用于生产增强结构的设备和方法与流程

本技术领域一般涉及增强结构，尤其涉及使用具有刚性芯模的柔性衬套在增强结构的制造期间支撑增强结构形成材料来生产诸如用于飞行器、机动车辆等的增强结构的设备和方法。

背景技术：

有许多需要增强结构的部件。例如，在商用和军用运输业中，飞行器典型地包括增强结构，该增强结构配置为或者作为机身、副翼、升降舵、方向舵、小翼、水平尾翼、机翼、尾翼等的部件；并且机动车辆典型地也包括增强结构，该增强结构配置为或者作为车身结构、车门、发动机罩、立柱、车顶、保险杠等的部件。

增强结构通常包括外皮和一个或多个内部特征，如增强筋、翼梁、腹板等，用于帮助加固和强化该增强结构。该内部特征利用诸如金属螺丝、铆钉、螺栓和螺帽等固定装置装配到增强结构的外皮或其它部分。因此，使用这种固定机构制造增强结构相当费时并且昂贵。另外，增强结构的固定装置、内部特征和/或其它部分典型地由金属制成，这增加了增强结构的重量并且例如与纤维增强复合材料相比不具有最高强度/刚度-重量比。

因此，希望提供用于生产制造时间和制造成本合算的增强结构的设备和方法。另外，希望提供用于生产由相对高强度和高刚度但是低重量的材料制成的增强结构的设备和方法。此外，在此描述的各种实施方式的其它有益特征和特点将从以下结合附图和背景技术的详细描述和所附权利要求而变得明显。

技术实现要素：

在此提供用于生产增强结构的设备和方法。根据示例性实施方式，一种用于生产增强结构的设备包括第一刚性芯模和第一柔性衬套。第一柔性衬套至少部分包围第一刚性芯模，用于在增强结构的 制造期间支撑增强结构形成材料。第一柔性衬套配置为响应于第一柔性衬套的内侧和外侧之间的压力差，在与第一刚性芯模相反的方向上对增强结构形成材料施加力。

根据另一个示例性实施方式，提供一种用于生产增强结构的方法。该方法包括用至少部分包围第一刚性芯模的第一柔性衬套支撑增强结构形成材料的步骤。在第一柔性衬套的内侧和外侧之间产生压力差，使得第一柔性衬套在与第一刚性芯模相反的方向上对增强结构形成材料施加力。

根据另一个示例性实施方式，提供一种用于生产增强结构的方法。该方法包括将增强结构形成材料定位在至少部分包围第一刚性芯模的第一柔性衬套和至少部分包围第二刚性芯模的第二柔性衬套之间的步骤。在第一柔性衬套和第二柔性衬套的外侧产生真空状态，使得第一柔性衬套和第二柔性衬套压缩增强结构形成材料，以促进形成增强结构的内部特征。

附图说明

下面结合附图描述各种实施方式，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：

图1和图2以及图5至图8以立体图示出根据示例性实施方式在各种中间制造阶段期间生产增强结构的设备和方法；

图3是图1中所示的设备沿着线3-3取得的截面图；以及

图4是图1中所示的设备沿着线4-4取得的截面图。

具体实施方式

以下详细描述本质上仅是示例性的，并且不意图限制所描述的各种实施方式或者其应用和用途。此外，也不意图受限于背景技术或以下详细描述中给出的任何理论。

下面考虑的各种实施方式涉及用于生产增强结构的设备和方法，该增强结构例如用于飞行器、电动车辆等。与现有技术不同，在此讲解的示例性实施方式提供一种设备，该设备包括至少部分包 围第一刚性芯模的第一柔性衬套的设备，第一柔性衬套用于在增强结构的制造期间支撑增强结构形成材料。在示例性实施方式中，在未固化状态下，该增强结构形成材料相对柔韧并且由多个层片形成，这些层片布置在一起，形成预定形状(例如，用于生产增强结构的预期形状)。每个层片包括织物加腔件(例如，增强纤维)和浸入该织物增强件的可固化树脂。可以例如通过将柔性层片层叠在第一柔性衬套上而使增强结构形成材料覆盖第一柔性衬套(例如，在第一柔性衬套上面和/或上方)。在层叠期间，层片可以已经包括可固化树脂(例如，预浸层片(prepreg plies))，也可以随后例如通过浸泡工艺等将可固化树脂浸入织物增强件。在此使用的术语“预浸层片”是指用未固化或者部分固化(B阶段，B-staged)但是未完全固化的树脂预浸的一层增强纤维。

