CN109719865B - 用于制造纤维增强材料板的模块化模具和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于制造板材的模块化模具，所述板材包括纤维增强材料层(10)，所述层(10)配置为形成包括波纹状梯形横截面的中空室(3)，其中所述模具包括至少三个用于形成每个中空室(3)的模塑块，一个模塑块(4)具有梯形截面形状且两个模塑块(5)具有三角形截面形状，所述梯形模塑块(4)配置为位于所述两个三角形模塑块(5)之间，并且所述三个模塑块(4，5)配置为使得当将它们放在一起时，其横截面形成所述中空室(3)的梯形横截面的形状。

Description

用于制造纤维增强材料板的模块化模具和方法

技术领域

本发明涉及一种使用连续纤维(碳、芳族聚酰胺、玻璃、超高分子量聚乙烯、聚对苯撑苯并二恶唑、聚丙烯......)来生产拉胀行为或波纹构型板材的模块化模具，其中，可能嵌入替代材料(陶瓷、弹性体、金属......)，以用于潜在的冲击能量吸收。

这种核心构型的主要应用是轻型防弹护罩，用于保护飞机系统和机身免受潜在的危险事件影响，例如螺旋桨叶片释放(Propeller Blade Release,PBR)或非包容发动机转子故障(Uncontained Engine Rotor Failure,UERF)，这在高度集成的开式转子或边界层摄入的尾部发动机驱动的飞机构型中尤为有利。

背景技术

在自然界中发现的常规材料具有正泊松比，当拉伸时它们变得更薄并且当压缩时变得更厚，遵循泊松比方程：

因此，泊松比定义为横向应变除以纵向应变的负值。

存在表现相反行为(被称为拉胀)的材料或结构几何构型，具有负泊松比，并且当拉伸时，它们垂直于所施加的力而变得更厚，并且在压缩时更薄。因此，向拉胀材料施加单向拉伸力导致横向尺寸的大小增加。所述构型在冲击下的行为(其等同于压缩)为将材料集中在冲击区域周围，这归因于这些构型的负泊松性质。

大多数情况下，这可以通过材料的内部宏观结构的特定几何形状来实现。例如，通过改变传统蜂窝几何形状上的垂直元件的位置，可以获得拉胀材料构型。

蜂窝构型通常用作夹层结构中的芯。这种夹层结构的目的是实现硬且同时轻的部件。夹层结构由两个相对薄、硬且坚固的面组成，由相对较厚的轻质芯分开。

一些最相关的优点如下：

·具有相同板材刚度的夹层结构比其整体对应物要轻。

·大量的制造时间和金钱的节省。

·压缩/牵引负载时良好的机械性能。

·良好的比刚度和强度。

·良好的扭转刚度。

·声学阻尼特性和隔热能力。

采用蜂窝芯夹层结构，所有这些优点都以经济有效的方式获得。可以利用这一概念将抗冲击芯嵌入结构元件中，从而获得相当大的重量益处。这些抗冲击芯可以成形为蜂窝状图案，以实现板材的结构完整性。蜂窝夹层芯可以用各种材料生产，从防弹材料到金属及其衍生物。

通常，波纹构型及其衍生物、蜂窝几何形状不是通过模塑制造的。金属波纹芯通常通过使金属薄板弯曲来制造。用于制造波纹板的模具的使用促进了从连续纤维碳层压板和/或防弹纤维制造替代几何形状芯，作为拉胀芯几何形状。对于连续纤维碳层压板或防弹层压板芯，在整合其表皮之前，为了稳定夹层芯，需要一种模具。

复合护板(composite armour)通常由不同材料的层组成，例如金属、织物和陶瓷。虽然复合护板比其等效的全金属护板更轻，但这些护板在它们所集成的结构中仍然带来显著的重量损失(weight penalty)。这种重量损失在飞机中尤其严重，其中，航程(range)、速度和/或升力性能可能受损。

