CN101970215B - 用于制造一体成型的纤维复合部件的方法 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的方法使用可移除的芯部(11-13,26-29,56,75)可生产一个复杂的、一体成型的(一体式)纤维复合部件且具有多个内部及底切强化件(107)。由于不再需要连接部件，因此造成可节省许多重量的潜力，例如，在现有由个别部件(不同结构)进行组装的情况下，为达此目的所需要的铆钉及铆钉凸缘便成为多余。

Description

用于制造一体成型的纤维复合部件的方法
【技术领域】
本发明涉及一种用于制造一体成型的纤维复合部件的方法，特别是一空气动力的表面，包含围绕在一外蒙皮的多个强化件。
本发明也关于一芯模，其用于同步及弹性制造所述方法中所需要的所述芯部。
【背景技术】
在现代化的飞机构造中，现有的铝质材料是渐增通过使用纤维复合部件而被替代，其例如是由碳纤维强化(fibre-reinforced)热固性或热塑性聚合物所制成。现今，即使是复杂的结构部件，如着陆襟翼(landing flaps)或整个方向舵单元(rudder units)经常一般以此种纤维复合材料来制成，特别是碳纤维强化塑胶(CFRP)材料，如碳纤维强化环氧树脂(carbon fibre-reinforced epoxyresins)。
由于它们的物理尺寸及/或它们的复杂的几何形状，这种结构部件通常是使用所谓有区别的结构所制造，其中所述结构部件组装在最后组装阶段是由多个具有通常是简单的几何形状的预制(prefabricated)个别部件所组装而成。
通过这样的例子，一个飞机的着陆襟翼可用于这方面，其中着陆襟翼多个横向肋附加到多个纵向梁，其是间隔分开但彼此相互平行，以支持蒙皮外壳。横向肋的外部轮廓及蒙皮外壳的形状最终由蒙皮外壳的表面几何所定义，因而定义了着陆襟翼的空气动力行为。所有部件的组装也必须能够在没有应力(stress)下组装，以避免对结构施加额外的负载。
有区别的结构的缺点是，在其他事项中，在一个事实下，即各个部件需要在一个额外的组装阶段组装成为成品部件。此外，一般在所述部件加在一起的过程中需要用到重迭部(overlaps)或凸缘(flanges)，这些总是需要额外的重量。
由于优选使用铆钉接合以连接个别部件也产生其他缺点。因为纤维复合部件相较于金属材料已大幅降低承载的强度，每一个使用的铆钉孔构成一个静态的缺点，其必须在所述孔的区域内增加材料厚度予以补偿。为了在所有纤维复合材部件中使用这种铆钉接合，例如都需要在外壳结构上增加材料厚度及加大凸缘区域，所以在铆钉接合失败时，这的确是可能以形成另一铆钉接合来进行维修。所有这些限制意指，所述复合部件不以一最大预期机械负荷，而是就边际生产条件或安全有关的修复要求来设计，这往往增加了不必要的重量。
一般而言，所述各部件也可以粘合剂粘合连接在一起，因此，至少减少了减弱承载强度的问题。然而，仍有重大问题发生在飞机的高度应力部件的所谓的“结构性粘结”(structural bonding)上，而需要表面处理，以及发生在疲劳安全及承受冲击负荷能力(所谓的耐冲击性)上，这问题目前意指为安全理由至少在民用航空领域这个解决方案仍然不能被使用。
一个有区别的结构的可行替代方案是一体成型的结构，即具有复杂几何形状的纤维复合部件被生产成单一部件，因此上述由于加入多个各部件以形成复杂整体结构而产生的缺点将不再出现。
一个主要问题是生产这种一体成型部件时，其可能包括完整的降落襟翼，减速板，副翼(ailerons)，襟翼导轨整流罩(flap track fairings)，板条，发动机架，小翼(winglets)，机翼，尾翼单元，方向舵，门，盖，覆层(claddings)，支持件等，举例来说，在许多情况下需要通过底切(undercut)结构在密封的蒙皮内创造必要的外部强化件。
【发明内容】
本发明的目的是描述一种简单的方法，其用于制造复杂、一体成型且具有多个底切(undercut)强化件的纤维复合部件，底切强化件亦可弹性的改变纤维复合材料的结构，及其可以并入广泛的自动化及工业化生产过程中。此外，本发明的另一目的是提供一芯模，其弹性的改变结构要求，以生产所述方法中所需的芯部。
这个目的是在第一个实例中通过一种用于制造一体成型的纤维复合部件的方法以如下步骤达成：
a)在一芯模中生产多个可移除芯部，所述芯部大致上代表纤维复合部件内部的一表面几何形状；
b)将由强化纤维制成的预制体(performs)施加至芯部，以形成强化件及芯部的配置，形成一个整体结构；
c)以网状(web-like)半成品(semi-finished)覆盖芯部以制造外蒙皮；
d)将整体结构并入一个封闭的模制工具中，及利用一可固化塑胶材料渗透整体结构；
e)通过施加压力及/或温度，以固化形成的加工后的纤维复合部件；以及
f)去除芯部。
在所述方法的第一步骤a)中，执行方法所需的所有芯部已被制造。一个单独的，封闭的芯模，其具有至少一个顶部的及底部的一个模具部，用于铸造芯部。多个至少部分交叉(intersecting)分隔物在芯模中用以造成模室(cells)。为了让分隔物被定位，例如创造交叉区域，分隔物各具有纵向狭缝横越它们的长度，其延长大约到分隔板的中间。因此所述分隔物可以由任一侧插入到彼此内。在交叉区域内，纵向狭缝组装到相对的交叉板内。使用这种方法在所述芯模内形成的每个模室表示一个封闭的铸造室，以便芯部被制造，及可通过在下模及/或上模内的至少有一个洞来填充有芯部材料。在一些个案中可能会设置通风孔，以促进快速的，更重要的是，无气泡的铸造芯部。
芯模的这两个部分定义纤维复合部件被制造的一个“内部”表面几何形状的一个形象，其例如为一着陆襟翼。当制造一着陆襟翼时，模室之间的分隔可能，例如为翼梁板及肋板的形式。用于强化件的翼梁板及肋板代表占位(placeholders)，在某些情况下则为底切(undercut)，这在稍后将为以(纵向)梁及(横向)肋骨形式呈现的纤维复合部件。
