开口部件，

-及装配由合成材料制成的一个或多个互补组件以形成延伸360°的封闭部件，所述互补组件形成所述机身的上部。

10.用于实施根据权利要求1至9中的一项的方法的装置，其特征在于该装置包括

-多关节臂(11)，其安装有纤维铺放头(13)且可动地安装在由地面支撑的至少一个线性导轨(121，122)上，

-阴性模具(2)，其包括至少一个开口端(24)和呈现在所述开口端的一个纵向切口(26)，及

-保持机构(27，28)，其能够在所述导轨的任一侧的实质整个长度上，以固定的方式将所述阴性模具保持在由地面支撑的所述导轨上，使得所述多关节臂能够在所述阴性模具内返回穿过其开口端而移动。

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