用于固化復合材料的工件的混合式工具的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于固化復合材料的工件的混合式工具和用于制造用于飛行器的復合材料的桁條的混合式工具的用途。本發(fā)明涉及一種用于固化用于飛行器的諸如桁條、抗扭盒、蒙皮壁板、翼面、水平尾翼或垂直安定面（HTP和VTP)等之類的復合材料（CFRP)結構的工具。該混合式工具包括金屬部分和設置在金屬部分的表面上的彈性部分。彈性部分和金屬部分彼此永久地聯(lián)結，使得金屬部分和彈性部分一起限定具有拷貝需固化的復合材料的工件的表面的至少一部分的形狀的表面。本發(fā)明的工具能夠圓滿地固化具有最小厚度和/或非常急劇的厚度變化的、復合材料的工件。
【專利說明】用于固化復合材料的工件的混合式工具

【技術領域】
[0001]本發(fā)明總體上涉及一種用于制造用于飛行器的諸如桁條、抗扭盒，蒙皮壁板、翼面、水平尾翼或垂直安定面(HTP和VTP)等之類的復合材料(CFRP)結構的工裝。
[0002]更特別地，本發(fā)明的目的為提供一種能夠圓滿地固化包括具有最小的厚度和/或非常急劇的厚度變化的部件的CFRP工件的工裝。

【背景技術】
[0003]使用由有機基質和諸如碳纖維增強塑料(CFRP)之類的單向取向的纖維形成的復合材料構建飛行器的一些構件，例如機身蒙皮壁板、抗扭盒、桁條、肋、翼梁等在航空業(yè)中是眾所周知的。
[0004]通常，蒙皮壁板通過多個縱向排列的桁條(加強筋)來加強，使得桁條提升了蒙皮壁板的強度和屈曲性能。桁條通常通過將兩個部件一起固化或一起結合而結合至蒙皮壁板，或僅通過應用一層粘合劑(二次結合)結合至蒙皮壁板。
[0005]桁條的端部引起由桁條和蒙皮支承的負載的再分配。這將產生兩方面的影響:
[0006]-當增強覆蓋層的彎曲產生牽引負載和壓縮負載時，桁條的結構中(桁條終端部)的這種恰時的變化在其終點中引起力矩，該力矩傾向于使加強件與蒙皮之間的結合線脫離彡口口 ?
[0007]-同時，負載的再分配不得不通過結合線來實現(xiàn)，以將負載從桁條傳遞至位于桁條終端部區(qū)域處的蒙皮。在高負載水平下(如例如在翼蓋中所實驗的)，結合線的抵抗力會被降低。
[0008]在飛行器翼部的抗扭盒中的蒙皮與桁條之間的共同結合聯(lián)合體不得不承載成噸位幅度的負載，這些負載處于所述聯(lián)合體在如桁條終端部區(qū)域的某些關鍵點處的結構能力的極限。這些共同結合聯(lián)合體在高負載下在該點處能夠裂化，使得因下面兩種影響而引起剝離負載:桁條腹板的消除，這引起高的負載尖峰；以及主桁條終端的消除，這產生剪切負載上的尖峰。在通常構型中，這些情景同時發(fā)生，使結合線的結構性能惡化。
[0009]為克服這些與桁條終端部處的負載傳遞相關聯(lián)的問題，在本領域中熟知的是減小桁條的總截面面積，這通常通過減小桁條腹板的高度(通常通過切掉桁條腹板的一片)，以及通過朝向終端部逐漸地減小桁條腳部的厚度，通過朝向終端部順序地減少板層的數(shù)目(減少板層)來實現(xiàn)。
[0010]圖1示出了桁條I的常規(guī)終端部區(qū)段聯(lián)結至蒙皮壁板2，其中，桁條I具有由腹板3和腳部4形成的T形截面。如在圖1的附圖(a、b)中能夠觀察到的，腹板3和腳部4的厚度朝向桁條的端部逐漸地減小，以減小腹板3和腳部4的截面面積，從而減小該終端部區(qū)段的彈性模量。
[0011]例如在美國專利申請US2005/0211846A1和US2012/0100343A1中更詳細地描述了該常規(guī)解決方案的示例。
[0012]然而，用于固化復合材料的工件的現(xiàn)有的金屬工具不能根據(jù)例如用于終端部區(qū)段的腹板和腳部的需要圓滿地制造具有陡的厚度減小的桁條?，F(xiàn)有的金屬工裝僅能夠制造通常1:200(坡度)的板層減少，這對于一些需要的應用而言是不夠的。
[0013]如果金屬工具被用于固化具有大于1:200的板層減少的部件，則會在成品工件中出現(xiàn)孔隙問題，影響該成品工件的質量。因工具與復合堆疊板層5之間的滑動而產生的工裝制造公差和定位公差，會在固定就位的工具與需固化以形成復合材料桁條的堆疊板層5之間產生間隙和不對準。
[0014]圖2圖示了這些孔隙問題如何因復合材料的新的堆疊的板層5與一旦金屬工具被定位用于固化過程時和所述板層5接觸的金屬工具6的堅硬的工裝區(qū)域之間產生的間隙7而引起的。在固化過程中，新(未固化)形成的碳纖維的堆疊的板層5被加熱并通過施用真空而被抵著金屬模按壓，使得堆疊的板層5被固化并且同時通過金屬工具6被壓緊。
[0015]然而，如果金屬工具6的工作表面8 (與堆疊的板層5接觸的表面)與堆疊的板層5之間存在間隙7，則板層5的復合材料的未固化的熱固性樹脂因所施用真空的影響而朝向這些間隙7流動。如果間隙太大，則樹脂不能填充引起成品工件中的所述孔隙問題的整個間隙。對于通常的桁條的厚度中通常的制造公差，當工裝的坡度大于1:200時，則認為該間隙7太大。
[0016]相同的限制影響了具有陡的厚度變化的其它CFRP結構元件的制造。


【發(fā)明內容】

[0017]本發(fā)明在所附的獨立權利要求中限定，并且圓滿地解決了現(xiàn)存的用于固化不能利用常規(guī)的金屬工具來生產的、具有所要求的厚度變化和/或最小的厚度的CFRP工件的現(xiàn)存工裝的以上描述的問題。本發(fā)明的優(yōu)選的實施方式在所附的從屬權利要求中限定。
[0018]更特別地，本發(fā)明涉及適用于固化復合材料的工件的混合式工具，其中，該工具具有接觸表面，該接觸表面具有形成需固化的復合材料部件(在前期階段形成)的形狀外形或該接觸表面的形狀適于與需固化的復合材料部件(在前期階段形成)的形狀大致匹配。所述接觸表面由不同性質的兩個表面形成，即設置在工具中，對應于需被固化的工件的具有最小厚度和/或具有非常急劇的厚度變化的區(qū)段的金屬表面和彈性表面。優(yōu)選地，彈性表面設置成對應于工具的終端部區(qū)段并且金屬表面設置在工具的內區(qū)段處。
[0019]工具的金屬部分為常規(guī)的金屬工具，通常由適用于該目的的因瓦合金、鋼或任何其它種類的金屬材料制成，這與現(xiàn)有技術的工具相類似，并且該金屬部分在工具的除終端部區(qū)段之外的主要部分上延伸。
[0020]該工具的彈性部分由能夠彈性地改變其體積和形狀的材料制成，即，由因外力而變形并且在當外力移除時回復至其原形狀的材料制成。彈性部分以金屬部分用作用于彈性部分的支承件或基底的方式設置在金屬部分的內表面的一部分上，即，彈性部分設置在金屬部分的意在沿著需固化的桁條的終端部區(qū)段與需固化的CFRP工件接觸的表面上。
[0021]優(yōu)選地，彈性部件由彈性材料制成，由于該材料的彈性特性和強度特性，使得其適合于這種特定應用。
[0022]因此，本發(fā)明的方面涉及用于固化復合材料的工件的混合式工具，包括至少一個金屬部分和設置在該金屬部分的表面上的彈性部分。
[0023]此外，彈性部分和金屬部分彼此永久地聯(lián)結在一起，這意味著兩個部分在固化過程期間和固化過程之后保持固定至彼此。此外，金屬部分和彈性部分以其一起形成具有拷貝或復制需固化的復合材料的工件的表面的至少一部分的形狀的接觸表面的方式相對于彼此設置。
[0024]使彈性部分永久地聯(lián)結至金屬部分具有在固化過程完成后彈性部分相對于金屬部分保持固定在相同的位置中的效果。因此，混合式工具可被重復地用在許多固化周期中，而無需在每個周期之后再調整彈性部分的位置。
[0025]另一方面，彈性部分的彈性特性具有防止或至少顯著地減少需獲得的CFRP工件中的孔隙問題的效果。在固化過程期間，通常將熱和壓力(真空)施用至混合式工具及需固化的工件，使得施用的真空引起彈性部分膨脹為使其形狀適應板層的堆疊并從而減小在工具和板層之間形成的腔體的容積。由于這些腔體的容積被顯著地減小，因而防止了樹脂的朝向所述腔體的任何不期望的流動，因此，能夠圓滿地固化具有急劇厚度變化的預成型的未固化的復合工件。
[0026]一旦真空被釋放，彈性部分返回至其原來的形狀并準備好用于下一固化周期。
[0027]與現(xiàn)有技術的全部具有堅硬的或剛性的金屬表面的工裝相反，本發(fā)明的混合式工具在設置彈性部分之處設置有可變形表面。
[0028]本發(fā)明的另一目的為基于使用上述的混合式工裝的用于制造飛行器的諸如桁條之類的復合結構的方法。
[0029]本發(fā)明也涉及由復合材料制成的用于飛行器的桁條，其圓滿地解決了前述的與桁條終端部處負載傳遞相關聯(lián)的問題。
[0030]本發(fā)明的一個優(yōu)點在于制造具有急劇的減少的板層的桁條，即在終端部區(qū)段處在腹板與腳部二者中的陡的厚度減小，實現(xiàn)通常厚度的甚至60%至80%的厚度減小或甚至減到更小。這些桁條可以優(yōu)良的質量重復地制造。
[0031]本發(fā)明的混合式工具也可有利地用于制造飛行器的諸如蒙皮壁板之類的易于通過板層的急劇減少而被優(yōu)化的其它CFRP結構。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]以下將參照附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，在附圖中:
[0033]圖1示出了桁條終端部區(qū)段，其中，附圖(a)為與蒙皮面板聯(lián)結的桁條的立體圖；附圖(b)為俯視平面圖；附圖(c)為側視圖。桁條的腹板和腳部二者的厚度的逐漸減小可分別在圖(b、c)中觀察到。
[0034]圖2為在具有減小的厚度的區(qū)段的未固化的復合部件與常規(guī)的金屬工具之間產生的不對準和因該不對準而產生的引起孔隙問題的間隙的兩個示例的示意性表示。
[0035]圖3示出根據(jù)本發(fā)明的工具的立體圖，在該例子中，該工具由兩個對稱的混合L形工具形成。該圖也示出了在兩個L形工具之間設置的凸模。該凸模用于在混合式工具的制造過程期間在相應的金屬部件上形成彈性部件。
[0036]圖4示出圖3的混合式工具中的一個工具的腹板部件的示意性表示。附圖(a)為接觸表面的平面圖；附圖(b)為沿附圖(a)中的線A-A’截取的截面圖?；旌鲜焦ぞ叩哪_部部件的截面圖將產生與在該圖中示出的示意性表示類似的表示。
[0037]圖5示出沿根據(jù)本發(fā)明的混合式工具的腹板區(qū)段截取的截面圖的示意性表示，該混合式工具由處于用于固化例如T形桁條之類的復合工件的操作位置中的兩個對稱的L形部件形成。
[0038]圖6在附圖(a)中示出在圖5中的線A-A’處截取的橫截面圖的示意性表示；附圖(b)為對應于位于操作位置中的混合式工具的兩個部件的終端部區(qū)段的沿圖5中的線B-B’截取的橫截面圖；附圖(c)為附圖(b)中腳部部件的放大視圖。

【具體實施方式】
[0039]圖3示出根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選的實施方式的用于固化復合材料的工件的混合式工具14，其中，該工具14包括第一 L形部件9和第二 L形部件9’，所述第一 L形部件9和第二 L形部件9’彼此對稱，并構造成用于當其如圖5中所示彼此聯(lián)接時固化T形桁條。
[0040]每個L形部件9、9’包括金屬部分15、15’和設置在相應的金屬部分15、15’的內側表面上的彈性部分16、16’，使得兩個部分15、15’、16、16’ 一起限定意在與需被(執(zhí)行)固化的復合部件25接觸的接觸表面17、17’。出于該目的，接觸表面17、17’具有拷貝復合材料的工件25的表面的至少一部分的形狀。
[0041]圖3也示出凸模13，該凸模13通常由鋁制成，設置在兩個L形部件之間，用于在工具14的兩個部件9、9’的制造過程期間在相應的金屬部分15、15’上形成彈性部分16、16’。凸模13復制需被固化的部件的形狀，因此，凸模13被制造為在其終端部區(qū)段處具有期望的坡度或厚度減小使得彈性部分16、16’形成為該坡度的形狀。
[0042]優(yōu)選地，彈性部分16、16’由彈性材料制成。
[0043]圖3的這兩個部件9、9’中的每個部件由腳部部件11和腹板部件10形成，并且其中，彈性部分16設置在腹板部件10的內表面和腳部部件11的內表面上。彈性部分16設置在每個部件的端部區(qū)段處，即，與該部件的端部相鄰。
[0044]如可在圖3和圖4中觀察到的，金屬部分15為長形體，彈性部分16設置在金屬部分的相鄰于其遠端部18中的一個遠端部的區(qū)域上(對應于終端部區(qū)段)，使得這兩部分設置成一起限定或形成具有需固化的復合工件25外形的形狀的工作表面或接觸表面17，該接觸表面17與T形桁條的腹板部件和腳部部件的外表面的形狀相匹配。
[0045]如可在圖4(b)中更清晰地觀察的，一部分的金屬部分15起到對于彈性部分16的背部支承的作用，彈性部分16的縱向截面的厚度從彈性部分16的內端部19至外端部20增大，以形成具有對應于預成型的桁條的具有陡的厚度減小的終端部區(qū)段的所需的形狀的斜坡。
[0046]如在圖4中更清晰地示出的，彈性部分16與金屬部分15的表面直接地接觸，并且可例如通過粘貼固定至金屬部分。替代性地，金屬部分和彈性部分以使得其彼此接合以保持永久地固定的方式構造。在圖3和圖4的示例性實施方式中，該接合通過多個穿過金屬部分15的孔眼21獲得，使得部分的彈性材料在該材料的固化過程期間穿入所述孔眼21中。
[0047]同樣由與彈性部分16相同的彈性材料制成的支承層22層壓在金屬部分15的外表面23上，使得彈性材料填充那些孔眼21，并且支承層與彈性部分物理上連接成一體的部件。
[0048]彈性部分16可延伸超過金屬部分的遠端部18，以形成不由金屬部分支承的片狀物23。該片狀物23設置在工具的兩個部件9、9’中，用于在固化過程期間封閉位于這兩個部件之間的腔室，以防止樹脂流出該腔室。
[0049]替代性地，彈性部分16、16’在整個金屬部分15上延伸，或至少在其主要部分上延伸，以避免在需固化的復合工件的整個范圍中而非僅在終端部處的多孔的問題。該結構的附加的優(yōu)點為在該金屬表面上的任何缺陷由彈性材料覆蓋。
[0050]由于這些工具的大的長度和重量，通常這些工具如圖5中示出的由多個聯(lián)接在一起的部段形成。內部段26為常規(guī)的金屬工具，與需被固化的工件25的中央部相對應地設置。在工具的與終端部相對應的端部處，工具14的外部段27根據(jù)本發(fā)明來構造，具有形成為工件25的終端部28的形狀的彈性部16、16’。
[0051]如圖5中所示，外部段27的兩個對稱的金屬部件30、30’具有用于接納彈性部分
16、16’的凹進區(qū)域31、31’。彈性部分16、16’具有過渡區(qū)域32，在該過渡區(qū)域32處，彈性部分16、16’的內表面與內部段26的內表面平齊。彈性部分16、16’也具有成形如斜坡或斜面的終端部區(qū)域33。工具14的接觸表面17、17’由金屬部分15、15’和彈性部分16、16’的內表面形成。
[0052]在彈性部分16、16’中設置過渡區(qū)域32具有的效果和優(yōu)點在于，更多地受到孔隙問題影響的區(qū)域一即，終端部區(qū)域33在其中開始的拐點區(qū)域34—整個由彈性材料16、16’形成，因此，孔隙問題在該整個區(qū)域處減少?；旌鲜焦ぞ?4的外部段27和內部段26均在其一個端部處設置有階梯狀構型29、29’，所述階梯狀構型彼此互補以聯(lián)接該兩個部段。工具14的接觸表面17、17’由金屬部分15、15’的內表面和彈性部分16、16’的內表面形成。
[0053]本發(fā)明同樣涉及用于制造之前描述的混合式工具的方法，該方法包括以下步驟:
[0054]-將金屬凸部13制造為具有需固化的工件的形狀，
[0055]-制造金屬部分15、15’，
[0056]-將若干層的原始彈性材料層壓在金屬部分的表面上，直到獲得期望厚度的彈性材料，
[0057]-通過施加熱及將彈性材料抵著凸模13按壓來固化該原始彈性材料，以將該彈性材料按照該模子形成，
[0058]-使混合式工具從凸模13中脫模。
[0059]為了將混合式工具制造成圖5或圖6中示出的一個，在金屬部分中開設若干孔眼21，原始彈性材料也被層壓在金屬部分的外表面23上。在固化周期中，彈性材料被加熱，并且因施用的真空的作用，該彈性材料中的部分流入將支承層22與彈性部分16連接的孔眼21中。該過程使得在支承層22上出現(xiàn)一些凹陷部24，例如在圖3中所示。
