專利名稱:纖維增強(qiáng)空心結(jié)構(gòu)及其制作方法
纖維增強(qiáng)復(fù)合材料拉制成型工藝已經(jīng)用于生產(chǎn)橫截面相等的空心構(gòu)件了。然而，很多使用空心部件的結(jié)構(gòu)要求這些部件具有可變截面的幾何形狀以及部分彎曲、扭轉(zhuǎn)和接縫。像汽車的空間結(jié)構(gòu)，飛機(jī)的機(jī)身，以及類似的產(chǎn)品就可以歸屬于這種空心部件。
至今，這種空心部件或結(jié)構(gòu)通常用一個核心材料做芯模來制造。如果核心材料要保留在已成型的構(gòu)件之中，就用一種輕質(zhì)的氨基甲酸乙酯泡沫材料做芯模，加工或鑄造成合適的幾何形狀。如果要除去核心材料可以在空心構(gòu)件固化后把這種核心材料溶解或熔化掉。
當(dāng)用核心成型時，復(fù)合材料要么用樹脂預(yù)先浸透濕著使用，要么就干著使用。當(dāng)增強(qiáng)復(fù)合材料干著使用時，就在合模之后用泵把樹脂注入增強(qiáng)復(fù)合材料當(dāng)中。
有時候用可膨脹好的模具來固化直升飛機(jī)旋翼的外蒙皮。在這種情況下，要使用予先浸好樹脂的纖維增強(qiáng)材料，可膨脹模具就必須精心制作成規(guī)定的尺寸和形狀。
本發(fā)明的一個目的就是要提供改進(jìn)的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)及其生產(chǎn)方法。
本發(fā)明的另一目的是提供一個在非關(guān)鍵性尺寸的地方用可膨脹氣囊作為芯模的改進(jìn)了的方法。
按照本發(fā)明提出了一個具有剖面變化，彎曲，扭轉(zhuǎn)和帶接縫的空心纖維增強(qiáng)構(gòu)件。這種構(gòu)件的成型方法包括有這樣幾個步驟，沿著可開合的外模具內(nèi)表面鋪上纖維材料，將一個作為芯模的可膨脹氣囊放在這些纖維之中，合上外模，氣囊充氣使纖維材料緊貼外模的內(nèi)壁，再將樹脂注入纖維材料中去，然后將帶樹脂的纖維材料固化便制成了纖維增強(qiáng)構(gòu)件。
讀了下面的說明和權(quán)利要求
并結(jié)合附圖，內(nèi)行就可以明了本發(fā)明的其他目的和優(yōu)越性。
圖1是一個可以用本發(fā)明所述的方法制造出來的形狀不規(guī)則構(gòu)件的等比例圖。
圖2-7說明了按本發(fā)明構(gòu)成圖1所示構(gòu)件方法的步驟。圖7是圖1中沿7-7線所取的剖面。
參見圖1，結(jié)構(gòu)10表示了一個汽門框架的一部分。這個框架包括接縫，例如接縫12，彎曲面例如面14，和像圖7中16那樣的不規(guī)則截面區(qū)。制造整體固化的構(gòu)件10是預(yù)先鋪設(shè)的若干未浸樹脂的纖維片，18和20就是其中兩塊，接著制模，注入樹脂和固化等幾個步驟來完成的?？招膮^(qū)22延伸進(jìn)結(jié)構(gòu)10中。
參見圖2，表示一個外模的鋼性下部24。這個下模24要做成被成型的結(jié)構(gòu)或零件，例如圖1中的構(gòu)件10的樣子。
參見圖3，把干纖維材料，例如可以是玻璃纖維增強(qiáng)的材料預(yù)先沿著底模24的內(nèi)壁26鋪放好。當(dāng)截面特別深時，用手工預(yù)放的纖維材料可能不止一片，在圖示的實施例中就用了三片纖維材料28，30和32。然而，有時也可能只需用一片，甚至使用予先成型的材料，例如一塊予制件把纖維材料預(yù)先成型。
參見圖4，整個鋼性外模34包括有形狀不規(guī)則的底模24和一個上模36。具有上下模的外模34應(yīng)當(dāng)可以用常規(guī)的方法使上下模36和24方便地打開和合攏。
在上模36上也預(yù)先鋪上纖維材料38。在模具34合模之前放上可膨脹的氣囊40。氣囊可以由42和44兩塊組成，它仍是按照結(jié)構(gòu)10的形狀和尺寸裁成相適應(yīng)的形狀和尺寸以后再合在一起的。氣囊40可以用塑料或其它合適的彈性材料制成。圖4示出的氣囊40是局部膨脹的，盡管在實際中42和44兩片在膨脹前可以是平貼在一起的。而圖示的上模36是平面的，它也可以具有像下模24那樣不規(guī)則的形狀并在其中予先放置纖維材料，放置方法與前述向下模放置的方法相同。圖4中所示的例子雖然表示出可以做出一個有凸邊的另件，不過用這樣的工藝過程同樣可以做出沒有凸邊的空心零件。
圖5示出了像給氣球打氣那樣將空氣或其它適當(dāng)?shù)臍怏w或介質(zhì)，例如壓縮微球，從壓力源通過導(dǎo)管44打入氣囊40，使氣囊膨脹，從而對預(yù)先鋪設(shè)在外模34內(nèi)壁上的纖維材料產(chǎn)生壓力。氣囊40在下一步操作中起到芯模的作用。
參見圖6，樹脂在壓力下通過管道48被擠進(jìn)去，使氣囊40和外模34之間的纖維材料浸在樹脂里。從纖維材料處到大氣有一個放氣口50，以保證樹脂在壓力下浸潤纖維時在纖維材料中不出現(xiàn)氣孔。樹脂成模的大致的工藝過程(RTM)在這一行業(yè)中是盡人皆知的。
