利用流体密度和压力生产复合材料部件的制作方法

专利名称：利用流体密度和压力生产复合材料部件的制作方法
利用流体密度和压力生产复合材料部件本发明涉及生产由纤维增强复合材料制成的复合材料部件，具 体涉及利用流体密度和压力以及优选流体温度生产复合材料部件。 将就本发明在船体生产中的应用来说明本发明。但是，应当理解本 发明不限于这种用途并且还期望其它用途。现在，因为纤维增强复合材料的相对强度和轻重量，因此通常 使用纤维增强复合材料生产大型船体。建造船体的常用方法包括喷 涂叠层和手工叠层法。喷涂叠层法使用由短增强纤维和催化树脂组 成的涂覆至模表面的喷射剂。在手工叠层法中，将机织、针织、缝 合或粘合织物形式的纤维铺设在模表面，然后利用手工操作的辊和 刷使树脂渗透进入纤维叠层中。在这两种方法中，使树脂在标准大 气压条件下固化。由于在上述两种方法中树脂暴露于大气中，因此从树脂中散发 出显著量的挥发物，特别是苯乙烯气体，并且空气中的挥发物浓度 可高到足以危害健康的水平。由于政府卫生当局立法控制这种排放 物，因此造船厂需要转而采用使这种排放物最小化的其它方法。这类方法中的一种称为真空袋法，其中离型膜、透气膜和最后 的真空袋膜位于利用上述手工叠层法涂覆的复合材料叠层的上方。 然后沿真空袋膜边缘将其密封，并利用真空泵将膜下的空气抽空。 这种真空袋法有助于更好地加固复合材料叠层，并确保更好地浸润 纤维以及有助于减少固化期间散发的挥发物的量。在这种真空袋法的进一步发展中，将真空袋膜铺设在干的复合 材料叠层上，然后利用浸渍法将催化树脂引入叠层，同时通过真空 泵将真空袋膜下的空气抽空。可将针织非结构织物或树脂配给管铺 设复合材料叠层上方，以帮助树脂在真空袋表面下方分布穿过叠层。这种方法例如记载于美国专利4,902,215和5,052,906中。虽然这些基于真空袋的方法确实有助于减少空气中的挥发性排 放物，但它们是耗费时间的方法，因为涂覆膜时必须非常小心并且 确保没有空气渗漏穿过真空袋膜。如果没有足够小心以确保没有空气渗漏和如果树脂混合不当的话，则这可能导致树脂浸渍不完全， 导致叠层区域未被树脂浸润。所得到的干区域将导致船体不可用。 此外，因为该方法中所用的真空袋膜以及离型和透气膜通常只能使 用一次，然后必须除掉，因此成本会很高。任何其它树脂配给部件 如树脂配给管线也将必须丟弃。尽管如此，所有上述方法仅适合于船体的一次性或小批量生产， 而不适合这种船体的大规模生产。另一种复合材料生产方法是树脂传递模塑法(RTM)，其尤其用于生产用于航空和汽车工业的高精 度复合材料部件。该生产方法需要使用整体阴阳模具，阴阳模具合 模时形成模腔。将增强纤维和其它材料小心地铺设在模腔内，然后 在高压下将树脂注入该腔内。在生产船体时，关于RTM的使用存在许多问题。a) 制造具有高尺寸公差的昂贵的配对阴阳模具是必要的。b) 催化树脂固化期间的放热反应导致复合材料叠层内大幅升 温。当使用这种配对模具时可能难以控制这种升温。c) 在RTM中，通常的做法是使用具有中央发泡芯材的纤维增 强层压预制坯来促进树脂浸渍其中。如果没有将增强层压体正确地 铺在模腔内，则它们可能起到阻挡和妨碍树脂流过腔的作用，产生 树脂浸润不足或没有浸润的区域。因此，必须小心正确地铺设增强 纤维，这导致长的生产时间。d) 在船壳固化后，必须将竖直配件如舱壁(hullhead)和腹板 (web)增强物固定到船壳上。与延长总生产时间一样，由于沿船壳和艙壁之间连接线的材料性质不连续，因此船体和舱壁之间的连 接区域将内在地形成船体内的薄弱区域。在美国专利5,971,742中，描述了一种用支撑提供模表面的半刚 性玻璃纤维膜的刚性外壳代替每个整体模具的设备。外壳和膜共同 限定充填有不可压缩的导热流体的流体室。温度控制线圏延伸到每 个流体室内以控制室内流体的温度。虽然这种布置有助于减轻第一 个问题，但是固化树脂产生的高温仍然需要在每个生产程序后为生 产设备提供冷却期。此外，使用具有最小挠度的半刚性模壁仍将使 纤维预制体可能陷入相对的模壁之间的点上，这产生树脂不能流过的点接触。仍然存在与试图形成整体式竖直配件相关的实际问题， 其难点在于将树脂转移到纤维预制体的竖直部分中。本说明书中对文献、系统、法则或知识的任何讨论被包括以解 释本发明的内容。这不应被视为承认任何所述材料形成本文中权利 要求的优先权日期或之前的任何国家内的现有技术基础或相关领 域的一般常识的一部分。因此，本发明的一个目的是提供一种复合材料部件的生产方法，其避免包括上述RTM生产方法在内的现有技术生产方法中的至少 一个缺点。据此，根据本发明的一个方面，提供一种利用具有相对刚性的 模部和可弹性变形的模部的模组件来生产复合材料部件的方法，该 方法包括将刚性模部和可弹性变形模部合模，在所述模部之间限定的模 腔内布置纤维增强材料；至少对所述可弹性变形模部施加由流体的密度和/或压力引起 的流体压力；以及将树脂供应至模腔内以由此浸润位于其间的增强材料。相对刚性的模部可以是具有阴模型腔的阴模部。可弹性变形的 模部可以是阳模面。但是期望相对刚性的模部而不是可弹性变形的 模部可以是阴模部。可弹性变形的模部可以容易地顺应可利用纤维增强材料板的重 叠层提供的纤维增强材料的厚度变化。这避免了与RTM相关的夹 紧区的问题，在RTM中，当配对模合起时，纤维增强材料在特定 区域中的过大厚度可能导致阻碍树脂流入这些区域内。相对刚性的模部可以是具有阴模型腔的阴模部，而可弹性变形 的模部可以是具有阳模面的阳模部；该方法包括将纤维增强材料铺设在阴模型腔内；使阳模部和阴模部合模，使纤维增强材料位于所述阴模型腔和阳模面限定的模腔内，其中阳模部具有提供阳模面的外表面和用于 容纳流体的内体积；用流体充填至少阳模部的内体积，从而通过流体对阳模部的内 表面施加流体柱压力，使得阳模面一般顺应位于模腔内的增强材料；以及通过树脂供应装置将树脂供应至模腔内，以由此浸润位于其中 的增强材料。文中所用的术语"纤维增强材料"是指由预切断纤维材料形成 的干增强纤维束和这种材料的编织层，或加入泡沫或其它芯材和未用树脂预浸渍的增强纤维织物的层压体。内体积中的流体对阳模部内体积的内表面施加流体柱压力。由 于阳模部是由可弹性变形的材料形成的，因此施加到阳模部的流体 柱压力用于使阳模面顺应并变形至铺设在下阴模型腔上的纤维增 强材料的形状。而且，由流体施加的流体柱压力与由供应到模腔中 的树脂施加的流体柱压力相互作用。特别地，流体柱压力将自然地 与模腔内树脂的柱压力达成平衡，从而平衡所施加的压力。这具有 保证树脂均匀分布在模腔内并完全浸润纤维增强材料的效果。用于充填内体积的流体的流体密度值可以选择为接近供应到模 腔的树脂的流体密度值。由于嚢内的流体和吸入模腔内的树脂之间 的"平衡密度"效应，这允许将树脂分布在阴模型腔和阳模面之间。 平衡密度的原理记载在本申请人的国际专利申请No. PCT/AU02/00078中，该专利的详细内容通过引用并入本文。当可 弹性变形的模两侧的流体压力达到平衡时出现这种平衡密度效应， 使得即使在模腔倾斜一定角度的情况下也可以将树脂分布均匀。注意到树脂通常具有比水高的密度，其常可用于充填内体积。 但是，可以通过预热水以由此加热并降低树脂密度来调节树脂和水 的密度。此外，可为此预热树脂。还可以在内体积中使用密度高于 水的流体。或者，可以使用诸如乙二醇的高热容流体。确保在阳模 部的对侧上存在平衡压力的另一选择方案是增加阳模部上方的流 体高度，由此增加阳才莫部内表面上方的流体柱压力。由于阳模部由可弹性变形的材料制成并且优选具有某些点增 强，因此阳模面将由于流体和树脂之间的相互作用而变形，由此促 进树脂进入复合材料以及帮助树脂穿过叠层分布到角落和其它"困难"区域中。利用用于阳模面的可弹性变形的材料以及平衡密度和 /或压力加真空还允许制造更复杂的结构。这包括生产具有舱壁和纵梁(stringer)以及与船壳整体成型的其它腹板的船壳(hull shell )。 而且，因为树脂的分布不受常规RTM法中流道的精密公差的限制， 因此铺设增强纤维材料需要的精度较低。虽然由于流体和树脂压力的相互作用使得树脂可以完全分布， 但是可以通过在模腔内施加真空来促进树脂浸渍到复合材料内。为 此，根据本发明的方法还可包括在对模腔施加真空的同时将树脂供 应至模腔内。真空会有助于除去复合材料内捕获的空气以及有助于 将树脂抽吸到模腔内，由此利用树脂浸润复合材料。流体和树脂的压力可以单独变化或以预定关系相互变化。例如， 初始的树脂压力可以较高以使模腔充填相对大体积的树脂。可以通 过可弹性变形的模部离开纤维复合材料的向外移动来容纳该树脂 体积。