在基板上铺放预浸渍丝束的方法
【技术领域】
[0001]本公开内容总体上涉及复合层状结构的制造，更具体地说，涉及预浸渍丝束在结构的陆角过渡区域(high angle transit1n reg1n)中的自动铺放。
【背景技术】
[0002]数字计算机控制的先进纤维铺放(AFP)机可以用来铺设复杂形状的大型复合层状结构。例如，在航空工业中，AFP机可以用来铺设诸如翼梁和纵梁之类的复合机体部件。这些AFP机通常具有一个或多个材料铺设头，可以操纵这些材料铺设头以将多个预浸渍丝束施加并压实在心轴或类似工具上。每个丝束都包括从包含预浸渍有树脂的一束纤维的单向带切割形成的丝束预浸渍件或窄条。为了形成一个结构的非线性特征或细部，有时对材料铺设头进行编程以遵循恒定的径向路径。
[0003]以上讨论的复合结构的自动铺设在结构轮廓高度复杂或具有尖锐几何特征的情况下可能受到挑战。例如，对机器编程和/或材料铺放头的限制可能阻碍围绕相对尖锐角部或陡角弯曲部(下文称为“陡角过渡区域”或“过渡区域”)铺设材料。诸如但不限于材料宽度、粘性和纤维刚度的材料特性也可能限制材料在陡角过渡区域中的铺放。当将丝束铺设在陡角过渡区域中时可能遇到另一个问题是发生丝束起皱、纵弯和/或扭曲。在这些过渡区域中围绕尖锐的恒定半径路径操纵这些丝束导致这些丝束的内径处于压缩状态。这种内径压缩可能迫使丝束纤维聚集，从而导致会对结构的机械性能具有不利影响的起皱、纵弯和/或纤维扭曲。
[0004]通过使用更窄丝束可以一定程度减轻陡角过渡区域中的丝束聚集，然而，使用更窄丝束降低了能够铺设材料的速率，因而降低了生产效率，并且使用更窄丝束可能在某些应用中并不实用。采用窄丝束可能需要使用诸如附加层板之类的补偿加强件，因为窄丝束可能导致结构的一些机械特性出现不期望的降低。这些补偿加强件给结构增加了不期望的重量，并且可能增加制造成本。
[0005]为了克服使用较宽丝束时材料聚集以及/或者对材料铺放头的运动的限制的问题，具有陡角过渡区域的复合层状结构当前都使用多步骤过程生产，其中单独制造含有陡角过渡区域的接头，并且然后将接头结合至结构的笔直区段。该问题的解决方案耗时、耗力，并且需要多个复杂的昂贵工具。而且，使用单独制造的接头可能需要使用附加的加强件，以便满足结构性能要求。
[0006]因而，需要一种在陡角过渡区域中铺放复合材料的方法，该方法允许形成结构的复杂几何特征或细部，并且降低或消除材料起皱、纵弯和/或纤维扭曲，同时允许将结构制造成单个部件。还需要一种在陡角区域和尖锐角部内或陡角弯曲部自动铺放预浸渍丝束的方法，该方法不受AFP机编程能力和/或AFP材料施加头运动的限制。另外，需要一种制造具有陡角过渡区域的复合层状结构的方法，该方法消除了单独制造接头和多个工具的需要。
【发明内容】
[0007]所公开的实施方式提供了在复合层状结构的自动铺设过程中在基板上的陡角过渡区域中铺放预浸渍丝束的方法。该方法显著减少或消除了丝束在陡角过渡区域中的起皱、纵弯和/或纤维扭曲。丝束起皱的减少或消除可以减少或消除层状体中的局部应力，这可以致使结构性能得以提高。可以铺设复杂和/或难以形成的几何形状(诸如结构的尖锐弯曲部)，这些因为对AFP机编程和/或材料铺放头运动的限制和/或材料特性原本是不可能的。所公开的方法可以允许使用更宽的丝束，以便增加材料应用率，并因而增加生产效率。可以将具有陡角过渡区域的复合层状结构制造成单个部件，而不是需要多个组装工具的多件部件。
[0008]根据一个公开的实施方式，提供了一种在基板上铺设预浸渍丝束的方法，所述基板具有在该基板中的过渡区域上延伸的弯曲部，该弯曲部具有曲率。将所述丝束以至少第一区段和第二区段铺设在所述过渡区域内。所述第一区段和所述第二区段中的每个区段都具有小于所述弯曲部的所述曲率的角方位。所述丝束的所述第一区段和所述第二区段至少部分地跨越所述过渡区域。所述弯曲部具有弯曲角，并且所述丝束的所述第一区段和所述第二区段中的每个区段都可以是弯曲的，并且具有小于所述弯曲角的曲率角。所述丝束的形状与所述过渡区域中的弯曲部的形状近似。在一个变型中，所述丝束的所述第一区段和所述第二区段中的至少一个区段是基本笔直的。所述方法可以进一步包括:对数字控制器进行编程；以及使用该控制器来控制先进纤维铺放机。将所述丝束以至少第一区段和第二区段铺设在所述过渡区域内的步骤是通过所述先进纤维铺放机来执行的，并且所述方法还可以包括:在从沿着所述第一区段的开始点到沿着所述第一区段的结束点的第一方向上操纵所述丝束；在所述第一区段的所述结束点处改变所述丝束的操纵方向；以及在从所述第一区段的所述结束点到所述第二区段的结束点的第二方向上操纵所述丝束。可以采用所述方法来形成复合层状结构，诸如航空器翼梁。
[0009]根据另一个公开的实施方式，提供了一种在基板上铺放预浸渍丝束的方法，该基板具有在过渡区域上延伸的弯曲角。将所述丝束中的每个丝束以多个区段铺放在所述基板上，其中所述丝束中的每个丝束的至少一些区段具有小于所述弯曲角的角方位。所述区段中的至少一个区段是笔直区段，并且将所述丝束中的每个丝束以多个区段铺放在所述基板上的步骤可以包括:在沿着所述区段从所述区段的开始点到所述区段的结束点的方向上操纵所述丝束；以及在每个结束点处改变操纵方向。在一个变型中，所述区段包括至少两个弯曲区段和连接所述两个弯曲区段的基本笔直区段。在另一个变型中，每个区段是弯曲的，而在另外的变型中，每个区段是基本笔直的。
[0010]根据又一步公开的实施方式，提供了一种在基板上铺放预浸渍丝束的方法，该基板具有在过渡区域上延伸的弯曲角Θ。该方法包括将所述弯曲角Θ分成η个单独区段，其中，每个区段具有近似为Θ /n的曲率角，并且在所述基板上铺放预浸渍丝束包括沿着每个区段操纵所述丝束。
[0011]根据再一个公开的实施方式，提供了一种生产单件式复合结构的方法，该结构具有至少一个包含弯曲角的过渡区域。该方法包括:通过在基板上铺设预浸渍丝束来形成复合层状铺设件，铺设预浸渍丝束的步骤包括将所述弯曲角分成多个区段以及沿着每个区段操纵所述预浸渍丝束。沿着每个区段操纵所述预浸渍丝束的步骤包括沿着均小于所述弯曲角的角度操纵所述丝束。可以使用数字控制的先进纤维铺放机进行操纵步骤。该方法还可以包括对数字控制器进行编程以自动地控制数字控制的先进纤维铺放机，编程步骤包括:对所述数字控制器进行编程，以在所述弯曲角的每个区段内操纵所述预浸渍丝束；以及将所述铺设件固化。所述方法可以用来生产复合层状航空器机体构件。
[0012]总之，根据本发明的一个方面，提供了一种在基板上铺放预浸渍丝束的方法，所述基板具有在该基板中的过渡区域上延伸的弯曲部，该弯曲部具有曲率，该方法包括:将所述丝束以至少第一区段和第二区段铺设在所述过渡区域内，其中，所述第一区段和所述第二区段中的每个区段都具有小于所述弯曲部的所述曲率的角方位。
[0013]该方法有利的是，所述丝束的所述第一区段和所述第二区段至少部分地跨越所述过渡区域。
[0014]该方法有利的是，所述弯曲部具有弯曲角，并且所述丝束的所述第一区段和所述第二区段中的每个区段都是弯曲的并且具有小于所述弯曲角的曲率角。
[0015]该方法有利的是，所述丝束具有与所述过渡区域中的所述弯曲部的形状近似的形状。
[0016]该方法有利的是，所述丝束的所述第一区段和所述第二区段中的至少一个区段是基本笔直的，并且所述丝束的所述第一区段和所述第二区段中的另一个区段是弯曲的。
[0017]有利的是，该方法进一步包括:对数字控制器进行编程；以及使用该控制器来控制先进纤维铺放机，并且其中，将所述丝束以至少第一区段和第二区段铺