制造复合材料的单片式机身筒的方法
【专利摘要】真空袋(18)放置在内芯轴的内形成表面(IML)周围，所述内芯轴设有具有平行纵向狭槽(17)的径向可缩回扇区(11a、11b)。复合材料桁条(30)定位在所述狭槽(17)中。在每个桁条中放置有各自的延长内支架(31)，所述内支架由不可渗透的管状袋(32)覆盖。在所述桁条(30)、所述涂层支架(31、32)和所述内形成表面(IML)周围层压有复合材料蒙皮(37)。外固化工具(50、51)在所述蒙皮(37)周围闭合，限定出所述机身筒的外形成表面(OML)，在所述蒙皮(37)的外表面与所述外形成表面(OML)之间留出具有预定径向宽度的环形间隙(G)。向封闭在所述真空袋(18)与所述外工具(50、51)之间的空间施加真空，以便增大未固化筒的直径，使所述筒从所述内芯轴(10)脱离并使所述蒙皮(37)的外表面与所述外工具(50、51)的内表面(OML)接触。
【专利说明】制造复合材料的单片式机身筒的方法
[0001] 本发明涉及一种制造复合材料的机身筒的方法，该机身筒通过桁条加固。更加具 体地，本发明涉及用复合材料制造以单片式制成的机身筒，该机身筒包括：整体呈管状、圆 筒形或截头圆锥状的蒙皮以及在筒的内表面上凸出的一系列纵向桁条。
[0002] 现有技术包括多种制造完整复合材料机身筒的方法。一般而言，一些方法要求 在内芯轴或内形成工具周围对筒进行固化，这提供了筒的内形成表面（所谓的"内模塑 线"（IML)或"内模塑表面"）。在其它情况下，固化操作发生在中空形成工具中，该中空形 成工具提供了筒的外形成表面（"外模塑线"（IML)或"外模塑表面"）。
[0003] 第一种已知的方法包括：在芯轴之上对机身筒进行层压以及随后的固化，该芯轴 具有与机身筒的内表面（"内模塑线"）对应的形状。根据该技术，将尚未固化的桁条容置 于形成在芯轴的外表面中的相应纵向狭槽中。在每个桁条中放置能膨胀元件（或"气囊")， 接着在桁条之上铺设一层预浸渍有热固性可固化树脂的织物，以便在随后的旋转阶段期间 保持桁条和能膨胀元件。接着利用已知的"纤维铺放"技术铺设外蒙皮。然后将由金属或 碳制成的柔性片（所谓的"垫板"）定位在组件之上，这些柔性片的作用是在高压釜中进行 固化期间对筒的外表面进行平滑处理。最后，在制备了用于抽出空气和气体的通道（透气 织物和真空阀）后，用通过已知技术利用尼龙膜制成的真空袋覆盖整个组件。接着将整个 组件定位在高压釜中，借由加热和温度进行固化/压紧过程。
[0004] 该方法的优点在于确保精确的内表面，这简化了内结构元件（梁架等）的组装，但 也潜在地引起一些缺陷：
[0005] 为了在固化之后能够将具有ML形状的芯轴从筒中抽出，所述芯轴可拆卸为多个 可折叠扇区（通常为六个扇区）。该要求意味着在扇区之间需要密封垫片，由于必须经受高 压釜的温度和压力，所以需要频繁地对密封垫片进行维护以避免失去密封性而在生产出来 的筒上出现无法接受的孔隙的风险。
[0006] 将芯轴分解为径向可缩回的扇区需要操作机构。操作机构也受到高压釜的温度和 压力的负面影响，因此操作机构也需要频繁的维护操作。
[0007] 芯轴的扇区之间必须准确接合，以防止在筒上形成无法接受的台阶和褶皱。对于 大型机身筒而言，扇区的准确接合非常复杂并且要求经常调节。
[0008] 压紧机构推动筒的外表面抵靠成形芯轴的ML表面，减少了未固化材料的周向长 度以使其达到固化后的厚度。压紧机构的动作，结合周向长度的减少，在筒的外表面上产生 纵向褶皱，因而必须经过复杂而昂贵的结构测试计划来检测合格度。
[0009] 另一种已知的方法是通过夹层结构和蜂巢加固生产小直径的机身筒。在该方法 中，用到了辅助芯轴，该辅助芯轴的形状与筒的内部形状（ML)对应，在辅助芯轴上设置有 尼龙膜，该尼龙膜将构成最终的真空袋。接着通过已知的"纤维铺放"技术铺设内蒙皮。随 后，定位所谓的"蜂巢"材料并铺设由碳增强树脂制成的蒙皮，这里再次用到了 "纤维铺放" 技术。这时，将表面等于筒的外表面（外模塑线0ML)的固化工具定位在筒的周围。将已经 设置在ML辅助芯轴上的真空袋密封至（包括）OML外固化工具。当施加真空时，筒会有与 ML辅助芯轴分离的趋势并附着至OML芯轴的表面。由此形成间隙，该间隙使得可以移除 ML辅助芯轴并将OML工具中的筒送入高压釜中进行固化/压紧。该方法克服了前一方法 的问题，但在已知的方法中仅仅可用于夹层结构，而在固化之前将頂L芯轴从筒中抽出仍 存在风险，因为是在有限的间隙中进行抽取操作，所以可能会损坏固化袋。
[0010] 航空业目前需要制造通过桁条加固的筒。
[0011] US2009/0139641A1提供了在构成中空芯轴的OML表面的中空表面上应用复合材 料以形成在轴线的周围呈360°延伸的蒙皮。接着，借由进入芯轴OML的内部并将桁条的法 兰或机翼推动抵靠蒙皮的定位器，将桁条定位在蒙皮的内表面上。在桁条之上安装真空袋， 并向真空袋施加真空以向外挤压桁条和蒙皮并使其抵靠工具的内表面。接着共固化蒙皮和 桁条组成的组件以将桁条固定至蒙皮并加固该结构。为了进行层压，要求能够在OML芯轴 内部进行层压的特殊"纤维铺放"机器和用于定位加固桁条和真空袋的复杂设备。
[0012] 本发明的目的在于提出一种制造完整机身筒的简化方法，该机身筒由具有特别准 确的外表面的祐 1条加固，该外表面在使用时作为气动表面。本发明的其它目的在于避免对 未固化复合材料、真空袋和形成工具造成损坏。
[0013] 本发明的上述和其它目的和优点将在后文得以更好的理解，这些目的和优点通过 所附权利要求书中限定的制造方法来实现。
[0014] 本发明的特征和优点将在下面的详细说明中变得清楚，下面的详细说明将参考附 图仅以非限制性示例的方式提供，在附图中：
[0015] 图1是具有可缩回扇区的芯轴的坚直截面的局部不意图；
[0016] 图2是用于形成非固化复合材料的由桁条加固的机身筒的设备的示意性透视图；
[0017] 图3是在制造过程的初始阶段中图1所示芯轴的外围部分的示意性截面透视图；
[0018] 图4是用于形成桁条的覆盖支架的示意性截面透视图；
[0019]图5是在铺设复合材料之前的其制备的初始阶段中图1所示芯轴的示意性侧视 图；
[0020] 图6至图12是在制备待固化的筒的各个阶段期间图2所示设备的示意性透视图；
[0021] 图13是包括在成形设备的外模与内芯轴之间的筒部分的坚直截面的部分示意 图；
[0022] 图14示意性地表示了成形设备的部分与本方法中使用的多种不可渗透的膜包装 纸之间的密封线；以及
[0023] 图15是芯轴、筒、外模和本方法中可能使用到的膜包装纸的示意性侧视图。
