CN103747931B - 复合部件的快速制造 - Google Patents

Abstract

一种制造包括增强纤维的复合部件的方法，其包括在制造场地制造无主敷层心轴工具。所述工具包括复合面板，其提供敷层表面。所述方法进一步包括在制造场地使用无主工具形成增强纤维的敷层。

Description

复合部件的快速制造

背景技术

包括嵌入基体的成堆增强纤维的复合材料由于其轻重量和高强度是非常理想的。这种复合材料的一个示例是碳纤维增强塑料（CFRP），其成分包括嵌入环氧树脂基体的碳纤维。

复合部件的制造涉及使增强纤维沉积在敷层心轴工具的工具表面上。在沉积（“预浸料”）后，纤维可以预浸渍有树脂，或者它们可以是干燥的并且随后用树脂灌注。灌注树脂的纤维或预浸渍的纤维被装袋并且然后被固化。

复合部件的快速制造因为各种各样原因是期望的。快速制造可以用于原型设计飞机、汽车或其他结构的部件，以提供具有竞争力的评估、贸易研究或者甚至工作模型。快速制造可以用于修复产品，如飞机、汽车、风力涡轮或土木结构（例如，桥组件），并迅速地恢复该产品到有效使用。

发明内容

根据本文所述的实施例，制造包括增强纤维的复合部件的方法包括在制造场地制造无主敷层心轴工具。所述工具包括复合面板，其提供敷层表面。所述方法进一步包括，在制造场地使用无主工具形成增强纤维的敷层。

根据本文所述的另一个实施例，制造复合部件的方法包括在具有洁净区和毗邻的不洁区的制造场地制造无主敷层心轴工具。所述工具包括提供模线表面的复合面板。制造所述工具包括创建蜂窝状结构，用泡沫状材料填充所述蜂窝状结构的单元，以及机械加工所述泡沫状材料，以便在所述不洁区获得机械加工的表面，以及在机械加工的表面上铺设复合材料，以便在所述洁净区中形成所述面板。所述方法进一步包括，在制造场地使用无主工具以在所述洁净区中形成增强纤维的敷层。

根据本文所述的另一个实施例，制造复合部件的方法包括，将一组控制材料沉积的规则应用到复合部件的工程定义，以便确定所述增强纤维的允许的带宽；选择提高形成敷层的速度的允许的带宽；在制造场地制造无主敷层心轴工具，所述工具包括提供模线表面的复合面板；以及在所述模线表面上沉积选择的带，以便形成增强纤维的敷层。

附图说明

图1示出制造无主敷层心轴工具的方法。

图2A-2D示出在制造的各个阶段中的无主敷层心轴工具。

图3示出具有毗邻的洁净区和不洁区的制造单元的示意图。

图4示出利用所述制造单元制造敷层心轴工具和复合部件的方法。

图5示出确定带宽是否可以被增加以用于复合部件的敷层的方法。

图6示出用于选择单元以制造复合部件的方法。

图7示出用于执行图6中的方法的计算装置。

具体实施方式

参考图1，其示出创建用于制造复合部件的无主敷层心轴工具的方法。无主工具指的是不是由永久模具形成的工具。

在块110，根据部件设计尺寸制造蜂窝状结构。所述蜂窝状结构提供将围绕整个工具的坯段，并且所述坯段将包括用于所述部件的粗略轮廓和剖面。对于某些部件，例如航空器部件，这可以是恒定曲率或复杂的复合轮廓。所述蜂窝状结构可以由集箱板形成。材料系统以及所述集箱板的密度和厚度可以被调整到心轴工具的期望耐久性。材料系统可以包括但不限于环氧树脂和双马来酰亚胺（BMI）。所述集箱板可以用喷水器（water jet）、槽刨机（router）或其他工具切割。它们可通过粘接和/或机械紧固连结在一起。可以附带角度以用于额外加固。

另外参考图2A，其示出“装蛋箱”蜂窝状结构112。这个蜂窝状结构由集箱板114形成，其限定了一组打开的单元116。所述装蛋箱结构112在顶部和底部是打开的。

在块120，所述蜂窝状结构112被填充膨胀的泡沫状材料122（参见图2B）。所述泡沫状材料122在诸如铺设和固化等工艺条件中保持尺寸稳定性。例如，所述泡沫状材料122不应该在树脂灌注和固化或预浸料固化的温度下被降解或收缩或膨胀。所述泡沫状材料122不应该在这些温度下被降解或收缩或膨胀。所述泡沫状材料122不应该在树脂灌注期间的压力下或在固化预浸料的热压器压力下变形。应该保持尺寸稳定性和压缩强度要求，以便随后在所述蜂窝状结构112上形成的复合面板被固化在可预测的位置中。如果所述泡沫状材料122的尺寸稳定性没有实现，则可以添加额外材料到所述面板。这是不期望的。例如，如果所述面板未处于其期望位置，则所述面板的一些区域可能会切割不足（未清理干净）且其他区域可能会被过度切割（移除太多材料）。

所述泡沫状材料122的示例包括但不限于，聚氨酯、聚异氰脲酸酯、碳泡沫、陶瓷和热压器加气混凝土。所述泡沫状材料122可以具有块的形式，或者可被倾倒和固化，或者可以通过它们的一些组合而添加。所述泡沫状材料122可以用相容材料（例如，原树脂（parent resin）或替代树脂）密封，以防止多余粘合剂进入所述泡沫状材料。

在块130处，机械加工所述泡沫状材料122和所述集箱板114，以获得用于面板敷层的期望表面。得到的机械加工的表面132的示例在图2C中示出。

在块140处，所述面板在所述机械加工的表面132上形成。然而，在形成所述面板之前，粘合剂层可以应用于所述机械加工的表面132以协助粘接所述面板至所述集箱板114并防止树脂渗透所述泡沫状材料122。所述粘合剂优选与所述原树脂相容，并可以被支撑或不被支撑。

所述面板可通过将包括增强纤维的织物放置在所述粘合剂层上而形成。所述纤维可以是干燥的，或者其可以是预浸料。如果所述纤维是干燥的，则所述干燥纤维随后被灌注树脂。这种树脂被称为“原”树脂。所述灌注树脂的纤维或所述预浸料然后被装袋和固化。所述面板可通过粘接和机械紧固的组合而连结至所述集箱板。所述机械紧固可用夹子或支架进行。

在块150处，所述泡沫状材料122可从所述蜂窝状结构112移除。对于灌注树脂的纤维，所述泡沫状材料122可在树脂灌注之后但在固化之前被移除。对于预浸料，所述泡沫状材料122可在固化之后被移除。在一些实施例中，所述泡沫状材料122可从所述蜂窝状结构112的背面凿出和挖出。在其他实施例中，所述泡沫状材料122可作为块完整无缺地移除。

在一些实施例中，所述泡沫状材料122可从所述蜂窝状结构112完整移除。可移除所述泡沫状材料122，以确保在固化期间满足热要求（例如，以确保热被传递通过该工具的背面）。所述泡沫状材料122是一种绝缘体，其可以使工具的背面与热源隔离，从而阻碍在由所述固化曲线要求确定的需求时间中的必要温度。对于具有短集箱板的工具，所述泡沫状材料可具有较低热影响，并因此，可以留在原处。

如果完整无缺地移除所述泡沫状材料122的块，则可重新使用这些块。重新使用这些块可以减少未来的成本并加快制造速度。为了能够完整无缺移除，在填充所述蜂窝状结构112之前采取措施。例如，所述集箱板114的壁可衬有滑片（由诸如特氟龙尼龙、氟橡胶等材料制成的片材），或者它们可衬有离型膜（release film）或减少所述泡沫状材料122和所述集箱板114之间的粘接或摩擦系数的其他材料。此外，所述蜂窝状结构112中的拔模角度（draft angle）可促进移除，因为角度可使拉出所述泡沫状材料122变得更容易。

在块160处，所述面板的暴露的表面被机械加工和拉拔（bench）至最终的剖面。最终的机械加工确保以典型的主工具铸件通常难以达到的公差。最终的面板厚度依据工具的耐久性和施加到工具的应力载荷而变化。如果“0.25的最小最终厚度”保证耐久性，则相应地规定初始厚度（例如，1英寸）的尺寸，以允许机械加工至这个最终厚度。所述机械加工可在铣床上进行。所述打磨可将期望的航空品质的表面光洁度施加至模线表面。

机械加工的面板表面可形成该部件的内或外模线表面，这取决于所述复合部件的预期应用。该复合部件的工具侧通常具有比部件的袋侧更好的表面光洁度，除非抛光板被用于在该部件的袋侧上产生更好的表面光洁度。

在块170处，所述机械加工的面板表面然后可以被清洗、密封和剥离涂覆。所述密封填充任何小空隙，并且所述剥离涂覆（release coating）提供一种不粘处理，使得固化的部件可以从该工具移除，而不黏着。

另外，参照图2D，其示出了包括机械加工的面板142的敷层心轴工具的示例。所述面板142共同粘接至所述集箱板114。所述集箱板114提供至所述面板142的整体加强，使能附连到高剖面工具的子结构，并且为低剖面工具提供基本调平系统（照原样使用）。所述整体加强对于较大面板142是有价值的，所述面板随着所述面板区域变得更大而变得更“薄弱”。所述整体加强也增加所述面板142的刚度。

在块180处，所述敷层心轴工具准备好投入使用。在一些实施例中，该工具可单独用于制造复合部件。

在其他实施例中，所述心轴工具可以是较大心轴工具系统的一个区段。所述心轴工具系统可以通过将多个区段组装在一起而形成。各区段之间可使用真空密封平面，以确保穿过整个心轴工具系统的真空完整性。如果区段需要从制造场地运输到铺设地点，则可能有利的是在所述铺设地点组装各区段以避免尺寸过大的负载运输的成本和延迟。

高剖面工具（一般在高度上大于约24英寸）可使用子结构，以减少所述集箱板的高度和泡沫状材料的体积。所述子结构可在地面或推车上支撑该工具，而不牺牲工具硬度（集箱板对面板表面提供硬度）。相比之下，低剖面工具可以照“原样”使用用于部件生产的相对短的集箱板，而不需要任何额外的子结构来自地面或推车支撑所述工具。

通过增加所述面板的厚度，以及增加所述集箱板的硬度和厚度，所述无主工具的耐久性可以被增加。通过减小集箱板之间的间隔，集箱板硬度可以被增加。通过选择用于所述集箱板的更耐用材料，耐久性也可以被增加。例如，BMI比环氧树脂更耐用。

复合部件的尺寸可以改变。复合部件可以具有至少大约1英尺乘以1英尺的表面积。

参考图3，其示出用于制造所述心轴工具以及同样使用所述心轴工具制造所述复合部件的单个制造单元310。通过建造心轴工具并在相同场地使用所述心轴工具，运输的成本、时间和物流（这些对于大型商用飞机来说是可观的）被降低。仅运输制造的复合部件。

制造单元310包括不洁区320和洁净区330。在不洁区320中的操作可以包括但不限于组装和机械加工（例如，修整、轧制和钻孔）所述心轴工具和固化的复合部件。如果操作可以产生违反用于处理未固化的复合材料的洁净室要求的灰尘，则该操作被认为是不洁的。对于像机械加工等“不洁”操作，不洁区320可以包括用于最小化灰尘和碎片的真空系统322。真空系统322可以具有高达98%或更大的清除灰尘的效率。

在洁净区330中的操作可以包括在心轴工具上铺设复合敷层。在某些实施例中，纤维可以被沉积在静止的敷层心轴工具上。在其他实施例中，纤维可以在敷层心轴工具正在旋转时被沉积在该工具上。所述复合敷层可以包括面板敷层和部件敷层。

在洁净区130中的操作可以进一步包括抛光板安装、装袋和材料切割。例如，用于树脂注入或预浸渍的织物可以被超声刀或其他装置例如层绞机或手动工具切割。树脂注入也可以在洁净区330中执行。

如果操作不违反洁净室的要求并且由于污染问题被要求在洁净室中执行（例如，涉及处理未固化复合材料的处理），则所述操作被认为是洁净的。洁净区330可以包括用于将环境条件保持在规范内的空气过滤和调节系统332。一般来说，复合材料的制造设施需要温度、湿度和颗粒数被监测的400000级洁净室。当设备和工具从不洁区320移动到洁净区330时，其应当满足这些要求。如果洁净区330不符合规范，则可能需要系统332的空气循环过滤器清除空气中的灰尘的等待时间。

制造单元310包括在不洁区320与洁净区330之间可移动的用于执行所有这些不洁和洁净操作的公共的末端执行器定位系统340。末端执行器定位系统340可以使用多个可互换的末端执行器，以用于执行所述操作。所述末端执行器可以被定位在位于不洁区320和洁净区330中的末端执行器站350。手动、自动或半自动变换器可以被用于改变不洁区320和洁净区330中的末端执行器。

所述末端执行器可以包括用于机械加工（例如，轧制、钻孔）的工具、用于工具集箱板的喷水器切割机、用于修整的工具、用于部件或面板的带或狭带丝束铺设的层压头、用于涂饰的涂料喷头、用于切割预浸料或干燥材料的超声切割机、用于部件或工具面板的超声检测的NDI头（具有必要的垫座）、用于形成复合部件元件的纵梁辊成形机、用于工具或部件材料的材料分配器、用于机械加工泡沫应用的泡沫材料分配器例如2部分的聚异氰脲酸酯系统、用于将预固化的泡沫加工块放置在所述工具集箱板中的操控末端执行器以及用于工具面板或复合部件的几何形状和尺寸检查的检测探头。

在某些实施例中，末端执行器定位系统340可以包括单个定位机器，例如具有多个运动轴（例如，高达七个轴）的台架342。在其他实施例中，定位系统340可以包括用于执行洁净和不洁操作的机器人或多个机器人。单个机器人可以具有可互换的末端执行器。多个机器人可以使用专用末端执行器的组合。

其他类型的末端执行器定位系统可以包括线性笛卡尔轴平台、旋转轴平台以及利用并联运动学的斯图尔特平台的组合。具体示例包括台架、机器人、基于导轨的机器人、后置轧制（post-mill）平台以及斯图尔特平台（例如，六足机）。在这些示例的每个中，末端执行器定位系统340经配置向某位置或沿某路径递送选择的末端执行器，以便执行其功能，

同时满足性能要求（例如，角度、速度、加速度、硬度、行程范围、实用性、快速释放连接）。

末端执行器定位系统340可在不洁区320与洁净区330之间移动。在某些实施例中，末端执行器定位系统340可以被机器导轨系统360移动。在其他实施例中，末端执行器定位系统340可以经由空气轴承或轮移动，并且接着被本地定位。

心轴工具支撑件370被提供用于在铺设期间支撑所述心轴工具。在某些实施例中，所述心轴工具支撑件可以包括在不洁区320与洁净区330之间可移动的桌面370。桌面370可以定位在台架342的机器腿之间。

末端执行器定位系统340可以被覆盖金属板或提供用于清理的光滑表面的其他材料。末端执行器定位系统340还可以采用聚乙烯类塑料作为保护涂层。在将末端执行器定位系统340从不洁区320转移到洁净区330之前，这样的塑料可以很容易被去除以便清洁。所有这些均有助于保持洁净室的要求。

在某些实施例中，例如快速门、条形门或冷藏室门等隔板380将不洁区320和洁净区330隔开。这些门被设计用于保持具有不同条件的区域之间的环境控制。洁净区330可以被正向加压，以便抵挡灰尘和其他污染物。

在某些实施例中，隔板380可以包括气密室，该气密室可以是固定的或便携式的。所述气密室可以包括具有两个串联的气密门的腔室。所述门不同时打开。一般来说，气密室允许压力容器与其周围环境之间的人和物体通过，同时最小化容器中的压力变化和自所述容器的空气损失。具有可折叠设计的气密室可以包括便携式密封腔室，当末端执行器定位系统340在不洁区320与洁净区330之间转移时，所述便携式密封腔室覆盖所述末端执行器定位系统340，从而将任何污染物阻挡在洁净区330之外。

为了从洁净区330移动到不洁区320，所述洁净区门打开，末端执行器定位系统340（其已经是洁净的）被移动到所述气密室中，所述洁净区门关闭，所述不洁区门打开，并且末端执行器定位系统340被移动到不洁区320中。接着，所述不洁区门关闭。

为了从不洁区320移动到洁净区330，所述不洁区门打开，末端执行器定位系统340（其已经是不洁的）被移动到所述气密室中，并且所述不洁区门关闭（所述洁净区门已经关闭）。末端执行器定位系统340被清洁（例如，保护涂层被剥离，以及系统340被擦拭）。在所述气密室内的环境被证实是洁净的后，所述洁净区门打开，并且末端执行器定位系统340被移到洁净区330中。

制造单元310还可以包括在附近的用于固化所述面板和复合部件的固化区390。在某些实施例中，固化区390可以包括用于在热量和压力条件下固化预浸料的热压器392。在其他实施例中，固化区390可以包括烘箱394，其用于在加热的情况下固化注入树脂的织物或设计用于在热压器之外的处理的预浸材料。

固化区390优选与洁净区330相邻。紧密接近简化了操控物流。所述工具和/或部件可以在热量适合的脚轮或所述心轴工具下面的轮子或被设计为经受热压器固化的机车上穿梭往返于所述热压器。

被固化的部件的无损检测可以在洁净区330中执行。在灰尘不影响无损检测的前提下，所述无损检测可以改为在不洁区320中执行。

制造单元310可以具有相对小的占位面积。考虑用于制造复合部件的制造单元的示例，其大小为45英尺长、20英尺宽以及12英尺高。这样的单元可以具有大约5000平方英尺的底面面积和大约25英尺的室内净高。制造单元310的底面可以是平坦的，具有的地基足以支持末端执行器定位系统340的重量和负荷。相对小的占位面积使得能够在不同位置建造多个制造单元，而不是在大型中心设施中建造单个大型单元。

