用于复合材料零件的动态成型工具的制作方法

本公开涉及固化复合材料零件的领域，并且具体地，涉及用于复合材料零件的成型工具。

背景技术：

许多复合材料零件(例如，碳纤维产品(例如飞机机翼))通过真空袋制造过程被制造。使用这些技术，组分材料的层/夹层被铺叠(laidup)以形成层压板，并且通过真空袋将其压抵成型工具。真空袋施加压力以使所述层与成型工具的表面轮廓吻合并抵靠成型工具的表面合并(consolidate)所述层。层压板可进一步被固化，从而确保形成合适形状的复合材料零件。

对于呈现复杂几何形状的复合材料零件，难以设计在成型之前和/或成型期间充分支撑层压板(例如，使得层压板在成型期间不下陷)并且还能够使层压板在成型过程中获得复杂形状的成型工具。因此，复合材料零件设计师继续寻求增强技术来使复合材料成型。

技术实现要素：

本文所述的实施例利用能够在层压板形成为用于复合材料零件期望的形状的同时动态地改变层压板的形状的成型工具。这允许复杂的复合材料零件利用真空袋成型过程被创建。成型工具能够通过调整它们自身的形状(例如，响应于由真空袋或经由其它手段施加的压力)来实现这种有益的结果。

一个实施例包括用于动态地改变层压板的形状的成型工具。该成型工具包括支撑多层式层压板的第一部分的主体和支撑与第一部分对齐的层压板的第二部分的平台。成型工具还包括偏置装置，该偏置装置在形成层压板期间相对于第一部分重新定位第二部分，从而在层压板的层之间引起剪切应力。

另一个实施例是一种用于动态地改变层压板的形状的方法。该方法包括铺叠多层式层压板，所述多层式层压板包括成型工具的主体上的第一部分和成型工具的平台上的第二部分。第二部分与第一部分对齐。该方法还包括用真空袋覆盖层压板，以及在形成层压板期间相对于第一部分重新定位第二部分，从而在层压板的层之间引起剪切应力。

另一个实施例是包括成型工具和被铺叠在成型工具上的多层式层压板的系统。该系统也包括覆盖层压板的真空袋。成型工具包括支撑层压板的第一部分的主体和支撑层压板的与第一部分对齐的第二部分的平台。成型工具还包括偏置装置，该偏置装置在形成层压板期间相对于第一部分重新定位第二部分，从而在层压板的层之间引起剪切应力。

下文可以描述其他示例性实施例(例如，与前述实施例有关的方法和计算机可读介质)。已经论述的特征、功能和优点能够在各种实施例中独立地实现或者可以在其它实施例的组合，参照下文的描述和附图能够看到其进一步的细节。

附图说明

现在仅通过示例并参照附图来描述本公开的一些实施例。在所有附图上，相同的参考标记表示相同元件或相同类型的元件。

图1是示例性实施例中的真空袋制造系统的图。

图2-5是图示说明示例性实施例中的真空袋制造系统的制备的剖面视图。

图6-7是图示说明示例性实施例中的第一成型工具的视图。

图8-9是图示说明在示例性实施例中已经开始成型之后的第一成型工具的视图。

图10是示例性实施例中的成型工具的放大视图。

图11是示例性实施例中的成型工具的框图。

图12是示例性实施例中的操作成型工具的方法的流程图。

图13-14是图示说明示例性实施例中的第二成型工具的视图。

图15-16是图示说明在示例性实施例中已经开始成型之后的第二成型工具的视图。

图17-18是图示说明示例性实施例中的第三成型工具的视图。

图19-20是图示说明在示例性实施例中已经开始成型之后的第三成型工具的视图。

图21-22是图示说明示例性实施例中的第四成型工具的视图。

图23-24是图示说明在示例性实施例中已经开始成型之后的第四成型工具的视图。

图25是示例性实施例中的已完成的复合材料零件的透视图。

图26是示例性实施例中的飞机生产和服务方法的流程图。

图27是示例性实施例中的飞机的框图。

具体实施方式

附图和以下描述对本公开的具体示例性实施例进行说明。因此，应当理解本领域技术人员将能够想出体现本公开的原理并且包含在本公开的范围内的各种布置(尽管本文没有明确描述或示出)。此外，本文描述的任何示例旨在帮助理解本公开的原理，并且应被解释为不限于这些具体列举的示例和条件。因此，本公开不限于下文描述的具体实施例或示例，而是由权利要求及其等效内容所限定。

