增強(qiáng)的熱塑性復(fù)合零件的制造
【專利說明】増強(qiáng)的熱塑性復(fù)合零件的制造 【背景技術(shù)】
[0001] 在航空航天工業(yè)中，使用嵌入在熱塑性基體中的增強(qiáng)纖維制成的復(fù)合零件是期望 的。由增強(qiáng)的熱塑性復(fù)合材料制成的零件在較高的工作溫度下可以具有比由增強(qiáng)的熱固性 復(fù)合材料制成的零件更小的強(qiáng)度削減。增強(qiáng)的熱塑性復(fù)合材料具有比增強(qiáng)的熱固性復(fù)合材 料更高的韌性，包括斷裂韌性和層間拉伸強(qiáng)度（ILT)。
[0002] 相對于使用樹脂預(yù)浸漬的增強(qiáng)纖維層片，熱塑性材料還提供特定優(yōu)點。不像熱固 性材料，熱塑性材料不具有保質(zhì)期并且在加工之前不需要冷藏。熱塑性材料在固結(jié)期間也 不會產(chǎn)生顯著的揮發(fā)物。
[0003] 然而，現(xiàn)有技術(shù)不能使用連續(xù)的或長間斷的（拉伸斷裂的）纖維增強(qiáng)體和熱塑性 樹脂來有效地形成大型整體的加筋復(fù)合零件。制造此類零件所需要的設(shè)備的大小對于操作 來說是不切實際的且對于重配置具有挑戰(zhàn)性。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本文的實施例提供了一種制造增強(qiáng)的熱塑性復(fù)合零件的方法，該方法包含：按順 序操作移動嵌入在熱塑性基體中的增強(qiáng)纖維層疊通過加熱臺且然后通過成型臺。加熱臺用 于軟化一部分層疊中的熱塑性基體，而成型臺用于給熱塑性基體剛被軟化的一部分層疊賦 予幾何結(jié)構(gòu)。在層疊的不同部分上同時執(zhí)行軟化和成型。
[0005] 本文的另一個實施例提供了一種方法，該方法包含：按順序移動使用熱塑性樹脂 預(yù)浸漬的增強(qiáng)纖維層片堆通過固結(jié)臺、加熱臺和成型臺以將層片固結(jié)成層疊，軟化層疊中 的熱塑性樹脂而不引起樹脂流動，并賦予零件幾何結(jié)構(gòu)。在層疊的不同部分上同時執(zhí)行固 結(jié)、軟化和成型。
[0006] 本文的又一個實施例提供了一種制造系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含：加熱站，其用于軟化增強(qiáng) 的熱塑性復(fù)合層疊的熱塑性基體；成型臺，其用于給熱塑性基體剛被軟化的一部分層疊賦 予幾何結(jié)構(gòu)；和傳送機(jī)，其用于按順序移動層疊通過各個臺，以便在層疊的不同部分上同時 執(zhí)行軟化和成型。
[0007] 本公開的一方面提供了一種用于制造增強(qiáng)的熱塑性復(fù)合零件的方法，該方法包 含：按順序操作移動嵌入在熱塑性基體中的增強(qiáng)纖維的層疊通過加熱臺且然后通過成型 臺，并使用該加熱臺軟化一部分層疊中的熱塑性基體，同時使用成型臺給熱塑性基體剛被 軟化的一部分層疊賦予幾何結(jié)構(gòu)，其中在層疊的不同部分上同時執(zhí)行軟化和成型。有利地， 該方法進(jìn)一步包含：移動使用熱塑性樹脂預(yù)浸漬的增強(qiáng)纖維的層片堆通過固結(jié)臺以在移動 通過所述加熱臺和所述成型臺之前將層片固結(jié)成層疊。有利地，該方法進(jìn)一步包含：使層片 堆的下游部分成型，同時使層片堆的上游部分被固結(jié)、加熱并成型。有利地，該方法進(jìn)一步 包含：其中紅外能量用于固結(jié)層片并軟化熱塑性基體。有利地，該方法進(jìn)一步包含：其中成 型包括使用多級工具給層疊賦予不同的幾何結(jié)構(gòu)。有利地，該方法進(jìn)一步包含：其中成型被 執(zhí)行為多點沖壓操作。有利地，該方法進(jìn)一步包含：其中使用被整體加熱的工具執(zhí)行成型。 有利地，該方法進(jìn)一步包含：將附屬特征添加到層疊的成型部分。有利地，該方法進(jìn)一步包 含：其中傳送機(jī)用于移動層疊通過各個臺。有利地，該方法進(jìn)一步包含：其中柔性聚合物膜 被用作傳送機(jī)皮帶以支撐層疊，并且其中膜在零件被成型之后從零件剝落。有利地，該方法 進(jìn)一步包含：其中使用與層疊一起移動的工具執(zhí)行成型。有利地，該方法進(jìn)一步包含：其中 層疊成型為具有連續(xù)或拉伸斷裂的纖維增強(qiáng)體的整體加筋零件。
[0008] 本公開的進(jìn)一步方面提供了一種方法，該方法包含：按順序移動使用熱塑性樹脂 預(yù)浸漬的增強(qiáng)纖維的層片堆通過固結(jié)臺、加熱臺和成型臺以將層片固結(jié)成層疊，軟化層疊 中的熱塑性樹脂而不引起樹脂流動，并賦予零件幾何結(jié)構(gòu)，其中在層疊的不同部分上同時 執(zhí)行固結(jié)、軟化和成型。有利地，該方法進(jìn)一步包含：使層片堆的下游部分成型，同時使層片 堆的上游部分固結(jié)、加熱并成型。
[0009] 本公開的進(jìn)一步方面提供了一種制造系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含：加熱站，其用于軟化增強(qiáng) 的熱塑性復(fù)合層疊的熱塑性基體；成型臺，其用于給熱塑性基體剛被軟化的一部分層疊賦 予幾何結(jié)構(gòu)；和傳送機(jī)，其用于按順序移動層疊通過各個臺，以便在層疊的不同部分上同時 執(zhí)行軟化和成型。有利地，該制造系統(tǒng)進(jìn)一步包含：固結(jié)臺，其用于將使用熱塑性材料預(yù)浸 漬的未固結(jié)的增強(qiáng)纖維的層片堆固結(jié)成層疊；其中傳送機(jī)將未固結(jié)的層片堆移動到固結(jié)臺 并且然后將層疊移動到加熱臺。有利地，該制造系統(tǒng)進(jìn)一步包含：用于在層片堆的一部分被 固結(jié)時成型層片堆的另一部分的臺。有利地，該制造系統(tǒng)進(jìn)一步包含：其中加熱臺包括上 部和下部預(yù)加熱區(qū)域以及上部和下部加熱區(qū)域。有利地，該制造系統(tǒng)進(jìn)一步包含：其中工具 臺包括第一級工具，其用于使初始零件幾何結(jié)構(gòu)成型；和第二級工具，其用于改變初始幾何 結(jié)構(gòu)以增加零件剛度。有利地，該制造系統(tǒng)進(jìn)一步包含進(jìn)一步包含控制器，其用于控制傳送 機(jī)、加熱臺和成型臺的操作。
[0010] 各種實施例可以獨立地或可以與另一些實施例相結(jié)合獲得這些特征和功能。參考 【具體實施方式】和附圖能夠了解實施例的進(jìn)一步細(xì)節(jié)。 【附圖說明】
[0011] 圖1和圖2是使增強(qiáng)的熱塑性復(fù)合零件成型的方法的圖示說明。
[0012] 圖3和圖4是使增強(qiáng)的熱塑性復(fù)合零件成型的系統(tǒng)的圖示說明。
[0013] 圖5是飛行器生產(chǎn)和使用方法的流程圖。
[0014] 圖6是飛行器的框圖。 【具體實施方式】
[0015] 參考圖1，其示出了一種制造增強(qiáng)的熱塑性復(fù)合零件的方法。零件包括嵌入在熱塑 性基體中的增強(qiáng)纖維的層片。增強(qiáng)纖維的示例包括但不限于碳纖維、玻璃纖維和Kevlar? 芳綸纖維。增強(qiáng)纖維在形式上可以是連續(xù)的、編織的、短的或拉伸斷裂的。熱塑性材料的示 例包括但不限于聚醚酰亞胺（PEI)、聚苯硫醚（PPS)和聚芳醚酮（例如，聚醚醚酮（PEEK)、 聚醚酮酮（PEKK))。
[0016] 圖1的方法涉及形成層片堆101并移動層片堆101 (沿箭頭的方向）通過一系列 臺120-150,同時在這些臺120-150的每個處執(zhí)行操作。操作包括但不限于固結(jié)、加熱、成型 和拋光。這些操作按順序執(zhí)行。然而，可以在層片堆101的不同部分上同時執(zhí)行這些不同 的操作。
[0017] 在臺110處，堆疊增強(qiáng)纖維的層片100以形成層片堆101的未固結(jié)部分102。在 一些實施例中，使用熱塑性樹脂預(yù)浸漬層片100,并且這些"預(yù)浸材料"在成型工具上堆疊。 在另一些實施例中，干燥纖維的層片100與熱塑性膜的膜片交錯。在堆疊之前，不需要冷藏 熱塑性材料。
