CN105073393A - 用于减少成形期间复合层压件的层片起皱的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
在转角半径(25)处使复合层压件(28)的热压垂帘成形期间的层片起皱得以减少。放置在未固化的复合层压填料(28)上的张紧材料(52)在层压填料(28)在工具(40)上被成形时维持所述层压填料(28)上的压缩力。
Description
背景技术
热压垂帘成形(Hotdrapeforming)可用于形成诸如复合层压部件(诸如加强件)的凸缘的特征。在框架中夹紧并拉伸层压填料并加热层压填料直到其软化到足以成形，以此进行热压垂帘成形。然后将压差施加到填料上，以使所述填料在成形凸模上成形。在称为自上而下成形的一种工艺中，加热压实的层压填料并且在芯棒状凸模上向下成形。在被称为倒转成形的另一种工艺中，将层压填料放置在成形台上，并且将凸模倒转并放置在层压填料的顶部上。在将层压填料加热到成形温度之后，层压填料下方的真空气囊使填料向上成形到凸模上并盖住凸模。
使用上述任一种热压垂帘成形工艺，当成形具有相对尖锐的半径转角的部分特征时可能会遇到问题。例如，当成形在凸缘和腹板之间具有内半径转角的复合角加强件时，最接近凸模的层片材料具有聚束、集拢并形成折皱或起皱的趋势，这可能影响加强件的机械性能。在某些情况下，完成的加强件可能要返工以减少折皱/起皱，而在其它情况下加强件必须废弃。在任一情况下，层材料折皱/起皱的问题增加了劳动力和/或材料成本。
因此，需要有一种在对具有圆角特征的复合层压部件热压垂帘成形期间大幅减少或消除层片材料折皱/起皱的方法和设备。还需要一种上文提到类型的成本有效的、容易实施的并且可减少材料和/或劳动力成本的方法和设备。
发明内容
所公开的实施方式提供了一种用于使复合层压填料热压垂帘成形的方法和设备，所述方法和设备可减少或消除沿着诸如内侧转角的圆角特征的层片起皱。通过使最接近供成形复合层压填料的成形工具的层片维持压缩而减少层片起皱。在圆角特征被成形时，通过将张紧材料放置在所述层压填料上并且在所述张紧材料上维持张紧而维持所述层片上的压缩力。所述张紧材料将压缩力施加到所述圆角特征的区域内的所述层片上，这防止这些层片聚束或集拢。层片起皱的减少或消除可减少使复合层压部件返工的需要，从而减少劳动力成本。部件报废也得以减少，从而减少了材料成本。在没有额外工具的情况下使用简单、低成本的材料可容易实施所述方法和设备。
根据一个公开的实施方式，提供了一种在复合层压填料的热压垂帘成形期间减少层片起皱的方法。所述方法包括：将张紧材料放置在未固化的复合层压填料上；在成形工具上使所述层压填料热压垂帘成形；以及当所述层压填料在所述成形工具上正被成形时，使用所述张紧材料来压缩所述层压填料。所述方法可进一步包括：在一台上标引所述层压填料，并且将所述张紧材料放置在所述层压填料上的步骤可包括：使所述张紧材料的周缘重叠到所述台上并且对着所述台来加载所述张紧材料的所述周缘。通过将配重放置在所述张紧材料的所述周缘上来执行加载所述张紧材料的所述周缘的步骤。所述热压垂帘成形可包括：将柔性成形膜密封在所述层压填料上；在所述成形膜和所述成形工具之间抽真空；以及使用所述成形膜使所述层压填料在所述成形工具的表面上成形。使用所述张紧材料来压缩所述层压填料的步骤可包括：当所述成形膜使所述层压填料在所述成形工具的表面上成形时，对着所述成形膜压缩所述层压填料。将所述张紧材料放置在所述层压填料上的步骤可包括：将多个玻璃纤维片材放置在所述层压填料上，这些片材集体覆盖所述层压填料的基本整个区域，其中各所述片材均延伸超出所述层压填料的周缘。所述方法还可包括：当所述层压填料在所述成形工具上正被热压垂帘成形时，保持每个所述片材的所述周缘。