[0024] 首先参考图1和图2,附图标记10总体表示可折叠内芯轴（或辅助芯轴），该芯轴 的外表面由一组芯轴扇区11限定，该芯轴扇区可相对于中心水平轴线X径向缩回。芯轴扇 区能在径向方向上进行操作以呈现径向延伸位置，在该径向延伸位置中，芯轴扇区周向地 并列放置以便共同限定出周向连续外表面，在该周向连续外表面上安置有用于制造机身主 体的待固化的预浸渍纤维带。在图中示出的示例中，芯轴的外表面几乎为圆筒形的以制造 飞机的机身的主体或中间段。然而，本方法也同样适用于制造锥形机身筒（或机身主体）， 例如，截头锥形，筒根据纵向位置沿着机身放置。本方法不限于制造具有旋转体形状或直纹 曲面形状的筒。
[0025] 芯轴10包括网状的内支撑结构12,在本示例中，该网状的内支撑结构12形成为 六方柱，绕轴线X旋转地安装在中心旋转轴13上。芯轴的扇区以一种已知的方式分为两组 Ila和11b，这两组扇区Ila和Ilb在周向方向上交替设置。例如，从W02007/148301A2得 知一种合适类型的内芯轴示例。旋转轴13由三个支架支撑：两个端部支架14和15以及一 个中间支架16,中间支架16优选地设置在两个端部支架的正中间，这样使得内芯轴10保持 支撑在两个端部支架其中之一（本示例中为支架15)与中间支架之间的工作位置中，其原 因将在下文阐释。
[0026] 在扇区Ila和Ilb的外表面上形成有平行的纵向狭槽17(图4)，在本示例中，纵 向狭槽17为梯形形状，称为桁条的纵向增强元件30位于纵向狭槽17中。从横截面看，桁 条30的轮廓大体上与狭槽17的截面形状相匹配，在本示例中为梯形形状。当扇区处于其 径向延伸位置（图1)中时，内芯轴限定出所谓的"内模塑线"（ML)或"内模塑表面"，即， 筒的内形成表面。
[0027] 由尼龙制成的用于真空袋（图5)的两个环形内终端袋182a、182b可装配在内芯 轴10的两个相对轴端上。每个环形内袋182a、182b均沿着各自的周向密封线18a、18b密封 至内芯轴10,周向密封线18a、18b分别接近芯轴的外表面的两个相对轴端。随后，芯轴10 的表面和环形终端内袋182a、182b的部分可用透气织物190盖住。具体地，透气织物190 可放置在包括在第一周向密封线18a和第二周向密封线18b之间的内芯轴10的表面的径 向外部分上。
[0028] 接着，将用于真空袋18 (本文称为主袋）的管状尼龙膜定位在内芯轴10上，管状 尼龙膜的轴向长度优选地超过内芯轴10的轴向长度。主真空袋18的相对轴端沿着两条周 向密封线18c、18d密封在两个环形内终端袋182a、182b的外表面上。
[0029] 接着，施加真空以使主真空袋18附着至芯轴10的外表面，注意，使裙皱最小化，以 使主真空袋18完全复制芯轴10的外表面的形状。
[0030] 接着，将透气织物19 (或剥离层或其它"透气"材料）施加到主真空袋18上。在 透气织物之上施加分隔层（FEP或离型膜）20,例如通过用耐高温胶带（Permacel·?)纵向 粘接或纵向焊接将该分隔层制备为管状形式。
[0031] 在本示例中在管状内终端袋182a、182b的轴向外端处，在相对于主真空袋18的周 向密封线18a、18b和18c、18d的轴向外部的相应位置处，管状离型膜20沿着两条周向密封 线18e、18f密封至两个管状内终端袋182a、182b。