图1-5示出用于通过真空袋技术的成型和/或固化复合材料零件的示例性技术。具体地，这些图图示说明可以执行以制备用于复合材料零件的真空袋成型的组分材料(例如，碳纤维)的层压板的示例性制备和设置过程。

图1是示例性实施例中的真空袋制造系统100的框图。系统100包括能够利用真空袋技术将层压板140合并、成型和/或固化成复合材料零件(例如，纤维增强复合材料零件，例如飞机机翼或其它任何合适的部件)的部件和/或装置的任何组合。

在本实施例中，系统100包括成型工具110，成型工具110在制造期间形成层压板140所符合的表面。层压板140可以包括已经含有固化树脂或任何合适的固化层压板的“预浸料”碳纤维层压板。如图1所示，层压板140通过真空袋120被保持在工具110上的适当位置，真空袋120通过边缘密封剂122被胶封/密封，从而在工具110(例如，增强的，动态地可再成型工具)上环绕层压板140。边缘通气器130、132、134和136环绕层压板140并且经由真空袋120被密封到层压板140。边缘通气器(130、132、134、136)为来自固化过程的空气和挥发性气体提供通道以在真空袋120内行进。这些挥发性气体随后经由端口150离开真空袋120，端口150作为真空管路160的配件操作。在本实施例中，真空管路160由压缩机170提供动力。

当在一个实施例中操作时，压缩机170可从真空袋120疏散空气。移除真空袋120下的空气允许大气压力将真空袋压抵层压板140。这将真空袋120保持抵靠层压板140以使得层压板140符合工具110。压力还使真空袋120紧密地贴靠(conformto)边缘通气器(130、132、134、136)。这提供了一种在层压板140固化时将层压板140紧密地抵靠工具110的轮廓的益处，并且还提供了一种将原本会在固化过程中形成的气泡抽取出去的益处。固化过程本身可以进一步包括施加大量的压力和/或热(例如，在高压釜内)。

图2-图5是在示例性实施例中系统100被组装时系统100的剖面侧视图。该视图由图1中的视图箭头2表示。因此将关于图2-图5提供系统100的进一步描述，该描述论述了其中各种部件可以被组装的顺序以便促进真空袋制造。图2示出处于静止状态的工具110。为确保放置在工具110顶上的部件在固化过程期间和/或之后不与工具110黏合在一起，工具110的顶表面111可以被涂覆脱模剂112。边缘通气器(例如132、134)被放置在工具110上，层压板140的层/夹层144也是如此。图3示出层压板140的铺叠已经完成。在该实施例中，层压板140由层/夹层142和144以及芯部146组成，但是在另一实施例中，可以用固体层压复合材料代替芯部146。任何合适的复合结构可以被用于层压板140。边缘通气器132和134靠近层压板140放置，并且作为靠近层压板140的空气从层压板140中被排出的通道。这确保了气泡(未示出)不会干扰层压板140的固化。

图4示出在边缘通气器(例如，132、134)周围处已经施加到工具110上的边缘密封剂122(例如，双面胶带)。图4还示出施加到层压板140的分离膜180，以及施加在分离膜180顶上的表面通气器190和边缘通气器132和134。分离膜180可包括防止层压板140粘到其他部件的可渗透特氟隆(teflon)层。边缘通气器(130、132、134、136)与表面通气器190组合形成用于空气和挥发性气体在固化之前和/或固化期间离开层压板140的通道。具体地，表面通气器190提供可供空气流经其并离开系统的多孔通道。

根据图5，表面通气器190及其下方的部件通过真空袋120被密封到工具110上，真空袋120通过边缘密封剂122被附接到工具110。探针垫210提供靠近端口150的小的透气通道，真空软管160附接到所述端口150。真空软管160随后可以从真空袋120抽出空气，从而将层压板140压到工具110上。然后可以施加热和/或压力以固化/硬化层压板140。

在一些实施例中，可在层压板140已完成固化之后将额外的组分材料层添加到层压板140上。在这样的实施例中，将新的“未干的(green)”层添加到层压板140并固化，然后再次添加额外的新的“未干的层”。利用这种技术，制造商可以一次向层压板140添加几千英寸的厚度，直到层压板140完成。在另外的实施例中，可以将整个层压板140立即铺叠成预制件，用于立即固化。

虽然传统工具本质上是静态的，但是本文所述的增强的成型工具能够在成型过程期间改变它们的形状，使得能够生产高级和复杂的复合材料零件。将就以下附图讨论系统100的操作的说明性细节(特别地，系统100可利用的成型工具)。

图6-7是示出示例性实施例中的第一成型工具600的视图。具体地，图6是由图1中的视图箭头6所示的成型工具的侧视图，并且图7是由图6中的视图箭头7所示的主视图。成型工具600包括能够在成型期间模制层压板140以形成所需形状的任何物体。此外，成型工具600能够在成型期间改变其形状(并且从而改变层压板140的形状)。例如，成型工具600可以响应于在成型期间由真空袋120施加的压力而改变其形状。这使得层压板140能够被模制成各种复杂形状中的任意种，同时允许层压板140快速且有效地铺叠。如图6所示，层压板140的部分1122被铺叠在平台620上，与此同时层压板140的部分1124被铺叠在主体610上。

在该实施例中，成型工具600包括主体610、支撑元件614、移动平台620和偏置装置630。层压板140被铺叠成使得其覆盖主体610的上表面612，横跨于距离d的侧隙/侧向间隙616之上，并且延伸到平台620的上表面622上。如图6所示，真空袋120覆盖住层压板140并且被密封到成型工具600。然而，为清楚起见，真空袋120未在图7中示出。偏置装置630附接到支撑元件614上，并且可响应于由真空袋120施加到成型工具600的压力重新定位平台620。偏置装置630可包括诸如弹簧、密封空气活塞等的被动装置(passivedevice)，或可包括能够响应于电子输入而重新定位平台620的主动装置(activedevice)，例如致动器(例如，线性致动器或空气逻辑驱动活塞)。

图8-9是示出在示例性实施例中已经开始成型之后的成型工具600的视图。具体地，图8是侧视图，以及图9是主视图。如这些图所示，当平台620下降高度h时，层压板140的部分1122改变形状。

图10示出示例性实施例中的成型工具600的放大视图。具体地，图10是图8的区域1000的放大视图。当平台620跨距离d降低高度h时，层142和144沿着剪切区s1承受相对于彼此的剪切力。这些层间剪切力可能是期望的，以确保层压板140的层在固化发生时相对于彼此适当地对准。这导致层以“电话薄”取向对准，使得下层144略微地延伸超过上层142。在这样的示例中，当层压板140改变形状时，各个层142和144相对于彼此滑动。这样的滑动确保即使层142的直线距离在弯曲期间比层144的直线距离大也不会形成褶皱。

图11是示例性实施例中的成型工具600的框图。根据图11，成型工具600包括具有上表面612的主体610。成型工具600还包括支撑元件614，偏置装置630附接到支撑元件614。偏置装置630移动平台620。在偏置装置630包括主动机器(例如动态空气活塞)的实施例中，控制器1150指导偏置装置630的操作。例如，控制器1150可以被实施为定制电路、被实施为执行编程指令的处理器或其某些组合。层压板140被铺放在主体610的顶表面612和平台620的表面622。也就是说，层压板140的第一部分1124覆盖表面612，同时层压板140的第二部分1122覆盖表面622。真空袋120覆盖复合材料层压板140，并且被密封到成型工具600。自动纤维铺放(afp)afp机器1160可基于来自控制器1150的指令铺叠层压板140。

将就图12讨论成型工具600的操作的说明性细节。对于该实施例，假定用户已经准备了成型工具600以接收层压板140(例如，通过将脱模剂施加到成型工具600)。

图12是示出在示例性实施例中操作成型工具600的方法1200的流程图。方法1200的步骤参考图6的成型工具600描述，但是本领域技术人员将理解，方法400可以在被用于真空袋固化的其他系统中执行。本文描述的流程图的步骤不是全部的，并且可以包括未示出的其他步骤。本文所述的步骤还可以以可替代的顺序执行。此外，本文所述的技术可以在固体层压板以及包含芯部(例如，取决于该芯部的物理性质)的层压板上执行。

