CN112571833A - 用于制造复合材料飞机窗户框架的方法和工具 - Google Patents

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CN112571833A CN202011001473.5A CN202011001473A CN112571833A CN 112571833 A CN112571833 A CN 112571833A CN 202011001473 A CN202011001473 A CN 202011001473A CN 112571833 A CN112571833 A CN 112571833A
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尼古拉·加隆
西尔维奥·帕佩德
乌姆博特·拉加纳托
卢卡·兰齐洛托
米歇尔·阿尔加内塞
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Abstract

本发明涉及一种用于制造复合材料飞机窗户框架的方法。该方法包括以下步骤：a)将由热固性树脂基体中的预浸渍材料制成的预成型件(4)定位在模具(3)中，预浸渍材料包括具有预定取向的分散纤维；b)闭合模具(3)以在所述预成型件(4)的至少一个表面(7)和所述模具(3)的一部分(15)之间限定间隙(6)；c)通过模具(3)本身的入口出口(11)将热固性树脂注入闭合的模具(3)中，以填充间隙(6)并完全覆盖预成型件(4)的表面(7)；和d)通过注入树脂而在表面(7)上施加均匀的流体静压力。

Description

用于制造复合材料飞机窗户框架的方法和工具
相关申请的交叉引用
本专利申请要求2019年9月27日提交的申请号为102019000017420的意大利专利申请的优先权，其全部公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及一种用于制造复合材料飞机窗户框架的方法。
本发明还涉及一种用于制造复合材料飞机窗户框架的工具。
背景技术
已知在航空领域中使用的由复合材料制成的结构部件，例如机身及其零件。所述材料的使用是由减轻飞机的总体重量并且消除或最小化航空结构的腐蚀问题的需要而决定的。
根据现有技术，存在以轻合金并且因此以金属材料制成的航空结构元件，例如窗户框架或侧窗，然后必须将其应用于机身。
使用所述金属元件及其与复合材料结构接触的组件引起电流耦合及与金属腐蚀的相关风险的问题，以及需要增加检查水平。这导致这些部件的生产商的总成本增加以及由此导致航空公司的总成本增加。
因此，提出需要将这些结构元件也由复合材料制成。
在这方面，该领域中已知称为“树脂传递模塑”(RTM)的技术，该技术主要包括以下步骤：
-例如通过层压两层或更多层材料，通常是纤维材料、例如碳纤维，来制造干燥的复合材料预成型件；
-将预成型件定位在适当成形的注射模具中，以赋予框架期望的形状；
-在压力下将液态树脂注入模具中，以便向预成型件注入树脂本身并从而浸渍纤维；和
-在高温和高压下在模具内执行一个或多个固化周期。
在上述过程结束时，将由此获得的部件(即，用树脂浸渍并固化的纤维制成的预成型件)从模具中脱模或取出(“脱模”步骤)。
然而，根据上述方法制造的窗户框架虽然具有许多优点(例如，缺陷少、物理机械性能的可重复性高)，但是也不是没有缺点，下面将重点介绍其中的一些。
首先，在压力下注入树脂后，要保证干燥的预成型件的纤维的原始方向非常复杂。这可能会导致很长的后成型过程时间。
此外，在树脂注入之前，总是需要干燥的预成型件的预压缩步骤，因为干燥的预成型件的厚度总是大于标称厚度；此步骤可花费很长时间，并且非常依赖于专业人员的经验。
另外，使用干燥的预成型件意味着在该过程中厚度减小，这可能导致缺陷的形成，从而增加了浪费。
因此，在该领域中需要改进由复合材料制成的飞机窗户框架的制造过程。
发明内容
发明的目的是提供一种用于制造复合材料飞机窗户框架的方法，该方法高度可靠且成本有限，并且其能够克服上面指出的且与已知的用于制造复合材料飞机窗户框架的方法有关的缺点中的至少一个。
根据本发明，该目的通过一种如权利要求1所述的用于制造复合材料飞机窗户框架的方法来实现。
本发明的另一目的是实现一种用于制造复合材料飞机窗户框架的工具，该工具高度可靠且成本有限，并且其可以消除上面指出的并且与已知的用于制造飞机窗户框架的工具有关的缺点中的至少一个。