然后，当可弹性变形的模部被压回贴住复合纤维材料时，可 以增加流体压力以分布和挤出过量树脂。这可以导致更迅速地浸润 纤维增强材料。还期望树脂压力和/或流体压力可以形成脉冲，以利 于树脂的分布。在高粘度树脂的情况下，可以加热模组件和模腔。这有利于纤 维增强材料的浸润，因为加热该树脂有助于降低其粘度同时使树脂 分布穿过模腔。该方法还可以包括在模组件的两侧上施加平衡流体压力。这样 做的一个优点在于其在整个所生产的复合材料部件上产生更均匀 的压力，在整个成品部件上产生更均匀的材料特性。以下将对允许 施加这种平衡压力的生产系统进行说明。根据本发明的另一方面，提供一种用于生产复合材料部件的生 产系统，该系统包括模组件，该模组件包括相对刚性的模部、可弹 性变形的模部、用于对所述可弹性变形的模部施加由于流体的密度 和/或压力引起的流体压力的流体压力装置、和用于在合模时在将树 脂供应到在模部之间限定的模腔中的树脂供应装置。相对刚性的模部可由具有阴模型腔的阴模部或具有阳模面的阳 模部提供。可弹性变形的模部可相应地由所述阳模部或所述阴模部提供。树脂供应装置可由与模腔流体连通的至少 一个树脂供应管线提 供。树脂供应管线可与阳模面或阴模型腔中的开口连通或可进入在 阴阳模部的外周之间提供的开口 。当使用真空抽空模腔内的空气时，至少一个真空管线还可与模 腔流体连通。为此，可以在阴阳模部之间提供密封装置，用于给模 腔提供至少基本气密的密封。真空管线可与阳模面或阴模型腔中的 开口连通或可进入在阴阳模部的外周之间提供的开口 。阳模部可至少基本由橡胶或其它类似弹性且可变形的材料制 成。优选地，阳模部可由完全固化时容易与复合材料部件分离的材 料制成或作为选择可以具有完全固化时容易与复合材料部件分离 的阳模面的表面。这排除了对在模腔内提供任何离型膜、流动薄膜、 通气孔等的需要。纤维复合材料附近的阳模面的表面可具有一 系列沿其表面延伸 的通道。优选这些通道可以以网孔图案延伸穿过阳模面的整个表 面。这些通道提供树脂和空气可从中穿过的路径以利于抽空空气和 使树脂分布到纤维复合材料中。阳模面可具有足够的变形能力，使 得在对阳模面的相对侧施加足够高的流体压力时通道将变平。这有 利于将树脂驱入纤维复合材料中。根据本发明的另一实施方案，提供一种用于生产复合材料部件的生产系统，该系统包括 模组件，包括具有阴模型腔的相对刚性的阴模部；包围阴模型腔外周的外周部、包括在其内可供应树脂的环室的 环部、用于给环室供应树脂的树脂供应装置；由可弹性变形的材料制成的阳模部，阳模部具有外阳模面和用 于容纳流体的内体积；当阴阳模部合拢时在阴模型腔和阳模面之间限定的模腔；和用于在模腔内产生真空的真空供应装置。环室可由包围并支承阳模部的外周相对刚性的法兰盘限定，法兰盘与包围阴模型腔的外周部接合。在法兰盘和环部之间可以提供 例如弹性密封肋的密封装置，以为环室提供至少基本气密的密封。环室内的树脂池用于两个目的。首先，它提供用于浸润模腔内 增强材料的树脂源。它还在模腔周围提供确保可对模腔施加真空的 液体密封。增强材料的至少一个外周部可延伸进入环室区域中，并可用作 管芯以允许通过毛细作用使树脂渗透到其余增强材料中。一系列树脂供应管线可在沿环室分布的点处将树脂供应到环 室。或者，单个树脂供应管线可与环室平行延伸，该供应管线具有 沿其隔开的 一 系列排放管，树脂可从这些管中排放到环室内。真空供应装置可包括真空泵和至少一个真空管线。第一真空管 线可与^^莫腔连通。第一真空管线可连接至在阳模部内提供的开口， 由此对模腔施加真空。优选第二真空管线设置为与环室连通，由此 对环室施加真空。阀门可以控制由第一和第二真空管线施加的真 空。在阀门的第一位置中，可由两个真空管线施加真空，使得环室 内累积的树脂两端几乎没有压差。这限制将树脂从环室中转移到模 腔中。在第二位置中，堵塞/封闭第一真空管线以中止环室内的真空， 然后打开接通大气，使得只由第二真空管线施加真空。这导致约束 在环室中的树脂两端的压差突然增加，由此迫使树脂"波，，穿过进 入模腔内。然后，当几乎从环室内排空树脂时，通过重新打开第一 真空管线以再次对环室施加真空。这允许向环室供应更多树脂。该 设备由此允许周期性树脂波进入模腔。还可以或者作为选择将高压气体的脉冲从增压气源周期性供应 到环室。该高压脉沖的作用是迫使环室内的树脂进入模腔，由此将 树脂"波"转移到模腔内。该树脂波有助于更快速和更有效地将树 脂转移和浸渍到复合材料中以确保完全浸润其中。可以在环室的下 部和上部分别提供树脂传感器，以检查其中的树脂液面到达低点和 高点的时刻，其中若超过所述低点则树脂密封将会破裂，而若到达 所述高点则不再需要供应树脂。当树脂到达低点时，停止环室内的 压差和/或任何其它高压气源，然后可以进一步输送树脂以补充环室 内的供应。12还可以使用振动装置如表面安装的外部机械振动器来振动模组 件并确保完全浸润复合材料。在本申请人的美国专利6,149,844中描述了一种利用平衡压力 生产复合材料部件的设备。该设备具有两个相对的压力室， 一个室 支撑浮置的刚性模，另一个室具有可弹性变形的模面。可将复合材 料叠层铺设在模上，然后将真空袋置于叠层上方并将其抽空，由此 压缩叠层并从叠层中抽走大部分空气。然后将压力室合在一起，以 使可弹性变形的模面位于真空袋上方，而复合材料叠层位于真空袋 下方。然后使高压和高温流体循环穿过每个压力室，以保证对复合 材料叠层施加平衡压力和均匀温度。这导致与使用包括RTM在内 的多种常规方法的情况相比，所生产的复合材料部件，具有更高的 材料质量。根据本发明，还可以使用平衡压力。为此，阴模部可以支撑在 浮动布置的第一外壳上以形成第一压力室，而阳模部可以支撑在第 二外壳上以形成第二压力室。根据本发明的设备不需要使用单独的 真空袋来抽空复合纤维材料，并且阳模/表层部可直接接触复合纤维 材料。流体循环装置可以在生产过程期间使高压流体循环穿过每个 压力室。两个室中的流体压力可基本相等，由此提供平衡压的额外 益处。在使用高温固化树脂的情况下或需要加热树脂以降低其整体粘 度进而降低其流体密度的情况下，还期望循环穿过每个压力室的流 体是高温的。然后，可以使低温流体循环穿过压力室以利于在树脂 固化时冷却部件。本发明相对于当前用于生产船体的现有技术RTM生产法具有 特殊的优点。首先，不必生产昂贵而笨重的模具。实际上，阴模部 由于不需要支撑任何大的压力或重量因而可由相对低成本的材料 制造。阳模部的嚢结构可仅仅由如橡胶例如天然胶乳橡胶的可弹性 变形材料形成。与成形相对简单的情况一样，阳模部的重量将远低 于使用刚性模具的情形。而且，平衡压力和真空是将树脂均匀分布在增强纤维材料中的 极为有效的方法。因为这种效能，模腔在形状方面可以更复杂，并 可以例如包括用于形成船体舱壁的体积。而且，诸如连接衔套(connecting lug)的单独构件也可以位于并整体嵌入最终的复合材 料部件内。这允许将船体作为单一整体单元构建使得在船体中得到 更均匀的材料性能而没有潜在的薄弱区域。而且，由于船体的各种 部件可以同时形成，因此这导致生产时间显著减少。此外，与需要 特殊的高流动性树脂和高质量纤维材料的常规RTM法相比，本发 明可使用各种不同的树脂和纤维材料。
具体实施方式
参照说明本发明优选实施方案的附图来进一步描述本发明将会 很方便。其它设置是可能的，因此附图的特殊性不可理解为对本发 明前述说明的 一般性的替代。附图中

图1是显示用于生产根据本发明复合材料部件的生产系统的第 一优选实施方案的截面图；图2是图1的生产系统的侧视截面图；图3是根据本发明的生产系统的第二优选实施方案的截面图； 图4是才艮据本发明的生产系统的第三优选实施方案的截面图； 图5是根据本发明的生产系统的第四优选实施方案的截面图； 图5A是图5中部分A的详视图；图6是根据本发明的生产系统的第五优选实施方案的截面图；和图7是^L据本发明的第六优选实施方案的截面图；图8是根据本发明的第七优选实施方案的截面图；图9A和9B示意性示出图8中所示本发明实施方案中的阳模部 与所完成部件的分离；和图IO是示出根据本发明的树脂波的详细示意图；图ll是示出根据本发明形成增强立柱的详细示意图；和图12是根据本发明的阳模部的一个实施方案的详细示意图。为清楚起见，首先我们提及在本发明的不同优选实施方案中的对应特征一般提供有相同的附图标记。首先参照图1,其中显示生产系统的基本构造，模组件1具有阴模部3和阳模部5。阴模部3包括阴模型腔7并由相对刚性的材 料制成。阴模部3被刚性约束在模支撑装置4上的位置中。阳模部 5由诸如橡胶的可弹性变形的材料形成，并且包括给阳模部5提供 阳模面的外表面9。而且，阳模部5还包括在生产过程中用于容纳 液体13的内体积11。根据本发明的方法，纤维增强材料15起初铺设在阴模型腔7中。 然后将阳模部5置于阴模部3的上方，并且接着用流体12充填阳模部 5的内体积11。流体12可以方便地是水，但是也设想使用诸如乙二醇 的其它较高密度或较高热容的流体。然后，包括树脂供应管线19和树 脂槽21的树脂供应装置17将催化和/或混合的液体树脂经过树脂供应 管线19供应到设置在阳模面9的最低点处的开口 25。将树脂23供应 至由阴模面7和阳模面9之间的狭窄体积限定的^ 8中。可将树脂 23从树脂槽21泵入才莫腔8中，或者可以将树脂槽21置于在内体积11 中的流体13液面上方的高度，以允许树脂23流入模腔8中。开口 25 处的模腔8内压力是阳模部5最低点上方的流体柱高度的函数。由于该点处的压差和利用沿纤维的树脂"芯吸作用"的树脂对 增强纤维材料的毛细管吸引力，通过开口 25进入后的树脂23分散 至纤维材料15中。由于树脂23持续流入模腔8中并朝纤维束15 的侧面和顶部分散和移动，所以阳模部5上的流体柱压力还将逐步 减少到接近流体液面13的最小值。由于这可以减緩树脂23在模内 向高处移动时的前进速度，因此流体12可优选具有比树脂23高的 密度，或流体液面13可以处于明显高出模部3、 5的高度，使得对 阳模部5施加足够的流体柱压力以使树脂23分散到纤维束15中。 还设想预热树脂23或流体12,由此降低树脂23的粘度进而密度， 以更容易长时间在40*€下浸渍该部分。所选的树脂可以被催化和/ 或混合以只在60 80X:的高温下固化。因此，为了固化该部分，接 着可以将流体温度快速增加到80r来固化这部分。由此，当由容纳在内体积11中的流体13施加的压力与模腔8 中的液体催化树脂23相互作用并设法平衡力时，将所供应的树脂 23分布到纤维复合材料或纤维束15上并浸渍在其中。这有助于确保树脂23均匀分布在复合材料束15中。在生产过程之前和期间，还可以加热包括阴模部和阳模部5的 模组件l 。这允许使用高粘度树脂23，该树脂23需要加热以降低 它的粘度并由此有助于浸润纤维增强材料15。阳模部5必须可以变形，以使流体柱压力作用在树脂23上以及 保证阳模面顺应支撑在阴模型腔7内的纤维束15。现在参照图2， 阳模部5的变形能力与由容纳在内体积11中的流体12施加的力一 起由此允许生产形状更为复杂的部件。图2显示铺设为进一步包括 立柱16的纤维复合材料15。这些立柱部分最终提供增强完成的船 体所需的立柱，这些立柱与船体的其余部分整体形成。阳模部5可 以成形为包括用于使这些立柱与船体其余部分整体形成的通道18。 由于施加于通道18外表面的流体柱压力，使树脂23向上穿过包围 立柱16的通道18。为有利于树脂23在复合材料15中的浸渍，可以在模腔8内提 供真空以抽空纤维增强材料15中的空气以及将树脂23吸入模腔8 中。图3显示与图1所示类似的生产系统，但是还包括真空供应装 置27。阳模部5还包括包围并支撑阳模部5的可弹性变形部分的相 对刚性法兰盘29。在法兰盘29和包围阴模型腔7的阴模部的外周 部33之间设置密封装置，例如弹性密封肋31。这允许在模腔8内 提供真空。真空供应装置包括真空泵35和与模腔8连通的真空管 线37。如图3所示，真空管线37通过在阳模部的法兰盘29与阴模 部3的外周部分33之间的开口 (未示出)连通。应该理解，真空 管线37可以或者连接至设置在阳模部5或阴模部3中的开口，该 开口与模腔8流体连通。图4显示本发明的另一个示例性实施方案，其与图3中所示实 施方案的不同之处在于真空管线37连接至位于阳模部5的最低部 分处的开口 23。环室39由设置在阴模型腔7周围的外周肩部33和 支撑阳模部5的上壁36之间的空间限定。上壁36延伸到阴模部3 上方，使流体液面13可以处于明显高于模部3、 5的高度，由此确 保对纤维束15施加更高的流体柱压力。树脂管线19或倒入环中的 树脂的容器将树脂23从树脂槽21供应给环室39，使得在环室内保 有一定体积的树脂23。该树脂23用作围绕模腔8的环密封，由此允许对模腔8施加真空。该真空将树脂23吸入模腔8，由此浸润纤 维束15，同时从树脂供应管线19补充环室39中的树脂23。而且， 纤维束15的外周可以部分容纳在环室39中，由此充当用于将树脂 23转移到纤维束15的管芯。施加于模腔8的流体柱压力确保树脂 23均匀分布到整个纤维束15中。图5和5A显示本发明另一个示例性实施方案，其与图4所示 方案的相似之处在于它包括可通过其将树脂23供应到模腔8的环 室39。但是，该环室39由设置在阳模部5的法兰盘29和阴模部3 的外周部33之间的空间限定。外周部33包括侧壁部33b和顶壁33a。 树脂供应管线19延伸穿过外周部侧壁33b与环室39连通。下部和 上部树脂传感器41a和41b也位于侧壁33b内。在本发明中，第一 和第二真空管线37a和37b分别与设置在阳模部5中的环室39和 开口 25连通。在生产期间，树脂23充填环室39的至少大部分。 在阳模部5的法兰盘29和外周部顶壁33a之间设置密封31，由此 允许真空供应管线37a完全抽空环室39。密封31总是位于树脂23 的液面上方，以避免受到树脂23的污染。第二真空管线37b可以 直接对模腔8施加真空，其中真空泵35通过第一阀门36a连接至 每个真空管线37a、 37b。该阀门36a允许将真空泵35同时连接至 两个真空管线或只连接至一个真空管线。当两个真空管线37a和37b 都连接至真空泵35时，在环室39和模腔8之间存在最小压差。因 此，环室39内保有的树脂23将趋向于保留和积累在环室中。与环 室39连通的第一真空管线37a可以关闭并连通大气，而第二真空 管线37b与真空泵35保持连接，由此在环室39中释放真空。在跨 越树脂环和在环室39和模腔8之间得到的相对突然增加的压差导 致产生树脂波46(如图10中所示)，该树脂波46从环室39穿过模 腔8。当穿过模腔8时，该树脂波在阳模部5中产生暂时的膨胀并 用于在波46前推动树脂面，并且在树脂转移进入并浸润纤维束15 时成为树脂23的前缘。该树脂波的效果帮助加快树脂23转移到纤 维束15中的速度。同样通过将高压气体的周期性脉冲施加到环室39中以帮助推 动树脂23进入模腔8中可能对于进一步促进将树脂23从环室39 转移到-漠腔8中是有利的。压力槽40经第二阀门36b连接至第一 树脂37a。在第二阀门36b将压力槽40连接至真空管线37a之前，第一阀门36a首先将真空管线从真空泵35断开。这使得能够通过 利用来自压力槽40的高压气体将压力脉冲施加给环室39。这种高 压气体的脉冲持续直到环室39中的树脂23的液面降低到树脂传感 器41a的高度以下。此时，停止高压气体供应并允许环室重新充填 树脂23，直到树脂23达到第二树脂传感器41b的高度。使用高压 气体还有助于通过树脂波46将树脂23转移到模腔8中。这进一步 促进树脂23的转移，增加树脂23可以完全浸润复合材料15的速 度。图6显示图5和5A中所示示例性实施方案的变型，其中真空 供应装置27此时仅通过真空管线37连接至阳模部5中的开口 25。 环室39中的树脂23保持在足以为模腔8提供密封的液面高度，由 此允许在其中保持真空。图7还显示与图5和5A所示实施方案类似的本发明的另一个 示例性实施方案。差别在于阴模部3由室中的流体支撑并经过与第 一外壳47相对浮置的弹性法兰46密封至压力室壁47，其中第一压 力室51由此设置在阴模部3的下方。而且，阳模部5还由第二外 壳49支撑，由此在阳模部5上方设置第二压力室52。支撑阳模部 5的法兰盘29经弹性法兰46a连接至第二外壳49。因此，阴模部 和阳模部3、 5都被密封并相对于它们的外壳47、 49浮置支撑。可 以通过第一压力室51和第二压力室52来循环高压液体。每个压力 室51、 52中的流体压力的作用为将阴模部3的外周部分33和阳模 部5的法兰盘29强行合在一起，由此促进密封装置31的运行。相 对的流体压力还用于对位于阴阳模部3、 5之间的全部复合材料15 提供平衡压力。这有助于对纤维束15提供更均匀的压力，导致促 进纤维束15压缩并除去纤维束15中的空气。高温流体还可以通过 压力室51和52循环以在使用高温固化树脂时提供必要的固化温 度。高温还允许使用粘度相对高的树脂。加热树脂降低其粘度，由 此促进树脂在纤维束中的浸渍。还可以通过振动模组件来促进树脂在复合材料15中的浸渍。因 此，为了这个目的可以将旋转振动器53固定至模组件的一部分。 该振动器53可以例如固定至阴模部3。