CN104768726A - 使用膨胀内部工具制造整体结构的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种工具系统，其可以包括外模线(OML)工具(202)和一个或多个内模线(IML)工具(250,252)。该OML工具(202)可以具有OML工具表面(203)。每个IML工具(250,252)可以具有IML工具表面(258)，并且可被容纳到OML工具(202)内。每个IML工具(250,252)可以由可膨胀材料构成。当该可膨胀材料被加热时，每个IML工具(250,252)可以施加内部压紧压力到放置在OML工具表面(203)和IML工具表面(258)之间的复合装配件(154)。

Description

使用膨胀内部工具制造整体结构的系统和方法
背景技术
复合结构被用于多种应用中。在飞机构造中，所使用的复合物数量不断增加，以形成机身、机翼和其他组件。飞机的机翼通常是中空的结构，其需要光滑的且尺寸精确的外模线(OML)表面。机翼可以由复合蒙皮构件构成，且可以包括内部组件，诸如复合翼肋、翼梁和/或加强件，以增加机翼的强度和弯曲硬度。
在用于形成复合结构，诸如飞机机翼或机身的常见的构造技术中，复合加强件或其他内部组件可以通过粘合和/或机械紧固的方式被装配到蒙皮构件。对于共同粘合操作，当粘合加强件到蒙皮构件的内表面时，可以放置心轴到加强件的内部，以在施加压力期间支撑加强件。心轴可以使用可硬化的混合物诸如石膏混合物形成。
不幸的是，从复合结构的内部移走硬化的石膏可能需要使用机械力以把石膏打碎成小块。该机械力的使用可对复合结构的完整性造成风险。另外，形成心轴和移走硬化的石膏材料的过程是劳动密集的且耗费时间的。而且，石膏材料通常是不可循环再用的材料，其在每次使用后作为废物被废弃。
可充气心轴也被用于制造中空的复合结构的传统过程中。可充气心轴可以被放置在中空的复合层叠内，中空的复合层叠可以由闭合的凹模支撑。可充气心轴可被充气，以抵靠凹模施加内部压紧压力到复合层叠上，以加固和固化复合层叠。当复合层叠的加固和/或固化后，心轴可以被放气，并且从固化的复合制品中移走。不幸的是，可充气心轴通常受限于以高精确度水平形成内表面几何结构的能力。另外，可充气心轴可受限于其可被暴露的温度。例如，某些复合材料可能需要在高于450F的温度下固化，该温度可能超出了可充气心轴的工作极限。
可以看出，在本领域中存在对下述工具系统和方法的需求，其最小化或去除对粘合或机械紧固组件的装配件以形成中空的复合制品的需求。就此而言，在本领域中存在对提供用于生产一致的、整体的复合制品的装置的工具系统和方法的需求，所述复合制品具有带有复杂的三维几何结构的尺寸精确的内外模线表面。
发明内容
本发明具体解决和缓解了上述与用于中空复合制品的工具系统有关的需求，本发明提供了工具系统，其包括外模线(OML)工具和一个或多个内模线(IML)工具。该OML工具可以具有OML工具表面。每个IML工具可以具有IML工具表面，且可以被接收在OML工具内。每个IML工具可以由当被加热时会膨胀的材料构成。当可膨胀材料被加热时，每个IML工具可以施加内部压紧压力到放置在OML工具表面和IML工具表面之间的复合装配件。
在另一个实施例中，公开了工具系统，其可以包括外模线(OML)工具和多个内模线(IML)工具。该OML工具可以具有OML工具表面。每个IML工具可以具有IML工具表面，且可以被接收在OML工具内。每个IML工具可以由当被加热时会膨胀的材料构成，并且在处理之后可溶于水或其他极性溶剂。当可膨胀材料被加热时，每个IML工具可以施加内部压紧压力到放置在OML工具表面和IML工具表面之间的复合装配件。复合装配件可以包括内部组件，该内部组件可以插入到一对IML工具之间，所述IML工具用于当可膨胀材料膨胀后施加内部压紧压力到内部组件。
还公开了制造复合制品的方法。该方法可以包括提供具有OML工具表面的外模线(OML)工具，并且在OML工具内装载内模线(IML)工具。该IML工具可以具有IML工具表面，并且可以由可膨胀材料构成。该方法可以包括在OML工具表面和IML工具表面之间放置复合装配件，加热可膨胀材料以引起可膨胀材料膨胀，并且响应于可膨胀材料的膨胀，在复合装配件上抵靠OML工具表面施加内部压紧压力。
已经讨论的特征、功能和优势可以在本公开的各种实施例中单独实现，或者可以在其他实施例中组合实现，其进一步的细节可以参考以下说明书和附图得到。
附图说明
本公开的这些和其他特征将在参考附图后变得更显然，在附图中，相同标记指代相同的部件，并且其中：
图1是具有小翼的飞机的透视图；
图2是由复合材料形成的一致的整体的小翼的侧视图；
图3是图2中所示的小翼的主视图；
图4是用于制造复合小翼且包括外模线(OML)工具的工具系统的实施例的透视图；
图5是沿图4的线5的截面图，且说明了具有定位特征的端盖，该定位特征用于标定复合装配件和/或IML工具相对于OML工具的位置；
图6是沿图4的线6获取的截面图，且说明了复合装配件和放置在外模线工具内的多个可膨胀的内模线(IML)工具；
图7是复合装配件和与复合装配件组装的多个IML工具的局部分解透视图；
图8是复合装配件和被放置在OML工具的配合的半部之间的IML工具的分解图解示图；
图9是复合装配件和被捕获在OML工具的配合的半部之间的IML工具的图解示图，并且说明了加热可膨胀IML工具和复合装配件的应用；
图10是复合装配件和安装到OML工具的配合的半部内的IML工具的图解示图，并且说明了在可膨胀的IML工具的加热期间，由可膨胀的IML工具施加到复合装配件的内部压紧压力。
图11是具有气体流动通道的部分工具系统的放大视图，所述气体流动通道在OML工具中流动地形成并且被耦接到真空源用于排放来自OML工具内部的捕集的空气、气体和/或挥发物；
图12是固化的复合制品和IML工具从OML工具移走后的图解示图；
图13是随着通过溶解IML工具材料而从复合装配件移走可膨胀的IML工具后固化的复合制品的图解示图；
图14是形成为一致的整体的小翼的固化复合制品的透视图；
图15是由单一材料形成的IML工具的实施例；
图16是具有穿过IML工具延伸的多个加强构件的IML工具的实施例；
图17是具有中空的内部壳体的IML工具的实施例；
图18是IML工具的实施例，其中中空的内部壳体形成至少部分IML工具表面，并且在中空壳体的相对端上包括可膨胀材料；
图19是流程图，其说明了可以包括在制造一致的整体的复合制品的过程的实施例内的一个或多个操作；和
图20A-20H是用于制造一致的整体的复合制品的过程的实施例的示意图。
具体实施方式
现在参考示图，其中示出的目的是说明本发明的优选的和各种实施例，图1中示出的是飞机100的透视图，其具有从飞机100的机头延伸到飞机100的尾翼的机身102。尾翼可以包括一个或多个尾部表面，其用于飞机100的方向控制。飞机100可进一步包括一对机翼106和可以安装到机翼106的一对推进单元104。飞机100可以包括一个或多个空气动力结构152，其可以由复合材料制造。例如，飞机100可以包括小翼108，其被安装在机翼106的尖端上并且可以由复合材料构成。有利地，本发明公开的工具系统200和方法可以提供将每个小翼108制造成为一致的整体的复合制品150的手段，其中小翼108的内部加强件或翼梁可以与小翼108的蒙皮160整体成形，使得小翼108包括单个一致的结构。
参考图2，示出的是小翼108的实施例的侧视图。小翼108可以包括小翼根部112，其可以连接到飞机100的机翼。小翼108可以进一步包括小翼尖端110、小翼前缘114和小翼后缘116。小翼108可以具有通常中空的配置，并且可以由复合蒙皮160组成，并且可以包括由复合材料构成的多个内部组件158，诸如用于提高小翼108的弯曲硬度和强度的加强件162或翼梁164。在所示的实施例中，小翼108可以包括小翼后缘部分118，其可以与小翼108分离地形成，并且可以随后诸如通过机械紧固或粘合而被附连。然而，工具系统200可以配置为与小翼108整体地形成小翼后缘部分118。
有利地，本发明公开的工具系统200和方法有利地包括外模线(OML)工具202和一个或多个内模线(IML)工具250或心轴。IML工具250或心轴由膨胀材料形成，膨胀材料有利地提供用于形成中空的复合结构的手段，诸如在图2中说明的通常中空的小翼108，而不需要通过粘合或机械紧固来装配分离的组件。就此而言，工具系统200和方法提供了制造具有三维配置的复合制品150的手段，其中复合制品150包括内部组件158，诸如复合加强件162，或从蒙皮160的内表面120横向延伸的其他组件。例如，图2中所示的小翼108包括内部组件158，诸如在小翼108的相对的复合蒙皮160的内表面120之间延伸的复合加强件162或翼梁164。而且，本发明公开的工具系统200和方法有利地提供了用于生产一致的整体形成的复合制品150的手段，其中复合制品150具有带有复杂的三维几何结构126的尺寸精确的内表面120和尺寸精确的外表面120。
参考图3，示出的是小翼108的主视图，其说明了小翼108的外表面120。在图3中也示出的是小翼108的三维几何结构126，其中小翼根部112在与飞机100的机翼的接口处是弯曲的。此类位置可以表示不通风(non-draftable)的几何结构124，其中传统的内部工具不能通过使这种传统的工具滑动脱离固化的复合制品150的内部而被取出。有利地，本发明公开的工具系统200和方法提供了用于诸如在复合制品150被固化后移除IML工具250材料的手段。