[0032] 在本方法中，继续将桁条30相继放入芯轴的外围狭槽17中，转动外围狭槽17以 向操纵者呈现下一个安置桁条的腔体。对于各个桁条，提前准备如图4所示的能膨胀元件 35。为各个桁条提供内支架或"塞"31，内支架31沿着一个方向（本文定义为纵向）延长， 其横截面形状与桁条的横截面形状对应，在本示例中为梯形形状。内支架31可以是任何能 耐固化温度的并且可为实心（例如，填充有橡胶或泡沫）或为空心的材料，要求是在支架的 制备期间在施加真空时该内支架不会被压碎。支架31被包装在多层中，第一层是不可渗透 的管状膜袋32 (优选为尼龙的），该不可渗透的管状膜袋32巧妙地闭合在内支架31周围。
[0033] 管状袋32的长度优选地比支架的长度长，每侧至少长50mm。多余的材料将在两端 处折叠回，并由胶带保持就位。管状袋32应覆盖并保持附着至支架31。
[0034] 接着，在管状袋32周围施加一层薄的透气件33 (剥离层），优选地为聚脂纤维或玻 璃纤维。在透气层或袋33周围施加管状分隔膜34,该管状分隔膜34优选地由FEP制成。 管状膜34的两端可用耐高温的胶带密封。借由例如具有快速闭合阀（未图示）的管子施 加真空，使管状袋32和其它管状膜材料层附着至支架31，从而使得褶皱最小化。
[0035] 由管状袋32 (和上面所提到的其它层）覆盖的支架31提供了能膨胀元件，这些能 膨胀元件均定位在内芯轴10的相应狭槽17中。
[0036] 首先，使能膨胀元件35位于桁条30的面朝上的腔体中。接着，可通过例如人工地， 将一层纤维增强可固化热固性材料的未固化预浸渍组织铺设在能膨胀元件35的顶部上。 可放置预真空袋（未图示）。这样，在芯轴进行随后的旋转时，能膨胀元件就不会从狭槽中 落出。作为替代方案或者此外，为了将能膨胀元件35临时保持在桁条中的位置中，可在内 芯轴10的两端处设置各自的径向螺旋桨38 (图15)，该径向螺旋桨38能够支撑每个内支架 31的两端的其中一端。优选地，径向螺旋桨38固定以便随内芯轴10 -同绕旋转轴线X旋 转。在本示例中，内支架31的每端容置于由相应的径向螺旋桨38提供的孔39中。图15示 意性地仅图示了用于其中一个能膨胀元件35的径向螺旋桨38。根据一个实施例，用于筒的 所有能膨胀元件35的径向螺旋桨38可由两个车轮形式的元件制成，每个径向螺旋桨设置 在内芯轴的一端处，并且每个径向螺旋桨均具有用于容置内支架31的相应端的多个孔39。 根据一个可能的实施例，孔39可制成径向延长狭槽的形式，以使能膨胀元件35能够在径向 方向上有限地移动，但在周向方向上不可移动。
[0037] 放置的桁条可以是预固化的桁条或是未经过处理的桁条（尚未固化）。如果是未 经过处理的桁条，如图13示意性示出的，可在能膨胀元件35与未固化桁条之间设置成形元 件（垫板36)以形成桁条的形状。
[0038] 在完成了能膨胀元件的定位之后，移除预真空袋（未图示），并根据自动过程或辅 助的手动过程对蒙皮层进行分层。
[0039] 在自动过程中，可借由操作机构（未图示）使芯轴绕轴线X旋转，同时操作上述机 器的头部，以使得所述机器将预浸渍纤维带材料沉积在芯轴周围。在该阶段中，预浸渍有树 脂的纤维带，比如浸渍有环氧树脂的碳纤维和浸渍有双马来酰亚胺树脂的石墨，可借由铺 设机（纤维铺放机）的一个或多个输送头自动铺设。铺设机的输送头和芯轴可相对彼此移 动，这样，使得输送头在相对于芯轴的轴线做平移和旋转移动之后能将纤维带施加到芯轴 上。例如，专利
【发明者】因帕拉托 萨巴托·因塞拉, 彼得兰托尼奥·切雷塔 申请人:阿莱尼亚阿麦奇股份公司