层压板140被铺叠到成型工具600上，使得层压板140的第一部分1112被铺叠在主体610上(例如，通过afp机器1160基于来自控制器1150的指令)，同时层压板140的第二部分1122被铺叠到平台620的表面622上，横跨于侧隙616之上(步骤1202)。接下来，层压板140被真空袋120覆盖(步骤1204)(例如，基于自控制器1150至afp机器1160或操作者的指令)。当真空袋120在层压板140之上的合适位置时，可以在真空袋120处抽吸压力，以迫使层压板140紧密地贴靠成型工具600。

作为该过程的一部分，由真空袋120施加的压力可以克服由偏置装置630施加的在成型期间将平台620保持在适当位置的力。这使得平台620改变其位置和/或取向。可替代地，控制器1150可以(例如，通过来自压力传感器的输入)检测来自真空袋120的压力的增加，并且可以动态地指导偏置装置630以重新定位平台620，并因此重新定位部分1122(步骤1206)。如图10所示，这进而导致层压板140的部分1122改变形状。这也引起了层压板140的层142和144之间的剪切应力，这种应力有利地增强了在成型已经完成之后的层压板140的强度。

利用上述技术，可以在真空袋成型期间动态地改变层压板的形状，以使得层压板能够形成复杂的形状。此外，这些技术可以在不增加层压板的铺叠过程的复杂性的情况下被使用，这进而减少了制造复杂零件所涉及的劳动。

示例

在以下示例中，在成型期间动态地改变层压板140的形状的成型工具的背景下描述另外的过程、系统和方法。图13-16示出利用铰接机构的第二成型工具，图17-20示出具有位于使树脂渗透最小化的位置的支撑凹槽的第三成型工具，图21-24示出能够制造复杂零件的多平台式成型工具。

图13-14是图示说明示例性实施例中的第二成型工具1300的视图。具体地，图13是侧视图，以及图14是主视图。在该实施例中，成形工具1300包括主体1310和移动平台620。如图13所示，层压板140的部分1122被铺叠在平台1320上，与此同时层压板140的部分1124被铺叠在主体1310上。支撑件1312从主体1310延伸出来，并与销1322一起形成固定到平台1320的铰链1326。如图13所示，真空袋120覆盖层压板140和成型工具600。然而，为清楚起见，真空袋120未在图14中示出。弹簧1324附接到销1322以及主体1310上的位置1325。弹簧1324提供能够保持平台1320与主体1310基本上对准的静止力。然而，弹簧1324响应于空气从真空袋疏散时施加的压力(例如，约一个大气压)而转向(deflect)。这使得平台1320在真空袋120施加压力时围绕铰链1326旋转。图15-16是示出在示例性实施例中成型已经开始之后的成型工具1300的视图。具体地，图15是侧视图，以及图16是主视图。如这些图所示，当平台1320旋转角度θ(例如90°)时，层压板140改变形状。

图17-18是图示说明示例性实施例中的第三成型工具1700的视图。在该实施例中，成型工具1700包括凹槽1712，所述凹槽与从平台1720突出的延伸部1722紧密配合。凹槽1712内的弹簧1714作为驱动平台1720运动的机构操作。如图19-20所示，当来自真空袋120的压力增加并克服由弹簧1714施加的保持平台1720与主体1710对齐的静止力时，平台1720下降高度h。这引起了图19的位置1950处的层间剪切。

图21-22是图示说明示例性实施例中的第四成型工具2100的视图。成型工具2100包括主体2110、支撑元件2114、平台2120和2140以及偏置装置2130和2150。每个偏置装置(2130，2150)可响应于来自真空袋120的压力以不同的量调节其相应平台的高度。例如，如图23-24所示，平台2120下降高度h1，而平台2140下降高度h2。

图25是示例性实施例中的已完成的复合材料零件2500的透视图。复合材料零件2500可以通过(例如)成型工具2100被制造。复合材料零件2500展示由侧壁2512和2514限定的c形通道2510，并且复合材料零件2500还展示抗剪带2520。c形通道2510由图21的平台2140的运动创建，而抗剪带2510通过图21的平台2120的运动创建。

更具体地参考附图，本公开的实施例可以在如图26所示的飞机制造和服务方法2600和如图27所示的飞机2602的背景下进行描述。在预生产期间，示例性方法2600可以包括飞机2602的规格和设计2604以及材料采购2606。在生产过程中，进行飞机2602的部件和子组件制造2608以及系统整合2610。然后，飞机2602可以经过认证和交付2612以将其投入使用2614。在客户使用中，飞机2602定期进行日常维护和检修2616(这也可以包括改进、重构和翻新等等)。

方法2600的每个过程可以由系统集成商、第三方和/或操作者(例如，客户)执行或实施。对于本描述的目的，系统集成商可以包括但不限于任何数量的飞机制造者和主系统分包商；第三方可以包括但不限于任何数量的销售商、分包商和供应商；并且操作者可以是航空公司、租赁公司、军事实体和服务组织等等。

如图27所示，按照示例性方法2600制造的飞机2602可以包括具有多个系统2620和内部2622的机身2618。高水平系统2620的示例包括一个或更多个推进系统2624、电气系统2626、液压系统2628和环境系统2630。可以包括任何数量的其他系统。尽管示出航空航天示例，但本发明的原理可以用于其他工业，例如汽车工业。

这里所述的装置和方法可以在制造和维护方法2600中的任何一个或更多个阶段期间使用。例如，与制造阶段2608对应的部件或子组件可以以类似于飞机2602在使用时生产的部件或子组件的方式来制作或制造。同样，一个或更多个装置实施例、方法实施例或其组合可以在制造阶段2608和2610期间被利用，例如，大大加快飞机2602的组装或降低飞机2602的成本。类似地，一个或更多个装置实施例、方法实施例或其组合可以用于当飞机2602在使用时的(例如但不限于)维护和检修2616。

在一个实施例中，层压板140包括机身118的一部分，并且在部件和子组件制造1108期间通过使用上述增强的成型工具来制造。层压板140随后可以在系统整合1110中被组装到飞机中，然后在投入使用1114中被使用，直到层压板140被磨损到不可用。然后，在维护和检修1116中，层压板140可以被丢弃并且用使用上述增强的成型工具创建的新制造的层压板140替换。可以在整个部件和子组件制造1108中使用成型工具(600、1300、1700、2100)，以便制造层压板140。

图中所示或本文所描述的各种计算和/或控制元件中的任意个可以被实施为硬件、实施软件的处理器、固件或这些的组合。例如，元件可以被实施为专用硬件。专用硬件元件可以指“处理器”、“控制器”或一些类似术语。当由处理器提供时，所述功能可以由单个专用处理器、由单个共享处理器或由多个单独处理器(其中一些可以是共享的)提供。此外，术语“处理器”或“控制器”的明确使用不应被解释为排他地指能够执行软件的硬件，而是可以隐含地包括但不限于数字信号处理器(dsp)硬件、网络处理器、专用集成电路(asic)或其它电路、现场可编程门阵列(fpga)、用于存储软件的只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)、非易失性存储器、逻辑或一些其它物理硬件部件或模块。

此外，元件可以被实施为由处理器或计算机可执行以实现该元件的功能的指令。指令的一些示例是软件、程序代码和固件。当由处理器执行指令以指导处理器执行元件的功能时，指令是可操作的。指令可以被存储在可由处理器读取的存储设备上。存储设备的一些示例是数字或固态存储器、磁存储介质(如磁盘和磁带)、硬盘驱动器或光可读数字数据存储介质。