参考图4，示出的是工具系统200的实施例的透视图。本发明公开的工具系统200可以包括OML工具202，其被安装到基部。在所示的实施例中，OML工具202由两个OML工具202半部组成，其包括上半部204和下半部204，其共同定义了OML工具表面203，OML工具表面封装一个或多个IML工具250和被加固和/或固化到工具系统200内的复合装配件154。上半部和下半部可包括工具法兰206，其延伸以便上半部和下半部可以用多个机械紧固件212或其他装置彼此配合。OML工具202可以包括翼肋或其他加强构件，这些加强构件沿OML工具202纵向地和/或横向地延伸，并且可以为OML工具202提供足够的硬度，以抵抗通过在加热时膨胀IML工具250而产生的内部压紧压力262。OML工具202也可以提供足够的硬度，以抵抗在相对高的处理(例如，加固、固化、模塑、玻璃化转变等等)温度下的重复循环中的压热器压力。OML工具202可以进一步包括一个或多个端盖210，其被安装在OML工具202的相对端上，用于封闭OML工具202的工具内部214。
在图4中，OML工具202可以由不胀钢(Invar)或任何金属的或非金属的材料组成，包括复合材料(例如，碳纤维)或热膨胀系数符合/适用复合材料的任何材料。OML工具202优选地由下述材料构成，该材料利于热量292传递到复合装配件154以固化复合装配件并且传递到IML工具250，以便可膨胀材料252可以膨胀以生成内部压紧压力262，从而加固复合装配件154。OML工具表面203可以具有相对高水平的表面抛光度或具有相对低的表面粗糙度，以便为复合制品150提供光滑的表面抛光，所述复合制品150可以在工具系统200内固化。OML工具202可以被提供为各种不同尺寸、形状和配置中的任何一个并且不限于图4所示的配置。就此而言，本发明公开的工具系统200和方法可以配置为利于制造各种不同尺寸和配置的复合制品150中的任意一个。例如，工具系统200的尺寸可被配置为制造空气动力结构152，诸如本发明公开的小翼108，或其他空气动力结构152，诸如机翼、机身102、控制表面、或各种其他空气动力或非空气动力结构152中的任何一个，但不作为限制。
参考图5，示出的是说明了安装到OML工具202的端盖210的截面图。端盖210可以包括一个或多个定位特征224，其用于标定IML工具250的位置和/或标定复合装配件154相对于OML工具202的位置。在所示的实施例中，端盖210可以包括一个或多个凹槽226，其尺寸可以被设置并且配置为用于接收短柱228或凸片，其可以形成在每个IML工具250上和/或复合装配件154上，如下面更详细的描述。这种定位特征224可以固定IML工具250和/或复合装配件154相对于OML工具202的位置。端盖210可以进一步包括一个或多个压力出口222，其用于使OML工具202的工具内部214通风。例如，如下所述，在复合装配件154的加固和/或固化期间，压力出口222可以被打开，以促进被捕集的空气、气体、挥发物和/或其他加热的复合装配件154的副产品和/或IML工具的膨胀材料的副产品的排放。在一个实施例中，压力出口222可以流动地耦接到真空源220(未示出)，以促进在工具内部214上抽真空，如下面针对排放工具内部214的描述。
参考图6，示出的是工具系统200的截面图，其说明了放置在工具内部214内的且被OML工具202的配合的工具半部204封闭的复合装配件154和IML工具250。每个IML工具250具有IML工具表面258。IML工具250的尺寸、形状和配置可以被设置为可容纳在OML工具202内，并且可以提供与复合装配件154的净配合，以便当IML工具250被加热时，基本一致的压紧压力沿复合层叠156的所有表面被施加，所述复合层叠156由复合装配件154组成。在所示的实施例中，可膨胀材料252可以具有高膨胀率，以促进内部压紧压力262的产生，以用于加固复合层叠156，诸如放置在IML工具250和OML工具202之间的复合蒙皮160，并且用于加固复合装配件154的内部组件158，诸如位于一对IML工具250之间的小翼108的翼梁164或加强件162，如图6中所示。
例如，可膨胀材料252可以具有膨胀率，以便当被加热时，引起施加到位于IML工具表面258和OML工具表面203之间的复合装配件154的至少大约85psi的基本一致的内部压紧压力262的生成。在施加内部压紧压力262期间，复合装配件154可以被加热到预定温度达预定的时间段以允许加固和固化复合装配件154成为一致的整体的复合制品150。在一个实施例中，可膨胀材料252可以被配置为生成至少大约每平方英寸85磅的内部压紧压力达不低于约60分钟的持续时间，以允许加固蒙皮160的复合层叠和复合装配件154的内部组件158的时间，并且允许移除捕集的空气、气体和其他副产物。
参考图7，示出的是小翼108的复合装配件154的局部分解图，小翼108可以使用可膨胀IML工具250被加固和/或固化在工具系统200中。可以看出，复合装配件154可以包括一个或多个内部组件158，复合装配件154可以在蒙皮160和内部组件158之间延伸，蒙皮可以被施加在装配后的IML工具250上。蒙皮160和/或内部组件158可以包括复合层叠156，其由未固化的或预固化的复合材料诸如预浸渍的纤维增强材料(例如，预浸材料)构成。工具系统200可以促进蒙皮160的复合层叠156与内部组件158的一个或多个其他复合层叠156的共同接合和/或共同固化，以形成固化的复合制品150。
IML工具250中的一个或多个可以包括至少一个定位特征224，其用于相对于OML工具202标定或定位IML工具250。另外，复合装配件154的一个或多个内部组件158可以包括定位特征224，其用于标定OML工具202。例如，定位特征224可以包括在IML工具250上和/或在复合装配件154的内部组件158上形成的短柱228或凸片。定位特征224可以被堆叠或者由预固化的复合层叠156、加固的翼梁164构成。这种在IML工具202和/或复合装配件154上的定位特征224的尺寸和配置可以被设置为可容纳在配合的定位特征224内，该配合的定位特征可以被包括在OML工具202内或可以在OML工具202内形成，诸如可以在图4中所示的端盖210中形成的凹槽226。然而，定位特征224可以包括各种不同配置中的任何一个，包括但不限于，紧固件、腔体、凹口、销或可以在复合装配件154、IML工具和OML工具202中的至少一个上形成以用于相对标定的各种其他配置中的任何一个。
如上所述，每个IML工具250可以由可膨胀材料252构成，可膨胀材料252具有膨胀率，膨胀率可以引起IML工具250膨胀相当大的量，从而生成迫使复合装配件154抵靠OML工具表面203的内部压紧压力262。在一个实施例中，每个IML工具250可以由当被加热时会膨胀的材料构成，诸如通过传导加热、对流加热或任何其他类型的能量输入。IML工具250可以由这种材料构成，即当应用其他形式的能量(诸如微波能量或引起IML工具250材料温度升高的其他能量)时，该材料会膨胀。
有利地，IML工具250材料至少部分是可溶的，以利于从固化的复合制品150移除IML工具250，如下描述。在一个实施例中，可以通过应用极性溶剂，诸如水、酒精或其他溶剂来移除IML工具250，以利于从固化的复合制品150洗掉IML工具250。可替换地，IML工具250材料可以通过使IML工具250材料经受喷雾或通过在溶剂浴中浸泡固化的复合制品150，而从关闭的OML工具202移除。
在图7中，在一个实施例中，IML工具250中的一个或多个可大体上由均匀或一致密度的可膨胀材料252构成，使得每个IML工具250基本上是各向同性的，其中，IML工具250定义了复合制品150的内表面120的相当大的部分。然而，IML工具250中的一个或多个可以包括一个或多个中空通道(未示出)，以利于在工具系统200中的热传递。而且，IML工具250中的一个或多个可以包括中空的内部壳体264，其可以至少部分地由可膨胀材料252围绕，如下面的更详细描述。每个IML工具250可以大体上是刚性的，并且具有足够强度以抵抗可以施加到IML工具250的力，诸如在IML工具表面258上的复合材料的缠绕、布置或平滑期间。另外，IML工具250材料可以是足够刚性的并且具有足够的硬度，以允许在工厂环境中手动操作、机动操作、及定位各个IML工具250。IML工具250可由多种不同处理中的任何一种形成或模塑，如下面更详细的描述。
在图7中，在一个实施例中，至少部分IML表面258可以被聚合物层260覆盖。聚合物层260可以包括材料的伸展膜或薄片，以适应在IML工具250被加热期间IML工具250的膨胀。另外，聚合物层260优选地与复合装配件154的材料系统兼容。在一个实施例中，聚合物层260可以包括氟化聚合物，诸如聚四氟乙烯(例如，铁氟龙TM胶带)，并且可以是贯穿厚度的多孔的或无孔的。聚合物层260优选地偏薄(0.001到0.005英寸)，以最小化对固化的复合制品150的纤维体积分数的影响。然而，聚合物层260可以被提供任意厚度。有利地，聚合物层260可以给复合制品150的内表面提供光滑抛光度，并且可以阻止复合装配件154的树脂和/或粘合剂接触IML工具250和/或与IML工具250接合。
参考图8，示出的是复合装配件154和IML工具250装配在一起，并且位于上OML工具半部204和下OML工具半部204之间的图解示图。如上所述，IML工具250和/或组成复合装配件154的内部组件158可以包括一个或多个定位特征224(图7)，用来标定IML工具250和/或复合装配件154相对于OML工具202的位置。
参考图9，示出的是占据在OML工具202的配合的半部204之间的复合装配件154和IML工具250的图解示图，复合装配件154和IML工具250可以在缝合处208沿工具法兰206使用多个紧固件202或其他配合装置而密封地配合在一起。图9说明了施加热量292到OML工具202，诸如通过放置工具系统200在热压器或对流恒温炉内或通过直接加热。例如，分离的即热元件(未示出)可以包括在OML工具202内，以用于直接加热OML工具202，诸如通过应用到OML工具202或与OML工具202集成的电阻元件或加热垫。虽然未示出，但热的网络和/或压力传感器，诸如热电偶可以被安装到OML工具、IML工具250和/或复合装配件154，以追踪或监视它们在不同位置的温度。