为了生产芯部，翼梁板及肋板的优选插入下模部，其为此配有沟槽，及通过采用顶模部封闭整个结构。然后芯部材料通过模具部内的孔插入封闭芯模内，并加以固化。
一低熔点的材料，例如蜡、金属合金或相似物，可作为芯部材料。或者，一最初即凝固的物质也可以用来为芯部材料，其物质随后可由适当的溶剂例如水、稀释剂或类似物来完全溶解，然后在这一程序的最后一步骤被冲洗退出了芯模。不论使用何芯部材料，芯部材料于随后的渗透过程(“RTM过程”)必须有至少8巴(bar)的足够抗压强度。模具是分别通过外蒙皮形成的洞来去除,溶剂通过这些洞被施加而用于溶解芯部，使芯部材料通过孔流出来。用于飞机结构的工业环氧树脂系(systems)目前通常仍具有如此高的固化温度(≈180℃)，但未指出使用可溶芯部。矩阵式(matrix-like)的整体结构具有所有芯部(即所谓的“芯部”的复合形式)代表将随之产生的纤维复合部件所需的内表面几何形状构件。对纤维复合部件的结构变化，例如材料厚度的翼梁及/或肋的变化，可通过交换相关的分隔物而快速及简易的实现，而不需要复杂的改变用于最后渗透过程的(RTM)模制工具。为此，芯模优选由可以很容易处理的材料制成，例如铝合金。
在第二步骤b)中，由强化纤维制成的预制体(所谓具粘合剂的干预制体)是适用于芯部的所有侧边，特别是形成翼梁、肋及外蒙皮的纤维增强。如有必要，多个预制体可以放在另一个上面。然后这些芯部的相对彼此定位，以创造出纤维复合部件所需的形状。当制造一着陆襟翼，这些芯部是首先定位在着陆襟翼的纵向延伸方向上，及接着附加一系列的芯部在其横向上。由于预制体已经有粘结剂，这些都具有某一程度的形式稳定性。
在第三步骤c)中，所述芯部是定位及导向相对于彼此且都设有一个由强化纤维形成的网状半成品，以创造外蒙皮，其优选是自我向上密封的。所述半制成品优选是一织物(fabric)，其具有高度可悬垂性(drapable)/回弹性(resilient)，及理想上适合于受芯部规范的一般二维曲面几何形成而不需任何折迭。纤维预制体(fibre preforms)及网状的半成品两者都优选是由碳纤维(carbon fibres)制成。一般而言，所有纤维是适合用做强化纤维，如玻璃纤维(glass fibres)，陶瓷纤维(ceramic fibres)，天然纤维(麻)等也都可使用。
预制体及网状半成品产品可能是以随后的“粘合剂”(binders)(例如使用一种热塑性合成材料)及例如使用粉末状喷涂来固定在定位。或者，适当的热塑性粘结剂也已并入预制体或带状(strip-like)的半成品中，因此仅需施加热能即足以将预制体或半成品固定在芯部上。为了填补任何不必要的空洞，特别是在垫有预制体的数芯部之间，但一般都需要在多个芯部之间插入附加的角板(gussets)及/或个别强化纤维束(纱)或数个强化织物层。
在第四步骤d)中，由此产生的整体结构是插入到一个至少由两部分组成且优选是金属模制工具内，其内部表面几何形状是由模具的半体来定义，且准确的体现了欲制造的纤维复合部件所需的表面几何。在封闭所述模具的至少两半体后，在已知树脂渗透法(RTM工艺≡树脂传递模塑工艺)中整体结构可在某些情况下于超高大气压力下浸泡或浸渍于一种可固化的塑料材料，特别是可固化环氧树脂。金属模制工具是一RTM的模制工具，其由高强度及耐高温钢制造且具有高精度。通过同步施加一低压到RTM模制工具上，渗透过程或注射过程可以加快，及内含空气及形成气室的风险将可被解决。在RTM模制工具可被直接及/或间接的加热。在间接加热时，整个RTM模制工具放在烤炉内，而在直接加热时，加热手段是直接并入于模制工具内部。这些加热手段可能包括电加热件或孔洞(一可温度控制的液体，特别是油，可通过所述孔洞)。
在第五步骤e)中，成品纤维复合部件是通过使用压力及/或温度而加以固化，且在第六及最后步骤f)中，最后通过加热及/或施加溶剂而由纤维复合部件中去除了芯部。为了达此目的，一般都需要在密封的外蒙皮内插入小孔，以使溶解或液化的芯部材料可流出。或者，定位在横向肋的角隅区域内的孔洞，也可用于此目的，这些孔洞用以将加工后的部件内的冷凝水排出。
根据本发明的所述方法因此通过使用一个可溶性(可熔)或随后可移除的芯部的二维矩阵(two-dimensional matrix)配置，从而以一个简单的方式将具有复杂的内部底切强化结构的一体成型的纤维复合部件制造为成品。
所述方法的一个有利的改进是在铸造及固化后对芯部提供一个不透水的涂层。这避免了塑料材料在最后的渗入过程期间不受控制的被挤压到芯部中，导致纤维复合部件在固化及去除的芯部之后有一个未定义的内表面(“铸造树，casting trees”)。所述涂层也可能有不具粘性(non-stick)的特性，使所述涂层可由成品部件中被移除/拆除。
另提供，强化件将被特别设计为在外蒙皮内的一体成型肋及梁。然而，整体而言，所述方法不局限于现有具外蒙皮的翼梁-肋结构，例如做为传统上飞机的机翼、水平稳定器、方向舵单元及着陆襟翼。通过在芯模内的定位及配置相应的分隔物，另一情况是，具有几乎任何形式的内部强化件及密封外蒙皮的中空结构可以制作成纤维复合部件。此外，不需使用分隔物，其在着陆襟翼的实例中设计为翼梁板及肋板，且在交叉区域内相交于有90°角。原则上，当是一个直线以外的形状时(例如分隔物可以在芯模内依循一条弯曲的方向)时，任何角度都是可能的。此外，举例来说从机翼剖面几何形成偏离，分隔物可能有任何高度的轮廓，以制造具有双曲面的纤维复合部件，其双曲面在广大边界内是可变的以及具有也是一体成型密封状的表面几何。
所述方法特别适合客运航空业的纤维复合部件的自动化工业大量生产，其中现有的单件方法生产具有翼梁-肋结构的结构纤维复合部件是目前主要应用。