根据另一实施方式，提供了一种使复合层压部件热压垂帘成形的方法，所述方法减少沿着所述复合层压部件的内侧转角的层片起皱，所述方法包括：将至少一片张紧材料放置在未固化的复合层压填料上；以及保持所述张紧材料的边缘。所述方法还包括：使所述层压填料和所述张紧材料的组合在成形工具的外侧转角上热压垂帘成形；以及当所述层压填料在所述成形工具的所述外侧转角上正被热压垂帘成形时，使用所述张紧材料维持在所述层压填料的所述内侧转角处在所述层压填料上的压缩力。将所述至少一片张紧材料放置在所述层压填料上的步骤包括：面对面地放置所述至少一片张紧材料使其与所述层压填料重叠地接触。使用柔性膜来执行热压垂帘成形，从而在由所述张紧材料维持所述层压填料上的压缩力时，迫使所述层压填料围绕所述成形工具的所述外侧转角。通过将配重放置在所述张紧材料的边缘上来执行保持所述张紧材料的所述边缘抵抗移动。所述方法可进一步包括：在一台上放置并标引所述层压填料，并且将所述至少一片张紧材料放置在所述层压填料上的步骤可包括将所述至少一片张紧材料放置在所述台上，与所述层压填料重叠并且面对面地接触。
根据又一实施方式，提供了一种在使具有至少一个凸缘的复合层压部件热压垂帘成形期间防止层片起皱的方法，所述方法包括：将未固化的复合层压填料放置在支撑表面上；以及用一层张紧材料覆盖所述层压填料，这包括使所述张紧材料的周缘向外延伸超出所述层压填料。该方法还包括：对着所述支撑表面重压所述张紧材料的所述周缘；使所述层压填料在工具上成形，这包括通过使所述层压填料的一部分在圆角工具转角上成形而使所述至少一个凸缘成形；以及使用所述一层张紧材料沿着所述圆角工具转角将压缩力施加到所述层压填料。该方法还包括：为所述张紧材料的所述周缘减重；以及在所述层压填料已经成形之后去除所述一层张紧材料。所述方法还可包括：在使所述层压填料在所述工具上成形期间，在所述层压填料的所述一部分在所述圆角工具转角上成形之后，去除所述层压填料上的压缩力。可通过在绕所述周缘基本均匀分布的位置处将配重放置在所述周缘上来执行重压所述周缘的步骤。所述方法可进一步包括：当所述层压填料的所述一部分正在所述工具上成形时允许撕裂所述张紧材料。
根据又一实施方式，提供了一直用于使复合层压部件热压垂帘成形的设备，所述设备包括：工具，复合层压填料能在所述工具上被成形，所述工具包括用于成形所述层压部件的圆角部的至少一个转角特征；成形膜，所述成形膜适于使所述层压填料在所述工具上成形；以及张紧材料，所述张紧材料在所述成形膜和所述层压填料之间，用于在所述转角特征处将压缩力施加于所述层压填料上，以在成形期间减少所述层压填料在所述圆角部处的起皱。所述张紧材料可包括至少一个片材，所述至少一个片材布置成与所述层压填料面对面地接触并且具有延伸超出所述层压填料的外缘的外周。所述张紧材料具有的抗拉强度允许所述张紧材料在所述层压填料在所述工具上正被成形时被撕裂。所述设备可进一步包括配重，所述配重绕所述片材的外周分布并且加载到所述片材的外周上，用于绕所述外周保持所述片材。所述张紧材料可包括具有粘附到所述层压填料的表面粘性的片材。
这些特征、功能和优点在本公开的各种实施方式中可以独立地实现，或者可在其它实施方式中组合，其中参考以下描述和附图可以看到进一步的细节。
附图说明
认为是示例性实施方式的特性的新颖特征阐述于所附权利要求书中。然而，参考本公开的示例性实施方式的以下详细描述并结合附图来阅读将会最佳地理解示例性实施方式以及优选使用模式、其进一步的目的和优点，其中：
图1是复合层压填料的立体图的图示。
图2是通过热压垂帘成形图1示出的层压填料而生产的U形通道加强件的立体图的图示。
图2A是图2中标为图2A的区域的图示。
图3是通过组装图2示出的两个U形通道加强件而生产的工字梁的立体图的图示。
图4是热压垂帘成形机器的正视图的图示。
图5是图4示出的机器的成形台成形部的横截面图的图示。
图6是类似于图5的图示，但示出了已经放置在成形台上、与下成形膜重叠的复合层压填料。
图6A是已经放置有复合层压填料的成形台的平面图的图示。
图6B是类似于图6A的平面图的图示，但示出了已经放置在成形台上、与层压填料重叠的若干张紧材料片材。
图6C是类似于图6B的平面图的图示，但示出了已经放置在成形台上的其余张紧材料片材，其中张紧配重已经部分地绕张紧材料的周界放置。
