專利名稱：用熱塑性復(fù)合材料制造毛坯的方法及相關(guān)制造工具，以及該方法在生產(chǎn)飛行器結(jié)構(gòu)零件 ...的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及一種用熱塑性復(fù)合材料(尤其是由連續(xù)纖維加固的熱塑性復(fù)合 材料)制造面板或毛坯的方法。作為說明，其可以涉及以PPS或PEI樹脂為基礎(chǔ)的、用織品 (tissu)形式的碳纖維或玻璃纖維加固的熱塑性基質(zhì)(matrice)的復(fù)合物。
背景技術(shù)：
本發(fā)明優(yōu)選地涉及一種制造厚度介于1至8mm之間的面板或毛坯的方法，例如那 些通常在航空領(lǐng)域中遇到的并在后面的制造步驟中通過使用EP0584017中描述的沖頭-模 具(poincon-matrice)類型的方法或沖壓方法壓制成型的毛坯，該方法不需要任何額外的 切邊(detourage)操作。因此本發(fā)明的執(zhí)行使得可以獲得具有平坦度、表面狀態(tài)、材料健全度 (santematiere)和輪廓特征的面板，這些特性使得面板適合立即使用或在成型操作后用于 構(gòu)成飛行器結(jié)構(gòu)元件的部件。傳統(tǒng)的用復(fù)合材料制造毛坯的方法通常以兩個(gè)連續(xù)步驟實(shí)現(xiàn)，即成褶(drapage) 步驟和隨后的加固步驟(也稱作壓實(shí)步驟)。對(duì)于航空應(yīng)用，成褶步驟在于實(shí)現(xiàn)預(yù)浸漬有樹脂的纖維織品的堆垛，其目的是為 了在堆垛方向獲得多個(gè)重疊的層或褶皺。堆垛的加固步驟包括使用設(shè)置在堆垛上方的壓緊蓋板將堆垛壓緊。實(shí)際上，該壓 緊蓋板允許通過施加壓力將由重疊的預(yù)浸纖維織品組成的整體在堆垛方向上壓實(shí)，并同時(shí) 允許將堆垛中存在的空氣和氣體排出，使得獲得的毛坯具有可接受的孔隙度(小于5% )。 此外，該加固堆垛的步驟通過對(duì)堆垛加熱來實(shí)現(xiàn)，以便使其達(dá)到能夠使預(yù)浸漬的樹脂與纖 維融合所需的溫度，并且因此獲得壓實(shí)的并一體形成的最終元件。這種方法通常通過高壓爐實(shí)現(xiàn)，該高壓爐允許在施加壓實(shí)所需的外部壓力的同 時(shí)，使得堆垛區(qū)域真空，以便于堆垛的排氣，并最終使整體達(dá)到所需溫度。這種在高壓爐內(nèi) 實(shí)現(xiàn)的壓實(shí)確保了_用于壓實(shí)的壓力的均勻分布；-有效排氣(外部壓力+真空)。如此獲得的面板隨后被切成多塊毛坯，例如通過研磨水射(jet d' eau abrasif) 進(jìn)行切割，然后將毛坯通過諸如沖壓的成型方法進(jìn)行成型。高壓爐是特殊且昂貴的裝置。因此，經(jīng)常是車間或制造工廠中只有一臺(tái)，因而也形 成了制造流程中的瓶頸。而且，由于它們的設(shè)計(jì)(通過高壓爐內(nèi)部的氣壓而向堆垛施加外 部壓力，需要在艙內(nèi)加熱大量該氣體)，使用它們需要相當(dāng)長的時(shí)間(數(shù)小時(shí))。切割面板的操作產(chǎn)生一些廢料，其可達(dá)到面板原始重量的30%左右，這是不經(jīng)濟(jì) 的，尤其是對(duì)于諸如用于航空建筑的高成本材料來說。因此，對(duì)于表面積小于3平方米的小部件，并且尤其是表面積介于0. 1至0. 5平方米之間的小部件，使用壓力機(jī)進(jìn)行這種壓緊步驟以減少循環(huán)時(shí)間是有利的。此外還具有一 個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即在工廠或車間將這種類型的材料成型的情況下，使用用于成型的相同類型的工 具(壓力機(jī))，從而使得在生產(chǎn)管理方面增加了靈活性。使用壓力機(jī)進(jìn)行加固的困難在于獲得航空類型應(yīng)用可接受的面板的平坦度、表面 狀態(tài)以及材料健全度(孔洞或孔隙少)特性的可能性。從文件JP02162017A中已知一種壓實(shí)方法，其允許在按壓期間限制堆垛中的樹脂 的過度排放。