根据本发明的方法的另一发展，在网状半成品前，其提供一个纵梁预制体将可安装在至少一个芯部中的至少一个纵向凹槽内(特别是一个沟槽)，以通过随后插入的至少一支持件形成支撑。
如此除了梁及肋形式的强化件之外，例如可能创造纵向强化件(例如帽状纵梁或Ω形纵梁的形状)，以作为围绕纤维复合部件的外蒙皮的一体成型部件。可膨胀塑料材料软管(管状薄膜)优选用于做为支持件，及这些可以留在复合部件成品内或必要的话由侧面拉出。或者，可溶性或可熔性芯部可作为支持件，这些也可以用于具底切的其余芯部。
根据本发明的目的也通过具有分隔物是翼梁板及肋板特征的芯模来达成。
事实上，在芯模有多个模室，这些模室是被围绕在上、下模部之间，以定义外蒙皮的内表面几何形状，且模室由多个分隔物相互隔开，分隔物特别是至少一部分相交的肋板及翼梁板，每个模室至少有一孔洞用于供应芯部材料，以便在同一时间生产实施方法所需要的所有芯部。
此外，分隔物及芯模的至少两半体优选是由易于加工的金属合金制成的，例如铝合金。纤维复合部件的结构变化因此可以通过在某些区域内移除分隔物及/或交换分隔来实施。如果例如由于静态考虑而要改变成品纤维复合部件的一强化件的材料厚度，则以具所要求的材料厚度的另一分隔物取代相关分隔物即足够。
本方法及芯模的其他有利实施例是描述在具体实施方式中。
【附图说明】
附图是如下所示：
图1：是用于生产芯部的芯模的等距示意图；
图2：是通过三个具预制体及半成品的对位芯部的剖视图；
图3：是通过着陆襟翼的完整强化纤维配置的整体结构的剖视图；
图4：是图3在前翼梁预制体与具RTM工艺的模制工具的网状半成品之间的连接区域的细部图。
图5：是图3在纵梁预制体的区域内的另一的细部图；
图6：是在设计做为(横)肋的一体成型部的负载施加点的区域内沿图3的VI－VI线所作的剖视图；
图7：是具有用于芯部的定位工具的芯模的变化例；
图8：是图7的放大细部图；
图9：是施加网状半成品以形成外蒙皮的示意图；
图10：是胚料(blank)及由此胚料形成的角隅预制体的示意图；
图11：是胚料及由此胚料形成的肋预制体的示意图；以及
图12：是以着陆襟翼为例，具有内部、底切强化件且根据本发明生产的一体成型纤维复合部件的等距示意图。
【具体实施方式】
在附图中，相同结构部件在每个实施例中具有相同的元件符号。方法及用于执行方法的装置，特别是用于生产所有的芯部的芯模，是并行描述在其余的描述中。
图1显示了用于生产执行本方法的芯部的模具的等距示意图，使用一飞机的着陆襟翼为例。
一芯模1包括一个下(lower)及上模部(upper mould part)2,3。多个分隔物(其未个别标示)被配置在模制工具内，并在此特殊例中被设计成翼梁板(sparplates)并具有肋板(rib plates)在其横方向延伸，以用于生产着陆襟翼。
在翼梁及肋板中，只有一个前翼梁板4及一前肋板5具有元件符号。在此区域内所述肋板5的剖面几何依循着陆襟翼的剖面几何。所述翼梁板4插入在下模部及/或上模部2、3中的狭缝(其未有元件符号)内，因而可被引导。在此绘示的实施例中，所述肋板5，总共有三狭缝，其中只有前狭缝有一个元件符号6，每一所述狭缝从肋板5的上缘延伸至约肋板的中间。所述翼梁板4也有三个狭缝或纵向凹槽，其中只有前狭缝7有一个元件符号。不同于肋板5的狭缝6的是，所述翼梁4的狭缝7各从底部大约延伸到相关的翼梁板4的中间。由于上述狭缝的配置，翼梁板4可以插入肋板5内，而形成交叉区域(未绘示)，及在箭头方向上的多个模室(在另一侧)。一个模室(具有元件符号8)代表其他类似的构造单元。在图1中共有8个模室代表实际用于生产芯部的铸造模具。模具部2的底侧在模室8的区域内及在其他的模室内有一小洞9，一适当的液态芯部材料可通过小洞9。另外，小洞也可以设在上模部3内。也可以提供附加通气孔9a。在浇灌芯部材料以同步生产所有8个芯部之前，所述分隔物需先插入/组装，及两个模具部2,3是封闭以创造所述芯模1。
用于底切(undercut)的芯部材料，可溶性芯部是指：一可熔材料，具有基材的熔点在固化温度以上；或一种可固化的物质，其可通过适当溶剂(例如水，化学溶剂或相似物)随后加以溶解，并可例如将随后的部件冲洗出来。溶解过程可由物理或化学手段来进行。当使用环氧树脂，由于高达200°C的高固化温度用以做为熔化芯部所需的温度可能会损害环氧树脂基材，故优选使用可溶性芯部。然而，当熔融可溶性芯部时，因热固性塑料材料可在较低温度下固化，故优选可使用热固性塑料材料。上述在外蒙皮内形成的孔洞及/或横向肋的角隅区域内形成的孔洞被用来移除所述芯部，这些随后用来做为冷凝水的排水孔。根据使用的芯部材料，它可能需要提供芯部一释放膜或涂层，亦即浸渍其中以防止树脂渗透步骤中用来生产纤维复合部件成品的塑料材料(特别是环氧树脂系)发生渗透。
所述下模具部2也具有三个纵向肋条，每一个具有一微呈梯形剖面的几何形状，其中间的肋条(web)具有元件符号10。所述肋条10平行于翼梁板4，导致芯部的底部上形成纵向凹槽，特别是梯形沟槽，其随后用于生产纵向加强件，特别是具有帽状纵梁的形状。
所述芯模1，包括分隔物，优选是由一易于加工的材料，例如铝合金或类似物，所制成。这意指纤维复合部件随后的结构变化，例如在翼梁增加或减少材料厚度的形式下，可以通过交换相关翼梁板或通过移除相关翼梁板的材料来快速实施。特别是，用于后续树脂渗透工艺(RTM工艺)的极复杂及难加工型工艺的模具的改变，其中不再需要使用高强度钢模具，只有外模制工具是由高强度钢(高温铬镍合金)所制成，其几何形状是固定在早期阶段。第一步骤a)是通过同步生产上述装置内所有需要的芯部来完成的。
图2是通过具多个预制体及二层网状的半成品的芯部的上部的剖视的高度示意图，其代表了用于随后的纤维复合部件的整体结构的强化纤维配置的细部。
在第二步骤b)期间，多个不同的预制体放置在芯部上。所述芯部接着组合在一起，形成一个整体结构，其大体上反映了欲生产的纤维复合部件的内表面几何形状(见图1)。所述芯部12,13邻接一中间芯部11的两边。所述堆层结构将使用这个中间芯部11为例来解释。一个预制角隅预制体14首先放在到所述芯部11上。
一预制体，例如角隅预制体14，举例来说是一个平坦的胚料(blank)并具有由多轴纤维织造布(multiaxial fibre-woven fabric)(所谓的“NCF”=非-卷曲纤维)或纺织品制成的任何外部轮廓，如特别是由碳纤维制成的网状半成品，其如果适用的话，是可折叠至少一次及/或可悬挂在某一区域内，以创造一个三维结构。一般而言，一预制体可以折迭、悬挂及切割形成任何可能的几何形状。最后，每一个预制体是以适当方向延伸的强化纤维来进行生产，如特别是考虑到发生作用力通量及负载的方向。例如，预制体是以由强化纤维在±45°及0°/90°的位置相交制造的纺织品及/或织物(“多轴布”)来进行生产的。
接着，具有蒙皮预制体15。翼梁或肋预制体16,17接着依所需数量施加到芯部11的相对表面18,19上，以生产个别加强件。必要的话，也可以在芯部之间提供选择性的中间预制体20。关键的方面是：角隅预制体14及蒙皮预制体15被定位，使它们在所述边缘21,22的区域内重迭。这同样适用于在下层蒙皮预制体15上的翼梁预制体及肋预制体16,17的配置。事实上，这些相互鸠尾状衔接或重迭的预制体是指预制体通过机械手段共同支撑在随后的纤维复合部件内。
因此，为了避免在随后的复合元件内发生不必要的增厚，所有芯部的周围边缘21、22具有多个平坦、相互渐变的凹槽(未标示)，其确切的深度对应到预制体在彼此的顶部上的各自材料厚度。这导致了按体积计的纤维内含物具有一个较窄的公差，也就是说，在完成的部件内60％的间隔为±4％。根据重迭层的数量，可设置对应的渐变、偏移(offset)阶状部的数量。所述预制体有一个凸耳(凸缘)在其至少一侧的至少一部分，及所述凸耳沿芯部11的边缘21、22的其中一个来转动，也就是说，它是放置在芯部11的侧面表面18，19的其中一个上。在这种情况下，凸耳位在芯部11内的凹陷部中，以便在顶部提供一平滑的加工。所述凹陷部可能被设计为在多个阶状部内渐变，以解决偶发的多个凸耳必须放在另一个的顶部上的情况(特别见图4)。或者，凸耳可以被设计成狭缝，使它们能够依循芯部的弯曲边缘。预制体优选具有一致设计的凸耳在其所有侧边上。所述芯部11至13接着相互配置成矩阵形式，因此它们对应于随后的纤维复合部件的内部轮廓，即设有预制体的芯部11至13再次配置形成一个整体结构23，例如在铸造工艺后原来由芯模移除者(见图1)。只有芯部11至13的上层区域揭示在图2中，但相同上述的程序是用来在芯部11至13的下层区域配置预制体。
预制体的生产优选是利用一个夹层、纺织物或以多个不连续碳纤维或碳纤维粗纱。角板24是插在芯部12至13之间的区域内，以完成整体结构23，其形成复合部件的随后强化纤维配置。
最后，在第三步骤c)中，芯部的整体结构23涂布有至少一层网状的半成品25，以生产纤维复合部件的外蒙皮随后的强化构造。
所述网状半成品25优选是一个高度可悬垂(drapable)的纺织物或由碳纤维制成的夹层，其是能够依循着所述芯部11至13的概呈双曲面几何形状而不需任何折叠。上述施加预制体或网状的半成品25的顺序是适用于所有的芯部。此外，它可能需要将由碳纤维粗纱制成的各个碳纤维角板24插入到整体结构23，以便必要时填入任何空穴中。半制成品25符合RTM模制工具的上部的上方，其是以背景线绘示，但未有元件符号。
为了固定这个预制体及网状半成品25的位置于芯部11至13上，较有利的也可能例如施加热塑性粘结剂(thermoplastic bonding agent)。或者，预制体或网状半制成品可以使用这些由制造商预备好具有热塑性粘结剂(“pre-bonded”,预粘结)者，因而使产品仅需要被加热固定在定位。
图3揭示了通过干燥的强化纤维配置的整体结构的剖视图，同时图4代表在形成外蒙皮的翼梁预制体及网状半成品之间的区域的放大细部图。在下文的提到的参考图号同时用于图3及4。
在其他事件中，干燥(强化纤维)的整体结构23包括四个芯部26至29，其是以三个翼梁预制体30至32加以分隔，幷受一个网状半成品33所包围，而形成了后来的外蒙皮。此外，6个对应预制的纵梁预制体，其中只有一个纵梁预制体34有元件符号，其设于芯部27至29中，这些是用来在随后的纤维复合部件内创建一体成型的纵向强化构型，特别是纵梁、Ω形纵梁或帽状纵梁(hat stringers)。
这个整体结构23是在步骤d)时插入一个封闭的模制工具35内，以进行渗透工艺或RTM工艺。所述模制工具35是由一高强度(high-tensile)及耐热钢合金(heat-resistant steel alloy)。所述复合部件的外表面的几何形状是仅通过所述模制工具35所定义形成。接着通过一种可固化的塑胶材料完成渗透整体结构23，其特别是环氧树脂系或类似物，在步骤e)中所述结构是完全固化，以形成加工后的纤维复合部件。RTM工具可依需求通过直接或间接加热来进行加热。所述芯部26至29在最后加工步骤f)中通过熔化或冲洗出来而被移除或溶解。通过两肋及翼梁来定义形成的每个模室(cell)中的孔洞是用于此目的，其孔洞随后形成在外蒙皮内，并稍后可能用于排水目的，以进行材料测试及维修与检测工作。
必要时，可进行一个加工后的一体成型复合部件关于气体内含物(airinclusions)、剥离(delaminations)、异物(foreign bodies)、厚度变动(fluctuationsin thickness)等的可靠性测试(reliable test)。
