专利名称：模制填料的方法
技术领域：
本发明涉及一种在制造复合部件期间模制填料的方法。
技术背景
众所周知，复合部件在固化期间，厚度减小。这个过程被称为“去胀(debulking) ”， 其基本上完全是由于夹带空气的释放而引起的。通常，预浸渍层压件(通常被称为“预浸料 坯”)的厚度减小约10-15%，而对于干燥的织物复合物来说，会有更大的厚度降低。在以下 任一情况时，这会变为严重的问题a)部件厚度较大(通常大于IOmm)，且至少是部分非平面的；或者b)部件包括比该周围材料的填充区厚很多的填充区。在US 2002/0012591 Al中描述了一种由复合材料层模制制品的方法。膜在模制 工具上被拉伸，同时，在该工具和该膜之间形成部分真空。该膜由弹性材料构成，例如硅橡 胶。被拉伸的膜用来巩固这些层，并且除去空气。
发明内容
本发明的第一方面提供一种在制造复合部件期间模制填料的方法，该方法包括将该填料和隔膜放置在阳模上，该填料具有放置于阳模顶部之上的第一部分，和 突出到阳模一侧的第二部分；以及通过在所述隔膜上施加压力差以及在施加压力差时在阳模上拉伸隔膜，使填料的 第二部分抵靠着阳模的侧面逐渐变形，其中，所述隔膜在隔膜的平面内具有大于5MPa的拉伸模量。优选地，该隔膜在隔膜的平面内在伸长率100%、200%和/或300%时具有大于 5MPa的拉伸模量。该隔膜可在隔膜的平面内具有大于6、7或SMPa的拉伸模量。优选地，在伸长率 100%、200%和/或300%时具有大于6、7或8MPa的拉伸模量。本发明的第二方面提供一种在制造复合部件期间模制填料的方法，该方法包括将该填料、支撑膜和隔膜放置在阳模上，该支撑膜和隔膜位于该填料的相反的两 侧，该填料具有放置于阳模顶部之上的第一部分和突出到阳模一侧的第二部分；由支撑膜支撑该填料的第二部分的重量；以及通过在所述隔膜上施加压力差以及在施加压力差时在阳模上拉伸隔膜使该支撑 膜和该填料的第二部分抵靠着阳模的侧面逐渐变形，其中，所述隔膜在隔膜的平面内的刚 度高于支撑膜在支撑膜的平面内的刚度。已发现，通过使得隔膜在隔膜的平面内相对硬，然后该压力被集中在该阳模的任 何高曲率区域内，这有利于去胀。还发现，通过应用上述相对硬的隔膜，获得了更好的成形 结果，具有较少的褶皱。本发明的第一方面以绝对定义将该隔膜的刚度定义为该材料的内在性质(也叫作体积特性)-也就是拉伸模量。本发明的第二方面以相对定义将该隔膜的刚度定义为该 材料的外延性质-即刚度k，被定义为 P = 7 其中，δ为在施加张力P的作用下偏离的距离。该隔膜可能包括多层隔膜或单层隔膜。在多层隔膜的情况下，其中一层可能具有 相对高的拉伸模量，并且其他层可能具有相对低的拉伸模量。优选地，至少其中一层隔膜是 刚性的_即该层隔膜在隔膜的平面内的拉伸模量大于5、6、7或8MPa。可选地，各层隔膜的 拉伸模量之和可能大于5、6、7或8MPa。通常，该方法进一步包括将变形的填料从阳模上移除；并且在阴模上固化变形的 填料。通常，该阳模的顶部与该阳模的侧面相接于具有相对高曲率的凸形角处，即曲率 高于该阳模的顶部和侧边。
通常，该填料包括复合材料，其可以是层叠的形式。例如，该填料可包括通过单轴 碳纤维(每一层包含一系列彼此大体上对齐的纤维)或编织碳纤维补强的树脂制成的预浸 材料。然而，在可选的实施方式中，填料可能是浸渍有基层的非复合形态，在成型步骤期间 或之后形成复合部件。例如填料可包括不卷曲的织物，所述不卷曲的织物包含多轴向干燥 纤维，并具有在成型前施加于其表面的粘合剂，以使得能制造去胀过的干燥纤维预制品。该 干燥纤维预制品之后将采用液体树脂利用诸如RIFT(真空浸注)或RTM(注射)技术被真 空浸注或注射以制作复合部件。当填料上升到固化温度时，或者在单独的加热/冷却周期 内，可以在固化模具中执行该浸注/注射步骤。可选地，未粘结的干燥纤维层可与树脂膜层 交织在一起，从而形成树脂膜浸注(RFI)层。在成型期间对填料加热时，树脂膜流动并浸渍 纤维层。在某些应用场合，这种材料是优选的，因为其铺设起来较快(通常为0. 75mm每层， 相比而言，在预浸料坯中是0.2mm每层)。尽管与预浸料坯相比，RFI复合部件的机械特性 受到机械性能降低的不利影响，然而，与诸如RTM的液体树脂技术相比，它们具有改进的机 械特性。其紧缩率通常高于预浸料坯中的紧缩率。在以下描述的优选实施方式，填料被用于形成飞行器机翼的翼梁。然而，本发明可 用于形成多种其他飞行器部件(例如衍条)、或形成(例如)船、汽车等的其他复合结构的 部件。
现在将参照附图描述本发明的实施方式，附图中图1是阳模和一对边缘条的俯视图；图2是沿图1中A-A线的截面图；图3是图2的部分放大图；图4是填料成型之后阳模的截面图；图5是阴模具的截面图；图6是可选成型装置的截面图；以及图7是另一可选成型装置的截面图。
具体实施例方式图1是用于形成C-断面的飞行器翼梁的一对边缘条3以及模制和去胀阳模(male moulding and debulking tool) 2的俯视图。图2是沿图1中A-A线的截面图。如图2所 示，阳模2和边缘条3被安装在工作台1上。第一步，在平的工作台上(未示出)通过铺带机(tape-laying)或其他自动机器形成复合预浸料坯的平面片材。然后从平面片材切割出理想形状的平面预浸料坯填料12。 应理解的是，预浸料坯填料12可由多种合适的复合材料形成。在优选实施方式中，该填 料由通过单轴向碳纤维补强的环氧树脂形成，例如Hexcel提供的T700/M21 (www. hexcel. com) ο参照图3，由Vacf i Im 430制成的柔软的支撑膜8披覆在模具2和边缘条3上，并通 过一条条的带7固定在边缘条3上。Vacfilm 430是高伸长弹性袋膜，能从Aerovac System Ltd (www. aerovac. com)获得。该膜在伸长率为100%时具有相对低的拉伸模量700psi (4. SMPa)。当该膜在隔膜的平面内在伸长率为100%拉伸时承受张力，该拉伸模量被定义为张 应力与拉伸应变的比值。填料12由两层聚全氟乙丙烯(FEP)离型膜9、10包住，并如图2和3中所示放置。 填料具有放置在阳模顶部之上的中心部分12a和在阳模相对的两侧突出的边缘部分12b、 12c。胎模板(caul plate) 11放置在填料的顶部，并且双层隔膜4、6披覆在装置上。 注意胎模板11是可选的，并可被省略。第一层隔膜是由Wrightloni WL7400膜制成的层 6，其披覆在装置上，并被一条条的带5固定在工作台1上。Wrightlon WL7400膜可从 Huntington Beach，CA，USA 的 Airtech AdvancedMaterials Group 获得。隔膜层 6 的拉伸模 量高于支撑膜8的拉伸模量。另外，隔膜层6(涉及拉伸模量)在隔膜层6的平面内的拉伸 刚度高于该支撑膜8在支撑膜8的平面内的拉伸刚度。第二层隔膜是低刚度层4，其披覆在 装置上并通过坚固的钢架固定在工作台1上。第二隔膜层4可由多种合适的回弹材料形成。 在优选实施方式中，隔膜层4由Mosite 1453D制成——德克萨斯州FortWorth市的Mosite Rubber公司制造的一种高强度硅橡胶。其在伸长率300%的情况下具有600psi (4. IMPa) 的拉伸模量。注意，示出该层6为单层材料，但可选的是，层6可包括WL7400膜构成的多层。通过工作台1内的一排小孔(未示出)来产生一真空，应用真空向装置施加压力。 这些小孔分布在整个工作台上，这样整个装置可被抽真空。换句话说，在支撑膜8和工作台 1之间的空穴被抽真空，且支撑膜8和双层隔膜4、6之间的空穴被抽真空，以及隔膜层4和 6之间的空穴被抽真空。如图4所示，通过在阳模12和边缘条3之间的通道17、18上方桥接所述隔膜，这 使得隔膜在阳模上被拉伸，从而压力差将隔膜拉伸到通道内。如图4所示，当隔膜被拉伸 到通道17、18内，它们逐渐地使填料的侧边12b、12c抵靠着该阳模的两侧变形。