DE69726994T2

DE69726994T2 - Verfahren zum Herstellen von hybriden Verbundstrukturen

Info

Publication number: DE69726994T2
Application number: DE69726994T
Authority: DE
Inventors: C. Warren Renton Turner; Matthew K.S. Mercer Island Lum; Richard B. Maple Valley Evans
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 1996-01-11
Filing date: 1997-01-06
Publication date: 2005-01-20
Anticipated expiration: 2017-01-07
Also published as: EP0783959A2; DE69726994T3; EP0783959A3; JPH09201908A; DE69726994D1; US5651850A; EP0783959B2; EP0783959B1; JP4351742B2

Description

Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Herstellungsverfahren für Laminatstrukturen und insbesondere Herstellungsverfahren für hybride Verbundlaminate.
Hintergrund der Erfindung
Pläne für neue, schnellere zivile Überschalltransportflugzeuge spezifizieren einen Rumpf, der aus einer hybriden Verbundstruktur hergestellt ist. Die geplanten Reisegeschwindigkeiten dieser Flugzeuge, deutlich oberhalb der Schallgeschwindigkeit, werden den Rumpf dieser Flugzeuge anhaltend hohen Betriebstemperaturen aussetzen. Weder vollständig metallene noch vollständig polymere Gewebe-Verbundstrukturen sind zufrieden stellend für eine wirtschaftlich nachhaltige Verwendung beim Transport ziviler Passagiere unter diesen Bedingungen. Konstrukteure haben sich daher hybriden Verbundstrukturen zugewendet.
Hybride Verbundstrukturen enthalten im Allgemeinen Schichten von Metall, polymerem Gewebe-Verbundmaterial und Wabenmaterial, welche miteinander in einer sandwichartigen Anordnung verbunden sind. Diese Arten von Strukturen können anhaltend hohen Betriebstemperaturen widerstehen und haben ein hohes Festigkeit-zu-Gewicht Verhältnis, was beides entscheidend für Hochgeschwindigkeits-Transportanwendungen ist.
US-A-3189054 stellt ein Verfahren zur Ausbildung einer Laminatstruktur auf einem zylindrischen Dorn bereit, das die Schritte eines abwechselnden Aufbringens von einem dünnen Metallfilm, vorzugsweise Aluminium mit einer Dicke von 0,4 mm, und von einem Streifen unidirektionaler Glasfasern, die durch ein thermisch abbindendes Harz zusammengehalten werden. Eine zweite Schicht Metallstreifen ist über der Glasfaserschicht angeordnet, wobei die Fugen der Metallfilmschichten sich nicht überlappen. Das vollständige Laminat hat eine fünflagige Struktur von drei Metallstreifen und zwei Glasfaserstreifen, welche ein röhrenförmiges Element bilden. Danach wird der mit thermisch abbindendem Harz imprägnierte Streifen ausgeheilt, so dass er an den Metallstreifen haftet und eine steife Struktur gebildet wird. Der Anordnungsprozess der aufeinander folgenden Schichten ist nicht automatisiert.
Hybride Verbundstrukturen sind jedoch schwierig herzustellen. Einer der größten Beiträge zu dieser Schwierigkeit ist der Umfang der während der Herstellung erforderlichen Handarbeit. Derzeitige Herstellungstechniken zur Herstellung von hybriden Verbundstrukturen sind ähnlich den Techniken, die bei der Produktion herkömmlicher polymerer Gewebe-Verbundstrukturen verwendet werden. Speziell werden die verschiedenartigen Schichten in der Struktur in einem arbeitsreichen Prozess auf einem Auflegdorn aufeinander aufgelegt. Typischerweise wird danach die gesamte Struktur manuell in einer Vakuumtasche versiegelt und zur Festigung, Ausheilung und Verbindung der verschiedenartigen Schichten miteinander in einem Autoklav angeordnet.
Zusätzlich können einheitliche großformatige Teile schwierig aus einigen Arten von hybriden Verbundstrukturen herzustellen sein. Zum Beispiel erfordern hybride Verbundstrukturen, die aus einem polymeren Aramidgewebe-Verbund und Aluminium gebildet sind, bekannt als ARALL, gewöhnlich Dehnen als Teil des Herstellungsprozesses. Der Dehnprozess verursacht Schwierigkeiten, wenn versucht wird, einheitliche großformatige Teile auszubilden, welche genauen Herstellungstoleranzen entspre chen müssen. Aus praktischen Gründen müssen aus ARALL gebildete große Teile daher mehrere kleinere ARALL-Abschnitte beinhalten, die aneinander befestigt sind, um das Teil zu bilden. Dasselbe gilt auch für hybride Verbundstrukturen, die aus einem polymeren Glasgewebe-Verbund und Aluminium gebildet sind, bekannt als GLARE.
Automatische Streifen-Legmaschinen haben die Herstellungskosten bei herkömmlichen polymeren Gewebe-Verbundstrukturen reduziert. Die Streifen-Legmaschinen legen automatisch Schichten von imprägnierten Verbundstreifen anstelle von Verbundbahnen auf einen Auflegdorn, ein Verfahren, das signifikant Arbeitskosten für einige Teile reduzieren kann.
Die derzeitigen Herstellungstechniken für hybride Verbundstrukturen beruhen jedoch nach wie vor auf einer manuellen Anordnung der Metall- und Wabenschichten der Struktur auf einem Auflegdorn. Wenn exotische Metallfolien mit eloxierten Oberflächen verwendet werden, muss manueller Kontakt mit den eloxierten Oberflächen während der Herstellung verhindert werden, um Verunreinigung zu vermeiden. Manuelle Auflegtechniken sind daher nicht zufrieden stellend.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Ausbildung einer hybriden Verbundstruktur bereit. Diese Fertigungsprozesse minimieren einen Umgang mit dem Material, maximieren eine Auflegeffizienz und reduzieren eine Fertigungszeit, was alles ein wirtschaftlicheres Endprodukt gewährleistet. Eine Form oder ein Auflegdorn ist bereitgestellt. In seiner bevorzugten Form ist er röhrenförmig, z.B. in Form eines Rumpfabschnitts, der eine Verbindungskontur aufweisen kann. Der erste Schritt des Verfahrens umfasst eine Ausbildung einer Viel zahl von metallischen Keilstreifen. Danach wird ein erster Satz der Keilstreifen auf den Auflegdorn aufgebracht, so dass eine erste Keilhüllenschicht gebildet wird. Im Anschluss wird ein polymeres Gewebe-Verbundmaterial auf die erste Keilhüllenschicht aufgebracht, so dass eine erste Schicht von Verbundmaterial gebildet wird. Als nächstes wird auf der Gegenseite der ersten Keilschicht ein zweiter Satz der Keilstreifen auf die erste Verbundschicht aufgebracht, so dass wenigstens eine zweite Keilschicht gebildet wird. Dies erzeugt eine erste Schichtstruktur, die Keilstreifen als die ersten und letzten Schichten der Struktur aufweist. Danach wird unter Verwendung eines Klebstoffes eine Schicht von Wabenmaterial auf die letzte Schicht der ersten Schichtstruktur aufgebracht. Weiter wird eine zweite Schichtstruktur, im Wesentlichen identisch der ersten Schichtstruktur, auf der Seite der Wabenschicht gegenüber der ersten Schichtstruktur gebildet. Somit wird eine hybride Verbundstruktur gebildet, die erste und zweite Schichtstrukturen aufweist, welche durch eine in der Mitte gelegene Wabenschicht getrennt sind.