图4揭示了在强化纤维配置的整体结构的23内的前翼梁26连接到外蒙皮33的区域内的详细积层结构。两个芯部26、27都再次衬套有角隅预制体36、37。蒙皮预制体38、39以重迭的方式放置在角隅预制体36、37上。接着，有两个翼梁预制体40、41以中间预制体42相隔开。还有一个(强化纤维)角板43具有概呈三角形剖面(cross-sectional)几何形状并形成于芯部26、27之间，以达到足够的平坦表面。再者，两层的网状半成品44随后形成整体结构23的顶部加工。由于在所述预制体的边缘区域有重迭的层体，因此达成一个非常紧密的接合，造成了非常坚固的纤维复合部件。
图5揭示了图3的另一细部图，绘示了用以形成纵向加强件的纵梁预制体配置，特别是在细剖图内的Ω形纵梁或帽状纵梁形式。
如图5实施例所示，帽状纵梁34由两个纵梁预制体45、46所形成，其中彼此嵌套且各有一个梯形剖面的几何形状。外纵梁预制体45每侧各有一凸耳47，48，其中凸耳位于所述芯部27上的渐变凹槽49、50内，以确保一个平坦的顶部加工。所述凸耳47，48是彼此远离及指向外部。所述内纵梁46有两个凸耳预制体51、52指向彼此。这两个纵梁预制体45、46插入在芯部27中的一个纵向的凹陷53内，这在绘示的实施例中，是一个具有梯形剖面几何形状的沟槽形式。为了在最后渗透工艺中支持纵梁预制体45、46，有一中空支持件(member)54，例如其可能由具部分弹性、可膨胀的管膜制成者，及其在渗透及固化工艺之后是再由纵向加强构型34中移除。上述结构是通过两层网状半成品44(纺织物)来密封顶部。所述支持件可交替的由相同的可移除(可熔或可溶性)材料作为芯部11至13而加以形成。
图6是沿图3的Vl-Vl线所述的剖视图，其绘示包含了根据本方法在随后的复合材料部件内的负载施加点。
在芯部27及相邻芯部56之间的区域内的一个负载施加点55(如图3所示)相对于投影平面是落在芯部27后方的位置，是设计作为一个(横向)肋57一体成型的部份且形成有至少一干燥预制体。
所述芯部27包含一个角隅预制体58、一蒙皮预制体59及三个肋预制体60。在第二芯部56上的预制体的配置是一在芯部27上的预制体的配置的镜像(mirror image)。不同于具干燥预制体的翼梁/肋骨的“正常”结构，当创造负载施加点55时，总共提供有五个额外的负载施加预制体61，这些被定位在肋预制体60之间，因而确保了在纤维复合部件的整体结构的大表面积上的最佳力量传送。所述负载施加预制体61具有一凹槽62在其底端(未绘示)，所述凹槽用以取出一圆柱芯部63或螺栓，以在随后的复合部件上形成连接孔眼。
或者，负载施加预制体61的底端也可以简单的被放置在芯部63周围。所述63芯部可由相同于其他芯部11至13的可移除或可溶性芯部材料来制成。所述芯部63还被夹持在两件式模具64内，两件式模具64是依序位于一模制工具35的一个对应形状腔室65内。将两个确保件由模具中移除以分开模具64。为了使负载施加预制体61穿过随后的外蒙皮，一凹槽67或具边缘强化的贯穿部，特别是狭缝，是导引形成在这网状半成品66的两个层内。另外，所述孔眼也可以通过在完成渗透及固化时钻凿上述负载施加预制体61而加以形成。在这种情况下，不再需要圆柱芯部63、所述两件式模具64及模具35的腔室65。
图7是图1所示的芯模的另一替代实施例的示意图，特别是为了在生产后便于准确定位芯部。
一芯模68除其他事项外包括三个翼梁板69至71及三个肋板72至74以做为在随后的纤维复合部件内的翼梁及肋的空间支持件(分隔物)。在被翼梁板69至71及肋板72至74个别定义的模室中，总共有八个芯部是如上所述通过填充固化芯部材质而制成的，其中一个芯部75具有元件符号。在芯模68内的其他部件为了清晰目的而不绘示(特别见图1)。
不同于根据图1的芯模1的实施例的是：所述芯模68内提供了多个定位辅助件，两个定位工具是标示了元件符号76、77及代表所有其他的定位工具。定位工具76、77只包含在铸造工艺中，及在硬化/固化后是由芯部中移除。定位工具76、77优选由特氟龙涂布(Teflon-coated)的线材或管体来制成，使它们更容易从芯部中移除。
所述定位工具76、77是通过肋板72、73内的孔洞(未绘示)，且大约依循翼梁板69至71的边缘的各上部及下部轮廓，同时与其维持数个毫米(millimetres)的小距离。然而，由于翼梁板69至71的边缘的曲线及定位工具76、77的直线，这个距离可能会有所改变。定位工具76、77可使用拉紧工具(未绘示)进行机械拉紧，以确保一定义的路径。
所述定位工具76、77的目的如下：一旦铸造的芯部已在加工步骤a)中固化，定位工具76、77将由芯部中移除。所有的芯部接着衬套有预制体，其说明于图2至6的描述中(方法步骤b)。然后，芯部是彼此相邻定位，以形成一行(其最初平行于翼梁预制体)，接着通过重新插入定位工具及支撑在一起而相对彼此准确的配置。在肋方向上额外的芯部接着群聚在一起，以形成一个完整的行，其次是随后的其他行，直至整体结构完成为止。一旦所有的行排列与对位，所有的芯部在步骤c)中都均匀的涂有网状的半成品，以强化外部蒙皮，因而创造了生产一体成型的纤维复合部件所需的完整强化纤维配置的整体结构。所述翼梁预制体、肋预制体的材料厚度以及被包覆的网状半成品的层数应特别加以计算，如此整体结构可在步骤d)中将尽可能准确安装在RTM工艺的至少两件式模制工具内，而不扭曲。如果适用的话，强化纤维的选择性层体必须附加到整体结构，以做为公差补偿。定位工具也防止芯部在RTM工具内移动，及确保所述纤维复合部件的尺寸精度在一高度及可重现性的程度。最后两个步骤e)及f)在RTM工艺后只需要固化纤维复合部件，并随后由中空复合材料元件移除芯部。