图6D是类似于图6C的平面图的图示，但示出了绕张紧材料的周界放置的其余张紧配重。
图7是沿着图6D中的线7-7截取的横截面图的图示。
图8是已经安装好的成形台、凸成形工具和上膜的横截面图的图示。
图9是类似于图8的图示，但示出了部分成形的通道加强件的凸缘。
图10是图9中标为图10的区域的图示。
图11是类似于图9的图示，但示出了已经完全成形的凸缘以及部分被撕裂的张紧材料。
图12是使复合层压填料热压垂帘成形的方法的流程图的图示。
图13是飞行器生产及检修方法的流程图的图示。
图14是飞行器的框图的图示。
具体实施方式
首先参照图1和图2，多层片复合层压填料28可使用热压垂帘成形(HDF)工艺形成为诸如U形通道加强件20的层压部件。层压填料28可包括但不限于碳纤维增强塑料(CFRP)。复合层压加强件20可具有广泛的应用。例如，两个加强件20可如图3示出的背靠背结合到一起而形成工字梁，其可用于例如而不限于飞行器工业中作为翼梁30。加强件20包括腹板22以及沿着内侧转角半径25从腹板22向外过渡的一对凸缘24、26。上述的U形通道加强件20仅仅例示了各种各样的复合层压结构，其具有在HDF工艺期间可导致各层片集拢或聚束的诸如内侧转角半径25的特征。
现在参照图4，图2至图3示出的加强件20可在HDF机器32中成形。HDF机器32主要包括成形器34、具有外围下框架38的成形台36以及芯棒状的凸成形工具40，在加热到成形温度之后，复合层压填料28(图1)在成形工具40上成形。如图5示出的，成形台36包括具有一体式加热元件46的支撑基座42，加热元件46用于将层压填料28加热到成形温度。虽然图中未示出，但是可提供标引装置(indexingdevice)，用于标引放置在支撑基座42上的层压填料28的位置。
参照图5、图6和图6A，包括柔性可拉伸材料(诸如而不限于硅树脂)的成形膜48在下框架38内的支撑基座42上方进行拉伸。在准备进行HDF操作中，基本平坦的复合层压填料28面对面地放置在成形台36上，与成形膜48上覆接触。支撑基座42提供了用于在其上支撑层压填料28的表面。如之前提到的，标引装置可用于将层压填料28定位在支撑基座42的期望位置。接下来，如图6B示出的，将张紧材料52放置在层压填料28上方。张紧材料52向外超出层压填料28的外周55延伸到下框架38，并且与成形膜48重叠。
取决于应用以及层压填料28的大小/几何形状，张紧材料52可包括多个单独的张紧片材52a，在图示的示例中，张紧片材52a为大致矩形的形状并且横跨层压填料28的宽度延伸。片材52a的相邻边缘可彼此抵接或重叠。张紧材料52包括具有预选的抗拉强度的可拉伸材料，当超过预选的抗拉强度时可能导致张紧材料52撕裂或分离。张紧材料52还具有粘性，这允许它粘附到底层的成形膜48。在一个实施方式中，张紧材料52可包括树脂浸渍的布，诸如而不限于环氧树脂浸渍的玻璃纤维织造布。
现在参照图6C，张紧材料52装设在层压填料28之上，在成形工艺期间保持张紧材料52的外周界65。在一个实施方式中，通过将多个单独配重54放置在张紧材料52上而保持张紧材料52，配重54会加载张紧材料52的周界65使其抵靠成形膜48和支撑基座42。例如而不限于，配重54可包括填充有相对重的材料诸如铅粒的袋。用于保持张紧材料52的外周界65的其它技术也是可行的。如图6D示出的，取决于应用，使用单独配重54来加载张紧材料52的整个周界65。如图7最佳看到的，由配重54提供的加载将张紧材料52置于张力下，下拉张紧材料52使其抵靠层压填料28。
现在关注图8至图11，其顺序地图示了使用图4示出的HDF机器32将层压填料28热压垂帘成形为U形通道加强件20(图2)的工艺。如图8所示的，成形工具40被移动到成形台36上并且放置在层压填料28的顶部，从而将张紧材料52夹在工具40的底面53与层压填料28之间。成形工具40还包括相对面向的侧面40b以及一对侧向延伸的凸缘40a。在成形工具40位于层压填料28顶部的情况下，上框架44然后被降低到下框架38上并且密封在下框架38上。横过上框架44拉伸且密封到上框架44的膜50与成形膜48一起创建出基本真空密闭的空腔56。虽然图中未示出，但是热压垂帘成形机器32(图4)包括用于排空所述空腔56的系统。