发明内容

本发明的目的是提供一种制造连续纤维碳或防弹层压板拉胀行为板材的模具和方法，之后在飞机机身和系统中用作轻型保护装置，以防止高能量冲击。

本发明的模塑品可以以允许减震材料嵌入轻型防弹织物的叠层中的方式制造。因此可以将陶瓷材料或任何其他高抗压强度材料添加到叠层中以产生复合护板。

所述板材是形成中空室的纤维增强层类型，所述中空室包括波纹状梯形横截面。

所述模具包括至少三个用于形成每个中空室的模塑块，一个模塑块具有梯形截面形状且两个模塑块具有三角形截面形状，所述梯形模塑块配置为位于两个三角形模塑块之间，并且三个模塑块配置为使得当它们放在一起时，其横截面形成中空室的梯形横截面的形状。

所要求保护的模具的主要优点之一是其模块化，因为它可以用于生产波纹或六边形图案，并且它还可以生产凹入或拉胀的几何形状而无需任何额外部件。这提供了模具之间的共性。所述模具还可以生产敞开室并且可以生产封闭室，两者都具有在需要时嵌入增强材料或减震材料的能力。所述模具被设计为使得由模具产生的几何形状可以容易地移除而没有任何问题。

为了清楚起见，非凸多边形，即，凹多边形也被称为凹入多边形。凹多边形将始终具有至少一个反射内角，即具有180度和360度之间度量的角度。

可以使用ALM 3D打印技术或任何其他传统技术来制造模具。使用这些技术，本发明的模块化可以用于不同构型的快速原型设计。这也可以在早期开发阶段或低生产率部件上节省成本。

如上所述，模具应由能够实现波纹和凹入(拉胀)构型的模块组合而成。利用模块化，可以制造敞开或封闭的室。模具本身由若干部件制成。这些部件之间的可互换性为模具提供了这种特性灵活性和模块化，以便使用相同的工具制造不同的构型。

模具需要若干模塑部件以适当地巩固其模块化几何形状并允许可行且容易的脱模过程。基本单元是梯形模塑块和两个三角形模塑块。梯形模塑块具有两种不同的基部长度。根据梯形模塑块的定向，产生几何形状集合：如果较大的基部位于板材的第一面上，则为波纹状的；如果较大的基部与板材的第一面相对，则为凹入的。三角形部件与梯形部件组装。在波纹状室的形状的情况下，梯形和三角形部件可以组装后放置在模具中，但是在凹入室的情况下，这种组装必须在模塑过程中进行，首先在模具每个室中安装三角形部件，然后组装梯形部件。

因此，上述的模块组合能够实现波纹和凹入(拉胀)构型，并且还允许部件之间的可互换性。

本发明的另一个目的是制造如上所述的纤维增强材料板材的方法，包括以下步骤：

提供朝向所述板材的第一面敞开的中空室，所述板材的第一面垂直于其横截面，三个模塑块的纵轴平行于所述板材的第一面，一个模塑块具有梯形截面形状且两个模塑块具有三角形截面形状，所述梯形模塑块配置为位于所述两个三角形模塑块之间，所述三个模塑块配置为使得当它们放在一起时其横截面形成中空室的梯形横截面的形状，

为每个朝向所述板材的第一面敞开的中空室添加随后的三角形和梯形模塑块的组，

在三个模塑块的组上和位于两个相邻的三个模塑块的组之间的区域上提供所述增强层，从而形成波纹状横截面，

在位于两个相邻的三个模塑块的组之间的区域中的所述增强层上提供另外三个模塑块，一个模塑块具有梯形截面形状且两个模塑块具有三角形截面形状，所述梯形模塑块配置为位于所述两个三角形模塑块之间，所述三个模塑块配置为使得当放在一起时，它们具有中空室的梯形横截面的形状，所述中空室朝向平行于所述第一面的所述板材的第二面敞开，

固化所述增强层，和

脱模所述模塑块。

所述模具的目的是通过树脂传递模塑(Resin Transfer Moulding,RTM)或真空袋成型工艺(vacuum bag process)获得可以添加到飞机的现有结构或可以是飞机结构部件的一部分的护罩构型。这种防护的应用在高度集成的尾部发动机驱动的飞机构型中尤其有利，例如开放式转子或边界层摄取架构，其中，由于针对螺旋桨叶片释放(PBR)和发动机碎片(非包容发动机转子故障小碎片和第三圆盘)对机身的高能量冲击的安全考虑而需要保护装置(护罩)，从而导致对驱动结构的调整。如果应用传统的现有技术保护解决方案，这将导致高的重量损失。

附图说明

为了完成描述并且为了更好地理解本发明，提供了一组附图。所述附图形成说明书的组成部分，并说明了本发明的优选实施方式。附图包括以下图片。

图1示出了第一实施方式的模具的横截面和波纹状夹层板。

图2示出了第二实施方式的模具的横截面和凹入的夹层板。

图3示出了第三实施方式的模具的横截面和具有六边形中空室的波纹状夹层板。

图4示出了第四实施方式的模具的横截面和具有凹入六边形中空室的拉胀夹层板。

图5示出了制造根据图1的夹层板的方法。

图6示出了制造根据图2的夹层板的方法。

图7示出了脱模根据图1的模具的方法。

图8示出了脱模根据图2的模具的方法。

图9示出了封闭室脱模配置的第一实施方式。

图10示出了封闭室脱模配置的第二实施方式。

图11示出了图9的实施方式的脱模步骤。

图12示出了图10的实施方式的脱模步骤。

图13示出了嵌入有替代材料以便吸收潜在的高能量冲击的夹层板。

具体实施方式

图1公开了模块化模具和相关板材(更具体地，对应于夹层板)的实施方式。所述夹层板包括两个外层1，11和位于外层1，11之间的芯2，芯2由纤维增强层10制成，所述纤维增强层10形成包括波纹状梯形横截面的中空室3。所述模具包括至少三个用于形成每个中空室3的模塑块4，5，一个模塑块4具有梯形截面形状且两个模塑块5具有三角形截面形状，梯形模塑块4位于两个三角形块5之间，并且三个模塑块4，5放在一起时具有中空室3的梯形横截面的形状。外层1，11可以由均质材料，例如：金属材料制成。

图2公开了另一个实施方式，其中，中空室3包括凹入形状，因此限定了拉胀夹层板。

在图1中，通过将两个三角形块5的基部放置在板材的第一面上，更具体地，放置在第一外层1上并且梯形块4位于两个三角形块5之间而获得中空室3的形状，其中，梯形块4的较短的基部与三角形块5的基部和第一外层1相邻。图5描绘了敞开单元3的模塑过程。

在图2中，通过将梯形块4放置在板材的第一面上，更具体地，放置在第一外层1上并且之后定位两个三角形块5而形成凹入的形状，其中，梯形块4的较宽的基部与第一外层1相邻，两个三角形块5的基部与第二外层11相邻。图6描绘了敞开室3的模塑过程。

图3和图4示出了封闭的中空室3，其由具有前述构型的堆叠的三角形5，6和梯形4，7模塑块形成。可以扩展先前的设计以从敞开室3构型获得封闭室3构型。模塑过程类似于针对敞开室3构型所执行的过程。根据需要，所述方法可复制用于多个堆叠的室3。

具体地，所述模具包括用于每个中空室3的另外三个模塑块6，7，从而实现六边形中空室3，一个模塑块7具有梯形截面形状且两个模塑块6具有三角形截面形状，梯形模塑块7位于两个三角形块6之间，并且三个模塑块4，6和另外三个模塑块6，7配置为位于平行于板材表面的对称面，更具体地，平行于两个外层1，11，使得当六个模塑块4，5，6，7放在一起时形成六边形中空室3。

如前所述，模塑块可以限定两个不同的实施方式，六边形中空室3或凹入中空室3，这取决于梯形模塑块4，7如何放置。

根据图5和图6，用于制造所述实施方式的夹层板的方法包括以下步骤：

提供第一外层1，

在第一外层1上针对朝向第一外层1敞开的每个中空室3提供多个三个模塑块4，5，一个模塑块4具有梯形截面形状且两个模塑块5具有三角形截面形状，梯形模塑块4配置为位于两个三角形模塑块5之间，三个模塑块4，5配置为使得当它们放在一起时，其横截面形成所述中空室3的梯形横截面的形状，

在多个模塑块4，5上和位于相邻模塑块4，5之间的第一外层1的部分上提供纤维层压板增强芯层10，

在位于相邻模塑块4，5之间的增强芯层10上提供三个模塑块，一个模塑块4具有梯形截面形状且两个模塑块5具有三角形截面形状，梯形模塑块4配置为位于两个三角形模塑块5之间，三个模塑块4，5配置为使得当它们放在一起时，它们具有朝第二外层11敞开的中空室3的梯形横截面的形状，

