CN117445430A - 用于复合层压板结构的高速生产的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于复合层压板结构的高速生产的方法和设备。通过多头层压机在单次通过中铺设多铺层复合装料，从而实现诸如桁条的复合层压板结构的高速生产。

Description

用于复合层压板结构的高速生产的方法和设备
技术领域
本公开总体上涉及用于形成复合结构的工艺和设备，更具体地，涉及一种用于形成复合层压板结构的装料(charge)的高速生产方法和设备。
背景技术
诸如加强肋(stiffener)的复合层压板结构遍及飞行器、船舶和其它行业使用。例如，在飞机的机体和机翼中使用具有各种横截面形状中的任一种的复合层压板桁条。这些桁条常常沿其长度具有一个或更多个轮廓或其它面外特征。
复合层压板加强肋可通过在匹配期望的桁条形状的一对模具之间压缩形成平坦复合铺层层叠物(有时称为装料)来制成。这种技术(有时称为“冲压成形”)在生产波状桁条时是有问题的，因为在成形工艺期间波状区域中的铺层趋向于起皱或皱折。通过手工铺设或使用自动化设备来生产平坦装料，二者均逐铺层构建装料。这些技术均成本高且相对慢，因此不太适合大批量生产。
因此，需要一种生产用于形成复合层压板结构的装料的方法和设备，其高效，因此非常适合于高速生产环境。
发明内容
本公开通常涉及复合结构，更具体地，涉及一种用于形成复合层压板桁条的装料的高速生产方法和设备。
根据一个方面，提供一种用于铺设平坦复合装料的设备。该设备包括层压机，其包括串联布置并安装在支撑框架上的多个带头。
根据另一方面，提供一种制备用于形成复合结构的装料的方法。该方法包括：通过使用多个带头在基板上方同时成排地在彼此上铺放纤维预浸料带条来铺设纤维预浸料铺层层叠物。
根据另一方面，提供一种制备用于形成复合层压板结构的复合装料的方法。该方法包括：同时铺设至少第一和第二纤维预浸料铺层层叠物。该方法包括：通过在第一和第二基板上方移动一组带头来成排地在彼此上铺放纤维预浸料带条，其中，一组带头在完成铺设第一铺层层叠物的同时开始铺设第二铺层层叠物。
根据另一方面，提供一种制备波状复合层压板结构的方法。该方法包括：沿其长度预测复合结构上的载荷；以及基于预测的载荷生成铺层计划。铺层计划包括具有不同纤维取向的铺层，包括确定满足载荷所需的铺层计划中的各个铺层的贡献。该方法还包括：确定在没有铺层起皱的情况下将铺层形成为期望的结构形状所需的铺层计划中的各个铺层的拉伸量。该方法还包括：选择代表结构强度和成形性的优化组合的各个铺层中的纤维长度。该方法还包括：根据铺层计划来铺设平坦铺层层叠物；以及将平坦铺层层叠物形成为期望的结构形状。
根据另一方面，提供一种制备用于形成复合结构的复合装料的方法。该方法包括：通过在基板上在彼此上铺放纤维预浸料带条来铺设纤维预浸料铺层层叠物；以及随着纤维预浸料带条被铺放，串联地压实纤维预浸料带条。
所公开的方法和设备的优点之一在于，可更快速地铺设多铺层复合。另一优点在于，铺设平坦复合装料的劳动力成本可降低。另一优点在于，可生产平坦复合装料，其非常适合于形成高度波状复合层压板加强肋，这些加强肋沿其长度特制以满足局部载荷需求或其它要求。另一优点在于，可生产平坦复合装料，其可在很少或没有铺层起皱的情况下形成为波状层压板桁条。另一优点在于，可按区段生产平坦复合装料，稍后连接在一起。
根据本公开的一方面，一种铺设平坦复合装料的设备，包括：
层压机，其包括串联布置并安装在支撑框架上的多个带头。
有利地，该设备是这样的，其中：
支撑框架被配置为将多个带头支撑在基板上方，
多个带头被布置为在基板上方成排地同时在彼此上铺放多条纤维预浸料带，并且
支撑框架和基板可沿着公共轴线相对于彼此移动。
优选地，该设备是这样的，其中
带头成组地安装在支撑框架上。
优选地，该设备是这样的，其中
带头沿着公共轴线串联排列并且沿着公共轴线彼此间隔开，使得各个带头紧接在相邻带头所铺放的纤维预浸料带前面铺放纤维预浸料带。
优选地，该设备还包括：平移机，用于使层压机和基板相对于彼此移动，使得在层压机单次通过基板上方时多条纤维预浸料带被铺放在基板上。
优选地，该设备还包括：控制器，被配置为单独地控制带头。
优选地，该设备是这样的，其中
控制器被配置为控制带头同时铺设两个不同的复合装料铺层。
优选地，该设备是这样的，其中
各个带头包括：
纤维预浸料带的供应源，
切割机，被配置为将纤维预浸料带切割成期望的长度，以及
压实机，被配置为在基板上方将纤维预浸料带压实。
优选地，该设备是这样的，其中
各个带头包括剥离辊，其被配置为在纤维预浸料带在基板上方被压实之前将纤维预浸料带上的衬纸剥离。
飞行器的一部分使用上述设备组装。
根据本公开的另一方面，一种制备用于形成复合结构装料的方法，包括：通过使用多个带头在基板上方同时成排地在彼此上铺放纤维预浸料带条来铺设纤维预浸料铺层层叠物。
有利地，该设备是这样的，其中，在带头单次通过基板上方时铺放所有纤维预浸料铺层。
优选地，该设备是这样的，其中，铺放纤维预浸料带条包括连续地将纤维预浸料铺层压实。
优选地，该设备是这样的，其中，铺放纤维预浸料带条包括：
向压实机馈送纤维预浸料带条，
使用压实机在基板上方将纤维预浸料带条压实，以及
在纤维预浸料带条在基板上方被压实之前，去除纤维预浸料带条上的衬纸。
优选地，该设备包括单独地启用和停用带头开始或停止铺设纤维预浸料带条。
优选地，该设备是这样的，其中，铺放纤维预浸料带条包括使带头成组地沿着直线路径相对于基板移动。
飞行器的一部分使用上述方法组装。
根据本公开的另一方面，一种制备用于形成复合层压板结构的复合装料的方法，包括：同时铺设至少第一和第二纤维预浸料铺层层叠物，包括通过在第一和第二基板上方移动一组带头来成排地在彼此上铺放纤维预浸料带条，其中，这一组带头在完成铺设第一铺层层叠物的同时开始铺设第二铺层层叠物。