為此，該方法使用被柔性囊(vessie souple)界定的壓實(shí)艙內(nèi)的真空、利用壓 板(平板墊塊(cale plate))擠壓堆垛以及利用固定塊(cales de tablage)限制樹脂流 的三者結(jié)合效果。結(jié)合了真空和擠壓效果的這種方法允許以相對(duì)容易的方式在壓實(shí)(擠壓)之前或 同時(shí)獲得最佳排氣(由于真空的作用)。固定塊的存在允許限制邊界效應(yīng)的干燥現(xiàn)象。換 句話說，存在于材料中的孔隙僅具有沿著如此壓實(shí)的面板的邊緣分布的幾十毫米(通常介 于30至50毫米之間)的寬度。這些多孔區(qū)域?qū)⒃诤竺娴那羞叢僮髦斜蝗コＴ谑褂蒙鲜龅牟⑶覂?yōu)選地用于實(shí)現(xiàn)具有較小表面積的毛坯的壓力機(jī)來壓實(shí)的方 法的情況下，這樣的位于毛坯邊緣的受到干燥影響的區(qū)域通常是不可接受的，因?yàn)樗?相對(duì)于該部件有用的表面積的超額費(fèi)用。這種超額費(fèi)用來自于材料的成本和在沖壓前所需 的切邊的成本。對(duì)于使用特別昂貴原材料(預(yù)浸漬織品)的航空類應(yīng)用來說，這是非常敏 感。而且，使用“壓力下(sous presse)”的方法必須達(dá)到高壓以確保堆垛中包含的空 氣和氣體有效排出，同時(shí)還能不讓樹脂排出(干燥)。專利WO 90/11185公開了一種用熱塑性復(fù)合材料制造零件的方法，其從包含有預(yù) 浸有熱塑性樹脂的連續(xù)纖維的織品的堆垛開始，其中堆垛是夾在兩個(gè)壓板之間，壓板本身 是夾在兩層玻璃纖維布之間，整體放置在Kapton 類型的真空袋里。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的目標(biāo)是提出一種低成本地并且通過使用慣有工具利用由連續(xù)纖維 和熱塑樹脂構(gòu)成的復(fù)合材料制造毛坯的方法，其從預(yù)浸有熱塑樹脂的織品堆垛開始。為此，本發(fā)明涉及一種利用熱塑性復(fù)合材料制造用于后續(xù)成型操作的毛坯的方 法，其中，實(shí)施以下步驟a)通過光滑薄膜將由預(yù)浸有熱塑樹脂的連續(xù)纖維制成的織品的堆垛包裹起來，所 述薄膜流行至少一個(gè)開口，b)在底板的外周上設(shè)置固定塊，并且將織品的堆垛安置在底板上，以便使得包裹 堆垛的薄膜與固定塊接觸，c)將壓緊蓋板安置在所述織品的堆垛的上方，所述織品的堆垛被薄膜包裹并安置 在底板上，d)通過在壓緊蓋板上方按壓并且通過加熱堆垛來施加壓力和溫度循環(huán)，為了至少 達(dá)到樹脂的熔點(diǎn)溫度的同時(shí)保持薄膜的不熔化和光滑，使得堆垛中存在的氣體通過開口并 且隨后通過至少一個(gè)排放通道排出，所述排放通道設(shè)置在壓緊蓋板和/或底板和/或固定 塊上。
因此，在慣用工具(例如用于將毛坯最后成型為零件而在最后使用的成形壓力 機(jī))的幫助下，獲得了沒有充滿空氣和/或氣體的孔的壓實(shí)的毛坯。特別地，不需要毛坯邊 緣的切邊的這種昂貴的操作。本發(fā)明的方法允許保證毛坯的幾何特性。在這里和本發(fā)明的上下文里要說明的 是，毛坯是具有明確幾何特性的中間產(chǎn)品或半成品，將在隨后通過沖壓方式被成型。這一方 面通過確保預(yù)浸的織品的堆垛與校準(zhǔn)零件(底板，固定塊和壓緊蓋板)在制造過程中始終 相接觸來確保，另一方面通過確保與這些不同零件的接觸始終通過具有光澤外觀的光滑薄 膜實(shí)現(xiàn)來確保，以便在整個(gè)制造階段都可以滿足表面光潔度要求。因此，在根據(jù)本發(fā)明的制 造中非常好地控制了堆垛體積的變化。在本發(fā)明的上下文中，堆垛所占用的該體積可在以下三種現(xiàn)象的作用下發(fā)生變 化_膨脹，其意味著預(yù)浸漬織品的“干”堆垛所占的厚度比其最終厚度大得多，約為最 終壓實(shí)厚度的兩倍，-樹脂的熔化，這伴隨這所述樹脂的體積增大，-冷卻期間的收縮。然后，在本發(fā)明的范圍中，力圖通過以下方式確保在壓實(shí)的材料中沒有孔隙-排出堆垛中所包含的空氣和/或氣體，-在壓實(shí)階段當(dāng)樹脂熔化時(shí)沒有樹脂的排出(干燥)，本發(fā)明允許-確保來自堆垛的氣體被傳送到工具外部(用于排出所述氣體)，-以密封的方式將樹脂保持在堆垛內(nèi)，-在貫穿整個(gè)壓實(shí)循環(huán)期間保持與校準(zhǔn)零件(即底板，固定塊和壓緊蓋板)的接 觸，以確保毛坯的幾何特性。為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，可以有利地使用被構(gòu)成為壓緊蓋板的可移動(dòng)部分的工具，該工 具優(yōu)選地具有厚截面且不易變形，因而允許壓力機(jī)所施加的壓力平均地分配到待壓實(shí)的堆 垛的表面上，工具插入該壓力機(jī)中。在生產(chǎn)漸增厚度的毛坯時(shí)，還可以使用平面底板或使用具有可變化高度的板 (plage)的底板。固定塊可以固定在該底板的外周上，并且可選地帶有凹槽，以便確保堆垛內(nèi)部所 包含的空氣和/或氣體在按壓過程中排出或泄出。這些固定塊在允許校正由該方法實(shí)現(xiàn)的 面板的厚度的同時(shí)，還允許與根據(jù)本發(fā)明的薄膜的效果結(jié)合起來而抑制樹脂在壓實(shí)操作期 間的橫向流出。當(dāng)堆垛被放到底板上時(shí)，包裹堆垛的薄膜與所有的固定塊相接觸。用于實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的方法的制造工具，可以有利地插入單作用或雙作用液壓機(jī) 中，所述液壓機(jī)能夠提供閉合力，該閉合力對(duì)應(yīng)于分布在待處理的整個(gè)堆垛上的至少IMPa 的壓力。壓力機(jī)優(yōu)選地裝備有加熱板，例如通過沸騰的油和/或通過電阻器和/或通過感 應(yīng)或其它任何適于將它們的溫度傳遞給工具的方式加熱，工具自身放置在這些加熱板上。 在一個(gè)可替換的解決方案中，在不超出本發(fā)明范圍的情況下，工具可以通過與關(guān)于加熱板 的所提到的方式相同的方式直接加熱。
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根據(jù)本發(fā)明的所使用的薄膜優(yōu)選地放置在底板上，待壓實(shí)的堆垛起初是放在底板 上的。然后將薄膜的邊緣折疊到堆垛上并且優(yōu)選地通過高溫粘合劑在四角保持這種位置， 從而形成四個(gè)構(gòu)成褶子的元件。然后至少一片薄膜在褶子下滑動(dòng)以便覆蓋堆垛的上表面。該薄膜在底板、壓緊蓋板和堆垛之間形成界面。因此防止了在壓實(shí)過程中任何樹 脂粘到這些零件上。而且，由于薄膜具有非常光滑(有光澤的)的表面，這允許大幅提高毛 坯的表面狀態(tài)，在這種情況下壓緊蓋板和底板的表面狀態(tài)不會(huì)“印”到毛坯的表面上。因此，根據(jù)本發(fā)明所使用的薄膜的光滑外觀在加固步驟中與堆垛的表面相接觸， 這有利地允許在所得到的毛坯上獲得非常令人滿意的表面狀態(tài)，所述表面狀態(tài)完全符合在 某些領(lǐng)域(如航空領(lǐng)域)中遇到的表面質(zhì)量高要求。而且，薄膜還有利地允許氣體在加固步驟期間極佳地排出。這可以通過利用在將待壓實(shí)的堆垛包裹起來的薄膜上形成開口的重疊區(qū)域使最 初位于堆垛內(nèi)的空氣和/或氣體排放來解釋。因此證明了所實(shí)施的排氣是令人滿意的，并 且允許獲得孔隙度較低的毛坯，因此這確保了整體特性的機(jī)械強(qiáng)度性能。為此，根據(jù)堆垛的表面尺寸，可以通過增加重疊的薄膜片數(shù)而有利地創(chuàng)建出其它 的重疊區(qū)域。因此，上薄膜可以有利地分成兩個(gè)或更多具有重疊區(qū)域的部分或薄片，并且位 于下面區(qū)域的薄膜也可以由兩個(gè)或多個(gè)部分或薄片組成。重疊區(qū)域的增加形成了密封性被 降低的區(qū)域，這對(duì)于執(zhí)行構(gòu)成本發(fā)明的方法是非常有利的，特別是用于制造具有大表面面 積的毛坯。用薄膜對(duì)待壓實(shí)的毛坯進(jìn)行包裹還允許將堆垛內(nèi)的樹脂全部保留。實(shí)際上，雖然 在按壓堆垛時(shí)允許空氣和/或氣體從堆垛中排出，但是薄膜的重疊區(qū)域不允許樹脂的“排 出”，因?yàn)闃渲恼扯忍叨鵁o法從重疊開口流出，而且所述開口還會(huì)在壓力下重新封閉。因此，通過使用包裹堆垛的薄膜和使用固定塊，纖維制品的體積與堆垛中樹脂的 體積的比率在整個(gè)壓實(shí)過程中保持不變。因此也就避免了在壓實(shí)過程中由于樹脂從堆垛中 泄出而導(dǎo)致的干燥現(xiàn)象的出現(xiàn)。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所使用的光滑薄膜是聚酰亞胺薄膜。根據(jù)一個(gè)有利的實(shí)施例，方法的步驟b)的執(zhí)行是通過相對(duì)于底板設(shè)置固定的固 定塊且通過將織品堆垛切割成與固定塊之間的尺寸相對(duì)應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明還涉及一種用于利用由連續(xù)纖維組成的復(fù)合材料制造毛坯的工具。根據(jù)本發(fā)明，該工具包括底板，壓緊蓋板，固定塊以及至少一個(gè)排放通道，該排放 通道設(shè)置在底板和/或壓緊蓋板和/或固定塊內(nèi)。因此這種通道有利地允許來自堆垛的氣體被輸送到工具外部(用于將所述氣體 排出)。本發(fā)明還涉及液壓壓力機(jī)(P)，其用于利用由連續(xù)纖維構(gòu)成的復(fù)合材料制造毛坯， 該壓力機(jī)裝備有適用于熔化復(fù)合材料的熱塑樹脂的加熱板，該壓力機(jī)還包括如上所述的插 在板之間的工具。根據(jù)本發(fā)明的方法的一項(xiàng)非常有利的用途是用復(fù)合材料制造出用作飛行器結(jié)構(gòu) 零件的毛坯。


參照附圖，通過閱讀詳細(xì)說明，本發(fā)明的其它的優(yōu)點(diǎn)和特征將顯現(xiàn)出來，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的壓力機(jī)(P)的示意圖，其用于利用包含連續(xù)纖維的復(fù)合材料 制造毛坯，其中工具1位于上、下加熱板之間。圖2是根據(jù)本發(fā)明的工具1的視圖，工具1用于實(shí)現(xiàn)非矩形的且還具有漸進(jìn)厚度 的毛坯，根據(jù)本發(fā)明，底板12的A、B、C、D、E區(qū)域具有不同的高度。圖3和3A是纖維織品的堆垛20的俯視圖和截面圖，其中堆垛20包含的纖維預(yù)浸 有熱塑樹脂，并在圖2的工具上放置有根據(jù)根據(jù)本發(fā)明的光滑薄膜21、22。圖3B是根據(jù)本發(fā)明使用的固定塊(14)的詳細(xì)視圖。圖4A和4B是兩個(gè)俯視圖，其示出了用根據(jù)本發(fā)明的薄膜包裹堆垛20以制造平行 六面體毛坯的步驟。圖4C是示出了根據(jù)圖4A和4B的已包裹堆垛的截面圖。圖4D至4F是示出了根據(jù)本發(fā)明的與圖4C的包裹堆垛方式不同的方式的截面圖。圖5和5A是分別示出了根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)的毛坯的俯視圖和沿A-A線的截面圖。
具體實(shí)施例方式參照?qǐng)D1，根據(jù)本發(fā)明的液壓壓力機(jī)(P)首先包括壓實(shí)工具1，該壓實(shí)工具包括兩 個(gè)部分，即支撐底板12和固定塊14的下部10以及支撐壓緊蓋板13的上部11。兩個(gè)部分10、11可以沿著圖1的軸Z相互平移，并且通過用作在壓力下操作的并 被本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的工具的傳統(tǒng)裝置進(jìn)行其它自由程度的固定。參照?qǐng)D2，適當(dāng)厚度的固定塊14通過被擰到底板12的外周上(固定孔41)而設(shè)置 并裝配在工具的下部11內(nèi)。圖3B示出了它們通過容納在孔41的螺釘而被固定進(jìn)底板12的方式。傳統(tǒng)的方式下，工具1、底板12、固定塊14以及壓緊蓋板13例如用40CMD8類型的 工具鋼制成。圖3A示出了固定塊14相對(duì)于底板12的定位的一種有利的變型為了獲得期望的 效果，固定塊14和底板12之間的凸出高度e優(yōu)選地與堆垛20的褶皺數(shù)成比例。典型地， 該高度e以毫米為單位，被表示為公式0. 005xN，其中N是堆垛20具有的褶皺數(shù)。因此對(duì)于 20個(gè)褶皺來說，凸出高度e至少等于0. 1毫米。整個(gè)工具1優(yōu)選地事先用適當(dāng)?shù)娜軇┟撝?。薄? (例如是聚酰亞胺薄膜)的部分21在被切割成期望的形狀后被設(shè)置在底板 12上。該部分21有利地涂有脫模劑，例如樂泰公司的FREEKOTE 44NC型。用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的聚酰亞胺薄膜可以例如通過芳香四羧酸二酐與芳香二胺起反 應(yīng)來制造。這些薄膜的厚度例如可以達(dá)到30微米，并且更常見的是介于約20至50微米之 間。舉例來說，可以利用下列在市場上可買到的薄膜- AIRTECH 公司的50微米的熱亞胺(thermalimide)薄膜。- RICHMOND 公司的50微米的熱亞胺薄膜(編號(hào)UHT750)。
- KANEKA 公司的50微米的熱亞胺薄膜(編號(hào)200AV)。
通常，由于這些聚酰亞胺薄膜的厚度較小，在加固堆垛后，薄膜的開口或交迭/重 疊區(qū)域僅通過壓印在堆垛的表面上留下表面標(biāo)記，這些標(biāo)記不會(huì)損壞表面狀態(tài)并且不會(huì)使 所獲得的毛坯的整體機(jī)械特性顯著變?nèi)?。所使用的聚酰亞胺薄?例如“熱亞胺”類型)被選擇為在加固堆垛的步驟中抵 抗可能達(dá)到400°C或更高的高溫。由于在來自于根據(jù)本發(fā)明的毛坯的最終的板上不需要這 些熱亞胺薄膜，因此這些薄膜被設(shè)置為例如通過剝離可以從被壓實(shí)的堆垛的上表面或從壓 緊蓋板上容易地去除。在最頻繁遇到的情況中，其中在加固步驟的最后階段，所使用的薄膜 既不是貼在壓實(shí)堆垛的上表面上，也不是貼在壓緊蓋板上，當(dāng)然，這些聚酰亞胺薄膜的去除 不會(huì)造成任何特殊問題。因此可以在圖3和圖3A中看出由熱亞胺薄膜21對(duì)織品的堆垛20的第一包裹預(yù) 先放置在工具1、12、13中，然后在將薄片22安裝到上部(面向板13)之前將薄膜21折疊 到織品20上。薄膜2的上部可以包含單個(gè)薄片22，但是如果其是由兩個(gè)薄片22a、22b(圖 4C)或是更多的薄片構(gòu)成將是有利的，這些薄片在10毫米至20毫米的寬度d上重疊，優(yōu)選 地等于15毫米。使用兩個(gè)或更多薄片的方案的優(yōu)點(diǎn)是確保了更好的排氣并提供了薄膜的 薄片彼此之間滑動(dòng)的更大可能性。預(yù)浸漬織品的堆垛20被切割成適當(dāng)?shù)男螤畈⒎胖迷诒∧?上以便織品20與固定 塊14在整個(gè)外廓上沒有間隙地接觸，即進(jìn)行橫向接觸。根據(jù)本發(fā)明的織品的堆垛例如可以包含碳纖維的織品T300J，其具有 285克/平方米的表面質(zhì)量(masse surface)，該碳纖維浸有類型為⑶0286的 PPS(p0lyphenylsUlph0ne，聚亞苯基)類樹脂。同樣的方法可以用任何類型的碳纖維、玻璃 纖維或芳族聚酸胺纖維或各種纖維的組合來實(shí)現(xiàn)，并預(yù)浸有諸如PPS、PEEK、PEI的任何類 型的熱塑性樹脂。薄膜2的部分21的邊緣然后被折疊到堆垛20上并通過根據(jù)圖4A的高溫粘合劑 的應(yīng)用而固定在該位置上。然后操作者在如圖4B中如此實(shí)現(xiàn)的折邊下滑動(dòng)兩個(gè)預(yù)先涂有脫模劑的板條或薄 片22a和22b。折邊與板條或薄片22a和22b之間的重疊1至少為15mm。一旦形成堆垛，薄膜可以有利地折疊到邊緣上并優(yōu)選地用高溫粘合劑固定。圖5 中示出了一種在堆垛四個(gè)角固定的方式，因此形成四個(gè)“褶子”(一角一個(gè))。根據(jù)一個(gè)特殊實(shí)施例，操作者可以隨后安裝至少一個(gè)熱電偶(未示出)，通過使它 經(jīng)過設(shè)置在固定塊14內(nèi)的凹槽42 (圖3B)來與被包裹的堆垛20接觸。這種與堆垛20相 接觸的熱電偶允許精確地控制能夠?qū)崿F(xiàn)壓實(shí)的壓力/溫度循環(huán)。