然后在第一柔性衬套的内侧和外侧之间产生压力差(例如通过真空装袋工艺等)，使得第一柔性衬套在与第一刚性芯模相反的方向上对增强结构形成材料施加力(例如压缩力)。不受理论限制，在示例性实施方式中，相信在增强结构形成材料处于柔性并且尚未完全固化时，对增强结构形成材料施加力有助于压缩该材料并且/或者使该材料致密，以提高机械和/或物理性能(例如，刚性，如相对高的强度和刚度)，并且有助于在生产增强结构期间准确地使该材料保持其期望的预定形状(例如，最内层(IML)和/或最外层(OML)形状)。在示例性实施方式中，在增强结构形成材料上施加力时，还施加热，以使可固化树脂固化或硬化，从而形成相对刚性的硬化纤维增强复合物，作为固化状态的增强结构形成材料。

在示例性实施方式中，该设备包括对应地设置在多个附加刚性芯模周围的多个附加的柔性衬套，这些刚性芯模和柔性衬套与第一柔性衬套和第一刚性芯模类似地配置而成。由刚性芯模支撑的柔性衬套以并置的方式布置，增强结构形成材料设置在一些或全部柔性衬套之间，从而将处于未固化状态的材料支撑为预期的预定形状，以形成增强结构。这样，当关于柔性衬套的外侧和内侧产生压力差时，柔性衬套同时施加对应的力，以在可固化树脂固化期间压缩增 强结构形成材料，从而将该增强结构形成为相对刚性的硬化纤维增强复合结构。

在示例性实施方式中，该预定形状的增强结构形成材料相应地导致具有外皮和一个或多个内部特征的增强结构，所述一个或多个内部特征通过硬化的纤维增强复合结构的固化树脂而不使用任何固定装置(例如，金属紧固件等)一体化地结合到外皮。另外，在示例性实施方式中，因为与金属相比，纤维增强复合材料是相对刚性并且相对较轻，所以与传统的金属增强结构相比，该增强结构相对刚性并且较轻。

图1至图8示出各制造阶段期间的增强结构10。所描述的工艺步骤、程序和材料仅被看作示例性实施方式，这种示例性实施方式被设计为向本领域的普通技术人员说明用于生产增强结构的设备和方法；用于生产增强结构的该设备和方法不局限于这些示例性实施方式。增强结构的制造中的各步骤是公知的，因此，为了简要，许多传统步骤在此仅简要提及或者完全省略而不提供公知的工艺细节。

图1以立体图示出根据示例性实施方式的在中间制造阶段期间生产增强结构10的设备12。图2以立体图示出根据示例性实施方式的在更进一步的制造阶段的设备12的一部分和增强结构10。如图1和图2中所示，设备12包括多个刚性芯模14、15、16、17、18、19和20以及多个柔性衬套22、23、24、25、26、27和28(在图1中由虚线示出)。在示例性实施方式中，刚性芯模14、15、16、17、18、19和20是对应地从近端部29延伸到远端部30的长状。

柔性衬套22、23、24、25、26、27和28可以由诸如弹性体、橡胶等相对柔性的材料形成，例如，热塑性弹性体(TPE)、热塑性尿烷(TPU)、聚氯乙烯(PVC)、热塑性烯烃(TPO)等。刚性芯模14、15、16、17、18、19和20可以由诸如金属等相对刚性的材料形成，例如，挤制的铝等。

柔性衬套22、23、24、25、26、27和28对应地包围刚性芯模14、15、16、17、18、19和20的至少一部分(例如，图2关于柔性衬套 27和刚性芯模18更清楚地示出这一点)。具体来说，在示例性实施方式中，柔性衬套22、23、24、25、26、27和28包围并覆盖在近端部29和远端部30之间延伸的对应刚性芯模14、15、16、17、18、19和20的中部，使得刚性芯模14、15、16、17、18、19和20的中部设置在柔性衬套22、23、24、25、26、27和28内。这样，柔性衬套22、23、24、25、26、27和28中的每一个至少部分被刚性芯模14、15、16、17、18、19和20中的对应一个的中部支撑。在示例性实施方式中，柔性衬套22、23、24、25、26、27和28具有开口端32和34，刚性芯模14、15、16、17、18、19和20从柔性衬套22、23、24、25、26、27和28内通过开口端32和34延伸到柔性衬套22、23、24、25、26、27和28外，使得刚性芯模14、15、16、17、18、19和20的近端部29和远端部30被露出。

在示例性实施方式中，设备12包括基台36，与刚性芯模14、15、16、17、18、19和20结合的柔性衬套22、23、24、25、26、27和28以并置的方式布置在基台36上，以限定用于生产增强结构10的预定形状46。还参考图3和图4，增强结构10由支撑于柔性衬套22、23、24、25、26、27和28的增强结构形成材料38形成。在示例性实施方式中，刚性芯模14、15、16、17、18、19和20为柔性衬套22、23、24、25、26、27和28提供刚性的或牢固的支撑，使得在增强结构10的制造期间，柔性衬套22、23、24、25、26、27和28能够将增强结构形成材料38支撑为预定形状46或者接近预定形状46。