有利地，该设备是这样的，其中，在一组带头单次通过第一和第二基板上方时铺设第一和第二层叠物的所有铺层。
根据本公开的另一方面，一种制备波状复合层压板结构的方法，包括：沿波状复合层压板结构的长度预测波状复合层压板结构上的载荷；基于预测载荷，生成平坦装料的铺层计划，其中，铺层计划包括具有不同纤维取向的铺层，包括确定满足载荷所需的铺层计划中的各个铺层的贡献，确定在没有铺层起皱的情况下将平坦装料形成为期望的结构形状所需的平坦装料中的各个铺层的拉伸量，选择代表结构强度和成形性的优化组合的各个铺层中的纤维长度，通过根据铺层计划铺设平坦铺层层叠物来组装平坦装料，以及将平坦装料形成为期望的结构形状。
有利地，该设备是这样的，其中，形成包括拉伸形成平坦装料。
优选地，该设备是这样的，其中，拉伸形成包括：
将平坦装料置于张力下，以及
在成形块上将平坦装料向下拉伸。
优选地，该设备还包括：在至少一些铺层中的纤维中进行成角度切割，其中，成角度切割被配置为允许铺层随着平坦装料形成而拉伸。
优选地，该设备是这样的，其中，纤维中的成角度切割是相对于铺层中的纤维方向成大约100至大约300的角度的切割。
飞行器的一部分使用上述方法组装。
根据本公开的另一方面，一种制备用于形成复合结构的复合装料的方法，包括：通过在基板上在彼此上铺放纤维预浸料带条来铺设纤维预浸料铺层层叠物，以及随着纤维预浸料带条被铺放，串联地压实纤维预浸料带条。
有利地，该设备是这样的，其中，铺放纤维预浸料带条包括同时成排地铺放纤维预浸料带，并且压实纤维预浸料带条包括同时压实纤维预浸料带条。
优选地，该设备还包括：在纤维预浸料带被压实之前去除纤维预浸料带上的衬纸。
优选地，该设备是这样的，其中，铺放纤维预浸料带条包括使一组带头通过基板上方，并且其中，在一组带头单次通过基板上方时在基板上铺放所有纤维预浸料铺层。
飞行器的一部分使用上述方法组装。
特征、功能和优点在本公开的各种示例中可独立地实现或者在其它示例中可被组合，其中进一步细节可参考以下描述和附图看出。
附图说明
被认为是例示性示例的特性的新颖特征在所附权利要求书中阐述。然而，例示性示例以及优选使用模式、进一步的目标及其优点将在结合附图阅读时通过参考本公开的例示性示例的以下详细描述而最佳地理解，其中：
图1是飞机的透视图的例示，其中桁条的位置由虚线指示。
图2是图1所示的飞机的不完全正视图的例示。
图3是弯曲刀片式桁条的透视图的例示。
图4是具有斜坡和榫舌区段二者的帽式桁条的透视图的例示。
图5是平坦、多铺层、高度可成形的复合装料的透视图的例示。
图6是沿着图5中的线6-6截取的截面图的例示。
图7是示出图5中指定为“图7”的区域中复合装料的若干铺层的不完全平面图的例示。
图8是具有相对于彼此交错的成角度切割的0°铺层的平面图的例示。
图9是图8中指定为“图9”的区域的例示。
图10是与图9类似，但示出+45°铺层的区段的例示。
图11是与图8类似，但其中，相邻列中的成角度切割以相反的角度布置的例示。
图12是平坦复合装料的高速生产设备的功能框图的例示。
图13是形成图12的设备的一部分的层压机的透视图的例示。
图14是形成层压机的一部分的带头的图解侧视图的例示。
图15是示出层压机如何在基板上同时铺放多个装料铺层的图解侧视图的例示。
图16是示出层压机在基板上方行进的直线路径的图解俯视图的例示。
图17是与图15类似，但示出层压机可如何同时铺放两个装料的部分的例示。
图18是四个单独的装料段在连接在一起之前的平面图的例示。
图19是示出图18的装料段已连接在一起成为完整装料的平面图的例示。
图20是沿着图19中的线20-20截取的截面图的例示。
图21是用于将平坦复合装料拉伸形成为期望的桁条形状的匹配模具的横截面图的例示。
图22是示出复合装料如何拉伸形成以减少铺层起皱的图解的例示。
图23是制备用于形成复合层压板结构的装料的方法的流程图的例示。
图24是制备波状复合层压板结构的方法的流程图的例示。
图25是制备波状复合层压板结构的方法的流程图的例示。
图26是飞行器生产和服务方法的流程图的例示。
图27是飞行器的框图的例示。
具体实施方式
首先参照图1，飞机40具有包括机体42、机翼44和尾翼48的机身组件38，尾翼48包括垂直尾翼50和水平尾翼52。发动机46通过挂架56从机翼44悬挂。各个机身组件38包括通过诸如桁条54的加强肋加强和稳定的外蒙皮53，其包括诸如碳纤维增强聚合物(CFRP)的复合层压板。各个桁条54可具有各种横截面形状中的任一种，例如但不限于I、J、Y、Z和帽形状。桁条54通常通过共固化或共粘结连接到外蒙皮53的IML(内模线)。
桁条54所承载的载荷的性质不同于外蒙皮53以及诸如地板梁和控制面(均未示出)的其它组件所承载的载荷，使得桁条54在其设计和生产方面均是独特的。飞机中使用的桁条54的设计和生产会尤其具有挑战性，因为它们很少是直的，而是包括呈波状且特制以适合局部条件和/或结构几何的不同区段。例如，参照图2，机翼44的内侧区段74具有需要此区段中的桁条54相似地弯曲的曲率。支撑挂架56和发动机46的重量的机翼44的中间区段76可能需要桁条54中的斜坡、衬垫或其它面外特征以便承载额外的载荷。机翼44的外侧区段78可包括需要此区段中的桁条54具有榫舌或独特特征的内部组件(未示出)。在机翼44的内侧区段74以及中间区段76还有外侧区段78中桁条54可能需要起作用的载荷会非常不同，因此常常有必要沿其长度特制桁条54以满足内侧区段74、中间区段76和外侧区段78中的局部载荷条件。
如上所述，桁条54可沿其长度在不同区段具有各种面外特征中的任一种。如本文所使用的，“波状”和“波状桁条”是指具有一个或更多个面外特征或区段的桁条，包括但不限于斜坡、衬垫、弯曲和/或榫舌。图3和图4示出呈波状且具有典型面外特征的桁条54。例如，参照图3，诸如图1和图2所示的飞机40的机翼44中所使用的桁条54包括刀片58(有时称为腹板)和凸缘或帽60，其被配置为匹配帽60要附接至的外蒙皮53的轮廓。在此示例中，在61处所示的坐标系内，桁条54在XZ平面上沿其整个长度具有弯曲70，然而在其它示例中，桁条54沿其长度可具有笔直区段以及其它局部轮廓或面外特征。
现在参照图5至图9，诸如上述桁条54的复合层压板结构可通过将装料80(本文中有时称为铺层层叠物)形成为期望的形状来生产。装料80由复合材料形成并且可为平坦的。复合装料在成形工艺期间由于面外特征的存在而起皱或皱折的趋势可通过以下述方式优化装料的铺层来减少或消除。包括优化的铺层的高度可成形平坦装料可使用本说明书中稍后描述的方法和设备来快速且高效地铺设。在铺设装料期间，可沿着装料的长度特制铺层以满足飞机40的机翼其它区域的内侧区段74、中间区段76和外侧区段78中的局部载荷需求和其它要求。
装料80包括铺层82的优化的层叠物，各个铺层包括保持在聚合物基质中的纤维92，纤维92提供单向增强。根据应用，纤维92可包括碳、玻璃纤维、或其它合适的纤维，而聚合物基质可包括合适的热固性或热塑性材料，或者包含热固性和热塑性材料二者的混合材料体系。铺层82可相对于参考方向86，例如要使用装料80形成的桁条54的纵向轴线84(图4)，具有各种纤维取向。在一些示例中，各个铺层82包括宽度等于装料80(图5)的宽度W并且厚度T适合于施用的纤维预浸料带。装料80的铺层82使用稍后讨论的基本上同时将装料80的所有铺层82铺设在彼此上的自动铺带层压机来铺设，从而有助于生产效率。装料80可通过若干技术形成为期望的形状，包括压缩“冲压”成形、LASH成形或拉伸成形，仅举几个例子。
装料80的铺层82根据确定铺层82的数量和各个铺层82的纤维取向的预定铺层计划铺设成平坦层叠物。例如，如图7所示，装料80可由任何数量的0°、+45°、-45°和90°铺层形成(仅示出装料的4个铺层)。各个0°、+45°和-45°铺层82中设置有切断那些铺层82中的纤维92并形成各自具有长度L1的铺层段96(图9)的成角度切割94图案。成角度切割94之间的间距决定了铺层段96中的纤维92的长度。如下面将更详细讨论的，纤维92的长度和成角度切割94相对于纤维方向88的角度按照优化装料80的成形性，而不会实质上降低桁条54的性能(包括其强度)的方式选择。在所示示例中，90°铺层不包含成角度切割94，因为它们在装料80的形成期间可容易地在参考方向86纵向拉伸。然而，在一些示例中，出于其它原因，90°铺层可包含角度切割94。这里应该注意，本说明书中使用的装料80的纤维角度(0°、±45°、90°)仅是示例性的。根据应用，可使用一系列其它纤维角度。例如，在着重于减轻重量的应用中可能需要不同的一组纤维角度。
图8和图9示出具有一个合适的成角度切割94图案的0°铺层。成角度切割94相对于彼此交错开合适距离95布置成列90(图8)。0°铺层的纤维92与参考方向86对齐，并且各列90中的成角度切割94彼此间隔开以形成成组的纤维92(将称为铺层段96)。各个铺层段96包含具有长度L1的纤维92，长度L1由成角度切割94之间的纵向间距确定。通常，期望的是长度L1尽可能长，前提是可实现期望的成形性，因为主要沿着X轴(图3和图4)，即，在参考方向86上通过桁条54传递载荷。然而，在具有更紧密轮廓的桁条54的区段中(例如，沿着XZ平面内的弯曲)，纤维长度L1可能需要较短，以便允许0°铺层更大程度地拉伸，从而允许它们更好地适形于轮廓。
如图9中最佳看出的，各个成角度切割94相对于纤维92的方向形成角度θ。长度L1由成角度切割94之间的间距确定，并且角度θ将取决于应用，更具体地，取决于沿着桁条54的长度的不同位置处的载荷条件、几何和面外特征。在一个桁条示例中，L1介于大约10英寸和大约20英寸之间，而角度θ在大约10°至大约30°的范围内。在另一示例中，L1大约为20英寸，角度θ大约为15°。通常，已发现，角度θ为15°的切割尽管切断了增强纤维，但使纤维92被切割的那些区域中桁条64的任何强度降低(有时称为强度“下降(knockdown)”)最小化。此外，当通过自动层压机铺设铺层82时，与本文所公开的成角度切割94图案组合使用15°角的成角度切割94减少了去除纤维预浸料带上的衬纸(未示出)的任何潜在问题，特别是沿着铺层82的边缘98。
参照图10，+45°铺层中的纤维92相对于参考方向86以45°角取向，并且通过成角度切割94形成的铺层段96中的纤维92具有长度L2。成角度切割94相对于+45°铺层中的纤维方向88形成角度θ。长度L和角度θ二者均取决于应用，更具体地，取决于沿着桁条54的长度的不同位置处的载荷条件、几何和面外特征。在一个示例中，L2介于大约2英寸和大约4英寸之间，θ在大约10°至大约30°的范围内。在另一示例中，L2大约为2英寸，θ大约为15°。-45°铺层的长度L2和角度θ与+45°铺层基本上相同。通常，在桁条54在YZ平面内高度波状的那些区域中L2可能需要在上述范围的下端，因为在这种区域中45°铺层需要横向拉伸更大的量。在桁条54具有斜坡的情况下，+45°和-45°纤维需要更短，通常在2至4英寸长的范围内，因为与主要承载沿X轴的载荷的0°铺层相比，在斜坡中需要更大量的铺层拉伸，但对强度的需求降低。
针对各个桁条配置优化纤维长度L1、L2和切割角度θ，以允许沿着桁条54的长度在各种区段处将装料80形成为期望的轮廓，而极少或没有铺层起皱。在桁条54的具有复合弯曲的那些区段(例如，斜坡)中，在成形期间向装料80提供拉伸能力的需求特别重要。纤维长度L1和L2的优化涉及表示在各个铺层方向(0°、+45°、-45°)上强度和成形性之间的平衡的选择过程。
这里应该注意，尽管装料80的一些区段具有成角度切割94以由于桁条轮廓而提供必要成形性，但桁条54的其它区段(例如，笔直区段)中的成角度切割94可能不需要，因为这些区段可没有起皱地成形。在成形工艺期间，0°铺层中的成角度切割94允许这些铺层中的纤维略微分离并在参考方向86上纵向分开，从而允许铺层在XZ平面内拉伸和弯曲(图3和图4)而没有起皱。然而，纤维长度L1足以维持沿桁条54的长度在各个区段承载桁条54上的载荷所需的强度。以类似的方式，+45°和-45°铺层中的成角度切割94允许这些铺层中的纤维92在横向方向上略微分开，从而允许+45°和-45°铺层在成形工艺期间在YZ平面中根据需要拉伸和弯曲而没有起皱。
图8所示的示例中成角度切割94的图案仅是可能的各种切割图案的例示。所选的成角度切割94的特定图案将取决于应用，包括桁条54沿其长度的各种区段的加载和其它要求。在一些示例中，成角度切割94可随机分布在各个铺层82的区域上。图11示出具有成角度切割94图案的另一示例的0°铺层。在此示例中，交替列100中的成角度切割94相对于纤维方向88以两个相反的角度，+θ、-θ布置。换言之，成角度切割94的角度在交替列100中反向并且相对于彼此交错。使成角度切割94交错将它们分散，从而减少了强度下降。成角度切割94的这种交替布置使由切割导致的0°铺层的承载容量的降低最小化。成角度切割94的角度以及切割纤维92的长度L1与早前结合图8和图9所示的示例描述的那些相似。在45°铺层(未示出)中可使用交替切割角度的相似布置，其中切割角度+θ、-θ以及切割纤维长度L2将与上面结合图10所示的示例描述的那些相似。
如前所述，上面的描述示出适合于形成桁条54的装料80的使用，然而类似设计原理(将在下面更详细描述)可用于生产各种复合层压板组件中的任一种，例如飞机40的机身中所使用的那些。各个应用需要优化一系列参数，包括但不限于纤维角度、各个纤维方向上的纤维长度、切割图案、所选切割图案的可制造性考虑和将装料80形成为期望形状时遇到的应变。成角度切割94确定各个纤维方向上的纤维长度。较短的铺层段96(纤维长度)更容易形成，但可能强度降低，而较长的铺层段96可能成形性较差，但导致强度更高。
所选切割图案决定了纤维长度以及成角度切割94的分布。另外，适当考虑了切割的分布。例如，如果所有成角度切割94位于装料80中的单个独特的位置，则结构的强度将低于切割遍及装料80的体积充分分布和/或遍及各个铺层82的区域分布的情况。因此，应该选择在各个铺层82的区域上分布成角度切割94的切割图案。
如上所述，必须考虑所选切割图案的可制造性。成角度切割94相对于衬纸被去除的方向的出口角(exit angle)显著影响衬纸是否能被撕下而不会在预浸料上钩住或留下一点纸。留在预浸料上的任何一点衬纸构成将需要去除的FOD(异物和碎屑)，这不仅增加了生产成本，而且可能导致零件因检查不合格而被拒绝。此外，所选切割图案还可决定用于生成成角度切割的设备的类型和设计。一些类型的设备设计可能不具有生产可行性，或者对于特定应用或生产环境可能过于昂贵。其它设备选择尽管有效，但对于高速生产可能不够高效。
如早前指示的，为特定应用设计装料需要仔细考虑将装料形成为用于给定应用的特定形状所导致的应变。诸如飞机的蒙皮、桁条、地板梁、地板面板和控制面的各个应用需要不同的成形量，这生成不同的应变量，在设计装料时需要考虑这些。例如，诸如地板面板的一些组件相对平坦，并且可能不需要切割装料的铺层中的任何纤维。诸如桁条的其它组件可能仅略微呈波状，但需要具有高强度，因此产生了独特的设计考虑。在机翼桁条的情况下，桁条的曲率遵循机翼的曲率(通常大约为1000英寸的半径)。因此，在机翼桁条的情况下，已发现为了在允许装料形成必要的机翼曲率的同时维持必要的桁条强度，装料的0°铺层中的纤维应该被切割成大约10至20英寸范围内的长度。比该范围的上端更长的纤维长度降低了装料的成形性并增加了导致强度下降的铺层起皱的可能性。然而，比该范围的下端更短的纤维长度使桁条的强度降低至可接受水平以下。
如上所述，0°铺层82中的纤维被切割成10和20英寸之间的长度，以允许0°纤维92拉伸并允许装料80沿纤维92的长度形成为机翼44的曲率。在桁条54必须适形于面外特征的那些位置(例如，外蒙皮53上外蒙皮53变厚的斜坡)，将装料80形成为斜坡形状受45°纤维92的剪切主导，而非如0°纤维92的情况中那样受其延伸主导。因此，45°铺层82中的纤维92必须横向拉伸显著超过0°铺层82所必须拉伸的，以适应机翼曲率。为了实现必要的横向拉伸，45°纤维被切割成更短的长度(在2至4英寸的范围内)，但仅在桁条54的那些特定区域(例如，斜坡)中，在成形而没有铺层起皱期间才需要高度横向拉伸(剪切)。尽管45°纤维92被切割成远小于0°纤维92的长度，但桁条54的任何强度下降极小，因此可接受，因为桁条54上的主要载荷由0°铺层82承载，而非45°铺层82。如早前讨论的，在桁条54的未弯曲或具有面外特征的区域中，这些区域中的装料80的铺层82中的纤维92不需要切割，因为当装料80形成为期望的桁条形状时这些铺层82不需要拉伸。
现在注意图12至图16，示出了用于高速生产装料80的设备101，其如先前结合图5至图11所描述那样进行了优化。设备101包括层压机102和平移机108，二者均由控制器106操作。控制器106可包括合适的PC、PLC(可编程逻辑控制器)或一个或更多个数字处理器。平移机108可包括用于使层压机102和基板114相对于彼此移动的任何合适的机构。在一个示例中，基板114包括固定台或工作平台，平移机108包括使层压机102在基板114上方沿着直线路径或公共轴线130(图16)在支撑框架132上移动的机构。在另一示例中，层压机102可以是安装在关节臂或龙门型机器人(未示出)上的末端执行器。将允许支撑框架132沿着公共轴线130相对于基板114移动的其它布置是可能的。
