降低复合树脂部件中孔隙度的方法和装置制造方法

降低复合树脂部件中孔隙度的方法和装置制造方法
【专利摘要】本发明的名称是降低复合树脂部件中孔隙度的方法和装置。将电荷置于用于固化复合树脂部件铺叠的工具上。带电的工具产生将树脂中夹带的气体吸引到工具表面的静电力，从而降低固化部件中的孔隙度。
【专利说明】降低复合树脂部件中孔隙度的方法和装置
[0001]背景信息【技术领域】
[0002]一般而言，本公开内容涉及复合树脂部件的制造，并且更具体地涉及降低部件中孔隙度的方法和装置。
【背景技术】
[0003]通过将多个预浸料(prepreg)形式的纤维增强树脂板层铺叠可制造复合树脂部件。通过将预浸料部件铺叠放置在工具上并使其经受热和压力的组合，而将其固化。随着部件铺叠被加热，预浸料板层软化并且流动，以便形成加固的结构，然而，空气和/或挥发性气体可在固化过程期间夹带在板层内，其造成固化部件中的孔隙度。这些孔隙度是不期望的，因为其可能降低部件的性能。在一些应用中，靠近部件铺叠工具侧(tool side)的夹带空气和/或气体是特别有问题的并且难以去除。对于工具侧部件孔隙度的问题的一个解决方案包括将部件铺叠在高压釜中固化，在该高压釜中，将高压施加到部件，其可将夹带空气和/或气体挤出。高压釜固化复合材料部件铺叠是耗时的、劳动密集的并且需要大的相对昂贵的资本设备。对于该问题的另一个解决方案集中在允许使用采用嵌入式透气性材料比如玻璃或多稀松织物(polyscrim)材料的装袋技术使部件铺叠通过所述铺叠的外皮透气。透气性材料的广泛应用——包括嵌入式透气性材料烘箱固化使用时——也是耗时和劳动密集的，并且对于消除部件孔隙度可能不是完全有效的，特别是对靠近部件工具侧出现的那些孔隙度。
[0004]因此，需要将复合树脂部件铺叠固化的方法和装置，其大量降低或基本上消除工具侧部件孔隙度。而且，需要如上所述的方法和装置，其允许使用常规真空装袋技术非高压釜(低压固化，out-of-autoclave)加工复合树脂部件铺叠并且在常规烘箱内固化。

【发明内容】

[0005]公开的实施方式提供非高压釜固化复合树脂部件铺叠的方法和装置，其可使用常规的烘箱执行，并且对于降低或消除工具侧部件孔隙度是有效的。通过使用电荷发生器比如但不限于静电荷发生器将电荷置于固化工具上而降低工具侧部件孔隙度。工具侧孔隙度的降低可以使部件能够使用非高压釜方法进行固化。
[0006]在一个实施方式中，使用电荷发生器对工具负电荷充电，这使得负电荷被置于与部件铺叠接合的工具表面上。部件铺叠携带正电荷。工具表面上的负电荷在固化工具和带正电的部件铺叠之间形成电荷不平衡或电势差，并且该电势差产生静电吸引力。随着部件铺叠在固化过程期间被加热，树脂变得粘性下降并且开始流动，这允许任何夹带的气体分子迁移。静电力朝向工具表面吸引夹带气体和树脂二者的分子，从而大量降低或基本上消除部件孔隙度，特别是工具侧孔隙度。
[0007]可使用机械技术比如但不限于摩擦起电将负电荷置于工具上。通过将两种材料置于工具的背面上实现摩擦起电，所述两种材料在摩擦电序上充分远隔开，以在未固化的复合材料部件铺叠和工具表面之间产生必要的电势差。在其它实施方式中，可使用动态动力系统比如范德格拉夫发生器将负电荷置于工具上。
[0008]根据一个公开的实施方式，提供了降低复合树脂部件中的孔隙度的方法。所述方法包括将未固化的复合材料部件铺叠放置在工具的表面上，并且通过对工具充电而使电荷置于工具上。所述方法进一步包括使用工具上的电荷将未固化的复合材料部件铺叠内的分子吸引到工具的表面，并且将复合材料部件铺叠固化。可以使用摩擦起电或范德格拉夫发生器进行工具的充电。通过将负电荷置于工具上进行充电，该负电荷用于朝向工具表面吸弓I复合材料部件铺叠中的气体分子。
[0009]根据另一个实施方式，提供了制造复合材料部件的方法，包括将未固化的复合树脂部件铺叠放置在工具表面上，并且将真空袋在复合材料部件铺叠之上密封。所述方法进一步包括在袋中抽真空，加热复合材料部件铺叠，并且将电荷置于工具上以便朝向工具表面吸引复合树脂部件铺叠内的气体分子。所述方法还包括将复合材料部件铺叠固化。固化过程可以在烘箱内执行。通过对工具摩擦起电可以进行将电荷置于工具中。
[0010]根据又另一个实施方式，提供了当在工具表面上固化复合树脂部件铺叠时降低其中工具侧孔隙度的方法。所述方法包括使用电荷将复合树脂部件铺叠中的气体分子吸引到工具表面。
[0011]根据又另一个实施方式，提供了固化复合树脂部件的装置，其包括工具和电荷发生器，所述工具具有适合于接合复合树脂部件铺叠的工具表面，所述电荷发生器用于在工具表面上产生足量的电荷以便将复合树脂部件铺叠中的气体分子吸引到工具表面。
[0012]根据本公开内容的一方面，提供了降低复合树脂部件孔隙度的方法，包括将未固化的复合材料部件铺叠放置在工具表面上，并且将未固化的复合材料部件铺叠内的分子吸引到工具表面。有利地，所述方法可进一步包括将部件铺叠固化。有利地，所述方法可包括将分子吸引到工具表面，包括通过对工具充电而将电荷置于工具上。有利地，所述方法可包括其中使用摩擦起电对工具进行充电。有利地，所述方法可包括其中使用范德格拉夫发生器对工具进行充电。有利地，所述方法可包括其中使用负电荷发生器对工具进行充电，并且置于工具上的电荷是负电荷。有利地，所述方法可进一步包括使用工具上的电荷朝向工具表面吸引复合材料部件铺叠中的气体分子。有利地，所述方法可包括其中使用静电荷发生器对工具进行充电。有利地，所述方法可包括其中对工具充电包括与工具接触放置材料层，并且使空气通过材料层表面上方。
[0013]有利地，所述方法可包括其中通过倚靠工具放置FEP层并且倚靠FEP层放置材料而对工具进行充电，其中所述材料是尼龙和聚酯之一。
[0014]根据本公开内容的另一个方面，提供了制造复合材料部件的方法，包括将未固化的复合树脂部件铺叠放置在工具表面上，将真空袋在复合树脂部件铺叠之上密封，在真空袋中抽真空，加热复合树脂部件铺叠，并且将电荷置于工具上以朝向工具表面吸引复合树脂部件铺叠内的气体分子。有利地，所述方法可进一步包括将复合材料部件铺叠固化。有利地，所述方法可包括其中通过对工具摩擦起电进行将电荷置于工具上。有利地，所述方法可包括其中通过以下进行摩擦起电:与工具接触放置第一材料的第一层，其中第一材料的第一层在摩擦电序上是相对负的；并且将第一材料的第一层与第二材料接触，其中第一材料和第二材料在摩擦电序上是充分间隔开的。有利地，所述方法可包括其中将第一材料与第二材料接触包括使空气通过第一材料上方。
[0015]根据本公开内容的又另一个方面，提供了当在工具表面上固化复合树脂部件铺叠时降低其中工具侧孔隙度的方法，包括使用电荷将复合树脂部件铺叠中的气体分子吸引到工具表面。
[0016]根据本公开内容的又另一个方面，提供了固化复合树脂部件的装置，其包括工具和电荷发生器，所述工具具有适合于接触复合树脂部件铺叠的工具表面，所述电荷发生器用于在工具表面上产生足量的电荷以将复合树脂部件铺叠中的气体分子吸引到工具表面。有利地，所述装置可包括其中电荷发生器包括摩擦电荷发生器。有利地，所述装置可包括其中摩擦电荷发生器包括至少两种彼此接触并且在摩擦电序中充分分离的材料，以在工具表面上产生电荷。有利地，所述装置可包括其中摩擦电荷发生器位于工具上。有利地，所述装置可包括其中摩擦电荷发生器包括与工具接触并且在摩擦电序中具有固有负电荷的第一材料，以及与第一材料接触并且与第一材料在摩擦电序中分离开足够的量以在工具表面上产生电荷的第二材料。有利地，所述装置可包括其中第一材料包括第一层和第二层，并且第二材料布置在第一层和第二层之间，并且是可透过的以允许气流通过第一层和第二层的表面。有利地，所述装置可包括其中第二材料包括覆盖第一材料并且密封到工具的柔性袋。有利地，所述装置可包括其中第一材料是氟化乙烯丙烯(FEP)并且第二材料是尼龙和聚酯之一。有利地，所述装置可以包括其中柔性袋包括进气口，并且电荷发生器包括用于将空气从进气口抽取通过第一材料并离开柔性袋的文丘里装置(Venturi device) 0有利地，所述装置可进一步包括适合于在固化烘箱内支撑工具的架以及在电荷发生器和架之间的电绝缘层。
[0017]特征、功能和优势可独立地在本公开内容的各种实施方式中实现，或者可在其它实施方式中结合，其中进一步的细节参照下面的描述和附图可见。
[0018]附图简述
[0019]被认为是有利实施方式的特点的新特征在所附权利要求中阐述。然而，当结合附图阅读时，参照本公开的有利实施方式的下列详述将最好地理解有利的实施方式，以及其优选的使用模式、进一步的目标及优势，其中:
[0020]图1是固化复合树脂部件铺叠的装置的功能框图图示，其降低部件孔隙度。
[0021]图2是图1中所示装置的一个实施方式的分解侧视图图示。
[0022]图3是沿图2中的线3-3获取的未分解截面图图示。
[0023]图4是所述装置的另一个实施方式的侧视图图示。
[0024]图4A是利用摩擦起电效应的范德格拉夫发生器的图解视图。
[0025]图5是所述装置的进一步实施方式的侧视图图示。
[0026]图6是固化复合树脂部件铺叠的方法的流程图图示，其降低部件孔隙度。
[0027]图7是航空器生产和使用方法的流程图图示。
[0028]图8是航空器的方框图图示。
【具体实施方式】
[0029]图1宽泛地图示了用于固化复合树脂部件铺叠的装置的组件，所述固化降低由于夹带气体的部件孔隙度。部件孔隙度特别是工具侧孔隙度的降低可能够使用非高压釜方法以固化复合材料部件铺叠。未固化的复合材料部件铺叠20被放置在合适的工具22的表面25上，工具22有时被称作固化工具或粘合工具。如下面将更详细讨论的，真空袋(图1中未显示)可放置在部件铺叠20之上并且密封到工具表面25以便在固化过程期间对部件铺叠20施加压实压力。放置在工具22上的部件铺叠20可在虚线26所示的常规烘箱中固化。为了降低部件孔隙度，特别是靠近工具表面25的部件孔隙度，使用电荷发生器24将负电荷置于工具22上，其可以在整个固化周期内保持。未固化的复合材料部件铺叠20携带正电荷+。由带正电的部件铺叠20和带负电的工具22造成的电势差V产生静电力F，其将夹带空气和/或挥发性气体分子58 (在下文中被统称为一种或多种气体或气体分子)。作为气体分子58迁移到工具表面25的结果，大量降低或基本上消除了固化部件铺叠20中由夹带气体造成的孔隙度。
[0030]现将注意力放到图示了图1所示装置的一个实施方式的图2和3，所述装置可用于使用常规真空装袋技术在常规烘箱26内固化复合树脂部件铺叠20以在固化过程期间对部件铺叠20施加压实压力。未固化的复合材料部件铺叠20可包括多个预浸料板层，其都包含保持在聚合物树脂基体20b中的纤维增强20a (图3)。未固化的复合材料部件铺叠20被放置在工具22的表面25上。在图示的实施方式中，工具表面25显示为基本上平的，然而在其它应用中，工具表面25可具有一个或多个轮廓线或曲线或者平区域和轮廓线(未显示)的组合。工具22可以包括金属、复合材料或者其它能够保持由电荷发生器24产生的电荷的材料，其在该实例中为图1所示的电荷发生器24的无动力机械形式。
[0031]常规的柔性真空袋32——其可包括但不限于尼龙或聚酯——覆盖部件铺叠20并且使用常规的密封带或其它密封方法(未显示)密封到工具表面25。虽然图中没有图示，但可以将一个或多个通气器、剥离板层、隔板(caul plate)等放置在真空袋32下方的部件铺叠20之上。真空袋32包含与用于将袋32抽空的真空管40连结的出气口 38，产生在固化周期期间施加到部件铺叠20的压实压力。
[0032]随后描述的电荷发生器24被附接到工具22的底部36。电荷发生器24连同工具22和部件铺叠20被支撑在烘箱架(oven rack) 30上，烘箱架30可放置在常规的加热烘箱26内以进行固化。电荷发生器24通过绝缘层28与烘箱架30电绝缘，绝缘层28可包括但不限于玻璃纤维布。在通过电荷发生器24对工具22充电期间，绝缘层28将电荷发生器24与烘箱架30电绝缘，从而防止置于工具22上的负电荷放电。
[0033]在图2和3所示的实施方式中，电荷发生器24包括摩擦静电荷发生器，其包含分别第一材料的第一层42和第二层44，其间隔开并且被第二材料的可透过层46分隔，所述可透过层46允许空气由此经过。分别第一材料的第一层42a和第二层42b具有与第二材料的层46接触的相对的表面42a，44a(图3)。摩擦电荷发生器24通过摩擦起电效应产生电荷。有时被称为摩擦起电(triboelectric charging)的摩擦起电效应(triboelectriceffect)是一种接触起电的形式，其中某些材料在它们与另一种不同的材料接触并且随后被分离——比如通过摩擦——之后变得带电，尽管在一些情况中电荷转移也可以通过简单接触而没有摩擦或分离而发生。根据材料、表面粗糙度、温度、应变和材料的其它性质，产生的电荷的极性和强度不同。根据当材料被另一个物体接触时电荷分离的极性的顺序，材料可以以被称为摩擦电序的序列排列。当朝向序列底部的材料被靠近序列顶部的材料接触时将获得更负的电荷，反之亦然。材料在摩擦电序上彼此相距越远，转移的电荷越大。
[0034]材料层42，44，46被真空袋56覆盖，真空袋56可包括，例如但不限于，聚酯或尼龙。真空袋56通过任何合适的技术比如使用常规的密封带(未显示)密封到工具22的底部36，并且共形地接合一个第二材料的第二层44。附接到袋56 —侧的文丘里装置52与吸筒54连结。文丘里装置52包括在袋56内产生局部部分真空的内文丘里管(Venture tube)(未显示)。该局部部分真空使得空气被抽入袋56中的入口 48并且通过第二材料的层46。
[0035]流经第二材料的层46的空气移动通过第一材料的第一层42和第二层44的表面42a, 44a(图3)上方。选择形成层46的第二材料和形成层42，44的第一材料，使得其在摩擦电序中充分间隔开，以当空气流经层46和第一层42和第二层44的上方时在工具22上产生期望量的负电荷。例如，但不限于，在一个实施方式中，材料的第一层42和第二层44的每一个可以包括在摩擦电序中具有相对负电荷的材料，比如但不限于，合适的FEP(氟化乙烯丙烯)比如Teflon'并且第二材料的层46可包括在摩擦电序中具有相对正电荷的玻璃布(woven glass)/NlO0
[0036]袋56与第二层44的接触，连同分别在第一层42和第二层46的相对表面42a，44a上方的气流通过摩擦电荷生成效应造成负电荷置于工具22上。可在工具22的背面36上利用材料的其它排列，以便通过摩擦起电效应在工具22上产生摩擦电荷。如之前讨论的，由电荷发生器24产生的电荷对工具22负电荷充电。工具表面25上的负电荷产生分别朝向工具表面25吸引气体和树脂二者的分子58，60(图3)的静电力F(图1)，从而大量降低或基本上消除固化部件中的孔隙度，特别是工具侧的孔隙度。由静电力F造成的树脂分子60朝向工具表面25的迁移可有助于将气体分子58从部件铺叠20移出到工具表面25。
[0037]如之前所述的，图1中所示的电荷发生器24可包括许多装置中的任何一个，所述装置能够产生可转移到工具22的电荷以便在工具表面25上形成负静电荷以及在工具22和复合材料部件铺叠20之间的期望电势差。例如，参考图4，电荷发生器24可包括可直接连接到工具22的有动力的静电发生器64。在该实例中，工具22被支撑在烘箱架30上，烘箱架30通过电绝缘的层28与工具22绝缘。
[0038]静电发生器64可包括但不限于范德格拉夫发生器，其包括在两个或更多个皮带轮(未显示)之上运行的柔性介电材料带(未显示)，以及靠近皮带轮(未显示)放置的电极。可选地，静电发生器64可包括利用摩擦起电效应的范德格拉夫发生器形式，比如图4A中所示的。在这个后面的实例中，一个或多个带65与辊对67，69之间的摩擦对辊67，69充电有相反的极性，棍67，69中的一个由绝缘材料制成,或者两个都由摩擦起电等级上不同位置处——一个在材料或带以上并且另一个在材料或带以下——的绝缘材料制成。来自辊67，69的电场(未显示)随后在电极71，73上诱导电晕放电，其将与辊67，69上电荷极性相反的电荷喷射(spray)到带65上。与具有复杂或高度波状工具表面的固化工具22结合，并且与大和小工具串(tool string)结合，可期望使用上述动力类型的静电发生器64。
[0039]图5中图示了固化复合材料部件铺叠20的装置的进一步实施方式，其降低或消除部件孔隙度。在该实例中，工具22的底部36基本上被第一材料的层42覆盖。第二材料的层56覆盖第一材料的层42并且被夹在层42和绝缘层28之间。第一层42和第二层56具有在摩擦起电等级上充分不同的固有电荷以在工具表面25上产生期望的静电荷。例如，与工具22的底部36接触的层42可包括具有相对负电荷的FEP/Teflon材料，并且层56可包括在摩擦电序上具有相对正电荷的尼龙或聚酯。在图5所示的实施方式中，不是必须如图2和3所不的实施方式中进行将空气通过层42，56任一个的上方。
[0040]现将注意力放到图6，其宽泛地图示了固化复合材料部件铺叠的方法的整个步骤，所述方法降低固化部件中的工具侧孔隙度，并且可以使用常规的真空袋加工技术和常规的固化烘箱执行。在66开始，将未固化的部件铺叠20放置在工具22的表面25上。在68，将真空袋32放置在部件铺叠20之上并且密封到工具22。在78，在真空袋32内抽真空，并且在72，对工具22充电，在图示的实例中其包括将负电荷置于工具22上，其在工具表面25上产生负静电荷。在74，使用置于工具表面25上的静电荷将气体和树脂分子吸引到工具表面25。在76，通过将部件铺叠20连同带负电的工具22放置在常规烘箱26中固化复合材料部件铺叠。
[0041]本公开内容的实施方式可用于多种潜在的应用，特别是在运输产业中，包括，例如，航空航天、船舶、汽车应用以及可使用自动铺叠设备的其它应用。因此，现参考图7和8，本公开内容的实施方式可用在图7所示的航空器制造和使用方法78和图8所示的航空器80的情况中。公开的实施方式的航空器应用可以包括，例如但不限于，固化复合树脂部件比如但不限于横杆、翼梁和纵梁，这里仅举几个例子。在生产前期间，示例性方法78可以包括航空器80的规格和设计82以及材料采购84。在生产期间，发生航空器80的部件和子组件制造86以及系统整合88。其后，航空器80可经受认证和发照90以便投入使用92。在消费者使用时，航空器80安排进行日常维修和保养94 (其还可以包括改进、重新配置、整修等
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[0042]方法78的每个过程可以通过系统整合人员、第三方和/或操作人员(例如，消费者)执行或实施。出于该描述的目的，系统整合人员可以包括但不限于诸多航空器制造商和主要系统转包商；第三方可以非限制性地包括诸多销售商、转包商和供应商；以及操作者可以是航空公司、租赁公司、军事实体、服务组织等。
[0043]如图8所示，通过示例性方法78生产的航空器80可以包括具有多个系统98的机体96和内部100。高水平系统98的实例包括一个或多个推进系统102、电力系统104、液压系统106和环境系统108。可以包括任意数量的其它系统。虽然显示航空航天的实例，但本公开内容的原理还可适用于各种其它的工业，比如于船舶和汽车工业。
[0044]可以在生产和使用方法78的任意一个或多个阶段期间利用本文实施的系统和方法。例如，对应于生产过程86的部件或子组件可以以与使用航空器80时生产的部件或子组件类似的方式构造或制造。另外，例如通过大幅加快航空器80的装配或减少航空器80的成本，可以在生产阶段86和88期间利用一个或多个装置实施方式、方法实施方式或其组合。类似地，当航空器80在使用中，例如但不限于，用于维修和保养94时，可以利用一个或多个装置实施方式、方法实施方式或其组合。
[0045]已经出于说明和描述的目的呈现了不同的有利实施方式的描述，并且该描述并非意欲是穷举的，或限制于公开形式的实施方式。许多修改和变化对于本领域普通技术人员而言将是显而易见的。而且，不同的有利实施方式相比于其它有利的实施方式可以提供不同的优势。选择和描述选取的一个或多个实施方式以便最好地解释实施方式的原理、实际应用并使其他本领域普通技术人员能够理解适用于预期的具体用途的各种修改的各种实施方式的公开内容。
【权利要求】
1.降低复合树脂部件的孔隙度的方法，包括: 将未固化的复合材料部件铺叠放置在工具的表面上；并且 将所述未固化的复合材料部件铺叠内的分子吸引到所述工具的所述表面。
2.权利要求1所述的方法，进一步包括将所述部件铺叠固化。
3.权利要求1所述的方法，其中将所述分子吸引到所述工具的所述表面包括通过对所述工具充电将电荷置于所述工具上。
4.权利要求3所述的方法，其中使用摩擦起电对所述工具进行充电。
5.权利要求3所述的方法，其中使用范德格拉夫发生器对所述工具进行充电。
6.权利要求3所述的方法，其中使用负电荷发生器对所述工具进行充电，并且置于所述工具上的所述电荷是负电荷。
7.权利要求3、4、5或6所述的方法，进一步包括: 使用所述工具上的所述电荷朝向所述工具的所述表面吸引所述复合材料部件铺叠中的气体分子。
8.权利要求3、4、5或6所述的方法，其中使用静电荷发生器对所述工具进行充电。
9.固化复合树脂部件的装置，其包括: 工具，其具有适合于接触复合树脂部件铺叠的工具表面；以及电荷发生器，用于在所述工具表面上产生足量的电荷以将所述复合树脂部件铺叠中的气体分子吸引到所述工具表面。
10.权利要求9所述的装置，其中所述电荷发生器包括摩擦电荷发生器。
11.权利要求10所述的装置，其中所述摩擦电荷发生器包括至少两种材料，其彼此接触并且在摩擦电序中充分分离以在所述工具表面上产生所述电荷。
12.权利要求10所述的装置，其中所述摩擦电荷发生器位于所述工具上。
13.权利要求10所述的装置，其中所述摩擦电荷发生器包括: 第一材料，其与所述工具接触并且在摩擦电序中具有固有的负电荷，以及第二材料，其与所述第一材料接触并且在所述摩擦电序中与所述第一材料分离开足够的量，以在所述工具表面上产生所述电荷。
14.权利要求13所述的装置，其中: 所述第一材料包括第一层和第二层，并且 所述第二材料布置在所述第一层和所述第二层之间，并且是可透过的以允许气流通过所述第一层和所述第二层的表面。
15.权利要求9至14所述的装置，进一步包括: 适合于在固化烘箱内支撑所述工具的架；以及 所述电荷发生器和所述架之间的电绝缘层。
【文档编号】B29C70/34GK103465479SQ201310219019
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年6月4日 优先权日:2012年6月5日
【发明者】D·T·米斯茨阿格纳 申请人:波音公司