CN113085230A - 一种复合材料维修结构及维修方法 - Google Patents

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CN113085230A CN202110503485.6A CN202110503485A CN113085230A CN 113085230 A CN113085230 A CN 113085230A CN 202110503485 A CN202110503485 A CN 202110503485A CN 113085230 A CN113085230 A CN 113085230A
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Abstract

飞机、轨道车辆、汽车等交通工具和机械设备中的复合材料零部件应用越来越多，这些复合材料零部件在服役过程中，不可避免地会出现损伤，损伤会导致复合材料零部件性能下降。复合材料零部件的成本较高，因此对于没有完全丧失承载性能的复合材料零部件，通常是需要进行修理的。传统的复合材料零部件维修方法速度慢、成本高、工艺复杂，补片几何结构简单，在使用过程中容易出现分离、脱落等问题，可靠性差。本发明涉及一种复合材料维修结构及维修方法，可以实现各类复合材料零部件的维修，通用性强，适用范围广，节约材料，效率高，成本低，工程应用前景非常广阔。

Description

一种复合材料维修结构及维修方法
技术领域
本发明涉及复合材料零部件的修理，尤其涉及一种复合材料维修结构及维修方法，属于复合材料维修技术领域。
背景技术
复合材料，具有密度小，比强度和比模量高，耐腐蚀，成型加工性能好，可设计性强，种类多，适用范围广等优点。目前，飞机、轨道车辆、汽车等交通工具和机械设备中的复合材料零部件应用越来越多，这些复合材料零部件在服役过程中，不可避免地会出现损伤，例如：冰雹冲击、地面石子冲击、车辆碰撞、疲劳损伤等。显然，损伤会导致复合材料零部件性能下降。复合材料零部件的成本较高，因此对于没有完全丧失承载性能的复合材料零部件，通常是需要进行修理的。传统的复合材料零部件维修方法速度慢、成本高、工艺复杂，维修区域补片多采用板材切割的方式获取，补片几何结构简单，无法满足损伤区域补强的要求，在使用过程中容易出现分离、脱落等问题，可靠性差；废弃的边角料多，取补片用的复合材料板因难以二次利用而常被废弃，导致材料浪费。
发明内容
1、发明目的：
本发明的目的在于提供一种复合材料维修结构及维修方法，实现复合材料零部件高效率且可靠的维修，降低维修费用，节约维修材料。
2、技术方案：
一种复合材料维修结构及维修方法，其一方面，提供了一种复合材料维修结构，包括：上补片，上胶层，待修的复材件，下胶层，下补片；修理工作完成后，得到已修的复材件；
所述上补片，由上补片外层、上补片内层、上补片内层卡槽、上补片内层环面和上补片内层卡槽凹口组成；上补片外层为圆形，厚度与待修的复材件的损伤区域厚度相同；上补片内层为圆形，厚度为待修的复材件的损伤区域厚度的一半，四周的上补片内层环面为斜面，该斜面与上补片外层的下表面成45度锐角，从而形成一个两头粗且中间细的锥形结构，这种结构与传统的补片结构相比，既可以增加胶接的面积，又可以起到机械锁合的作用，提高接合强度，使结构更加牢固；上补片内层内部设置有上补片内层卡槽，上补片内层卡槽中设置有上补片内层卡槽凹口，与下补片内层插扣和下补片内层插扣凸齿形成锁合结构，插入后旋转即可完成锁合，而且通过在上补片内层卡槽内涂抹胶粘剂，实现胶接与机械锁合的混合连接，使接合更为牢固；上补片使用短碳纤增强尼龙复合材料，通过熔融沉积成型(FDM)3D打印技术制造，打印机喷嘴温度为270℃，热床温度为80℃，可以获得表面质量和力学性能兼优的补片，这种下补片结构中间细、两端粗且设有中空的槽，与传统注塑、模压或热压罐技术相比,3D打印技术不需要模具且不存在脱模困难的问题；
所述上胶层，使用甲基丙烯酸结构胶，含有快速固化添加剂，可以实现快速固化；上胶层涂抹在上补片外层与待修的复材件结合的表面、上补片内层的表面和上补片内层卡槽内部，起到胶接的作用；
所述待修的复材件，为已经出现损伤的复合材料零部件，使用机加设备将损伤区域挖去，被挖掉的区域即为待修理的区域；
所述下胶层，使用甲基丙烯酸结构胶，含有快速固化添加剂，可以实现快速固化；下胶层涂抹在下补片外层与待修的复材件结合的表面、下补片内层的表面和下补片内层插扣，起到胶接的作用；
所述下补片，由下补片外层、下补片内层、下补片内层插扣、下补片内层环面和下补片内层插扣凸齿组成；下补片外层为圆形，厚度与待修的复材件的损伤区域厚度相同；下补片内层为圆形，厚度为待修的复材件的损伤区域厚度的一半，四周的下补片内层环面为斜面，该斜面与下补片外层的上表面成45度锐角，从而形成一个两头粗且中间细的锥形结构，这种结构与传统的补片结构相比，既可以增加胶接的面积，又可以起到机械锁合的作用，提高接合强度，使结构更加牢固；下补片内层的上表面设置有下补片内层插扣，下补片内层插扣的两端设置有下补片内层插扣凸齿，其作用是插入上补片内层卡槽凹口内，形成机械锁合结构，再结合胶粘剂的作用，实现胶接与机械锁合的混合连接，使接合更为牢固；下补片内层插扣凸齿由外边缘向内程缩口设计即宽度逐渐减小，而且凸齿的长度为下补片内层插扣直径的1/4，这样的设计既可以有效地利用材料，又可以取得良好的锁合效果；下补片使用短碳纤增强尼龙复合材料，通过熔融沉积成型(FDM)3D打印技术制造，打印机喷嘴温度为270℃，热床温度为80℃，可以获得表面质量和力学性能兼优的补片，这种下补片结构中间细且两端粗，与传统注塑、模压或热压罐技术相比,3D打印技术不需要模具且不存在脱模困难的问题；
所述已修的复材件，为已经完成维修的复合材料零部件，其上的损伤区域已经被维修好，维修后复合材料件的使用功能与未损伤的复合材料件相同，力学性能和使用寿命不低于未损伤的复合材料件；
本申请实施例还公开了一种复合材料维修方法，包括以下步骤：
S1、使用机加设备将已经出现损伤的复合材料零部件的损伤区域挖去，得到待修的复材件；
S2、根据待修的复材件的待修补区域的尺寸，确定上补片和下补片的直径、厚度的尺寸，建立三维模型，转存为3D打印机容易识别的STL格式文件；
S3、使用熔融沉积成型3D打印机，以短碳纤增强尼龙复合材料为3D打印材料，制造上补片和下补片；
S4、在上补片、下补片和待修的复材件的维修区域，涂抹胶粘剂；
S5、组装上下补片，下补片内层插扣插入上补片内层卡槽内，然后旋转，实现下补片内层插扣凸齿进入上补片内层卡槽凹口内，形成机械锁合与胶接的混合连接结构，胶粘剂固化后，完成维修工作，得到已修的复材件。
所述上补片在复合材料零部件的损伤区域较小时，可以采用螺纹结合结构，上补片由上补片外层、上补片内层、上补片内层内螺纹和上补片内层环面组成；上补片内层内部设置有上补片内层内螺纹，可以与下补片内层外螺纹形成螺纹旋合结构，而且通过在上补片内层内螺纹上涂抹胶粘剂，实现胶接与螺纹连接的混合连接，使接合更为牢固；相应地，下补片也采用螺纹结合结构，下补片由下补片外层、下补片内层、下补片内层外螺纹和下补片内层环面组成；下补片内层的上表面设置有下补片内层外螺纹，其作用是旋入上补片内层内螺纹，形成螺纹旋合结构，而且通过在下补片内层外螺纹上涂抹胶粘剂，实现胶接与螺纹连接的混合连接。
3、本发明“一种复合材料维修结构及维修方法”，其优点如下：
(1).本发明的维修结构结合牢固，维修强度高，可靠性好，维修方法适用范围广，通用性强，可以为各种复合材料零部件提供维修；
(2).本发明采用熔融沉积(FDM)3D打印技术进行维修补片的制作，效率高，节约材料，不需要模具，成本低，而且可以制作各种形状的补片；
(3).本发明的效率高，不需要热压罐等大型设备，操作简单，容易掌握和推广，非常适合各类设备的售后维修人员使用。
总之，本发明可以实现各类复合材料零部件的维修，通用性强，适用范围广，节约材料，效率高，成本低，工程应用前景非常广阔。
附图说明
结合附图，通过对下述非限定性优选实施例的描述，可以更好地理解本发明；
图1是本发明实施例1的结构组成示意图；
图2是本发明实施例1的上补片结构图；
图3是本发明实施例1的下补片结构图；
图4是本发明实施例2的结构组成示意图；
图5是本发明实施例2的上补片结构图；
图6是本发明实施例2的下补片结构图；
图1-图3中符号说明如下：101-上补片，102-上胶层，103-待修的复材件，104-下胶层，105-下补片，106-已修的复材件；1011-上补片外层，1012-上补片内层，1013-上补片内层卡槽，1014-上补片内层环面，1015-上补片内层卡槽凹口；1051-下补片外层，1052-下补片内层，1053-下补片内层插扣，1054-下补片内层环面，1055-下补片内层插扣凸齿；
图4-图6中符号说明如下：201-上补片，202-上胶层，203-待修的复材件，204-下胶层，205-下补片，206-已修的复材件；2011-上补片外层，2012-上补片内层，2013-上补片内层内螺纹，2014-上补片内层环面；2051-下补片外层，2052-下补片内层，2053-下补片内层外螺纹，2054-下补片内层环面；
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例作进一步详细说明：
实施例1
如图1-图3所示，根据本发明一种复合材料维修结构及维修方法，其一方面，提供了一种复合材料维修结构，包括：上补片101，上胶层102，待修的复材件103，下胶层104，下补片105；修理工作完成后，得到已修的复材件106；
所述上补片101，由上补片外层1011、上补片内层1012、上补片内层卡槽1013、上补片内层环面1014和上补片内层卡槽凹口1015组成；上补片外层1011为圆形，厚度与待修的复材件103的损伤区域厚度相同；上补片内层1012为圆形，厚度为待修的复材件103的损伤区域厚度的一半，四周的上补片内层环面1014为斜面，该斜面与上补片外层1011的下表面成45度锐角，从而形成一个两头粗且中间细的锥形结构，这种结构与传统的补片结构相比，既可以增加胶接的面积，又可以起到机械锁合的作用，提高接合强度，使结构更加牢固；上补片内层1012内部设置有上补片内层卡槽1013，上补片内层卡槽1013中设置有上补片内层卡槽凹口1015，与下补片内层插扣1053和下补片内层插扣凸齿1055形成锁合结构，插入后旋转即可完成锁合，而且通过在上补片内层卡槽1013内涂抹胶粘剂，实现胶接与机械锁合的混合连接，使接合更为牢固；上补片101使用短碳纤增强尼龙复合材料，通过熔融沉积成型(FDM)3D打印技术制造，打印机喷嘴温度为270℃，热床温度为80℃，可以获得表面质量和力学性能兼优的补片，这种下补片结构中间细、两端粗且设有中空的槽，与传统注塑、模压或热压罐技术相比,3D打印技术不需要模具且不存在脱模困难的问题；
所述上胶层102，使用甲基丙烯酸结构胶，含有快速固化添加剂，可以实现快速固化；上胶层102涂抹在上补片外层1011与待修的复材件103结合的表面、上补片内层1012的表面和上补片内层卡槽1013内部，起到胶接的作用；
所述待修的复材件103，为已经出现损伤的复合材料零部件，使用机加设备将损伤区域挖去，被挖掉的区域即为待修理的区域；
所述下胶层104，使用甲基丙烯酸结构胶，含有快速固化添加剂，可以实现快速固化；下胶层104涂抹在下补片外层1051与待修的复材件103结合的表面、下补片内层1052的表面和下补片内层插扣1053，起到胶接的作用；
所述下补片105，由下补片外层1051、下补片内层1052、下补片内层插扣1053、下补片内层环面1054和下补片内层插扣凸齿1055组成；下补片外层1051为圆形，厚度与待修的复材件103的损伤区域厚度相同；下补片内层1052为圆形，厚度为待修的复材件103的损伤区域厚度的一半，四周的下补片内层环面1054为斜面，该斜面与下补片外层1051的上表面成45度锐角，从而形成一个两头粗且中间细的锥形结构，这种结构与传统的补片结构相比，既可以增加胶接的面积，又可以起到机械锁合的作用，提高接合强度，使结构更加牢固；下补片内层1052的上表面设置有下补片内层插扣1053，下补片内层插扣1053的两端设置有下补片内层插扣凸齿1055，其作用是插入上补片内层卡槽凹口1015内，形成机械锁合结构，再结合胶粘剂的作用，实现胶接与机械锁合的混合连接，使接合更为牢固；下补片内层插扣凸齿1055由外边缘向内程缩口设计即宽度逐渐减小，而且凸齿的长度为下补片内层插扣1053直径的1/4，这样的设计既可以有效地利用材料，又可以取得良好的锁合效果；下补片105使用短碳纤增强尼龙复合材料，通过熔融沉积成型(FDM)3D打印技术制造，打印机喷嘴温度为270℃，热床温度为80℃，可以获得表面质量和力学性能兼优的补片，这种下补片结构中间细且两端粗，与传统注塑、模压或热压罐技术相比,3D打印技术不需要模具且不存在脱模困难的问题；
所述已修的复材件106，为已经完成维修的复合材料零部件，其上的损伤区域已经被维修好，维修后复合材料件的使用功能与未损伤的复合材料件相同，力学性能和使用寿命不低于未损伤的复合材料件；
本申请实施例还公开了一种复合材料维修方法，包括以下步骤：
S1、使用机加设备将已经出现损伤的复合材料零部件的损伤区域挖去，得到待修的复材件103；
S2、根据待修的复材件103的待修补区域的尺寸，确定上补片101和下补片105的直径、厚度的尺寸，建立三维模型，转存为3D打印机容易识别的STL格式文件；
S3、使用熔融沉积成型3D打印机，以短碳纤增强尼龙复合材料为3D打印材料，制造上补片101和下补片105；
S4、在上补片101、下补片105和待修的复材件103的维修区域，涂抹胶粘剂；
S5、组装上下补片，下补片内层插扣1053插入上补片内层卡槽1013内，然后旋转，实现下补片内层插扣凸齿1055进入上补片内层卡槽凹口1015内，形成机械锁合与胶接的混合连接结构，胶粘剂固化后，完成维修工作，得到已修的复材件106。
实施例2
如图4-图6所示，根据本发明一种复合材料维修结构及维修方法，其一方面，提供了一种复合材料维修结构，包括：上补片201，上胶层202，待修的复材件203，下胶层204，下补片205；修理工作完成后，得到已修的复材件206；
所述上补片201，由上补片外层2011、上补片内层2012、上补片内层内螺纹2013和上补片内层环面2014组成，上补片外层2011为圆形，厚度与待修的复材件203的损伤区域厚度相同；上补片内层2012为圆形，厚度为待修的复材件203的损伤区域厚度的一半；上补片内层2012内部设置有上补片内层内螺纹2013，可以与下补片内层外螺纹2053形成螺纹旋合结构，而且通过在上补片内层内螺纹2013上涂抹胶粘剂，实现胶接与螺纹连接的混合连接，使接合更为牢固；上补片201使用短碳纤增强尼龙复合材料，通过熔融沉积成型(FDM)3D打印技术制造，打印机喷嘴温度为270℃，热床温度为80℃，可以获得表面质量和力学性能兼优的补片，与传统注塑、模压或热压罐技术相比,3D打印技术不需要模具且不存在脱模困难的问题；