层压机102包括作为一组安装在支撑框架132上的多个铺带头(以下，“带头”)104。带头104彼此串联布置，沿着公共轴线130(图16)对齐。各个带头104可操作以将一条纤维预浸料带110(以下，“带”)铺放在基板114上或带110的下层上。各条带110的宽度可等于铺层的宽度。因此，各条纤维预浸料带110可形成装料80的单个铺层82。结果，在一个示例中，所使用的带头104的数量等于桁条或将使用装料80形成的其它结构的特定铺层计划中指定的铺层82的数量。带头104串联布置(87)并且沿着公共轴线130(图16)彼此间隔开，使得各个带头104紧接在相邻带头104所铺放的一条带110前面铺放一条带110。各条带110是形成装料80的一个铺层82的单向纤维预浸料，其中一些中可具有成角度切割94，从而形成一系列预定长度的铺层段96(图9)。如先前讨论的，随着装料80形成为期望的桁条轮廓，成角度切割94允许装料80根据需要纵向和/或横向拉伸，从而减少或消除由于轮廓而引起的铺层起皱。
带头104安装在公共支撑框架132上，因此一起在基板114上方在直线行进方向128上成组地移动，同时依次一个接一个成排115地将带条110铺放在彼此上并压实，从而同时铺设装料80的所有铺层82。换言之，随着层压机102在基板114上方移动，所有带头104同时成排115地铺放带条110。结果，可在层压机102的单次通过或“冲程”中铺设装料80的所有铺层82。
如下面将说明的，各个带头104通过将衬纸122从带条110去除，将带条馈送给压实机126，压实条，并将条切割成期望的长度来铺放带条110。各个带头104包括承载在供给卷轴112上的带110的供应源。各个带头104装载有具有特定纤维取向(例如，0°、±45°、90°)的带。带110包括一层可去除的衬纸122，其防止带110由于预浸料的粘性而一起粘在卷轴112上。带110连同衬纸122一起通过一个或更多个引导件116被馈送到压实机126(例如，压实辊或类似的压实装置)。带头104的压实机126沿着公共轴线130彼此对齐。合适的切割机118将带110切割成期望的长度。通过剥离辊120将衬纸122从带110撕下并馈送给卷取卷轴124，衬纸122在卷取卷轴124积聚并且可定期丢弃。上述布置导致衬纸122从带110被去除，然后带110被馈送给压实机126并在基板114或下面的层82上方压实。因此，衬纸122不会被压实机126在带110上压实，这能够增加衬纸122与带110的粘附并导致一点衬纸12作为FOD留在铺层段96上，特别是沿着带110的边缘98(图8)。
特别是参照图14至图16，如先前说明的，层压机102可在层压机102在基板114上方单次通过时铺设装料80的所有铺层82。然而，根据铺层计划和特定应用所需的生产效率的程度，可通过层压机102在基板114上方2次或更多次通过来铺设装料80。例如，如果铺层计划需要32个铺层82，并且层压机102包括8个带头104，则可在层压机102在基板114上方4次通过时铺设装料80的所有铺层82。另选地，如果层压机102包括32个带头104，则可通过层压机102在单次通过中铺设装料80的所有铺层。参照图15，带头104可嵌套在一起，以形成更紧凑的层压机包络。如图16所示，带头104一个接一个布置成一排115，沿着公共轴线130串联对齐87，以使得带110的层在被铺放以形成装料80时同样彼此对齐。
现在注意图17，其示出在两个不同的基板114a、114b上同时铺设两个装料80a、80b的部分的过程中具有十个带头104的层压机102。在图17的右侧，六个带头104正完成铺设装料80a的铺层，而同时，在图的左侧，两个带头104开始顺着铺放装料80b的铺层。在此示例中，两个带头104是不活动的(未在铺带)。随着层压机102继续从右向左移动，层压机102完成铺设装料80a，并且不活动或正铺设装料80a的带头104开始铺放装料80b的铺层82直至完成。
层压机102可按这种方式继续同时铺设任何数量的不同装料80。装料80在其铺层计划方面可彼此相同或不同。此外，图17所示的装料80a、80b可包括装料段(下面讨论)，这些装料段稍后连接在一起以形成单个装料80。带头104的致动由图12所示的控制器106单独地控制。由于带头104可装载有具有不同纤维取向的带，所以任何带头104可被启用或停用以在层压机102在基板114上方行进的任何点开始或停止铺带。
现在参照图18至图20，呈波状并包括复合层压板的桁条54可使用多个交叠的装料段134来生产，这些装料段134连接在一起以形成完整的装料80。各个装料段134包括根据预定铺层计划铺设的铺层82的层叠物，其可包括例如任何数量的0°、+45°、-45°和90°铺层，尽管许多其它铺层取向也是可能的。各个装料段134中的铺层82中具有与先前结合图7至图11描述的示例的描述对应的成角度切割94图案。
在一些示例中，所有装料段134可具有根据相同的铺层计划布置的铺层。换言之，所有装料段134可基本上相同。在一个示例中，装料80可包括两个或更多个装料段134以便生产更长的桁条54，这是限于形成较短的装料80的生产设备可适应的。然而，在其它示例中，装料段134在其它铺层计划、纤维长度、切割角度和/或切割图案方面可不同，以便沿其长度特制装料80以满足局部载荷需求和/或其它条件。例如，装料段134可被特制和优化以分别满足机翼44的内侧区段74以及中间区段76还有外侧区段78，即，区段74、76、78(图2)，中所使用的桁条54的局部载荷需求和几何形状。较短的装料段134在桁条54的高度波状的那些区域中增强了装料80的成形性。装料段134可具有相同或不同的长度。
可铺设装料段134，使得在一端或两端削层138(图20)。在铺设之后，装料段134可通过在接头136处共固化来连接在一起。在所示示例中，装料段134通过阶梯型搭接接头连接，然而根据应用，可使用各种其它类型的接头136中的任一种。在一些示例中，各个装料段134包括宽度等于装料段134的宽度的预浸料带，然而，在其它示例中，每一个铺层82可包括多个带宽度。装料段134的铺层82可通过先前描述的层压机102单独地铺设或全部一起基本上同时铺设。
装料80可使用各种技术中的任一种形成为期望的形状。例如，参照图21和图22，装料80可在分别包括上模具141和下模具143的模具组139中压缩成形。随着装料80在上模具141和下模具143之间被压缩，模具组139连同装料80一起可利用所施加的力F拉伸。装料80随其成形的拉伸有助于减少所形成的结构的任何波状区域中铺层82的起皱。类似地，装料80可在一个或更多个成形块上方执行LASH，以便减少铺层起皱。
图23大致示出制备用于形成诸如桁条54的复合层压板结构的装料80的方法的总步骤。如140处所示，该方法包括：通过使用多个带头104在基板114上方将纤维预浸料带110条铺放在彼此上来铺设纤维预浸料铺层82的层叠物，使得层叠物的所有铺层82被同时铺设。
图24示出铺设用于形成复合层压板结构的装料80的另一方法。如141处所示，该方法包括：同时铺设至少纤维预浸料铺层82的第一和第二层叠物，包括通过使一组带头104在第一和第二基板114上方移动来将带110条成排115地铺放在彼此上，其中，这一组带头104在完成铺设第一铺层层叠物的同时开始铺设第二铺层层叠物。
现在注意图25，其示出制备复合层压板结构的方法。从142开始，沿复合结构的长度预测复合结构上的载荷。在144，基于预测的载荷为平坦装料生成铺层计划。铺层计划包括具有不同纤维取向的铺层。确定满足预测的载荷所需的各个铺层的贡献。在146，确定为了在没有明显铺层起皱的情况下将铺层形成为期望的形状，平坦装料中的各个铺层需要拉伸的量。在148，选择需要拉伸的各个铺层中的纤维长度，其代表结构强度和成形性的优化组合。在150，通过根据铺层计划铺设平坦铺层层叠物来组装平坦装料。最后，在152，将平坦装料形成为期望的形状。
本公开的示例可用于各种潜在应用，特别是运输行业，包括例如航空航天、船舶以及可使用诸如飞行器中所使用的加强肋的复合层压板结构的其它应用。因此，现在参照图26和图27，本公开的示例可在如图26所示的飞行器制造和服务方法154以及如图27所示的飞行器156的背景中使用。所公开的示例的飞行器应用可包括各种复合桁条和类似加强肋，其可沿其长度具有轮廓、弯曲、变化的厚度或其它面外特征。在生产前，示例性方法154可包括飞行器156的规格和设计158以及材料采购160。在生产期间，进行飞行器156的组件和分总成制造162以及系统集成164。此后，飞行器156可经过认证和配送166以便投入服务168。在顾客投入服务时，为飞行器156安排例行维修和保养170，也可包括修改、重新配置、改造等。
方法154的各个处理可由系统集成商、第三方和/或运营商(例如，顾客)来执行或完成。为了本说明书的目的，系统集成商可包括(但不限于)任何数量的飞机制造商和主系统分包商；第三方可包括(但不限于)任何数量的卖方、分包商和供应商；运营商可以是航空公司、租赁公司、军方实体、服务组织等。
如图27所示，通过示例性方法154生产的飞行器156可包括具有多个系统174和内部176的机身172。机身172可包括桁条178，桁条沿其长度具有一个或更多个轮廓、弯曲或其它面外特征。高级系统174的示例包括推进系统180、电气系统182、液压系统184和环境系统186中的一个或更多个。可包括任何数量的其它系统。尽管示出了航空航天示例，但本公开的原理可应用于其它行业，例如船舶和汽车行业。
本文中具体实现的系统和方法可在飞行器制造和服务方法154的任一个或更多个阶段期间采用。例如，在组件和分总成制造162期间使用的组件或分总成可按照与飞行器156服务中的同时生产的组件或分总成相似的方式来加工或制造。另外，一个或更多个设备示例、方法示例或其组合可在组件和分总成制造162和系统集成164期间使用(例如，通过显著加快飞行器156的组装或降低飞行器156的成本)。类似地，一个或更多个设备示例、方法示例或其组合可在飞行器156在服务中(例如但不限于维修和保养170)的同时使用。
1.一种用于铺设平坦复合装料的设备，该设备包括：
层压机，其包括串联(87)布置并安装在支撑框架(132)上的多个带头(104)。
2.根据权利要求1所述的设备，其中：
支撑框架(132)被配置为将所述多个带头(104)支撑在基板(114)上方，
所述多个带头(104)被布置为在基板(114)上方将多条纤维预浸料带(110)同时成排(115)地铺放在彼此上，并且
支撑框架(132)和基板(114)可沿着公共轴线(130)相对于彼此移动。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中
带头(104)成组地安装在支撑框架(132)上。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的设备，其中，带头(104)沿着公共轴线(130)串联对齐并且沿着公共轴线(130)彼此间隔开，使得各个带头(104)紧接在相邻带头(104)所铺放的纤维预浸料带(110)前面铺放纤维预浸料带(110)。
5.根据权利要求2所述的设备，该设备还包括平移机(108)，其用于使层压机(102)和基板(114)相对于彼此移动，使得所述多条纤维预浸料带(110)在层压机(102)在基板(114)上方单次通过时被铺放在基板(114)上。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的设备，该设备还包括被配置为单独地控制带头(104)的控制器(106)。
7.根据权利要求6所述的设备，其中，控制器(106)被配置为控制带头(104)同时铺放两个不同复合装料(80a,80b)的铺层(82)。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的设备，其中，各个带头(104)包括：
纤维预浸料带(110)的供应源(112)，
切割机(118)，其被配置为将纤维预浸料带(110)切割成期望的长度，以及
压实机(126)，其被配置为在基板(114)上方将纤维预浸料带(110)压实。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，各个带头(104)包括剥离辊(120)，其被配置为在纤维预浸料带(110)在基板(114)上方被压实之前剥离纤维预浸料带(110)上的衬纸(122)。
10.使用根据权利要求1至9中的任一项所述的设备来组装的飞行器的一部分。
11.一种制备用于形成复合结构的装料的方法，该方法包括：
通过使用多个带头(104)在基板(114)上方同时成排(115)地将纤维预浸料带(110)条铺放在彼此上来铺设纤维预浸料铺层(82)的层叠物(81)。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，在带头(104)在基板(114)上方单次通过时铺设所有纤维预浸料铺层(82)。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，铺放纤维预浸料带条的步骤包括：串联地压实纤维预浸料铺层(82)。
14.根据权利要求11至13中的任一项所述的方法，其中，铺放纤维预浸料带条的步骤包括：
向压实机(126)馈送纤维预浸料带(110)条，
使用压实机(126)在基板(114)上方压实纤维预浸料带(110)条，以及
在纤维预浸料带(110)条在基板(114)上方被压实之前去除纤维预浸料带(110)条上的衬纸(122)。
15.根据权利要求11至14中的任一项所述的方法，该方法包括：单独地启用和停用带头(104)以开始或停止铺纤维预浸料带(110)条。
16.根据权利要求12所述的方法，其中，铺放纤维预浸料带(110)条的步骤包括使带头(104)成组地沿着直线路径(84)相对于基板(114)移动。
17.依据根据权利要求11至16中的任一项所述的方法组装的飞行器的一部分。
18.一种制备用于形成复合层压板结构的复合装料的方法，该方法包括：
同时铺设至少纤维预浸料铺层(82)的第一和第二层叠物(81)，包括通过在第一和第二基板(114a,114b)上方移动一组带头(104)来成排(115)地在彼此上铺放纤维预浸料带(110)条，其中，这一组带头(104)在完成铺设铺层的第一层叠物(81)的同时开始铺设铺层(82)的第二层叠物(81)。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，在一组带头(104)单次通过第一和第二基板(114a,114b)上方时铺设第一和第二层叠物(81)的所有铺层(82)。
20.一种制备波状复合层压板结构的方法，该方法包括：
沿波状复合层压板结构的长度预测波状复合层压板结构上的载荷；
基于预测载荷，生成平坦装料(80)的铺层计划，其中，铺层计划包括具有不同纤维取向的铺层(82)，包括确定满足载荷所需的铺层计划中的各个铺层(82)的贡献；
确定在没有铺层起皱的情况下将平坦装料(80)形成为期望的结构形状所需的平坦装料(80)中的各个铺层(82)的拉伸量；
选择代表结构强度和成形性的优化组合的各个铺层(82)中的纤维(92)的长度(L)；
通过根据铺层计划铺设铺层(82)的平坦层叠物(81)来组装平坦装料(80)；以及
将平坦装料(80)形成为期望的结构形状。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，形成步骤包括拉伸形成平坦装料(80)。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，拉伸形成包括：
将平坦装料(80)置于张力下，以及
在成形块上将平坦装料(80)向下拉伸。
23.根据权利要求20至22中的任一项所述的方法，该方法还包括：
在至少一些铺层(82)中的纤维(92)中进行成角度切割(94)，其中，成角度切割(94)被配置为允许铺层(82)随着平坦装料(80)形成而拉伸。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，纤维(92)中的成角度切割(94)是相对于铺层中的纤维方向成大约100至大约300的角度的切割。
25.依据根据权利要求20至24中的任一项所述的方法组装的飞行器的一部分。
26.一种制备用于形成复合结构的复合装料(80)的方法，该方法包括：
通过在基板(114)上在彼此上铺放纤维预浸料带(110)条来铺设纤维预浸料铺层(82)的层叠物(81)；以及
随着纤维预浸料带(110)条被铺放，串联地压实纤维预浸料带(110)条。
27.根据权利要求26所述的方法，其中：
铺放纤维预浸料带(110)条包括同时成排(115)地铺放纤维预浸料带(110)，并且
压实纤维预浸料带(110)条包括同时压实纤维预浸料带(110)条。
28.根据权利要求26或27所述的方法，该方法还包括：在纤维预浸料带(110)被压实之前去除纤维预浸料带(110)上的衬纸(122)。
29.根据权利要求26至28中的任一项所述的方法，其中：
铺放纤维预浸料带(110)条包括使一组带头(104)通过基板(114)上方，并且
其中，在一组带头(104)单次通过基板(114)上方时在基板(114)上铺放所有纤维预浸料铺层(82)。
30.依据根据权利要求26至29中的任一项所述的方法组装的飞行器的一部分。
如本文所使用的，与项目列表一起使用的短语“…中的至少一个”意指可使用一个或更多个所列项目的不同组合并且可能仅需要列表中的一个各个项目。例如，“项目A、项目B和项目C中的至少一个”可包括但不限于项目A、项目A和项目B、或项目B。此示例还可包括项目A、项目B和项目C或项目B和项目C。项目可以是特定对象、事物或类别。换言之，“…中的至少一个”意指可从列表使用任何组合项目和数量的项目，而非需要列表中的所有项目。
已出于例示和描述的目的呈现了不同例示性示例的描述，其并非旨在为穷尽性的或者限于所公开的形式的示例。对于本领域普通技术人员而言，许多修改和变化将是显而易见的。此外，与其它例示性示例相比，不同的例示性示例可提供不同的优点。所选择的示例被选择并描述以便最佳地说明示例的原理、实际应用并且使得本领域普通技术人员能够理解本公开的各种示例以及适合于可以想到的特定用途的各种修改。

Claims (15)

1.一种用于铺设平坦复合装料的设备，该设备包括：
层压机，该层压机包括串联(87)布置并安装在支撑框架(132)上的多个带头(104)。
2.根据权利要求1所述的设备，其中：
所述支撑框架(132)被配置为将所述多个带头(104)支撑在基板(114)上方，
所述多个带头(104)被布置为在所述基板(114)上方将多条纤维预浸料带(110)同时成排(115)地铺放在彼此上，并且
所述支撑框架(132)和所述基板(114)能够沿着公共轴线(130)相对于彼此移动。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中
所述带头(104)成组地安装在所述支撑框架(132)上。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的设备，其中，所述带头(104)沿着公共轴线(130)串联对齐并且沿着所述公共轴线(130)彼此间隔开，使得各个所述带头(104)紧接在相邻带头(104)所铺放的纤维预浸料带(110)前面铺放纤维预浸料带(110)。
5.根据权利要求2所述的设备，该设备还包括平移机(108)，该平移机(108)用于使所述层压机(102)和所述基板(114)相对于彼此移动，使得所述多条纤维预浸料带(110)在所述层压机(102)在所述基板(114)上方单次通过时被铺放在所述基板(114)上。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的设备，该设备还包括被配置为单独地控制所述带头(104)的控制器(106)。
7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述控制器(106)被配置为控制所述带头(104)同时铺放两个不同复合装料(80a,80b)的铺层(82)。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的设备，其中，各个所述带头(104)包括：
纤维预浸料带(110)的供应源(112)，
切割机(118)，该切割机(118)被配置为将所述纤维预浸料带(110)切割成期望的长度，以及
压实机(126)，该压实机(126)被配置为在基板(114)上方将所述纤维预浸料带(110)压实。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，各个所述带头(104)包括剥离辊(120)，该剥离辊(120)被配置为在所述纤维预浸料带(110)在所述基板(114)上方被压实之前剥离所述纤维预浸料带(110)上的衬纸(122)。
10.一种制备用于形成复合结构的装料的方法，该方法包括以下步骤：
通过使用多个带头(104)在基板(114)上方同时成排(115)地将纤维预浸料带(110)条铺放在彼此上来铺设纤维预浸料铺层(82)的层叠物(81)。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，在所述带头(104)在所述基板(114)上方单次通过时铺设所有所述纤维预浸料铺层(82)。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，铺放纤维预浸料带条的步骤包括：串联地压实所述纤维预浸料铺层(82)。
13.根据权利要求10至12中的任一项所述的方法，其中，铺放纤维预浸料带条的步骤包括：
向压实机(126)馈送纤维预浸料带(110)条，
使用所述压实机(126)在所述基板(114)上方压实纤维预浸料带(110)条，以及
在所述纤维预浸料带(110)条在所述基板(114)上方被压实之前去除所述纤维预浸料带(110)条上的衬纸(122)。
14.根据权利要求10至13中的任一项所述的方法，该方法包括：单独地启用和停用所述带头(104)以开始或停止铺纤维预浸料带(110)条。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，铺放纤维预浸料带(110)条的步骤包括使所述带头(104)成组地沿着直线路径(84)相对于所述基板(114)移动。
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