所述制造单元310的优点是它可以被设置在远离飞机制造商的主要生产设施。例如，制造单元可以被设置在靠近飞机场或飞行器被维修的其他位置。更靠近的位置节省了大量的物流成本（例如，包装、运输）并且降低了流动时间。这进一步降低了飞行器的停机时间。

所述制造单元310还可以包括公共控制器344，其用于沿导轨系统360移动末端执行器定位系统340以及命令末端执行器定位系统340执行所述洁净和不洁操作。控制器344可以被馈送自编程和仿真工具的程序。这种编程和仿真工具可以被设计为提供用于在制造单元310内使用的所有末端执行器类型的必要指令。

现参考图4，其示出利用制造单元310制造所述敷层心轴工具和复合部件的方法。在块400，控制器344接收用于制造所述工具和部件的指令。所述指令为末端执行器定位系统340提供选择末端执行器和使用选择的末端执行器执行他们期望的功能的命令。对于钻孔型末端执行器，所述指令可以包括钻头的位置和角度、进给速度、旋转速度以及钻孔周期指令。对于工具的轧制或部件的边缘修整，轧制型末端执行器指令可以包括切割机的路径、角位置、旋转速度和进给速率。对于纤维铺放型末端执行器，所述指令可以包括头部的路径、角位置以及用于不同丝束（tow）的切割和添加命令。所述指令可以通过被设计用于制造单元310的编程和仿真模块产生。所述编程和仿真模块从与复合部件和工具关联的工程定义取得指令。所述工程定义可以识别表面几何形状和特征，例如孔、修整位置以及层板边界。所述编程和仿真模块从工程定义获取这些要求，并将他们转换为可以由制造单元310处理的指令。接着，控制器344执行所述指令以实施下列操作。

在块410，建造敷层心轴工具的蜂窝状结构，其被填充泡沫并且在所述不洁区中被机械加工。所述敷层心轴工具可以用复合集箱板建造，所述复合集箱板可以用喷水器切割工具或槽刨机工具切割。在某些实施例中，所述集箱板可以被组装和固定在可移动桌面上，使得所述可移动桌面“变成”所述心轴工具的一部分。

利用被分配和混合的液体、预铸式材料块或其组合，产生的蜂窝状结构被组装和填充泡沫状材料。继建造后，末端执行器定位系统340从末端执行器站350选择轧制末端执行器，加载所述轧制末端执行器并机械加工所述泡沫状材料和集箱板。接着，末端执行器定位系统340选择和加载探头，并使用所述探头用于位置验证或检测以确认几何形状。

在块420，用于面板的增强纤维在洁净区中被铺设在机械加工的蜂窝状结构上。在某些实施例中，织物可以通过织物分配末端执行器分配，并且分配的织物可以由超声切割刀末端执行器切割。所述织物可以由执行自动纤维铺放（AFP）或自动带层（ATL）的末端执行器沉积。在其他实施例中，所述铺设可以通过覆盖和手动铺设等被手动执行。分配的织物可以由超声切割刀末端执行器切割。

在块430，所述复合材料在固化区390中被固化。注入树脂的敷层在烘箱中被固化，或预浸敷层在热压器中被固化，或热压器外的系统在烘箱中被固化。树脂注入可以包括环氧树脂材料在大约350°F的后固化，以及在更高温度的BMI材料的后固化。在后固化之前，所述泡沫状材料可以从所述心轴工具去除，尤其是对于具有较高集箱板的工具。

在块440，所述面板在所述不洁区中被机械加工，并被拉拔成最终的剖面。任何必要的手工抛光也在所述不洁区中执行。适当的真空被用于灰尘收集。所述工具的密封也可以使用自动末端执行器（喷涂辊）或手动工艺执行。接着，抛光后的敷层心轴工具被清洁并被转移到所述洁净区，以便部件铺设。

在块450，用于所述复合部件的复合材料在洁净区被铺设在所述心轴工具上。所述部件铺设可以由末端执行器定位系统340（例如，具有执行AFP或ATL的末端执行器）自动执行，或所述部件铺设可以手动执行。

接着，抛光板可以被放置在所述部件敷层上（根据抛光要求）。接着，所述部件敷层被装袋，并被移动到固化区。

在块460，用于所述部件的所述复合材料在固化区390中被固化。在块470，固化的部件被转移到不洁区320，在所述不洁区中，进行修整和钻孔。

在块480，在修整和钻孔后，抛光后的复合部件被从敷层工具去除。相对大的部件可以用起重固定设备去除。完成的部件被放置在NDI固定设备上，使得能够进行超声检测。末端执行器定位系统340可以通过选择适合所述部件几何形状的NDI末端执行器（垫座）而执行NDI。

在块490，在NDI之后，所述复合部件被移动到不洁区，其在所述不洁区被涂饰（在其他实施例中，所述涂饰可以在单独设施中执行）。末端执行器定位系统340可以使用涂饰末端执行器。某些附加的通风设备（便携式管道等）可以被提供以便于不洁区320中的涂饰。

所述敷层心轴工具和末端执行器定位系统340在从不洁区320移动到洁净区330之前被清洁。如果泡沫或碳纤维被切割，则高性能真空收集系统322可以被部署，以便最小化灰尘，可以具有某些冷却剂以便将空中的颗粒保持在最小量。

常规的复合材料和金属（例如，钛）制造技术可以被用于制造接头倍增器以及用于固定所述复合部件的其他元件。在某些实施例中，可以使用单独的钛紧固元件或单独的复合紧固元件或钛和复合紧固元件的组合。由钛制成的元件可以通过常规的钛制造工艺制成，例如热成型和机械加工。复合紧固元件可以由常规的复合预浸料制造技术制成，例如手工敷层、装袋、固化、修整和无损超声检测。自动纤维铺放可以被使用以代替单向材料的手工铺设。在某些实施例中，复合材料倍增器、填料和接头可以使用遵照与所述复合部件一样或类似的工艺的相同生产场地而建造。

在某些实施例中，不使用单独的洁净区。相反，所有操作均在单个房间内执行。例如，单个房间可以包括满足保持洁净室规范的灰尘收集系统。其他的实施例可以使用被放置在机器和工具区以保持他们洁净的临时/一次性的覆盖物/涂层。例如，所述覆盖物可以包括聚乙烯薄膜。在各操作之间可以执行某些机器和工具的擦拭。相同的机器可以在洁净室中执行铺设，并使用用于切割材料的超声切割头。

在某些实施例中，所述敷层心轴工具可以在一个场地建造并且在另一个场地使用。不过，额外的步骤可以包括将所述心轴工具运输到建造场地，并且将所述工具拆包，并在建造场地设置所述工具。在相同的场地制造所述心轴工具和使用所述心轴工具节省了大量物流成本并降低了流通时间。

在所述部件和面板的铺设期间，织物被布置在所述心轴工具的表面上（所述集箱板/泡沫的机械加工的表面或所述面板的模线表面）。在某些实施例中，所述心轴工具支撑件可以在铺设期间是静止的。

在其他实施例中，所述心轴工具可以在铺设期间被旋转。在这些其他实施例中，所述心轴工具支撑件可以包括可旋转的心轴工具支撑件。在增强纤维被沉积在心轴工具的敷层表面上时，所述支撑件被用于旋转所述心轴工具。

至于复合部件的设计，所述工程定义规定了将在复合材料铺设期间使用的带的宽度。所述工程定义可以规定在初始部件的铺设期间使用的带的宽度。不过，通过使用更宽的带，在铺设期间的制造速度可以增大。通过使用更宽的带，敷层流通时间可以被降低，这是由于对于行程中的相同数量的丝束，铺设更快。所述更宽的带还可以使得手动铺设能够作为制造选项。对于恒定轮廓较小或平面的部件，或对于如果例如AFP机器被停机维修的更大的部件，更宽的带可以提供更快的制造方案。

现参考图5，其示出了确定更宽的带是否可以被使用的方法。在块510，复合部件的工程定义被访问。除了规定材料和表面几何形状以外，所述工程定义还可以定义所述复合部件的工艺规范。这些工艺规范可以包括铺设指令、处理指令、固化指令、处理器资格以及检测指令。工艺规范还可以描述在铺设期间的可允许的偏差（例如，搭接、间隙以及自圆花饰的角偏差）以及铺设中的可允许的缺陷（例如，褶皱和折叠）。

在块520，在执行铺设之前，一组控制材料铺设的规则被应用于所述工程定义。如果给定宽度的材料以规定的方向和位置被铺放，则所述规则识别将产生的偏差和缺陷。不同宽度的材料构成的层压制品具有不同的机械性能。不同类型的层压制品也可以具有不同的机械性能。

这些规则包括确定每个带层的带路径的算法（带路径包括在机械加工操作期间确定工具（例如，纤维铺放头）的运动的一系列坐标位置）。所述算法包括确定每个不同的带宽的最小转向半径的路径生成算法。所述算法进一步包括但不限于规定圆花饰（方向）的圆花饰算法；以及自然路径（其可以被表征为产生中性纤维张力状态的路径，此时，相同距离被继续保持在所述带的两侧之间）。

基于所述部件的圆花饰和轮廓，所述规则指示给定宽度的材料是否可以没有缺陷例如没有褶皱或折叠地被铺放在期望方向和位置中。考虑以下的示例。更宽的带或狭带（slit tape）通常具有比更窄的带更小的最小转向半径（其中，最小转向半径是所述材料能够以可接受程度的褶皱或折叠被操控的最小半径）。规则可以确定更宽的带是否违反了所述最小转向半径。

所述规则从工艺规范和实验材料性能获得。例如，通过在平板上测试和寻找在可允许限值内的褶皱或折叠，所述最小转向半径可以根据复合材料的不同类型（材料系统、编排、树脂含量等）以及宽度获得。所使用的机器的类型和用于所述机器的工艺参数（例如，张力，压紧力）也会影响结果。层压制品的机械性能表现是可以通过测试（例如张力和压缩测试）提供的数据的另一个示例。最初，经验数据可以通过测试材料试样获得。随着时间推移，附加数据可以通过测试子组件获得，或通过完成的配件获得。

应用所述规则的结果是可以被用于制造所述复合部件的带（类型和宽度）的列表。在某些情况下，所述列表可以指示每个层板或部件部分的可允许的带。作为第一示例，考虑具有轮廓或复合轮廓的机身区段。对于这个部件，所述列表允许90度纤维取向的高达6"宽的带，但是其他纤维取向（例如，0和45度）不超过二分之一英寸的带。

作为第二示例，除了一个小区域之外，所述列表允许用于部件的所有面积的1/2"宽的材料和所有纤维取向。所述列表允许用于所述一个小区域的更窄宽度的材料（1/4"）。

图5的方法使得所述复合部件在被实际制造之前，所述部件的可生产性（或制造性）能够被测试。通过在所述复合部件的设计期间考虑带宽的增加，实验测试被最小化，从而加速部件生产。反复试验被避免。所述部件的重新设计以及重新制造和重新验证的多次迭代被避免。物理地建立验证试样和遵循测试的迭代过程的需求的可观的时间和成本被节省。这种时间的减少对于设计和制造客户定制的复合部件来说尤为可贵。

在某些情况下，多个制造单元可以被用于制造复合部件。这些设施具有不同的功能，其包括但不限于：可以被执行的铺设类型（手动与自动），可用的机器类型，可用的末端执行器的类型以及可以被沉积的最宽可用带。

现参考图6，其示出执行基于规则的可生产性分析的方法，其不仅增加带宽度，而且还发现用于制造复合部件的制造单元。在块610，基于所述复合部件的工程定义执行分析以理解部件的轮廓的幅度。通过理解所述幅度和轮廓，带宽的选择可以变窄。对于典型的自动纤维铺放材料，可以使用1/8"、1/4"和1/2"的典型的材料宽度。对于手动铺设和自动带铺设，可以使用3"、6"以及12"的更宽的带。对于手动铺设，可以使用具有36"、48"和高达60"的典型宽度的宽材料。

这些候选带宽中的某些可以在这个步骤中被淘汰。例如，复合轮廓部件极不可能是手动铺设的候选（可能性会基于现有的可生产性知识）。只会考虑具有更窄带（1/8"，1/4"，1/2"）的自动铺设。另一方面，具有相对均匀表面的部件可以是具有6"带的手动铺设的候选。通过使铺设类型（例如，手动铺设与自动铺设）、候选带宽（例如，1/2"带与1/4"带）、候选的自动机器（例如，不具有铺设1/4"带功能的机器会在进一步的考虑中被淘汰）以及候选单元（例如，不具有铺设1/4"带功能的单元会在进一步的考虑中被淘汰）变窄，初始分析减少了总分析时间。

在块620，一组规则被应用于所述工程定义，以便识别用于制造所述复合部件的最宽的带和最好的单元。所述规则识别这些单元，以便在下列参数之间实现最佳平衡：（1）铺设机器配置和带宽；（2）复合层压制品平衡和对称的工程要求，（3）结构性能，（4）复合部件的重量，以及（5）制造所述复合部件的速度（例如，在材料退化时间限制内，机器功能，机器可用的窗口，劳动力时间/成本，客户需要日期，等）。需要被平衡的其他因素可以包括但不限于代替自动铺设的手动铺设，以及工程变更作用。工程变更作用指的是对现有生产配置的更改，以便包括不同的带宽。这种平衡涉及生产时间的设计改变时间的折中。

