CN102672974A - 包括至少一个曲率半径的复合材料零件的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是提供一种包括至少一个曲率半径的复合材料零件的制造方法，该方法包括在凸形工具(22)上将预先浸渍过的一些纤维层(24)设置在另一些纤维层上以及压紧这些纤维层的步骤，其特征在于重复施加局部作用力，以便覆盖曲率半径区域，在给定时刻将作用力施加在比曲率半径区域的一半更小的区域上，从而在安置步骤期间局部压紧纤维层(24)。

Description

包括至少一个曲率半径的复合材料零件的制造方法
技术领域
本发明涉及包括至少一个曲率半径的复合材料零件的制造方法，例如弯管或U形截面增强件的制造方法。
背景技术
图1A和1B示出了具有U形截面的增强件10。如图2A和2B所示，该增强件10可以通过将预先浸渍过树脂的纤维层14堆放到凸形工具12上而得到。
利用铺设机器可以将这些纤维层14沿预定的纤维方向设置。
在设置完这些纤维层以后，再将由一个囊覆盖成的该组件引入一个加温加压炉中，经受加温加压循环，以便实现增强件10的聚合。在该聚合步骤期间，在囊上的外压可以达到7～10巴。这种压力的作用在于引起收缩，旨在在聚合期间去除各层之间以及纤维周围的空气。
作为说明，收缩引起零件厚度的减少约是其厚度的12～15％。
当用凸形工具支撑零件时，收缩造成纤维超出长度，特别是在曲率半径较小的区域处。由于纤维超出长度，所以在聚合以后，在曲率半径较小的区域处形成纤维的波纹，这样就会明显降低零件的机械特性。
因此，为了限制零件的机械特性或其它特性变差，所以在铺设期间，将纤维层14进行压紧。
根据图2A所示的称作真空压紧的第一实施模式，用一个囊16将设置在工具12上的纤维层14覆盖，在该囊的下面应用一个空气层。在铺设期间，设置的所有5～10层，要定期重复这种操作。这种实施模式会产生收缩，其聚合前超出的厚度大概是零件厚度的8％，这是不理想的。
根据图2B所示的称作加热真空压紧的另一实施模式，就像上述一样进行真空压紧，并且使用加热设备18将材料的温度升高到约80℃。即使这种实施模式能够改进真空压紧，但是由于这种具有加热的真空压紧会产生收缩，其聚合前超出的厚度大概是零件厚度的4％，这是不理想的，所以这种方案并不十分令人满意。
用于使收缩最佳化的一个方案可以在于在压紧期间提高温度。但是，因为高温导致树脂的流动性太大，因此由于树脂朝压得不太紧的区域迁移，使得小曲率半径的区域脱水，所以不考虑这种方案。
用于使收缩最佳化的另一个方案可以在于增加真空加热压紧的操作频率。但是由于重复加热循环，而这种加热循环导致树脂焓能增加，焓能的增加在聚合期间是不利的，所以这种方案并不令人满意。
此外，增加真空加热压紧的操作频率会导致生产量下降，并且导致生产成本大幅度提高。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的这些缺陷，提出一种通过堆放纤维层得到的复合材料零件的制造方法，这种方法可以在设置所述纤维层期间改进这些纤维层的收缩效果。
为此，本发明提供一种包括至少一个曲率半径的复合材料零件的制造方法，该方法在聚合步骤以前包括在一个工具上将预先浸渍过的一些纤维层设置在另一些纤维层上以及压紧所述这些纤维层的步骤，其特征在于反复施加局部作用力，以便覆盖曲率半径区域，在给定时刻，将作用力施加在比曲率半径区域的一半更小的区域上，从而在安置步骤期间局部压紧纤维层。
附图说明
通过阅读下面结合附图对仅作为例子给出的说明的描述将会更清楚地理解本发明的其它特征和优点，其中：
图1A是根据本发明方法得到的零件的一个例子的透视图；
图1B是图1A所示零件的横向剖视图；
图2A是说明根据现有技术压紧纤维层的第一实施模式的示意图；
图2B是说明根据现有技术压紧纤维层的另一实施模式的示意图；
图3是说明在一个零件的曲率半径处纤维有可能出现波纹的剖视图；
图4A-4C是说明根据本发明压紧纤维层的一个实施模式的示意图；和
图5是说明能够实施本发明的压紧纤维层的方法的装置的示意图。
具体实施方式
根据图4A-4C，在示出的凸形工具22上安置预先浸渍过的纤维层24，这些纤维层一些在另一些上，以便在聚合以后得到复合材料零件20。根据所示的实施例，该零件20沿横向剖面为U形型面。当然，本发明不限于这种型面，本发明适用于型面具有至少一个小曲率半径的其它零件。小曲率半径是指这样的一个半径：如果纤维层24在安置所述纤维层24的操作期间没有被压紧，则在聚合时，由于收缩，则纤维在该半径处会起波纹。
工具22不再详细说明，因为该工具根据所要制造的零件改变。此外，它是本领域技术人员公知的，并且可以与现有技术的工具12相同。
纤维层的数量、纤维的性能、纤维层的定向可以根据应用而改变。因此，这些要素不再描述。
利用铺设装置或是手动或是自动地将纤维层24装到工具22上。在将纤维层装到工具22上时要注意纤维的定向。
对于下面的描述，纵向对应于零件的最长方向。用横向平面表示与纵向垂直的平面。
如图3所示，收缩前隔开的两个点A和B之间的长度L大于两个点A’和B’之间的长度L’，这两个点A’和B’分别对应于收缩以后的点A和B。长度的减少ΔL＝L-L’是曲率半径、纤维在零件的厚度中的位置、收缩系数以及纤维的定向的函数。如果长度比ΔL/L与曲率半径成反比，且纤维起波纹的可能性正比于长度比ΔL/L，则曲率半径越小，纤维起波纹的可能性就越大。
为了限制这种起波纹的可能性，本发明的方法在于在曲率半径的区域，最好沿与最后一层纤维基本垂直的方向对设置的该最后一层纤维施加局部分布的作用力，从而压紧纤维层，由此局部压紧所述纤维层。
局部作用力指的是在一个横向平面中，在某一时刻向一个比曲率半径的区域的一半更小的区域施加的作用力。
这种方案可以在局部获得大的压力，但时间很短。这样，树脂流到零件的厚度中，填补各纤维层之间和纤维之间的空隙。由于作用力是局部和短暂的，因此弯曲区域脱水的可能性受到限制。
最好使用至少一个支点来施加局部作用力。
这样，与同一时刻在曲率半径的整个表面上施加作用力的囊不同的是，支点产生的压力不会在曲率半径的整个区域延伸，而是重复施加，从而覆盖所述区域。
根据第一实施模式，支点可以重复施加局部作用力，从而覆盖曲率半径区域。在这种情况下，促使支点沿基本与最后一个纤维层垂直的方向在触点上往复运动，同时结合其它能够使触点在每个往复运动之间移动的运动，以便覆盖曲率半径区域。
根据另一实施模式，支点通过滑动和/或滚动可以在该安置的最后一个纤维层上移动。在这种情况下，支点保持与该安置的最后一个纤维层接触。
最好利用加热设备26将纤维层加热到约80℃的温度，以便获得约100Pa.s的树脂粘度。这种粘度可以使树脂足够流动，以便将各层和各纤维之间的所有空隙填满，但流动不会太大，由此来限制曲率半径区域出现脱水的可能性。
最好使用一个囊28覆盖纤维层，在囊的下面实现真空，从而保持因局部施加的作用力所产生的变形，并且防止局部作用力消失以后可能出现的纤维层的间隙。
根据一个实施模式，为了实现支点，可以使用一个沿与纵向平行的方向移动的滚轮30。滚轮的转轴32最好设置在一个横向平面中。
滚轮30最好实现多个通道，每个通道的特征在于滚轮的不同倾斜，如图4A-4C所示，这样实现的不同通道与纵向平行，覆盖曲率半径区域，并且最好在曲率半径两边的邻近区域。
根据一个优选实施模式，安置纤维层的工序包括以下工序：
在工具22上安置5～10个纤维层；
将一个囊28定位，抽取囊下面的空气；
用加热设备26将纤维层加热到约80℃的温度；
用一个支点施加局部作用力，以便在曲率半径区域中实现理想收缩；
将材料冷却；
提取囊28；
安置随后的5～10个纤维层，重复上面的顺序。
最好用安置纤维层的机器来操作支点。
根据图5所示的一个实施模式，可以使用一个安置纤维层的机器34，该机器包括臂36，臂36的端部38可以沿三个平移方向X、Y、Z移动，这三个平移方向对应于正交的轴。使用框架40支撑工具22，该框架具有与需要制造的零件的纵向以及X方向平行的转轴42。
加热设备26例如为红外灯形式，设置在工具22的周围。
可以使用安置机器34的臂来支撑滚轮30。在这种情况下，滚轮30沿转轴32的方向(包含在平面YZ中)可转动地安装在一个支撑件46上，该支撑件本身可以沿一个与轴X平行的转轴相对于被固定在安置机器34的臂36上的夹具48转动。
根据变型，滚轮30可以包括加热设备。
根据另一个实施模式，可以用滑板或用焊头(sonotrode)代替滚轮。