在HDF操作的准备中，加热元件46被激活，以便将层压填料28加热到期望的成形温度。接下来，在空腔56内抽真空。特别参照图9，空腔56内的真空将膜50抵靠成形工具40下拉，而成形膜48被上拉而抵靠外凸缘40a。成形膜48还开始成形层压填料28的凸缘24、26，使凸缘24、26围绕工具40的转角40c旋转，以形成转角半径25。成形膜48遵循下框架38而向上向外拉伸并移动，同时张紧材料52和配重54两者向上移动。张紧材料52的这种向上运动将张紧材料52压靠在工具凸缘40a上。
特别参照图9和图10，随着成形膜48向上拉伸并移动，将凸缘24、26弯折，成形膜48使材料52张紧60，并且在一定程度上可能会稍微拉伸材料52。张紧材料52的张紧60包括并且加载62，加载62使凸缘24、26抵着成形膜48。使凸缘24、26抵着成形膜48的压缩加载62维持凸缘24、26的各层片(特别是最接近工具40的这些层片)基本平坦，从而减少或消除在继续成形凸缘24、26时使这些层片聚束、集拢、收集或以另外的方式移出平面的趋势。
现在参照图11，张紧材料52维持着凸缘24、26上的压缩加载62，以防止层片起皱，直到基本完全形成每个转角半径25。随着空腔56中的真空继续增加并且成形膜48继续朝向成形工具40的侧面40b(图9)成形凸缘24、26，由成形膜48施加到张紧材料52的力增加，直到张紧60超过张紧材料52的抗拉强度，导致张紧材料52在工具凸缘40a的区域中撕裂或分离66。张紧材料52的这些撕裂或分离66会释放张紧材料52的张紧60，从而消除成形膜48朝向工具40的继续向内成形运动的阻力，允许朝向成形工具40的侧面40b继续成形凸缘24、26。
现在关注图12，图12示出了使复合层压部件热压垂帘成形的方法的一个实施方式的额外细节，这减少或消除了半径区域的层片起皱。开始于步骤70，将合适的多层片复合层压填料放置并标引在合适的成形装备中，诸如HDF机器32。在步骤72，将张紧材料52切割成期望长度的单独片材52a。被切割的张紧片材52a的数量足以提供层压填料28和成形膜48在填料28每侧的完全覆盖。在步骤74，将每个片材52a居中放置在层压填料28上，向外超出填料28的外围而延伸到成形框架。在步骤76，放置张紧材料52的额外片材52a，以便以片材52a的期望重叠为层压填料28提供全覆盖。在步骤78，将诸如粒袋的张紧配重54端对端地定位并放置在框架38附近，以便沿着张紧材料52的片材52a的全长保持片材。
在步骤80，开始填料加热及成形周期，以加热层压填料开始。在步骤82，在空腔56中抽取期望水平的真空，将HDF机器32放空，并且去除张紧配重54。在步骤84，成形周期开始并且保持期望的时间间隔。在步骤86，将HDF机器32放空，释放空腔56的真空，并且去除成形工具40。然后，在步骤88，去除张紧材料52的片材52a。最后，在步骤90，可检查所形成的层压部件的褶皱。
本公开的实施方式可在各种潜在应用中使用，特别是运输工业，例如包括航空、船舶、汽车应用以及由热压垂帘成形或由类似工艺来制造复合层压部件的其它应用。由此，现在参照图13和图14，可在如图13所示的飞行器制造和保养方法94和如图14所示的飞行器96的背景下描述本公开的示例。所公开的实施方式的飞行器应用可包括但不限于翼梁、纵梁、地板梁和类似加强件，仅列举了其中一些。在前期生产过程中，示例性方法94可包括飞行器96的规格和设计98及材料采购100。在生产过程中，进行飞行器96的部件和子组件制造102以及系统整合104。此后，飞行器96可经过检定和交付106以便投入服役108。在由客户保养期间，飞行器96被安排进行例行维护检修110(这也可包括改造、重构、翻新等)。
