專利名稱：連續(xù)壓實(shí)系統(tǒng)的制作方法
連續(xù)壓實(shí)系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域這里所述的實(shí)施例總體涉及一種連續(xù)壓實(shí)(debulking)系統(tǒng)。特 別是，這里的實(shí)施例總體介紹了用于壓實(shí)織物的系統(tǒng)，該織物用于制 造復(fù)合結(jié)構(gòu)預(yù)制品。
背景技術(shù)：
近年來，復(fù)合材料越來越普遍地用于各種航空航天用途，因?yàn)樗?們具有耐久性，且重量相對(duì)較輕。盡管復(fù)合材料可以提供優(yōu)良的強(qiáng)度 和重量特性，但是由復(fù)合材料制造的結(jié)構(gòu)仍然有一些問題。例如，用于制造復(fù)合結(jié)構(gòu)的織物固有大量的松散材料(bulk)。 在復(fù)合材料(該復(fù)合材料是浸漬有樹脂的織物)的層合(layup)和硬 化過程中，該松散材料可能導(dǎo)致在最終的復(fù)合結(jié)構(gòu)中形成褶皺。為了 幫助防止褶皺，復(fù)合材料的纖維可以被聚合或壓縮成更接近于所希望 的最終硬化(cured)厚度的尺寸。該聚合在壓實(shí)過程中產(chǎn)生。當(dāng)前的制造方法通常涉及使用熱和冷的真空袋裝成型(vacuum bagging)來壓實(shí)復(fù)合材料。不過，在硬化之前均勻壓實(shí)復(fù)合材料不能 消除前述的褶皺形成，特別是當(dāng)制造柱形形狀的復(fù)合結(jié)構(gòu)時(shí)。這是因 為當(dāng)織物環(huán)繞柱形形狀的復(fù)合結(jié)構(gòu)形成工具布置時(shí)，松散織物起皺或 折疊的可能性增大，這可能在最終的復(fù)合結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生褶皺。此外，當(dāng)制造柱形形狀的復(fù)合結(jié)構(gòu)時(shí)，當(dāng)前的壓實(shí)技術(shù)在每施加 四層至六層織物之后需要進(jìn)行真空袋裝成型。由于復(fù)合結(jié)構(gòu)通常平均 包括至少大約六十層織物，因此這會(huì)是一個(gè)耗時(shí)的過程。另外，該過 程的非連續(xù)特性也進(jìn)一步促進(jìn)褶皺的形成，因?yàn)橹貜?fù)地開始和停止壓 實(shí)可能增加在織物中產(chǎn)生褶皺或折疊的可能性。因此，還需要具有時(shí)間效益的、壓實(shí)用于制造復(fù)合結(jié)構(gòu)的織物的 系統(tǒng)，由此減少褶皺的形成。發(fā)明內(nèi)容這里的實(shí)施例通常涉及連續(xù)壓實(shí)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括用于提供織 物的巻軸；加熱裝置，用于在該織物從該巻軸上展開時(shí)加熱該織物， 以便形成加熱織物；復(fù)合結(jié)構(gòu)形成工具，用于使得該加熱織物纏繞該 復(fù)合結(jié)構(gòu)形成工具；樹脂施加器，用于在該加熱織物纏繞該復(fù)合結(jié)構(gòu) 形成工具時(shí)將樹脂施加至該加熱織物，以形成富含樹脂的織物表面， 隨后層的加熱織物被施加至該富含樹脂的織物表面，以形成浸漬復(fù)合 材料；以及壓輥，用于同時(shí)壓實(shí)并冷卻該浸漬復(fù)合材料，以形成復(fù)合 結(jié)構(gòu)預(yù)制品。本領(lǐng)域技術(shù)人員通過下面的說明將清楚這些和其它特征、方面和 優(yōu)點(diǎn)。


盡管說明書結(jié)束于權(quán)利要求，該權(quán)利要求特別指出和清楚要求了 本發(fā)明，但是應(yīng)當(dāng)知道，通過下面的說明并結(jié)合附圖將更好地理解這 里所述的實(shí)施例，附圖中，相同參考標(biāo)號(hào)表示相同元件。圖l是本說明書的連續(xù)壓實(shí)系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的示意側(cè)視圖； 圖2是本說明書的復(fù)合結(jié)構(gòu)形成工具的一個(gè)實(shí)施例的示意正視圖；圖3是本說明書的壓輥的一個(gè)實(shí)施例的示意正視圖；以及 圖4是本說明書的壓輥的另一實(shí)施例的示意正視圖。
具體實(shí)施方式
這里所述的實(shí)施例總體上涉及用于連續(xù)壓實(shí)織物的系統(tǒng)，該織物 用于制造復(fù)合結(jié)構(gòu)預(yù)制品。這里使用的術(shù)語"連續(xù)"的意思是， 一旦 開始該制造過程，它就可以連續(xù)而不中斷，直到制成所需的復(fù)合結(jié)構(gòu) 預(yù)制品。盡管這里的實(shí)施例可以主要集中對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的復(fù)合風(fēng)扇機(jī)匣 預(yù)制品的制造，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)知道，本發(fā)明并不局限于此。 實(shí)際上，如下面的說明書所述，這里所述的方法可以用于任何總體上 為柱形形狀的復(fù)合結(jié)構(gòu)。首先，如圖1中所示，這里所述的系統(tǒng)包括提供一巻軸10的織物 12。"織物(fabric)"的意思是指可將樹脂施加于其上以形成復(fù)合 材料的任何材料。盡管這里可以使用各種織物12，但是在一個(gè)實(shí)施例 中，織物12可以包括由本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的任意合適增強(qiáng)纖維制成
的一層材料，該纖維包括但不局限于玻璃纖維、石墨纖維、碳纖維、 陶瓷纖維、芳族聚酰胺纖維例如聚對(duì)亞苯基對(duì)苯二甲酰胺(poly(p-phenylenetherephtalamide))纖維(即KEVLAR⑧)以及它們的組合。 在一個(gè)實(shí)施例中，織物12可以包括碳纖維。另外，織物12可以采取任 意各種形式，例如但不局限于多向紡織預(yù)制品(例如編織物、針織 物以及有褶或無褶的無紡物)，在該材料的每個(gè)纖維束中有大約3000 至大約24000根纖維絲。當(dāng)織物12從巻軸10上展開時(shí)，它可以被加熱，以便產(chǎn)生加熱織物 18，該加熱織物18可以被傳送至復(fù)合結(jié)構(gòu)形成工具14上，該復(fù)合結(jié)構(gòu) 形成工具14可以位于巻軸10附近以便于傳送。應(yīng)當(dāng)知道，在一個(gè)實(shí)施 例中，根據(jù)這里所述系統(tǒng)的連續(xù)特性，對(duì)織物12的加熱和傳送可以同 時(shí)進(jìn)行。加熱可以利用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的任何加熱裝置16來實(shí)現(xiàn)，例 如輻射加熱器、強(qiáng)制空氣(forced air)加熱器、加熱空氣刀、加熱 輥、加熱壓板等?？梢詫⒖椢?2加熱至任意所需溫度，以便形成該加 熱織物18。應(yīng)當(dāng)知道，術(shù)語"加熱織物"可以指圍繞工具14布置的初 始層的加熱織物以及在復(fù)合結(jié)構(gòu)預(yù)制品的制造過程中布置在該初始層 頂部上的任何隨后層。在一個(gè)實(shí)施例中，織物12可以加熱成這樣，即， 當(dāng)隨后將樹脂施加至該加熱織物18時(shí)，來自加熱織物18的熱量可以幫 助熔化該樹脂，如下文所解釋的那樣。通過只加入足以幫助熔化樹脂 的熱量，則在以后步驟中需要除去的熱量就減少了。