CN103660309A - 用于以叠层纤维的复合材料生产具有凹角的型材的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的主题是一种用于生产具有凹角的复合材料构件的方法，该方法包括的步骤包括堆叠纤维层(72)，其中纤维已经被预浸渍有树脂从而获得预成型件，并且将预成型件放置在工具夹具中以便使其经受聚合周期，聚合周期包括具有升温阶段和至少一个保持温度均热过程(96)的温度周期(85)，聚合周期还包括在工具夹具之外的具有升压阶段(90)和保压阶段(92)的压力周期(86)，如果温度周期(85)的温度等于或者高于取决于树脂的阈值温度Tf，预浸渍的纤维层能够相对于彼此滑动，其特征在于，温度周期的升温阶段包括温度高于或等于阈值温度Tf的均热过程(100)，均热过程(100)在升压阶段(90)的结束之前开始。

Description

用于以叠层纤维的复合材料生产具有凹角的型材的方法
技术领域
本发明涉及一种用于以叠层纤维的复合材料生产具有凹角的型材的方法。本发明更具体地涉及用于生产飞机机身框架的方法。
背景技术
根据在图1中示出的一个实施例，机身框架10采用Z截面型材的形式，其中被称为腹板12的中间部分形成一个完全或部分的环。所述型材包括被称为内法兰的第一法兰14，其定位在腹板12的内边缘上并且与之垂直；还包括被称为外法兰的第二法兰16，其定位在腹板12的外边缘上并且也与之垂直。
在文献FR-2.928.295中描述了一种用于以复合材料生产这样的框架的方法。
根据所述文献，首先大致上矩形的带状物由三层预浸渍的纤维的叠层生产，每层具有沿一个方向定向的纤维，所述带状物包括具有不同纤维定向的层，即，具有以30°定向的纤维的层18、具有以90°定向的纤维的层20以及另一具有以150°定向的纤维的层22。
在第二阶段，纤维层的带状物被放置在由可变形的材料构成的心轴24上并且随后在该心轴上被压紧从而使其形状一致。
该可变形的心轴可以在一个直线的位置与一个曲线的位置之间被变形但是具有一个不可挤压的或几乎不可挤压的横截面。
随后，被放置在由可变形的材料制成的心轴上的变形的带状物与一个加热的工具夹具接触，所述加热的工具夹具在其周边上具有带有轮廓的径向部分，该轮廓与所述心轴的横截面互补。因此，在弯曲过程中，所述带状物被压紧并且经受温度的上升。
在第一带状物被放置之后，三层预浸渍的纤维中的第二带状物被切掉并且被放置在另一可变形的心轴上，随后在其上压紧。
接着，在由可变形的材料制成的其心轴上变形的第二带状物与仍旧定位在工具夹具上的第一带状物接触并且随后相对于第一带状物被压紧。
为了获取框架，在因此形成的整个组件被聚合之前对于几个带状物必要的是如上述那样被相互粘接。
为了对此进行补充，具有以0°定向的纤维的层可以被手动地放置在确定的带状物之间。
在说明书的剩余部分中，预成型件的意思是还未被聚合的大量预浸渍的或非预浸渍的纤维，特别是源于纤维的叠层、多层纤维、纤维的带状物。
生产飞机框架的这种方法可以证明在将带状物堆叠在另一带状物上的过程中是存在问题的。
之所以是存在问题的，因为预成型件具有凹角，预成型件的没有与工具夹具接触的那个表面具有凹的形状。当堆叠层以便获取具有凹角的复合材料的直线形型材时，相同的问题也会产生。
所发生的是：如果将一层叠置于叠层之上，为了在型材的整个宽度上使表面与被加到被叠置的叠层的层的第一侧接触，接触的第一点需要位于在所述凹角的顶点，通过展开它，到已经被成形的叠层的相应侧，再以相同的方法在第二侧上重复。
考虑到预浸渍的纤维的层的“粘着性”，一旦所述层相互接触那么为了再调节它们的位置就很难将它们分开。因此，获取具有在预成型件的整个宽度上接触的层的预成型件是非常棘手的事情。当所述层不是直线的而是曲线的，那么这个难度被进一步加重，因为它们是在飞机框架的情况下。