参考图10，示出的是工具系统200的图解示图，其说明了由IML工具250响应于加热IML工具250的膨胀引起的内部压紧压力262的生成。有利地，IML工具250可以抵靠复合装配件154的表面120施加基本一致的内部压紧压力262。例如，IML工具250可以施加压紧压力到位于OML工具表面203和IML工具表面258之间的蒙皮160。压紧压力还可以被施加到内部组件158，诸如放置在相邻的一对IML工具250之间的翼梁164。IML工具250可以由可膨胀材料252构成，当可膨胀材料暴露于热量时膨胀，从而使得产生压紧压力，该压紧压力足以加固蒙皮160和内部组件158的复合层叠156并且最小化或消除空隙的产生。热量292可以施加到IML工具250和复合装配件154达预定的时间段以使得复合装配件154加固和固化成为一致的整体的复合制品150。
参考图11，示出的是部分工具系统200，其具有形成在OML工具202中的气流通道216以允许气流从OML工具202的工具内部214到OML工具202的外部。这种气流通道216可允许由加热IML工具250和/或复合装配件154产生的空气、气体、挥发物或其他副产物的排放。一系列单独的气流通道216可以形成在上工具半部204和/或下工具半部204的工具法兰206中，如图4中所示。该气流通道216可以任何配置提供，并且可以形成在OML工具202的任何位置，以提供从OML工具202的工具内部214到OML工具202的外部的流动路径。
真空袋218可以密封在OML工具202的缝合处208上，诸如沿上和下工具半部204的配合的工具法兰206密封。通气(breather)层(未示出)可以被放置在真空袋218的下面，从而为空气、气体和挥发物提供连续路径。密封剂，诸如密封胶带可以将真空袋218的边缘密封到OML工具202。真空袋218可以耦接到真空源220。真空袋218可以将真空源220流动地耦接到气流通道216以将空气、气体或挥发物从工具内部214吸出。虽然没有示出，但是真空袋218也可以被应用到OML工具202和端盖210之间的缝合处208之上，该端盖可位于OML工具202的相对端上。就此而言，真空袋218可以应用到OML工具202的任何位置，而不限于配合的工具法兰206之间的缝合处208。
参考图12，示出的是固化的复合制品150和IML工具250被从OML工具202移除后的图解示图。如可以看到的，在复合装配件154的固化期间，内部组件158和蒙皮160被加固和集成在一起。如图3中所示，由于不通风的几何结构124(图3)，诸如在小翼根部112处的弯曲的几何结构，IML工具250可被捕集在固化的复合制品150的内部中。如上所述，不通风的几何结构124可以阻止IML工具250通过从固化的复合制品150的内部滑出而被取出。
参考图13，示出的是移除了IML工具250后的固化的复合制品150的图解示图。有利地，IML工具250由膨胀材料252构成，当暴露于溶剂时，该可膨胀材料是可溶解的。这种溶剂可以包括水或极性溶剂，诸如酒精。可膨胀材料252可以被暴露给溶剂，诸如通过溶剂喷雾清洗掉IML工具、通过把可膨胀材料浸入溶剂浴中、或通过将可膨胀材料252暴露于溶剂的任何其他工艺。
参考图14，示出的是固化的复合制品150，其被成形为一致的整体的小翼108。固化的复合制品150有利地具有密封的、光滑的和尺寸精确的外表面120以及光滑的、尺寸精确的内表面120。而且，将复杂的、三维几何结构126(诸如内部翼梁164和蒙皮160)形成为一致的结构的能力显著提高了这种空气动力结构152的用于OML顶层(loft)的形状和配置的范围。然而，如上所述，本发明公开的工具系统200和方法可以被实施以便制造任何交通工具或非交通工具应用的复合制品150，且不限于形成空气动力结构152。
参考图15，示出的是用于复合制品150诸如具有前缘和后缘的空气动力结构152的IML工具250的实施例。IML工具250被示出形成为均匀的结构，其由均匀密度的可膨胀材料252组成，使得IML工具250基本上是各向同性的。IML工具250的实施例定义了相当大部分的复合制品150的内表面120。
参考图16，示出的是IML工具250的实施例，其具有被提供在可膨胀材料252的内部中的加强构件272。加强构件272可以至少部分地延伸通过IML工具。加强构件272可以由任何相对坚硬的材料形成，包括钢、陶瓷、复合材料或任何其他材料，该其他材料可以增加IML工具250的硬度和强度，以允许诸如在工厂环境中或在IML工具表面158上应用或平滑复合材料期间操控和定位IML工具250。
参考图17，示出的是IML工具250的实施例，其具有中空的内部壳体264，该中空的内部壳体264具有在内部壳体264的外部上的可膨胀材料252的层。内部壳体264可以由大体刚性材料构成，诸如复合材料或金属材料。有利地，内部壳体264可以重复使用，并且其尺寸可被设置成使得当通过可膨胀材料252暴露于溶剂后的溶解而移除可膨胀材料252的外层后，内部壳体264可以从不通风的OML工具取出。内部壳体264可以增加IML工具250的强度和刚性，并且可以有利地减少形成IML工具表面258所需要的可膨胀材料252的量。虽然显示为整体的结构，但是内部壳体264可以由多部分构成，诸如多个壳体半部(未示出)，其可以诸如通过粘合而接合到一起。
参考图18，示出的是IML工具250的实施例，其具有中空的内部壳体，该内部壳体形成至少部分IML工具表面258。IML工具250可以包括在内部壳体264的一侧或多侧上的可膨胀材料252。例如，在图18中，IML工具250包括在IML工具250的翼面形状的前缘和后缘上的可膨胀材料252细部。真空袋268可以密封地覆盖IML工具250，使得当抽真空时，内部压紧压力262抵靠位于IML工具250和OML工具202之间的复合制品150的表面120均匀地施加。真空袋268可以包括褶皱270，以适应当被加热时可膨胀材料252的膨胀，从而帮助在复合装配件154中的狭窄空间、转角或相对小的半径中施加内部压紧压力262。如上所述，工具系统200可以包括真空袋218，其可以在OML工具202的缝合处208上被密封。可以在OML工具表面203和覆盖IML工具250的真空袋268之间的空间上抽真空，以帮助施加内部压紧压力262到复合装配件154。
参考图19并另外参考图20A-20H，图19中所示的是说明方法300或用于制造一致的整体的复合制品150，诸如本发明公开和说明的小翼108的方法300或过程的实施例的流程图。图20A说明了内部组件158，其包括小翼108的翼梁164，该翼梁164使用常见的模具280形成为预固化的和/或加固的复合层叠156。内部组件158(例如，翼梁164)可以包括在复合装配件154内，用于在本发明公开的工具系统200内加固和/或固化。图20B说明了用于复合层叠156(例如，翼梁164)的检验的检验设备282，诸如通过超声波检验或用于测试复合层叠的完整性的其他检验方法。
图19的方法300的步骤302可以包括提供具有OML工具表面203的OML工具202。图20C说明了包括位于OML工具202内的IML工具250的复合装配件154。OML工具202可以由上和下工具半部204构成为蛤壳配置。工具半部204可以铰链地耦接到一起，并且可以彼此密封地配合，以共同定义OML工具表面203，用于封装包含IML工具250的复合装配件154。
图20C是复合装配件154的截面图，其说明了位于相对的蒙皮160表面之间的内部组件158(例如，翼梁164)并且在翼梁164的相对侧上具有一对IML工具250。图20D说明了使用自动胶带铺设机284以形成蒙皮160的复合层叠156的应用。在图20D中，端盖210可以附连到IML工具250/内部组件158的装配件。端盖210可以包括操控法兰286，其用于在复合层叠蒙皮160的应用期间操纵IML工具250/内部组件158的装配件的取向。蒙皮160的复合层叠156可以通过细丝缠绕、纤维铺设或包括手工铺设以便应用复合材料(例如，预浸材料)以在内部组件158上和IML工具表面258上形成蒙皮160的任何其他方法而应用。
IML工具250可以通过在模具(未示出)内固化材料混合物254而形成，该模具专用于IML工具250的生成。模具可以包括封闭的金属模具，其配置为利于在生产基础上制造IML工具250。可以在模具内放置预定量的材料混合物254并固化。产生的固体心轴可以在用于OML工具202内以生产本发明公开的方法中的复合制品150之前与聚合物层260诸如TeflonTM(铁氟龙)密封。可选择地，IML工具250也可以通过在OML工具202内固化材料混合物254而被生产，其中OML工具202包括可移除的嵌入件256(图6)或复合偏置件(未示出)，该复合偏置件的尺寸和配置被设置成基本复制复合装配件154的形状，以在OML工具202中被固化。复合嵌入件256可以使用复合分层工艺和/或加成制造形成。这种方法可以有利地避免用于每个IML工具250的专用模具的设计、制造和储存。在另一个实施例中，IML工具250可以通过加成制造形成，诸如通过基于IML工具250的计算机辅助设计(CAD)模型(未示出)使用IML工具的三维打印，所述CAD模型可以有利地避免开发和工具成本。
图19的方法300的步骤304可以包括在OML工具202中加载IML工具250，如图20C所示。如上显示，IML工具250具有IML工具表面258。IML工具250可以由可膨胀材料252构成，当被暴露于高温时，其可膨胀相当大的量，以便当可膨胀材料被压迫时，该可膨胀材料在复合装配件上产生内部压紧压力。如上显示，该方法可以进一步包括在装载IML工具250到OML工具202内之前，应用聚合物层260到IML工具表面258。聚合物层260可以为复合制品150的内表面120提供光面精整，并且可以阻止树脂与IML工具250接触。