图8中显示的示例性实施方案还使用压力室51、 52，其与图7中实施方案的主要差别在于树脂管线19此时将树脂供应到阳模部5 的最低部分的开口 25。单个真空管线37连接到环室39。在该布置 中，树脂从开口 25经模腔8向环室39转移。可以使用溢流管线54 将到达环室39的任何过量树脂收集到树脂溢流槽55中。图9A和9B显示图8的实施方案并示出使用压力室装置的优点。 由于与复合材料部件56直接接触，因此可能难以使阳模部5与最 终固化的复合材料部件56分离。但是，可以通过从压力室中泵入 流体来使阳模部与部件56简单剥离，如图9A和9B中示出的剥离 顺序所示。如前文所提及，图10示出树脂波46沿箭头显示方向的移动和 在树脂波46前方行进的树脂面45。可根据本发明产生这些树脂波 46的顺序。图11更为详细地示出图2中所示类型的立柱16。该立柱包括由 增强织物层16b包围的泡沫锥体16a。增强杆或增强材料16c可以永 久地作为立柱顶部边缘的增强物，杆16c也4皮增强织物16b包裹。由 于包围通道18的流体12的压力，阳模面9中的通道18配合在立柱 16周围。在通道18和立柱材料16中捕获的任何空气将易于作为气泡 向上浮起，因为空气实际上是在低于流体液面13的"水下"。因此， 可以提供其它真空管线37c，以帮助将树脂吸入竖直通道18中并除去 通过通道18向上逸出的空气。 一旦通道充满树脂，则另一个树脂管 19可以供应更多的树脂沿通道18向下回到纤维束15的其它部分。通 过提供如图12所示的阳模部5的外表面9中的一系列通道6可以有助 于从纤维复合材料15中抽空空气和将树脂分布其中。这些通道6可以 设置为以网孔图案穿过至少外表面9的主要部分。通道6提供可经其 抽空空气和分布树脂的通路。增加阳模部上的流体压力导致通道6变 平，使得整个外表面9紧贴纤维复合材料15。保留在纤维复合材料15 中和通道6中的任何过量树脂作为过量树脂g腔中排出。
权利要求
1.一种利用具有相对刚性的模部和可弹性变形的模部的模组件生产复合材料部件的方法，所述方法包括使所述刚性的模部和可弹性变形的模部合模，其中纤维增强材料位于在所述模部之间限定的模腔内；至少对所述可弹性变形的模部施加由流体的密度和/或压力引起的流体压力；和将树脂供应到所述模腔中，由此浸润位于其间的所述增强材料。
2. 根据权利要求l的方法，其中所^目对刚性的模部是具有阴模型 腔的阴模部，并且所述可弹性变形的模部是具有阳模面的阳模部；所 述方法包括将纤维增强材料铺设在所述阴模型腔内；使所述阳模部和所述阴模部合模，使得所述纤维增强材料位于在 所述阴模型腔和阳模面之间限定的才莫腔中，其中所述阳才莫部具有提供 所述阳才莫面的外表面和用于容纳流体的内体积；用流体充填至少所述阳模部的所述内体积，以通过所述流体对所 述阳模部的内表面施加流体柱压力，使得所述阳模面一般性顺应位于 所i^腔内的所述增强材料；通过树脂供应装置将树脂供应到所i^腔中，由此浸润位于其中 的所述增强材料。
3. 才艮据权利要求2的方法，其中用于充填所述内体积的所述流体的 流体密度选择为接近供应至所述模腔的所述树脂的流体密度。
4. 根据权利要求3的方法，其包括预热所述流体，由此加热和降低 所述树脂的密度。
5. 根据权利要求3或4的方法，其包括预热和由此降低所述树脂的 密度。
6. 根据权利要求2的方法，其包括提高所述阳模部上方的所述流体 的高度，由此增加所述阳^^部的内表面上方的所述流体柱压力。
7. 根据前述权利要求中任一项的方法，其包括在将树脂供应至所述 模腔的同时对所，腔施加真空。
8. 根据前述权利要求中任一项的方法，其包括对所述模组件两侧施加平衡流体压力。
9. 根据前述权利要求中任一项的方法，其包括改变供应所述树脂时 的压力。
10. 根据权利要求9的方法，其包括进一步改变所述流体压力。
11. 一种用于生产复合材料部件的生产系统，所述系统包括模组件， 所g组件包括相对刚性的模部、可弹性变形的模部、用于对所述可 弹性变形的模部施加由流体的密度和/或压力引起的流体压力的流体 压力装置、和用于将树脂供应至在合模时在所述模部之间限定的模腔 的树脂供应装置。
12. 根据权利要求ll的生产系统，其中所i^目对刚性的模部是具有阴 模型腔的阴模部，所述可弹性变形的模部是具有阳模面的阳模部。
13. 根据权利要求12的生产系统，其中所述树脂供应装置由与所述模 腔流体连通的至少 一个树脂供应管线提供。
14. 根据权利要求13的生产系统，其中所述树脂供应管线与所述阳模 面或阴模型腔中的开口连通或ii^设置在所述阴阳模部的外部周边之 间的开口。
15. 根据权利要求12~14中任一项的生产系统，其还包括与所述才雜 流体连通的至少一个真空管线，和设置在所述阴阳模部之间用于为所 述才雞提供至少基本气密密封的密封装置。
16. 根据权利要求15的生产系统，其中所述真空管线与所述阳模面或 阴模型腔中的开口连通或i^V没置在所述阴阳模部的外部周边之间的 开口。
17. 根据权利要求12~16中任一项的生产系统，其中所述阳模部至少 基本由橡胶或其它可弹性变形的材料制成。
18. 根据权利要求12~17中任一项的生产系统，其中所述阳模部由完 全固化时容易与所述复合材料部件分离的材料制成和/或具有在完全 固化时容易与所述复合材料部件分离的所述阳模面的表面。
19. 一种用于生产复合材料部件的生产系统，其包括 模组件，包括具有阴才莫型腔的相对刚性的阴模部；包围所述阴才莫型腔外周的外周部、包括可在其中供应树脂的环室的环部、用于供应树脂给所述环室的树脂供应装置；由可弹性变形的材料形成的阳模部，所述阳模部具有外阳模面和 用于容纳液体的内体积；在所述阴阳模部合模时限定在所述阴模型腔和所述阳模面之间的 模腔；和用于在所述^内产生真空的真空供应装置。
20. 根据权利要求19的生产系统，其中所述环室由包围并支撑所述阳 模部的外周相对刚性的法兰盘所限定，所述法兰盘与包围所述阴模型 腔的所述外周部相掩^。
21. 根据权利要求20的生产系统，其还包括设置在所述法兰盘和所述环部之间以为所述环室提供至少基本气密密封的密封装置，例如弹性 密封肋。
22. 根据权利要求19~21中任一项的生产系统，其中一系列树脂管线 在沿所述环室分布的各点处将树脂供应至所述环室。
23. 根据权利要求19~21的生产系统，其中单个树脂供应管线与所述 环室平行延伸，所述供应管线具有一系列沿其间隔开的排放管线，可 以将树脂从所述排放管线中排放到所述环室内。
24. 根据权利要求19~23中任一项的生产系统，其中所述真空供应管 线包括真空泵和至少一个真空管线。
25. 根据权利要求24的生产系统，其中第一所述真空管线与所述模腔 连通，第二所述真空管线与所述环室连通，其中阀门控制由第一和第 二真空管线施加的真空。
26. 根据权利要求25的生产系统，其还包括用于将高压气体脉冲周期 性供应到所述环室中的加压气体供应源。
27. 根据权利要求19~26中任一项的生产系统，其还包括设置在所述 环室内的下部和上部树脂传感器，其分别用于测定树脂液面达到需要 供应更多树脂的低点和不需要供应更多树脂的高点的时刻。
28. 根据权利要求19~27中任一项的生产系统，其还包括用于振动所 ii^组件的振动装置。
29. 根据权利要求19 28中任一项的生产系统，其中所述阴模部浮置 支撑在第一外壳上以形成第一压力室，所述阳模部支撑在第二外壳上 以形成第二压力室。
30. 根据权利要求29的生产系统，其包括用于使高温流体循环通过每 个压力室的流体循环装置。
31. 根据权利要求30的生产系统，其中所述流体循环装置还循环高温 流体或相对低温的流体。
32. 根据权利要求11~31中任一项的生产系统，其中所述可弹性变形 的模部具有外表面和一系列设置在所述外表面内的通道。
33. 根据权利要求32的生产系统，其中所述通道以网孔图案设置穿过 所述外表面的至少大部分。
34. 根据权利要求32或33的生产系统，其中当对所述可弹性变形的 模部施加足够高的流体时，所述通道变平。
全文摘要
一种用于生产复合材料部件的生产系统，其包括模组件(1)，所述模组件包括相对刚性的模部(3)、可弹性变形的模部(5)、用于对所述可弹性变形的模部施加由流体(12)的密度和/或压力引起的流体压力的流体压力装置和用于将树脂(23)供应至在合模时在所述模部之间限定的模腔(8)的树脂供应装置(17)。
文档编号B29C70/54GK101242947SQ200680029392
公开日2008年8月13日 申请日期2006年7月5日 优先权日2005年7月5日
发明者尼尔·德里克·布雷·格雷厄姆 申请人:快步科技私人有限公司