支撐著壓緊蓋板13的工具1的上部11被放置并定位在下部10上，然后整體被放 到壓力機(jī)(P)下。首先在上部工具11的重量的作用下，并且然后在由壓力機(jī)(P)施加的初 始液壓作用下，堆垛20的膨脹被大幅度縮小，并且通過力的增大，壓緊蓋板13接觸到固定 塊14。在這個(gè)移動(dòng)過程中，最初包含在堆垛20內(nèi)的一大部分空氣和/或氣體被擠出，這 些氣體能夠通過在薄膜的部分之間形成開口(0)的重疊區(qū)域而從包裹中排出。薄膜的非可變形性質(zhì)，包裹時(shí)的特殊布置以及薄膜2的一部分21與另一部分22 之間的低摩擦系數(shù)，還有薄膜2與堆垛20之間以及與鋼之間的低摩擦系數(shù)，允許折邊沿著
9圖3A所示的箭頭200的方向滑動(dòng)，即平行于堆垛20的上表面限定的平面滑動(dòng)。因此堆垛 20始終被薄膜2包裹，該薄膜在該“預(yù)壓實(shí)”期間不會(huì)起褶。工具1被放在壓力機(jī)(P)的內(nèi)部，其與加熱板15接觸而漸漸增加溫度直到達(dá)到樹 脂的熔點(diǎn)(通常PPS樹脂的熔點(diǎn)是310°C)。該溫度的上升階段是由與堆垛接觸放置的熱 電偶控制。在該溫度上升的整個(gè)階段，堆垛20上被施加有預(yù)壓實(shí)壓力，通常是2巴的壓力， 壓緊蓋板13保持與固定塊14接觸。溫度和該壓力的共同作用導(dǎo)致氣體從堆垛20中排出， 其首先通過由薄膜2的重疊或交迭部分所界定的開口(0)從堆垛20排出，然后通過形成在 固定塊14內(nèi)的凹槽42從工具1排出。這些凹槽42因此具有便于氣體排出和允許引入控 制熱電偶的作用。優(yōu)選地，凹槽42具有介于1至3毫米之間的寬度和介于2至3毫米之間 的深度。一旦達(dá)到熔點(diǎn)，壓力會(huì)增加到更高的水平，通常為10巴，而溫度則保持不變。然后 溫度和壓力保持在該水平約十幾分鐘。樹脂熔化伴隨著樹脂體積的增大。固定塊14相對(duì)于底板12的凸出高度e小于壓實(shí)后的堆垛20的最終厚度，堆垛自 身被厚度較小的薄膜2所包圍(例如其厚度為0. Imm = 2*50 μ m)，該壓力完整地施加到堆 垛20上并趨于將樹脂從堆垛20中擠出。然而，所述樹脂不能從堆垛中排出它“抵靠”著固定塊14，因此它可以只在方向Z 上被排出。不過，通過(非可變形)薄膜2的包裹而形成的“包裹”內(nèi)的液壓壓力趨于將薄 膜2的重疊處“封閉”，中央(d)和邊緣(1)的重疊區(qū)域被用作擋板并將樹脂保留在包裹里。因此，由于帶有重疊部分的薄膜2對(duì)堆垛20的包裹、固定塊14的存在和壓力/溫 度循環(huán)的控制，通過允許在預(yù)壓實(shí)階段氣體的排出并通過在隨后向堆垛施加高壓實(shí)壓力而 最終壓實(shí)時(shí)保留包裹內(nèi)的樹脂，確保了較低的孔隙度。有利地在整個(gè)待處理的堆垛上的壓 實(shí)壓力可以是至少IMpa。在該10分鐘的保持階段的最后時(shí)刻，整體緩慢地冷卻至約170°C (PPS樹脂)的溫 度并保持10巴的壓力，冷卻的速度為最多50°C /分鐘，而理想的是約10°C /分鐘。然后工 具1被打開以將如此壓實(shí)的毛坯脫膜。事實(shí)上，脫模溫度在熔化溫度(以攝氏度表示)的50%至60%的范圍內(nèi)選擇，也 就是說大于會(huì)發(fā)生收縮現(xiàn)象的溫度。圖4D至4F示出了熱亞胺薄膜的薄片數(shù)量增加的不同示例，這種薄片數(shù)量的增加 可以在形成能夠排出氣體的重疊區(qū)域(0)的同時(shí)覆蓋堆垛的更大表面。上面部分和下面部 分的重疊區(qū)域(0)優(yōu)選地應(yīng)該偏移一距離X。距離X應(yīng)該至少等于2d，d是重疊區(qū)的寬度， 其理想值約為15毫米。實(shí)踐中，距離X在很多時(shí)候都是等于薄膜2的薄片的標(biāo)準(zhǔn)寬度，即 250毫米。由此形成的重疊區(qū)域的目標(biāo)是在所制造的毛坯中不形成機(jī)械弱化的區(qū)域。事實(shí)上，毛坯要求的厚度公差可能大于薄膜2的厚度。例如，毛坯要求的厚度公差 通常為0.01毫米(+/-0.005mm)，而薄膜的厚度為50 μ m。根據(jù)本發(fā)明所形成的每個(gè)重疊區(qū) 域留下一個(gè)凹形狹條形式的標(biāo)記，該狹條的深度與薄膜厚度相等。因此，在重疊模式下，不 允許在毛坯厚度的兩側(cè)有兩個(gè)彼此相對(duì)的凹形狹條，因?yàn)樵谶@種情況下，毛坯所要求的厚 度公差是被忽略的。
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圖5和圖5A示出了在毛坯3的一個(gè)表面上由薄膜重疊而留下的標(biāo)記或印記30的 一個(gè)示例(該標(biāo)記的深度為50 μ m)。鑒于利用壓力機(jī)的沖撞和缺少真空的情況下保證了壓力，所提出的方法允許獲得 與高壓爐同樣的效果。而且，鑒于在現(xiàn)有技術(shù)中壓緊蓋板直接接觸堆垛，因而在接觸點(diǎn)印上了其自身的 表面狀態(tài)，本方法利用在壓緊蓋板、工具的基底以及堆垛之間都安置薄膜，以便獲得板的完 美表面狀態(tài)，該薄膜被布置為不會(huì)影響排氣。另外，與現(xiàn)有技術(shù)中的其它已知方法相反，本發(fā)明的方法允許避免樹脂的流出，因 此確保了材料的更好的健全度(沒有“干燥”現(xiàn)象)。本發(fā)明允許獲得以連續(xù)纖維形式的纖維加固的熱塑性復(fù)合材料制造的毛坯，其具 有以下幾何特征-該毛坯可在制造完成后直接通過熱沖壓成型，而不需要額外的機(jī)械加工，-并且其具有航空業(yè)要求相兼容的材料健全度和表面質(zhì)量的特性(Ra< 0. 8 μ m， 單位體積的孔隙度<1%)。最后，憑借本發(fā)明，可實(shí)現(xiàn)具有平坦表面的、恒定或漸增厚度的毛坯，其隨后被沖 壓或不被沖壓，并且也能夠滿足“航空”類型的質(zhì)量規(guī)范，即-毛坯中存在的纖維率為60%或更多，_平整度的平均公差為1毫米/米，實(shí)踐中整個(gè)平整度公差取決于所要制造的毛坯 的尺寸，-厚度表面或面與平面之間的平行度公差為0.015毫米，-表面狀態(tài)的最大粗糙度Ra< 0.8 μ m，-單位體積的孔隙度<1 %。不言而喻，雖然在圖示的實(shí)施例中，薄膜對(duì)堆垛的包裹是通過將薄膜的一部分預(yù) 先插在底板上而實(shí)現(xiàn)的，但也可以分開并預(yù)先執(zhí)行，先將織品的堆垛用薄膜完全包裹住，然 后將該整體放置到底板上。
1權(quán)利要求
一種用于利用熱塑性復(fù)合材料制造毛坯的方法，所述毛坯用于后續(xù)的成形操作，在所述方法中，實(shí)施以下步驟a)通過光滑薄膜(2，21，22)將由預(yù)浸有熱塑樹脂的連續(xù)纖維制成的織品堆垛(20)包裹起來，所述薄膜留下至少一個(gè)開口(O)，b)在底板(12)的外周上設(shè)置固定塊(14)，并且將所述織品堆垛安置在所述底板(12)上，以便使得包裹薄膜(2)與所述固定塊(14)接觸，c)將壓緊蓋板(13)安置在被所述薄膜(2)包裹的并安置在所述底板(12)上的所述織品堆垛(20)的上方，d)通過在所述壓緊蓋板上方按壓并且通過加熱所述堆垛來施加壓力循環(huán)和溫度循環(huán)以便在至少達(dá)到樹脂的熔點(diǎn)溫度的同時(shí)保持所述薄膜不熔化和光滑，并使得所述堆垛中存在的氣體通過所述開口(O)并且隨后通過至少一個(gè)排放通道(42)而排出，所述排放通道設(shè)置在所述壓緊蓋板(13)中和/或所述底板(12)中和/或所述固定塊(14)中，在所述方法中，通過這樣的薄膜實(shí)現(xiàn)所述堆垛的包裹，該薄膜由至少兩個(gè)部分(21，22)構(gòu)成，所述至少兩個(gè)部分被設(shè)置為使得所述兩個(gè)部分中的下部(21)設(shè)置在所述堆垛(20)和所述底板(12)之間，并沿著所述堆垛的邊緣延伸且在所述堆垛(20)的一個(gè)區(qū)域上方折疊，另外，所述兩個(gè)部分中的上部(22)在所述下部(21)的折邊(210)下面滑動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造方法，其中，所述下部(21)的折邊(210)具有至少15mm 的寬度1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2中任一項(xiàng)所述的制造方法，其中，所述上部(22)由至少兩個(gè)具 有重疊區(qū)域的薄片(22a和22b)組成，所述重疊區(qū)域的寬度d介于10至20mm之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的制造方法，其中，所述下部(21)由至少兩個(gè)具 有重疊區(qū)域的薄片(21a，21b，21c)組成，所述重疊區(qū)域的寬度d’介于10至20mm之間。
5.根據(jù)結(jié)合權(quán)利要求4的權(quán)利要求3所述的制造方法，其中，兩個(gè)下薄片(21a，21b， 21c)之間的重疊區(qū)域相對(duì)于兩個(gè)上薄片(22a，22b)之間的重疊區(qū)域橫向偏移距離X，所述 距離X至少等于2d。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的制造方法，其中，將熱電偶與所述堆垛相接觸，由 所述熱電偶發(fā)送的溫度信息用于控制壓實(shí)循環(huán)。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的制造方法，其中，在至少2巴的初始?jí)毫ο聦?shí)施一 加熱循環(huán)直到達(dá)到樹脂的熔點(diǎn)溫度，然后在至少為10巴的壓實(shí)壓力下保持該熔點(diǎn)溫度至 少10分鐘，接著是在所述壓實(shí)壓力下以小于每分鐘50°C的速度緩慢冷卻，直到達(dá)到毛坯的 脫模溫度，所述脫模溫度介于以攝氏溫度為單位的熔點(diǎn)溫度的50%至60%之間。
8.一種用于利用由連續(xù)纖維組成的復(fù)合材料制造毛坯的工具(1)，所述工具包括底板 (12)、壓緊蓋板(13)、固定塊(14)以及至少一個(gè)排放通道(42)，所述排放通道設(shè)置在所述 底板(12)中和/或所述壓緊蓋板(13)中和/或固定塊(14)中，在所述工具中，所述固定 塊(14)相對(duì)于所述底板(12)凸出，在所述固定塊(14)和所述底板(12)之間的凸出高度 e被選擇為，以毫米為單位，至少等于0. 005*N，其中，N是所述堆垛中的褶皺數(shù)。
9.一種液壓壓力機(jī)(P)，用于利用由連續(xù)纖維構(gòu)成的復(fù)合材料制造毛坯，所述壓力機(jī) 裝備有加熱板(15)，所述加熱板適用于熔化復(fù)合材料的熱塑樹脂，并且所述壓力機(jī)包括插 入所述加熱板(15)之間的根據(jù)權(quán)利要求8的工具。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的制造方法的應(yīng)用，所述方法用于利用復(fù)合材料 制造用作飛行器結(jié)構(gòu)零件的毛坯。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用熱塑性復(fù)合材料制造毛坯的新穎方法，其中通過在織品堆垛(20)上方的壓緊蓋板(13)上按壓來施加壓力和溫度循環(huán)，其中織品堆垛(20)由預(yù)浸有熱塑樹脂的連續(xù)纖維(20)制成，其中堆垛(20)預(yù)先被放置在底板(12)上與包裹堆垛(20)的薄膜(2)接觸，固定塊(14)設(shè)置在板(12)的外周上，并且通過加熱堆垛使得在保持薄膜不熔化且光滑的同時(shí)至少達(dá)到樹脂的熔點(diǎn)溫度，并且允許存在于堆垛中的氣體通過至少一個(gè)由包裹薄膜所留下的開口(O)并隨后通過至少一個(gè)排放通道(42)排放掉，排放通道(42)設(shè)置在壓緊蓋板(13)和/或底板(12)和/或固定塊(14)內(nèi)。
文檔編號(hào)B29C70/54GK101970214SQ200980108632
公開日2011年2月9日 申請(qǐng)日期2009年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月27日
發(fā)明者達(dá)維德·布韋, 迪迪埃·庫爾茨 申請(qǐng)人:空中客車運(yùn)作股份公司