制造復(fù)合材料的單片式機(jī)身筒的方法
【專利摘要】真空袋(18)放置在內(nèi)芯軸的內(nèi)形成表面(IML)周圍，所述內(nèi)芯軸設(shè)有具有平行縱向狹槽(17)的徑向可縮回扇區(qū)(11a、11b)。復(fù)合材料桁條(30)定位在所述狹槽(17)中。在每個(gè)桁條中放置有各自的延長(zhǎng)內(nèi)支架(31)，所述內(nèi)支架由不可滲透的管狀袋(32)覆蓋。在所述桁條(30)、所述涂層支架(31、32)和所述內(nèi)形成表面(IML)周圍層壓有復(fù)合材料蒙皮(37)。外固化工具(50、51)在所述蒙皮(37)周圍閉合，限定出所述機(jī)身筒的外形成表面(OML)，在所述蒙皮(37)的外表面與所述外形成表面(OML)之間留出具有預(yù)定徑向?qū)挾鹊沫h(huán)形間隙(G)。向封閉在所述真空袋(18)與所述外工具(50、51)之間的空間施加真空，以便增大未固化筒的直徑，使所述筒從所述內(nèi)芯軸(10)脫離并使所述蒙皮(37)的外表面與所述外工具(50、51)的內(nèi)表面(OML)接觸。
【專利說明】制造復(fù)合材料的單片式機(jī)身筒的方法
[0001] 本發(fā)明涉及一種制造復(fù)合材料的機(jī)身筒的方法，該機(jī)身筒通過桁條加固。更加具 體地，本發(fā)明涉及用復(fù)合材料制造以單片式制成的機(jī)身筒，該機(jī)身筒包括：整體呈管狀、圓 筒形或截頭圓錐狀的蒙皮以及在筒的內(nèi)表面上凸出的一系列縱向桁條。
[0002] 現(xiàn)有技術(shù)包括多種制造完整復(fù)合材料機(jī)身筒的方法。一般而言，一些方法要求 在內(nèi)芯軸或內(nèi)形成工具周圍對(duì)筒進(jìn)行固化，這提供了筒的內(nèi)形成表面（所謂的"內(nèi)模塑 線"（IML)或"內(nèi)模塑表面"）。在其它情況下，固化操作發(fā)生在中空形成工具中，該中空形 成工具提供了筒的外形成表面（"外模塑線"（IML)或"外模塑表面"）。
[0003] 第一種已知的方法包括：在芯軸之上對(duì)機(jī)身筒進(jìn)行層壓以及隨后的固化，該芯軸 具有與機(jī)身筒的內(nèi)表面（"內(nèi)模塑線"）對(duì)應(yīng)的形狀。根據(jù)該技術(shù)，將尚未固化的桁條容置 于形成在芯軸的外表面中的相應(yīng)縱向狹槽中。在每個(gè)桁條中放置能膨脹元件（或"氣囊")， 接著在桁條之上鋪設(shè)一層預(yù)浸漬有熱固性可固化樹脂的織物，以便在隨后的旋轉(zhuǎn)階段期間 保持桁條和能膨脹元件。接著利用已知的"纖維鋪放"技術(shù)鋪設(shè)外蒙皮。然后將由金屬或 碳制成的柔性片（所謂的"墊板"）定位在組件之上，這些柔性片的作用是在高壓釜中進(jìn)行 固化期間對(duì)筒的外表面進(jìn)行平滑處理。最后，在制備了用于抽出空氣和氣體的通道（透氣 織物和真空閥）后，用通過已知技術(shù)利用尼龍膜制成的真空袋覆蓋整個(gè)組件。接著將整個(gè) 組件定位在高壓釜中，借由加熱和溫度進(jìn)行固化/壓緊過程。
[0004] 該方法的優(yōu)點(diǎn)在于確保精確的內(nèi)表面，這簡(jiǎn)化了內(nèi)結(jié)構(gòu)元件（梁架等）的組裝，但 也潛在地引起一些缺陷：
[0005] 為了在固化之后能夠?qū)⒕哂蠱L形狀的芯軸從筒中抽出，所述芯軸可拆卸為多個(gè) 可折疊扇區(qū)（通常為六個(gè)扇區(qū)）。該要求意味著在扇區(qū)之間需要密封墊片，由于必須經(jīng)受高 壓釜的溫度和壓力，所以需要頻繁地對(duì)密封墊片進(jìn)行維護(hù)以避免失去密封性而在生產(chǎn)出來 的筒上出現(xiàn)無法接受的孔隙的風(fēng)險(xiǎn)。
[0006] 將芯軸分解為徑向可縮回的扇區(qū)需要操作機(jī)構(gòu)。操作機(jī)構(gòu)也受到高壓釜的溫度和 壓力的負(fù)面影響，因此操作機(jī)構(gòu)也需要頻繁的維護(hù)操作。
[0007] 芯軸的扇區(qū)之間必須準(zhǔn)確接合，以防止在筒上形成無法接受的臺(tái)階和褶皺。對(duì)于 大型機(jī)身筒而言，扇區(qū)的準(zhǔn)確接合非常復(fù)雜并且要求經(jīng)常調(diào)節(jié)。
[0008] 壓緊機(jī)構(gòu)推動(dòng)筒的外表面抵靠成形芯軸的ML表面，減少了未固化材料的周向長(zhǎng) 度以使其達(dá)到固化后的厚度。壓緊機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，結(jié)合周向長(zhǎng)度的減少，在筒的外表面上產(chǎn)生 縱向褶皺，因而必須經(jīng)過復(fù)雜而昂貴的結(jié)構(gòu)測(cè)試計(jì)劃來檢測(cè)合格度。
[0009] 另一種已知的方法是通過夾層結(jié)構(gòu)和蜂巢加固生產(chǎn)小直徑的機(jī)身筒。在該方法 中，用到了輔助芯軸，該輔助芯軸的形狀與筒的內(nèi)部形狀（ML)對(duì)應(yīng)，在輔助芯軸上設(shè)置有 尼龍膜，該尼龍膜將構(gòu)成最終的真空袋。接著通過已知的"纖維鋪放"技術(shù)鋪設(shè)內(nèi)蒙皮。隨 后，定位所謂的"蜂巢"材料并鋪設(shè)由碳增強(qiáng)樹脂制成的蒙皮，這里再次用到了 "纖維鋪放" 技術(shù)。這時(shí)，將表面等于筒的外表面（外模塑線0ML)的固化工具定位在筒的周圍。將已經(jīng) 設(shè)置在ML輔助芯軸上的真空袋密封至（包括）OML外固化工具。當(dāng)施加真空時(shí)，筒會(huì)有與 ML輔助芯軸分離的趨勢(shì)并附著至OML芯軸的表面。由此形成間隙，該間隙使得可以移除 ML輔助芯軸并將OML工具中的筒送入高壓釜中進(jìn)行固化/壓緊。該方法克服了前一方法 的問題，但在已知的方法中僅僅可用于夾層結(jié)構(gòu)，而在固化之前將頂L芯軸從筒中抽出仍 存在風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)槭窃谟邢薜拈g隙中進(jìn)行抽取操作，所以可能會(huì)損壞固化袋。
[0010] 航空業(yè)目前需要制造通過桁條加固的筒。
[0011] US2009/0139641A1提供了在構(gòu)成中空芯軸的OML表面的中空表面上應(yīng)用復(fù)合材 料以形成在軸線的周圍呈360°延伸的蒙皮。接著，借由進(jìn)入芯軸OML的內(nèi)部并將桁條的法 蘭或機(jī)翼推動(dòng)抵靠蒙皮的定位器，將桁條定位在蒙皮的內(nèi)表面上。在桁條之上安裝真空袋， 并向真空袋施加真空以向外擠壓桁條和蒙皮并使其抵靠工具的內(nèi)表面。接著共固化蒙皮和 桁條組成的組件以將桁條固定至蒙皮并加固該結(jié)構(gòu)。為了進(jìn)行層壓，要求能夠在OML芯軸 內(nèi)部進(jìn)行層壓的特殊"纖維鋪放"機(jī)器和用于定位加固桁條和真空袋的復(fù)雜設(shè)備。
[0012] 本發(fā)明的目的在于提出一種制造完整機(jī)身筒的簡(jiǎn)化方法，該機(jī)身筒由具有特別準(zhǔn) 確的外表面的祐 1條加固，該外表面在使用時(shí)作為氣動(dòng)表面。本發(fā)明的其它目的在于避免對(duì) 未固化復(fù)合材料、真空袋和形成工具造成損壞。
[0013] 本發(fā)明的上述和其它目的和優(yōu)點(diǎn)將在后文得以更好的理解，這些目的和優(yōu)點(diǎn)通過 所附權(quán)利要求書中限定的制造方法來實(shí)現(xiàn)。
[0014] 本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)將在下面的詳細(xì)說明中變得清楚，下面的詳細(xì)說明將參考附 圖僅以非限制性示例的方式提供，在附圖中：
[0015] 圖1是具有可縮回扇區(qū)的芯軸的堅(jiān)直截面的局部不意圖；
[0016] 圖2是用于形成非固化復(fù)合材料的由桁條加固的機(jī)身筒的設(shè)備的示意性透視圖；
[0017] 圖3是在制造過程的初始階段中圖1所示芯軸的外圍部分的示意性截面透視圖；
[0018] 圖4是用于形成桁條的覆蓋支架的示意性截面透視圖；
[0019]圖5是在鋪設(shè)復(fù)合材料之前的其制備的初始階段中圖1所示芯軸的示意性側(cè)視 圖；
[0020] 圖6至圖12是在制備待固化的筒的各個(gè)階段期間圖2所示設(shè)備的示意性透視圖；
[0021] 圖13是包括在成形設(shè)備的外模與內(nèi)芯軸之間的筒部分的堅(jiān)直截面的部分示意 圖；
[0022] 圖14示意性地表示了成形設(shè)備的部分與本方法中使用的多種不可滲透的膜包裝 紙之間的密封線；以及
[0023] 圖15是芯軸、筒、外模和本方法中可能使用到的膜包裝紙的示意性側(cè)視圖。
[0024] 首先參考圖1和圖2,附圖標(biāo)記10總體表示可折疊內(nèi)芯軸（或輔助芯軸），該芯軸 的外表面由一組芯軸扇區(qū)11限定，該芯軸扇區(qū)可相對(duì)于中心水平軸線X徑向縮回。芯軸扇 區(qū)能在徑向方向上進(jìn)行操作以呈現(xiàn)徑向延伸位置，在該徑向延伸位置中，芯軸扇區(qū)周向地 并列放置以便共同限定出周向連續(xù)外表面，在該周向連續(xù)外表面上安置有用于制造機(jī)身主 體的待固化的預(yù)浸漬纖維帶。在圖中示出的示例中，芯軸的外表面幾乎為圓筒形的以制造 飛機(jī)的機(jī)身的主體或中間段。然而，本方法也同樣適用于制造錐形機(jī)身筒（或機(jī)身主體）， 例如，截頭錐形，筒根據(jù)縱向位置沿著機(jī)身放置。本方法不限于制造具有旋轉(zhuǎn)體形狀或直紋 曲面形狀的筒。
[0025] 芯軸10包括網(wǎng)狀的內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)12,在本示例中，該網(wǎng)狀的內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)12形成為 六方柱，繞軸線X旋轉(zhuǎn)地安裝在中心旋轉(zhuǎn)軸13上。芯軸的扇區(qū)以一種已知的方式分為兩組 Ila和11b，這兩組扇區(qū)Ila和Ilb在周向方向上交替設(shè)置。例如，從W02007/148301A2得 知一種合適類型的內(nèi)芯軸示例。旋轉(zhuǎn)軸13由三個(gè)支架支撐：兩個(gè)端部支架14和15以及一 個(gè)中間支架16,中間支架16優(yōu)選地設(shè)置在兩個(gè)端部支架的正中間，這樣使得內(nèi)芯軸10保持 支撐在兩個(gè)端部支架其中之一（本示例中為支架15)與中間支架之間的工作位置中，其原 因?qū)⒃谙挛年U釋。
[0026] 在扇區(qū)Ila和Ilb的外表面上形成有平行的縱向狹槽17(圖4)，在本示例中，縱 向狹槽17為梯形形狀，稱為桁條的縱向增強(qiáng)元件30位于縱向狹槽17中。從橫截面看，桁 條30的輪廓大體上與狹槽17的截面形狀相匹配，在本示例中為梯形形狀。當(dāng)扇區(qū)處于其 徑向延伸位置（圖1)中時(shí)，內(nèi)芯軸限定出所謂的"內(nèi)模塑線"（ML)或"內(nèi)模塑表面"，即， 筒的內(nèi)形成表面。
[0027] 由尼龍制成的用于真空袋（圖5)的兩個(gè)環(huán)形內(nèi)終端袋182a、182b可裝配在內(nèi)芯 軸10的兩個(gè)相對(duì)軸端上。每個(gè)環(huán)形內(nèi)袋182a、182b均沿著各自的周向密封線18a、18b密封 至內(nèi)芯軸10,周向密封線18a、18b分別接近芯軸的外表面的兩個(gè)相對(duì)軸端。隨后，芯軸10 的表面和環(huán)形終端內(nèi)袋182a、182b的部分可用透氣織物190蓋住。具體地，透氣織物190 可放置在包括在第一周向密封線18a和第二周向密封線18b之間的內(nèi)芯軸10的表面的徑 向外部分上。
[0028] 接著，將用于真空袋18 (本文稱為主袋）的管狀尼龍膜定位在內(nèi)芯軸10上，管狀 尼龍膜的軸向長(zhǎng)度優(yōu)選地超過內(nèi)芯軸10的軸向長(zhǎng)度。主真空袋18的相對(duì)軸端沿著兩條周 向密封線18c、18d密封在兩個(gè)環(huán)形內(nèi)終端袋182a、182b的外表面上。
[0029] 接著，施加真空以使主真空袋18附著至芯軸10的外表面，注意，使裙皺最小化，以 使主真空袋18完全復(fù)制芯軸10的外表面的形狀。
[0030] 接著，將透氣織物19 (或剝離層或其它"透氣"材料）施加到主真空袋18上。在 透氣織物之上施加分隔層（FEP或離型膜）20,例如通過用耐高溫膠帶（Permacel·?)縱向 粘接或縱向焊接將該分隔層制備為管狀形式。
[0031] 在本示例中在管狀內(nèi)終端袋182a、182b的軸向外端處，在相對(duì)于主真空袋18的周 向密封線18a、18b和18c、18d的軸向外部的相應(yīng)位置處，管狀離型膜20沿著兩條周向密封 線18e、18f密封至兩個(gè)管狀內(nèi)終端袋182a、182b。
[0032] 在本方法中，繼續(xù)將桁條30相繼放入芯軸的外圍狹槽17中，轉(zhuǎn)動(dòng)外圍狹槽17以 向操縱者呈現(xiàn)下一個(gè)安置桁條的腔體。對(duì)于各個(gè)桁條，提前準(zhǔn)備如圖4所示的能膨脹元件 35。為各個(gè)桁條提供內(nèi)支架或"塞"31，內(nèi)支架31沿著一個(gè)方向（本文定義為縱向）延長(zhǎng)， 其橫截面形狀與桁條的橫截面形狀對(duì)應(yīng)，在本示例中為梯形形狀。內(nèi)支架31可以是任何能 耐固化溫度的并且可為實(shí)心（例如，填充有橡膠或泡沫）或?yàn)榭招牡牟牧?，要求是在支架?制備期間在施加真空時(shí)該內(nèi)支架不會(huì)被壓碎。支架31被包裝在多層中，第一層是不可滲透 的管狀膜袋32 (優(yōu)選為尼龍的），該不可滲透的管狀膜袋32巧妙地閉合在內(nèi)支架31周圍。
[0033] 管狀袋32的長(zhǎng)度優(yōu)選地比支架的長(zhǎng)度長(zhǎng)，每側(cè)至少長(zhǎng)50mm。多余的材料將在兩端 處折疊回，并由膠帶保持就位。管狀袋32應(yīng)覆蓋并保持附著至支架31。
[0034] 接著，在管狀袋32周圍施加一層薄的透氣件33 (剝離層），優(yōu)選地為聚脂纖維或玻 璃纖維。在透氣層或袋33周圍施加管狀分隔膜34,該管狀分隔膜34優(yōu)選地由FEP制成。 管狀膜34的兩端可用耐高溫的膠帶密封。借由例如具有快速閉合閥（未圖示）的管子施 加真空，使管狀袋32和其它管狀膜材料層附著至支架31，從而使得褶皺最小化。
[0035] 由管狀袋32 (和上面所提到的其它層）覆蓋的支架31提供了能膨脹元件，這些能 膨脹元件均定位在內(nèi)芯軸10的相應(yīng)狹槽17中。
[0036] 首先，使能膨脹元件35位于桁條30的面朝上的腔體中。接著，可通過例如人工地， 將一層纖維增強(qiáng)可固化熱固性材料的未固化預(yù)浸漬組織鋪設(shè)在能膨脹元件35的頂部上。 可放置預(yù)真空袋（未圖示）。這樣，在芯軸進(jìn)行隨后的旋轉(zhuǎn)時(shí)，能膨脹元件就不會(huì)從狹槽中 落出。作為替代方案或者此外，為了將能膨脹元件35臨時(shí)保持在桁條中的位置中，可在內(nèi) 芯軸10的兩端處設(shè)置各自的徑向螺旋槳38 (圖15)，該徑向螺旋槳38能夠支撐每個(gè)內(nèi)支架 31的兩端的其中一端。優(yōu)選地，徑向螺旋槳38固定以便隨內(nèi)芯軸10 -同繞旋轉(zhuǎn)軸線X旋 轉(zhuǎn)。在本示例中，內(nèi)支架31的每端容置于由相應(yīng)的徑向螺旋槳38提供的孔39中。圖15示 意性地僅圖示了用于其中一個(gè)能膨脹元件35的徑向螺旋槳38。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，用于筒的 所有能膨脹元件35的徑向螺旋槳38可由兩個(gè)車輪形式的元件制成，每個(gè)徑向螺旋槳設(shè)置 在內(nèi)芯軸的一端處，并且每個(gè)徑向螺旋槳均具有用于容置內(nèi)支架31的相應(yīng)端的多個(gè)孔39。 根據(jù)一個(gè)可能的實(shí)施例，孔39可制成徑向延長(zhǎng)狹槽的形式，以使能膨脹元件35能夠在徑向 方向上有限地移動(dòng)，但在周向方向上不可移動(dòng)。
[0037] 放置的桁條可以是預(yù)固化的桁條或是未經(jīng)過處理的桁條（尚未固化）。如果是未 經(jīng)過處理的桁條，如圖13示意性示出的，可在能膨脹元件35與未固化桁條之間設(shè)置成形元 件（墊板36)以形成桁條的形狀。
[0038] 在完成了能膨脹元件的定位之后，移除預(yù)真空袋（未圖示），并根據(jù)自動(dòng)過程或輔 助的手動(dòng)過程對(duì)蒙皮層進(jìn)行分層。
[0039] 在自動(dòng)過程中，可借由操作機(jī)構(gòu)（未圖示）使芯軸繞軸線X旋轉(zhuǎn)，同時(shí)操作上述機(jī) 器的頭部，以使得所述機(jī)器將預(yù)浸漬纖維帶材料沉積在芯軸周圍。在該階段中，預(yù)浸漬有樹 脂的纖維帶，比如浸漬有環(huán)氧樹脂的碳纖維和浸漬有雙馬來酰亞胺樹脂的石墨，可借由鋪 設(shè)機(jī)（纖維鋪放機(jī)）的一個(gè)或多個(gè)輸送頭自動(dòng)鋪設(shè)。鋪設(shè)機(jī)的輸送頭和芯軸可相對(duì)彼此移 動(dòng)，這樣，使得輸送頭在相對(duì)于芯軸的軸線做平移和旋轉(zhuǎn)移動(dòng)之后能將纖維帶施加到芯軸 上。例如，專利
【發(fā)明者】因帕拉托 薩巴托·因塞拉, 彼得蘭托尼奧·切雷塔 申請(qǐng)人:阿萊尼亞阿麥奇股份公司