成型可在 850C -950C (优选90°C)的高温Tl或者45°C的低温下完成。注意为了清晰起见，在图4中 并未示出低刚度隔膜层4，离型层9、10，胎模板11和膜8。可通过炉、红外加热元件或其他的方法加热。可选地，可通过将组件放置在压热器内，并向隔膜的外侧施加超过Ibar的压力而提供额外的去胀压力。当接近成型和去胀温度Tl时，支撑膜8支撑填料的侧边12b、12c的重量，避免导 致起皱的自身成型的趋向。支撑膜8也确保了翼梁边缘(spar flange)能仅成型为悬链线， 否则会导致起皱。刚性膈膜层6和支撑膜8使填料12处于张力状态中，使其更加容易的在阳模上沿 着斜坡或其他复杂形状模制。注意，隔膜层4、6在张力下平铺，以在抽真空之前减少松弛。隔膜上的压力差在填料12的所有区域上施加均勻的静压。该隔膜在阳模和边缘 条3之间的通道上桥接，这使得隔膜被拉伸，在隔膜的平面内提供拉伸力，该拉伸力受到与 阳模的凸角接合处的填料的反作用。从而，施加在填料上的压力在填料表面上在下述两个 压力之间变化在填料与模具2顶部和侧面的较不凸出的大致为平面的表面区域相结合之 处的纯静压(达到大气压力，或者如使用压热器，则超过大气压力)；在凸形高曲率角部处 的包括增加到该静压的拉伸压力在内的增强压力。通过压力和升高的温度的组合而引起填料的去胀。隔膜沿着填料的侧 边12b、12c 缓慢下移的动作挤出填料中的多余的空气，有助于去胀。图4用实线示出了填料去胀前的外轮廓，并用虚线示出了去胀后的外轮廓。去胀 处理将填料的厚度从去胀前的70降低为去胀后的厚度71。应注意的是，在填料的非平面区 域和平面区域，厚度的减小量相似。在一个实施方式中，厚度70约为34mm，且厚度71约为 30mmo去胀之后，变形填料12转移到图5所示的固化阴模80，并将相关的耗材施加到填 料12的IML。然后，将模具80放置在压热器中，其中它被加热到大约180°C的固化温度T2， 并加压到7-12bar，以固化填料。固化阴模80上的填料是净厚度，这意味着填料的IML表面在固化时不必移动。因 此，填料的厚度在其中填料与模具80的凸形角表面81、82接合的非平面区域内保持不变。在可选处理中，可在用于模制和去胀的阳模2上固化填料，而不是如图5所示的在 阴模80上固化填料。在该情况下，牺牲层可被添加到填料构成的模外衬(OML)以进行加工 而满足几何公差。热去胀处理控制该阳固化翼梁的厚度，从而降低部件的可变性，并使所需 的牺牲层厚度(或数量)最小化。图6示出了另一可选的成型和去胀装置。这类似于图1-3的装置并且相似的特征 采用相同的附图标记。然而，要注意低刚度隔膜层4和胎模板11被删除，且在刚性隔膜层 6之下设置有呼吸层20。也要注意，代替图1-3中所示的三角形边缘条3，设置了矩形打扫 块(rectangular sweeper blocks)3a0图7示出了进一步的可选的成型和去胀装置。其具有类似于图6的装置并且相似 的特征采用相同的附图标记。注意，相比较而言，图7包括胎模板11。参照图1，模具2具有曲边13，该曲边具有大的曲率半径(约100米)。每一层预 浸料坯包含大批沿着一个方向延伸的碳纤维。在翼梁的根部15和顶部16之间，某些预浸 料坯沿着翼展方向延伸平铺纤维。这就是传统的“零度纤维”，因为它们沿着翼展0°方向 排列。某些沿着与翼展方向垂直的翼弦方向延伸平铺纤维。某些以沿着翼展+/-45度角的 方向平铺。在传统的装置中，起皱趋于沿着图1所示的线14形成。我们认为这是由于零度 纤维而形成的。
令人惊奇的是，已发现通过应用相对硬的隔膜层6，这种起皱趋势就不会形成。还 针对不同刚度的隔膜6做了实验，并且发现刚度越大，施加在阳模2上的凸形角处的压力就 越大。在凸形角处的力的集中有利于成型和去胀。低刚度隔膜层4具有回弹性可重复利用， 所以可在多次成型周期被再利用。相比 之下，高刚度隔膜层6尽管能获得更好的层间固化，但是可能需要更频繁的替换。尽管以上已经参照一个或多个优选实施方式描述了本发明，但是应理解的是，在 不偏离所附权利要求中所限定的本发明范围的情况下可作出多种变化或改变。
权利要求
一种在制造复合部件期间模制填料的方法，所述方法包括将所述填料和隔膜放置在阳模上，所述填料具有放置于所述阳模顶部之上的第一部分和突出到所述阳模一侧的第二部分；以及通过在所述隔膜上施加压力差以及在施加所述压力差时在所述阳模上拉伸所述隔膜，使所述填料的所述第二部分抵靠着所述阳模的侧面逐渐变形，其中，所述隔膜在所述隔膜的平面内具有大于5MPa的拉伸模量。
2.一种在制造复合部件期间模制填料的方法，所述方法包括将所述填料、支撑膜和隔膜放置在阳模上，所述支撑膜和所述隔膜位于所述填料的相 反的两侧，所述填料具有放置于所述阳模顶部之上的第一部分和突出到所述阳模一侧的第 二部分；由所述支撑膜支撑所述填料的所述第二部分的重量；以及通过在所述隔膜上施加压力差以及在施加所述压力差时在所述阳模上拉伸所述隔膜， 使所述支撑膜和所述填料的所述第二部分抵靠着所述阳模的侧面逐渐变形，其中，所述隔膜在所述隔膜的平面内的刚度高于所述支撑膜在所述支撑膜的平面内的 刚度。
3.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述填料包括堆叠的多层复合材料。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，每一层都包含一组彼此大体上对齐的纤维。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过在邻近所述阳模的通道上方桥 接所述隔膜，使得所述隔膜在所述阳模上被拉伸，从而所述压力差将所述隔膜拉伸到所述 通道内。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，该方法进一步包括将变形的所述填料从 所述阳模上移除；并且在阴模上将所述填料固化。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述阳模的顶部与所述阳模的侧面 相接于具有相对高曲率的凸形角处。
8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述复合部件是飞行器部件。
9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述隔膜在所述隔膜的平面内具有 大于6MPa的拉伸模量。
10.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述隔膜在所述隔膜的平面内具有 大于7MPa的拉伸模量。
11.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述隔膜在所述隔膜的平面内具有 大于8MPa的拉伸模量。
12.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述隔膜是多层隔膜。
13.—种通过上述权利要求中任一项所述的方法制造的复合部件。
全文摘要
一种在制造复合部件期间模制填料的方法，该方法包括将该填料和隔膜放置在阳模上，该填料具有放置于该阳模顶部之上的第一部分，和突出到该阳模一侧的第二部分；以及通过在所述隔膜上施加压力差以及在施加所述压力差时在阳模上拉伸隔膜，使填料的第二部分抵靠着阳模的侧面逐渐变形。所述隔膜在该隔膜的平面内具有大于5MPa的拉伸模量。可选地，支撑膜可被放置在该填料的相反侧。当使用支撑膜时，该隔膜在隔膜的平面内的刚度高于该支撑膜在支撑膜的平面内的刚度。
文档编号B29C70/54GK101835583SQ200880110061
公开日2010年9月15日 申请日期2008年9月29日 优先权日2007年10月4日
发明者杰戈·普里迪 申请人:空中客车英国有限公司