用于制造由復(fù)合材料形成的圓筒形部件的方法和裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】制造由復(fù)合材料形成的圓圓筒形部件的方法，該方法包括以下步驟：a.將纖維結(jié)構(gòu)（P）放置在水平心軸（140int）上；b.圍繞所述纖維結(jié)構(gòu)和所述心軸模塑成形環(huán)形的殼體；c.經(jīng)由第一軸向端（141）向所述殼體供應(yīng)樹(shù)脂，同時(shí)保持所述殼體的第二軸向端（142）處于低于所述樹(shù)脂的供應(yīng)壓力的壓力下。所述第二端（142）包括至少兩個(gè)以環(huán)形扇區(qū)形式的排氣扇區(qū)（142e1、142e2、……），每個(gè)排氣扇區(qū)獨(dú)立地保持在低于所述供應(yīng)壓力的壓力下。還公開(kāi)了一種實(shí)施上述方法的模塑裝置。
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于制造由復(fù)合材料形成的圓筒形部件的方法和裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及由復(fù)合材料形成的圓筒形(尤其是對(duì)稱(chēng)的)部件的制造方法，該方法包括嵌入在聚合有機(jī)樹(shù)脂的基體中的纖維加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]一種制造由復(fù)合材料形成的部件的方法，該方法包括:首先，根據(jù)所需機(jī)械強(qiáng)度，用纖維沿一個(gè)或多個(gè)方向生產(chǎn)部件的預(yù)成形坯。然后，將纖維結(jié)構(gòu)整合到封閉的模塑殼體中，以便用合成樹(shù)脂浸潰它，合成樹(shù)脂在壓力下以流體狀態(tài)注射到模具中。然后使樹(shù)脂聚合。這項(xiàng)技術(shù)被稱(chēng)為樹(shù)脂傳遞模塑工藝(RTM)?？梢酝ㄟ^(guò)減小模具中與注射側(cè)相反的一側(cè)的壓力來(lái)幫助引入樹(shù)脂以及排除模具中的纖維間的空隙中的氣體。
[0003]已知使用這種方法生產(chǎn)例如用于噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇外殼等的圓筒形部件。圖1中顯示了外殼I。它包括具有對(duì)稱(chēng)形狀的單個(gè)部件，該單個(gè)部件具有圓筒部1C，該圓筒部IC具有從一端至另一端不均勻的厚度，尤其在與風(fēng)扇的葉片掃過(guò)的區(qū)域?qū)?yīng)的區(qū)域具有增加的厚度，以為了在發(fā)生葉片故障時(shí)吸收沖擊能量。該圓筒部由兩個(gè)徑向外法蘭2B和2D限制。發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇的機(jī)艙上游元件和下游元件通過(guò)這兩個(gè)法蘭連接至外殼。
[0004]制造該部件尤其包括通過(guò)圍繞圓筒形心軸卷繞合適的纖維結(jié)構(gòu)來(lái)生產(chǎn)預(yù)成形坯，該圓筒形心軸由用于形成法蘭的徑向側(cè)翼終止。纖維結(jié)構(gòu)例如可以通過(guò)使用不同厚度的三維編織來(lái)形成(如 申請(qǐng)人:的專(zhuān)利EP1961923中所描述的)。因此，管狀纖維的預(yù)成形坯形成用于外殼的單個(gè)部件，該單個(gè)部件具有與法蘭對(duì)應(yīng)的加強(qiáng)部。
[0005]然后將模塑成分布置到預(yù)成形坯上并且覆蓋預(yù)成形坯，以便將預(yù)成形坯封閉在殼體中。預(yù)成形坯可以徑向壓縮地設(shè)置，以便減小纖維結(jié)構(gòu)的膨脹。殼體包括用于將樹(shù)脂供應(yīng)到一個(gè)或多個(gè)樹(shù)脂注射口的裝置，該裝置位于圓筒部的軸向的一個(gè)端部且位于一個(gè)法蘭處，所述一個(gè)或多個(gè)樹(shù)脂注射口圍繞圓筒的軸線(xiàn)沿殼體的邊緣分布。分配管可以與這些注射裝置連通。在另一端，同樣在法蘭處，預(yù)成形坯的延長(zhǎng)部分中形成有環(huán)形腔，環(huán)形腔具有用于與真空源建立聯(lián)系的排氣孔。
[0006]為了保證模塑殼體內(nèi)的均衡填充，并且保證樹(shù)脂完全沿著模塑殼體的邊緣均勻地上升，在生產(chǎn)預(yù)成形坯并封閉模塑殼體后，通常將模塑殼體布置為垂直，使樹(shù)脂注射裝置位于下部而環(huán)形排氣孔位于上部。以這種方式，樹(shù)脂沿預(yù)成形坯滲透到殼體中，形成位于預(yù)成形坯下部的法蘭；樹(shù)脂逐漸均勻地向前然后向上，直到到達(dá)與排氣孔連通的上法蘭。
[0007]就填充模塑殼體的速度和均勻度而言，這種用于注射樹(shù)脂的方法產(chǎn)生非常好的效果O
[0008]然而，會(huì)產(chǎn)生下列問(wèn)題:一方面，通過(guò)將纖維結(jié)構(gòu)纏繞到內(nèi)心軸上以將管狀預(yù)成形坯放置的步驟以及裝配模具的步驟均為在部件處于水平位置時(shí)實(shí)施，并且另一方面，中等和大功率噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇殼體較大，具有例如至少兩米的直徑。此外，處理重達(dá)5噸至25噸的模具是一項(xiàng)難度很大的操作，它涉及操作者的HSE (健康、安全和環(huán)境)風(fēng)險(xiǎn)，并且需要昂貴的工具來(lái)放置到位。[0009]因此，一種方法用于在模具填充階段保持模具水平。不幸的是，如圖2所示，做出的實(shí)驗(yàn)顯示樹(shù)脂的分配不合要求。模具4包括模塑殼體，纖維預(yù)成形坯保持壓縮在該模塑殼體中。模具包括位于兩個(gè)同軸的壁之間的環(huán)形中心部40。殼體的第一端41形成為產(chǎn)生徑向法蘭，其包括以注射裝置41a、41b等形式的樹(shù)脂供應(yīng)裝置，該裝置沿第一端41的邊緣分布。與第一端相反的第二端42同樣形成為產(chǎn)生徑向法蘭。環(huán)形排氣孔42e沿第二端開(kāi)放。注射裝置41a、41b等在壓力(未示出)下與流體樹(shù)脂源連通，并且排氣孔42e與真空源連通。圖中的三個(gè)示意圖顯示填充殼體時(shí)的三種狀態(tài)，位于殼體中的預(yù)成形坯被浸潰。樹(shù)脂R由陰影區(qū)域表示。流體R完全沿著供應(yīng)端41分布，但由于重力，殼體40中的纖維預(yù)成形坯的下部比上部提前完全浸潰。當(dāng)繼續(xù)進(jìn)行時(shí)，顯示在中間的圖表中，流體R然后沿位于相反端42的排氣孔42e上升。實(shí)驗(yàn)顯示，如右邊的圖表所示，至少一個(gè)區(qū)域P’，在預(yù)成形坯的靠近排氣孔42e的上部中，被浸潰不佳或被浸潰至有限的程度。實(shí)際上，在模具的上部中，當(dāng)在水平位置時(shí)，由于在前部到達(dá)排氣孔之前，排氣孔被來(lái)自下部的樹(shù)脂填滿(mǎn)，因此前部的樹(shù)脂難以到達(dá)排氣孔42e。不佳的浸潰導(dǎo)致所述區(qū)域較弱且無(wú)法接受的機(jī)械特性。
[0010]發(fā)明目的
[0011]因此，本 申請(qǐng)人:本身的目的在于保持模具處于水平位置，而不經(jīng)過(guò)90°垂直地樞轉(zhuǎn)它，同時(shí)提高模具的填充。
[0012]根據(jù)本發(fā)明，上述目的通過(guò)用于制造由復(fù)合材料形成的圓筒形部件的方法實(shí)現(xiàn)，包括如下步驟:
[0013]將纖維結(jié)構(gòu)放置在水平心軸上，
[0014]圍繞所述纖維結(jié)構(gòu)和所述卷筒形成環(huán)形的模塑殼體，
[0015]經(jīng)由第一軸向端向所述殼體供應(yīng)樹(shù)脂，同時(shí)保持所述殼體的第二軸向端的壓力低于所述樹(shù)脂供應(yīng)處的壓力，將所述模塑殼體保持在水平或大體水平的位置，其中，這種方法的特征在于，第二端包括至少兩個(gè)以環(huán)形扇區(qū)(sector)形式的排氣扇區(qū)，每個(gè)排氣扇區(qū)處的壓力獨(dú)立地保持為低于所述供應(yīng)處的壓力。
[0016]通過(guò)將排氣孔劃分成扇區(qū)，能夠獨(dú)立地控制在與它們各自的排氣扇區(qū)對(duì)應(yīng)的那些區(qū)域中的殼體中的填充。這種填充控制使得能夠重新產(chǎn)生流體在纖維預(yù)成形坯中的均勻分配，已知在模具處于豎直狀態(tài)的情況下流體在纖維預(yù)成形坯中是均勻分配的。
[0017]有利地，經(jīng)由分布在第一軸向端邊緣的至少兩個(gè)注射裝置向殼體供應(yīng)樹(shù)脂，使得在填充過(guò)程中流體的分布控制得更好。在這種情況下，優(yōu)選地，第二端的所述排氣扇區(qū)分別布置在第一端的注射裝置處的延長(zhǎng)部分中。更特別地，使排氣扇區(qū)以與注射點(diǎn)相反的位置為中心，保證樹(shù)脂以更加均勻的方式通過(guò)預(yù)成形坯。
[0018]本發(fā)明還涉及用于實(shí)施制造圓筒形部件的方法的模塑裝置，其中，模塑殼體的一個(gè)端壁設(shè)置有至少一個(gè)排氣孔，其特征在于，所述排氣孔由至少兩個(gè)獨(dú)立的環(huán)形扇區(qū)形成。更特別地，排氣孔為環(huán)狀，具有通過(guò)橫向分隔件(transverse partitions)隔開(kāi)的至少兩個(gè)環(huán)形扇區(qū)。
[0019]這種實(shí)施方式尤其易于實(shí)施，并且不需要對(duì)模塑裝置進(jìn)行重大的改進(jìn)。
[0020]本發(fā)明尤其涉及圓筒形部件的制造，該圓筒形部件例如為用于渦輪機(jī)的外殼，該外殼的一個(gè)軸向端具有至少一個(gè)法蘭，所述端壁形成法蘭。
[0021]在這種應(yīng)用中，形成排氣孔的環(huán)形扇區(qū)可以任意形成在作為形成法蘭的所述壁的上游的徑向部或者形成在作為形成法蘭的所述壁的下游的徑向部上，或者甚至形成在形成法蘭的壁的縱向部上。排氣孔也可以由這些環(huán)形扇區(qū)的組合形成。
[0022]在一種優(yōu)選實(shí)施方式中，模塑裝置包括位于第一端的至少兩個(gè)樹(shù)脂注射裝置，形成排氣孔的每個(gè)所述環(huán)形扇區(qū)布置在注射裝置的延長(zhǎng)部分中并且定中心在該延長(zhǎng)部分上。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0023]參考隨附的示意圖，通過(guò)以下對(duì)本發(fā)明的純解說(shuō)性且非限制性的示例實(shí)施方式的詳細(xì)說(shuō)明，將更好地理解本發(fā)明，并且將使本發(fā)明的其它目的、細(xì)節(jié)、特征和優(yōu)點(diǎn)變得更加清楚。
[0024]圖1顯示噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇殼體的實(shí)施例的透視圖；
[0025]圖2以三個(gè)階段示意性顯示不采用本發(fā)明的方法填充水平布置的用于模塑圓筒形部件的殼體的進(jìn)程。
[0026]圖3為由圖4中的II1-1II截取的軸向剖視圖，顯示模塑裝置的第二端的實(shí)施方式，該實(shí)施方式具有根據(jù)本發(fā)明的排氣孔的布置；
[0027]圖4為由圖3中的IV-1V截取的橫向剖視圖，顯示模塑裝置的第二端。
[0028]圖5是顯示在填充模塑殼體和浸潰預(yù)成形坯的過(guò)程中樹(shù)脂向前的進(jìn)程的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]參考圖3和圖4，圖3和圖4是根據(jù)本發(fā)明的模塑裝置140的局部視圖，預(yù)成形坯P顯示為壓縮在圓筒形內(nèi)壁HOint和圓筒形外壁140ext中間。預(yù)成形坯為纖維結(jié)構(gòu)，該纖維結(jié)構(gòu)事先被放置在形成內(nèi)壁HOint的心軸(mandrel)上。
[0030]纖維結(jié)構(gòu)可以為單向(ID)型(例如通過(guò)纏繞線(xiàn)或繩而形成)、二維(2D)型(例如通過(guò)包裹纖維層而形成)或三維(3D)型(例如通過(guò)3D編織、編結(jié)或針織而形成或者通過(guò)疊置纖維層并將它們彼此連接而形成)。
[0031]在最后一種情況下，纖維層可以通過(guò)延伸穿過(guò)纖維層的元件彼此機(jī)械地連接。這可以通過(guò)針接合纖維層平面內(nèi)的纖維的移出部分(displacement)、或者通過(guò)推動(dòng)線(xiàn)狀物或剛性件(針或桿)穿過(guò)纖維層、或者通過(guò)縫合來(lái)實(shí)現(xiàn)。專(zhuān)利申請(qǐng)EP1961923中描述了纖維結(jié)構(gòu)的一種實(shí)施例。
[0032]在圖3中，排氣孔的側(cè)部的第二端142包括徑向空間，該徑向空間形成在模塑元件140’int和140’#的徑向端壁之間。在該空間中，具有形成預(yù)成形坯P的法蘭的徑向部Pb。預(yù)成形坯未完全填滿(mǎn)該徑向空間。用于減小殼體中的壓力的排氣孔形成于預(yù)成形坯Pb和模具(tooling)的壁之間。根據(jù)本發(fā)明，所述排氣孔細(xì)分為多個(gè)排氣扇區(qū)，在這種情況下，例如六個(gè)扇區(qū)142el至e6，該多個(gè)排氣扇區(qū)通過(guò)徑向分隔件143隔開(kāi)。分隔件可以以多種方法形成。
[0033]根據(jù)一種實(shí)施方式，沿端部區(qū)域142的邊緣在位于形成法蘭的壁的縱向部140”ext處對(duì)模具加工多個(gè)弧形槽。
[0034]根據(jù)另一種實(shí)施方式，模具中加工有連續(xù)的環(huán)形槽，并且槽中引入有形成分隔件的裝置(例如金屬塊或泡沫材料)。
[0035]圖4中顯示這些排氣扇區(qū)。排氣扇區(qū)因此彼此隔離并且每個(gè)排氣扇區(qū)與一個(gè)或多個(gè)抽吸泵的入口獨(dú)立地連通，該抽吸泵處的壓力低于模具的另一端的樹(shù)脂源處的壓力。在該另一端(未示出)，多個(gè)樹(shù)脂注射裝置(未示出)沿模具的邊緣布置。
[0036]以環(huán)形扇區(qū)形式的排氣扇區(qū)可以形成在形成法蘭的模具的壁的上游徑向部140’ ext上，也可以形成在所述壁的下游徑向部140’ int上。
[0037]排氣扇區(qū)也可以不形成在單個(gè)壁中，而是替代地從一側(cè)至另一側(cè)。
[0038]樹(shù)脂的注射優(yōu)選地通過(guò)與排氣扇區(qū)的數(shù)量相等的多個(gè)注射裝置實(shí)現(xiàn)。此外，每個(gè)扇區(qū)位于注射點(diǎn)的延長(zhǎng)部分上，使扇區(qū)以與注射點(diǎn)相反的位置為中心，以便允許樹(shù)脂盡可能均勻地通過(guò)預(yù)成形坯。
[0039]按照如下方式填充裝置。當(dāng)預(yù)成形坯放置到位，封閉模塑殼體，并且，任選地通過(guò)將模具的外部元件沿徑向移動(dòng)到內(nèi)部元件以壓縮預(yù)成形坯，同時(shí)通過(guò)位于第一端的注射點(diǎn)的收集以在壓力下引入樹(shù)脂。同時(shí)，多個(gè)排氣扇區(qū)保持在較小的壓力下。通過(guò)每個(gè)扇區(qū)(獨(dú)立于其它扇區(qū))上的較小的壓力的作用，使得能夠補(bǔ)償樹(shù)脂在向前進(jìn)程中重力的作用。
[0040]圖5是顯示樹(shù)脂沿位于第一注射器和具有排氣扇區(qū)的第二端之間的纖維結(jié)構(gòu)向前的進(jìn)程(相對(duì)于時(shí)間)的實(shí)施例。填滿(mǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間為542s，在注射開(kāi)始和填充結(jié)束之間的10個(gè)時(shí)刻tl至tio處的前面的形狀已經(jīng)通過(guò)模擬確定?？梢钥闯觯瑯?shù)脂均勻地向前行進(jìn)，保持基本垂直于模具的軸線(xiàn)。
【權(quán)利要求】
1.一種制造由復(fù)合材料形成的圓筒形部件的方法，該方法包括以下步驟: a.將纖維結(jié)構(gòu)(P)放置在水平心軸(140int)上， b.圍繞所述纖維結(jié)構(gòu)和所述卷筒形成環(huán)形的模塑殼體， c.經(jīng)由第一軸向端(141)向所述殼體供應(yīng)樹(shù)脂，同時(shí)保持所述殼體的第二軸向端(142)處的壓力低于所述樹(shù)脂供應(yīng)處的壓力，將所述模塑殼體保持在水平或大體水平的位置， 其特征在于，所述第二端(142)包括至少兩個(gè)環(huán)形扇區(qū)形式的排氣扇區(qū)(142el、142e2、……)，每個(gè)排氣扇區(qū)處的壓力獨(dú)立地保持為低于所述供應(yīng)處的壓力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，通過(guò)沿所述第一軸向端(141)的邊緣上布置的至少兩個(gè)注射裝置向所述殼體供應(yīng)樹(shù)脂。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述第二端(142)的所述排氣扇區(qū)(142el、142e2)分別布置在所述第一端的所述注射裝置的延長(zhǎng)部分中。
4.一種用于實(shí)施根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的制造圓筒形部件的方法的模塑裝置，其中，所述模塑殼體的一個(gè)端壁設(shè)置有排氣孔，其特征在于，所述排氣孔由至少兩個(gè)獨(dú)立的環(huán)形扇區(qū)(142el、142e2、……)形成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中，所述排氣孔為環(huán)狀，并且具有通過(guò)橫向分隔件隔開(kāi)的至少兩個(gè)環(huán)形扇區(qū)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的模塑裝置，該模塑裝置用于生產(chǎn)例如用于渦輪機(jī)的外殼等部件，該外殼的一個(gè)軸向端具有至少一個(gè)法蘭，所述端壁(142)形成所述法蘭。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求所述的模塑裝置，該模塑裝置包括形成排氣孔的環(huán)形扇區(qū)，該環(huán)形扇區(qū)產(chǎn)生在徑向部上，該徑向部為形成所述法蘭的所述壁的上游。
8.根據(jù)權(quán)利要求4至7中任一項(xiàng)所述的模塑裝置，該模塑裝置包括形成排氣孔的環(huán)形扇區(qū)，該環(huán)形扇區(qū)產(chǎn)生在徑向部上，該徑向部為形成所述法蘭的所述壁的下游。
9.根據(jù)權(quán)利要求4至8中任一項(xiàng)所述的模塑裝置，該模塑裝置包括形成排氣孔的環(huán)形扇區(qū)，該環(huán)形扇區(qū)產(chǎn)生在形成所述法蘭的所述壁的縱向部上。 根據(jù)權(quán)利要求4至9中任一項(xiàng)所述的模塑裝置，該模塑裝置包括位于所述第一端的至少兩個(gè)樹(shù)脂注射裝置，形成排 氣孔的每個(gè)所述環(huán)形扇區(qū)布置在所述注射裝置的延長(zhǎng)部分中并且定中心在該延長(zhǎng)部分上。
【文檔編號(hào)】B29C70/48GK103826832SQ201280042716
【公開(kāi)日】2014年5月28日 申請(qǐng)日期:2012年9月5日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月5日
【發(fā)明者】弗朗克·伯納德·利昂·瓦林, 蒂里·戈登 申請(qǐng)人:斯奈克瑪