[0018] 層片堆101的未固結(jié)部分102被移動至固結(jié)臺120,用于固結(jié)成層疊104。在充足 的壓力和溫度下執(zhí)行固結(jié)以便一并移除樹脂中的孔隙和固結(jié)層片100。該溫度足以軟化熱 塑性樹脂而不引起其流動。最小化或基本消除通常與熱固性復(fù)合材料的固化關(guān)聯(lián)的問題 (例如，真空袋壓成型、固結(jié)的層疊中的揮發(fā)物產(chǎn)生的氣孔以及與釋放氣體有關(guān)的環(huán)境，健 康和安全考慮）。
[0019] 移動層片堆101直到層疊104到達(dá)加熱臺130。加熱臺130用于軟化層疊104中 的熱塑性基體，而不引起其流動。在該點加熱將促進(jìn)層疊104的隨后成型。
[0020] 再次移動層片堆101直到加熱的層疊106到達(dá)成型臺140處。成型臺140用于給 加熱的層疊（其熱塑性材料剛被軟化）賦予幾何結(jié)構(gòu)以產(chǎn)生成型的層疊108。可以單級或 多級執(zhí)行成型。作為多級成型的示例，第一級工具可以給每一個細(xì)部賦予相同的幾何結(jié)構(gòu)， 但末級工具可以僅對特定細(xì)部添加幾何結(jié)構(gòu)。多級成型可以被執(zhí)行為多點沖壓操作，其中 按順序使用沖壓工具。
[0021] 考慮多個一體形成的加強(qiáng)筋的制造。第一級工具級在每個加強(qiáng)筋中沖壓相同的幾 何結(jié)構(gòu)。末級工具僅在特定加強(qiáng)筋中沖壓附加的幾何結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致具有可變高度的加強(qiáng) 筋。末級通過改變加強(qiáng)筋本身的幾何結(jié)構(gòu)而增加剛度，而不會向其添加任何附加材料（從 而使加強(qiáng)筋"一體形成"）。
[0022] 工具可以在成型期間被整體加熱。工具可以被加熱以在最終零件中形成聚合物的 結(jié)晶。加熱還促進(jìn)輕微的層片"滑移"，而不是將加熱的（例如，有可能700° F)熱塑性材 料移動到材料將立即凍結(jié)且內(nèi)部應(yīng)力然后將集中的冷卻工具內(nèi)。
[0023] 如果僅使用單級工具，則可以維持該工具處于低于熱塑性的熔點的溫度。這將冷 卻加熱的層疊106。如果使用多級工具，則可以維持第一級工具處于稍微低于、處于或高于 材料的熔點的溫度，且可以維持末級工具處于低于熱塑性材料的熔點的溫度。這些溫度將 冷卻加熱的層疊106,但仍允許成型。
[0024] 工藝參數(shù)（諸如溫度和進(jìn)給速率）不限于任何特定值。這些參數(shù)是樹脂材料、纖 維材料和堆中層片的數(shù)量等的函數(shù)。在一些實施例中，當(dāng)加熱的層疊106成型時，工具可以 與加熱的層疊106 -起移動。
[0025] 再次移動層片堆101，直到成型的層疊108到達(dá)拋光臺150。在這個臺150處，可 以將附屬特征添加到成型的層疊108以產(chǎn)生零件的拋光的部分109。附屬特征包括但不限 于插入物、套管和螺旋線圈?？梢栽趻伖馀_150處執(zhí)行其它操作，包括但不限于修剪、無損 檢查（NDI)和尺寸檢查。
[0026] 可以在層片堆101的不同部分上同時執(zhí)行這些操作中的一些或全部。例如，附屬 特征可以被添加到成型部分108中，同時另一部分108被成型，同時另一部分106被加熱， 同時另一部分104被固結(jié)。
[0027] 該方法能夠?qū)崿F(xiàn)伸長的熱塑性固結(jié)零件的制造，而無需同時固結(jié)整個零件和然后 同時加熱整個零件，并且然后同時形成整個零件。轉(zhuǎn)而，這確保能夠使用較小的機(jī)器以執(zhí)行 操作。由于機(jī)器較小，因此避免了加熱較大的機(jī)器的問題。該方法對于具有復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu) 的大復(fù)合零件（諸如具有連續(xù)或拉伸斷裂的纖維增強(qiáng)件的一體形成的加筋零件）的制造尤 其有用。
[0028] 在一些實施例中，未固結(jié)的層片堆102在其移動到固結(jié)臺120之前被完全成型。 然而，在其他實施例中，當(dāng)正在執(zhí)行的其它操作（固結(jié)、加熱和成型）時，層片100可以被堆 疊。例如，30英尺長的零件能夠由20英尺長的一件設(shè)備制造。到成型的層疊108到達(dá)拋光