CN104669644B - 制备折叠芯材的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种复合材料技术领域的制备折叠芯材的装置及方法，通过将一个主模子单元固定到底板上，并将预浸料涂覆于主模子单元的波纹状上表面；然后通过底板下方设置抽气机对主模子单元的抽气口进行抽气，从而将预浸料吸附在主模子单元的上表面；再将一个副模子单元按在该主模子单元的上方，从而压实并固定预浸料已折叠部分，即制成一个重复单元；最后重复步骤一至步骤三，直至达到所需的折叠芯材的面积，然后将预浸料连同主、副模单元一同进行固化，固化完成后即得折叠芯材。本发明主、副模单元均为重复单元组成，所需设备简单；主、副模子单元可通过三维打印机打印制成，因此适用于具有复杂几何形状的折叠芯材。可根据需要，增减模单元数目，从而实现任意面积折叠芯材的制造。

Description

制备折叠芯材的装置及方法

技术领域

本发明涉及的是一种复合材料技术领域的方法，具体是一种制备折叠芯材的装置及方法。

背景技术

基于折叠芯材的夹层结构作为一种先进复合材料，具有与蜂窝夹层结构可比拟的综合性能，同时又可克服蜂窝夹层结构中常见的因冷凝水在封闭单元中累积而导致性能下降的缺点。因此，折叠芯材夹层结构已作一种高效轻质的新型复合材料在航空航天领域被广泛研究，例如：欧洲10空中客车公司的VeS Co计划就是将折叠芯材夹层结构作为下一代飞机的机身主要材料。折叠芯材的制造技术是这种新型复合材料在研究阶段以及工业应用前必须解决的一个重要问题。目前，这种芯材的制造技术主要分为两种：一种是以俄罗斯的喀山技术大学为代表的变形阵列法（Transformable Matrix），Khaliulin VI,DvoyeglazovIV.发表的《Technological problems of fabrication of relief designs byisometric transformations of thin sheet》（Trans Nanjing Univ AeronautAstronaut,18:11-16,2001.），该技术中每一个变形阵列是由许多金属片组成的可按照预定折叠模式变形的刚性机构，利用上、下一对变形阵列，将夹在中间的平面板材随着上\下阵列的运动而折叠到所需的形状，如图1所示。利用变形阵列法可以制造出几何形状精确的折叠芯材样品，然而这种方法可制造的最大芯材面积有限，大约为50cm×50cm，此外，该方法仅适用于折纹较为简单的折叠芯材制造，对于几何形状复杂的折叠芯材，制作相应的变形阵列将变得非常困难。

另一种是以美国专利文献号US2007/0273077A1中美国罗格斯大学为代表的连续滚压法。这种方法是利用一系列上下滚轴对，每一对滚轴表面刻有不同折叠阶段的波纹形状，平面板材每一次通过一对滚轴，就经历一次折叠，依次通过一系列滚轴，可实现由浅入深地形成最终的折叠形状，如图2所示。这种制造方法可实现连续制造不限长度的折叠芯材，因此适合于工业化大规模生产。但是，这种方法所需的设备复杂、制造和维护成本昂贵，而且折叠过程中存在被折材料存在一定面内受拉变形，如果采用纤维材料，则有可能导致纤维局部断裂，由此引入的制造缺陷较多且不可控。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种制备折叠芯材的装置及方法，具有制备简单、材料变形小、可制造的芯材面积不限、且适用于复杂折叠形状的特点。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种制备折叠芯材的装置，包括：底板、固定设置于底板上作为下模具的主模单元以及与主模单元形状匹配的作为上模具的副模单元。

所述的主模单元由若干个主模子单元组成，每个主模子单元的波纹状上表面与目标折叠芯材中一个重复单元的几何形状相同，主模具子单元的底部设有与底板相连通的抽气口，所述波纹状上表面具有一系列通过内部空腔与抽气口连通的开孔。

所述的副模单元由若干个副模子单元组成，每个主模子单元的波纹状下表面与所述波纹状上表面形状相匹配。

所述的主模子单元之间以及副模子单元之间均为活动连接。

所述的波纹状上表面可以是由四个上表面组成，每个上表面上均布若干个圆形的开孔，该开孔在主模子单元的内部通过空腔与抽气口相连通并进一步连通至底板。

所述的底板为表面设有通孔阵列的平面、曲面或筒状结构的板材，该通孔阵列与主模子单元的底部抽气口相对应，从而使得主模单元固定于底板时开孔能够与底板下方的抽气机相连。

优选地，上述主、副模单元通过三维打印机打印制成。

本发明涉及一种基于上述装置的折叠芯材制造方法，包括以下步骤：

步骤一、将一个主模子单元固定到底板上，并将预浸料铺贴于主模子单元的波纹状上表面；

步骤二、通过底板下方设置抽气机对主模子单元的抽气口进行抽气，从而将预浸料吸附在主模子单元的上表面，从而达到预浸料与主模子单元的上表面紧密铺贴的效果。

步骤三、将一个副模子单元按在该主模子单元的上方，从而压实并固定预浸料已折叠部分，即制成一个重复单元。

步骤四、重复步骤一至步骤三，直至达到所需的折叠芯材的面积，然后将预浸料连同主、副模单元一同进行固化，固化完成后即得折叠芯材。

优选地，上述预浸料为碳纤维布、玻璃纤维布、芳纶布；进一步优选为高强碳纤维布或高强玻璃纤维布。

所述的固化是指：将预浸料连同模具置于温度预设好的恒温箱内，使得树脂材料与固化剂充分发生化学反应，最终形成固体聚合物的过程。

本发明涉及上述方法制备得到的折叠芯材的应用，将其用于制造包括但不限于：飞机机翼内衬、飞机舱门、行李箱、机舱隔板、机舱甲板等部位的夹层材料，或者作为复合材料机身壳体的芯材等。

