CN103302868A - 包含单丝张紧步骤获得复合材料部件的方法及其实施工具 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是用于由纤维层的预成型件(12)获得复合材料部件的方法，所述纤维层预浸渍有树脂并在工具(18)上依次堆叠，所述预成型件(12)由下表面、上表面(22)和外围侧面(24)限定。根据本发明，所述方法的特征在于，所述方法包括在铺设最后一层后，将外围部件(28)附着在所述工具(18)上，所述外围部件(28)包括适合于覆盖所述上表面(22)的外围边缘的翼部(30)，从而在所述预成型件的外围形成邻近所述预成型件的侧面(24)的外围腔(26)，以及在聚合阶段前抽取存在于所述外围腔(26)中的气体，以便在所述单丝的端部施加拉力来张紧所述预成型件的单丝。

Description

包含单丝张紧步骤获得复合材料部件的方法及其实施工具
技术领域
本发明涉及结合单丝张紧步骤来获得复合材料部件的方法以及实施该方法的工具。
背景技术
复合材料部件由嵌入在树脂基质中的纤维构成。更具体地说，本发明涉及由经过聚合周期的预浸渍纤维的预成型件制造复合材料部件，在此聚合周期期间，纤维的预成型件被压缩并经受上升的温度。
对于某些复合材料部件，预成型件通过在凸面工具上依次堆叠预浸渍纤维层来获得，其中纤维按定位方向放置，并根据所需的机械特性被预先设定。根据一种操作模式，每一层由并列的纤维条构成，纤维沿各个条带的方向定向。通常，纤维由几个单丝构成，且条带的厚度可以根据每单位面积的重量，更具体地是根据每根纤维的单丝的数目，而有所不同。
当条带的铺设表面是可展开的和/或呈现不明显的曲率半径时，条带在其整个宽度和整个长度上接触铺设表面。在这种情况下，条带的所有单丝具有几乎相同的张力。
当铺设表面不可展开时则是非常不同的情况。尤其是这样一种情况，因为飞行器的前端机身或部件具有可变的厚度，如飞行器机翼的纵梁在其整个长度上具有可变的截面，复合材料的壁面具有双曲率。
在不可展开表面的情况下，由位于条带的边缘区域的单丝上的表面所施加的第一轨迹和由位于条带的另一边缘区域的单丝上的表面所施加的第二轨迹之间的长度是有差别的。就条带的单丝是类似不可伸长的情况而言，靠近一个边缘布置的单丝将被张紧，而布置在另一边缘区域内的单丝将被压缩，从而形成波动。
当具有高的每单位面积的重量并因此具有大的厚度的条带铺设在例如大约10至30mm的小曲率半径上时，单丝的张力也是非均匀性的。事实上，在内半径的区域内布置的单丝被压缩并倾向于波动。
在聚合后被截留在树脂基体中的单丝的张力的非均匀性导致所制造的部件的机械特性下降。事实上，这种部件的渐进式机械装载造成拉力仅施加在最先张紧的单丝上，然后在较少张紧的单丝上增加负载，如此等等，直到最少张紧的单丝，最大张紧的单丝达到其牵引的阻力极限并趋于破裂。
有许多限制波动风险的解决方案，但没有一个是完全令人满意的。
第一种解决方案是控制条带的铺设，避免条带的任意间隙和重叠。事实上，压缩的单丝倾向于在重叠和间隙区域中松弛，并在其中形成波动。在没有这样的区域的情况下，压缩的单丝往往保持它们的位置。即使这种解决方案能够限制波动风险，但它没有解决单丝的张力的非均匀性问题，导致生产率的显著下降。
在不可展开表面的情况下，另一种解决方案与研究部门的纤维定向规则相脱离，更接近铺设表面的测量轨迹来有利地铺设轨迹。此种解决方案会导致部件的机械特性减少。此外，它没有克服在非常显著的曲率半径区域内铺设的情况下的波动风险。
在不可展开表面的情况下，另一种解决方案是减小条带的宽度，以便限制位于条带的第一边缘区域内的单丝的轨迹和位于条带的另一边缘区域内的单丝的轨迹之间的长度差。这一解决方案不能令人满意，因为它会导致条带的数目增加，从而生产率被显著降低。根据另一个限制，它并没有解决在非常显著的曲率半径区域内铺设条带的相关问题。
在非常显著的曲率半径的情况下，一种解决方案是限制条带的厚度(每单位面积的较低重量)。这一解决方案不能令人满意，因为它会导致铺设的层的数目增加，从而显著降低生产率。此外，它并没有解决在不可展开表面上铺设条带的相关问题。
因此，现有技术的方法没有提供在质量和生产率方面的最佳结果。
发明内容
因而，本发明旨在克服现有技术的缺点。
为此，本发明的目的是提供一种由纤维层的预成型件获得复合材料部件的方法，所述纤维层预浸渍有树脂并在工具上依次堆叠，所述预成型件由下表面、上表面和外围侧面限定。本发明的特征在于，所述方法包括在铺设最后一层后，将外围部件附着在所述工具上，所述外围部件包括适合于覆盖所述上表面的外围边缘的翼部，从而在所述预成型件的外围形成邻近所述预成型件的侧面的外围腔，以及在聚合阶段前抽取存在于所述外围腔中的气体，以便在所述单丝的端部施加拉力来张紧所述预成型件的单丝。
张紧单丝的这一步骤能够平衡单丝的张力，以减少波动风险。
附图说明
本发明的其他特征和优点将通过如下的描述变得清楚，该描述为非限定性示例，附图中：
图1是根据本发明方法制成的部件的一个示例的透视图；
图2是图1中示出的部件的横截面图；
图3是示出了用于实施根据本发明的方法的第一种工具的横截面图；以及
图4示出了用于实施根据本发明的方法的另一种工具的横截面图。
具体实施方式
图1和图2示出了具有U形横截面的复合材料部件10。举例来说，这样的部件可以用来作为飞行器机翼的纵梁。纵梁的厚度e可在7至25mm之间变化，其高度H可在200至1500mm之间变化，纵梁的宽度A可在200至400mm之间变化，且其长度可以达到10m。
当然，本发明并不限定于这一应用。它可用来形成不同的复合材料部件。当部件具有不可展开表面和/或非常显著的曲率半径时尤其适用。
部件10由经过聚合周期的预浸渍纤维的预成型件12获得。一旦完成后，部件10包括嵌入在树脂基体中的增强纤维。
在一般情况下，纤维分别由多条单丝构成。单丝和树脂的材料可根据应用来变化。
根据一种实施方式，如图3和图4所示，预浸渍纤维的预成型件12通过堆叠纤维层14获得，不同层包括彼此相邻的纤维的条带16。
对于每个条带，纤维是沿平行于条带纵向(条带的最大尺寸)的唯一方向定向。
每个条带的特征在于宽度和厚度同样对应于条带的每单位面积的重量。举例来说，条带可以具有大约5至10mm的宽度，大约0.3mm的厚度。
纤维的第一层被铺设在工具18上，工具18具有凸起的铺设表面20，其与待制造部件的一个表面互补。
当所有的纤维层已依次铺设时即构成预成型件12。
不管纤维层的铺设模式，预成型件12由第一层的下表面(平坦抵靠铺设表面20)、最后铺设一层的上表面22以及外围侧面24限定，所述外围侧面24遍及预成型件12的整个外围延伸。
根据本发明，形成纤维的大多数单丝包括布置在侧面24的第一区域范围内的第一端和布置在与所述第一区域间隔开的侧面24的第二区域范围内的第二端。
根据本发明，用于获得复合材料部件的方法包括在聚合阶段之前铺设纤维层期间用于张紧最初没有张紧的预成型件的单丝的步骤。此步骤能够平衡单丝的张力，以减少波动风险。为了促使单丝被张紧，在单丝的每个末端施加拉力。此拉力来自预成型件的侧面24的至少一部分区域内的真空现象。优选地，所述真空现象产生在预成型件的侧面24的整个长度上并遍及其整个高度。
在真空现象之前或与此同时，预成型件12被加热，使得浸渍纤维的树脂具有合适的粘度，以允许单丝轴向相对滑动。预成型件不会发生过大的温度上升，从而不会导致纤维由于树脂过于流动而被干燥。
优选地，对应于在60和100℃之间的温度上升，树脂的粘度在1000和50Pa.s之间。
为了获得单丝的张力，在邻近侧面24的外围腔26中形成低于预成型件12外部压强的压强。举例来说，外围腔26具有大致正方形的截面，一个侧面大致等于部件的侧面24的高度。
有利的是，在外围腔26中产生小于0.5巴绝对值的压强。
根据本发明，外围腔26由预成型件的侧面24、工具的铺设表面20和最后一层铺设之后附着于工具18上的外围部件28限定，其包括远离侧面24的一个表面29和能够覆盖已铺设最后一层纤维的上表面22的外围边缘的翼部30。
此外，工具包括气体抽取装置31，其开口到外围腔26，以从所述外围腔26抽取气体。气体抽取装置31包括至少一个管道，其开口到在侧面24和外围部件的表面29之间的铺设表面20区域内，并且管道基本上彼此平行且垂直于铺设表面20。
外围部件28被制成为一体或者端对端放置的几个部件。外围部件28通过可拆卸的连接装置32(例如，多个螺钉)被连接到工具。
密封装置被提供用以确保外围腔26是防漏的。