考虑到这些定位困难，被称为桥接的缺陷可能在凹角处产生，两个层26、26’没有被彼此相对地牢固地压紧而是在横跨凹角限定空间28，如在图5A中所示。
如果所有的层已被堆叠，那么得到预浸渍纤维的预成型件30，其需要经受聚合周期以便获取一种复合构件。如在图3中示出的那样，在该周期期间，预成型件30被定位在一个工具夹具中，所述工具夹具包括所述预成型件定位在其上的模具32和覆盖所述预成型件的盖部34。
根据一个实施例，模具32包括用于抽气的装置，该装置经由至少一个开口通向由预成型件覆盖的区域之外但离该区域距离很短的、预成型件放置于其上的定位表面38。
所述盖部34包括：
·成形工具40；
·通气纤维织物42，其设置在预成型件30和成形工具40的周边，在抽气装置的开口36处与定位表面38接触；
·覆盖成形工具40的离型膜44；
·泄放毡46，其覆盖成形工具40和通气纤维织物42；以及
·挠性包套48，其经由环绕通气纤维织物42的周边的密封装置50附接到定位表面38。
在安装所述盖部之后，预成型件在所述纤维已经被嵌入到树脂基质结束时经受聚合周期。如在图4中所示，聚合周期包括温度周期52、在所述挠性包套之外的压力周期54和在所述挠性包套48之内的抽真空周期56。
温度周期52包括升温、温度均热过程和冷却阶段。根据在图4所示的过程，温度周期包括两个温度均热过程。
压力周期54包括加压、保压以及最后的、将压力减小到大气压的过程。
抽真空周期56与温度周期和压力周期在相同的时刻开始并且被保持直至冷却阶段的结束。
因为加压显著地比温升更快，所以挠性包套48在大多数的升温时间内将最大的压力传递到成形工具40。
如在图5A中所示，成形工具40施加压缩载荷58到第一层并且随后继续传递到下面的各层。如果如图5A中所示的那样发生缺陷，这些几乎垂直于接触表面的压缩载荷58显著地在由空间28分隔开的层26、26’之间产生层内的剪切应力60。
当温度上升时，层之间的附着力减小，以至于由于层内的剪切应力60，在两个连续层之间具有撕裂，这导致在纤维中形成褶皱62，如在图5B中已经示出的那样。
因此，根据现有技术，在堆叠所述层时桥接类型缺陷导致缺陷，由于该缺陷在制造过程的结束时在构件的纤维中具有波动。
在复合材料的构件中，纤维中这些波动的出现具有减小其机械性质的趋势。
本发明寻求补救现有技术中的缺点。
发明内容
因此，本发明提出一种制造的方法，其使得可以减少在具有凹角的复合材料构件的纤维中出现波动，即使为了获取预成型件来堆叠层而不可避免地引起两层之间凹角处产生桥接。
出于这个目的，本发明的一个主题在于一种用于生产具有凹角的复合材料构件的方法，所述方法包括的步骤在于：堆叠纤维层，其中所述纤维已经被预浸渍有树脂以便于获得预成型件；并且将所述预成型件放置在工具夹具中以便使其经受聚合周期，其中所述聚合周期包括具有升温阶段和至少一个保持温度的均热过程的温度周期，所述聚合周期还包括作用在所述工具夹具外部上的具有升压阶段和保压阶段的压力周期，当所述温度周期的温度等于或者高于依赖于树脂的阈值温度Tf时，被预浸渍的所述纤维层能够相对于彼此滑动，其中，所述温度周期的所述升温阶段包括一个温度高于或等于所述阈值温度Tf的均热过程，所述均热过程在所述升压阶段结束之前开始。
附图说明
从本发明的以下描述其他的特征和优点变得明显，所述描述单独地借助于例子参照所附附图给出，其中：
图1为飞机机身框架的一部分的透视图；
图2为在具有剖面图的直线的可变形的心轴上纤维的层的堆叠的透视图，从而示出了在堆叠的层中的纤维的定向；
图3为工具夹具的截面图，其中由纤维的堆叠层生产的预成型件已经被定位；
图4为根据现有技术在聚合周期期间温度、压力和抽真空周期的示意图；
图5A为预成型件的截面，示出了根据现有技术在聚合周期中在升温阶段由外部压力产生的载荷和桥接类型的缺陷；
图5B为在图5A中示出的预成型件的截面，示出了根据现有技术在聚合周期期间褶皱的形成；
图6为根据本发明在聚合周期期间温度、压力和抽真空周期的示意图；