因此，总的来说，根据本发明的第一方面，提供：

a1.一种装置，其包括：

成型工具，其包括：

主体，所述主体保持多层式层压板的第一部分；

平台，所述平台保持与所述第一部分对齐的所述层压板的第二部分；以及

偏置装置，所述偏置装置在所述层压板的成型期间相对于所述第一部分重新定位所述第二部分，从而在所述层压板的层之间引起剪切应力。

a2.还提供了根据段落a1所述的装置，其中：

在成型期间，在覆盖层压板的真空袋向成型工具施加压力之前，所述平台保持与第一部分对齐的所述层压板的第二部分，以及

所述偏置装置响应于所述压力重新定位所述平台，使得所述平台在成型期间改变所述层压板的形状。

a3.还提供了根据段落a1所述的装置，其中：

所述偏置装置通过竖直地移位所述平台重新定位所述第二部分。

a4.还提供了根据段落a3所述的装置，其中：

所述平台通过侧隙与所述主体分离，

所述层压板的每层均横跨所述间隙，并且

竖直地移位所述平台引起剪切应力。

a5.还提供了根据段落a1所述的装置，其中：

所述平台包括：

与所述层压板接触的上表面；和

连接到所述主体的铰链，以及

所述偏置装置通过围绕所述铰链旋转所述平台重新定位所述第二部分。

a6.还提供了根据段落a1所述的装置，其中：

所述偏置装置包括空气活塞。

a7.还提供了根据段落a1所述的装置，其中：

所述偏置装置包括弹簧。

a8.还提供了根据段落a1所述的装置，其中：

所述主体包括与从所述平台突出的延伸部配合的凹槽。

a9.还提供了根据段落a1所述的装置，还包括：

多个平台，每个平台均保持层压板的不同部分，并且每个平台均通过相应的偏置装置被重新定位。

根据本发明的另一方面，提供：

b1.一种方法，其包括：

将多层式层压板铺叠到成型工具上，所述层压板包括铺叠到成型工具的主体上的第一部分和铺叠到成型工具的平台的第二部分，使得所述第二部分与所述第一部分对齐；

用真空袋覆盖所述层压板；以及

在层压板的真空袋成型期间，相对于所述第一部分重新定位所述第二部分，从而在所述层压板的层之间引起剪切应力。

b2.根据段落b1所述的方法，还包括：

在成型期间，在真空袋向成型工具施加压力之前，保持与第一部分对齐的层压板的第二部分，以及

响应于所述压力重新定位所述平台，使得所述平台在成型期间改变所述层压板的形状。

b3.还提供了根据段落b1所述的方法，其中：

重新定位所述第二部分包括竖直地移位所述平台。

b4.还提供了根据段落b3所述的方法，还包括：

铺叠所述层压板使其横跨将所述主体与所述平台分开的侧隙，

其中竖直地移位所述平台引起所述剪切应力。

b5.还提供了根据段落b1所述的方法，其中：

重新定位所述第二部分包括围绕连接到所述主体的铰链旋转所述平台。

b6.还提供了根据段落b1所述的方法，还包括：

在由所述真空袋施加压力的同时将层压板固化成复合材料零件；

从所述成型工具移除所述复合材料零件；和

将新的层压板铺叠到成型工具上。

根据本发明的另一方面，提供：

c1.一种系统，其包括：

成型工具；

多层式层压板，所述多层式层压板铺叠到成型工具上；以及

真空袋，所述真空袋覆盖所述层压板，

所述成形工具包括：

主体，所述主体保持所述层压板的第一部分；

平台，所述平台保持与所述第一部分对齐的所述层压板的第二部分；以及

偏置装置，所述偏置装置在所述层压板的成型期间相对于所述第一部分重新定位所述第二部分，从而在所述层压板的层之间产生剪切应力。

c2.根据段落c1所述的系统，其中：

在成型期间，在真空袋向成型工具施加压力之前，所述平台支撑与第一部分对齐的所述层压板的第二部分，以及

所述偏置装置响应于所述压力重新定位所述平台，使得所述平台在成型期间改变所述层压板的形状。

c3.还提供了根据段落c1所述的系统，其中：

所述平台通过侧隙与所述主体分离，

所述层压板的每层均横跨所述间隙，并且

竖直地移位所述平台引起剪切应力。

c4.还提供了根据段落c1所述的系统，其中：

所述平台包括：

与所述层压板接触的上表面；以及

铰链，所述铰链连接到所述主体，以及

所述偏置装置通过围绕所述铰链旋转所述平台来重新定位所述第二部分。

c5.还提供了根据段落c1所述的系统，其中：

所述偏置装置包括空气活塞。

c6.还提供了根据段落c1所述的系统，其中：

所述偏置装置包括弹簧。

c7.还提供了根据段落c1所述的系统，其中：

所述主体包括与从所述平台突出的延伸部配合的凹槽。

虽然本文描述了具体实施例，但本公开的范围不限于这些具体实施例。本公开的范围由所附权利要求及其任何等效内容限定。