這會(huì)有利于實(shí)現(xiàn) 一種連續(xù)系統(tǒng)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)知道，所需的加熱溫度可以根據(jù)所使用的織 物和樹脂而變化。不過，通?？赡芟Ｍ訜峥椢?8具有從大約65t:至 大約1201C的溫度；在另一實(shí)施例中為從大約80X:至大約1051C，用于 施加環(huán)氧樹脂；從大約651C至大約1601C，且在另一實(shí)施例中為從大約 80X:至1351C，用于施加BMI樹脂；以及從大約2401C至大約275TC ，且 在另一實(shí)施例中為從大約250*0至大約270TC ，用于施加聚酰亞胺樹 脂。應(yīng)當(dāng)知道，當(dāng)加熱織物18纏繞在工具14上時(shí)，加熱織物18的溫度 可能會(huì)稍微降低。不過，加熱織物18通常將仍然保持在前述溫度范圍 內(nèi)，直到施加樹脂。不管被加熱到的溫度是多少，加熱織物18都可以 連續(xù)纏繞到復(fù)合結(jié)構(gòu)形成工具14上。 復(fù)合結(jié)構(gòu)形成工具14可以具有與要制造的復(fù)合結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的任意 合適幾何形狀。在一個(gè)實(shí)施例中，工具14可以用于制造燃?xì)廨啓C(jī)的風(fēng) 扇機(jī)匣預(yù)制品，因此可以沿周向成形為具有總體上為柱形形狀的芯20 以及可拆卸地安裝在該芯20上的端板22，基本上如圖1和2中所示。例 如，見授予Blanton等人的美國(guó)專利申請(qǐng)No. 2006/0134251。織物12可 以首先在開始點(diǎn)X接觸工具14?？梢允褂脴渲瑏硎箍椢?2的該端部有粘 性，以便當(dāng)其纏繞到工具14的芯20上時(shí)將其保持就位，該芯20可以通 過人工或機(jī)械裝置而連續(xù)軸向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)加熱織物18纏繞工具14的芯20時(shí)，可以利用本領(lǐng)域技術(shù)人員已 知的任何樹脂施加器26 (例如熱熔膠施加器)來施加樹脂，以便制造 富含樹脂的織物表面28。所使用的樹脂可以變化，不過，在一個(gè)實(shí)施 例中，該樹脂可以是熱熔樹脂。這里可以使用的熱熔樹脂可以包括但 不局限于環(huán)氧樹脂、BMI樹脂、聚酰亞胺樹脂以及它們的組合。在一 個(gè)實(shí)施例中，可能希望恰好在工具14轉(zhuǎn)一整圏返回到開始點(diǎn)X之前向該 加熱織物18施加樹脂。這樣，所形成的富含樹脂的織物表面28可以立 即由隨后層的加熱織物18覆蓋(隨著織物從巻軸10上展開并傳送至工 具14)。因?yàn)闃渲谐訜峥椢?8的熱量流動(dòng)的趨勢(shì)，因此，樹脂 可以從富含樹脂的織物表面28滲入到該隨后層的加熱織物18，從而將 這些層粘在一起，以便形成一種浸漬復(fù)合材料30。然后，該浸漬復(fù)合材料30可以利用壓輥24來壓實(shí)。壓實(shí)有助于將 多層浸漬復(fù)合材料30壓在一起。也可選擇，在一個(gè)實(shí)施例中，壓輥24 可以壓力釋放，以便周期性緩減在連續(xù)纏繞和壓實(shí)處理過程中積累的 壓力。更具體地說，如圖3中所示，安裝在壓輥24上的氣缸36可以用于 向輥24施加壓力，在一個(gè)實(shí)施例中，該輥24可以有變化的直徑。當(dāng)輥 24旋轉(zhuǎn)時(shí)，較大直徑的區(qū)域的行程比較小直徑的區(qū)域更遠(yuǎn)，從而在它 們之間產(chǎn)生至少一個(gè)應(yīng)力積累區(qū)域38，該應(yīng)力積累區(qū)域38會(huì)導(dǎo)致該浸 漬復(fù)合材料起皺和/或折疊。為了幫助防止產(chǎn)生該變形，該壓力可以周 期性地緩減或?yàn)槊}沖形式，以允許該浸漬復(fù)合材料在發(fā)生不可逆損壞 之前彈回至松弛的無變形狀態(tài)。在圖4所示的另一實(shí)施例中，壓輥124 可以分段成兩個(gè)或更多較小的輥，以便產(chǎn)生至少兩個(gè)較小的應(yīng)力積累 區(qū)域138，并降低壓力需要緩減的頻率。除了被壓實(shí)，該浸漬復(fù)合材料30還可以冷卻以便使樹脂固化 (solidify)，并使多層浸漬復(fù)合材料30保持在形成復(fù)合結(jié)構(gòu)預(yù)制品 32所需的希望壓縮狀態(tài)。這里使用的"復(fù)合結(jié)構(gòu)預(yù)制品"是指包括固 化但尚未硬化的樹脂在內(nèi)的壓實(shí)的多層浸漬復(fù)合材料。冷卻可以利用 任意各種冷卻裝置來實(shí)現(xiàn)，例如空調(diào)系統(tǒng)。在可選實(shí)施例中，冷卻可 以通過利用壓輥24作為冷卻裝置而與壓實(shí)同時(shí)進(jìn)行，如圖1中所示。更 具體地說，在該實(shí)施例中，冷卻流體可以循環(huán)通過壓輥24，以便冷卻 該壓輥的外表面34。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)知道，合適的冷卻溫度將根據(jù)織物和樹脂以 及該織物的初始加熱溫度而變化。不過，通?？梢韵Ｍ麑⒃摻n復(fù)合 材料30冷卻至從大約181C至大約27TC的溫度，在一個(gè)實(shí)施例中為從大 約201C至大約25TC (當(dāng)使用環(huán)氧樹脂時(shí))；從大約60X:至大約80t:， 在另一實(shí)施例中為從大約65TC至大約70TC (當(dāng)使用BMI樹脂時(shí))；以及 從大約1501C至大約225 TC，且在另一實(shí)施例中為從大約1901C至大約 210"C (當(dāng)使用聚酰亞胺樹脂時(shí))。如前所述，通過只將織物加熱至幫 助熔化樹脂所需的最小溫度，可以使得在用于固化樹脂和獲得復(fù)合結(jié) 構(gòu)預(yù)制品的冷卻過程中所必須除去的熱量最少。一旦獲得合適的厚度，復(fù)合結(jié)構(gòu)預(yù)制品32則為最終的硬化處理做 好了準(zhǔn)備。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)知道，該最終硬化工具和過程可以根 據(jù)諸如所使用的樹脂、部件幾何形狀和設(shè)備能力等因素而變化。這里所寫的說明利用示例來說明本發(fā)明，包括最佳模式，且使得 本領(lǐng)域任何技術(shù)人員能夠制造和使用本發(fā)明。本發(fā)明的專利范圍由權(quán) 利要求來確定，并可以包括本領(lǐng)域技術(shù)人員知道的其它示例。當(dāng)這些 其它示例的結(jié)構(gòu)元件與權(quán)利要求的文字語言沒有區(qū)別時(shí)，或者它們包 括與權(quán)利要求的文字語言沒有實(shí)質(zhì)區(qū)別的等效結(jié)構(gòu)元件時(shí)，它們也將 在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種連續(xù)壓實(shí)系統(tǒng)，包括用于提供織物(12)的卷軸(10)；加熱裝置(16)，用于在該織物(12)從該卷軸(10)上展開時(shí)加熱該織物(12)，以便形成加熱織物(18)；復(fù)合結(jié)構(gòu)形成工具(14)，用于使得該加熱織物(18)纏繞該復(fù)合結(jié)構(gòu)形成工具(14)；樹脂施加器(26)，用于在該加熱織物(18)纏繞該復(fù)合結(jié)構(gòu)形成工具(14)時(shí)將樹脂施加至該加熱織物(18)，以形成富含樹脂的織物表面(28)，隨后層的加熱織物(18)被施加至該富含樹脂的織物表面(28)，以形成浸漬復(fù)合材料(30)；以及壓輥(24)，用于同時(shí)壓實(shí)并冷卻該浸漬復(fù)合材料(30)，以形成復(fù)合結(jié)構(gòu)預(yù)制品(32)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中，該巻軸(IO)包括織物(12 )， 該織物(12)選自玻璃纖維、石墨纖維、碳纖維、陶瓷纖維、芳族 聚酰胺纖維以及它們的組合。