Vorzugsweise werden die Keilstreifen wie folgt auf den Auflegdorn aufgebracht, indem die Keilstreifen zuerst auf eine Spule oder Kassette aufgewickelt werden. Dann werden die Keilstreifen auf den Auflegdorn aufgebracht, indem jeder Keilstreifen von der Spule oder Kassette abgewickelt wird, während diese Anordnung longitudinal entlang des Auflegdorns bewegt wird. Nach dem Aufbringen jedes Keilstreifens wird der Auflegdorn um einen vorbestimmten Winkel verdreht, so dass die Anordnung benachbart zu einem zuvor aufgebrachten Keilstreifen positioniert ist. Der nächste Keilstreifen kann somit Seite an Seite mit dem ersten aufgebracht werden, indem der nächste Keilstreifen von der Spule oder Kassette abgewickelt wird, während diese Anordnung longitudinal entlang des Dorns bewegt wird. Dies führt dazu, dass die Keilstreifen Kante an Kante auf den Auflegdorn aufgebracht werden. Die Schritte des Bewegens der Spulen/Kassetten-Anordnung, Abwickelns der Keilstreifen und schrittweise Drehens des Auflegdorns werden wiederholt bis alle Keilstreifen für diese Schicht aufgebracht sind.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein hoch entwickelter Faser-Anordnungsmechanismus verwendet, um das polymere Gewebe-Verbundmaterial auf den Auflegdorn aufzubringen. Dies wird durch eine Bereitstellung des Verbundmaterials in der Form einer harzimprägnierten Faser, die in einer strangartigen Weise angeordnet ist, d.h. Spaltband oder Werg, erreicht. Der polymere Gewebe-Verbund wird auf den hoch entwickelten Faser-Anordnungsmechanismus geladen, welcher sich longitudinal entlang des Auflegdorns bewegt. Während sich der Mechanismus entlang des Auflegdorns bewegt, wird der Auflegdorn gedreht, so dass das polymere Gewebe-Verbundmaterial auf eine Keilhüllenschicht aufgebracht wird, vorzugsweise in einem spiralförmigen Muster, das die Schicht umgibt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorhergehenden Aspekte und viele der damit einhergehenden Vorteile dieser Erfindung können leichter eingeschätzt werden, wenn dieselbe unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen besser verstanden wird, wobei:
1 ein Flussdiagramm ist, das ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel zur Konstruktion einer hybriden Verbundstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
2 ein schematisches Flussdiagramm ist, das ein bevorzugtes Verfahren zum Aufbringen von Keilstreifen auf einen Dorn zusammen mit Waben- und polymerem Gewebe-Verbundmaterial, um eine hybride Verbundstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung aufzubauen, veranschaulicht;
3 eine perspektivische Ansicht von metallischen Keilstreifen ist, welche unter Verwendung des Verfahrens, das in Verbindung mit 2 beschrieben ist, auf einen Auflegdorn aufgebracht werden;
4 eine perspektivische Ansicht einer Schicht von polymerem Gewebe-Verbundmaterial ist, die unter Verwendung des Verfahrens, das in Verbindung mit 2 beschrieben ist, auf die Schicht von metallischen Keilstreifen von 3 aufgebracht wird;
5 eine perspektivische Ansicht von metallischen Keilstreifen ist, die unter Verwendung des Verfahrens, das in Verbindung mit 2 beschrieben ist, auf die Schicht von polymerem Gewebe-Verbundmaterial von 4 aufgebracht werden;
6 eine perspektivische Ansicht einer Schicht von Klebstoff- und Wabenmaterial ist, die unter Verwendung des Verfahrens, das in Verbindung mit 2 beschrieben ist, auf eine erste Hülle von metallischen Keilstreifen und polymerem Gewebe-Verbund von 5 aufgebracht wird; und
7 eine perspektivische Ansicht ist, die den Beginn des Aufbaus einer zweiten Hülle von metallischen Keilstreifen und polymerem Gewebe-Verbund, welche unter Verwendung des Verfahrens, das in Verbindung mit 2 beschrieben ist, auf die in 6 gezeigte Schicht von Wabenmaterial aufgebracht wird, darstellt.
Detaillierte Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur sparsamen Herstellung von hybriden Verbundstrukturen. Bevor mit einer detaillierten Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels fortgefahren wird, wird eine kurze Beschreibung der hybriden Struktur, welche vorzugsweise durch das Verfahren hergestellt wird, gegeben.
In Übereinstimmung mit dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine hybride Verbundstruktur, die eine mittige Schicht eines Wabenmaterials aufweist, zwischen zwei Hüllen aus Metallfolie und zwei Hüllen eines polymeren Gewebe-Verbunds verschachtelt. Zur Bildung der Struktur ist eine Schicht von einem Titanlegierung-Blech oder einer Titanlegierung-Folie an jede Seite des Wabenmaterials gebunden. Eine Schicht des polymeren Gewebe-Verbunds ist an jede der Titanlegierung-Folien-Schichten gebunden. Noch eine weitere Titanlegierung-Folien-Schicht ist an jede der polymeren Gewebe-Verbundschichten gebunden. Eine zusätzliche polymere Gewebe-Verbundschicht ist an jede dieser Titanlegierung-Folien-Schichten gebunden, gefolgt von einer letzten äußeren (und inneren) Titanlegierung-Folien-Schicht, die an jede dieser polymeren Gewebe-Verbundschichten gebunden ist.
Die resultierende Schichtstruktur enthält somit eine mittige Wabenschicht und drei Schichten von Titanlegierung-Folie und zwei Schichten von polymerem Gewebe-Verbund, die an jede Seite der mittigen Wabenschicht gebunden sind. Zusätzliche Schichten von polymerem Gewebe-Verbund und/oder Titanlegie rung-Folie können den inneren und äußeren Hüllen hinzugefügt werden, wie es zur Stärkung von lokalen Bereichen der Schichtstruktur erforderlich ist.
Jede der Hauptkomponenten der gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebauten Struktur, d.h. die Titanblechfolie, das polymere Gewebe-Verbund- und das Wabenmaterial, sind im Allgemeinen vorgefertigt und zur Verwendung im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung bearbeitet. Das Wabenmaterial ist z.B. vorgefertigt und zur Verwendung im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung bereitgestellt. Genauer gesagt, ist das Wabenmaterial in Form von Abschnitten oder Platten bereitgestellt, welche in einer vorbestimmten Weise auf eine Aufnahmefläche gelegt werden. Während der Bildung einer hybriden Verbundstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung hält ein Harzfilm die Wabenplatten an der Aufnahmefläche. Wie später genauer beschrieben wird, ist ein Klebstoff, der auf entfernbarem Trägerpapier oder Trägerkunststofffolie angeordnet ist, zur Bildung des Harzfilms vor dem Aufbringen der Wabenplatten auf der Aufnahmefläche aufgebracht.
Der polymere Gewebe-Verbund umfasst vorzugsweise im Wesentlichen gleich orientierte Verstärkungsfasern, z.B. Graphit-, Bor- und/oder andere Verstärkungsfasern, die in ein polymeres Hochtemperaturharz eingebettet sind, so dass sie eine strangartige Anordnung von polymerem Gewebe-Verbund bilden. Ein bevorzugtes Harz umfasst ein trockenes thermoplastisches oder trockenes (nicht flüchtiges) wärmehärtendes Harz. Der polymere Gewebe-Verbund umfasst vorzugsweise Werg, das mit polymerem Harz imprägniert ist, wobei das harzimprägnierte Werg auf eine Spule gewickelt ist. Genauer gesagt umfasst der polymere Gewebe-Verbund vorzugsweise Filamente zur Bildung der Verstärkungsfasern, die im Wesentlichen ohne Verdrehung in einer losen Ansammlung versammelt sind und mit dem polymeren Harz umhüllt oder beschichtet sind. Alternativ kann der polymere Gewebe-Verbund in der Form eines herkömmlichen polymeren harzimprägnierten Bandes vorliegen, welches in wesentlich kleinere Weiten geschnitten worden ist (typischerweise mit einer Weite von 0,32 bis 0,64 cm) und auf eine Spule gewickelt worden ist. Bei der Bildung der hybriden Verbundstruktur wickelt sich das Werg oder Spaltband von der Spule auf die Aufnahmefläche, während es zur Festigung des polymeren Gewebe-Verbunds Hitze und Druck ausgesetzt ist.
