CN103826832A

CN103826832A - 用于制造由复合材料形成的圆筒形部件的方法和装置

Info

Publication number: CN103826832A
Application number: CN201280042716.7A
Authority: CN
Inventors: 弗朗克·伯纳德·利昂·瓦林; 蒂里·戈登
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2011-09-05
Filing date: 2012-09-05
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2032-09-05
Also published as: JP6006797B2; RU2607216C2; JP2014529533A; WO2013034852A1; EP2753467A1; BR112014004944A2; BR112014004944B1; CA2847008C; US9387632B2; EP2753467B1; US20140217652A1; FR2979575B1; CA2847008A1; CN103826832B; FR2979575A1; RU2014110950A

Abstract

制造由复合材料形成的圆圆筒形部件的方法，该方法包括以下步骤：a.将纤维结构（P）放置在水平心轴（140_int）上；b.围绕所述纤维结构和所述心轴模塑成形环形的壳体；c.经由第一轴向端（141）向所述壳体供应树脂，同时保持所述壳体的第二轴向端（142）处于低于所述树脂的供应压力的压力下。所述第二端（142）包括至少两个以环形扇区形式的排气扇区（142e1、142e2、……），每个排气扇区独立地保持在低于所述供应压力的压力下。还公开了一种实施上述方法的模塑装置。

Description

用于制造由复合材料形成的圆筒形部件的方法和装置

技术领域

本发明涉及由复合材料形成的圆筒形（尤其是对称的）部件的制造方法，该方法包括嵌入在聚合有机树脂的基体中的纤维加强结构。

背景技术

一种制造由复合材料形成的部件的方法，该方法包括：首先，根据所需机械强度，用纤维沿一个或多个方向生产部件的预成形坯。然后，将纤维结构整合到封闭的模塑壳体中，以便用合成树脂浸渍它，合成树脂在压力下以流体状态注射到模具中。然后使树脂聚合。这项技术被称为树脂传递模塑工艺（RTM）。可以通过减小模具中与注射侧相反的一侧的压力来帮助引入树脂以及排除模具中的纤维间的空隙中的气体。

已知使用这种方法生产例如用于喷气式发动机的风扇外壳等的圆筒形部件。图1中显示了外壳1。它包括具有对称形状的单个部件，该单个部件具有圆筒部1C，该圆筒部1C具有从一端至另一端不均匀的厚度，尤其在与风扇的叶片扫过的区域对应的区域具有增加的厚度，以为了在发生叶片故障时吸收冲击能量。该圆筒部由两个径向外法兰2B和2D限制。发动机的风扇的机舱上游元件和下游元件通过这两个法兰连接至外壳。

制造该部件尤其包括通过围绕圆筒形心轴卷绕合适的纤维结构来生产预成形坯，该圆筒形心轴由用于形成法兰的径向侧翼终止。纤维结构例如可以通过使用不同厚度的三维编织来形成（如申请人的专利EP1961923中所描述的）。因此，管状纤维的预成形坯形成用于外壳的单个部件，该单个部件具有与法兰对应的加强部。

然后将模塑成分布置到预成形坯上并且覆盖预成形坯，以便将预成形坯封闭在壳体中。预成形坯可以径向压缩地设置，以便减小纤维结构的膨胀。壳体包括用于将树脂供应到一个或多个树脂注射口的装置，该装置位于圆筒部的轴向的一个端部且位于一个法兰处，所述一个或多个树脂注射口围绕圆筒的轴线沿壳体的边缘分布。分配管可以与这些注射装置连通。在另一端，同样在法兰处，预成形坯的延长部分中形成有环形腔，环形腔具有用于与真空源建立联系的排气孔。

为了保证模塑壳体内的均衡填充，并且保证树脂完全沿着模塑壳体的边缘均匀地上升，在生产预成形坯并封闭模塑壳体后，通常将模塑壳体布置为垂直，使树脂注射装置位于下部而环形排气孔位于上部。以这种方式，树脂沿预成形坯渗透到壳体中，形成位于预成形坯下部的法兰；树脂逐渐均匀地向前然后向上，直到到达与排气孔连通的上法兰。

就填充模塑壳体的速度和均匀度而言，这种用于注射树脂的方法产生非常好的效果。

然而，会产生下列问题：一方面，通过将纤维结构缠绕到内心轴上以将管状预成形坯放置的步骤以及装配模具的步骤均为在部件处于水平位置时实施，并且另一方面，中等和大功率喷气式发动机的风扇壳体较大，具有例如至少两米的直径。此外，处理重达5吨至25吨的模具是一项难度很大的操作，它涉及操作者的HSE（健康、安全和环境）风险，并且需要昂贵的工具来放置到位。

因此，一种方法用于在模具填充阶段保持模具水平。不幸的是，如图2所示，做出的实验显示树脂的分配不合要求。模具4包括模塑壳体，纤维预成形坯保持压缩在该模塑壳体中。模具包括位于两个同轴的壁之间的环形中心部40。壳体的第一端41形成为产生径向法兰，其包括以注射装置41a、41b等形式的树脂供应装置，该装置沿第一端41的边缘分布。与第一端相反的第二端42同样形成为产生径向法兰。环形排气孔42e沿第二端开放。注射装置41a、41b等在压力（未示出）下与流体树脂源连通，并且排气孔42e与真空源连通。图中的三个示意图显示填充壳体时的三种状态，位于壳体中的预成形坯被浸渍。树脂R由阴影区域表示。流体R完全沿着供应端41分布，但由于重力，壳体40中的纤维预成形坯的下部比上部提前完全浸渍。当继续进行时，显示在中间的图表中，流体R然后沿位于相反端42的排气孔42e上升。实验显示，如右边的图表所示，至少一个区域P’，在预成形坯的靠近排气孔42e的上部中，被浸渍不佳或被浸渍至有限的程度。实际上，在模具的上部中，当在水平位置时，由于在前部到达排气孔之前，排气孔被来自下部的树脂填满，因此前部的树脂难以到达排气孔42e。不佳的浸渍导致所述区域较弱且无法接受的机械特性。

发明目的

因此，本申请人本身的目的在于保持模具处于水平位置，而不经过90°垂直地枢转它，同时提高模具的填充。

根据本发明，上述目的通过用于制造由复合材料形成的圆筒形部件的方法实现，包括如下步骤：

将纤维结构放置在水平心轴上，

围绕所述纤维结构和所述卷筒形成环形的模塑壳体，

经由第一轴向端向所述壳体供应树脂，同时保持所述壳体的第二轴向端的压力低于所述树脂供应处的压力，将所述模塑壳体保持在水平或大体水平的位置，其中，这种方法的特征在于，第二端包括至少两个以环形扇区（sector）形式的排气扇区，每个排气扇区处的压力独立地保持为低于所述供应处的压力。

通过将排气孔划分成扇区，能够独立地控制在与它们各自的排气扇区对应的那些区域中的壳体中的填充。这种填充控制使得能够重新产生流体在纤维预成形坯中的均匀分配，已知在模具处于竖直状态的情况下流体在纤维预成形坯中是均匀分配的。

有利地，经由分布在第一轴向端边缘的至少两个注射装置向壳体供应树脂，使得在填充过程中流体的分布控制得更好。在这种情况下，优选地，第二端的所述排气扇区分别布置在第一端的注射装置处的延长部分中。更特别地，使排气扇区以与注射点相反的位置为中心，保证树脂以更加均匀的方式通过预成形坯。

本发明还涉及用于实施制造圆筒形部件的方法的模塑装置，其中，模塑壳体的一个端壁设置有至少一个排气孔，其特征在于，所述排气孔由至少两个独立的环形扇区形成。更特别地，排气孔为环状，具有通过横向分隔件（transverse partitions）隔开的至少两个环形扇区。

这种实施方式尤其易于实施，并且不需要对模塑装置进行重大的改进。

本发明尤其涉及圆筒形部件的制造，该圆筒形部件例如为用于涡轮机的外壳，该外壳的一个轴向端具有至少一个法兰，所述端壁形成法兰。

在这种应用中，形成排气孔的环形扇区可以任意形成在作为形成法兰的所述壁的上游的径向部或者形成在作为形成法兰的所述壁的下游的径向部上，或者甚至形成在形成法兰的壁的纵向部上。排气孔也可以由这些环形扇区的组合形成。

在一种优选实施方式中，模塑装置包括位于第一端的至少两个树脂注射装置，形成排气孔的每个所述环形扇区布置在注射装置的延长部分中并且定中心在该延长部分上。

附图说明

参考随附的示意图，通过以下对本发明的纯解说性且非限制性的示例实施方式的详细说明，将更好地理解本发明，并且将使本发明的其它目的、细节、特征和优点变得更加清楚。

图1显示喷气发动机风扇壳体的实施例的透视图；

图2以三个阶段示意性显示不采用本发明的方法填充水平布置的用于模塑圆筒形部件的壳体的进程。

图3为由图4中的III-III截取的轴向剖视图，显示模塑装置的第二端的实施方式，该实施方式具有根据本发明的排气孔的布置；

图4为由图3中的IV-IV截取的横向剖视图，显示模塑装置的第二端。

图5是显示在填充模塑壳体和浸渍预成形坯的过程中树脂向前的进程的示意图。

具体实施方式

参考图3和图4，图3和图4是根据本发明的模塑装置140的局部视图，预成形坯P显示为压缩在圆筒形内壁140_int和圆筒形外壁140_ext中间。预成形坯为纤维结构，该纤维结构事先被放置在形成内壁140_int的心轴（mandrel）上。

纤维结构可以为单向（1D）型（例如通过缠绕线或绳而形成）、二维（2D）型（例如通过包裹纤维层而形成）或三维（3D）型（例如通过3D编织、编结或针织而形成或者通过叠置纤维层并将它们彼此连接而形成）。

在最后一种情况下，纤维层可以通过延伸穿过纤维层的元件彼此机械地连接。这可以通过针接合纤维层平面内的纤维的移出部分（displacement）、或者通过推动线状物或刚性件（针或杆）穿过纤维层、或者通过缝合来实现。专利申请EP1961923中描述了纤维结构的一种实施例。

在图3中，排气孔的侧部的第二端142包括径向空间，该径向空间形成在模塑元件140’_int和140’_ext的径向端壁之间。在该空间中，具有形成预成形坯P的法兰的径向部Pb。预成形坯未完全填满该径向空间。用于减小壳体中的压力的排气孔形成于预成形坯Pb和模具（tooling）的壁之间。根据本发明，所述排气孔细分为多个排气扇区，在这种情况下，例如六个扇区142e1至e6，该多个排气扇区通过径向分隔件143隔开。分隔件可以以多种方法形成。

根据一种实施方式，沿端部区域142的边缘在位于形成法兰的壁的纵向部140”_ext处对模具加工多个弧形槽。

根据另一种实施方式，模具中加工有连续的环形槽，并且槽中引入有形成分隔件的装置（例如金属块或泡沫材料）。

图4中显示这些排气扇区。排气扇区因此彼此隔离并且每个排气扇区与一个或多个抽吸泵的入口独立地连通，该抽吸泵处的压力低于模具的另一端的树脂源处的压力。在该另一端（未示出），多个树脂注射装置（未示出）沿模具的边缘布置。

以环形扇区形式的排气扇区可以形成在形成法兰的模具的壁的上游径向部140’_ext上，也可以形成在所述壁的下游径向部140’_int上。

排气扇区也可以不形成在单个壁中，而是替代地从一侧至另一侧。

树脂的注射优选地通过与排气扇区的数量相等的多个注射装置实现。此外，每个扇区位于注射点的延长部分上，使扇区以与注射点相反的位置为中心，以便允许树脂尽可能均匀地通过预成形坯。

按照如下方式填充装置。当预成形坯放置到位，封闭模塑壳体，并且，任选地通过将模具的外部元件沿径向移动到内部元件以压缩预成形坯，同时通过位于第一端的注射点的收集以在压力下引入树脂。同时，多个排气扇区保持在较小的压力下。通过每个扇区（独立于其它扇区）上的较小的压力的作用，使得能够补偿树脂在向前进程中重力的作用。

图5是显示树脂沿位于第一注射器和具有排气扇区的第二端之间的纤维结构向前的进程（相对于时间）的实施例。填满对应的时间为542s，在注射开始和填充结束之间的10个时刻t1至t10处的前面的形状已经通过模拟确定。可以看出，树脂均匀地向前行进，保持基本垂直于模具的轴线。

Claims

1.一种制造由复合材料形成的圆筒形部件的方法，该方法包括以下步骤：

a.将纤维结构（P）放置在水平心轴（140_int）上，

b.围绕所述纤维结构和所述卷筒形成环形的模塑壳体，

c.经由第一轴向端（141）向所述壳体供应树脂，同时保持所述壳体的第二轴向端（142）处的压力低于所述树脂供应处的压力，将所述模塑壳体保持在水平或大体水平的位置，

其特征在于，所述第二端（142）包括至少两个环形扇区形式的排气扇区（142e1、142e2、……），每个排气扇区处的压力独立地保持为低于所述供应处的压力。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过沿所述第一轴向端（141）的边缘上布置的至少两个注射装置向所述壳体供应树脂。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第二端（142）的所述排气扇区（142e1、142e2）分别布置在所述第一端的所述注射装置的延长部分中。

4.一种用于实施根据权利要求1至3中任一项所述的制造圆筒形部件的方法的模塑装置，其中，所述模塑壳体的一个端壁设置有排气孔，其特征在于，所述排气孔由至少两个独立的环形扇区（142e1、142e2、……）形成。

5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述排气孔为环状，并且具有通过横向分隔件隔开的至少两个环形扇区。

6.根据权利要求4或5所述的模塑装置，该模塑装置用于生产例如用于涡轮机的外壳等部件，该外壳的一个轴向端具有至少一个法兰，所述端壁（142）形成所述法兰。

7.根据前述权利要求所述的模塑装置，该模塑装置包括形成排气孔的环形扇区，该环形扇区产生在径向部上，该径向部为形成所述法兰的所述壁的上游。

8.根据权利要求4至7中任一项所述的模塑装置，该模塑装置包括形成排气孔的环形扇区，该环形扇区产生在径向部上，该径向部为形成所述法兰的所述壁的下游。

9.根据权利要求4至8中任一项所述的模塑装置，该模塑装置包括形成排气孔的环形扇区，该环形扇区产生在形成所述法兰的所述壁的纵向部上。

根据权利要求4至9中任一项所述的模塑装置，该模塑装置包括位于所述第一端的至少两个树脂注射装置，形成排气孔的每个所述环形扇区布置在所述注射装置的延长部分中并且定中心在该延长部分上。