在增强芯层10和模塑块4，5上提供第二外层11，

固化，和

脱模模塑块4，5。

对于敞开的中空室3的脱模过程，在凹入形状的情况下，如图8所示，脱模必须与模塑相反地进行。必须首先抽出梯形模塑块4，因为这是保持两个三角形模塑块5固定的模塑块。在移除梯形形状4之后，可以取出三角形形状5。在波纹形状的情况下，梯形块4和三角形块6可以同时脱模。

对于封闭的中空室3构型，脱模可以仅在室3的纵向上进行。为此，设计了两个不同的概念：

图9示出了第一脱模实施方式，其中，三角形模塑块5，6保持不变，并且梯形截面形状模塑块4，7通过垂直于梯形块4，7的基部的倾斜面12分成两部分，并且倾斜面12与模塑块4，7的纵向形成角度，以便于在室3方向上脱模。

脱模顺序不同于敞开的室3构型中执行的顺序。板材外方向的抽取不是一种选择。因此，必须从敞开的侧面抽出模塑块4，5，6，7，如图11所示。

更具体地，每个三角形部件5，6与梯形部件4，7的一部分相连，这些部件形成单元。这些单元通过垂直于梯形模塑块4，7的基部的垂直倾斜分裂面12在这些单元预定的脱模方向上被抽出，并且所述垂直倾斜分裂面12与梯形模塑块4，7的纵向形成角度。在第一步中，在室3的一个纵向抽出部分部件，在第二步中在室3的相反纵向抽出其余部件。这在图11中示意性地示出。

图10示出了第二实施方式的脱模过程，其中，梯形截面形状模塑块4，7和三角形模塑块5，6都通过倾斜平面13分成两部分，所述倾斜平面13垂直于与纵向上的梯形和三角形块4，5，6，7的基部相垂直的平面，并且所述倾斜平面13与模塑块4，5，6，7的纵向形成角度。倾斜平面13水平放置而不是垂直放置，为了便于脱模，它必须切割每个室的所有相邻部件，梯形和三角形4，5，6，7，因此实现了比第一个实施方式更少的通用性。在这种情况下，模塑块4，5，6，7可以通过接头以三个一组的方式连接，使得更多的部件可以同时脱模。

脱模过程类似于第一实施方式。这些部件还必须通过水平倾斜的分裂面13在其预定义脱模方向脱模。在图12中详述该过程。在第一步骤中，在室3的可选纵向抽出内部室3部件，并且在第二步骤中，在室3的相反的可选纵向抽出剩余的部件。

所述模具和过程还提供了嵌入不同类型材料的机会，如图13所示，其中，材料片14位于外层1，11和中空室3顶部的芯层10之间，和材料片14也设置在相邻室3的两个纤维增强层10之间或者甚至在模塑块4，5和增强层之间10。这种机会对于高能量倾向的冲击室表面来说尤其有趣。这些材料的范围从高抗压强度材料到减震聚合物。这些可嵌入材料的一些例子可以是：陶瓷、弹性体、金属。

Claims (13)

1.一种用于制造板材的模块化模具，所述板材包括纤维增强材料层(10)，所述纤维增强材料层(10)配置为形成包括波纹状梯形横截面的中空室(3)，其特征在于，所述模具包括至少三个用于形成每个中空室(3)的模塑块，一个模塑块(4)是具有梯形截面形状的梯形模塑块(4)且两个模塑块(5)是具有三角形截面形状的三角形模塑块(5)，所述梯形模塑块(4)配置为位于两个所述三角形模塑块(5)之间并与两个所述三角形模塑块(5)直接接触，并且三个模塑块(4，5)配置为使得当它们放在一起时，其横截面形成所述中空室(3)的梯形横截面的形状，且三个模塑块(4，5)在板材被制造之后从板材脱模。