例如，所述规则可以确定铺设机器配置是否能够在规定的带宽执行铺设，这是由于部件表面的可塑性而存在行程尺寸的限制。考虑32个1/2"宽的丝束或材料狭带的机器以及具有16个1/2"丝束的其他机器的例子。32个1/2"宽丝束机器的压紧辊是16英寸，而对于16个1/2"宽丝束的机器，其压紧辊是8英寸。对于相同宽度的丝束，假设以恒定速度铺设，可以被同时采用的丝束数量越大，铺设时间就越快。在某些情况下，根据部件轮廓，可用总数中的丝束数量可以被限定。例如，在具有复杂轮廓的部件上面的具有32个丝束的机器可以具有被有效使用的18个或19个丝束的限额，这是由于辊的可塑性，以及在某些情况下，会更少，因此，对于给定的部件配置，1/2"（32）丝束机器会提供不必要的容量。更宽的带在可塑性方面可能具有更多的挑战，尤其是对于复杂的轮廓。假设常见的铺设速度，丝束越多，材料可以被铺设的越快，并且所述部件可以被制造的越快。

现参考图7，其示出包括处理器720和存储器730的计算机710。存储器730包含促使计算机710执行图6所示方法的指令740。

这里所述的快速制造不限于任何特定类型的复合部件。复合部件的例子包括但不限于机翼面板、货物门板、汽车罩和面板、卡车罩和面板、复合材料油箱的面板以及复合材料整流罩。这些部件中的某些可以具有复杂的轮廓表面。

Claims (16)

1.一种制造具有嵌入在基体中的增强纤维的复合部件的方法，所述方法包括：

在制造场地制造无主敷层心轴工具，所述制造场地具有洁净区和相邻的不洁区，所述无主敷层心轴工具包括提供模线表面的复合面板，其中制造所述无主敷层心轴工具包括：创建蜂窝状结构、用泡沫状材料填充所述蜂窝状结构的单元、机械加工所述泡沫状材料以便在所述不洁区中获得机械加工的表面、以及将复合材料铺设在所述机械加工的表面上以便在所述洁净区中形成所述面板；以及

在所述制造场地使用所述无主敷层心轴工具从而在所述洁净区中形成所述增强纤维的敷层。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述面板具有至少l × l英尺的表面积。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述面板的所述敷层表面提供具有复杂轮廓的所述模线表面。

4.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括在固化之前去除所述泡沫状材料。

5.根据权利要求1或4所述的方法，其中所述面板包括嵌入在基体中的增强纤维。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述蜂窝状结构由多个集箱板形成。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述集箱板由环氧树脂制成，并且所述集箱板的厚度和间距被选择用于有限的部件运转。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述不洁区用于在制造期间对所述无主敷层心轴工具执行不洁操作，并且在所述部件已经被固化后，对所述部件执行不洁操作；并且所述洁净区用于所述面板和所述复合部件的复合材料铺设。

9.根据权利要求8所述的方法，其中在所述洁净区中的温度、湿度和颗粒数被保持为满足复合材料工艺要求。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其中所述无主敷层心轴工具在所述不洁区中建造和机械加工；用于所述部件的复合材料在所述洁净区中被铺设在所述无主敷层心轴工具上；用于所述部件的所述复合材料在相邻的固化区中被固化；以及固化的部件在所述不洁区中被机械加工。

11.根据权利要求8或9所述的方法，其进一步包括使用具有可互换的末端执行器的末端执行器定位系统来执行所述洁净操作和不洁操作；并且在所述洁净区和不洁区之间移动所述末端执行器定位系统和所述无主敷层心轴工具。

12.根据权利要求8或9所述的方法，其中在所述不洁区中的操作包括所述无主敷层心轴工具和固化的部件的修整和机械加工；并且其中在所述洁净区中的操作包括铺设和材料切割。

13.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：在形成所述敷层之前，将控制材料铺设的一组规则应用于所述复合部件的工程定义，以便确定所述增强纤维的可允许的带宽；以及选择增大形成所述敷层的速度的可允许的带宽。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述规则从根据带宽变化的经验数据获得。

15.根据权利要求13或14所述的方法，其中所述规则确定所述增强纤维的不同层板的不同的带宽。

16.根据权利要求13或14所述的方法，其中所述规则确定所述敷层的不同部分的不同的带宽。