铺叠工具的方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001]铺叠工具可以被用于提供可供施加复合材料并且允许固化以形成期望形状的表面。
【背景技术】
[0002]传统铺叠工具可以由金属或复合材料制成。金属铺叠工具的制造时间和成本对于原型或开发程序来说可能过高。因为需要附加模制步骤来制作这种工具的复杂工作表面，所以复合铺叠工具的制造也是昂贵且耗时的。用于制造复合铺叠工具的时间和成本对于原型或开发程序来说可能过高。而且，利用低成本材料(如石膏、泡沫等)的工具可能缺乏在机器人复合制造应用中所需的强度和/或可靠性。
【发明内容】
[0003]因此，旨在致力于解决上述问题的装置和方法将是实用的。
[0004]本公开的一个实施例涉及一种用于铺叠复合材料以形成具有目标轮廓的工件的工具。该工具包括:支承结构，该支承结构包括具有纵轴线的细长构件；和支承板，这些支承板连接至所述细长构件并且沿所述纵轴线彼此隔开。所述细长构件包括金属材料。该工具还包括非金属衬板结构，该非金属衬板结构连接至所述支承板，该非金属衬板结构包括工作表面，该工作表面包括与所述目标轮廓互补的衬板轮廓。
[0005]本公开的一个实施例涉及一种形成用于铺叠复合材料以形成具有目标轮廓的工件的工具的方法。该方法包括:增材制造包括工作表面的非金属衬板结构，该工作表面包括与目标轮廓互补的衬板轮廓。该方法还包括制造包括支承板和细长构件的支承结构。此夕卜，该方法包括将非金属衬板结构附接至支承结构。
[0006]本公开的一个实施例涉及一种形成用于铺叠复合材料以形成具有目标轮廓的工件的工具的方法。该方法包括:形成包括工作表面的非金属衬板结构，该工作表面包括与所述目标轮廓互补的衬板轮廓。所述非金属衬板结构具有第一热膨胀系数。该方法还包括:形成包括支承板和细长构件的支承结构，该细长构件具有不同于所述第一热膨胀系数的第二热膨胀系数。而且，该方法包括将所述非金属衬板结构附接至所述支承结构。
【附图说明】
[0007]这样概括地对本公开的实施例进行了描述，下面对附图进行说明，附图不必按比例绘制，并且其中，在这几幅图中相同标号指代相同或相似部件，并且其中:
[0008]图1是根据本公开一个方面的铺叠工具的框图；
[0009]图2是根据本公开一个方面的、图1的工具的示意性立体截面图；
[0010]图3是根据本公开一个方面的、图1的工具的安装至具有衬套支承部的细长构件的支承板的示意性侧视截面图；
[0011]图4是根据本公开一个方面的、图3的支承板和细长构件的示意性端部截面图；
[0012]图5是根据本公开一个方面的、为图1的工具的支承板安装的托架的示意图；
[0013]图6是根据本公开一个方面的、图1的工具的非金属衬板结构的示意性侧视图；
[0014]图7是根据本公开一个方面的、用于形成用于铺叠复合材料的工具的方法的框图；
[0015]图8是根据本公开一个方面的、用于形成用于铺叠复合材料的工具的方法的框图；
[0016]图9是飞行器的生产和保养方法的框图；以及
[0017]图10是飞行器的示意性图示。
[0018]在上面引用的框图中，连接不同部件和/或组件的实线(若有的话)可以表示机械、电气、流体、光学、电磁及其它连接和/或它们的组合。如在此使用的，“连接”意指直接和间接相关联。例如，构件A可以直接与构件B相关联，或者可以间接地(例如经由另一构件C)与其相关联。还可以存在除了框图中描绘的那些以外的其它连接。连接不同部件和/或组件的虚线(若有的话)表示按功能和目的与实线所表示的那些类似地连接；然而，虚线所表示的连接可以选择性地提供，或者可以涉及本公开的另选或可选方面。同样地，以虚线表示的元件和/或部件(若有的话)指示本公开的另选或可选方面。环境因素(若有的话)以虚线表示。
[0019]在上面引用的框图中，框还可以表示操作和/或其部分。连接不同框的线不暗示操作或其部分的任何特定次序或相关性。
【具体实施方式】
[0020]在下面的描述中，阐述了许多具体细节，以提供对所公开构思的详尽理解，其可以在没有这些详细资料中的一些或全部的情况下具体实践。在其它情况下，已知装置和/或过程的细节已经省略以避免不必要地模糊本公开。虽然一些概念将结合具体实施例来描述，但应当明白，这些实施例不是旨在进行限制。
[0021]在此引用“一个实施例”或“一个方面”意指，结合该实施例或方面描述的一个或更多个特征、结构或特性被包括在至少一个实施中。本说明书中不同位置的短语“一个实施例”或“一个方面”可以涉及或者不涉及同一实施例或方面。
[0022]除非另外加以表明，术语“第一”、“第二”等在此仅被用作标签，而非旨在对这些术语所涉及的项目施加顺序的、定位的或分层的要求。而且，例如引用“第二”项不需要或排除存在例如“第一”或更低编号项和/或例如“第三”或更高编号项。
[0023]总体上参照图1至图6，并且具体参照图1，本公开的一个实施例涉及一种工具100，其用于铺叠复合材料以形成具有目标轮廓192的工件190。该工具100包括支承结构110，该支承结构包括:具有纵轴线112的细长构件111 ;和多个支承板114，这些支承板连接至细长构件111并且沿纵轴线112彼此隔开。该细长构件111包括金属材料113。该工具100还包括非金属衬板结构120，该非金属衬板结构连接至支承板114。该非金属衬板结构120包括工作表面121，该工作表面包括与目标轮廓192互补的衬板轮廓122。
[0024]—般来说，支承结构110向非金属衬板结构120提供支承，并且该非金属衬板结构120被构造成提供可以将复合材料(例如，工件190)形成在其上的工作表面121。所示实施方式的工作表面121包括覆盖该工作表面121的至少一部分的衬板轮廓122。工具100可以被用于机器人铺叠组装工序。例如，整个工具100可以在使用期间环绕纵轴线112旋转，随着工具100旋转将材料添加至非金属衬板结构120的工作表面121。该材料可以撞击工作表面121，并且支承结构110向工作表面121提供支承。工具100还可以在加热(例如，固化用于工件190的复合材料)下进行的组装工序期间使用。例如，在一些实施方式中，工具可以在加热至大约华氏350度的环境下使用。
[0025]衬板轮廓122具有与工件190的目标轮廓192的形状互补的形状。工件190可以被理解为利用工具100形成的复合产品(例如，在机器人铺叠组装期间利用工具100，在铺叠组装期间复合材料被施加至工具100的工作表面121、成形并且被允许固化)。目标轮廓192可以包括相对复杂和/或复合的曲面轮廓，例如用于飞机的一部分。该衬板轮廓122可以被理解成具有与目标轮廓192互补的形状，该衬板轮廓122的形状和尺寸可以类似于目标轮廓192，但可以具有一些差异，例如考虑为形成工件190和目标轮廓192而使用的材料的厚度，和/或考虑工件190在从工具100移除时的形状变化。该非金属衬板结构120可以利用增材制造工序(例如，3D打印)来形成，以允许相对快速、便利和/或成本有效地形成诸如衬板轮廓122的复杂形状。在3D打印或增材制造方面，可以按不同形状铺设连续材料层，以形成一结构。在3D打印方面，尤其可以施加连续的液体层、粉末层或片状材料层来构成一结构。
[0026]在所示实施方式中，该支承板114沿细长构件111的长度或者沿细长构件111的纵轴线112来分布。支承板114之间的间距以及支承板114的厚度可以被选择或设计成向非金属衬板结构120提供足够刚度或强度，例如防止非金属衬板结构在机器人复合制造工序期间弓起、挠曲，或者因机器人施加复合材料而受影响至可以损坏工具100和/或可观地影响利用工具100形成的工件190的质量的程度。支承板114可以被设计成重量轻、容易制造和组装，和/或具有低成本。
[0027]如在此讨论的，该非金属衬板结构120例如可以利用诸如3D打印的增材制造工序来制造。因此，在各个实施方式中，与传统形成的复合件(例如，利用传统模制、固化和/或铺叠工序形成的复合件)和传统形成的金属物体(例如，尤其是利用铸造、焊接、机加工、锻造或切割中的一种或更多种形成的材料)形成对比，非金属衬板结构120可以被理解为由增材制造材料制成。全部或一部分非金属衬板结构120例如可以由适于增材制造的塑料或聚合物制成。可以注意到，在一些实施方式中，增材制造可能特别适合于快速且成本有效地形成复杂形状，如要被用作原型设计、开发或有限批量工序的一部分的衬板轮廓122。其它成形技术至少在一些情况下可能更加成本有效，例如对于大批量生产应用来说。然而，虽然由增材制造材料形成非金属衬板结构120对于某些原型设计或有限批量应用来说可能特别有利，但应注意到，在另选实施方式中，增材制造或其它非金属材料可以与生产或更大批量中使用的工具100 —起使用。
[0028]例如，参照图1和图2，在本公开的一个方面，其可以包括前述和/或下列实施例和方面中的任一个的主旨的至少一部分，该非金属衬板结构120由聚醚酰亚胺(PEI)材料构成。PEI是非结晶热塑性材料，并且各种PEI材料可以在3D打印或增材制造中利用。可以被用于不同实施方式的PEI材料的一个示例是Ultem(如Ultem 1000)，其是未填充PEI。在一些实施方式中，非金属衬板结构120可以大致全部由已经进行3D打印或增材制造的Ultem构成，以形成包括衬板轮廓122的非金属衬板结构120。在其它实施方式中，该非金属衬板结构120可以包括接合(例如，扣紧、环氧树脂粘合或以其它方式固定)至增材制造部分的附加方面或部件。
[0029]相对复杂的结构或形状可以容易地利用增材制造来形成。相对复杂的结构或形状如上所述可以用于具有针对目标轮廓192的互补形状的衬板轮廓122。而且，复杂结构或形状可以针对非金属衬板结构120的其它方面(如安装和/或支承特征部)来形成。例如，参照例如图1和图2，在本公开的一个方面，其可以包括前述和/或下列实施例和方面中的任一个的主旨的至少一部分，该非金属衬板结构120包括定位在与工作表面121相反的表面161上的肋条160，并且支承结构110的支承板114连接至肋条160。肋条160例如可以在形成工作表面121的衬板轮廓122的单个增材制造工序期间形成。更进一步地，3D打印和增材制造可以被用于在肋条160中形成孔165，以接纳用于将非金属衬板结构120固定至支承板114的紧固件(未示出)。由此，在一些实施方式中，整个非金属衬板结构120 (包括用于支承并且便利地安装至支承板114的肋条160)可以采用单程或单个3D打印操作来形成。
[0030]可以注意到，常规或容易获得的3D打印机对于可以通过单个机器或装置单次打印或增材制造的结构的尺寸来说可能具有某些实践限制。例如，一些3D打印机可能不能被构造成生产具有大于36英寸的尺寸的结构。然而，在不同实施方式中的工件190可以具有大于36英寸的一个或多个尺寸，并由此可能期望非金属衬板结构120的工作表面121具有大于36英寸的一个或多个尺寸。在不同实施方式中，非金属衬板结构120 (包括工作表面121)可以由不同的增材制造部分形成，将它们接合以形成非金属衬板结构。
[0031]例如，如图6所示，非金属衬板结构120可以由多个衬板结构部分162制成。所述多个衬板结构部分162可以分离地形成，并且每一个单个衬板结构部分162的尺寸都不大于预定最大可获制造长度(例如，36英寸)，但在接合所述多个衬板结构部分162以形成非金属衬板结构120时，整个非金属衬板结构120具有至少一个大于预定最大可获制造长度的尺寸。所述多个衬板结构部分162例如可以以环氧树脂，在相邻衬板结构部分162之间利用对接接头(其可以包括插脚和用于导向的开孔)来接合。而且，形成在相邻衬板结构部分162之间的接头处的接缝可以加以填充、用砂纸擦光和/或以其它方式抛光，以提供基本平滑且连续的工作表面121。由此，工作表面121的一个或更多个尺寸和/或非金属衬板结构120的其它方面可以超出可根据已知的、成本有效的和/或容易获得的增材制造设备(例如，3D打印机)获得的尺寸限制。
[0032]例如，参照例如图1、图