具体来说，如下面更详细讨论的，在示例性实施方式中，增强结构形成材料38由布置在一起(例如，堆叠或层叠)的多个层片40、42和44形成，以形成预定的形状46。层片40、42和44中的每一个包括织物增强件和浸入该织物增强件的树脂。示例性的织物增强件可以包括单向纤维、布或者织造纤维、非织造纤维、随机纤维、编织纤维、连续纤维和/或非连续纤维。增强纤维的非限制性例子包括S玻璃纤维、E玻璃纤维、碳纤维、陶瓷纤维、金属纤维、聚合物纤维等。树脂的非限制性例子包括聚合物树脂或者聚合物树脂的前体，例如，环氧树脂、聚氨酯和/或聚氨酯前体、聚酯和/或聚酯前 体等。也可以使用纤维增强复合材料领域的技术人员所知的其它增强纤维和/或树脂。

如图1中所示，当树脂处于未固化状态时(例如，可固化或未固化树脂)，增强结构形成材料38是柔性的，并且支撑于刚性芯模的柔性衬套提供稳定的或者牢固的连续支撑，以使增强结构形成材料38保持或接近其预期的预定形状46。如下面更详细讨论的，如图2中所示，当树脂处于固化状态时(例如，固化树脂)，增强结构形成材料38是相对刚性的纤维增强复合物，其中增强结构10配置为预定形状46，作为刚性增强复合物结构。

如所示出的，层片40和42的一部分沿着柔性衬套22、23、24、25、26、27和28及其对应的刚性芯模14、15、16、17、18、19和20的至少一部分的大致竖直壁48定位，使得增强结构10的预定形状46包括内部特征50，如增强筋、翼梁、腹板等。在示例性实施方式中，大致竖直壁48包括长的并且相对平坦的区段，以便于形成具有对应的相对长的平坦区段的内部特征50，如增强筋、翼梁、腹板等。同样地，层片40和44的一部分沿着柔性衬套22、23、24、25、26、27和28以及对应的刚性芯模14、15、16、17、18、19和20的至少一部分的大致水平壁52定位，使得增强结构10的预定形状46包括外皮54。如所示出的，内部特征50耦合到外皮54并且在外皮54之间延伸。在示例性实施例中，如图2中所示，当增强结构形成材料38处于固化状态时，内部特征50通过固化的树脂附着到外皮54而不使用任何固定装置。

参考图5并继续参照图1至图4，在示例性实施方式中，通过在基台36上以并置的方式布置第一排柔性衬套22、24和26以及设置在柔性衬套22、24和26内的对应的刚性芯模14、16和18可以形成图2中所示的增强结构10。然后在第一排柔性衬套22、24和26上面和/或下面布置一个或多个层片42的叠层。

接下来，如图6中所示并且继续参考图1至图5继续该工艺，通过邻近(例如，紧挨着并且/或者覆盖)第一排柔性衬套22、24和26以并置方式排列第二排柔性衬套23、25、27和28以及设置在柔性 衬套23、25、27和28内的对应的刚性芯模15、17、19和20。然后在第二排柔性衬套23、25、27和28上面和/或周围布置一个或多个层片40和/或44的叠层。在示例性实施方式中，层片40、42和44是预浸层片，它们包括织物增强件和可固化树脂。在可选实施方式中，层片40、42和44由织物增强件形成，并且通过诸如浸泡工艺等辅助工艺，例如，树脂转移工艺等，将可固化树脂包含到织物增强件中。

如图6中所示，可以邻近刚性芯模14、15、16、17、18、19和20的近端部29和/或远端部30布置定位板56，以便于定位刚性芯模14、15、16、17、18、19和20以及柔性衬套22、23、24、25、26、27和28，从而将增强结构形成材料38支撑为预定形状46。在示例性实施方式中，定位销59耦合到定位板56和刚性芯模14、15、16、17、18、19和20，以便于在增强结构10的制造期间将柔性衬套22、23、24、25、26、27和28定位。

在示例性实施方式中，在层叠层片40、42和44期间和/或之后，沿着柔性衬套22、23、24、25、26、27和28的开口端32和34稍向内的外表面施加胶带57。如下面更详细讨论的，胶带57用于在柔性衬套22、23、24、25、26、27和28的外表面周围形成密封，以便于在柔性衬套22、23、24、25、26、27和28的内侧和外侧之间产生压力差。

在示例性实施方式中，如图6和图7中所示并继续参考图1至图4继续该工艺，将外表面板58覆盖在层片40、42和44、柔性衬套22、23、24、25、26、27和28以及刚性芯模14、15、16、17、18、19和20上，以限定与外皮54对应的预定形状46的外表面轮廓(见图2)。如所示出的，外表面板58通过螺纹紧固件64附着到定位块60和62，以在增强结构10的制造期间帮助定位外表面板58。

参考图8并且继续参考图1至图4和图7，在示例性实施方式中，设备12包括真空袋结构66，真空袋结构66与柔性衬套22、23、24、25、26、27和28密封接合，用于在柔性衬套22、23、24、25、26、27和28的内侧和外侧之间产生压力差。如所示出的，真空袋结构66布置在外表面板58、层片40、42和44、柔性衬套22、23、24、25、 26、27和28以及刚性芯模14、15、16、17、18、19和20上面。在示例性实施方式中，真空袋结构66包括真空源68、真空装袋膜70、通气织物72以及上面讨论过的胶带57(也见图6)。在示例性实施方式中，真空装袋膜70覆盖通气织物72，并且胶带57在真空装袋膜70和柔性衬套22、23、24、25、26、27和28的外表面之间形成密封。真空源68可操作地耦合到真空装袋膜70并且与形成在真空装袋膜70和柔性衬套22、23、24、25、26、27和28的外表面之间的空间流体连通。当真空源68施加真空时，通气织物72允许真空源68从该空间排出空气，没有妨碍空气流动的真空装袋膜70，从而贴近柔性衬套22、23、24、25、26、27和28的外侧产生真空状态。如上面讨论的，柔性衬套的开口端32和34有效地与真空袋结构66隔离，使得柔性衬套22、23、24、25、26、27和28的内侧与真空源68之间没有流体流动。这样，当真空源68对真空袋结构66施加真空时，至少通过大约真空源68的真空(例如，大约0至大约0.1atm)和真空袋结构66外侧的大气压力(例如，在STP状态下大约1atm)之间的压力差产生柔性衬套内侧和外侧之间的压力差。

如图3和图4中所示并且继续参考图1和图2以及图8，在示例性实施方式中，响应于柔性衬套22、23、24、25、26、27和28的内侧和外侧之间的压力差，柔性衬套22、23、24、25、26、27和28从标称状态进入加压状态。在加压状态下，在与刚性芯模14、15、16、17、18、19和20的对应邻近部分相反的对应方向上(由箭头74、76、78和80表示)对增强结构形成材料38施加与该压力差相当的力。在示例性实施方式中，径向相对的力74、76和78、80压缩增强结构形成材料38，以压缩材料38并且/或者使材料38致密，以提高机械和/或物理性能(例如，刚性)，并且进一步使材料38准确地保持其期望的预定形状46，以便于形成内部特征50和外皮54。

在示例性实施方式中，处于标称状态下的柔性衬套22、23、24、25、26、27和28尺寸接近“净符合(net fit)”它们对应的刚性芯模14、15、16、17、18、19和20，并且当进入加压状态时只有最低程度的膨胀。这样，在标称条件和加压条件下，柔性衬套22、23、24、 25、26、27和28的外表面在空间上都基本与刚性芯模14、15、16、17、18、19和20的外表面匹配。在示例性实施方式中，柔性衬套22、23、24、25、26、27和28的内表面与它们对应的刚性芯模14、15、16、17、18、19和20的外表面在标称状态下分开大约0至大约2mm的距离(由箭头82和84表示)，而在加压状态下分开大约0.001至大约5mm的距离。

如图8中所示并且继续参考图1和图2，设备12可以包括加热和/或加压装置86。在示例性实施方式中，加热和/或加压装置86是高压釜。在另一个实施方式中，加热和/或加压装置86是加热装置，例如烤箱。在示例性实施方式中，在柔性衬套22、23、24、25、26、27和28处于加压状态时，加热和/或加压装置86对增强结构形成材料38提供热，以使可固化树脂固化或硬化，从而形成如图2中所示的增强结构10作为相对刚性的硬化纤维增强复合结构。另外，加热和/或加压装置86可以对柔性衬套22、23、24、25、26、27和28内侧提供附加压力，以进一步增加柔性衬套22、23、24、25、26、27和28的内侧和外侧之间的压力差，从而在固化期间增加对增强结构形成材料38施加的力。在示例性实施方式中，加热和/或加压装置86将增强结构形成材料38加热到大约50至大约250℃，并且将柔性衬套22、23、24、25、26、27和28的内侧加压到大约1.5至大约10atm的压力。

尽管在本申请的以上详细描述中给出了至少一个示例性实施方式，但是应当理解，存在大量的变体。还应当理解，所述一个或多个示例性实施方式仅是例子，并且不以任何方式限定本发明的范围、应用或配置。准确地说，以上详细描述为本领域技术人员提供了用于实施本发明的示例性实施方式的方便路线图。应当理解，在不偏离所附权利要求的范围的情况下，可以对示例性实施方式中描述的元件的功能和结构进行各种改变。