专利名称:纤维增强空心结构及其制作方法
纤维增强复合材料拉制成型工艺已经用于生产横截面相等的空心构件了。然而，很多使用空心部件的结构要求这些部件具有可变截面的几何形状以及部分弯曲、扭转和接缝。像汽车的空间结构，飞机的机身，以及类似的产品就可以归属于这种空心部件。
至今，这种空心部件或结构通常用一个核心材料做芯模来制造。如果核心材料要保留在已成型的构件之中，就用一种轻质的氨基甲酸乙酯泡沫材料做芯模，加工或铸造成合适的几何形状。如果要除去核心材料可以在空心构件固化后把这种核心材料溶解或熔化掉。
当用核心成型时，复合材料要么用树脂预先浸透湿着使用，要么就干着使用。当增强复合材料干着使用时，就在合模之后用泵把树脂注入增强复合材料当中。
有时候用可膨胀好的模具来固化直升飞机旋翼的外蒙皮。在这种情况下，要使用予先浸好树脂的纤维增强材料，可膨胀模具就必须精心制作成规定的尺寸和形状。
本发明的一个目的就是要提供改进的纤维增强结构及其生产方法。
本发明的另一目的是提供一个在非关键性尺寸的地方用可膨胀气囊作为芯模的改进了的方法。
按照本发明提出了一个具有剖面变化，弯曲，扭转和带接缝的空心纤维增强构件。这种构件的成型方法包括有这样几个步骤，沿着可开合的外模具内表面铺上纤维材料，将一个作为芯模的可膨胀气囊放在这些纤维之中，合上外模，气囊充气使纤维材料紧贴外模的内壁，再将树脂注入纤维材料中去，然后将带树脂的纤维材料固化便制成了纤维增强构件。
读了下面的说明和权利要求
并结合附图，内行就可以明了本发明的其他目的和优越性。
图1是一个可以用本发明所述的方法制造出来的形状不规则构件的等比例图。
图2-7说明了按本发明构成图1所示构件方法的步骤。图7是图1中沿7-7线所取的剖面。
参见图1，结构10表示了一个汽门框架的一部分。这个框架包括接缝，例如接缝12，弯曲面例如面14，和像图7中16那样的不规则截面区。制造整体固化的构件10是预先铺设的若干未浸树脂的纤维片，18和20就是其中两块，接着制模，注入树脂和固化等几个步骤来完成的。空心区22延伸进结构10中。
参见图2，表示一个外模的钢性下部24。这个下模24要做成被成型的结构或零件，例如图1中的构件10的样子。
参见图3，把干纤维材料，例如可以是玻璃纤维增强的材料预先沿着底模24的内壁26铺放好。当截面特别深时，用手工预放的纤维材料可能不止一片，在图示的实施例中就用了三片纤维材料28，30和32。然而，有时也可能只需用一片，甚至使用予先成型的材料，例如一块予制件把纤维材料预先成型。
参见图4，整个钢性外模34包括有形状不规则的底模24和一个上模36。具有上下模的外模34应当可以用常规的方法使上下模36和24方便地打开和合拢。
在上模36上也预先铺上纤维材料38。在模具34合模之前放上可膨胀的气囊40。气囊可以由42和44两块组成，它仍是按照结构10的形状和尺寸裁成相适应的形状和尺寸以后再合在一起的。气囊40可以用塑料或其它合适的弹性材料制成。图4示出的气囊40是局部膨胀的，尽管在实际中42和44两片在膨胀前可以是平贴在一起的。而图示的上模36是平面的，它也可以具有像下模24那样不规则的形状并在其中予先放置纤维材料，放置方法与前述向下模放置的方法相同。图4中所示的例子虽然表示出可以做出一个有凸边的另件，不过用这样的工艺过程同样可以做出没有凸边的空心零件。
图5示出了像给气球打气那样将空气或其它适当的气体或介质，例如压缩微球，从压力源通过导管44打入气囊40，使气囊膨胀，从而对预先铺设在外模34内壁上的纤维材料产生压力。气囊40在下一步操作中起到芯模的作用。
参见图6，树脂在压力下通过管道48被挤进去，使气囊40和外模34之间的纤维材料浸在树脂里。从纤维材料处到大气有一个放气口50，以保证树脂在压力下浸润纤维时在纤维材料中不出现气孔。树脂成模的大致的工艺过程(RTM)在这一行业中是尽人皆知的。
用树脂浸润了纤维材料以后，下一步便是固化过程，可以在室温下固化，也可以用比室温高的温度固化，这取决于所选用的固化剂。这个温度包括树脂在压力下对纤维材料的加热。固化以后便完成了构件10的成型过程，随后可以打开外模34取出构件。按要求气囊可以很容易地取出或留在原处，这都取决于另件的复杂程度、气囊材料以及树脂。
上面所说的工艺过程也可以利用一个等直径的薄壁塑料管作气囊，塑料管直径要与模制件的最大内周长相配。对于周长较小的部分，由于很薄，多余的气囊材料不会影响光滑无皱的内表面的形成。实际上由于气囊材料很薄，不能让气囊的膨胀超过它不受压时的周长，因为有破裂的可能。
将所推荐的概念推广，连接起来的空心框架是可能的，这包括整体框架，例如汽车的空间构架或飞机结构。这一工艺还可以在同一次模制中把模制的面板同空气元件连接起来。当需要把结构连接起来时，不要求连接管状塑料气囊，而只把所选用的两块扁平的气囊材料裁好并缝合以做成所需的气囊。这样，可以方便地利用价格便宜的气囊来成型一个带接缝的完整构件。
重要的是，这种工艺过程是用给模具加载完成增强物的充填的。对大多数要成型的空心构件来说，它的截面相对是很小的。因此，尽管可用于使塑料气囊膨胀的压力很大，但是产生的力相对来说不大。一般这样的力不足以把纤维材料压紧在一个很复杂的模具的全部表面上。因此需要在投入模具前先把纤维材料预制成适当的形状。作为一种简单的预成型，可以用剪裁的增强纤维和粘合剂来完成。
如果产品规模小，那么纤维增强物可以裁成适当的尺寸，并且在气囊充气前用手大概地把它整理成正确的形状。为了使由气囊产生的有限的力能够把增强物压紧在极复杂的模具的整个壁上，增强物层间必须能够自由滑动，以便在贴合模具时不会堵住，从而保证了增强物的适当位置。
有许多结构是混合型的，金属附件的连接最好用金属接头或预先铆上的金属板来完成。用预先把金属板放在增强物和气囊之间，甚至放放在增强物层与层之间的方法，这是很容易实现的。
如果仅仅是模制一个结构的骨架，那模具的要求就简单了。如前面所说的，实际上扩张的力相对来说是不大的，被成型的空心部分相对来说也不大。因此用以成型的压力不会使模具造成大的自由膨胀。因而，即使要求很精确，也不必为了承受气囊的压力把模具做得厚实。模具的复杂程度取决于尺寸、几何形状等因素。但是不论多么复杂，模具必须能够顺利地打开，以便取出固化好的零件。
权利要求
1.成型一个具有变截面、弯曲、扭转和带接缝的纤维增强空心结构的方法有如下步骤(a)提供一个外模；(b)沿该外模的内表面设置纤维材料；(c)在上述纤维材料中放一个可膨胀内气囊；(d)使该气囊充气压住上述纤维材料；(e)向上述纤维材料中注入树脂；(f)固化上述纤维材料，以形成一个坚固的增强构件。
2.根据权利要求
1所述的方法，其特征在于附加的步骤是提供一个分成两块的外模，并沿这两块外模的内壁铺设两片纤维材料。
3.根据权利要求
2所述的方法，其特征是用一个比较低的压力源使该气囊膨胀，以便在注入上述树脂浸润纤维材料时把该纤维紧贴在上述内壁上。
4.根据权利要求
3所述的方法，其特征是把至少三片上述纤维材料预先放置在上述两块外模中的一块里，并允许上述纤维滑动以适应该模高度不规则的形状。
5.根据权利要求
4所述的方法，其特征在于固化步骤是在加热及加压下完成的。
专利摘要
一个具有不规则截面、弯面、接缝和扭转的纤维增强空心结构，形成这种结构的方法包括在外模壁上放置纤维材料和在纤维材料中放一个起芯模作用的气囊，合模并将气囊充气后，向纤维材料里注入树脂。固化后形成坚固的增强结构。
文档编号B60R21/231GK86105307SQ86105307
公开日1987年4月1日 申请日期1986年8月11日
发明者理查德·木扎明·弗里曼 申请人:布德公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan