制造復(fù)合芯的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】一種制造復(fù)合芯的方法，可以包括：在芯棒纏繞過程中通過用纏繞夾具緊固芯棒來纏繞芯棒；將復(fù)合材料以纏繞角相對于芯棒定向；以及圍繞芯棒的周向布放復(fù)合材料。該方法還可以包括將被纏繞芯棒組裝在工具中以及在固化周期期間向復(fù)合材料施加壓力。
【專利說明】制造復(fù)合芯的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及一種制造復(fù)合芯的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]諸如復(fù)合蜂窩狀芯之類的復(fù)合結(jié)構(gòu)通?？梢岳靡韵率謩?dòng)過程來制造:通過將芯棒壓抵于復(fù)合層而在多個(gè)復(fù)合層中產(chǎn)生褶皺形狀。例如，美國專利N0.5，567，500中描述的方法使用了這種過程。相鄰復(fù)合層的幾何結(jié)構(gòu)共同形成蜂窩狀芯的單元。這種過程是勞動(dòng)密集型的，其可能使得蜂窩狀芯產(chǎn)品非常昂貴。此外，這種制造方法可能導(dǎo)致蜂窩狀芯對于多種結(jié)構(gòu)性的應(yīng)用而言并不是最優(yōu)的。
[0003]因此，存在對于一種用于制造復(fù)合芯的改進(jìn)的系統(tǒng)和方法的需求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0004]在所附加的權(quán)利要求中陳述了本公開的系統(tǒng)和方法的認(rèn)為是其特點(diǎn)所在的創(chuàng)新性特征。然而，通過在結(jié)合附圖閱讀時(shí)參照以下詳細(xì)描述，將更好地理解該系統(tǒng)和方法本身和優(yōu)選的使用模式以及其進(jìn)一步的目的和優(yōu)點(diǎn)，附圖中:
[0005]圖1為根據(jù)一個(gè)示例實(shí)施方式的旋翼飛行器的側(cè)視圖；
[0006]圖2為根據(jù)一個(gè)示例實(shí)施方式的面板的側(cè)視圖；
[0007]圖3為根據(jù)一個(gè)示例實(shí)施方式的面板的從圖2中的截面線3-3截取的截面圖；
[0008]圖4為根據(jù)一個(gè)示例實(shí)施方式的復(fù)合芯的立體圖；
[0009]圖5為根據(jù)一個(gè)不例實(shí)施方式的復(fù)合芯的從圖4中的截面線5-5截取的截面圖；
[0010]圖6為根據(jù)一個(gè)示例實(shí)施方式的復(fù)合芯的制造方法的示意圖；
[0011]圖7為根據(jù)示例實(shí)施方式的用于纏繞和組裝芯棒的系統(tǒng)的局部示意性視圖；
[0012]圖8為根據(jù)示例實(shí)施方式的芯棒纏繞夾具的分解圖；
[0013]圖9A為根據(jù)示例實(shí)施方式的纏繞夾具的俯視圖；
[0014]圖9B為根據(jù)示例實(shí)施方式的纏繞夾具的俯視圖；
[0015]圖10為根據(jù)示例實(shí)施方式的纏繞夾具的俯視圖；
[0016]圖11為根據(jù)示例實(shí)施方式的纏繞夾具的俯視圖；
[0017]圖12為根據(jù)一個(gè)特定實(shí)施方式的正在被未固化的復(fù)合材料纏繞的芯棒的示意性平面圖；以及
[0018]圖13為根據(jù)一個(gè)特定實(shí)施方式的正在被未固化的復(fù)合材料纏繞的芯棒的示意性平面圖；
[0019]圖14為根據(jù)示例實(shí)施方式的纏繞夾具的俯視圖；
[0020]圖15為根據(jù)一個(gè)示例實(shí)施方式的從圖14截取的細(xì)節(jié)圖；
[0021]圖16為根據(jù)一個(gè)示例實(shí)施方式的從圖14截取的細(xì)節(jié)圖；
[0022]圖17為根據(jù)一個(gè)示例實(shí)施方式的切割工具的立體圖；
[0023]圖18為根據(jù)一個(gè)示例實(shí)施方式的堆疊在部分工具上的多個(gè)復(fù)合被纏繞芯棒的端部視圖；
[0024]圖19為根據(jù)一個(gè)示例實(shí)施方式的組裝在工具中的多個(gè)復(fù)合被纏繞芯棒的端部視圖；
[0025]圖20為根據(jù)一個(gè)示例實(shí)施方式的組裝在工具中的多個(gè)復(fù)合被纏繞芯棒的平面圖；以及
[0026]圖21為根據(jù)一個(gè)不例實(shí)施方式的芯棒的從圖8截取的截面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]以下描述了本公開的系統(tǒng)和方法的說明性實(shí)施方式。為了清晰起見，本說明書中可能并未對實(shí)際實(shí)施的所有特征進(jìn)行描述。當(dāng)然要理解的是在任何這種實(shí)際實(shí)施方式的開發(fā)中，必須做出很多針對特定應(yīng)用的決定來實(shí)現(xiàn)開發(fā)者的特定目的，例如為了滿足與系統(tǒng)相關(guān)和與商業(yè)相關(guān)的要求，這在各個(gè)應(yīng)用之間是不同的。此外，需要理解的是這樣的開發(fā)工作可能很復(fù)雜并且耗費(fèi)時(shí)間，但是對于受益于本公開的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言卻仍然只是常規(guī)工作。