图19的方法300的步骤306可以包括提供在OML工具表面203和IML工具表面258之间的复合装配件154，或在表面203、258之间装载复合装配件。步骤306可以结合步骤304被执行，在步骤304中，IML工具250/复合装配件154可以被装配并且被装载到OML工具202内。复合装配件154的一个或多个内部组件158(例如，翼梁164)可以放置在一对IML工具250之间。复合装配件154的蒙皮160构件可以放置在OML工具表面203和IML工具表面258之间。IML工具250和复合装配件154的内部组件158可使用一个或多个定位特征224(图7)被标定(index)到OML工具202，其中定位特征224可被包括在OML工具202中。
图19的方法300的步骤308可以包括加热可膨胀材料252，以引起其膨胀，或把可膨胀材料252暴露于热量。如上所述，IML工具250的可膨胀材料252可以通过放置工具系统200到对流烘箱或热压器内而被加热。可替换地，图20D说明了应用加热垫到OML工具202的外表面，以便在热压器外部的操作中直接加热OML工具202的外表面。加热元件288可以包括电阻加热元件或加热垫，电阻加热元件和加热垫电耦合到温度调节器290，以便在加固和/或固化IML工具250和复合装配件154期间调节IML工具250和/或复合装配件154的温度。
方法300可以包括监控IML工具250的可膨胀材料252的温度和/或复合装配件154的温度。热和压力传感器(未示出)诸如热电偶的阵列可以被安装到OML工具202、IML工具250和/或复合装配件154。这些传感器可以提供追踪不同的IML工具250和复合装配件154的温度和压力的能力。温度-时间历史可以被记录并且用于随后的固化操作，以增加给定的复合制品配置的制造过程的可重复性。
图19的方法300的步骤310可以包括在可膨胀材料252的膨胀期间，抵靠OML工具表面203施加内部压紧压力262到复合装配件154，并且施加内部压紧压力262到位于IML工具250之间的内部组件158。被施加到复合装配件154的内部压紧压力262的速度可以通过调节可膨胀材料252的加热速度来调节，例如，通过使用图20F中所示的温度调节器290调节加热元件288的温度。温度还可以通过调节在对流烘箱或热压器内的温度而被调节，以便控制施加的内部压紧压力262的速度。
方法300可以包括在可膨胀材料252的膨胀和复合装配件154的加热期间，从OML工具202的工具内部214排放到OML工具202的外部。该方法可以包括密封在OML工具202缝合处208之上和/或IML工具250之上的真空袋218，并且抽真空，诸如当可膨胀材料252膨胀时。密封IML工具250的真空袋268可以帮助施加均匀的压力到复合装配件152的内表面120的紧密的几何结构。密封OML工具202的缝合处208的真空袋218可以帮助通过在OML工具202中的气体通道216(图11)将捕集的空气、气体、挥发物和其他副产品从工具内部214抽出，以增强层间的粘合和/或最小化或避免空隙。
图19的方法300的步骤312可以包括固化复合装配件154，以形成一致的整体的复合制品150。如上所述，在施加内部压紧压力262期间，复合装配件154可以通过施加热量292到复合层叠156而被固化。如上所述，复合装配件154可以通过在对流烘箱中、在热压器中的对流加热，或通过使用加热元件直接工具加热OML工具202而被固化。
图19的方法300的步骤314可以包括施加溶剂到IML工具。如上所述，溶剂可以包括水或极性溶剂，诸如酒精或其他溶剂。图19的方法300的步骤316可以包括当可膨胀材料暴露在溶剂中时，溶解至少部分可膨胀材料252。被溶解的可膨胀材料252可以降低到一般的流体状态。图19的方法300的步骤318可以包括从复合制品150移除溶解的可膨胀材料274。例如，图20G说明了溶解的可膨胀材料274涌出固化的复合制品150进入容器中，诸如以便循环再利用可膨胀材料274。图20E说明了在小翼108的形状内产生的一致的整体的复合制品150。
虽然本发明公开的工具系统200和方法在诸如用于如图1中所示的飞机100的小翼108(图20H)的背景下被描述，但是，工具系统200的实施例可以被实施为制造任何类型的复合结构，而不作为限制。就此而言，工具系统200和方法可以被实施用于制造复合结构，以用于任何民事、商业或军用飞机。另外，所公开的实施例不限于制造用于飞机的复合结构，并且可以被实施用于制造复合结构，以用于任何类型的任何交通工具，但不限于，包括任何船舶、陆基交通工具、飞行器和/或太空交通工具，或者用于制造用于任何非交通工具应用的复合结构。
对于本领域的技术人员，本发明公开的额外的修改和改进是明显的。因此，在此描述和说明的零件的特定的组合目的只是表示本发明的特定实施例，而不意图作为在公开的精神和范围内的可替换的实施例和设备的限制。
可替换的实施例可以被要求保护如下：
A1.一种工具系统，包括：
外模线(OML)工具，其具有OML工具表面；
多个内模线(IML)工具，能够容纳在所述OML工具内，每个IML工具具有IML工具表面，并且由配置为在加热时膨胀的可膨胀材料构成；
所述IML工具的尺寸被设置为并且被配置为当所述可膨胀材料被加热时，施加内部压紧压力到位于所述OML工具表面和所述IML工具表面之间的复合装配件；和