附图说明

图1为现有技术中变形阵列法示意图。

图2为现有技术中连续滚压法示意图。

图3为基于折叠芯材的复合材料机身壳体示意图。

图4为主模单元示意图；

图中：（a）为正视图；（b）为后视图；

图5为副模单元示意图；

图中：（a）为正视图；（b）为后视图；

图6为底板示意图；

图中：1主模单元、2上表面、3开孔、4侧面、5下表面、6底部突起、7抽气口、8副模单元、9上表面、10侧面、11下表面、12底板、13通孔。

图7为实施例中制备过程示意图；

图中：a为将第一个主模单元安装于底板上；b为将第一个副模单元固定于主模单元上；c为将第二个主模单元安装到底板上；d为将第二个副模单元固定到主模单元上；e为完成第一列的折叠；f为第二列第一个单元的折叠；g为第二列的折叠；h为完成第二列的折叠；i为完成全部单元的折叠；j为打开上下模，取出折叠芯材。

图8为实施例制备得到的折叠芯材示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例下面以基于Miura Pattern的折叠芯材的制造为例对本发明进行进一步说明。

本实施例折叠芯材制作流程如下：

步骤一、将第一个主模单元1安装到底板12的位于右上角的通孔13上，如图7所示。

步骤二、将预浸料的待折叠部分覆于第一个主模单元1上，将主模单元1的抽气口7与真空抽气机相连，对抽气口7进行抽气，通过上表面2上的开孔3，将预浸料吸附在主模单元1的上表面2上。

步骤三、将第一个副模单元8扣于主模单元1之上，如图7b所示，从而对预浸料的已折叠部分进行压实和固定。

步骤四、将第二个主模单元1安装到底板12的与第一个主模单元1相邻的通孔13上，如图7c所示。采用上述步骤二和步骤三中相同的操作，完成对预浸料第二部分的折叠，如图7d所示。

步骤五、按从上到下的顺序，依次完成第一列的折叠，如图7e所示。

步骤六、完成第一列的折叠之后，按从上到下的顺序，完成第二列的折叠，如图7f至7h所示。

步骤七、完成第二列的折叠之后，按从右向左的顺序，依次完成第三至第N列的折叠，如图7i所示。

步骤八、对预浸料进行固化，打开上、下模，即得到折叠芯材14，如图7j所示。

本实施例制备得到的折叠芯材如图8所示，可用于制备飞机舱门、行李箱、机舱隔板、机舱甲板等部位的夹层材料，或者作为复合材料机身壳体的芯材等。

与现有技术相比，本方法优点包括：

1）主、副模单元均为重复单元组成，所需设备简单。

2）主、副模子单元可通过三维打印机打印制成，因此适用于具有复杂几何形状的折叠芯材。

3）按顺序对重复单元进行依次折叠，被折材料内部不受面内拉应力，从而降低材料受损。

4）可根据需要，增减模单元数目，从而实现任意面积折叠芯材的制造。

Claims (7)

1.一种基于制备装置的折叠芯材制造方法，其特征在于，所述制备装置包括：底板、固定设置于底板上作为下模具的主模单元以及与主模单元形状匹配的作为上模具的副模单元；

所述的主模单元由若干个主模子单元组成，每个主模子单元的波纹状上表面与目标折叠芯材中一个重复单元的几何形状相同，主模子单元的底部设有与底板相连通的抽气口，所述波纹状上表面具有一系列通过内部空腔与抽气口连通的开孔；

所述的副模单元由若干个副模子单元组成，每个副模子单元的波纹状下表面与所述波纹状上表面形状相匹配；

所述制造方法，具体包括以下步骤：

步骤一、将一个主模子单元固定到底板上，并将预浸料涂覆于主模子单元的波纹状上表面；

步骤二、通过底板下方设置抽气机对主模子单元的抽气口进行抽气，从而将预浸料吸附在主模子单元的上表面；

步骤三、将一个副模子单元按在该主模子单元的上方，从而压实并固定预浸料已折叠部分，即制成一个重复单元；

步骤四、重复步骤一至步骤三，直至达到所需的折叠芯材的面积，然后将预浸料连同主、副模单元一同进行固化，固化完成后即得折叠芯材。

2.根据权利要求1所述的折叠芯材制造方法，其特征是，所述的主模子单元之间以及副模子单元之间均为活动连接。

3.根据权利要求1所述的折叠芯材制造方法，其特征是，所述的波纹状上表面由四个上表面组成，每个上表面上均布若干个圆形的开孔，该开孔在主模子单元的内部通过空腔与抽气口相连通并进一步连通至底板。

4.根据权利要求1-3中任一所述的折叠芯材制造方法，其特征是，所述的底板为表面设有通孔阵列的平面、曲面或筒状结构的板材，该通孔阵列与主模子单元的底部抽气口相对应，从而使得主模单元固定于底板时开孔能够与底板下方的抽气机相连。

5.根据权利要求1-3中任一所述的折叠芯材制造方法，其特征是，所述的主、副模单元通过三维打印机打印制成。

6.根据权利要求1所述的折叠芯材制造方法，其特征是，所述的预浸料为碳纤维布、玻璃纤维布或芳纶布。

7.一种根据上述任一权利要求所述方法制备得到的折叠芯材的应用，其特征在于，将其用于制造飞机机翼内衬、飞机舱门、行李箱、机舱隔板、机舱甲板的夹层材料或者作为复合材料机身壳体的芯材。