可由系统集成商、第三方及/或操作员(例如客户)进行或执行示例性方法94的各个过程。为了本描述之目的，系统集成商可包括但不限于任一数量的飞行器制造商与主系统分包商；第三方可包括但不限于任一数量的供应商、转包商以及供货商；并且操作员可以是航空公司、租赁公司、军事实体、服务组织等。
如图14所示，由示例性方法94生产的飞行器96可包括具有多个系统114与内饰116的机体112。高级系统114的实施例包括推进系统118、电气系统120、液压系统122以及环境系统124中的一个或多个。可包括任一数量的其它系统。尽管示出了航空航天的实施例，但是本发明的原理可尤其应用于诸如汽车工业及造船工业之类的其它工业。
在此实施的设备与方法可在制造和维护方法94的任一个或多个阶段中采用。例如，能以类似飞行器96在服务中生产部件或子组件的方式装配或制造对应于制造过程102的部件或子组件。而且，可在生产阶段102和104期间利用一个或多个设备实施方式、一个或多个方法实施方式或者它们的组合，例如通过大幅地加快飞行器96的装配或减少飞行器96的成本。类似地，可在例如但不限于飞行器96在保养时(例如维护检修110时)利用一个或多个设备实施方式、一个或多个方法实施方式或者它们的组合。
如本文所使用的，短语“(中的)至少一个”当与一列条目使用时，意指可使用所列条目中的一个或多个的不同组合并且可能仅需要列出的一个条目。例如，“条目A、条目B和条目C中的至少一个”可包括而不限于：条目A；条目A和条目B；或条目B。该示例还可包括：条目A、条目B和条目C；或条目B和条目C。所述条目可以是特定的对象、事物或类别。换句话说，“(中的)至少一个”意指可使用列出的条目或条目数量的任何组合，而并不是需要列出的所有条目。
出于图示和描述的目的，已经提供了对不同示例性实施方式的描述，并非旨在穷举或限于所公开形式的实施方式。许多修改和变型对本领域普通技术人员将是显而易见的。此外，与其它示例性实施方式相比，不同的示例性实施方式可提供不同的优点。选出并描述所选择的一个或多个实施方式是为了最好地解释实施方式的原理、实际应用，并使得本领域的其他技术人员能够理解本公开的各种实施方式及适合于所构想的具体应用的各种变型。
Claims (20)
1.一种在复合层压件的热压垂帘成形期间减少层片起皱的方法，所述方法包括：
将张紧材料放置在未固化的复合层压填料上；
在成形工具上使所述层压填料热压垂帘成形；以及
当所述层压填料在所述成形工具上正被成形时，使用所述张紧材料来压缩所述层压填料。
2.根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括：
在一台上标引所述层压填料，并且
其中将所述张紧材料放置在所述层压填料上的步骤包括：使所述张紧材料的周缘重叠到所述台上并且对着所述台来加载所述张紧材料的所述周缘。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，通过将配重放置在所述张紧材料的所述周缘上来执行加载所述张紧材料的所述周缘的步骤。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述热压垂帘成形包括：
将柔性成形膜密封在所述层压填料上；
在所述成形膜和所述成形工具之间抽真空；以及
使用所述成形膜使所述层压填料在所述成形工具的表面上成形。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，使用所述张紧材料来压缩所述层压填料的步骤包括：当所述成形膜使所述层压填料在所述成形工具的表面上成形时，对着所述成形膜压缩所述层压填料。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述张紧材料放置在所述层压填料上的步骤包括：将多个玻璃纤维片材放置在所述层压填料上，这些片材集体覆盖所述层压填料的基本整个区域，其中各所述片材均延伸超出所述层压填料的周缘。
7.根据权利要求6所述的方法，所述方法进一步包括：
当所述层压填料在所述成形工具上正被热压垂帘成形时，保持每个所述片材的所述周缘。
8.一种使复合层压部件热压垂帘成形的方法，所述方法减少沿着所述复合层压部件的内侧转角的层片起皱，所述方法包括：
将至少一片张紧材料放置在未固化的复合层压填料上；
保持所述张紧材料的边缘；
使所述层压填料和所述张紧材料的组合在成形工具的外侧转角上热压垂帘成形；以及
当所述层压填料在所述成形工具的所述外侧转角上正被热压垂帘成形时，使用所述张紧材料在所述层压填料的所述内侧转角处压缩所述层压填料。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，将所述至少一片张紧材料放置在所述层压填料上的步骤包括：面对面地放置所述至少一片张紧材料使其与所述层压填料重叠地接触。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，使用柔性膜来执行所述热压垂帘成形，从而在所述层压填料正被所述张紧材料压缩时，迫使所述层压填料围绕所述成形工具的所述外侧转角。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，通过将配重放置在所述张紧材料的边缘上来执行保持所述张紧材料的所述边缘抵抗移动。
12.根据权利要求9所述的方法，所述方法进一步包括：
在一台上放置并标引所述层压填料，并且
其中将所述至少一片张紧材料放置在所述层压填料上的步骤包括将所述至少一片张紧材料放置在所述台上，与所述层压填料重叠并且面对面地接触。
13.一种在具有至少一个凸缘的复合层压部件的热压垂帘成形期间防止层片起皱的方法，所述方法包括：
将未固化的复合层压填料放置在支撑表面上；
用一层张紧材料覆盖所述层压填料，这包括使所述张紧材料的周缘向外延伸超出所述层压填料；
对着所述支撑表面重压所述张紧材料的所述周缘；
使所述层压填料在工具上成形，这包括通过使所述层压填料的一部分在圆角工具转角上成形而使所述至少一个凸缘成形；
使用所述一层张紧材料沿着所述圆角工具转角将压缩力施加到所述层压填料；
为所述张紧材料的所述周缘减重；以及
在所述层压填料已经成形之后去除所述一层张紧材料。
14.根据权利要求13所述的方法，所述方法进一步包括：
在使所述层压填料在所述工具上成形期间，在所述层压填料的所述一部分在所述圆角工具转角上成形之后，去除所述层压填料上的张紧。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，通过在绕所述周缘基本均匀分布的位置处将配重放置在所述周缘上来执行重压所述周缘的步骤。
16.根据权利要求13所述的方法，所述方法进一步包括：
当所述层压填料的所述一部分在所述工具上正被成形时允许撕裂所述张紧材料。
17.一种用于使复合层压部件热压垂帘成形的设备，所述设备包括：
工具，复合层压填料能在所述工具上被成形，所述工具包括用于成形所述层压部件的圆角部的至少一个转角特征；
成形膜，所述成形膜适于使所述层压填料在所述工具上成形；以及
张紧材料，所述张紧材料在所述成形膜和所述层压填料之间，用于在所述转角特征处将压缩力施加于所述层压填料上，以在成形期间减少所述层压填料在所述圆角部处的起皱。
18.根据权利要求17所述的设备，其中：
所述张紧材料包括至少一个片材，所述至少一个片材布置成与所述层压填料面对面地接触并且具有延伸超出所述层压填料的外缘的外周；并且
所述张紧材料具有的抗拉强度允许在所述层压填料在所述工具上正被成形时所述张紧材料被撕裂。
19.根据权利要求18所述的设备，所述设备进一步包括：
配重，所述配重绕所述片材的外周分布并且加载到所述片材的外周上，用于绕所述外周保持所述片材。
20.根据权利要求17所述的设备，其中，所述张紧材料包括具有粘附到所述层压填料的表面粘性的片材。
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