Die Titanfolie wird üblicherweise in der Form von großen Rollen bereitgestellt. Mit Bezug auf 1 wird die Folie erst an einer Aufnahmestelle (14) aufgenommen und dann durch eine herkömmliche Schneidemaschine (16) zu Keilstreifen einer vorbestimmten Länge gestutzt oder geschnitten. Im Zusammenhang mit einem Rumpfabschnitt ist ein Keilstreifen ein längs laufendes Stück, das sich von einem Ende zu dem anderen des Rumpfabschnitts erstreckt. Bei Rumpfabschnitten, die einen variierenden oder sich ändernden Umfang aufweisen, müssen die Keilstreifen mit variierender Breite geschnitten werden, so dass aufeinander folgende Keilstreifen Kante an Kante aufgebracht werden können, vorzugsweise ohne einen Überlapp, während sichergestellt wird, dass Lücken zwischen benachbarten Streifen eine spezifizierte maximale Toleranz nicht überschreiten.
Die Keilstreifen sind eloxiert, so dass auf jedem Keilstreifen ein äußerer Mantel gebildet wird, der zur Bindung an den zuvor genannten polymeren Gewebe-Verbund geeignet ist. In dieser Hinsicht bildet der Eloxierungsprozess eine dendritische Struktur auf der Außenseite jedes Keilstreifens, welche ein polymeres Harz durchdringen kann, und an welche dieses sich wirksam binden kann. Der Eloxierungsprozess (18) kann herkömmliche Chromsäure-Eloxierung beinhalten, deren Wirksamkeit zur Verwendung bei der Bildung hybrider Verbundstrukturen nachgewiesen ist.
Ein Grundierungsprozess (19) folgt dem Eloxierungsprozess (18). Der Grundierungsprozess bringt ein polymeres Harz, entweder thermoplastischer oder wärmehärtender Art, auf die Keilstreifen auf. Der polymere Gewebe-Verbund darf nicht ausreichend überschüssiges Harz zur Sicherstellung einer guten Bindung an die Keilstreifen beinhalten. Der Grundierungsprozess (1) stellt somit eine für eine gute Bindung ausreichende Menge von Harz zwischen den Keilstreifen und dem polymeren Gewebe-Verbund bereit.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Keilstreifen auf eine Spule oder Kassette (20) geladen. Diese Kassetten werden an eine Aufbewahrungsstelle (24) nahe der Produktionsstätte geliefert und gelagert, bis sie in dem Beschichtungsprozess zu verwenden sind. Der Auflegdorn wird aus dem Werkstücklager (28) entfernt und zu dem Ort der automatischen Beschichtung (26) gebracht. Die hybride Verbundstruktur wird auf den Dorn durch die unten beschriebenen Beschichtungsvorgänge aufgebracht. Danach wird der Dorn von der Konstruktionsstätte entfernt und aus der hybriden Verbundstruktur entnommen. Die hybride Verbundstruktur wird gestutzt, Fensteröffnungen werden in die Struktur geschnitten und andere Befestigungsvorrichtungen und Komponenten werden zugefügt, um eine fertig gestellte Struktur (30) zu bilden.
Die Schritte zur Anfertigung einer hybriden Verbundstruktur, z.B. eines Rumpfabschnitts, gemäß der vorliegenden Erfindung, sind in 2 veranschaulicht. In diesem Beispiel wird ein röhrenförmiger Dorn im Allgemeinen mit seiner longitudinalen Achse entlang einer vertikalen Richtung orientiert aufgestellt. Eine Vielzahl von Titankeilstreifen wird in einer longitudinalen Richtung auf die äußere Oberfläche des Dorns aufgebracht, so dass eine erste Schicht von Titanfolie (32) gebildet wird. Polymerer Gewebe-Verbund in der Form von Werg oder Spaltband wird in einer Richtung quer und vorzugsweise spiralförmig orientiert mit Bezug auf den Dorn um den Dorn gewickelt, bis eine erste Schicht von polymerem Gewebe-Verbund gebildet ist (34). Eine zweite Schicht von Titanfolie wird dann auf die Verbundschicht aufgebracht (36), gefolgt von einer weiteren Schicht von Verbundmaterial (38) und einer letzten Schicht von Titanfolie (40). Dies stellt eine erste innere Hülle bereit, die drei Schichten von Titanfolie umfasst, welche mit Schichten von polymerem Gewebe-Verbund verschachtelt sind.
Danach finden die Waben-Auflegschritte statt (41), (42) und (43). Der erste Schritt des Waben-Auflegens beinhaltet einen Klebstoff-Aufbringprozess (41). Der Klebstoff-Aufbringprozess bildet einen Harzfilm auf der äußeren Oberfläche der ersten inneren Hülle, die in den vorhergehenden Schritten gebildet worden ist, zum Halten der Wabenplatten an der Hülle. Vorzugsweise wird zur Bildung des Harzfilms ein Klebstoff, der auf einem schmalen Streifen von entfernbarem Trägerpapier oder Trägerkunststofffolie angeordnet ist, auf die Hülle aufgebracht. Der Klebstoffstreifen ist zur bequemen Abgabe wie erforderlich auf eine Spule aufgewickelt. Insbesondere wird der Klebstoffstreifen in einer Weise von der Spule auf die Hülle abgegeben, die dem Aufbringprozess für den polymeren Gewebe-Verbund, wie unten genauer beschrieben, ähnlich ist. Der Abgabeprozess des Klebstoffstreifens entfernt vorzugsweise den Papier- oder Folienträger, während der Streifen von der Spule auf die Hülle abgewickelt wird. Alternativ kann der Papier- oder Folienträger in einem separaten Schritt entfernt werden, welcher auf das Aufbringen des Klebstoffstreifens folgt.
Der nächste Schritt des Waben-Auflegens beinhaltet einen Waben-Aufbringprozess (42). Wie genauer beschrieben werden wird, werden Wabenplatten über den Klebstofffilm auf der Außenseite der ersten inneren Hülle aufgebracht. Danach wird das Waben-Auflegen mit einem zweiten Klebstoff-Aufbringprozess (43), der im Wesentlichen identisch mit dem ersten Klebstoff-Aufbringprozess (41) ist, abgeschlossen. Der Unterschied zwischen dem ersten und zweiten Klebstoff-Aufbringprozess (41) und (43) besteht darin, dass der zweite Prozess einen Harzfilm auf der äußeren Oberfläche der Wabenplatten bildet, und nicht auf der ersten inneren Hülle.
Danach wird eine zweite äußere Hülle von Titan- und polymeren Gewebe-Verbundschichten gebildet. Die erste Schicht von Titanfolie in der zweiten Hülle wird auf die Außenseite der Wabenschicht aufgebracht (44). Als nächstes wird eine erste äußere Schicht von polymerem Gewebe-Verbund aufgebracht (46), gefolgt von aufeinander folgenden Schichten von Titanfolie (48), polymerem Gewebe-Verbund (50) und einer letzten äußeren Schicht von Titanfolie (52). Auf diese Weise wird der in der Mitte gelegene Wabenkern zwischen der ersten inneren Hülle von Titan/polymerem Gewebe-Verbund und einer zweiten äußeren Hülle von Titan/polymerem Gewebe-Verbund verschachtelt. Sobald der Dorn entfernt worden ist, bildet die Struktur einen festen, steifen Rumpfabschnitt, der ein hohes Festigkeit-zu-Gewicht Verhältnis aufweist und aufgrund der verwendeten Materialien den mit Hochgeschwindigkeits-Überschallflügen verbundenen hohen Temperaturen widerstehen kann. Die gesamte Struktur kann einem nachgelagerten Wärme- und Druckprozess (53) ausgesetzt werden, wie z.B. in einem Autoklav, um eine vollständige Festigung und Bindung der verschiedenartigen Schichten sicherzustellen, entweder bevor oder nachdem Öffnungen in die Struktur geschnitten. werden.
Die hybride Verbundstruktur wird auf einer Form oder einem Auflegdorn 10 gebildet, wie in 3 gezeigt. Vorzugsweise entspricht der Auflegdorn 10 im Wesentlichen in seiner Form der Form der Komponente, die durch die hybride Verbundstruktur gebildet werden soll. In seiner einfachsten Form weist der Auflegdorn 10 eine im Wesentlichen zylindrische Form auf, zur Bildung eines zylindrischen Rumpfabschnittes für die Verwendung in einem Flugzeug, wie z.B. in einem zivilen Überschall-Transportflugzeug. Die verschiedenartigen Schichten der hybriden Verbundstruktur werden um den Auflegdorn 10 herum gebildet, so dass eine hybride Verbundstruktur ausgebildet wird, die eine im Allgemeinen zylindrische Form aufweist. Kompliziertere Formen, z.B. Rumpfabschnitte, die einen variierenden Durchmesser aufweisen, können gemäß der Erfindung ebenfalls ausgebildet werden.
Nach wie vor auf 3 Bezug nehmend, werden die Titanfolienschichten, die zum Aufbau der hybriden Verbundstruktur verwendet werden, aus Bändern von Folie oder Keilstreifen 12 gebildet. Insbesondere werden die einzelnen Keilstreifen 12, wie oben beschrieben, aus Bahnen von Titanlegierungsfolie geschnitten oder gestanzt und vorbehandelt. Die Folienbahnen weisen vorzugsweise eine Dicke von ungefähr 0,13 mm auf.
Jeder Keilstreifen 12 wird mit der Längsachse des Keilstreifens im Wesentlichen parallel zu der Längsachse des Auflegdorns auf dem Auflegdorn 10 positioniert. Die Keilstreifen 12 werden Kante an Kante aufeinander folgend um den Umfang des Auflegdorns 10 herum aufgebracht, so dass eine glatte durchgängige Titanfolienschicht gebildet wird, die den Auflegdorn bedeckt.
Wie oben beschrieben, wird die Titanfolie in Bänder geschnitten oder gestanzt, so dass die Keilstreifen 12 gebildet werden. Vorzugsweise schneidet eine herkömmliche Schneidemaschine die Titanfolie in die Keilstreifen 12. Der Schneidemechanismus in der Maschine kann ein Hochgeschwindigkeits-Abrasiv-Flüssigkeitsstrahl zum Schneiden der Folienbahn in Keilstreifen 12 sein, wie z.B. Wasser und Granatpartikel oder andere Arten von Partikeln in dem Wasser. Alternativ kann die Schneidemaschine motorgetriebene Scheren oder andere Schneideverfahren einsetzen. Jeder der Keilstreifen 12 hat eine im Wesentlichen rechteckige Form zur Verwendung auf dem zylindrischen Auflegdorn 10. Jeder der rechteckförmigen Keilstreifen 12 bedeckt eine ungefähr gleiche Fläche des zylindrischen Auflegdorns 10. Die Kanten von benachbarten Keilstreifen 12 werden derart positioniert, dass eine glatte Schicht von Titanfolie, die den Auflegdorn 10 bedeckt, gebildet wird.
Zur Verwendung mit Auflegdornen, die andere Geometrien aufweisen, haben die Keilstreifen 12 vorzugsweise andere Formen. Zum Beispiel bei einem konisch geformten Auflegdorn würden die Keilstreifen 12 vorzugsweise eine trapezartige Form aufweisen, d.h. ein Ende der Keilstreifen würde breiter sein als das andere Ende. Somit würden, wenn die Keilstreifen Kante an Kante auf einen konischen Auflegdorn gelegt werden, die breiteren Enden nahe der Basis der Konusform liegen. Jeder Keilstreifen würde daher zur Bildung einer glatten Titanfolienschicht eine ungefähr gleiche Fläche des Auflegdorns bedecken. Dementsprechend beinhaltet das Schneiden der Bahn in die Keilstreifen 12 ein Vorausberechnen der Form der Keil streifen, so dass jeder Keilstreifen eine ungefähr gleiche Fläche des Auflegdorns bedeckt. Wenn die Keilstreifen 12 Kante an Kante auf dem Auflegdorn angeordnet werden, bilden die Keilstreifen daher eine glatte Titanfolienschicht.
Der automatische Beschichtungsprozess zum Aufbau einer hybriden Verbundstruktur ist teilweise in der Reihe von perspektivischen Ansichten der 3 bis 7 gezeigt. Der Auflegdorn 10 wird von einem Karussell 54 getragen. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel trägt das Karussell 54 den Auflegdorn 10 mit der Längsachse des Auflegdorns im Wesentlichen vertikal ausgerichtet. Vertikales Ausrichten des Auflegdorns 10 minimiert Verformungen in dem Auflegdorn und/oder in später beschriebener Maschinerie, welche Schichten der hybriden Verbundstruktur auf den Auflegdorn 10 aufbringt.
Das Karussell 54 beinhaltet einen Ständer 56, welcher sich im Wesentlichen vertikal aufwärts, in der Nähe einer Seite des Karussells erstreckt. Ein Finger 58 ragt freitragend aus dem oberen Ende des Ständers 56 heraus und hält drehbar das obere Ende des Auflegdorns 10. Vorzugsweise beinhaltet der Auflegdorn 10 Enden, die zum drehbaren Halten ausgestaltet sind.
Eine Streifen-Legmaschine 62 zum Aufbringen der Keilstreifen 12 auf den Auflegdorn 10 ist vorgesehen. Die Streifen-Legmaschine 62 beinhaltet eine Laufwagen-Baugruppe, die einen im Wesentlichen vertikalen Ständer 66 nahe des Auflegdorns 10 aufweist. Der Ständer 66 trägt ein Paar von in einem Abstand angeordneten, im Wesentlichen parallelen, im Allgemeinen vertikalen Schienen 68, an welchen ein Laufwagen 63 beweglich angebracht ist. In diesem Zusammenhang beinhaltet die Laufwagen-Baugruppe eine innere Antriebsmaschine und zugehörige Maschinerie (nicht gezeigt), welche den Laufwagen 63 vertikal entlang der Schienen 68 bewegt. Die Antriebsmaschine kann z.B. einen Schraubenwindenmechanismus betreiben, der zum Bewegen des Laufwagens entlang der Schienen 68 mit dem Laufwagen 63 verbunden ist.
Eine Spule oder Kassette 67, die einen oder mehrere Keilstreifen 12 trägt, ist austauschbar an dem Laufwagen 63 angebracht. Die Kassette 67 versorgt einen in-situ-Festigungskopf 60, der an dem dem Auflegdorn 10 nächsten Ende des Laufwagens 63 angebracht ist, mit Keilstreifen 12. Während sich der Laufwagen 63 entlang der Schienen 68 bewegt, bringt der insitu-Festigungskopf 60 Keilstreifen 12 auf den Auflegdorn 10 auf. Der in-situ-Festigungskopf 60 ist vorzugsweise ein herkömmlicher Bandlegekopf, der einen in-situ-Festigungsmechanismus aufweist, wobei der Bandlegekopf zum Aufbringen von Keilstreifen 12 anstelle von Band ausgestaltet ist. Herkömmliche in-situ-Festigungsköpfe sind in veröffentlichten Referenzen offenbart, wie z.B. in der Ph.D. Dissertation von Kuo-Shih Liu mit dem Titel „A Mathematical Model for an In-Situ Consolidation of Thermoplastic Composites", von 1995 und verfügbar über Stanford University in Palo Alto, California. Ein technischer Bericht, veröffentlicht durch und verfügbar über die University of Delaware Center for Composite Materials, mit dem Titel „Design and Optimization of a Themoplastic Tow-Placement Process with In-Situ Consolidation" diskutiert ebenfalls herkömmliche Arten von in-situ-Festigungsköpfen.
Beim Aufbringen der Keilstreifen 12 bewegt sich der Laufwagen 63 wiederholt von dem unteren Ende der Schienen 68 zu dem oberen Ende und zurück zu dem unteren. Während sich der Laufwagen 63 bewegt, wird ein Keilstreifen 12 von der Kassette 67 durch den in-situ-Festigungskopf 60 abgespielt und entlang der Länge des Auflegdorns 10 aufgebracht. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel bewegt sich der Laufwagen 63 von dem un teren Ende des Auflegdorns 10 zu dem oberen Ende, um jeden Keilstreifen 12 aufzubringen. Nach dem Aufbringen eines Keilstreifens 12 kehrt der Laufwagen 63 zu dem unteren Ende zurück, bevor er beginnt, einen weiteren Keilstreifen aufzubringen.
Alternativ kann der Laufwagen 63 Keilstreifen 12 aufbringen, während er sich sowohl in der Aufwärts- als auch in der Abwärtsrichtung bewegt. Speziell kann der Laufwagen 63 sich von einem Ende zu dem anderen Ende des Auflegdorns 10 bewegen, um einen Keilstreifen 12 aufzubringen, und sich dann in der umgekehrten Richtung bewegen, um den nächsten Keilstreifen aufzubringen.
Ein herkömmliches Mittel, welches häufig als „Tackifier" bezeichnet wird, klebt vorzugsweise jeden Keilstreifen 12 an den Auflegdorn 10. Der Tackifier kann ein polymeres Harz oder anderes geeignetes Material sein und auf den Auflegdorn 10 gesprüht, gestrichen oder anderweitig aufgebracht werden. Der Tackifier bildet einen Harzfilm auf dem Auflegdorn 10, welcher eine hohe Klebrigkeit bereitstellt und die Qualität des hergestellten Teils nicht nachteilig beeinflusst. Geeignete Klassen von Harz für den Tackifier beinhalten thermoplastische oder wärmehärtende Arten, die typischerweise bei der Herstellung von Verbundteilen verwendet werden. Während die Streifen-Legmaschine 62 jeden Keilstreifen aufbringt, wendet der Festigungskopf 60 Hitze und Druck auf den Keilstreifen an, so dass der Keilstreifen zumindest teilweise an den Harzfilm gebunden ist. Insbesondere verwendet der Festigungskopf 60 ein überhitztes Gas wie z.B. Stickstoff oder ein anderes Verfahren, um jeden Keilstreifen 12 aufzuheizen, während der Streifen abgegeben wird, und einen Pressmechanismus, wie z.B. eine Walze, um Druck auszuüben. Die Hitze und der Druck fes tigen und härten den Harzfilm, der unter dem Keilstreifen 12 liegt, zumindest teilweise, und binden dadurch den Streifen an den Auflegdorn 10.
Ein Vakuumsystem (nicht gezeigt) kann alleine oder in Verbindung mit dem zuvor beschriebenen Tackifier zum Halten der Keilstreifen 12 an dem Auflegdorn 10 verwendet werden. Das Vakuumsystem beinhaltet eine Vielzahl von kleinen Löchern, die über die Oberfläche des Auflegdorns 10 verteilt sind, und eine Luftpumpe. Während die Streifenlegmaschine 62 jeden Keilstreifen 12 auf den Auflegdorn 10 aufbringt, erzeugt die Luftpumpe ein Teilvakuum in dem Inneren des Dorns, so dass der Luftdruck die Keilstreifen gegen die Auflegdornoberfläche presst.
Alternativ können Klammern oder andere Klemmvorrichtungen die Enden jedes Keilstreifens 12 an den Enden des Auflegdorns 10 halten. Zum Beispiel erstreckt sich, bevor die Streifen-Legmaschine 62 einen Keilstreifen 12 aufbringt, ein Ende des Keilstreifens aus der Streifen-Legmaschine 62, welches an das der Streifen-Legmaschine 62 nächste Ende des Auflegdorns 10 geklemmt wird. Danach bewegt sich die Streifen-Legmaschine 62 von diesem Ende des Auflegdorns 10 zu dem anderen Ende, wo das Gegenende des Keilstreifens 12 an den Auflegdorn 10 geklemmt wird. Eine Klemmvorrichtung kann alleine oder in Kombination mit dem zuvor beschriebenen Vakuumsystem und/oder Tackifier verwendet werden.
Nachdem die Streifen-Legmaschine 62 einen Keilstreifen 12 aufgebracht hat, dreht sich das Karussell 54, welches den Auflegdorn 10 trägt, um seine vertikale Achse. Das Karussell 54 dreht sich um einen vorbestimmten Betrag, so dass sich der Umfang des Auflegdorns 10 relativ zu der Streifen-Legmaschine 62 eine Strecke bewegt, die näherungsweise gleich der Breite eines Keilstreifens 12 ist. Danach bringt die Streifen-Legmaschine einen weiteren Keilstreifen 12 benachbart zu dem gerade zuvor aufgebrachten Keilstreifen auf. Diese Schritte werden wiederholt, bis sich Keilstreifen 12 Kante an Kante umlaufend um den Auflegdorn 10 herum erstrecken.
Wie in den 4 und 5 dargestellt, beinhaltet die automatische Beschichtungsmaschine darüber hinaus eine hoch entwickelte Faser-Anordnungsmaschine 70. Die Faser-Anordnungsmaschine 70 bringt polymeren Gewebe-Verbund 71 auf den Auflegdorn 10 in der Form von mit polymerem Harz imprägniertem Spaltband oder Werg auf. In diesem Zusammenhang ist das imprägnierende Harz vorzugsweise einer thermoplastischen oder pseudo-thermoplastischen Art, z.B. PETI-5, was eine Bezeichnung ist, die das NASA Langley Research Center für ein bestimmtes Harz verwendet. PETI-5 ist erhältlich über Cytec Engineered Materials Inc. of Anaheim, California. Im Allgemeinen werden wärmehärtende Polyimidarten von Harz für Teile, die Hochtemperatur-Verwendungsanforderungen haben, wie z.B. in einem Überschallflugzeug, verwendet. Kommerziell verfügbare thermoplastische Harze beinhalten Polyetheretherketon, häufig als „PEEK" bezeichnet und hergestellt durch ICI-Fiberite of Orange, California, oder Polyetherketonketon, häufig genannt „PEKK" und hergestellt durch DuPont, of Wilmington, Delaware. Neue, in der Entwicklung befindliche thermoplastische Harze zum Herstellen hohen Temperaturen unterworfener Teile können auch verwendet werden, sobald diese Harze verfügbar sind. Epoxyharze können verwendet werden bei Anwendungen, die niedrigere Temperaturverwendungs-Anforderungen haben, wie z.B. bei Unterschallflugzeugen.
Die Faser-Anordnungsmaschine 70 beinhaltet eine Laufwagen-Baugruppe, die im Wesentlichen identisch der Laufwagen- Baugruppe für die zuvor beschriebene Streifen-Legmaschine 62 ist. Speziell beinhaltet die Laufwagen-Baugruppe für die Faser-Anordnungsmaschine 70 einen im Allgemeinen vertikalen Ständer 66 in der Nähe des Auflegdorns 10. Der Ständer 66 für die Faser-Anordnungsmaschine 70 trägt ein Paar von in einem Abstand angeordneten, im Wesentlichen parallelen, im Allgemeinen vertikalen Schienen 68. Ein Laufwagen 69 ist beweglich an den Schienen 68 angebracht, so dass der Laufwagen sich entlang der Länge der Schienen bewegen kann.
Ein herkömmlicher hoch entwickelter Faser-Anordnungs-in-situ-Festigungskopf 73 ist an dem Auflegdorn 10 nächsten Ende des Laufwagens 69 angebracht. Geeignete Arten von in-situ-Festigungsköpfen sind in der zuvor genannten Ph.D. Dissertation mit dem Titel „A Mathematical Model for an In-Situ Consolidation of Thermoplastic Composites" und in dem zuvor erwähnten technischen Bericht mit dem Titel „Design and Optimization of a Thermoplastic Tow-Placement Process with In-Situ Consolidation" offenbart.
Der Faser-Anordnungs-in-situ-Festigungskopf 73 bringt polymeren Gewebe-Verbund 71 auf den Auflegdorn 10 auf. Wie zuvor diskutiert, umfasst der polymere Gewebe-Verbund 71 vorzugsweise Spaltband oder Werg, das mit einem polymeren Harz imprägniert ist und auf eine Spule 75 aufgewickelt ist. Zum Abgeben des polymeren Gewebe-Verbunds 71, wie für den in-situ-Festigungskopf 73 erforderlich, ist die Spule 75 an dem Laufwagen 69 angebracht. Der in-situ-Festigungskopf 73 ist an den Schienen 68 angebracht, so dass der polymere Gewebe-Verbund 71 in der Form von Spaltband oder Werg im Allgemeinen horizontal abgegeben wird.
Insbesondere bewegt sich, nachdem eine Schicht von Keilstreifen 12 auf den Auflegdorn 10 aufgebracht worden ist, der Laufwagen 69, der den Festigungskopf 73 trägt, von einem Ende der Schienen 68 zu dem entgegengesetzten Ende. Während sich der Laufwagen 69 bewegt, dreht sich das Karussell 54, welches den Auflegdorn 10 trägt, und der Festigungskopf 73 bringt den polymeren Gewebe-Verbund 71 über die Keilstreifen 12 auf. Dies bewirkt dass der polymere Gewebe-Verbund 71 in der Form von Spaltband oder Werg in einem spiralförmigen Muster, das den Auflegdorn umlaufend umgibt, auf die Keilstreifen 12 aufgebracht wird. Der Festigungskopf 73 appliziert Hitze und Druck auf den polymeren Gewebe-Verbund 71, während der Verbund abgegeben wird. Die Hitze und der Druck dienen dazu, zumindest teilweise den polymeren Gewebe-Verbund 71 zu festigen, auszuheilen und mit den darunter liegenden Keilstreifen 12 zu verbinden, wobei die Notwendigkeit von Klammern, Klemmen, Harzfilmen, Vakuumsystemen, oder anderen Verfahren, um den Verbund an den Keilstreifen 12 zu halten, vermieden wird.
Herkömmliches polymeres harzimprägniertes Band kann in der Ebene des Bandes schwer zu lenken sein. Das bedeutet, dass herkömmliches Band Schwierigkeiten verursacht, wenn versucht wird, eine gleichmäßige Kurve in der Ebene des Bandes zu erzeugen, ausgenommen bei großen Krümmungsradien. Daher beruht ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung auf polymerem Gewebe-Verbund 71 in Form von Spaltband oder Werg, um eine gleichmäßige Kurve über den Keilstreifen 12 in einem spiralförmigen Umfangsmuster um den Auflegdorn 10 zu bilden. Im Speziellen weist das Spaltband oder Werg eine schmale Breite auf (typischerweise 0,3 bis 0,6 cm) und kann leicht in der Ebene des Materials gelenkt werden, um eine gleichmäßige Kurve über die Keilstreifen 12 in einem umlaufenden Muster um den Auflegdorn 10 zu bilden.
Nachdem eine Schicht von Keilstreifen 12 auf den Auflegdorn 10 aufgebracht worden ist und eine Schicht von polymerem Gewebe–Verbund 71 über die Keilstreifen aufgebracht worden ist, wird eine zweite Schicht von Keilstreifen über die polymere Gewebe-Verbundschicht aufgebracht, wie in 5 gezeigt. Im Speziellen wird der Kopf 60 der Streifen-Legmaschine 62 entlang der Länge des Auflegdorns 10 bewegt, um wie zuvor beschrieben nacheinander jeden Keilstreifen 12 aufzubringen. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Kanten der Keilstreifen 12, welche die polymere Gewebe-Verbundschicht bedecken, nicht in radialer Richtung mit den Kanten der Keilstreifen unterhalb der polymeren Gewebe-Verbundschicht ausgerichtet. Insbesondere besteht ein Versatz, welcher dazu dient, die Stärke der resultierenden hybriden Verbundstruktur zu erhöhen.
Als nächstes wird eine zweite Schicht von polymerem Gewebe-Verbund 71 in der gleichen Weise aufgebracht, wie die erste Schicht von polymerem Gewebe-Verbund aufgebracht wird (siehe 4). Vorzugsweise sind die Kanten des Spaltbandes oder Wergs in dem polymeren Gewebe-Verbund 71 von einer Schicht zu der anderen axial versetzt, um die Stärke der Struktur zu erhöhen.
Die zweite Schicht von polymerem Gewebe-Verbund 71 wird wiederum in der gleichen Weise, wie die zweite Schicht von Keilstreifen aufgebracht wird (siehe 5), von einer dritten Schicht von Keilstreifen 12 bedeckt. Vorzugsweise sind die Kanten der Keilstreifen 12 in den zweiten und dritten Schichten der Keilstreifen nicht radial aneinander ausgerichtet, d.h. es besteht ein Versatz, um die Stärke der hybriden Verbundstruktur zu maximieren.
Als nächstes beinhaltet das automatische Beschichtungsverfahren ein Aufbringen von Klebstoff auf die zuletzt aufgebrachte Schicht von Keilstreifen 12. Der Klebstoff umfasst vorzugsweise ein polymeres Harz von thermoplastischer oder pseudothermoplastischer Art, wie z.B. das zuvor genannte PETI-5. Das bevorzugte Verfahren zum Aufbringen des Klebstoffes beinhaltet ein Anordnen des Klebstoffes auf einem Streifen von entfernbarem Trägerpapier oder Trägerkunststofffolie, um einen Klebstreifen zu bilden (nicht gezeigt). Der Klebstreifen wird dann für eine geeignete Abgabe auf eine Spule gewickelt. Danach wird der Klebstreifen von der Spule auf eine Keilstreifenschicht abgegeben, ähnlich dem Aufbringprozess für den polymeren Gewebe-Verbund 71. Im Speziellen bringt ein Klebstreifen-Legkopf (nicht gezeigt) den Klebstreifen auf die zuletzt aufgebrachte Keilstreifenschicht auf. Die Köpfe 60 oder 73 von entweder den Streifen-Leg- oder Faser-Anordnungsmaschinen 62 oder 70 können vorzugsweise leicht entfernt werden und mit einem Klebstreifen-Legkopf ersetzt werden. Alternativ kann eine separate Maschine bereitgestellt werden, welche dazu gedacht ist, den Klebstoff aufzubringen.
Das Klebstoff-Aufbringverfahren beinhaltet ein Drehen des Karussells 54, während der Streifen-Legkopf den Klebstreifen aufbringt, um ein erstes umlaufendes, im Allgemeinen horizontales Klebstoffband um die zuletzt aufgebrachte Keilstreifenschicht zu bilden. Der Streifen-Legkopf kann den Klebstreifen auf die erforderliche Länge zuschneiden, um das Band zu bilden, oder der Klebstreifen kann in eine Vielzahl von kürzeren Abschnitten von geeigneter Länge vorgeschnitten werden. Der Klebstreifen-Legkopf entfernt vorzugsweise das Trägerpapier oder die Trägerkunststofffolie, während der Kopf den Klebstreifen aufbringt. Alternativ kann das Trägerpapier oder die Trägerkunststofffolie in einem separaten manuellen Schritt oder anderem Verfahren entfernt werden. Das Entfernen des Trägerpapiers oder der Trägerkunststofffolie hinterlässt einen Harzfilm auf der Keilstreifenschicht.
Danach rückt der Wagen, welcher den Streifen-Legkopf trägt, einen vertikalen Schritt, welcher ungefähr gleich der Breite des gerade aufgebrachten Klebstoffbandes ist, voran. Das Karussell 54 dreht sich dann wiederum, während der Kopf Klebstoff aufbringt, um ein zweites umlaufendes Klebstoffband benachbart zu dem zuerst aufgebrachten Klebstoffband zu bilden. Dieses Verfahren wiederholt sich, bis die Keilstreifenschicht im Wesentlichen mit Klebstoff bedeckt worden ist. Andere Verfahren können verwendet werden, wie z.B. die Streifen von Klebstoff längs aufzubringen, ähnlich der Weise wie die Keilstreifen 12 aufgebracht werden.
Danach wird eine Schicht von Wabenmaterial über den Harzfilm in einer Vielzahl von rechteckförmigen Platten oder Abschnitten 72 aufgebracht, wie in 6 gezeigt. Die rechteckförmigen Abschnitte 72 können manuell auf die Schicht von Keilstreifen 12 aufgebracht werden. Alternativ können automatische Anordnungsanlagen, welche einer Person mit gewöhnlichen Fachkenntnissen bezüglich automatischer Anordnungstechnik bekannt sind, verwendet werden.
Das Wabenmaterial beinhaltet vorzugsweise einen Titanlegierungsmetallkern, welcher im Allgemeinen in sechseckförmigen Zellen, die sich quer zu den Oberflächen des Blechs erstrecken, gebildet ist. Das Blech kann eine Dicke von ungefähr 1,3 cm oder eine andere geeignete Dicke aufweisen. Jede Zelle in dem Blech hat eine Länge von ungefähr 4,8 mm zwischen gegenüberliegenden Wänden der Zelle, und jede Wand hat eine Dicke von ungefähr 78 μm. Die Bleche sind vorgeformt in eine Vielzahl von rechteckförmigen Abschnitten 72, welche so ge formt sind, dass sie sich an eine bestimmte Oberfläche anpassen. Daher können sie flach sein, eine einzelne Krümmung aufweisen oder eine zusammengesetzte Krümmung aufweisen, wie von einer bestimmten Dornform vorgegeben. Die rechteckigen Abschnitte 72 werden auf die Schicht von Keilstreifen 12 Kante an Kante aufgebracht, so dass sie die Schicht von Keilstreifen 12 bedecken.
Jeder rechteckige Abschnitt 72 wird gegen die Keilstreifenschicht gepresst, während Hitze auf die Harzschichtgrenzfläche zwischen einem rechteckigen Abschnitt 72 und der Keilstreifenschicht appliziert wird. Das Erhitzungsverfahren kann Strahlung, Induktion oder eine andere Art von Erhitzungsverfahren sein, welches keine signifikante Hitze auf Schichten der Struktur unterhalb der Harzfilm/Keilstreifen/rechteckiger Abschnitt-Grenzfläche appliziert. Das Erhitzen härtet und heilt den Harzfilm zumindest teilweise aus, um jeden rechteckigen Abschnitt 72 an die darunter liegende Keilstreifenschicht zu binden. Zusätzlich, während jeder rechteckige Abschnitt 72 aufgebracht wird, wird Klebstoff auf die Kanten des Abschnitts aufgebracht. Der Klebstoff ist vorzugsweise von derselben Art wie derjenige, welcher zur Bildung des Harzfilmes auf der darunter liegenden Keilstreifenschicht verwendet wird, und wird erhitzt, um benachbarte rechteckige Abschnitte 72 Kante an Kante aneinander zu binden. Dies bildet eine durchgehend verbundene Wabenschicht, welche sowohl an als auch um die darunter liegende Schicht von Keilstreifen herum gebunden ist.
Vorzugsweise werden die rechteckigen Abschnitte 72 auf die Keilstreifen 12 in im Wesentlichen horizontalen Reihen aufgebracht, welche sich umlaufend um den Auflegdorn 10 herum erstrecken. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Anfangspositionen von benachbarten Reihen gegeneinander versetzt. Daher sind die vertikalen Kanten der rechteckigen Abschnitte 72 in benachbarten Reihen nicht aneinander ausgerichtet, wodurch die Stärke der hybriden Verbundstruktur maximiert wird.
Als nächstes wird ein Klebstoff über die rechteckigen Wabenabschnitte 72 aufgebracht. Der Klebstoff ist vorzugsweise im Wesentlichen von derselben Art und im Wesentlichen in derselben Weise aufgebracht wie der Klebstoff, welcher auf die unter der Wabenschicht liegende Keilstreifenschicht aufgebracht worden ist. Dann wird eine weitere Schicht von Keilstreifen 12 über den Klebstoff und die Schicht von rechteckigen Wabenabschnitten 72 aufgebracht, wie in 7 gezeigt. Diese Streifen 12 werden in einer Weise ähnlich zu den ursprünglichen Keilstreifen der inneren Schichtstruktur aufgebracht, wie im Zusammenhang mit 3 und 5 beschrieben. Der Klebstoff erzeugt einen Harzfilm auf den rechteckigen Wabenabschnitten 72. Wie zuvor beschrieben, heizt der in-situ-Festigungskopf 60 der Streifen-Legmaschine 62 jeden Keilstreifen 12, während er aufgebracht wird. Das Erhitzen festigt und heilt den Harzfilm zumindest teilweise aus, und bindet dadurch jeden Keilstreifen 12 an die darunter liegende Schicht von rechteckigen Wabenabschnitten 72.
Danach wird eine Schicht von polymerem Gewebe-Verbund 71 über die letzte Schicht von Keilstreifen aufgebracht, wie in Verbindung mit 4 beschrieben. Eine weitere Schicht von Keilstreifen 12 wird auf diese Schicht von polymerem Gewebe-Verbund 71 aufgebracht, wie in Verbindung mit 5 beschrieben. Die Schicht von Keilstreifen 12 wird von einer letzten Schicht von polymerem Gewebe-Verbund 71 und einer letzten Schicht von Keilstreifen 12 gefolgt, welche das auto matische Beschichtungsverfahren vervollständigt. Nachfolgend dem automatischen Beschichtungsverfahren werden die Enden der Keilstreifen 12 aus der Klemmung oder Klammerung gelöst, falls erforderlich, und gekürzt, so dass sie im Wesentlichen gleich mit den Enden des Auflegdorns 10 abschließen.
Es kann Anwendungen für eine hybride Verbundstruktur geben, welche bestimmte Gebiete der Struktur wesentlich größeren Kräften aussetzen. Für diese Anwendungen beinhaltet das automatische Beschichtungsverfahren ein Verstärken dieser Gebiete der Struktur. Die verstärkten Gebiete beinhalten zusätzliche abwechselnde Schichten von polymerem Gewebe-Verbund 71 und Keilstreifen 12. In den verstärkten Gebieten bilden die Keilstreifen 12 jedoch vorzugsweise umlaufende Bänder.
Im Speziellen, um die verstärkten Gebiete zu bilden, wird der Kopf 60 der Streifen-Legmaschine 62 um ungefähr 90° gedreht (nicht gezeigt). Das Karussell 54 dreht sich dann, während jeder Keilstreifen 12 aufgebracht wird, so dass jeder Keilstreifen den Auflegdorn 10 umlaufend umgibt. Vorzugsweise wird jede Verstärkungsschicht von Keilstreifen 12 mit einer verstärkenden Schicht von polymerem Gewebe-Verbund 71 ineinander verschachtelt, so dass immer eine Schicht von polymerem Gewebe-Verbund zwischen jeder Keilstreifenschicht vorhanden ist. Nachdem jeder Keilstreifen aufgebracht worden ist, bewegt sich der Wagen 63, welcher den Kopf 60 trägt, um einen vertikalen Schritt, der ungefähr gleich der Breite eines Keilstreifens ist. Dann bringt der Kopf 60 einen weiteren Keilstreifen 12 benachbart zu dem zuletzt aufgebrachten Keilstreifen auf, während das Karussell 54 sich dreht. Dieses Verfahren setzt sich fort, bis das zu verstärkende Gebiet mit Keilstreifen 12 bedeckt ist.
Wie in den 3 bis 7 angedeutet, können das Karussell 54 und die Wagen-Baugruppen 63 und 70 mit einem Bedienfeld 74 verbunden sein. Das Bedienfeld 74 stellt einen zentralen Ort zur Kontrolle des oben beschriebenen Verfahrens durch Personal 76 bereit, was zu weiterer Arbeitsersparnis führt. Das Bedienfeld kann leicht von einer Person mit gewöhnlichen Fachkenntnissen bezüglich Maschinensteuerungen mit dem Karussell, der Platten- und der Band-Legmaschine verbunden werden.
Nachdem die Verbundstruktur gebildet ist, wird der Auflegdorn 10 von dem Karussell 54 entfernt und die hybride Verbundstruktur wird von dem Auflegdorn 10 entfernt. Danach können zur Verwendung bei der Ausbildung eines Flugzeuges oder anderen Produkts Öffnungen, wie z.B. Fenster, Türen, Zugangsklappen, und ähnliches, in die Struktur geschnitten werden. Das automatische Beschichtungsverfahren kann mit ausreichender auf die Materialien applizierter Hitze und ausreichendem auf die Materialien ausgeübten Druck, während jede Schicht gebildet wird, durchgeführt werden, so dass die verschiedenen Schichten vollständig ausgehärtet und/oder aneinander gebunden sind. Alternativ kann die gesamte Struktur einem abschließenden Hitze- und Druckprozess ausgesetzt werden, wie z.B. in einem Autoklav, entweder bevor oder nachdem Öffnungen in die Struktur geschnitten werden, um eine vollständige Aushärtung und Bindung sicherzustellen.
Während das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung illustriert und beschrieben worden ist, versteht es sich, dass verschiedene Änderungen darin durchgeführt werden können. Zum Beispiel könnte der Auflegdorn 10 in einer im Wesentlichen horizontalen oder nicht vertikalen Ausrichtung um seine longitudinale Achse drehbar gelagert sein; die Streifen-Leg- und Faser-Anordnungsmaschinen 62 und 70 könnten derart kon struiert sein, dass sie sich entlang eines stationären (nicht rotierenden) Auflegdorns bewegen, wie z.B. für eine Flügelplatte; Keilstreifen 12 könnten als durchgängige Bänder ausgebildet sein, welche auf eine Kassette aufgewickelt sind und in der Länge zugeschnitten werden, während die Streifen-Legmaschine 62 die Keilstreifen abgibt; ausreichend Hitze und Druck könnten auf die verschiedenen Schichten appliziert werden, während sie gebildet werden, um die Notwendigkeit für einen abschließenden Festigungs- und Bindungsprozess in einem Autoklav zu eliminieren; und Klebstoff könnte manuell auf die Wabenschicht und/oder auf die unter der Wabenschicht liegende Keilstreifenschicht aufgebracht werden, anstelle Maschinen zu verwenden. Angesichts dieser und anderer Abänderungen, Ersetzungen und Modifikationen, die von einer Person mit gewöhnlichen Fachkenntnissen durchgeführt werden könnten, ist es beabsichtigt, dass der Umfang des hierauf erteilten Patentes nur durch die Definitionen der beigefügten Ansprüche begrenzt ist.

Claims

Verfahren zur Ausbildung einer hybriden Verbundstruktur auf einem Auflegdorn (10), umfassend die Schritte: (a) Ausbilden einer Vielzahl von metallischen Keilstreifen (12); (b) Aufbringen einer ersten Vielzahl der metallischen Keilstreifen in einer ersten Richtung auf den Auflegdorn (10), so dass eine gerasterte Schicht von Keilstreifen mit Fugen dazwischen gebildet wird; (c) Aufbringen von Streifen eines polymeren Gewebe-Verbundmaterials (71) über die erste Schicht metallischer Keilstreifen, so dass eine erste Schicht Verbundmaterial auf dem Dorn ausgebildet wird, und Aufbringen einer zweiten Menge der metallischen Keilstreifen (12) in der ersten Richtung über die erste Schicht Verbundmaterial, gegenüber der ersten Schicht metallischer Keilstreifen, so dass mindestens eine zweite Schicht metallischer Keilstreifen ausgebildet wird, um eine Hüllenstruktur zu bilden, die metallische Keilstreifen als die erste und die letzte Schicht aufweist, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt eines Aufbringens einer Schicht von Wabenmaterial (72) über die letzte Schicht der ersten Hüllenstruktur.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Streifen von polymerem Gewebe-Verbundmaterial (71) in der Richtung quer zu der ersten Richtung aufgebracht werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Schritt des Aufbringens einer ersten Menge der metallischen Keilstreifen die Unterschritte umfasst: (a) nach Ausbildung der metallischen Keilstreifen Aufwickeln jedes der metallischen Keilstreifen auf eine Spule (67); und (b) Abwickeln jedes metallischen Keilstreifens (12) von der Spule, während er auf den Auflegdorn aufgebracht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei der Dorn (10) röhrenförmig ist und die erste Richtung im Allgemeinen parallel zu der Längsachse des röhrenförmigen Dorns ist, wobei das Verfahren die Unterschritte umfasst: (a) Bewegen der Spule (67) entlang des Auflegdorns in der ersten Richtung während des Abwickelns eines metallischer Keilstreifens (12) von der Spule, um jeden metallischen Keilstreifen auf den Dorn aufzubringen; (b) schrittweise Drehen des Auflegdorns um einen vorbestimmten Winkel um seine Längsachse herum, nachdem jeder metallische Keilstreifen aufgebracht ist; und (c) Wiederholen der Schritte des Bewegens der Spule entlang des Dorns, um aufeinander folgende metallische Keilstreifen aufzubringen, und des Drehens des Dorns, nachdem jeder metallische Keilstreifen aufgebracht ist, bis alle der ersten Menge von metallischen Keilstreifen aufgebracht sind.
Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei die Längsachse des Auflegdorns im Wesentlichen vertikal gerichtet ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Schritt des Aufbringens von Streifen eines Verbundmaterials die Unterschritte umfasst: (a) Bereitstellen der Streifen in Form von Werg in einem Faser-Anordnungsmechanismus; (b) Positionieren des Faser-Anordnungsmechanismus benachbart zu dem Auflegdorn; (c) Drehen des Auflegdorns; (d) Aufbringen des Wergs auf die erste Schicht metallischer Keilstreifen in einer Umfangsrichtung, während die Spindel gedreht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei die Längsachse des Auflegdorns im Wesentlichen vertikal gerichtet ist, wobei das Verfahren den weiteren Schritt einer Bewegung des Faser-Anordnungsmechanismus längs entlang des Dorns, während der Dorn gedreht und das Werg abgelegt wird, umfasst, so dass das Werg in einem spiralförmigen Muster über die metallischen Keilstreifen gelegt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 7, umfassend ein Wiederholen der Schritte von Anspruch 1, so dass metallische Keilstreifen und Verbundmaterial über das Wabenmaterial aufgebracht werden, so dass die Wabenschicht zwischen Hüllenstrukturen angeordnet ist.
Verfahren gemäß Anspruch 8, umfassend den Schritt eines Aufbringens von einem Haftfilm (41) zwischen dem Wabenmaterial und den metallischen Keilstreifen der Hüllenstrukturen.
Verfahren gemäß Anspruch 8 oder 9, darüber hinaus umfassend den Schritt einer Anwendung von Hitze und Druck auf das Verbundmaterial, während das Material aufgebracht wird, um das Verbundmaterial vollständig zu festigen.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend den weiteren Schritt eines Aufbringens einer oder mehrerer weiterer Schichten von metallischen Keilstreifen und einer oder mehrerer weiterer Schichten von polymerem Gewebe-Verbundmaterial nacheinander, um die Hüllenstruktur auszubilden, wobei die ersten und letzten Schichten der Hüllenstruktur Schichten von metallischen Keilstreifen sind.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die metallischen Keilstreifen Titan umfassen.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Auflegdorn eine Oberfläche bildet, die geeignet ist, eine Platte zur Verwendung in einer Flugzeug-Flügelkonstruktion auszubilden.