热膨胀成型工具和用该工具成型的方法与流程

本国际PCT专利申请要求2014年6月24日提交的临时专利申请号为62/016,325的美国临时专利申请的优先权，其全部内容以引用方式并入本文。

技术领域

本发明涉及成型工具，且更具体地，涉及用于在复合部件例如复合航空航天部件真空袋专用共固化的过程中向纤维浸渍树脂选择性地施加压力的热膨胀工具，以及用该热膨胀工具成型和/或共固化此类部件的方法。

背景技术：

传统地，诸如桁条和翼板的复合航空航天部件已在压热器装置中共固化。然而，压热器组件较大、运转昂贵且很难维护。已经尝试开发真空袋专用固化的工艺。然而，压热器组件的固化质量尚未在这些真空袋专用的系统中得到复制。

因此，真空袋专用的固化工具和使用该工具的方法要求提供高的固化质量并避免传统压热器装置的复杂性和成本问题。

技术实现要素：

提供了一种用于向纤维浸渍树脂选择性地施加压力的设备，该设备包括具有在轴向方向上从上末端表面向相对的下末端表面延伸的本体的热膨胀材料、固定至上末端表面和下末端表面中的其中一个的第一保持构件，其中，第一保持构件配置成在热膨胀材料经受温度升高时限制热膨胀材料在基本上垂直于轴向方向的方向上的膨胀。

该设备可以进一步包括固定至上末端表面和下末端表面中的另一个的第二保持构件。第二保持构件可以配置成在热膨胀材料经受温度升高时，限制热膨胀材料在基本上垂直于轴向方向的方向上的膨胀，并引导在轴向方向上的膨胀。

该设备可以进一步包括设置在热膨胀材料本体内的至少一个内部保持构件。该至少一个内部保持构件可以具有在面向第一保持构件的方向上进行定向的第一表面和在背对第一保持构件的方向上进行定向的第二表面，其中该至少一个内部保持构件的第一和第二表面固定至热膨胀材料，使得在热膨胀材料经受温度升高时，限制热膨胀材料在基本上垂直于轴向方向的方向上的膨胀，并引导在轴向方向上的膨胀。

该设备可以进一步包括设置在热膨胀材料本体内的多个内部保持构件。该多个内部保持构件中的每一个均可以具有在面向第一保持构件的方向上进行定向的第一表面和在背对第一保持构件的方向上进行定向的第二表面，其中该多个内部保持构件中每一个的第一和第二表面均固定至热膨胀材料，使得在热膨胀材料经受温度升高时，限制热膨胀材料在基本上垂直于轴向方向的方向上的膨胀，并引导在轴向方向上的膨胀。

该设备可以进一步包括热膨胀材料、第一和第二保持构件设置在其中的壳体。壳体可以包括设置成邻近并接触第一保持构件的上部和设置成邻近并接触第二保持构件的下部。

在有些实施例中，壳体的上部和下部中至少一个可以包括底座，用于在基本上垂直于轴向方向的方向上容纳并限制相应的第一和/或第二保持构件。

壳体可以进一步包括轴向限制构件，该轴向限制构件配置成在热膨胀材料经受温度升高时，限制热膨胀材料在轴向方向上的膨胀。

轴向限制构件可以包括螺钉组件，螺钉组件从壳体的上部向壳体的下部延伸，并配置成限制上部相对于下部的移动。

壳体的下部包括间隙，螺钉组件的锚定件设置在该间隙中。锚定件可以配置成在该间隙内在轴向方向上从间隙的下限向上限移动，其中壳体的上部在轴向方向上的移动在锚定件与间隙的上限接触之后停止。

第一保持构件可以是配置成选择性地使热膨胀材料经受所述温度升高的加热元件。

第一保持构件和内部保持构件中的一个或多个可以是配置成选择性地使热膨胀材料经受所述温度升高的加热元件。

第一保持构件和多个内部保持构件中的一个或多个可以是配置成选择性地使热膨胀材料经受所述温度升高的加热元件。

该设备可以进一步包括设置在热膨胀材料本体内的一个或多个内部保持构件。每一个内部保持构件可具有在面向第一保持构件的方向上进行定向的上表面和在面向第二保持构件的方向上进行定向的下表面，其中内部保持构件的上表面和下表面都固定至热膨胀材料，使得内部保持构件配置成在热膨胀材料经受温度升高时，限制热膨胀材料在基本上垂直于轴向方向的方向上的膨胀。

该设备可以进一步包括设置在热膨胀材料本体内的多个内部保持构件。每一个内部保持构件可具有在面向第一保持构件的方向上进行定向的上表面和在面向第二保持构件的方向上进行定向的下表面，其中内部保持构件的上表面和下表面都固定至热膨胀材料，使得内部保持构件配置成在热膨胀材料经受温度升高时，限制热膨胀材料在基本上垂直于轴向方向的方向上的膨胀，并引导在轴向方向上的膨胀。

本发明还提供一种用于形成复合航空航天部件的真空袋专用模具，包括如本文所公开的设备。

本发明还提供一种用于在非压热器固化过程中固化纤维浸渍树脂的方法，该方法包括提供具有在轴向方向上从上末端表面向相对的下末端表面延伸的本体的热膨胀材料，固定第一保持构件至上末端表面，固定第二保持构件至下末端表面，将上保持构件和下保持构件中的一个装置成邻近待固化树脂，升高热膨胀材料的温度以影响热膨胀材料的膨胀，以及通过第一保持构件和第二保持构件的固定而限制热膨胀材料在基本上垂直于轴向方向的方向上的膨胀，并引导在轴向方向上的膨胀。

该方法可以进一步包括在上保持构件与下保持构件之间的位置处将内部保持构件固定在本体内，用于对膨胀的限制和引导。

该方法可以进一步包括：将热膨胀材料以及第一和第二保持构件包封在壳体中，以及将壳体的上部布置成邻近并接触第一保持构件，将下部布置成邻近并接触第二保持构件。

该方法可以进一步包括通过将轴向限制构件应用至壳体，在热膨胀材料经受所述温度升高时限制热膨胀材料在轴向方向上的膨胀。

所述升高热膨胀材料的温度可以包括第一和第二保持构件中的至少一个向材料提供热量。

该方法可以进一步包括：提供多个热膨胀材料本体；将第一所述保持构件和第二所述保持构件固定至多个本体中的每一个；以及将多个本体的多个上或下保持构件布置成邻近并跨过待固化树脂的表面。

该方法可以进一步包括配置多个本体使得在多个本体中的至少一个的轴向方向上的所述膨胀不同于在多个本体的至少另一个的轴向方向上的所述膨胀。

附图说明

图1是在本发明的一个实施例的成型工艺过程中用于施加压力的工具的立体图。

图2是其另一个实施例的立体图；

图3是其另一个实施例的立体图；

图4是其另一个实施例的立体图；

图5A-5B是图1工具的热膨胀本体的示意图；

图6A-6B是图1工具的示意图；

图7是示出在经受温度升高时，图1-4的工具的强度与位移的曲线图；

图8是根据本发明的工具设置于壳体内的示意图示；

图9是根据本发明的工具设置于壳体内的另一个示意图；以及

图10是包括多个图1工具的成型装置。

具体实施方式

图1示出了本发明一个示例性实施例中的成型工具10。工具10包括具有上表面14和相对下表面16的本体12。本体12在上表面14与下表面16之间分别沿轴向方向Y-Y延伸。本体12终止于上表面14的上限和下表面16的下限。

工具进一步包括设置在工具10的本体12上表面14上并固定至上表面14的上保持构件18。同样，工具10包括设置在工具10的本体12下表面16上并固定至下表面16的下保持构件20。在所示实施例中，工具10的本体12呈圆柱形。保持构件18和20相应地呈盘状并在本体12相应的上和下表面16的整个表面区域连续延伸。

图2-4示出了根据本发明广义范围的工具的可选实施例。在本文全文中，在各附图中用一致的附图标记来表示共同的元件。在图2中，工具40包括图1的工具10所有的元件，但进一步包括设置在工具40的本体12内的内部保持构件42。内部保持构件42是沿平行于上保持构件18和下保持构件20的定向居中设置在本体12内的盘状构件。内部保持构件42可以设置成通常在本体12竖直段的中点垂直于轴Y-Y。可选地，构件42可以设置在本体内的其他地方，并可以设置成相对于轴Y-Y成大于或小于90度的角度。

图3及图4示出了其中使用多个内部保持构件的工具的附加实施例。图3显示了具有内部保持构件52及54的工具50，内部保持构件52及54以平行于上保持构件18及下保持构件20的取向设置于本体12内。此处，内部保持构件52及54彼此等距地设置并分别与上保持构件18及下保持构件20等距地设置，从而将工具10的本体12分成三个基本上类似大小的部分。图4示出了具有三个内部保持构件62、63及64的工具60，内部保持构件62、63及64设置成平行于上保持构件18及下保持构件20，并且设置成彼此等距并分别与上构件18及下构件16等距，从而将工具10的本体12分成四个基本上类似大小的部分。类似于保持构件42，构件42、52、62、63、64被装置成平行于上保持构件18及下保持构件20并基本上垂直于轴Y-Y。然而，构件42、52、62、63、64可另选地位于工具10的本体12内的任何所需位置，并且可相对于轴Y-Y成某一角度而设置且可相对于彼此平行或不平行。

工具40、50及60的内部保持构件具有厚度t，厚度t小于上保持构件18及下保持构件20的厚度T。类似于上保持构件18及下保持构件20，内部保持构件42、52、62、63、64在本体12的整个宽度上连续延伸。根据一些非限定性实施例，内部保持构件42、52、62等的厚度t可为例如约0.050英寸至0.080英寸，并且在一个特定的实施例中可为约0.064英寸。上保持构件18及下保持构件20的厚度T可为例如约0.100英寸至0.400英寸，并且在一个特定的实施例中可为约0.250英寸。

工具10、40、50及60的本体12是由热膨胀材料形成。可使用任何所需的热膨胀材料诸如，举例来说，热膨胀弹性体或弹性体的组合。例如，本体12可由硅酮弹性体形成。本文所讨论的各个保持构件是由适合固定至本体12并且如下文讨论适合在经受温度升高时限制本体12的横向膨胀的任何材料形成。保持构件例如可由诸如铝、钢、铜、镍之类的金属材料，或热膨胀系数低的任何其他金属或非金属材料形成。通过用于将本体稳固地连接至保持构件的任何适当方法而将本文所公开的各个工具的本体12固定至保持构件。例如，可借助粘接剂将本体粘结至保持构件，或者可在形成热膨胀本体期间将本体整体地粘结至保持构件。不管用于附着本体与各个保持构件的技术如何，最终的连接应当足够强，因为连接效果的整体性对于工具的性能至关重要。

在上述实施例中，上保持构件18及下保持构件20共享共同的厚度T，且内部构件42、52、54、62、63及64共享共同的厚度t，其中T>t。然而，在其他实施例中，T可小于t或等于t，或者所有厚度可彼此不同。此外，特定保持构件的厚度可对于整个构件一致，或者可变化。

图5A及图5B示出了未附着保持构件的工具10的本体12的示意图。当热膨胀本体12的温度升高一个量Δt时，该本体会沿轴Y-Y膨胀距离A。此处，本体12的下表面16是固定的，使得在上表面14能看到膨胀。

图6A及6B示出了具有固定至上保持构件18及下保持构件20的本体12的工具10的示意图。此处，当工具经受温度升高Δt时，本体12会在轴Y-Y的方向上膨胀距离B。如图5至图6的示意图所示，膨胀距离B明显地大于膨胀距离A。这是因为在图6A-6B的构造中，上保持构件18及下保持构件20分别固定至本体12的上表面14及下表面16，并由此限制本体12在横向方向X-X上的膨胀。也就是说，在没有保持构件18及20的情况下，本体12能够在如图5A-5B所示的所有方向(包括Y-Y方向及X-X方向二者)上自由地热膨胀。然而，在图6A-6B中，保持构件18及20限制热膨胀本体在X-X方向上的移动，从而将该本体的膨胀引导在Y-Y方向上。也就是说，保持构件18及20不会热膨胀或者其具有的热膨胀系数大于本体12的热膨胀系数，使得构件18及20不会因升高的温度Δt而显著地膨胀。因此，在经受温度Δt时，保持构件18及20的尺寸保持近乎常数。由于热膨胀本体12固定至非膨胀性保持构件18及20，因此在这种附着的方向上(即，在方向X-X上)本体12的膨胀受到限制。本体12因此被迫在相反的方向Y-Y上膨胀，从而导致膨胀距离B增加。

如参考图2-4讨论，将内部保持构件增加到工具上能进一步限制本体12在方向X-X上的横向膨胀，从而进一步增加在Y-Y方向上的膨胀量。这是由于本体12的更多表面积暴露于非膨胀性保持构件中。这些内部保持构件还将本体12支撑在沿X-X方向的膨胀上，因此本体12的材料通过增加在Y-Y方向上的膨胀而作出反应。这在图7的曲线图中示出，图7显示了在经受温度Δt时本体所产生的增大的压力以及本体的增大的位移是与工具中所使用的保持构件的数目直接相关。应当理解，存在多种可影响工具12的本体的横向膨胀的因素，诸如保持构件的数目、保持构件的抗张强度以及保持构件的热膨胀系数。

图8示出了工具50的另一实施例，其中本体12设置于壳体70内，壳体70包括下部72、上部74、以及连接下部72与上部74的轴向方向限制构件76。在所示的示例中，上部74包括座部78，其中上保持构件18容置在座部78中。该座部78还将本体12支撑在沿横向X-X方向的热膨胀上。壳体70的下部72可额外地和/或另选地包括类似的座部。在该示例性实施例中，轴向方向限制构件76是螺杆控制器，其用于限制本体12在Y-Y方向上的垂直膨胀。然而，限制构件76可为足以控制、调整和/或限制本体12在Y-Y方向上的垂直膨胀的任何机械装置。在所示的示例中，螺杆控制器限制构件76调整壳体70的相对的下部72与上部74的相对位置，从而确定本体12可用的膨胀空间。通过以此方式限制本体12的膨胀位移，可控制对固化期间的部件所施加的最终压力。进一步地，壳体70使本体12保持稳定，并允许本体12具有增大的厚度。

图9是图8的构造的示意图示。此处，工具50被示出为抵靠固化装置中的纤维浸渍树脂半固化片80而设置。层压带82设置于壳体70的上部74与半固化片80之间。壳体70的下部72设置于基座84上。螺杆控制器76包括位于壳体70的下部72处的位移间隙77，在位移间隙77中允许螺杆控制器76进行受限制的移动，从而相应地限制本体12在Y-Y方向上的热膨胀。也就是说，螺杆控制器76被固定在壳体70的上部74处并包括锚定件78，其中锚定件78可移动地设置于下部72处的间隙77内。如此，在将热施加到工具10期间，本体12由于限制构件52、54而在Y-Y方向上热膨胀，如先前所讨论。壳体的上部74与附着在该上部的螺杆控制器76二者均与膨胀本体12一起在Y-Y方向上移动。相应地，锚定件78沿Y-Y方向在间隙77内移动，直到锚定件78接触到间隙77的上限为止，其中该上限终止锚定件78的移动，并同样地停止螺杆控制器76、壳体70的上部74、以及因此本体12在Y-Y方向上的移动。如此，壳体70可被具体地配置成允许对膨胀本体12进行精确控制。也就是说，间隙77的尺寸可按要求来增大或减小以允许本体进行更大或更小的膨胀，从而允许成型工具的定制。

本文所述的工具用于对成型操作期间的部件施加压力，具体而言，对纤维增强复合材料航空航天组件的真空袋专用成型施加压力，并且更具体地，对诸如桁条和翼板之类的航空航天组件的真空袋专用共固化施加压力。一般来说，本文所述的工具10、40、50、60中的一个或多个抵靠半固化片而设置，并经受温度的升高。工具的热膨胀本体12在Y-Y方向上膨胀并支靠在半固化片上，从而对半固化片施加压力。如上所述，可通过配置影响工具的膨胀以及由此产生的压力的多种因素中的一者或多者而精确控制该压力。这些因素包括：所使用的工具的数目以及这些工具相对于半固化片的位移；施加到工具上的温度；本体的热膨胀系数；固定至本体的保持构件的数目；本体的形状及尺寸；应用到半固化片的本体的总表面积；以及，如果采用壳体，则壳体对本体的膨胀的限制。

图10示出了成型装置，该成型装置包括固定至覆盖板100的多个工具10，其中这些工具支靠设置于工具10上方的航空航天桁条和框架102。工具10可以与上文所述的壳体70一起使用和/或在没有壳体70的情况下使用。如果采用壳体70，壳体70可包括一个或多个工具本体12。半固化片80设置于桁条和框架102上方，并被IML工具104夹置在桁条和框架102上。当经受升高的温度时，工具在朝向桁条和框架102的方向上膨胀，并且如本文所讨论，导致将压力施加在半固化片80上。

诸如图10所示的装置可用于在成型过程期间向部件提供压差。换言之，在一个利用多个工具10的装置中，工具10可被相同地配置成以类似的方式进行膨胀，并以类似的方式施加压力，使得在成型期间施加的总压力在整个装置中是一致的。然而，在另一个装置中，膨胀程度和成型期间施加的压力在多个工具10中可有所不同，使得可在整个装置中实现可变压力。这通过调整上述影响工具所施加的压力的各种因素(例如，本体12的热膨胀系数、所利用的保持构件的数量等)来实现。此外，多个工具10可用于在制造期间向部件施加多向压力。例如，在具有垂直的x、y和z轴的三维坐标空间中的部件可由工具10在(+)和/或(-)x、y、z方向或其他在这些坐标轴之间延伸的方向上进行作用。此类多向压力可为工具10所施加的等效压力，或可为如上文所讨论的压差。此外，不管是施加多向压力，还是施加单向压力，多个工具10都可同时或非同时地完成这两种压力的施加。

在本发明的另一个实施例中，保持构件18、20、42、52、54等中的一个或多个可包括加热元件。换言之，上、下和/或内部保持构件可配置成辐射热量，并因此可用于使热膨胀本体12经受温度升高。上、下和/或内部保持构件所辐射的热量进一步允许热量以更加均匀的方式传递穿过本体12，这可改善对本体12的位移控制。类似地，壳体70或其部分可包括一个或多个加热元件，并可与加热元件保持构件结合使用，或单独使用，以使本体的温度升高。例如，上部74、下部72和轴向限制构件76中的一个或多个可配置成选择性地将热量辐射至本体12。

本文所描述的工具特别有利于飞机桁条的共固化。例如，具有UD填料和/或具有粘结石墨管嵌件的T桁条、J桁条和球形桁条可通过利用工具以上文所讨论的方式与飞机翼板共固化。这些和其他复合部件可在不需要压热器的条件下进行高效的共固化，进而获得一种比较便宜且更简单的提供高质量固化和成型的制造方法。

在本文中，成型工具被描述为包括上、下保持构件，且一个、多个或没有内部保持构件设置在本体中。相应的保持构件的具体数量和装置纯粹是示例性的。其他实施例可包括任何期望数量的保持构件及其任何期望的装置，以限制热膨胀本体在X-X方向上的横向膨胀。换言之，工具可包括上、下保持构件以及单个居中设置的内部保持构件。可选地，此类工具可包括四个内部保持构件，或可包括五个、六个或其他数量的内部保持构件。类似地，工具可不包括上、下保持构件中的一个或两个。例如，工具可包括上保持构件，但可省略掉下保持构件。

如本文所描述的，工具本体被描述为具有圆柱形形状，且上、下保持构件及任何保持构件被描述为具有圆盘形形状，其中，保持构件连续地延伸跨过与保持构件相接触的本体的上表面、下表面和/或内部表面。这仅仅是示例性的。工具本体可采用任何期望的横截面形状，例如，圆形、椭圆形、长方形、曲线形、方形、矩形、八角形、六角形、三角形、星形、直线形等。此外，工具本体的横截面形状沿垂直轴Y-Y可以是一致的，或其可有所不同。

保持构件可成形为类似于工具本体的横截面形状。例如，如上所述，工具本体可为具有圆形横截面的圆柱形形状，且保持构件可相应地为圆盘形形状。如此，保持构件的形状可对应于本体的形状。可选地，保持构件可具有不同于本体的横截面形状的形状。根据需要，工具内所采用的各保持构件可具有相同的形状，或可有所不同。保持构件已在本文中被描述为连续地延伸跨过工具本体的接触表面。可选地，一个或多个保持构件可部分地延伸跨过工具本体的接触表面。例如，在工具40为圆柱形形状的情况下，保持构件42可整个或部分地成形为圆盘形形状、环形形状、星形形状、方形形状、三角形形状等，并可为固体或可包括穿过其中的孔。

上述描述仅仅是示例性的，相关领域的技术人员将会认识到，在不偏离所公开的本发明的范围的情况下，可对所述实施例作出各种改变。在不偏离权利要求书的主题的情况下，本公开可以以其他具体形式来体现。本公开还意在覆盖和包含技术中的所有合适的改变。根据本公开内容的阅析，落入本发明的范围之内的修改对于本领域技术人员而言将是显而易见的，且此类修改意在落入所附权利要求书的范围之内。