根据本发明，该目的通过一种如权利要求7所述的用于制造复合材料飞机窗户框架的工具来实现。
附图说明
为了更好地理解本发明，下面仅通过举例的方式并借助于附图来描述优选的非限制性实施例，其中：
图1是根据本发明的用于从预成型件制造飞机窗户框架的工具的分解立体图，其中为了清楚起见而移除了零件；
图2是图1的工具在组装构造下的局部剖开的放大立体图，其中为了清楚起见而移除了零件；
图3a和图3b是图2的工具在两种不同的操作状态期间的细节的放大截面图，其中为了清楚起见而移除了零件；和
图4a和图4b是图1的工具的两个不同部件的分别从底部和顶部的放大立体图，其中为了清楚起见而移除了零件。
具体实施方式
参考图1和图2，标号1整体上表示用于制造飞机(例如飞机)的窗户或侧窗的复合材料框架的工具。
工具1包括模具3。
应当注意，以下将使用的诸如“上”、“下”之类的术语是指由重力的方向限定竖直方向的参考系统，而没有因此失去一般性。
所述模具至少包括：第一部分、特别是上部部分3a，第二部分、特别是下部部分3b，以及在使用中插入在上部部分3a和下部部分3b之间的第三部分、特别是中间部分3c。
部分3a、3b和3c在使用中被配置成围绕预成型件4闭合，预成型件4由热固性树脂基质中的浸渍材料制成，该浸渍材料包括具有预定取向的分散纤维。
根据所述优选实施例，一旦已经应用了根据本发明的制造方法，预成型件4就具有大致环形的形状并且限定基体部件，将从基体部件获得窗户框架。
应当注意，术语“环形”在本说明书和权利要求书中用于表示具有曲线轮廓(例如圆形、卵形、椭圆形等)、严格意义上为多边形或广义上是多边形(即具有圆形顶点)的任何封闭的框架元件。
优选地，热固性树脂是增韧的环氧树脂，例如Solvay 977HM，或具有新颖性质的树脂，例如添加有纳米填料以赋予物理性质，例如特别是更大的抗老化性的树脂。
下部部分3b包括成形部分，该成形部分限定配置成接收和支撑预成型件4的周边环形隔室5。
在所示的示例中，预成型件4具有“S”形轮廓的横截面；因此，隔室5被方便地成形为能够接收和容纳所述预成型件4。
根据未详细描述的已知过程，通过层压两层或更多层的上述材料(包括具有预定取向的纤维，例如碳纤维)(未示出)，并借助于通过施加真空而对上述层进行的一个或多个连续的固结步骤(“压实”)来获得预成型件4。
将由此获得的被称为“预浸料”的预成型件4定位在模具3中，特别是将其放下并容纳在下部部分3a中提供的隔室5中。
特别地，由此获得的预浸料具有介于150g/m2和250g/m2之间、优选为190g/m2的以克计的重量，用热固性树脂基质以具有介于35％和45％之间、优选40％的值的重量百分比进行浸渍。
最终的预成型件4的标称厚度介于2.40mm至2.70mm之间、优选地等于2.58mm。
在所示的情况下，预成型件4具有基本恒定的厚度。
根据未示出的可能的替代方案，预成型件4也可以具有可变的厚度；可能可以通过局部增强来获得这种可变厚度。
如图2所示，一旦已将预成型件4定位在隔室5中，就将模具3闭合，从而在使用中于预成型件4的上表面7和上部部分3a的面向上表面7的内表面8之间限定间隙6(图3a)。
更准确的说，上部部分3a具有浮雕式的成形部分15，当模具3闭合时，即当部分3a、3b和3c夹紧并接合在一起时，成形部分15复制并遵循预成型件4的“S”形轮廓和隔室5。
特别地，间隙6具有基本恒定的厚度，在所示的情况下，介于0.35mm和0.45mm之间、优选地等于0.42mm，并且其具有复制并遵循预成型件4的“S”形轮廓和隔室5的轮廓。
因此，间隙6在预成型件4上方并且环形地延伸，并且因此在隔室5上方延伸。
提供诸如螺钉或螺栓(未示出)之类的常规装置，用于定位、闭合和夹紧模具3的各个部分3a、3b和3c。
模具3包括至少一个入口通道10，该入口通道10布置(即被提供)在上部部分3a中，特别是在上部部分3a的周边部分中，并被配置为允许流体在闭合的模具3内部通过。
更详细地，入口通道10被配置为允许将热固性树脂注入到闭合的模具3内，以填充间隙6并完全覆盖预成型件4的上表面7。
在这方面，如图1、图2、图3a和图3b所示，入口通道10包括入口开口11，树脂在使用中通过该入口开口11流入入口通道10本身，然后通过通路12流入间隙6中。
实际上，在使用中，树脂从合适的箱(未示出)通过入口通道10流向模具3的内部；由此，树脂流入通路12中，最后从通路12流至间隙6。
根据未示出的替代实施例，模具3可包括两个或更多个入口通道10；入口通道10的数量和位置取决于待处理的部件的几何形状。
如图2所示，模具3还包括出口通道13，该出口通道13布置(即被提供)在上部部分3a中，特别是在上部部分3a的中心部分中，并被构造成允许流体从模具3的内部通过朝向模具3本身的外部。
更精确地，出口通道13被构造成允许先前注入的树脂在模具3的外部离开。
详细地，一旦树脂在使用中已经填充了整个间隙6，就将其供应到出口通道13，并通过出口通道13本身的出口开口14(图4a)流向模具3的外部。
在所述示例中，通过在模具3自身的内部施加真空而将树脂吸入模具3的内部来进行树脂的注入。
特别地，工具1包括真空源(本身已知且未示出)，该真空源被配置为在使用中与出口通道13流体连接，并且在模具3内部施加真空，模具3被适当地密封，从而引起通过入口通道10来吸取树脂的吸力。
施加真空有助于促进树脂在其位于模具3内部的路径中并朝出口通道13流动。
可替代地，通过施加正推压力来进行树脂注入，这迫使树脂从箱朝着入口通道10流动。
根据未示出的替代实施例，模具3可包括两个或更多个出口通道13，其中出口通道13的数量和位置取决于待处理部件的几何形状。
从图1和图4b中可以看出，模具还包括在下部部分3b中提供的多个中间通道16，这些中间通道16流体地插入在入口通道10和出口通道13之间，并且被配置成从间隙6接收过量的树脂并且将该树脂供应至出口通道13。
详细地，中间通道16被布置成将树脂从间隙6输送到布置在出口通道13上游且在上部部分3a的前述中心部分处的收集部分17。
更详细地，收集部分17布置在出口通道13下方并且面向出口通道13。
根据所述优选且非限制性的实施例，模具3包括相对于收集部分17对称布置(即，分布)的四个中间通道16。
更准确的说，中间通道16被提供在下部部分3b中，从而以相互垂直并且在收集部分17处彼此相交的臂而形成十字形。
根据未示出的替代实施例，中间通道可以布置成形成X，其臂彼此横向但不正交，相对于收集部分17对称地布置并且在收集部分17处彼此相交。
根据未示出的另一替代实施例，模具3可包括相对于收集部分17对称布置的四个以上的中间通道16，以形成星号并在收集部分17处彼此相交。
中间通道16的对称布置允许树脂从模具3均匀排出，因此有利于从间隙6流到出口通道13的树脂流的均匀分布。
优选地，模具3还包括加热装置，特别是方便地包括在模具3的主体中(例如包括在上部部分3a中，或下部部分3b中，或这两者中)的至少一个电阻，其被配置为用电流通电以通过焦耳效应加热模具3。
在根据以下描述的方法将预成型件4固结之后，在使用中利用该加热来执行预成型件4的固化或共固化周期。
可替代地，电阻可以被包括在模具3的中间部分3c中或在部分3a、3b和3c的任何组合中。
根据未示出的另一种可能的替代方案，可以用在模具3本身中提供的合适管道内流通的热油或其他热流体来加热模具3，或者由于模具3与未示出的独立热元件接触而通过被动加热来加热模具3。
下面将特别参考初始状态来描述借助于根据本发明的工具1来制造窗户框架的过程，在该初始状态中，预成型件4位于隔室5中，模具3闭合(根据上述方法)，并且出口通道13以及因此出口开口14打开。
在这种状态下，间隙6由预成型件4的表面7和上部部分3a的表面8明确地限定和界定。因此，树脂被注入到模具3内部，以填充间隙6，从而流过中间通道16和出口通道13。通过从出口开口13的树脂流出来验证间隙6已经被注入的树脂完全填充。
此时，出口通道13以及因此出口开口14以液密方式被密封。同时，树脂继续注入模具3中。
该步骤使得模具3内部、特别是间隙6内部的压力增加，并且随后通过树脂(更精确的说是通过连续注入树脂)在预成型件4的上表面7上施加均匀的流体静压力。一旦达到预定的流体静固结压力，例如5bar，就停止注入树脂。在这种状态下，树脂不进一步浸渍预成型件4，而仅覆盖其上表面7，从而施加前述流体静压力。
实际上，施加流体静压力的步骤是通过打开出口14来进行的，该出口14在施加热量的同时例如借助于上述系统而被密封。
因此，预成型件4在模具3中的固化或共固化周期与存在于模具3自身内部的注入树脂一起进行，以实现构成成品窗户框架的材料的固结。
在完成始终通过保持固结流体静压力而进行的所述固化或共固化周期和适当的冷却周期之后，打开模具3，即将上部部分3a与下部部分3b分开，并从模具3本身中取出预成型件4。
应当注意，在该过程结束时，即使在取出预成型件4本身之后，但不对其进行浸渍的情况下，填充间隙6并且被布置成与上表面7接触的热固性树脂层20也保持与预成型件4接触，从而成为其整体部分。
由此获得了窗户框架，该窗户框架通过由预浸渍的纤维材料制成的预成型件4而形成并且通过流体静压力而固结，并且包括在表面7上注入并固结的树脂层20。
通过审视根据本发明制造的用于制造飞机窗户框架的方法和工具1的特征，其允许获得的优点是明显的。
特别地，通过根据本发明的方法和工具获得的窗户框架保持了预成型件4的纤维的取向，如上所述，在将树脂注入模具3期间，预成型件4的纤维没有以不受控制的方式被浸渍。这可以保证预成型件4的纤维的取向。
此外，上述方法允许获得具有低水平的表面孔隙率和高美学光洁度的框架。
另外，由此获得的窗户框架不需要进一步处理。
清楚的是，在不脱离权利要求所限定的保护范围的情况下，可以对本文描述和示出的方法和工具1进行修改和改变。

Claims (9)

1.一种用于制造复合材料飞机窗户框架的方法，所述方法包括以下步骤：
a)将预成型件(4)定位在模具(3)中，所述预成型件(4)由热固性树脂基质中的预浸渍材料制成，所述预浸渍材料包括具有预定取向的分散纤维；
b)闭合所述模具(3)，以在所述预成型件(4)的至少一个表面(7)与所述模具(3)的一部分(15)之间限定间隙(6)；
c)通过所述模具(3)本身的入口开口(11)将热固性树脂注入到闭合的所述模具(3)中，以填充所述间隙(6)并完全覆盖所述预成型件(4)的所述表面(7)；和
d)通过注入所述树脂而在所述表面(7)上施加均匀的流体静压力。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤d)包括以下步骤：
e)除了所述入口开口(11)以外，以液密方式密封所述模具(3)；和
f)通过所述入口开口(11)继续注入所述树脂。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述模具(3)包括出口开口(14)，在使用中，所述树脂通过所述出口开口(14)而从所述模具(3)本身离开；并且其中，步骤c)在所述出口开口(14)打开的情况下进行，而步骤d)在所述出口开口(14)密封的情况下进行。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤c)和d)中，将所述热固性树脂注入到所述表面(7)上，而不浸渍所述预成型件(4)。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤c)中，通过施加真空将所述树脂吸入到所述模具(3)的内部。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：在步骤d)期间向存在于所述模具(3)中的材料供应热量，以对所述预成型件(4)至少执行固化周期或共固化周期。
7.一种用于从预成型件(4)开始制造复合材料飞机窗户框架的工具(1)，所述预成型件(4)由热固性树脂基质中的预浸渍材料制成，所述预浸渍材料包括具有预定取向的分散纤维；
所述工具(1)包括模具(3)，所述模具(3)适于容纳所述预成型件(4)并被配置为围绕所述预成型件(4)闭合，从而在使用中在所述预成型件(4)的表面(7)和所述模具(3)的内表面(8)之间限定间隙(6)；
所述模具(3)包括：至少一个入口通道(10)，其被配置成允许将热固性树脂注入到闭合的所述模具(3)中，以完全覆盖所述预成型件(4)的所述表面(7)，从而填充所述间隙(6)，并在所述预成型件(4)的所述表面(7)上施加均匀的流体静压力；以及至少一个出口通道(13)，其被配置成允许热固性树脂从所述模具(3)离开；
其中，所述模具(3)还包括：中间通道(16)，所述中间通道(16)流体地插入在所述入口通道(10)和所述出口通道(13)之间，并被配置成从所述间隙(6)接收过量的树脂并将所述树脂供应至所述出口通道(13)；
所述中间通道(16)布置成将所述树脂输送到收集部分(17)，所述收集部分(17)相对于所述树脂从所述入口通道(10)到所述出口通道(13)的流动方向而布置在所述出口通道(13)的上游；
所述中间通道(16)相对于所述收集部分(17)对称地布置。
8.根据权利要求7所述的工具，其中，所述中间通道(16)布置成形成十字形或星号，在所述收集部分(17)处彼此相交。
9.根据权利要求7所述的工具，还包括：至少一个电阻，其对应于所述模具(3)而布置，并且被配置成利用电流而通电，以借助于焦耳效应来加热所述模具(3)。
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