至少一对IML工具，其具有内部组件，该内部组件被插入到所述一对IML工具之间，并且当所述可膨胀材料膨胀时，IML工具施加内部压紧压力到所述内部组件。

Claims (21)

1.一种工具系统，包括：
外模线工具即OML工具，其具有OML工具表面；
内模线工具即IML工具，其具有IML工具表面，并且所述IML工具被容纳在所述OML工具内，所述IML工具由在加热时膨胀的可膨胀材料构成；和
所述IML工具被配置为当所述可膨胀材料被加热时，所述IML工具施加内部压紧压力到位于所述OML工具表面和所述IML工具表面之间的复合装配件。
2.根据权利要求1所述的工具系统，其中：
多个IML工具可容纳在所述OML工具内；且
将内部组件夹在至少一对所述IML工具之间，以便当所述可膨胀材料膨胀时施加内部压紧压力到所述内部组件。
3.根据权利要求1所述的工具系统，其中：
所述可膨胀材料具有膨胀率即CTE，当被压制时，所述可膨胀材料能够产生每平方英寸至少约85磅的内部压紧压力。
4.根据权利要求3所述的工具系统，其中：
所述可膨胀材料被配置为产生每平方英寸至少约85磅的内部压紧压力达不少于约60分钟的持续时间。
5.根据权利要求1所述的工具系统，其中：
所述可膨胀材料是可溶解的。
6.根据权利要求1所述的工具系统，其中：
至少部分所述IML工具表面被聚合物层充分地覆盖。
7.根据权利要求1所述的工具系统，进一步包括：
气流通道，其包括在所述OML工具中，并且从所述OML工具表面延伸到所述OML工具的外部。
8.根据权利要求7所述的工具系统，进一步包括：
真空袋，其密封地覆盖至少部分所述OML工具，并且流体地耦接所述气流通道到真空源。
9.根据权利要求1所述的工具系统，其中：
所述OML工具包括压力出口，该压力出口用于使所述OML工具的工具内部排放。
10.根据权利要求1所述的工具系统，进一步包括：
定位特征，其用于相对于所述OML工具标定所述复合装配件和所述IML工具中的至少一个。
11.一种制造复合制品的方法，包括：
提供外模线工具即OML工具，所述OML工具具有OML工具表面；
装载内模线工具即IML工具到所述OML工具内，所述IML工具具有IML工具表面并且由可膨胀材料构成；
在所述OML工具表面和所述IML工具表面之间提供复合装配件；
加热所述可膨胀材料，以引起所述可膨胀材料的膨胀；和
在所述可膨胀材料的所述膨胀期间，使用所述IML工具，在所述复合装配件上抵靠所述OML工具表面施加内部压紧压力。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：
在一对IML工具之间放置所述复合装配件的内部组件；和
在所述可膨胀材料的膨胀期间，施加所述内部压紧压力到位于所述IML工具之间的所述内部组件。
13.根据权利要求11所述的方法，其中在所述OML工具表面和所述IML工具表面之间提供复合装配件的步骤包括：
在将所述复合装配件和所述IML工具装载到所述OML工具202中之前，应用复合层叠蒙皮到一个或多个IML工具表面。
14.根据权利要求11所述的方法，其中在所述OML工具内装载所述IML工具的步骤包括：
将所述IML工具标定到包括在所述OML工具202中的定位特征。
15.根据权利要求11所述的方法，其中在所述OML工具内装载所述复合装配件的步骤包括：
标定所述复合装配件到包括在所述OML工具和所述IML工具中的至少一个内的定位特征。
16.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括以下步骤：
从所述OML工具的工具内部排放到所述OML工具的工具外部。
17.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：
在所述OML工具的至少一部分上施加真空袋；
将气流通道流体地耦接到真空源；和
对所述真空袋抽真空。
18.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括以下步骤：
固化所述复合装配件以形成一致的整体的复合制品。
19.根据权利要求18所述的方法，其进一步包括以下步骤：
应用溶剂到所述IML工具；
溶解所述可膨胀材料；和
从所述复合制品移除溶解的可膨胀材料。
20.根据权利要求18所述的方法，其进一步包括以下步骤：
在所述OML工具内装置所述IML工具之前，应用聚合物层到所述IML工具表面。
21.根据权利要求11所述的方法，其中提供所述IML工具的步骤包括下列步骤中的至少一个：
在所述IML工具的模具内固化材料混合物；
在所述OML工具内固化材料混合物，所述OML工具具有嵌入件，所述嵌入件的尺寸被设置并且配置为基本复制所述复合装配件的形状；和
基于所述IML工具的计算机辅助设计即CAD模型三维打印所述IML工具。
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