增强的热塑性复合零件的制造
【专利说明】増强的热塑性复合零件的制造 【背景技术】
[0001] 在航空航天工业中，使用嵌入在热塑性基体中的增强纤维制成的复合零件是期望 的。由增强的热塑性复合材料制成的零件在较高的工作温度下可以具有比由增强的热固性 复合材料制成的零件更小的强度削减。增强的热塑性复合材料具有比增强的热固性复合材 料更高的韧性，包括断裂韧性和层间拉伸强度（ILT)。
[0002] 相对于使用树脂预浸渍的增强纤维层片，热塑性材料还提供特定优点。不像热固 性材料，热塑性材料不具有保质期并且在加工之前不需要冷藏。热塑性材料在固结期间也 不会产生显著的挥发物。
[0003] 然而，现有技术不能使用连续的或长间断的（拉伸断裂的）纤维增强体和热塑性 树脂来有效地形成大型整体的加筋复合零件。制造此类零件所需要的设备的大小对于操作 来说是不切实际的且对于重配置具有挑战性。
【发明内容】
[0004] 本文的实施例提供了一种制造增强的热塑性复合零件的方法，该方法包含：按顺 序操作移动嵌入在热塑性基体中的增强纤维层叠通过加热台且然后通过成型台。加热台用 于软化一部分层叠中的热塑性基体，而成型台用于给热塑性基体刚被软化的一部分层叠赋 予几何结构。在层叠的不同部分上同时执行软化和成型。
[0005] 本文的另一个实施例提供了一种方法，该方法包含：按顺序移动使用热塑性树脂 预浸渍的增强纤维层片堆通过固结台、加热台和成型台以将层片固结成层叠，软化层叠中 的热塑性树脂而不引起树脂流动，并赋予零件几何结构。在层叠的不同部分上同时执行固 结、软化和成型。
[0006] 本文的又一个实施例提供了一种制造系统，该系统包含：加热站，其用于软化增强 的热塑性复合层叠的热塑性基体；成型台，其用于给热塑性基体刚被软化的一部分层叠赋 予几何结构；和传送机，其用于按顺序移动层叠通过各个台，以便在层叠的不同部分上同时 执行软化和成型。
[0007] 本公开的一方面提供了一种用于制造增强的热塑性复合零件的方法，该方法包 含：按顺序操作移动嵌入在热塑性基体中的增强纤维的层叠通过加热台且然后通过成型 台，并使用该加热台软化一部分层叠中的热塑性基体，同时使用成型台给热塑性基体刚被 软化的一部分层叠赋予几何结构，其中在层叠的不同部分上同时执行软化和成型。有利地， 该方法进一步包含：移动使用热塑性树脂预浸渍的增强纤维的层片堆通过固结台以在移动 通过所述加热台和所述成型台之前将层片固结成层叠。有利地，该方法进一步包含：使层片 堆的下游部分成型，同时使层片堆的上游部分被固结、加热并成型。有利地，该方法进一步 包含：其中红外能量用于固结层片并软化热塑性基体。有利地，该方法进一步包含：其中成 型包括使用多级工具给层叠赋予不同的几何结构。有利地，该方法进一步包含：其中成型被 执行为多点冲压操作。有利地，该方法进一步包含：其中使用被整体加热的工具执行成型。 有利地，该方法进一步包含：将附属特征添加到层叠的成型部分。有利地，该方法进一步包 含：其中传送机用于移动层叠通过各个台。有利地，该方法进一步包含：其中柔性聚合物膜 被用作传送机皮带以支撑层叠，并且其中膜在零件被成型之后从零件剥落。有利地，该方法 进一步包含：其中使用与层叠一起移动的工具执行成型。有利地，该方法进一步包含：其中 层叠成型为具有连续或拉伸断裂的纤维增强体的整体加筋零件。
[0008] 本公开的进一步方面提供了一种方法，该方法包含：按顺序移动使用热塑性树脂 预浸渍的增强纤维的层片堆通过固结台、加热台和成型台以将层片固结成层叠，软化层叠 中的热塑性树脂而不引起树脂流动，并赋予零件几何结构，其中在层叠的不同部分上同时 执行固结、软化和成型。有利地，该方法进一步包含：使层片堆的下游部分成型，同时使层片 堆的上游部分固结、加热并成型。
[0009] 本公开的进一步方面提供了一种制造系统，该系统包含：加热站，其用于软化增强 的热塑性复合层叠的热塑性基体；成型台，其用于给热塑性基体刚被软化的一部分层叠赋 予几何结构；和传送机，其用于按顺序移动层叠通过各个台，以便在层叠的不同部分上同时 执行软化和成型。有利地，该制造系统进一步包含：固结台，其用于将使用热塑性材料预浸 渍的未固结的增强纤维的层片堆固结成层叠；其中传送机将未固结的层片堆移动到固结台 并且然后将层叠移动到加热台。有利地，该制造系统进一步包含：用于在层片堆的一部分被 固结时成型层片堆的另一部分的台。有利地，该制造系统进一步包含：其中加热台包括上 部和下部预加热区域以及上部和下部加热区域。有利地，该制造系统进一步包含：其中工具 台包括第一级工具，其用于使初始零件几何结构成型；和第二级工具，其用于改变初始几何 结构以增加零件刚度。有利地，该制造系统进一步包含进一步包含控制器，其用于控制传送 机、加热台和成型台的操作。
[0010] 各种实施例可以独立地或可以与另一些实施例相结合获得这些特征和功能。参考 【具体实施方式】和附图能够了解实施例的进一步细节。 【附图说明】