所述上胶层202，使用甲基丙烯酸结构胶，含有快速固化添加剂，可以实现快速固化；上胶层202涂抹在上补片外层2011与待修的复材件203结合的表面、上补片内层2012的表面和上补片内层内螺纹2013上，起到胶接的作用；
所述待修的复材件203，为已经出现损伤的复合材料零部件，使用机加设备将损伤区域挖去，被挖掉的区域即为待修理的区域；
所述下胶层204，使用甲基丙烯酸结构胶，含有快速固化添加剂，可以实现快速固化；下胶层204涂抹在下补片外层2051与待修的复材件203结合的表面、下补片内层2052的表面和下补片内层外螺纹2053上，起到胶接的作用；
所述下补片205，由下补片外层2051、下补片内层2052、下补片内层外螺纹2053和下补片内层环面2054组成，下补片外层2051为圆形，厚度与待修的复材件203的损伤区域厚度相同；下补片内层2052为圆形，厚度为待修的复材件203的损伤区域厚度的一半；下补片内层2052的上表面设置有下补片内层外螺纹2053，其作用是旋入上补片内层内螺纹2013，形成螺纹旋合结构，而且通过在下补片内层外螺纹2053上涂抹胶粘剂，实现胶接与螺纹连接的混合连接，下补片205使用短碳纤增强尼龙复合材料，通过熔融沉积成型(FDM)3D打印技术制造，打印机喷嘴温度为270℃，热床温度为80℃，可以获得表面质量和力学性能兼优的补片，与传统注塑、模压或热压罐技术相比,3D打印技术不需要模具且不存在脱模困难的问题；
所述已修的复材件206，为已经完成维修的复合材料零部件，其上的损伤区域已经被维修好，维修后复合材料件的使用功能与未损伤的复合材料件相同，力学性能和使用寿命不低于未损伤的复合材料件；
本申请实施例还公开了一种复合材料维修方法，包括以下步骤：
S1、使用机加设备将已经出现损伤的复合材料零部件的损伤区域挖去，得到待修的复材件103；
S2、根据待修的复材件203的待修补区域的尺寸，确定上补片201和下补片205的直径、厚度的尺寸，建立三维模型，转存为3D打印机容易识别的STL格式文件；
S3、使用熔融沉积成型3D打印机，以短碳纤增强尼龙复合材料为3D打印材料，制造上补片201和下补片205；
S4、在上补片201、下补片205和待修的复材件203的维修区域，涂抹胶粘剂；
S5、组装上下补片，下补片内层外螺纹2053旋入上补片内层内螺纹2013，而且通过在上补片内层内螺纹2013和下补片内层外螺纹2053上涂抹的胶粘剂，实现胶接与螺纹连接的混合连接结构，胶粘剂固化后，完成维修工作，得到已修的复材件206。
本发明按照设想实施特例进行了说明，但不局限于上述实例，凡是符合本发明的思路，采用相似结构及材料替换的方法所获得的技术方案，都属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种复合材料维修结构及维修方法，其特征在于，复合材料维修结构包括：上补片，上胶层，待修的复材件，下胶层，下补片；修理工作完成后，得到已修的复材件；
所述上补片，由上补片外层、上补片内层、上补片内层卡槽、上补片内层环面和上补片内层卡槽凹口组成；上补片外层为圆形，厚度与待修的复材件的损伤区域厚度相同；上补片内层为圆形，厚度为待修的复材件的损伤区域厚度的一半，四周的上补片内层环面为斜面，该斜面与上补片外层的下表面成45度锐角，从而形成一个两头粗且中间细的锥形结构，这种结构与传统的补片结构相比，既可以增加胶接的面积，又可以起到机械锁合的作用，提高接合强度，使结构更加牢固；上补片内层内部设置有上补片内层卡槽，上补片内层卡槽中设置有上补片内层卡槽凹口，与下补片内层插扣和下补片内层插扣凸齿形成锁合结构，插入后旋转即可完成锁合，而且通过在上补片内层卡槽内涂抹胶粘剂，实现胶接与机械锁合的混合连接，使接合更为牢固；上补片使用短碳纤增强尼龙复合材料，通过熔融沉积成型(FDM)3D打印技术制造，打印机喷嘴温度为270℃，热床温度为80℃，可以获得表面质量和力学性能兼优的补片，这种下补片结构中间细、两端粗且设有中空的槽，与传统注塑、模压或热压罐技术相比,3D打印技术不需要模具且不存在脱模困难的问题；