Claims (10)

1.包括至少一个曲率半径的复合材料零件的制造方法，该方法包括将预先浸渍过的纤维层(24)放置在凸形工具(22)上，以及压紧这些纤维层的步骤，其中一些纤维层设置在另一些纤维层上，其特征在于，重复施加局部作用力，以便覆盖曲率半径区域，在给定时刻将作用力施加在比曲率半径区域的一半更小的区域上，从而在安置步骤期间局部压紧纤维层(24)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用加热设备(26)对纤维层(24)进行加热。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在施加局部作用力之前，使用囊(28)覆盖纤维层(24)，并抽空所述囊(28)下面的空气。
4.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于，使用至少一个支点来施加局部作用力。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过滑动和/或滚动使所述支点在安置的最后一个纤维层的表面上移动。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，将一个滚轮(30)用作支点。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，使用滚轮(30)实现多个通道，每一个通道的特征在于滚轮的不同倾斜，以便得到覆盖所述曲率半径区域的不同通道。
8.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于，设置多个纤维层，将已经安置的纤维层压紧，然后在已经压紧的纤维层上设置多个纤维层。
9.用于实施上述任一权利要求所述的方法的装置，其特征在于，使用安置纤维层的机器来操作支点和施加局部作用力。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，该装置包括安置纤维层的机器(34)，该机器包括臂(36)，框架(40)和滚轮(30)，所述臂(36)的端部(38)可以沿三个平移方向(X，Y，Z)移动，所述框架(40)具有转轴(42)并支撑其上安置有纤维层的工具(22)，以及所述滚轮(30)沿转轴(32)的方向可转动地安装在支撑件(46)上，所述支撑件本身可以沿一个转轴相对于被固定在安置机器(34)的臂(36)上的夹具(48)转动。
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