2.根据权利要求1所述的模块化模具，其中，所述模块化模具包括用于每个中空室(3)的另外三个模塑块(6，7)，从而实现六边形中空室(3)，一个模塑块(7)是具有梯形截面形状的梯形模塑块(7)且两个模塑块(6)是具有三角形截面形状的三角形模塑块(6)，所述梯形模塑块(7)配置为位于两个所述三角形模塑块(6)之间，并且六个模塑块(4，5，6，7)配置为当它们放在一起时形成六边形中空室(3)。

3.根据权利要求2所述的模块化模具，其中，所述六边形中空室(3)是凹入拉胀六边形中空室(3)。

4.根据权利要求2或3所述的模块化模具，其中，所述梯形模塑块(4，7)通过垂直于所述梯形模塑块(4，7)的基部的倾斜平面(12)分成两部分，并且所述倾斜平面(12)与所述梯形模塑块(4，7)的纵向形成角度。

5.根据权利要求2或3所述的模块化模具，其中，所述梯形模塑块(4，7)和所述三角形模塑块(5，6)通过倾斜平面(13)分成两部分，所述倾斜平面(13)与所述模塑块(4，5，6，7)的纵向形成角度。

6.一种制造包括纤维增强材料层(10)的板材的方法，所述纤维增强材料层(10)配置为形成包括波纹状梯形横截面的中空室(3)，所述方法包括以下步骤：

提供朝向所述板材的第一面敞开的中空室(3)，所述板材的所述第一面垂直于其横截面，三个模塑块(4，5)的纵轴平行于所述板材的所述第一面，一个模塑块(4)是具有梯形截面形状的梯形模塑块(4)且两个模塑块(5)是具有三角形截面形状的三角形模塑块(5)，所述梯形模塑块(4)配置为位于两个所述三角形模塑块(5)之间，三个模塑块(4，5)配置为使得当它们放在一起时，其横截面形成所述中空室(3)的梯形横截面的形状，

为每个朝向所述板材的所述第一面敞开的中空室(3)添加随后的三角形和梯形模塑块(4，5)的组，

在三个模塑块(4，5)的组上和位于两个相邻的三个模塑块(4，5)的组之间的区域上提供所述纤维增强材料层(10)，从而形成波纹状横截面，

在位于两个相邻的三个模塑块(4，5)的组之间的区域中的所述纤维增强材料层(10)上提供另外三个模塑块，一个模塑块(4)是具有梯形截面形状的梯形模塑块(4)且两个模塑块(5)是具有三角形截面形状的三角形模塑块(5)，所述梯形模塑块(4)配置为位于两个所述三角形模塑块(5)之间，三个模塑块(4，5)配置为使得当它们放在一起时，它们具有所述中空室(3)的梯形横截面的形状，所述中空室(3)朝向平行于所述第一面的所述板材的第二面敞开，

固化所述纤维增强材料层(10)，和

脱模所述模塑块(4，5)。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，当提供朝向所述板材的所述第一面敞开的三个模塑块(4，5)时，两个所述三角形模塑块(5)首先被定位，然后将所述梯形模塑块(4)提供在两个所述三角形模塑块(5)间，所述梯形模塑块(4)的较短的基部与所述板材的所述第一面相邻。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，当在所述板材的所述第一面上提供三个模塑块(4，5)时，首先提供所述梯形模塑块(4)，所述梯形模塑块(4)的较宽的基部与所述板材的所述第一面相邻，然后提供两个所述三角形模塑块(5)，两个所述三角形模塑块(5)的基部与所述板材的所述第二面相邻。

9.根据前述权利要求6至8中任一项所述的方法，其中，所述方法包括在所述中空室(3)的顶部的所述纤维增强材料层(10)上提供材料片(14)的步骤。

10.根据前述权利要求6至8中任一项所述的方法，其中，所述方法包括在相邻中空室(3)的两个纤维增强材料层(10)之间提供材料片(14)的步骤。

11.根据前述权利要求6至8中任一项所述的方法，其中，所述方法包括在所述模塑块(4，5)和所述纤维增强材料层(10)之间提供材料片(14)的步骤。

12.根据前述权利要求6至8中任一项所述的方法，其中，所述方法包括在所述板材的所述第一面上提供第一外层(1)的步骤。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述方法包括在所述板材的所述第二面上提供第二外层(11)的步骤，使得形成具有两个外层(1，11)和一个纤维增强材料层(10)的夹层板。

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