[0060]本發(fā)明允許制造用于任何種類的加強件形狀的以及在任何種類的加強件形狀的任何區(qū)段中的任何種類的斜面，其中，與通過常規(guī)金屬工裝所允許的相比，該斜面更陡或厚度更小。作為優(yōu)選的示例，在終端部(SRO)區(qū)段具有陡的斜面的T形桁條可利用本發(fā)明的混合式工具制造，這又使得能夠優(yōu)化諸如通過桁條加強的蒙皮之類的結構的性能。
【權利要求】
1.一種用于固化復合材料的工件的混合式工具，所述混合式工具包括至少一個金屬部分和設置在所述金屬部分的表面上的彈性部分，其中，所述彈性部分和所述金屬部分彼此永久地聯(lián)結，并且其中，所述金屬部分和所述彈性部分一起限定具有拷貝需固化的復合材料的工件的表面的至少一部分的形狀的接觸表面。
2.根據(jù)權利要求1所述的混合式工具,其中，所述彈性部分由彈性材料制成。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的混合式工具，其中，所述金屬部分為長形體，所述彈性部分設置在所述金屬部分的與所述金屬部分的遠端部相鄰的區(qū)域上。
4.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的混合式工具，其中，所述彈性部分疊置成與所述金屬部分的表面直接接觸，并且其中，所述彈性部分機械地聯(lián)結至所述金屬部分或膠粘至所述金屬部分。
5.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的混合式工具，其中，所述彈性部分具有內端部和外端部，所述內端部位于所述金屬部分的內部區(qū)域處，所述外端部定位得靠近所述金屬部分的遠端，并且其中，所述彈性部分的厚度從所述內端部至所述外端部逐漸增大。
6.根據(jù)權利要求2和5所述的混合式工具，其中，所述彈性材料已通過加熱和將所述彈性材料在所述金屬部分與凸模之間按壓而形成在金屬模上。
7.根據(jù)權利要求1所述的混合式工具，所述混合式工具構造成用于固化桁條，所述桁條具有腳部、從所述腳部突出的腹板和位于所述桁條的端部中的一個端部處的終端部區(qū)段，所述金屬部分具有內表面和外表面，并且其中，所述彈性部分設置在所述金屬部分的所述內表面上。
8.根據(jù)權利要求7所述的混合式工具，其中，所述金屬部分呈具有腳部部件和腹板部件的L形截面，并且其中，所述彈性部分設置在所述腹板部件的所述內表面和所述金屬部分的所述腳部部件二者上，所述彈性部分設置在所述工具的端部區(qū)段處。
9.根據(jù)權利要求7或8所述的混合式工具，其中，所述金屬部分具有從所述內表面向所述外表面延伸的多個孔眼，所述工具還包括設置在所述工具的外表面上的大致朝向所述彈性部分的支承層，并且其中，所述支承層和所述彈性部分由相同的彈性材料制成并且通過所述孔眼連接。
10.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的混合式工具，其中，所述彈性部分具有過渡區(qū)域，所述過渡區(qū)域的內表面與所述金屬部分的所述內表面平齊。
11.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的混合式工具，其中，所述金屬部分具有凹進區(qū)域，并且其中，所述彈性部分設置在所述凹進區(qū)域處。
12.一種用于固化復合材料的工件的工具，所述工具包括兩個根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的混合式工具，其中，所述兩個混合式工具彼此對稱。
13.一種用于制造用于飛行器的復合材料的桁條的根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的混合式工具的用途。
【文檔編號】B29C70/30GK104210670SQ201410239084
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年5月30日 優(yōu)先權日:2013年5月30日
【發(fā)明者】亞歷杭德羅·費爾南德斯阿朗索, 阿基利諾·加西亞加西亞, 約根·娟·加利亞納布蘭科, 帕布洛·塞沃利亞加羅費, 卡洛斯·羅蒙巴諾貢 申請人:空中客車營運有限公司