用樹脂浸潤了纖維材料以后，下一步便是固化過程，可以在室溫下固化，也可以用比室溫高的溫度固化，這取決于所選用的固化劑。這個溫度包括樹脂在壓力下對纖維材料的加熱。固化以后便完成了構(gòu)件10的成型過程，隨后可以打開外模34取出構(gòu)件。按要求氣囊可以很容易地取出或留在原處，這都取決于另件的復(fù)雜程度、氣囊材料以及樹脂。
上面所說的工藝過程也可以利用一個等直徑的薄壁塑料管作氣囊，塑料管直徑要與模制件的最大內(nèi)周長相配。對于周長較小的部分，由于很薄，多余的氣囊材料不會影響光滑無皺的內(nèi)表面的形成。實際上由于氣囊材料很薄，不能讓氣囊的膨脹超過它不受壓時的周長，因為有破裂的可能。
將所推薦的概念推廣，連接起來的空心框架是可能的，這包括整體框架，例如汽車的空間構(gòu)架或飛機(jī)結(jié)構(gòu)。這一工藝還可以在同一次模制中把模制的面板同空氣元件連接起來。當(dāng)需要把結(jié)構(gòu)連接起來時，不要求連接管狀塑料氣囊，而只把所選用的兩塊扁平的氣囊材料裁好并縫合以做成所需的氣囊。這樣，可以方便地利用價格便宜的氣囊來成型一個帶接縫的完整構(gòu)件。
重要的是，這種工藝過程是用給模具加載完成增強(qiáng)物的充填的。對大多數(shù)要成型的空心構(gòu)件來說，它的截面相對是很小的。因此，盡管可用于使塑料氣囊膨脹的壓力很大，但是產(chǎn)生的力相對來說不大。一般這樣的力不足以把纖維材料壓緊在一個很復(fù)雜的模具的全部表面上。因此需要在投入模具前先把纖維材料預(yù)制成適當(dāng)?shù)男螤睢Ｗ鳛橐环N簡單的預(yù)成型，可以用剪裁的增強(qiáng)纖維和粘合劑來完成。
如果產(chǎn)品規(guī)模小，那么纖維增強(qiáng)物可以裁成適當(dāng)?shù)某叽?，并且在氣囊充氣前用手大概地把它整理成正確的形狀。為了使由氣囊產(chǎn)生的有限的力能夠把增強(qiáng)物壓緊在極復(fù)雜的模具的整個壁上，增強(qiáng)物層間必須能夠自由滑動，以便在貼合模具時不會堵住，從而保證了增強(qiáng)物的適當(dāng)位置。
有許多結(jié)構(gòu)是混合型的，金屬附件的連接最好用金屬接頭或預(yù)先鉚上的金屬板來完成。用預(yù)先把金屬板放在增強(qiáng)物和氣囊之間，甚至放放在增強(qiáng)物層與層之間的方法，這是很容易實現(xiàn)的。
如果僅僅是模制一個結(jié)構(gòu)的骨架，那模具的要求就簡單了。如前面所說的，實際上擴(kuò)張的力相對來說是不大的，被成型的空心部分相對來說也不大。因此用以成型的壓力不會使模具造成大的自由膨脹。因而，即使要求很精確，也不必為了承受氣囊的壓力把模具做得厚實。模具的復(fù)雜程度取決于尺寸、幾何形狀等因素。但是不論多么復(fù)雜，模具必須能夠順利地打開，以便取出固化好的零件。
權(quán)利要求
1.成型一個具有變截面、彎曲、扭轉(zhuǎn)和帶接縫的纖維增強(qiáng)空心結(jié)構(gòu)的方法有如下步驟(a)提供一個外模；(b)沿該外模的內(nèi)表面設(shè)置纖維材料；(c)在上述纖維材料中放一個可膨脹內(nèi)氣囊；(d)使該氣囊充氣壓住上述纖維材料；(e)向上述纖維材料中注入樹脂；(f)固化上述纖維材料，以形成一個堅固的增強(qiáng)構(gòu)件。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于附加的步驟是提供一個分成兩塊的外模，并沿這兩塊外模的內(nèi)壁鋪設(shè)兩片纖維材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的方法，其特征是用一個比較低的壓力源使該氣囊膨脹，以便在注入上述樹脂浸潤纖維材料時把該纖維緊貼在上述內(nèi)壁上。
4.根據(jù)權(quán)利要求
3所述的方法，其特征是把至少三片上述纖維材料預(yù)先放置在上述兩塊外模中的一塊里，并允許上述纖維滑動以適應(yīng)該模高度不規(guī)則的形狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求
4所述的方法，其特征在于固化步驟是在加熱及加壓下完成的。
專利摘要
一個具有不規(guī)則截面、彎面、接縫和扭轉(zhuǎn)的纖維增強(qiáng)空心結(jié)構(gòu)，形成這種結(jié)構(gòu)的方法包括在外模壁上放置纖維材料和在纖維材料中放一個起芯模作用的氣囊，合模并將氣囊充氣后，向纖維材料里注入樹脂。固化后形成堅固的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。
文檔編號B60R21/231GK86105307SQ86105307
公開日1987年4月1日 申請日期1986年8月11日
發(fā)明者理查德·木扎明·弗里曼 申請人:布德公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan