CN113085230A - 一种复合材料维修结构及维修方法 - Google Patents
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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
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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- 2021-05-10 CN CN202110503485.6A patent/CN113085230A/zh active Pending
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