根据图3中所示的第一实施方式，预成型件12和外围部件28由囊状物34覆盖，囊状物34通过密封装置36在外围部件28的外侧连接到工具。例如在高压釜中，在囊状物34的外部施加大约7巴的外部压强，以使囊状物平坦抵靠预型件和外围部件。
根据图4中所示的另一实施方式，囊状物34可以由夹在翼部30和上表面22的外围边缘之间的密封接头38来替换。密封装置也可被设置在外围部件28和铺设表面20之间。张紧单丝阶段的持续时间直接与树脂粘度和后备长度(over-length)相关，后备长度被认为是有必要被吸收的，以消除单丝的任何压缩。
一般来说，单丝的后备长度被估计为大约1至3mm。
从粘度公式开始，得到V＝(k.P.e2)/(2.n.H)，其中V是以mm/s为单位的单丝的位移速度，k是收缩现象，P是以Pa为单位的外围腔中的压强，e是以mm为单位的一个层的厚度，n是以Pa.s为单位的粘度，以及H是以mm为单位的侧面和存在后备长度的纤维区域之间的距离。
举例来说，在85℃，树脂具有n等于100Pa.s的粘度。如果认为后备长度远离侧面的距离H等于400mm，层的厚度为0.3mm，k＝0.05，压强为7.105Pa，由此获得速度为0.039mm/s。
因此，为了吸收1mm的后备长度，用于张紧单丝的阶段的持续时间大约在25秒。
对于大约1.105Pa的压强，1mm的后备长度可以在3分钟内吸收。

Claims (8)

1.由纤维层的预成型件(12)获得复合材料部件的方法，所述纤维层预浸渍有树脂并在工具(18)上依次堆叠，每个纤维包括多个单丝，所述预成型件(12)由下表面、上表面(22)和外围侧面(24)限定，所述预成型件(12)经受聚合阶段，其特征在于，所述方法包括在铺设最后一层后，将外围部件(28)附着到所述工具(18)上，所述外围部件(28)包括适合于覆盖所述上表面(22)的外围边缘的翼部(30)，从而在所述预成型件的外围形成邻近所述预成型件的侧面(24)的外围腔(26)，以及在聚合阶段前抽取存在于所述外围腔(26)中的气体，以便在所述单丝的端部施加拉力来张紧所述预成型件的单丝。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括在所述翼部(30)和所述上表面(22)的所述外围边缘之间夹入密封接头(38)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在张紧单丝阶段期间，树脂的粘度在1000和50Pa.s之间。
4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，所述方法包括在所述预成型件的所述侧面(24)的区域内产生小于0.5巴绝对值的压强。
5.根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，所述方法包括使用囊状物(34)覆盖所述预成型件(12)和所述外围部件(28)，所述囊状物(34)通过密封装置(36)在所述外围部件(28)的外部连接到所述工具，以在所述囊状物(34)的外部施加压强。
6.用于实施根据前述任一权利要求所述的方法的工具，其特征在于，所述工具包括：
-铺设表面(20)，纤维层被附着于所述铺设表面上，以形成由下表面、上表面(22)和外围侧面(24)限定的预成型件(12)；
-外围部件(28)，其通过可拆卸的连接装置(32)连接到所述工具，所述外围部件(28)包括与所述侧面(24)间隔开的表面(29)和适于覆盖所述上表面(22)的外围边缘的翼部(30)；以及
-气体抽取装置，其开口到由所述预成型件的所述侧面(24)、所述铺设表面(20)和所述外围部件(28)限定的外围腔(26)。
7.根据权利要求6所述的工具，其特征在于，所述工具包括囊状物(34)，其覆盖所述预成型件(12)和所述外围部件(28)，并通过密封装置(36)在所述外围部件(28)的外部连接到所述工具。
8.根据权利要求6所述的工具，其特征在于，所述工具包括夹在所述翼部(30)和所述上表面(22)的所述外围边缘之间的密封接头(38)。
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