CN103974812B - 无主敷层心轴工具 - Google Patents

Abstract

一种用于复合材料的敷层的心轴工具包括为所述复合材料提供敷层表面的复合面板和支撑所述面板的蜂窝状集箱板结构。

Description

无主敷层心轴工具

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（CERP），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

根据本文的实施例，用于复合材料敷层的心轴工具包括为所述复合材料提供敷层表面的复合面板和用于支撑所述面板的蜂窝状集箱板（headerboard）结构。

根据本文的另一实施例，一种制造敷层心轴工具的方法包括：从集箱板创建蜂窝状结构；用泡沫状材料填充所述蜂窝状结构；机械加工所述泡沫状材料和所述蜂窝状结构，以获得机械加工表面；以及在机械加工表面上铺设和固化复合材料以形成面板。

根据本文的另一实施例，一种方法包括为复合部件的敷层和固化设计心轴工具，其包括为所述心轴工具选择集箱板的材料、厚度和硬度。该方法进一步包括：根据选择的材料、厚度和硬度制造所述集箱板并且组装所述集箱板到蜂窝状结构内；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和所述蜂窝状结构，以获得机械加工表面；以及在机械加工表面上铺设和固化复合材料，以形成面板。

附图说明

图1是制造无主敷层心轴工具的方法。

图2A-2D示出在各个制造阶段中的无主敷层心轴工具。

具体实施方式

永久性模具通常用于为复合部件的制造创建大量的生产敷层心轴工具。相反，本文的敷层心轴工具不是由永久性模具形成。更确切地，本文的敷层工具是无主的。

参照图1，其示出了一种创建无主敷层心轴工具的方法。在块110处，根据部件设计的尺寸制造蜂窝状结构。所述蜂窝状结构提供一种坯段，其将环绕整个工具且将包括该部件的粗略轮廓和剖面。对于某些部件，如飞机部件，可以是恒定曲率或复杂复合轮廓。所述蜂窝状结构可以用集箱板形成。所述材料系统以及所述集箱板的密度和厚度可调整到心轴工具所需的耐久性。材料系统可包括但不限于，环氧树脂和双马来酰亚胺（BMI）。所述集箱板可用喷水器（waterjet）、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，参照图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处，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。同样地，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（parentresin）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。在所述敷层心轴工具具有低剖面的其他实施例中，所述泡沫状材料122可留在所述蜂窝状结构112中，只要它不影响该部件的质量。

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，在所述蜂窝状结构112中铸造所述泡沫状材料122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（releasefilm）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（draftangle）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打磨以及拉拔（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（releasecoating）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。相比之下，低剖面工具可以照“原样”使用用于面板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。

因此，公开了一种迅速制造敷层心轴工具的方法。通过简单地改变几个参数（集箱板密度和厚度、面板厚度和材料系统），相同构造可以用于为不同目的建立敷层心轴工具。一些工具可用于制造定制的更换部件。其他工具可用于制造有限用途原型的部件。其他工具可用于多种生产运行。

所述无主工具的耐久性可增加，所以它可以用于更昂贵的“生产”或更高的运行部件。所述耐久性可通过增加所述面板的厚度而增大，从而增大所述集箱板的硬度和厚度。集箱板硬度可通过减少集箱板之间的间距而增大。耐久性也可通过选择用于所述集箱板的更耐久的材料而增大。例如，BMI比环氧树脂更耐久。环氧树脂材料优选用于高达250F和高达超过100个周期的生产周期，且在350F高达10次运行。诸如BMI等材料优选用于大于350F和10次运行的周期要求。

增加这些参数中的任意参数或所有参数会增加所述无主工具的成本，但会提供可以用于更多固化周期或运行的无主工具。具有有限生产周期的部件可使用较少连结材料（例如，50%或更少）和更大间距的集箱板。更耐久的工具可具有100%连结附件，用于集箱板连结至集箱板和面板连结至集箱板。

在一些实施例中，本文的无主工具可用作制造生产工具的主装置。通过调整某些参数，主装置可替代传统的不胀钢、钢等（主装置可用于生产标准复合工具）。本文的主装置可在比钢或不胀钢工具显著更短的时间内（例如，短50%）生产。这将显著减少要求主装置的最终的更传统的复合工具的前置时间。

本文的无主敷层心轴工具并不限于任何特定类型的部件。复合部件的示例包括但不限于，机翼面板、货物门板、汽车罩和面板、货车罩和面板、复合罐的面板和复合圆顶。这些部件中的一些部件可具有复杂轮廓表面。

Claims (13)

1.一种用于复合材料的敷层的心轴工具，该工具包括：

为所述复合材料提供敷层表面的复合面板；和

支撑所述面板的蜂窝状集箱板结构，

其中所述蜂窝状集箱板结构的单元被填充泡沫状材料，并且所述泡沫状材料和所述蜂窝状集箱板结构被机械加工以获得机械加工的表面，所述复合材料被铺设和固化在所述机械加工的表面上以形成所述复合面板。

2.根据权利要求1所述的工具，其中所述面板包括嵌入基体中的增强纤维。

3.根据权利要求1或2所述的工具，其中所述泡沫状材料是可膨胀的。

4.根据权利要求3所述的工具，其中所述泡沫状材料在敷层和固化条件下保持尺寸稳定性。

5.根据权利要求3所述的工具，其中所述敷层表面是复杂轮廓表面。

6.一种制造敷层心轴工具的方法，该方法包括：

从集箱板创建蜂窝状结构；

用泡沫状材料填充所述蜂窝状结构；

机械加工所述泡沫状材料和所述蜂窝状结构，以获得机械加工的表面；以及

在所述机械加工的表面上铺设和固化复合材料，以形成面板。

7.根据权利要求6所述的方法，其进一步包括机械加工所述面板的暴露的表面。

8.根据权利要求7所述的方法，其进一步包括清洗、密封和剥离涂覆机械加工的面板表面。

9.根据权利要求6-8中任一项所述的方法，其进一步包括在固化所述面板之后移除所述泡沫状材料。

10.根据权利要求6-8中任一项所述的方法，其中所述集箱板由环氧树脂制成并且具有适合于原型的厚度和硬度。

11.根据权利要求6-8中任一项所述的方法，其中所述集箱板由双马来酰亚胺即BMI制成并且具有适合于主装置和高生产运行的厚度和硬度。

12.根据权利要求6-8中任一项所述的方法，其中根据期望的耐久性选择所述集箱板的材料、硬度和厚度。

13.根据权利要求6-8中任一项所述的方法，其中所述面板为具有复杂轮廓表面的修复部件提供敷层表面。