所述上胶层，使用甲基丙烯酸结构胶，含有快速固化添加剂，可以实现快速固化；上胶层涂抹在上补片外层与待修的复材件结合的表面、上补片内层的表面和上补片内层卡槽内部，起到胶接的作用；
所述待修的复材件，为已经出现损伤的复合材料零部件，使用机加设备将损伤区域挖去，被挖掉的区域即为待修理的区域；
所述下胶层，使用甲基丙烯酸结构胶，含有快速固化添加剂，可以实现快速固化；下胶层涂抹在下补片外层与待修的复材件结合的表面、下补片内层的表面和下补片内层插扣，起到胶接的作用；
所述下补片，由下补片外层、下补片内层、下补片内层插扣、下补片内层环面和下补片内层插扣凸齿组成；下补片外层为圆形，厚度与待修的复材件的损伤区域厚度相同；下补片内层为圆形，厚度为待修的复材件的损伤区域厚度的一半，四周的下补片内层环面为斜面，该斜面与下补片外层的上表面成45度锐角，从而形成一个两头粗且中间细的锥形结构，这种结构与传统的补片结构相比，既可以增加胶接的面积，又可以起到机械锁合的作用，提高接合强度，使结构更加牢固；下补片内层的上表面设置有下补片内层插扣，下补片内层插扣的两端设置有下补片内层插扣凸齿，其作用是插入上补片内层卡槽凹口内，形成机械锁合结构，再结合胶粘剂的作用，实现胶接与机械锁合的混合连接，使接合更为牢固；下补片内层插扣凸齿由外边缘向内程缩口设计即宽度逐渐减小，而且凸齿的长度为下补片内层插扣直径的1/4，这样的设计既可以有效地利用材料，又可以取得良好的锁合效果；下补片使用短碳纤增强尼龙复合材料，通过熔融沉积成型(FDM)3D打印技术制造，打印机喷嘴温度为270℃，热床温度为80℃，可以获得表面质量和力学性能兼优的补片，这种下补片结构中间细且两端粗，与传统注塑、模压或热压罐技术相比,3D打印技术不需要模具且不存在脱模困难的问题；
所述已修的复材件，为已经完成维修的复合材料零部件，其上的损伤区域已经被维修好，维修后复合材料件的使用功能与未损伤的复合材料件相同，力学性能和使用寿命不低于未损伤的复合材料件。
2.根据权利要求1所述的一种复合材料维修结构及维修方法，其特征在于：所述复合材料维修方法，包括以下步骤：
S1、使用机加设备将已经出现损伤的复合材料零部件的损伤区域挖去，得到待修的复材件；
S2、根据待修的复材件的待修补区域的尺寸，确定上补片和下补片的直径、厚度的尺寸，建立三维模型，转存为3D打印机容易识别的STL格式文件；
S3、使用熔融沉积成型3D打印机，以短碳纤增强尼龙复合材料为3D打印材料，制造上补片和下补片；
S4、在上补片、下补片和待修的复材件的维修区域，涂抹胶粘剂；
S5、组装上下补片，下补片内层插扣插入上补片内层卡槽内，然后旋转，实现下补片内层插扣凸齿进入上补片内层卡槽凹口内，形成机械锁合与胶接的混合连接结构，胶粘剂固化后，完成维修工作，得到已修的复材件。
3.根据权利要求1所述的一种复合材料维修结构及维修方法，其特征在于：所述上补片在复合材料零部件的损伤区域较小时，可以采用螺纹结合结构，上补片由上补片外层、上补片内层、上补片内层内螺纹和上补片内层环面组成；上补片内层内部设置有上补片内层内螺纹，可以与下补片内层外螺纹形成螺纹旋合结构，而且通过在上补片内层内螺纹上涂抹胶粘剂，实现胶接与螺纹连接的混合连接，使接合更为牢固；相应地，下补片也采用螺纹结合结构，下补片由下补片外层、下补片内层、下补片内层外螺纹和下补片内层环面组成；下补片内层的上表面设置有下补片内层外螺纹，其作用是旋入上补片内层内螺纹，形成螺纹旋合结构，而且通过在下补片内层外螺纹上涂抹胶粘剂，实现胶接与螺纹连接的混合连接。
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