图7A为预成型件的截面，示出了根据本发明在聚合阶段并在升温阶段的期间内桥接类型的缺陷；以及
图7B为在图7A中示出的预成型件的截面，示出了在聚合阶段桥接缺陷的纠正。
具体实施方式
图7A描述了预浸渍的纤维的预成型件70，其通过堆叠纤维的层72获取。
术语“层”能够表示一层纤维或包括几层的带状物。
在说明书的剩余部分中，所述层的最长尺寸对应于纵向方向。
纤维72的堆叠层在模具74上进行，所述模具在聚合阶段期间也可以被使用。
预成型件70包括至少一个凹角76，预成型件70的未与模具74接触的表面具有在垂直于纵向方向的截面内是凹形的形状。
考虑到预浸渍的纤维的层的“粘着性”，桥接类型的缺陷78几乎总是在堆叠层72时发生。这种桥接类型的缺陷78包括位于凹角76处在连续层72a与72b之间的空间80。因此层72a和72b在位于凹角的顶点的一侧上的第一点P1与位于凹角的另一侧上的点P2之间不再相互接触。在这些点P1和P2之间，层72a的弧长大于层72b的弧长。
在聚合周期期间，预成型件70被放置在包括模具74和盖部的工具夹具中。该工具夹具可以与现有技术中的工具夹具相同。因此为了使描述更简单，只有盖部的成形工具82和挠性包套84已经在图5A和图5B中示出。如在现有技术中那样，如果在工具夹具外部上的压力升高，挠性包套84施加压缩载荷，其趋向于相对于预成型件70牢固地压紧成形工具82。
优选地，工具夹具包括成形工具82，其定位在凹角处预成型件与挠性包套之间以确保所述凹角被正确地成形。因此，通常，如果挠性包套84与成形工具82不相关，那么工具夹具不能够获得凹角的几何结构。
如在图6中所示，聚合周期包括温度周期85和压力周期。
优选地，压力周期在由模具74和挠性包套84限定的区域中包括在工具夹具的外部上的压力周期86和在工具夹具的内部上的预成型件70上的抽真空周期88。
在工具夹具的外部上的压力周期86在时刻T1开始并且包括压力升高阶段90、保压阶段92和恢复阶段，在所述恢复阶段中压力恢复到大气压94。压力的升高非常快，从而相应于保压阶段92的开始的时刻T1’非常接近于T1。
温度周期85包括温度升高阶段、一个或多个温度均热阶段96和冷却阶段98。
当树脂已经固化时，保压阶段92的结束开始，并且在冷却阶段98期间发生。因此，保压阶段92的结束在冷却阶段的开始之后出现。
通过示例，在保压阶段92期间，在工具夹具的外部上的压力大约9bar。
根据示出的例子，温度周期85包括两个均热过程96、96’，一个在135℃而另一个在180℃。作为数量级的指示，两个均热过程具有大约120至180分钟的持续时间。
当然，本发明不限于均热过程的数量、或者这些均热过程持续时间、或者这些压力和温度值。所有这些特征将由本领域内技术人员尤其是根据树脂的流变性调整。
在升温期间，当温度等于或高于取决于树脂的阈值温度Tf时，预浸渍的纤维的层能够没有褶皱地相互相对滑动。
阈值温度Tf由测试确定。其根据树脂、纤维、层的编制类型等而不同。
作为数量级的指示，阈值温度Tf在50℃与65℃之间而不同。
根据本发明，预成型件在压力升高阶段90结束之前保持在高于或等于阈值温度Tf的均热温度。有利地，均热温度低于聚合起始温度，该温度大约相应于温度周期的第一温度均热过程96的温度。
优选地，该预成型件在压力周期开始之前保持在均热温度。
因此，根据本发明，升温阶段包括处于高于或等于阈值温度Tf但是优选低于开始聚合的温度的温度下的均热过程100，所述均热过程100在压力升高阶段90结束之前并且优选在压力周期86开始之前开始。
均热过程100是处于大约80℃的温度。
在压力周期开始之前，均热过程100的持续时间需要足够长以便获得贯穿预成型件的均一温度，其高于或等于阈值温度Tf。通过示例，在压力周期86开始之前，均热过程100的持续时间大于或等于30分钟。
有利地，抽真空周期88在压力周期开始之前开始并且优选与温度周期85同时开始。在层被压紧到纤维的末端在预成型件的周边被向下吸之前，这个特征允许纤维经受拉伸载荷，并且也允许包含在预成型件的层内的任何空气被抽吸。
图7A示出了在压力周期86开始之前均热过程100期间的预成型件70。在这种情况下，由于已经出现的真空，挠性包套84和成形工具82施加仅仅非常轻的载荷到预成型件70上。这些载荷显著地低于在压力周期86期间由挠性包套84和成形工具82施加的压缩载荷104，所以这些载荷还没有被示出。
在该均热过程100期间，对于层72能够如由箭头104所示的那样相互滑动必要的条件被建立。真空的抽取允许拉伸载荷106被施加到所述层的纤维上。
如果压力周期86开始，挠性包套84和成形工具82施加压缩载荷102到所述预成型件。由于树脂是充分流动的，所以所述层能够相对于彼此滑动，这防止了可能在现有技术中发生的褶皱。在聚合结束时，所述层都被没有缺陷地牢固地压紧在一起，亦即在凹角处没有任何空间并且也没有任何褶皱。
根据本发明，桥接缺陷不再引起在聚合周期期间新的缺陷，而是由于发生在层之间的滑动导致了纤维经受了轻微的拉伸变成了优点。由于桥接类型的缺陷，纤维也都在预成型中被伸展并且在纤维的长度上任意潜在的局部剩余被消除。

Claims (9)

1.一种用于生产具有凹角的复合材料构件的方法，所述方法包括的步骤在于：堆叠纤维层(72)，其中所述纤维层已经被预浸渍有树脂从而获得预成型件(70)，并且将所述预成型件放置在工具夹具中以便使其经受聚合周期，其中所述聚合周期包括温度周期(85)和压力周期(86)，所述温度周期(85)具有升温阶段和至少一个保持所述温度的均热过程(96)，所述压力周期(86)作用在所述工具夹具外部并具有升压阶段(90)和保压阶段(92)，当所述温度周期(85)的温度等于或者高于取决于树脂的阈值温度Tf时，被预浸渍的所述纤维层能够相对于彼此滑动，其特征在于，所述温度周期的所述升温阶段包括在温度高于或等于所述阈值温度Tf下的均热过程(100)，所述均热过程(100)在所述升压阶段(90)结束之前开始。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述均热过程(100)在所述压力周期(86)开始之前开始。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述均热过程(100)在所述压力周期(86)开始之前的持续时间足够长以便获得贯穿所述预成型件的均一温度，其中所述温度高于或等于所述阈值温度Tf。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述均热过程(100)在所述压力周期(86)开始之前的持续时间大于或等于30分钟。
5.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述均热过程(100)的温度低于聚合起始温度。
6.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述聚合周期包括抽真空周期(88)，其中在所述工具夹具的内部抽真空，所述方法的特征在于所述抽真空周期(88)在所述压力周期(86)开始之前开始。
7.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，预浸渍纤维层(72)的所述堆叠产生了在所述凹角(76)处的桥接类型的缺陷，所述方法的特征在于所述桥接缺陷允许在所述预成型件内的纤维被伸展。
8.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，包括使用在所述凹角处插置于所述预成型件和挠性包套(84)之间的成形工具(82)。
9.从根据上述权利要求之一所述的方法获取的复合材料构件。
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