一种具有异型内腔的复合材料结构体整体成型方法

1.本发明涉及复合材料成型技术领域，具体是一种具有异型内腔的复合材料结构体整体成型方法。


背景技术：

2.先进树脂基复合材料具有较高的比强度和比刚度、可设计性强、优异的耐腐蚀、便于大面积整体成型的独特优点，使之成为高新设备中不可或缺的战略材料。复合材料在高新设备上的大量应用可有效提高性能、减轻结构重量、降低运营成本、增强市场竞争力。
3.对于具有内腔的复合材料结构体成型，现有技术中大多都是采用软模、水溶性芯模或低温熔融芯模。其中，软膜基本都是采用气囊，但气囊软膜仅仅适用于型线凸出的规则的内腔形状，对于不规则的复杂形状的异型内腔或连通域而言，气囊软膜无法达到相应的效果，而且气囊软膜在复合材料铺设过程中极易发生形变，使得复合材料铺层不精确，造成产品形状难以控制的问题。而水溶性芯模或低温熔融芯模的芯模大多都是通过有机溶剂与砂型模组合的形式制备而成，其不仅成本较高，而且在脱模过程中不仅溶解困难，还会带来一定的环保问题，并且同样具有难以保证产品精确度的问题。
4.现有技术中，对于具有内腔的复合材料结构体成型，除了采用软膜、水溶性芯模或低温熔融芯模对产品进行整体成型外。也可以选择对产品进行分瓣成型，例如对于机翼的成型，都是选择将机翼的上下两部分型面分开单独成型后，再进行分瓣粘接。但分瓣粘接的方式不仅会破坏产品的整体性，还会增加法兰等多余设计，不仅增加了产品的赘重，同时还会降低产品整体承载性能。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种具有异型内腔的复合材料结构体整体成型方法，采用泡沫芯模与可拆卸的刚性阴模，不仅成本低，而且泡沫材质的芯模易于加工，能够更好的随形，能够适用于更加复杂形状的内腔或连通域的成型，而且，泡沫芯模在成型过程中受热膨胀，对成型工件进行层间挤压，一定程度上可以减少制备缺陷，提高制品结构性能。
6.为实现上述目的，本发明提供一种具有异型内腔的复合材料结构体整体成型方法，采用泡沫材料制备芯模，芯模的外表面与异型内腔的型面相同。
7.在其中一个实施例，所述成型方法包括如下步骤：
8.步骤1，采用泡沫材料作为芯模，并对其进行表面加工，使芯模的外表面与异型内腔的型面相同；
9.步骤2，在芯模表面覆盖一层隔离膜；
10.步骤3，在隔离膜表面完成预成型体的铺覆，并预留工艺孔后，闭合阴模；若预成型体为干纤维铺层则采用rtm工艺注入树脂固化成型，若是预成型体为预浸料铺层则直接加热固化；固化后脱除阴模，再通过成型工件上的工艺孔破坏并取出泡沫芯模，即得到具有异
型内腔的复合材料结构体产品。
11.在其中一个实施例，所述隔离膜为脱模布、尼龙膜、聚酯膜、硅胶膜或聚乙烯膜。
12.在其中一个实施例，所述隔离膜铺设在芯模的表面上，并通过树脂与芯模粘接。
13.在其中一个实施例，步骤3具体包括如下步骤：
14.在隔离膜表面涂抹脱模剂后，将若干层玻璃纤维或其预浸料和/或碳纤维或其预浸料铺覆在隔离膜表面，随后安装组合阴模；
15.固化处理使具有异型内腔的复合材料结构体成型，随后在拆除组合阴模后破坏芯模，并通过工艺孔取出破坏后的芯模，得到具有异型内腔的复合材料结构体产品。
16.在其中一个实施例，所述固化处理的过程为：
17.模具放入烘箱，将烘箱温度以1～3℃/min的升温速率从室温升至树脂固化温度后保温3～6小时后，随后自然降温至室温后脱模。
18.在其中一个实施例，所述破坏芯模的过程具体为：
19.采用机械破坏的方式将芯模破碎成若干碎片，再通过人工从工艺孔内将碎片取出；或
20.通过由工艺孔注入高压水使芯模破碎，再通过人工从工艺孔内将碎片取出；或
21.通过热破坏的方式破坏芯模，再通过人工从工艺孔内将碎片取出；或
22.通过溶剂溶解破坏的方式破坏芯模，再通过人工从工艺孔内将芯模溶液取出。
23.与现有技术相比，本发明提供的一种具有异型内腔的复合材料结构体整体成型方法，具有如下有益技术效果：
24.1.采用泡沫芯模与刚性阴模作为复合材料结构体的成型模具，泡沫材料不仅成本低，而且易于加工，且极易实现复杂形状的随形，使得泡沫芯模能够适用于更加复杂形状的内腔或连通域的成型；
25.2.泡沫芯模与刚性阴模配合时，由于泡沫芯模加热后膨胀，对复合材料铺层会造成一定程度的挤压，进而可以有效地提升产品的层间性能与整体承载性能；
26.3.泡沫材质的芯模具有良好的表面硬度，使得复合材料铺层更加精确，能够有效地保证产品的形状控制。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
28.图1为本发明实施例中具有异型内腔的复合材料结构体整体成型方法的流程图；
29.图2为本发明实施例示例中无人机机翼的正向剖视图；
30.图3为本发明实施例示例中无人机机翼的横向剖视图；
31.图4为本发明实施例示例中泡沫芯模的正向剖视图；
32.图5为本发明实施例示例中泡沫芯模覆盖隔离膜后的正向剖视图；
33.图6为本发明实施例示例中泡沫芯模铺覆玻璃纤维预浸料和/或碳纤维预浸料后的正向剖视图。
34.附图标号：无人机机翼1、机翼内部的空腔2、泡沫芯模3、尼龙膜4、玻璃纤维预浸料和/或碳纤维预浸料5。
35.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
36.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
38.另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
39.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
40.另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
41.本实施例公开了一种具有异型内腔的复合材料结构体整体成型方法，采用泡沫材料制备芯模，芯模的外表面与异型内腔的型面相同，将泡沫芯模与刚性阴模组合作为具有异型内腔的复合材料结构体的成型模具，由于泡沫材料不仅成本低，而且易于加工，且极易实现复杂形状的随形，使得泡沫芯模能够适用于更加复杂形状的内腔或连通域的成型。同时泡沫芯模与刚性阴模配合时，由于泡沫芯模加热后膨胀，对复合材料铺层会造成一定程度的挤压，进而可以有效地提升产品的层间性能与整体承载性能。
42.在具体实施过程中，参考图1，该成型方法包括如下步骤：
43.步骤1，采用泡沫材料作为芯模，并对其进行表面加工，使芯模的外表面与异型内腔的型面相同；
44.步骤2，在芯模表面覆盖一层隔离膜，其中，隔离膜可以采用脱模布、尼龙膜、聚酯膜、硅胶膜或聚乙烯膜，隔离膜铺设在芯模的表面上，并通过树脂与芯模粘接，进而在后续成型后的过程中避免泡沫芯模进胶后与成品粘为一体；
45.步骤3，在隔离膜表面完成预成型体的铺覆，并预留工艺孔后，闭合阴模；若预成型体为干纤维铺层则采用rtm工艺注入树脂固化成型，若是预成型体为预浸料铺层则直接加热固化；固化后脱除阴模，再通过成型工件上的工艺孔破坏并取出泡沫芯模，即得到具有异
型内腔的复合材料结构体产品，具体包括如下步骤：
46.在隔离膜表面涂抹脱模剂后，将若干层玻璃纤维或其预浸料和/或碳纤维或其预浸料铺覆在隔离膜表面，随后安装组合阴模；
47.固化处理使具有异型内腔的复合材料结构体成型，随后在拆除组合阴模后破坏芯模，并通过工艺孔取出破坏后的芯模，得到具有异型内腔的复合材料结构体产品。
48.本实施例中，固化处理的过程为：
49.模具放入烘箱，将烘箱温度以1～3℃/min的升温速率从室温升至树脂固化温度后保温3～6小时后，随后自然降温至室温后脱模。
50.再具体实施过程中，芯模的破坏过程具体为：
51.采用机械破坏的方式将芯模破碎成若干碎片，再通过人工从工艺孔内将碎片取出；或
52.通过由工艺孔注入高压水使芯模破碎，再通过人工从工艺孔内将碎片取出；或
53.通过热破坏的方式破坏芯模，再通过人工从工艺孔内将碎片取出；或
54.通过溶剂溶解破坏的方式破坏芯模，再通过人工从工艺孔内将芯模溶液取出。
55.下面结合具体的示例对本实施例中的成型方法作出进一步说明。
56.以无人机机翼1的整体成型为例，参考图3-4，分别为无人机机翼1的正视图与横向剖视图，机翼的末端为上翘的结构，因此机翼内部的空腔2具有两个方向的曲面。
57.对于该无人机机翼1的成型过程，具体包括如下步骤：
58.1.取一块尺寸适宜的泡沫块，对其表面通过机械加工处理或人工切削处理，使其表面与无人机机翼1的内型面匹配，完成泡沫芯模3的制备，即图5所示；
59.2.在泡沫芯模3表面涂抹一层树脂，随后覆盖一层尼龙膜4，并通过手抹的方式或滚筒滚刷的方式取出尼龙膜与泡沫芯模之间的气泡，即图6所示；
60.3.在隔离膜表面逐层铺覆玻璃纤维预浸料和/或碳纤维预浸料5，并预留工艺孔，其中，相邻的玻璃纤维预浸料和/或碳纤维预浸料之间都涂抹一层树脂，同一层的玻璃纤维预浸料和/或碳纤维预浸料的搭边间距不超过5mm；
61.4.组成组合芯模后将模具放入烘箱，将烘箱温度以2℃/min的升温速率从室温升至60℃后保温2小时后，再以1℃/min的升温速率从室温升至90℃后保温2小时，随后自然降温至室温；
62.5.拆除组合阴模，随后通过机械破坏或高压水破坏的方式使芯模破碎成碎片，再通过人工从工艺孔内将芯模碎片取出；
63.6.最后对成品表面进行打磨处理，即得到无人机机翼1整体成型的产品。
64.以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。