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其中，該樹脂施加器(26)施 加樹脂，該樹脂選自環(huán)氧樹脂、BMI樹脂、聚酰亞胺樹脂以及它們的 組合。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l、 2或3所述的系統(tǒng)，其中，該加熱裝置(16) 將該織物加熱至從大約65"C至大約1201C，用于施加環(huán)氧樹脂；從大 約651C至大約160X:，用于施加BMI樹脂；以及從大約2401C至大約275 t:，用于施加聚酰亞胺樹脂。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l、 2、 3或4所述的系統(tǒng)，其中，該加熱裝置(16) 包括輻射加熱器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l、 2、 3、 4或5所述的系統(tǒng)，其中，該壓輥(24) 包括冷卻外表面(34)，用于冷卻該浸漬復(fù)合材料(30)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，該冷卻外表面(34)將該 浸漬復(fù)合材料(30)冷卻至從大約18X:至大約27X:，用于環(huán)氧樹脂； 從大約601C至大約80X:，用于BMI樹脂；以及從大約15 OX:至大約225 1C，用于聚酰亞胺樹脂。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l、 2、 3、 4、 5、 6或7所述的系統(tǒng)，其中，該壓 輥(24)包括變化的直徑。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l、 2、 3、 4、 5、 6、 7或8所述的系統(tǒng)，其中，該 壓輥(24)被釋放壓力。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8或9所述的系統(tǒng)，其中， 該復(fù)合結(jié)構(gòu)預(yù)制品(32)包括燃?xì)廨啓C(jī)的風(fēng)扇機(jī)匣。
全文摘要
一種連續(xù)壓實(shí)系統(tǒng)，包括用于提供織物(12)的卷軸(10)；加熱裝置(16)，用于在該織物(12)從該卷軸(10)上展開時(shí)加熱該織物(12)，以便形成加熱織物(18)；復(fù)合結(jié)構(gòu)形成工具(14)，用于使得該加熱織物(18)纏繞該復(fù)合結(jié)構(gòu)形成工具(14)；樹脂施加器(26)，用于在該加熱織物(18)纏繞該復(fù)合結(jié)構(gòu)形成工具(14)時(shí)將樹脂施加至該加熱織物(18)，以形成富含樹脂的織物表面(28)，隨后層的加熱織物(18)被施加至該富含樹脂的織物表面(28)，以形成浸漬復(fù)合材料(30)；以及壓輥(24)，用于同時(shí)壓實(shí)并冷卻該浸漬復(fù)合材料(30)，以形成復(fù)合結(jié)構(gòu)預(yù)制品(32)。
文檔編號(hào)B29C70/34GK101209591SQ20071030594
公開日2008年7月2日 申請(qǐng)日期2007年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月28日
發(fā)明者C·B·庫爾蒂斯, D·S·米勒, L·A·布蘭頓, R·P·費(fèi)爾班克斯 申請(qǐng)人:通用電氣公司