图8揭示了介于芯部的75及三个另相邻接但未标示的芯部之间的交叉区域78。在预制体之间的芯部的空间范围是以虚线图案表示。两个连续的翼梁预制体79、80及四个肋预制体83至86位于相交区域78。在某些情况下，平面状垂直刀片可插入连续翼梁预制体79、80之间，以提高翼梁的材料厚度。所述单件式(single-piece)翼梁预制体79及80延伸超过部件的总长度，且对于随后的一体成型纤维复合部件的潜在强度是至关重要的。相较之下，所述肋预制体83至86是次分隔(sub-divided)，亦即他们只在两个相邻的翼梁之间延伸。在每个情况中，在预制体79至86上的上凸耳(未绘示)沿数个相似但未标号的芯部的边缘的方向折迭于其上。四分之一圆形的板体(Quadrant-shaped plates)87、88装配在所述相交区域78内的定位工具76、77上，这些都是用于在随后的复合部件中创造四分之一圆形的排水孔(quadrant-shaped drainage apertures)。所述板体87、88优选是由与芯部相同的可移除材料所制成。根据图8中的实施例，这种板体是用在所有其他相交的区域内，以便创造排水孔。四个肋预制体83至86为此目的具有切角，其形状大约对应于板体87、88的几何形状。因此，四分之一圆形的排水孔可能免除在随后所述纤维复合部件的外蒙皮钻洞，以创造排水工具，这在静力及空气动力学的观点上来看亦是有优点的，并且亦可简化生产工艺。然而，当翼梁没有排水孔时，任何内部结构内的冷凝水只能沿翼梁流动。
作为位于模室的角隅区域内的板87、88的替代方案，肋板72至74(见图7)可以提供相应的定位凹槽或凹陷部，其可能例如是四分之一圆形的，且其在芯部铸造工艺期间填充有芯部材料，并也在随后的复合部件内形成对应的排水孔，以便保证由着陆襟翼沿(纵)翼梁来排除冷凝水。
图9是步骤c)的程序的示意图，其中网状半成品放置在设有预制体的已定位芯部上。
一个网状半成品89，特别是一可悬垂的碳纤维织物，是供应到以两个卷轴90、91为例的装置。由于两个卷轴90、91沿箭头方向指向下方的向下移动，网状半成品89均匀的被拉出所述卷轴90、91及放置到预备结构92上，并加以裁剪成尺寸。每个卷轴90、91在向下移动期间优选靠近所述预备结构92，以及可在垂直方向上重新定位，以支持无折迭(fold-free)的供应过程。
如有必要，所述过程可以重复至少一次，以便在预备结构92上达成增加网状半成品89的材料厚度，因此形成随后的外蒙皮。这些未被绘示的额外压力辊轮可设置用以稳固的将半成品89，最重要的是以无折叠方式，压迫至所述结构92上，如果适用的话，可通过施加热能及/或添加粘结剂，以将其同时固定在其末端位置内。一旦网状半成品89被施加到结构92上，结构92接着将完成一个完整的强化纤维配置的整体结构93，以用于生产纤维复合部件。
图10及11是揭示用于衬套在芯部的两种预制的预制体的示意图，即最终用以建立内部强化结构。这两个预制体已通过切割及折叠平板状胚料而加以形成。可使用的胚料，例如可以由一个多轴纤维织物(fibre-woven)或碳纤维制成的可悬垂纺织物来加以创造。在图10、11中的虚线代表折迭线，粗黑线条象征切割线，及点线代表原来的胚料轮廓或在等距示意图中的隐蔽边缘。切角区域则以阴影线进一步的表明。
图10的左半部揭示了一个胚料的示意实例，胚料是用来生产右手侧绘示的角隅预制体94。所述角隅预制体94用来加强纤维复合部件内的模室的边缘，及通过创造重迭在外蒙皮及翼梁或肋预制体之间形成一个机械连接。角隅预制体94有四个凸耳95至98是通过沿粗黑线(胚料的四方形部分)来切割，并接着通过折叠约90°而形成的，这些凸耳被插入在环绕芯部的边缘的渐变凹陷内(特别见图3)。
图11的左半部揭示一个肋预制体99的胚料的实例，由此，需要在随后的复合部件内创造一体成型的肋的肋预制体99可通过沿粗黑线(大体上具有内圆角的四方形角隅部分)切割及通过折叠凸耳100至103而形成的。外围的轮廓为简化目的而在图11的示意图中显示为一个矩形，但在实际实施例它是依循纤维复合部件的外蒙皮的内部表面几何形状。
通过使用图11所示的肋预制体99，可能在复合部件的每个肋的角隅区域内创造大约四分之一圆形的排水孔，其排水孔可用于排出复合部件。这些肋预制体99的切角状角隅区域在铸造芯部工艺期间通过具有相同几何形状的板体(特别见图7、8)来保持干净。
翼梁预制体的几何形状(未绘示在附图中)，除了在中心省略凹槽及有相当大的纵向延伸(在水平方向)之外，是对应于如图10所示的角隅预制体94的形状。
图12最后揭示由下方观看具有多个内部及底切的强化件的已加工一体成型纤维复合部件。
按照这种方法生产的一纤维复合部件104，其在关于着陆襟翼105的绘示实施例中，具有多个内部、底切的强化件107形成做为一外蒙皮106的一体成型部，举例来说，强化组件107是设计做为(纵向)翼梁108至110及(横向)肋111至113(其相对翼梁108至110形成约90°的角度)。“相交”在相交区域内的翼梁108至110及肋111至113形成一个具有八个大致上紧邻的模室的内部结构，其中之一是具有一个元件符号114，以代表所有其余列举的模室。设在所述底侧115的区域内的外蒙皮106内的孔洞，每个约位在模室的中间内，其中一个孔洞具有元件符号116。所述孔洞是用来对模室排水，及也作为检测或维修的孔洞。所述孔洞也可能配置有在(横向)肋的四分之一圆形的凹槽，至少配置有可用于排放任何渗透水者，但仍可能有利于检测及维护的作业。
纤维复合部件104的也有一负载施加点117形成做为肋112的一体成型部，例如在底侧区域115内的孔眼118形式。
所述肋111至113的角隅区域各具有多个四分之一圆形的孔洞，一个孔洞或凹槽具有元件符号119且其代表所有其他孔洞或凹槽。所述孔洞是用来在RTM工艺末段后冲洗出所述芯部，及做为在加工后的纤维复合部件104内的排水孔，以排出在部件内产生的任何冷凝水。不同于四分之一圆形的模具，所述凹槽119可具有任何可以想到的几何形状。
所述纤维复合部件104优选是使用碳纤维强化环氧树脂来生产。在具较低结构强度及/或冲击强度要求的一体成型纤维复合部件的案例中，其他热固性塑胶材料(thermosetting plastics)，如聚酯树脂(polyester resins)、酚醛树脂(phenol resins)等，也可替换使用。若其机械性能相较于热固性塑胶材料有关应用仍适当的话，则热塑性聚合物(Thermoplastics polymers)也可用于例外情况中。
根据本发明的方法来生产的所述纤维复合部件的104或着陆襟翼105，由于是充分一体成型的建构方法，因而具有良好的强度性质及较轻的重量。此外，所述部件可以在一工业规模的大致完全自动化工艺中加以生产，且具有高度的尺寸精度及良好的几何尺寸可重复性，并且组装成本可大为降低。
只有在稍后阶段需要附加的设备部件(如密封件、金属衬套等)仍需被手动安装。避雷(Lightning protection)织物及/或线材总是需要用于确保有足够的雷击保护于纤维复合材料部件，避雷织物及/或线材可在RTM工艺末段之前通过嵌入铜质织物、铜线材或导电金属穿孔板或类似物来加以创造于外蒙皮内。
如果欲生产的纤维复合部件例如是方向舵单元(rudder unit)、水平安定器(horizontal stabiliser)或完整飞机机翼，则也必需额外组装必要的电动、气动及液压系统。
元件符号列表：
1  芯模
2  下模部
3  上模部
4  翼梁板
5  肋板
6  狭缝(肋板)
7  狭缝(翼梁板)
8  模室(芯部铸造模具)
9  孔洞(用于供应芯部材料或通风)
9a  排水孔
10  肋条
11  芯部
12  芯部
13  芯部
14  角隅预制体
15  蒙皮预制体
16  翼梁预制体(肋预制体)
17  翼梁预制体(肋预制体)
18  侧表面(芯部)
19  侧表面(芯部)
20  中间预制体
21  边缘
22  边缘
23  整体结构(纤维强化配置复合部件)
24  角板(gusset)
25  网状半成品(垂悬的纺织，外蒙皮)
26  芯部
27  芯部
28  芯部
29  芯部
30  翼梁预制体
31  翼梁预制体
32  翼梁预制体
33  网状半成品(外蒙皮)
34  纵梁预制体(纵向强化构形)
35  模制工具
36  角隅预制体
37  角隅预制体
38  蒙皮预制体
39  蒙皮预制体
40  翼梁预制体
41  翼梁预制体
421  中间预制体
43  角板
44  网状半成品(外蒙皮)
45  纵梁预制体(外)
46  纵梁预制体(内)
47  凸耳
48  凸耳
49  凹陷部(芯部)
50  凹陷部(芯部)
51  凸耳
52  凸耳
53  纵向凹陷部(芯部)
54  支持件
55  负载施加(load application)点
56  芯部(可移除)
57  (横向)肋
58  角隅预制体
59  蒙皮预制体(连接角隅预制体<－>外蒙皮之间)
60  肋预制体
61  负载施加预制体
62  凹槽(负载施加预制体)
63  圆柱芯部(孔眼)
64  两件式模具
65  腔室(模制工具)
66  网状半成品(外蒙皮)
67  凹槽(网状半成品)
68  芯模(变化例)
69  翼梁板
70  翼梁板
71  翼梁板
72  肋板
73  肋板
74  肋板
75  芯部
76  定位辅助件(聚四氟乙烯涂布线)
77  定位辅助件(聚四氟乙烯涂布线)
78  相交区域
79  翼梁预制体
80  翼梁预制体
83  肋预制体
84  肋预制体
85  肋预制体
86  肋预制体
87  板体
88  板体
89  网状半成品(外蒙皮)
90  卷轴
91  卷轴
92  结构(具预制体的芯部)
93  整体结构(具预制体的芯部及外蒙皮层)
94  角隅预制体
95  凸耳
96  凸耳
97  凸耳
98  凸耳
99  肋预制体
100  凸耳
101  凸耳
102  凸耳
103  凸耳
104  纤维复合部件
105  着陆襟翼
106  外蒙皮(纤维复合部件)
107  强化件
108  翼梁
109  翼梁
110  翼梁
111  肋
112  肋
113  肋
114  模室
115  底侧(纤维复合部件)
116  孔洞(排水孔)
117  负载施加点
118  孔眼
119  凹槽(排水孔)

Claims (25)

1.一种用于制造一体成型的纤维复合部件(104)的方法，所述纤维复合部件(104)具有受一外蒙皮(106)围绕的多个强化件(107)，其特征在于：包括以下步骤：
a)在一芯模(1,68)中生产多个可移除芯部(11-13,26-29,56,75)，所述芯部(11-13,26-29,56,75)大致形成所述纤维复合部件(104)内部的一表面几何形状，其具有一体成型的翼梁(108-110)及肋(111-113)以形成所述外蒙皮(106),其中所述芯部(11-13,26-29,56,75)的生产是通过在所述芯模(1,68)填充至少一种的可溶性或可熔的芯部材料然后加以固化；
b)将由强化纤维制成的预制体施加至所述芯部(11-13,26-29,56,75)，以形成所述强化件(107)及所述芯部(11-13,26-29,56,75)的配置，以形成一个整体结构(23,93)；
c)将网状半成品(25,33,44,66,89)覆盖于所述芯部(11-13,26-29,56,75)，以制造所述外蒙皮(106)；
d)将所述整体结构(23,93)幷入一个封闭的模制工具(35)中，及利用一可固化塑胶材料渗透所述整体结构(23,93)；
e)通过施加压力及/或温度，以固化形成所述纤维复合部件(104)的成品；以及
f)通过加热及/或施加一溶剂去除所述芯部(11-13,26-29,56,75)，使溶解或液化的所述芯部材料流出在所述纤维复合部件(104)的外蒙皮(106)内形成的至少一孔洞(116)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述芯部(11-13,26-29,56,75)提供一个不透水涂层。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：定位工具(76,77)是铸造在所述芯部(11-13,26-29,56,75)内，然后移除以使所述芯部(11-13,26-29,56,75)相互对位。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：一纵梁预制体(34,45,46)在施加所述网状半成品(25,33,44,66,89)之前被导入到至少一芯部(11-13,26-29,56,75)中的至少一个纵向凹陷部(53)内，以使通过至少一个随后插入的支持部件(54)来作支撑。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：至少一负载施加预制件(61)被导入到两个芯部(11-13,26-29,56,75)之间，以提供一个一体成型的负载施加点(55,117)的连接，其具有至少一负载施加预制体(61)是通过在所述网状半成品(25,33,44,66,89)内的一凹槽(62)进入所述模制工具(35)中。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：角隅预制体(14,36,37,58,94)首先放在所述芯部(11-13,26-29,56,75)上，以加强所述角隅，及接着施加蒙皮预制体(15,38,39,59)，随后则为肋预制体(60，83-86)及翼梁预制体(16,17,30-32,40,41,79-82)，之后角板(24,42)插入相邻的芯部(11-13,26-29,56,75)之间，最后所述芯部(11-13，26-29，56，75)被包覆有所述网状半成品产品(25,33,44,66,89)。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：至少所述肋预制体(60,83-86)具有凹槽，以形成排水孔用以排水。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：定位工具(76,77)是在施加所述预制体后，通过所述芯部(11-13,26-29,56,75)的成品，以确保精确对位。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于：预制体是使用黏结剂固定在定位，及/或预制体已通过制造商预设有粘结剂。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述预制体及网状半成品都是由强化纤维所制成。
11.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述不透水涂层浸渍所述芯部(11-13,26-29,56,75)以防止树脂渗透步骤中用来生产纤维复合部件成品的塑料材料发生渗透。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述网状半成品(25,33,44,66,89)是至少一种的夹层、纺织物或碳纤维。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于：所述网状半成品(25,33,44,66,89)包含至少一种的多个不连续碳纤维或不连续碳纤维粗纱。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于：所述碳纤维是一多轴纤维织造布或非-卷曲纤维制成的碳纤维。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述一体成型的纤维复合部件(104)是一空气动力学表面。
16.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述定位工具(76,77)是无粘性涂布线。
17.如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述纵向凹陷部(53)是一凹槽。
18.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述一体成型的负载施加点(55,117)是一孔眼(18)。
19.如权利要求10所述的方法，其特征在于：所述预制体及网状半成品是碳纤维所制成。
20.一种芯模(1，68)，用于实施如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述芯模(1,68)有多个模室(8)，其包含于一上模部及一下模部(2,3)之间，以定义的一外蒙皮(106)的内表面几何形状，所述模室(8)具有多个分隔物，其是相互分隔及至少部分相交，并具有多个孔洞穿过定位工具(76,77)，及每个模室具有至少一孔洞(9)，以供应芯部材料。
21.如权利要求20所述的芯模(1,68)，其特征在于：所述定位工具(76,77)是无粘性涂布线的形式。
22.如权利要求20所述的芯模(1,68)，其特征在于：在所述分隔物是翼梁板(4,69-71)及肋板(5,72-74)的形式。
23.如权利要求20所述的芯模(1,68)，其特征在于：所述上模部及下模部(2，3)及分隔物是由一个易于加工的金属合金所制成。
24.如权利要求22所述的芯模(1,68)，其特征在于：所述翼梁板(4,69-71)及所述肋板(5,72-74)有狭缝(6,7)，使其可使肋板(5,72-74)及翼梁板(4,69-71)相互插入。
25.如权利要求23所述的芯模(1,68)，其特征在于：所述上模部及下模部(2，3)及分隔物是由一铝合金所制成。
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