[0028]在本說明書中，由于附圖中圖示了裝置，因此可能提到各部件之間的空間關(guān)系和部件各方面的空間方位。然而，在完成本公開的閱讀之后，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識(shí)到本文中所描述的裝置、構(gòu)件、設(shè)備等可以定位在任意的期望方位。從而，由于本文中所描述的裝置可以定向在任意的期望方向，所以用以描述不同部件之間的空間關(guān)系或者用以描述這些部件多方面的空間方位的例如“上方”、“下方”、“上部”、“下部”等措辭的使用應(yīng)當(dāng)分別理解為描述部件之間的相對關(guān)系或這些部件的多方面的空間方位。
[0029]此時(shí)參照附圖中的圖1，示出了旋翼飛行器101。旋翼飛行器101具有旋翼系統(tǒng)103，該旋翼系統(tǒng)103具有多個(gè)旋翼葉片105。每個(gè)旋翼葉片105的斜度可以被操縱以便有選擇地控制旋翼飛行器101的方向、推力、以及升力。旋翼飛行器101還可以包括機(jī)身107、反扭矩系統(tǒng)109、以及尾部111。
[0030]旋翼飛行器101僅僅是特別良好的適于利用本公開的方法和系統(tǒng)的眾多飛行器、車輛以及其他物體的示例。應(yīng)當(dāng)理解到，其他飛行器也可以使用本公開的方法和系統(tǒng)。此夕卜，其他車輛和物體可以使用通過本公開的系統(tǒng)和方法制造的復(fù)合芯。舉幾個(gè)例子來說，說明性實(shí)施方式可以包括風(fēng)機(jī)葉片、海基型車輛、雷達(dá)罩、包圍件、遮蓋件、橋面板、建筑立面、地面車輛、鐵路車輛、航空器、航天器以及有人駕駛車輛或無人駕駛車輛。
[0031]此時(shí)另外參照圖2和圖3，飛行器101上的面板113是包括芯構(gòu)件的眾多結(jié)構(gòu)的示例，該芯構(gòu)件構(gòu)造為在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生強(qiáng)度和剛度的輕質(zhì)裝置。面板113為可以包括上蒙皮301、下蒙皮303以及復(fù)合芯305的復(fù)合組件。復(fù)合芯305可以粘接至上蒙皮301和下蒙皮303。應(yīng)當(dāng)理解到，面板113可以采用多種輪廓和構(gòu)型。
[0032]此時(shí)另外參照圖4和圖5，示出了呈原料構(gòu)型的復(fù)合芯401。例如，具有針對特定應(yīng)用的幾何結(jié)構(gòu)的復(fù)合芯305 (圖3中示出)可以由復(fù)合芯401切制。在另一實(shí)施方式中，復(fù)合芯401制造為網(wǎng)狀，使得不需要隨后的切制步驟。復(fù)合芯401可以為眾多材料和單元尺寸的復(fù)合芯。例如，在一個(gè)實(shí)施方式中，復(fù)合芯401由碳纖維和樹脂復(fù)合系統(tǒng)制成。復(fù)合芯401包括以二維陣列方式設(shè)置的多個(gè)管403 (為了清晰起見，僅標(biāo)記了一個(gè)管)。然而，在一個(gè)實(shí)施方式中，管403可以選擇性地定位成使得端部部分不位于同一平面中。每個(gè)管403限定了穿過其延伸的通道或“單元”405。復(fù)合芯401可以包括任意適當(dāng)?shù)臄?shù)目、尺寸、橫截面形狀以及構(gòu)造的管403。
[0033]復(fù)合芯401的每個(gè)管403可以包括以聚合物基體形式設(shè)置的多個(gè)強(qiáng)化纖維。例如，管403可以包括如下纖維，該纖維包括碳、石墨、玻璃、聚芳酰胺(即“芳香聚酰胺”)材料、聚芳酰胺材料的變體(例如，聚對苯二甲酰對苯二胺，如弗吉尼亞洲(Virginia),里士滿
市(Richmond)的 E.1.du Pont de Nemours and Company 提供的Kevlar'* )等中的一者
或更多者。然而，本公開的范圍包括具有任意適當(dāng)?shù)牟牧匣虿牧系慕M合的纖維。例如，聚合物基體可以包括諸如熱塑性樹脂或熱固性樹脂之類的任意適當(dāng)?shù)臉渲到y(tǒng)。示例性樹脂可以包括環(huán)氧基樹脂、聚酰亞胺、聚酰胺、雙馬來酰亞胺、聚酯、乙烯基酯、酚醛樹脂、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮(PEK)、聚苯硫醚(PPS)等。
[0034]管403的纖維可以沿一個(gè)或多個(gè)方向定向，并且可以為織物或無紡織物。應(yīng)當(dāng)理解到，管307可以替代性地僅包括沿單個(gè)方向設(shè)置的纖維，例如單軸纖維構(gòu)型或螺旋纖維構(gòu)型。在又一實(shí)施方式中，第一層包括纖維并且第二層包括纖維，使得第二層布置在第一層的上方。
[0035]此時(shí)另外參照圖6，示意性地示出了制造復(fù)合芯(如復(fù)合芯401)的方法601。方法601可以包括構(gòu)造多個(gè)芯棒的步驟603。步驟605可以包括圍繞每個(gè)芯棒纏繞復(fù)合材料。步驟607可以包括組裝被纏繞的芯棒。步驟609可以包括對復(fù)合材料進(jìn)行固化以形成固化的芯構(gòu)件。步驟611可以包括冷卻芯棒并且將芯棒從固化的芯構(gòu)件移除。本文將對步驟601的每個(gè)步驟進(jìn)行更詳細(xì)地描述。
[0036]參照圖21,示出了穿過芯棒701的截面圖。步驟603包括構(gòu)造多個(gè)芯棒。在示出的實(shí)施方式中，芯棒701為諸如鋁材料之類的金屬芯棒。芯棒701構(gòu)造成具有熱膨脹系數(shù)(CTE)相對較小的材料。在示出的實(shí)施方式中，芯棒701優(yōu)選地在使用囊狀部或其他裝置從外部施加壓力的工具中固化。然而，應(yīng)當(dāng)理解到，方法701還可以由具有期望的CTE量的材料來構(gòu)造，以使固化的壓力來源于芯棒在限制工具內(nèi)的熱膨脹。
[0037]芯棒701可以構(gòu)造成具有延伸穿過芯棒701的中心線長度的中空部703，從而在中空部701與外表面707之間形成本體部705。芯棒701構(gòu)造成使得在復(fù)合芯401的固化過程期間，每個(gè)芯棒701的溫度升高成使得本體部705沿向內(nèi)方向和向外方向都均勻地體積膨脹，直到外表面707由其最鄰近的芯棒限界為止，在該點(diǎn)處，芯棒701施加在其最鄰近的芯棒上的壓力保持相對恒定，并且本體部705的熱膨脹繼續(xù)主要沿向內(nèi)方向進(jìn)行。每個(gè)芯棒701的熱膨脹程度取決于每個(gè)芯棒701的材料的CTE。芯棒701的幾何結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行選擇以定制芯棒701和生成的復(fù)合芯401的物理特性。此外，芯棒701的幾何結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行選擇以定制芯棒701的強(qiáng)度/剛度。此外，可以選擇性地控制本體部705的壁厚度以及中空部703的幾何結(jié)構(gòu)以產(chǎn)生期望的熱膨脹分布。例如，相比芯棒701，具有更小的中空部703的芯棒將提供更大的外部壓力。在示出的實(shí)施方式中，中空部703具有圓筒形形狀；然而，應(yīng)當(dāng)理解到，其他實(shí)施方式可以具有非圓筒形形狀。
[0038]如將在本文中進(jìn)一步進(jìn)行討論的，每個(gè)芯棒701構(gòu)造成具有在固化周期期間允許通過其輸送熱空氣的中空部703。然而，應(yīng)當(dāng)理解到，芯棒701的替代性實(shí)施方式不包括中空部703。應(yīng)當(dāng)理解到，芯棒701僅僅是所設(shè)想的眾多芯棒構(gòu)造的示例。即使芯棒的外部形狀示出為六邊形，但是本公開也包括具有其他外部形狀的芯棒，舉幾個(gè)例子來說，例如正方形、矩形、三角形。此外，應(yīng)當(dāng)理解到，芯棒內(nèi)的中空部可以為任何形狀或任何多種形狀。中空部的確切的形狀根據(jù)具體應(yīng)用而定。
[0039]在一個(gè)示例實(shí)施方式中，可以使用Teflon?材料或其他防粘合材料或涂層來防止在固化周期期間復(fù)合材料粘合至芯棒701的外表面。同樣地，每個(gè)芯棒701可以包括與每個(gè)芯棒701的外表面707相鄰的防粘合材料的層709。
[0040]再次參照圖6，步驟105包括圍繞諸如芯棒701之類的每個(gè)芯棒纏繞復(fù)合材料。在每個(gè)芯棒的外表面上纏繞或以其它方式布放未固化的復(fù)合材料的確切方法根據(jù)具體應(yīng)用而定。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，方法601的一個(gè)或更多個(gè)步驟通過自動(dòng)系統(tǒng)來執(zhí)行。然而，應(yīng)當(dāng)理解到，步驟中的任何步驟均可以手動(dòng)地執(zhí)行。
[0041]另外參照圖7，示出了用于至少部分地執(zhí)行方法601的一個(gè)或更多個(gè)步驟的系統(tǒng)801。此外，系統(tǒng)801特別良好地適于執(zhí)行步驟605至步驟607。步驟605包括圍繞每個(gè)芯棒纏繞復(fù)合材料。步驟607包括組裝被纏繞的芯棒。本文將對步驟605和步驟607中的每個(gè)步驟以及系統(tǒng)801進(jìn)行進(jìn)一步討論。
[0042]系統(tǒng)801可以包括料斗803，該料斗803構(gòu)造成容納多個(gè)芯棒701。可以通過纏繞夾具805選擇性地放開及捕抓各個(gè)芯棒701。例如，每個(gè)芯棒701可以被釋放到傳送裝置807上并通過夾具805的臂來揀拾。
[0043]另外參照圖8，示出了纏繞夾具805的實(shí)施方式。纏繞夾具805構(gòu)造成定位并保持芯棒701以用于在其上布放復(fù)合材料。應(yīng)當(dāng)理解到，纏繞夾具805可以采用多種根據(jù)具體應(yīng)用而定的構(gòu)型。在一個(gè)實(shí)施方式中，纏繞夾具805可以包括驅(qū)動(dòng)裝置809和支承構(gòu)件811。適配器813a和適配器813b可操作地分別與驅(qū)動(dòng)裝置809和支承構(gòu)件811相關(guān)聯(lián)。聯(lián)接件815a定位在驅(qū)動(dòng)裝置809與芯棒701的第一端部之間。類似地，聯(lián)接件815b定位在支承構(gòu)件811與芯棒701的第二端部之間。
[0044]纏繞夾具805構(gòu)造成可操作地將芯棒701緊固在聯(lián)接件815a與815b之間。聯(lián)接件815a和815b具有與芯棒701的幾何結(jié)構(gòu)類似的幾何結(jié)構(gòu)。此外，纏繞夾具805構(gòu)造成使得在復(fù)合材料纏繞過程期間使聯(lián)接件815a和815b的幾何結(jié)構(gòu)與芯棒701對準(zhǔn)。在示出的實(shí)施方式中，驅(qū)動(dòng)裝置809構(gòu)造成驅(qū)動(dòng)適配器813a和813b、聯(lián)接件815a和815b以及芯棒進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，而支承構(gòu)件811構(gòu)造成提供慣性滑行支承。如本文中進(jìn)一步進(jìn)行討論的，在替代性實(shí)施方式中，在設(shè)備操作成圍繞芯棒以及聯(lián)接件815a和815b布置復(fù)合材料的同時(shí)，使芯棒701以及聯(lián)接件815a和815b保持固定。應(yīng)當(dāng)理解到，纏繞夾具805僅僅是可以用于方便在方法601的步驟605中將復(fù)合材料布放在芯棒701上的固定裝置的示例。
[0045]另外參照圖9A，示出了用于執(zhí)行方法601的至少步驟605的纏繞夾具805的一個(gè)非限制性示例實(shí)施方式。纏繞夾具805安裝至能夠沿著規(guī)定的路徑平移的平臺(tái)817。縱條819的第一端部部分能夠緊固至安裝件821上，該安裝件821緊固至平臺(tái)817?？v條819定位成穿過聯(lián)接件815b中的開口 823?？v條819的第二端部部分可以為復(fù)合材料的卷827的剩余部分。在一個(gè)實(shí)施方式中，多個(gè)切割構(gòu)件以規(guī)定的寬度將復(fù)合材料的卷827切割成多個(gè)縱條819，每個(gè)縱條819被供給至不同的纏繞夾具805。通過恒張力構(gòu)件將平臺(tái)817沿方向825偏壓，使得縱條819保持承受張力。安裝件821和卷817定位成使得縱條819以期望的角度相對于芯棒701定向。在示出的實(shí)施方式中，縱條819的期望的角度為45度。然而，縱條819可以以任何期望的角度定向。[0046]另外參照圖9B，示出了纏繞夾具805的操作。驅(qū)動(dòng)裝置809操作成使得芯棒701旋轉(zhuǎn)，這使得縱條819圍繞芯棒701纏繞。隨著縱條819圍繞芯棒701纏繞，在保持纏繞角的同時(shí)，平臺(tái)817沿方向829朝向卷817被拉動(dòng)。
[0047]另外參照圖10，示出了用于步驟605中的在每個(gè)芯棒701上纏繞復(fù)合材料的纏繞夾具1005的另一示例實(shí)施方式。纏繞夾具1005與纏繞夾具805基本類似；然而，纏繞夾具1005構(gòu)造成使得芯棒701保持固定，同時(shí)在材料布置頭1001圍繞芯棒701移動(dòng)并沿著芯棒701的軸線平移，例如分別沿方向1007移動(dòng)和沿方向1009平移。材料布置頭1001構(gòu)造成在沿規(guī)定的路徑移動(dòng)的同時(shí)供給復(fù)合材料。在該實(shí)施方式中，縱條819可以緊固在靜止的安裝件1003處，以使在圍繞芯棒701纏繞縱條819時(shí)，縱條819可以以承受張力的形式被材料布置頭1001布置。
[0048]另外參照圖11，示出了用于步驟605中的在每個(gè)芯棒701上纏繞復(fù)合材料的纏繞夾具1105的另一示例實(shí)施方式。纏繞夾具1105與纏繞夾具1005基本類似；然而，纏繞夾具1105構(gòu)造成使得在材料布置頭1001沿著與方向1009相對應(yīng)的芯棒701軸線平移的同時(shí)使芯棒701沿方向1107旋轉(zhuǎn)。在該實(shí)施方式中，例如，縱條819可以緊固至聯(lián)接件815a，以使在材料布置頭1001平移且芯棒1701旋轉(zhuǎn)時(shí)可以在縱條819中形成張力。
[0049]在另一示例實(shí)施方式中，纏繞夾具構(gòu)造成沿著與芯棒701的軸線對應(yīng)的方向平移，同時(shí)材料布置頭1001旋轉(zhuǎn)但不平移。
[0050]應(yīng)當(dāng)理解到，纏繞夾具可以以本文中描述的構(gòu)型的任意組合進(jìn)行構(gòu)造。例如，芯棒701可以沿第一旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)，同時(shí)材料布置頭1001沿與第一旋轉(zhuǎn)方向相反的方向圍繞芯棒701旋轉(zhuǎn)。此外，或者芯棒701可以沿著其軸線平移，或者材料布置頭可以沿與芯棒軸線對應(yīng)的方向平移，或其任意組合。
[0051]應(yīng)當(dāng)理解到，用于在芯棒701上布放復(fù)合材料原料的確切的系統(tǒng)和方法可以至少根據(jù)復(fù)合材料原料的材料形式?jīng)Q定。
[0052]另外參照圖12，圍繞芯棒701纏繞未固化的復(fù)合材料的一種技術(shù)使用纖絲纏繞過程。隨后，從纖絲纏繞機(jī)1403延伸的連續(xù)的樹脂浸潰纖維1401圍繞芯棒701纏繞。樹脂可以為或者熱固性樹脂或者熱塑性樹脂，并且在固化時(shí)變?yōu)楣?03的聚合物基底。材料布置過程可以以多種過程來實(shí)現(xiàn)；例如，芯棒701能夠軸向地移動(dòng)，同時(shí)纖維1401的繞軸圍繞芯棒701旋轉(zhuǎn)，如箭頭1407所示。替代性地，材料的繞軸或多個(gè)繞軸可以繞芯棒701旋轉(zhuǎn)。材料分配機(jī)構(gòu)相對于芯棒701的運(yùn)動(dòng)被推斷出。由于纖維1401通過纖絲纏繞機(jī)1403纏繞到芯棒701上，因此形成了螺旋狀模式。一層或更多層1409纖維1401沿相對于芯棒701的期望的取向纏繞到芯棒701上，以形成管403的基礎(chǔ)幾何結(jié)構(gòu)。纖維1401圍繞芯棒701纏繞的角度可以沿著芯棒701的長度變化以定制芯401的強(qiáng)度。例如，在材料布置過程期間纖維1401的角度可以動(dòng)態(tài)地變化以定制芯的壓縮強(qiáng)度。應(yīng)當(dāng)指出的是，在示出的實(shí)施方式中，芯棒701呈現(xiàn)與單元405對應(yīng)的尺寸和形狀(參見圖4或圖5)。然而，還應(yīng)當(dāng)指出的是，本公開不限于具體示出的纖絲纏繞機(jī)1403或芯棒701的構(gòu)型。如將在本文中更加詳細(xì)地進(jìn)行討論的，芯棒701以及已經(jīng)纖絲纏繞到芯棒701上的一層或更多層1409隨后與其他芯棒和層組裝以形成芯401 (圖4中示出)。還應(yīng)當(dāng)理解到，在對層1409和芯棒701進(jìn)行切割時(shí)，材料可能具有解散的趨勢?？梢允褂貌牧蠋?可能是粘合性的或纖維的)來防止纖維1401在切割層1409和芯棒701時(shí)散開?？梢允褂镁哂袉蜗蚶w維的粘合材料以將纖維1401綁附在芯棒1701上。此外，該帶可以選擇性地定位并用于對芯的隨后的后處理過程(如機(jī)加工過程)提供額外的支承。
[0053]圖13中示出的執(zhí)行方法601的步驟605的又一示例技術(shù)中，利用纖維布置過程來實(shí)現(xiàn)圍繞芯棒701纏繞未固化的復(fù)合材料。隨后，大約但不限于1000個(gè)纖維的樹脂浸潰絲束1301 (為了清楚起見僅標(biāo)記了一個(gè))通過纖維布置機(jī)1305施加至芯棒701。應(yīng)當(dāng)理解至IJ，絲束1301也可以為完整絲束的一部分。例如，絲束1301可以為500個(gè)纖維的半個(gè)絲束。代替絲束1301，可以使用切成規(guī)定寬度的纖維帶。預(yù)切割的纖維帶可以被稱作“縱條帶”。相比絲束，縱條帶允許用戶更精密地控制寬度尺寸。舉幾個(gè)例子來說，縱條帶的示例性規(guī)定寬度包括1/8"和1/4"。舉兩個(gè)例子，樹脂可以為熱固性樹脂或熱塑性樹脂，并且在固化時(shí)變成管403的聚合物基底。在纖維布置過程期間，芯棒701能夠軸向地移動(dòng)，同時(shí)絲束1301圍繞芯棒701旋轉(zhuǎn)，如箭頭1307所示。當(dāng)通過纖維布置機(jī)1305將絲束1301施加至芯棒701時(shí)，形成了螺旋狀模式。一層或更多層1309絲束1301沿相對于芯棒701的期望的取向纏繞到芯棒701上。在一個(gè)實(shí)施方式中，一個(gè)或多個(gè)非螺旋層的層可以組裝在芯棒701上，以定制某些方向上的機(jī)械特性。應(yīng)當(dāng)理解到，可以使用不同材料的多于一個(gè)的絲束1301或縱條帶。應(yīng)當(dāng)指出的是，在示出的實(shí)施方式中，芯棒1303呈現(xiàn)與單元405對應(yīng)的尺寸和形狀(參見圖4和圖5)。然而，還應(yīng)當(dāng)指出的是，本公開不限于具體示出的纖維布置機(jī)1305和芯棒701的構(gòu)型。如將在以下更加詳細(xì)地進(jìn)行描述的，芯棒701和已經(jīng)被纖維布置在芯棒701上的一層或更多層1309隨后與其他芯棒或?qū)咏M裝，以形成芯401 (在圖4中示出)。
[0054]此時(shí)另外參照圖14至圖16，步驟605的一個(gè)示例實(shí)施方式包括在以下過程中用寬度良好(broadgood)形式的縱條819纏繞芯棒701:該過程使得產(chǎn)生牢固的通道或“封閉單元”的幾何結(jié)構(gòu)。即，寬度良好形式的縱條819具有如下寬度W1，該寬度Wl選擇成使得在圍繞芯棒701纏繞縱條之后防止縱條819中存在間隙或空間。此外，隨著縱條819圍繞芯棒701纏繞，形成了連續(xù)的接縫831 ;然而，接縫831不是材料中的間隙或空間，而是接縫831代表諸如縱條819之類的螺旋形纏繞材料的抵接部，這是定制寬度的寬度良好的復(fù)合材料的一種示例。與之相比，如關(guān)于圖12和圖13所描述的，用在材料中產(chǎn)生間隙或空間的復(fù)合材料或“開口單元”的幾何結(jié)構(gòu)纏繞芯棒在某些應(yīng)用中可能具有不期望的性質(zhì)。例如，“開口單元”的實(shí)施方式可能受到絲束或縱條的寬度必須一致的限制，從而導(dǎo)致對于給定的間隔和角度而言，僅具有固定的絲束總數(shù)，并且間隙必須具有一致的寬度。結(jié)果是對于給定的間隙和角度而言，僅具有固定的材料總數(shù)。絲束或縱條纏繞的角度不能無限地改變，而仍然保持特定的絲束或縱條的寬度和間隙。此外，由于芯/蒙皮界面處的不充分的粘合表面，因此在某些面板的實(shí)施中可能不期望“開口單元”的幾何機(jī)構(gòu)的芯。此外，對于給定的芯棒幾何結(jié)構(gòu)而言，對于給定的纏繞角，滿足芯管的構(gòu)造的絲束或縱條的寬度和間隙組合是有限的。
[0055]特別地參照圖15和圖16，縱條819的纖維1501的取向根據(jù)具體應(yīng)用而定。在圖15中示出的實(shí)施方式中，纖維1501是單向的，使得所有纖維都沿與縱條819的長度對應(yīng)的方向延伸。在圖16中示出的實(shí)施方式中，纖維1501為多向的以形成織物構(gòu)型。
[0056]仍然參照圖14至圖16，縱條819的公稱寬度Wl可以通過用芯棒701的外表面的周長乘以纏繞角Al的余弦來計(jì)算。利用縱條819以沒有材料間隙的方式纏繞芯棒701的一個(gè)主要的優(yōu)點(diǎn)在于:角度Al能夠針對芯的實(shí)施應(yīng)用進(jìn)行定制同時(shí)僅簡單地調(diào)整縱條819的寬度W1。此外，縱條819可以由大批原材料的更寬的卷切割成，使得寬度Wl的定制僅僅是調(diào)整切割工具以提供根據(jù)具體應(yīng)用而定的寬度的事情。定制角度Al允許用戶定制芯的物理性質(zhì)，這通過沿產(chǎn)生這種物理性質(zhì)的方向定向纖維1501來實(shí)現(xiàn)。簡單地參照圖17，示出了示例切割工具1701。切割工具1701可以具有諸如刀片之類的多個(gè)切割構(gòu)件1703，所述多個(gè)切割構(gòu)件1703可以定向成以規(guī)定的寬度從原材料卷1705切割出縱條819。如本文中進(jìn)一步討論的，每個(gè)縱條819可以與纏繞夾具805連通。切割工具1701特別良好地適于切割具有單向纖維的縱條819，以使切割構(gòu)件1703沿著相鄰的纖維之間切割原材料。與之相比，具有凸?fàn)?凹狀沖切(press cutting)構(gòu)件的切割工具可能更適于切割具有多向纖維的縱條819。
[0057]仍然參照圖14至圖16，方法601的步驟605中的通過纏繞寬度良好的復(fù)合材料產(chǎn)生的“封閉單元”幾何結(jié)構(gòu)的芯使得能夠使用更薄更輕的復(fù)合材料，從而產(chǎn)生了密度很小的芯。此外，相比通過“開口單元”幾何機(jī)構(gòu)的芯所能實(shí)現(xiàn)的剛度和強(qiáng)度，“封閉單元”幾何結(jié)構(gòu)的芯能夠具有更大的剛度和強(qiáng)度。此外，“封閉單元”的幾何結(jié)構(gòu)的芯是完全能夠定制的。
[0058]在方法601的步驟605的另一實(shí)施方式中，芯棒701多次纏繞以產(chǎn)生多層復(fù)合材料層。在該實(shí)施方式中，可以改變纖維的取向、纏繞角和/或纏繞方向成以產(chǎn)生定制的機(jī)械特性和物理特性。
[0059]在某些情況下，期望在復(fù)合芯中提供通風(fēng)和/或排水功能，例如在飛行器的也用作燃料箱的機(jī)翼構(gòu)件中。在該實(shí)施方式中，方法601的步驟605還可以包括在原材料或縱條819中產(chǎn)生孔?？梢砸远喾N方法來產(chǎn)生孔；例如，一個(gè)方法可以是使原材料或縱條819在帶尖刺的輪或帶尖刺的輥支承件上行進(jìn)。
[0060]再次參照圖6和圖7，方法601的步驟607包括組裝被纏繞芯棒。步驟607還可以包括將被纏繞芯棒組裝并插入到工具或其他固定裝置中。工具的確切構(gòu)型根據(jù)具體應(yīng)用而定。此時(shí)另外參照圖18至圖20，示出了工具1201的示例。工具1201構(gòu)造成產(chǎn)生六邊形形狀的芯構(gòu)件。然而，工具1201可以構(gòu)造成提供任意期望的形狀。例如，工具1201的替代性形狀可以構(gòu)造成產(chǎn)生圓形、正方形、矩形或甚至部分定制的芯形狀。在示出的實(shí)施方式中，具有纏繞的復(fù)合材料的多個(gè)芯棒701以金字塔狀組裝到部分工具構(gòu)件1203a至1203f上。在一個(gè)實(shí)施方式中，如圖7中所示，系統(tǒng)801構(gòu)造成自動(dòng)組裝并堆疊被纏繞芯棒。在另一實(shí)施方式中，被纏繞芯棒的堆疊和組裝可以手動(dòng)地執(zhí)行。每個(gè)部分工具構(gòu)件1203a至1203f可以包括孔口 1205以控制并定制部分工具構(gòu)件1203a至1203f在固化過程期間的任何熱膨脹。在一個(gè)實(shí)施方式中，每個(gè)部分工具構(gòu)件1203a至1203f堆疊有七層被纏繞芯棒。在將每個(gè)部分工具構(gòu)件1203a至1203f與其被纏繞芯棒進(jìn)行組裝時(shí)，一個(gè)額外的被纏繞芯棒1205定位在中央處。然而，應(yīng)當(dāng)理解到，每個(gè)部分工具構(gòu)件1203a至1203f可以以多種方式堆疊被纏繞芯棒以及進(jìn)行組裝。
[0061]在一個(gè)示例實(shí)施方式中，工具1201包括構(gòu)造成當(dāng)組裝被纏繞芯棒701時(shí)充氣以提供規(guī)定的向內(nèi)壓力的囊狀部1207。然而，應(yīng)當(dāng)理解到，本公開設(shè)想了在固化過程期間向圍繞每個(gè)芯棒701纏繞的復(fù)合材料提供壓力的其他方法，例如機(jī)械壓力產(chǎn)生裝置。
[0062]在另一實(shí)施方式中，固化壓力可以通過芯棒701的熱膨脹來產(chǎn)生。在該實(shí)施方式中，代替囊狀部1207，工具1201可以包括剛性限制結(jié)構(gòu)。芯棒701的加熱產(chǎn)生熱膨脹，這在芯棒701之間的復(fù)合材料處產(chǎn)生壓力。
[0063]工具1201可以包括鼓風(fēng)機(jī)1209，該鼓風(fēng)機(jī)1209用于產(chǎn)生氣流1211并使氣流穿過所述多個(gè)芯棒701的內(nèi)部均勻地分布。在替代性實(shí)施方式中，諸如油之類的流體流通穿過多個(gè)芯棒701的內(nèi)部。步驟609可以包括在根據(jù)復(fù)合系統(tǒng)的固化要求而將工具1201內(nèi)的被纏繞芯棒加熱規(guī)定的時(shí)間。例如，可以使用爐來產(chǎn)生必要的熱量。氣流1211可以對圍繞每個(gè)芯棒701纏繞的復(fù)合材料的加熱速率和熱量分布進(jìn)行改善。同樣地，特別地期望具有穿過每個(gè)芯棒701的內(nèi)部開口，該內(nèi)部開口的尺寸設(shè)計(jì)成容納規(guī)定量的氣流?？梢酝ㄟ^控制器1213來控制囊狀部1207以定制施加在工具1201內(nèi)的芯棒701之間的復(fù)合材料的單元壁處的壓力的量和時(shí)間選擇。
[0064]再次參照圖6，方法601的步驟609包括對圍繞芯棒701纏繞的復(fù)合材料進(jìn)行固化以形成固化的復(fù)合芯401。如以上進(jìn)一步討論的，通過使組件承受必要的溫度和壓力而使圍繞每個(gè)芯棒701的未固化的復(fù)合材料固化。如以上所討論的，復(fù)合材料的溫度以及溫度改變的速率可以部分地通過吹送熱空氣穿過芯棒701的內(nèi)部來控制。在步驟609的固化過程期間，施加在復(fù)合材料上的溫度和壓力根據(jù)具體應(yīng)用而定。可以通過控制器1213來控制囊狀部1207，以定制施加在工具1201內(nèi)的芯棒701之間的復(fù)合材料的單元壁處的壓力的量和時(shí)間選擇。例如，可以通過控制器1213來控制囊狀部1207，以在復(fù)合材料中的樹脂的粘性改變期間改變壓力的量。
[0065] 在固化周期完成之后，在圍繞每個(gè)芯棒701的未固化的復(fù)合材料變得牢固地粘合至每個(gè)相鄰的管403時(shí)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合芯401。應(yīng)當(dāng)指出的是，通過由單向纖維縱條819以規(guī)定的角度纏繞芯棒701而形成的復(fù)合芯401在單元壁處產(chǎn)生了具有交連纖維的復(fù)合芯401。例如，通過具有單向纖維的縱條819以+45度的纏繞角纏繞的多個(gè)芯棒701將產(chǎn)生具有以下單元壁的固化復(fù)合芯401，該單元壁具有彼此成90度的兩層纖維。本公開的方法和系統(tǒng)的獨(dú)特效果產(chǎn)生了非常輕質(zhì)且堅(jiān)固的復(fù)合芯401。
[0066]仍然參照圖6，方法601的步驟611包括冷卻芯棒701并將芯棒701從復(fù)合芯401移除。
[0067]本文中公開的系統(tǒng)和方法包括以下優(yōu)點(diǎn)中的一個(gè)或更多個(gè)。本公開的方法允許高效地生產(chǎn)復(fù)合芯，這可以降低復(fù)合芯的成本。此外，通過單向縱條纏繞芯棒提供了復(fù)合芯的可定制性。此外，固化復(fù)合芯的方法產(chǎn)生了高質(zhì)量的復(fù)合芯。
[0068]由于該系統(tǒng)和方法可以以對受益于本文中的教示的本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯而易見的不同但相當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行修改和實(shí)施，因此本文中公開的特定的實(shí)施方式僅具有說明性。可以對本文中所描述的系統(tǒng)進(jìn)行改型、附加、或刪減而不脫離本公開的范圍。系統(tǒng)的部件可以是一體或分離的。此外，系統(tǒng)的操作可以通過更多的、更少的、或其他的部件來執(zhí)行。
[0069]此外，除了如在所附權(quán)利要求中描述的以外，不應(yīng)對本文中所示出的構(gòu)造或設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)進(jìn)行限制。從而很明顯地，以上公開的特定的實(shí)施方式可以進(jìn)行改變或修改并且所有這樣的變化被認(rèn)為在本公開的范圍和精神內(nèi)。因此，本文中所尋求的保護(hù)如所附權(quán)利要求中所述。
[0070]為了幫助專利局和本申請所公告的任何專利的任何讀者理解所附的權(quán)利要求， 申請人:希望注明，除非具體權(quán)利要求中明確使用了措辭“用于……的裝置”或“用于……的步驟”，否則 申請人:不期望任何所附權(quán)利要求引用申請日存在的35U.S.C.§ 112的第6段。
【權(quán)利要求】
1.一種用復(fù)合材料纏繞芯棒的方法，所述方法包括: 用纏繞夾具緊固芯棒； 將所述復(fù)合材料以纏繞角相對于所述芯棒定向； 靠近所述芯棒的第一端部緊固所述復(fù)合材料的第一部分；以及 從所述芯棒的所述第一端部開始圍繞所述芯棒的周向布放所述復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，緊固所述復(fù)合材料的第一部分的步驟包括:將所述復(fù)合材料的所述第一部分緊固至第一適配器，所述第一適配器具有與所述芯棒的幾何結(jié)構(gòu)類似的幾何結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述復(fù)合材料為復(fù)合材料的縱條，所述縱條具有規(guī)定的覽度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，圍繞所述芯棒的周向布放所述復(fù)合材料的步驟包括:以所述纏繞角纏繞所述復(fù)合材料的縱條，所述纏繞角防止在圍繞所述芯棒纏繞所述復(fù)合材料的縱條時(shí)在所述縱條中形成間隙。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括: 將所述復(fù)合材料的縱條切割成規(guī)定的寬度，使得圍繞所述芯棒的周向布放所述復(fù)合材料的步驟產(chǎn)生螺旋形接縫。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，圍繞所述芯棒的周向布放所述復(fù)合材料的步驟包括:在保持所述復(fù)合材料相對于所述芯棒的所述纏繞角的同時(shí)在纏繞夾具上旋轉(zhuǎn)所述芯棒。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，保持所述復(fù)合材料相對于所述芯棒的所述纏繞角的步驟包括:將所述纏繞夾具朝向所述復(fù)合材料的來源平移。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，圍繞所述芯棒的周向布放所述復(fù)合材料的步驟包括:使材料供給頭圍繞所述芯棒旋轉(zhuǎn)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，圍繞所述芯棒的周向布放所述復(fù)合材料的步驟還包括:將所述材料供給頭沿與所述芯棒的軸線對應(yīng)的方向平移。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，圍繞所述芯棒的周向布放所述復(fù)合材料的步驟還包括:將所述芯棒沿著芯棒軸線平移。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，圍繞所述芯棒的周向布放所述復(fù)合材料的步驟還包括:將所述材料供給頭沿與所述芯棒的平移相反的方向平移。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述芯棒具有六邊形橫截面幾何結(jié)構(gòu)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述芯棒具有中空內(nèi)部，所述中空內(nèi)部沿著所述芯棒的長度延伸，以提供用于在固化過程期間加熱所述芯棒的流體通道。
14.一種制造用于在結(jié)構(gòu)組件中使用的復(fù)合芯的方法，所述方法包括: 在芯棒纏繞過程中纏繞芯棒，所述芯棒纏繞過程包括: 用纏繞夾具緊固芯棒； 將所述復(fù)合材料以纏繞角相對于所述芯棒定向；以及 圍繞所述芯棒的周向布放所述復(fù)合材料； 將被纏繞芯棒組裝在工具中；以及 在固化周期期間向所述復(fù)合材料施加壓力。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述復(fù)合材料為復(fù)合材料的縱條，所述縱條具有規(guī)定的寬度。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，圍繞所述芯棒的周向布放所述復(fù)合材料的步驟包括:以所述纏繞角纏繞所述復(fù)合材料的縱條，以防止在圍繞所述芯棒纏繞所述復(fù)合材料的縱條時(shí)在所述縱條中形成間隙。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，還包括: 將所述復(fù)合材料的縱條切割成規(guī)定的寬度，使得圍繞所述芯棒的周向布放所述復(fù)合材料的步驟產(chǎn)生螺旋形接縫。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，圍繞所述芯棒的周向布放所述復(fù)合材料的步驟包括:在保持所述復(fù)合材料相對于所述芯棒的所述纏繞角的同時(shí)在纏繞夾具上旋轉(zhuǎn)所述芯棒。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，保持所述復(fù)合材料相對于所述芯棒的所述纏繞角的步驟包括:將所述纏繞夾具朝向所述復(fù)合材料的來源平移。
20.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，圍繞所述芯棒的周向布放所述復(fù)合材料的步驟包括:使材料供給頭圍繞所述芯棒旋轉(zhuǎn)。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，圍繞所述芯棒的周向布放所述復(fù)合材料的步驟還包括:將所述材料供給頭沿與所述芯棒的軸線對應(yīng)的方向平移。
22.根據(jù)權(quán)利要求20 所述的方法，其中，圍繞所述芯棒的周向布放所述復(fù)合材料的步驟還包括:將所述芯棒沿著芯棒軸線平移。
23.一種用于制造復(fù)合芯的自動(dòng)化的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 芯棒料斗； 纏繞夾具；以及 機(jī)械臂，所述機(jī)械臂用于將多個(gè)被纏繞芯棒堆疊在工具中。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其中，所述芯棒構(gòu)造成通過第一適配器和第二適配器選擇性地緊固芯棒。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其中，所述第一適配器包括槽，所述槽用于使復(fù)合材料的縱條穿過所述槽定位。
26.根據(jù)權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其中，所述第一適配器和所述第二適配器具有與所述芯棒的幾何結(jié)構(gòu)類似的外部幾何結(jié)構(gòu)。
27.根據(jù)權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其中，所述纏繞夾具構(gòu)造成旋轉(zhuǎn)所述芯棒。
28.根據(jù)權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，還包括: 切割部，所述切割部構(gòu)造成在所述芯棒的端部部分附近切削所述復(fù)合材料。
【文檔編號(hào)】B29C70/32GK104015918SQ201410074956
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年3月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月1日
【發(fā)明者】菲利普·A·肯德里克, 保羅·K·奧爾德羅伊德, 列維·H·阿姆斯特朗, 伊利莎白·奧貝萊 申請人:貝爾直升機(jī)德事隆公司