[0011] 图1和图2是使增强的热塑性复合零件成型的方法的图示说明。
[0012] 图3和图4是使增强的热塑性复合零件成型的系统的图示说明。
[0013] 图5是飞行器生产和使用方法的流程图。
[0014] 图6是飞行器的框图。 【具体实施方式】
[0015] 参考图1，其示出了一种制造增强的热塑性复合零件的方法。零件包括嵌入在热塑 性基体中的增强纤维的层片。增强纤维的示例包括但不限于碳纤维、玻璃纤维和Kevlar? 芳纶纤维。增强纤维在形式上可以是连续的、编织的、短的或拉伸断裂的。热塑性材料的示 例包括但不限于聚醚酰亚胺（PEI)、聚苯硫醚（PPS)和聚芳醚酮（例如，聚醚醚酮（PEEK)、 聚醚酮酮（PEKK))。
[0016] 图1的方法涉及形成层片堆101并移动层片堆101 (沿箭头的方向）通过一系列 台120-150,同时在这些台120-150的每个处执行操作。操作包括但不限于固结、加热、成型 和抛光。这些操作按顺序执行。然而，可以在层片堆101的不同部分上同时执行这些不同 的操作。
[0017] 在台110处，堆叠增强纤维的层片100以形成层片堆101的未固结部分102。在 一些实施例中，使用热塑性树脂预浸渍层片100,并且这些"预浸材料"在成型工具上堆叠。 在另一些实施例中，干燥纤维的层片100与热塑性膜的膜片交错。在堆叠之前，不需要冷藏 热塑性材料。
[0018] 层片堆101的未固结部分102被移动至固结台120,用于固结成层叠104。在充足 的压力和温度下执行固结以便一并移除树脂中的孔隙和固结层片100。该温度足以软化热 塑性树脂而不引起其流动。最小化或基本消除通常与热固性复合材料的固化关联的问题 (例如，真空袋压成型、固结的层叠中的挥发物产生的气孔以及与释放气体有关的环境，健 康和安全考虑）。
[0019] 移动层片堆101直到层叠104到达加热台130。加热台130用于软化层叠104中 的热塑性基体，而不引起其流动。在该点加热将促进层叠104的随后成型。
[0020] 再次移动层片堆101直到加热的层叠106到达成型台140处。成型台140用于给 加热的层叠（其热塑性材料刚被软化）赋予几何结构以产生成型的层叠108。可以单级或 多级执行成型。作为多级成型的示例，第一级工具可以给每一个细部赋予相同的几何结构， 但末级工具可以仅对特定细部添加几何结构。多级成型可以被执行为多点冲压操作，其中 按顺序使用冲压工具。
[0021] 考虑多个一体形成的加强筋的制造。第一级工具级在每个加强筋中冲压相同的几 何结构。末级工具仅在特定加强筋中冲压附加的几何结构，从而导致具有可变高度的加强 筋。末级通过改变加强筋本身的几何结构而增加刚度，而不会向其添加任何附加材料（从 而使加强筋"一体形成"）。
[0022] 工具可以在成型期间被整体加热。工具可以被加热以在最终零件中形成聚合物的 结晶。加热还促进轻微的层片"滑移"，而不是将加热的（例如，有可能700° F)热塑性材 料移动到材料将立即冻结且内部应力然后将集中的冷却工具内。
[0023] 如果仅使用单级工具，则可以维持该工具处于低于热塑性的熔点的温度。这将冷 却加热的层叠106。如果使用多级工具，则可以维持第一级工具处于稍微低于、处于或高于 材料的熔点的温度，且可以维持末级工具处于低于热塑性材料的熔点的温度。这些温度将 冷却加热的层叠106,但仍允许成型。
[0024] 工艺参数（诸如温度和进给速率）不限于任何特定值。这些参数是树脂材料、纤 维材料和堆中层片的数量等的函数。在一些实施例中，当加热的层叠106成型时，工具可以 与加热的层叠106 -起移动。
[0025] 再次移动层片堆101，直到成型的层叠108到达抛光台150。在这个台150处，可 以将附属特征添加到成型的层叠108以产生零件的抛光的部分109。附属特征包括但不限 于插入物、套管和螺旋线圈。可以在抛光台150处执行其它操作，包括但不限于修剪、无损 检查（NDI)和尺寸检查。
[0026] 可以在层片堆101的不同部分上同时执行这些操作中的一些或全部。例如，附属 特征可以被添加到成型部分108中，同时另一部分108被成型，同时另一部分106被加热， 同时另一部分104被固结。
[0027] 该方法能够实现伸长的热塑性固结零件的制造，而无需同时固结整个零件和然后 同时加热整个零件，并且然后同时形成整个零件。转而，这确保能够使用较小的机器以执行 操作。由于机器较小，因此避免了加热较大的机器的问题。该方法对于具有复杂几何结构 的大复合零件（诸如具有连续或拉伸断裂的纤维增强件的一体形成的加筋零件）的制造尤 其有用。
[0028] 在一些实施例中，未固结的层片堆102在其移动到固结台120之前被完全成型。 然而，在其他实施例中，当正在执行的其它操作（固结、加热和成型）时，层片100可以被堆 叠。例如，30英尺长的零件能够由20英尺长的一件设备制造。到成型的层叠108到达抛光