制造复合芯的系统和方法

制造复合芯的系统和方法
【专利摘要】一种制造复合芯的方法，可以包括：在芯棒缠绕过程中通过用缠绕夹具紧固芯棒来缠绕芯棒；将复合材料以缠绕角相对于芯棒定向；以及围绕芯棒的周向布放复合材料。该方法还可以包括将被缠绕芯棒组装在工具中以及在固化周期期间向复合材料施加压力。
【专利说明】制造复合芯的系统和方法
【技术领域】
[0001]本公开涉及一种制造复合芯的系统和方法。
【背景技术】
[0002]诸如复合蜂窝状芯之类的复合结构通常可以利用以下手动过程来制造:通过将芯棒压抵于复合层而在多个复合层中产生褶皱形状。例如，美国专利N0.5，567，500中描述的方法使用了这种过程。相邻复合层的几何结构共同形成蜂窝状芯的单元。这种过程是劳动密集型的，其可能使得蜂窝状芯产品非常昂贵。此外，这种制造方法可能导致蜂窝状芯对于多种结构性的应用而言并不是最优的。
[0003]因此，存在对于一种用于制造复合芯的改进的系统和方法的需求。
【专利附图】

【附图说明】
[0004]在所附加的权利要求中陈述了本公开的系统和方法的认为是其特点所在的创新性特征。然而，通过在结合附图阅读时参照以下详细描述，将更好地理解该系统和方法本身和优选的使用模式以及其进一步的目的和优点，附图中:
[0005]图1为根据一个示例实施方式的旋翼飞行器的侧视图；
[0006]图2为根据一个示例实施方式的面板的侧视图；
[0007]图3为根据一个示例实施方式的面板的从图2中的截面线3-3截取的截面图；
[0008]图4为根据一个示例实施方式的复合芯的立体图；
[0009]图5为根据一个不例实施方式的复合芯的从图4中的截面线5-5截取的截面图；
[0010]图6为根据一个示例实施方式的复合芯的制造方法的示意图；
[0011]图7为根据示例实施方式的用于缠绕和组装芯棒的系统的局部示意性视图；
[0012]图8为根据示例实施方式的芯棒缠绕夹具的分解图；
[0013]图9A为根据示例实施方式的缠绕夹具的俯视图；
[0014]图9B为根据示例实施方式的缠绕夹具的俯视图；
[0015]图10为根据示例实施方式的缠绕夹具的俯视图；
[0016]图11为根据示例实施方式的缠绕夹具的俯视图；
[0017]图12为根据一个特定实施方式的正在被未固化的复合材料缠绕的芯棒的示意性平面图；以及
[0018]图13为根据一个特定实施方式的正在被未固化的复合材料缠绕的芯棒的示意性平面图；
[0019]图14为根据示例实施方式的缠绕夹具的俯视图；
[0020]图15为根据一个示例实施方式的从图14截取的细节图；
[0021]图16为根据一个示例实施方式的从图14截取的细节图；
[0022]图17为根据一个示例实施方式的切割工具的立体图；
[0023]图18为根据一个示例实施方式的堆叠在部分工具上的多个复合被缠绕芯棒的端部视图；
[0024]图19为根据一个示例实施方式的组装在工具中的多个复合被缠绕芯棒的端部视图；
[0025]图20为根据一个示例实施方式的组装在工具中的多个复合被缠绕芯棒的平面图；以及
[0026]图21为根据一个不例实施方式的芯棒的从图8截取的截面图。
【具体实施方式】
[0027]以下描述了本公开的系统和方法的说明性实施方式。为了清晰起见，本说明书中可能并未对实际实施的所有特征进行描述。当然要理解的是在任何这种实际实施方式的开发中，必须做出很多针对特定应用的决定来实现开发者的特定目的，例如为了满足与系统相关和与商业相关的要求，这在各个应用之间是不同的。此外，需要理解的是这样的开发工作可能很复杂并且耗费时间，但是对于受益于本公开的本领域普通技术人员而言却仍然只是常规工作。
[0028]在本说明书中，由于附图中图示了装置，因此可能提到各部件之间的空间关系和部件各方面的空间方位。然而，在完成本公开的阅读之后，本领域的技术人员将会认识到本文中所描述的装置、构件、设备等可以定位在任意的期望方位。从而，由于本文中所描述的装置可以定向在任意的期望方向，所以用以描述不同部件之间的空间关系或者用以描述这些部件多方面的空间方位的例如“上方”、“下方”、“上部”、“下部”等措辞的使用应当分别理解为描述部件之间的相对关系或这些部件的多方面的空间方位。
[0029]此时参照附图中的图1，示出了旋翼飞行器101。旋翼飞行器101具有旋翼系统103，该旋翼系统103具有多个旋翼叶片105。每个旋翼叶片105的斜度可以被操纵以便有选择地控制旋翼飞行器101的方向、推力、以及升力。旋翼飞行器101还可以包括机身107、反扭矩系统109、以及尾部111。
[0030]旋翼飞行器101仅仅是特别良好的适于利用本公开的方法和系统的众多飞行器、车辆以及其他物体的示例。应当理解到，其他飞行器也可以使用本公开的方法和系统。此夕卜，其他车辆和物体可以使用通过本公开的系统和方法制造的复合芯。举几个例子来说，说明性实施方式可以包括风机叶片、海基型车辆、雷达罩、包围件、遮盖件、桥面板、建筑立面、地面车辆、铁路车辆、航空器、航天器以及有人驾驶车辆或无人驾驶车辆。
[0031]此时另外参照图2和图3，飞行器101上的面板113是包括芯构件的众多结构的示例，该芯构件构造为在结构中产生强度和刚度的轻质装置。面板113为可以包括上蒙皮301、下蒙皮303以及复合芯305的复合组件。复合芯305可以粘接至上蒙皮301和下蒙皮303。应当理解到，面板113可以采用多种轮廓和构型。
[0032]此时另外参照图4和图5，示出了呈原料构型的复合芯401。例如，具有针对特定应用的几何结构的复合芯305 (图3中示出)可以由复合芯401切制。在另一实施方式中，复合芯401制造为网状，使得不需要随后的切制步骤。复合芯401可以为众多材料和单元尺寸的复合芯。例如，在一个实施方式中，复合芯401由碳纤维和树脂复合系统制成。复合芯401包括以二维阵列方式设置的多个管403 (为了清晰起见，仅标记了一个管)。然而，在一个实施方式中，管403可以选择性地定位成使得端部部分不位于同一平面中。每个管403限定了穿过其延伸的通道或“单元”405。复合芯401可以包括任意适当的数目、尺寸、横截面形状以及构造的管403。
[0033]复合芯401的每个管403可以包括以聚合物基体形式设置的多个强化纤维。例如，管403可以包括如下纤维，该纤维包括碳、石墨、玻璃、聚芳酰胺(即“芳香聚酰胺”)材料、聚芳酰胺材料的变体(例如，聚对苯二甲酰对苯二胺，如弗吉尼亚洲(Virginia),里士满
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，本公开的范围包括具有任意适当的材料或材料的组合的纤维。例如，聚合物基体可以包括诸如热塑性树脂或热固性树脂之类的任意适当的树脂系统。示例性树脂可以包括环氧基树脂、聚酰亚胺、聚酰胺、双马来酰亚胺、聚酯、乙烯基酯、酚醛树脂、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮(PEK)、聚苯硫醚(PPS)等。
[0034]管403的纤维可以沿一个或多个方向定向，并且可以为织物或无纺织物。应当理解到，管307可以替代性地仅包括沿单个方向设置的纤维，例如单轴纤维构型或螺旋纤维构型。在又一实施方式中，第一层包括纤维并且第二层包括纤维，使得第二层布置在第一层的上方。
[0035]此时另外参照图6，示意性地示出了制造复合芯(如复合芯401)的方法601。方法601可以包括构造多个芯棒的步骤603。步骤605可以包括围绕每个芯棒缠绕复合材料。步骤607可以包括组装被缠绕的芯棒。步骤609可以包括对复合材料进行固化以形成固化的芯构件。步骤611可以包括冷却芯棒并且将芯棒从固化的芯构件移除。本文将对步骤601的每个步骤进行更详细地描述。
[0036]参照图21,示出了穿过芯棒701的截面图。步骤603包括构造多个芯棒。在示出的实施方式中，芯棒701为诸如铝材料之类的金属芯棒。芯棒701构造成具有热膨胀系数(CTE)相对较小的材料。在示出的实施方式中，芯棒701优选地在使用囊状部或其他装置从外部施加压力的工具中固化。然而，应当理解到，方法701还可以由具有期望的CTE量的材料来构造，以使固化的压力来源于芯棒在限制工具内的热膨胀。
[0037]芯棒701可以构造成具有延伸穿过芯棒701的中心线长度的中空部703，从而在中空部701与外表面707之间形成本体部705。芯棒701构造成使得在复合芯401的固化过程期间，每个芯棒701的温度升高成使得本体部705沿向内方向和向外方向都均匀地体积膨胀，直到外表面707由其最邻近的芯棒限界为止，在该点处，芯棒701施加在其最邻近的芯棒上的压力保持相对恒定，并且本体部705的热膨胀继续主要沿向内方向进行。每个芯棒701的热膨胀程度取决于每个芯棒701的材料的CTE。芯棒701的几何结构可以进行选择以定制芯棒701和生成的复合芯401的物理特性。此外，芯棒701的几何结构可以进行选择以定制芯棒701的强度/刚度。此外，可以选择性地控制本体部705的壁厚度以及中空部703的几何结构以产生期望的热膨胀分布。例如，相比芯棒701，具有更小的中空部703的芯棒将提供更大的外部压力。在示出的实施方式中，中空部703具有圆筒形形状；然而，应当理解到，其他实施方式可以具有非圆筒形形状。
[0038]如将在本文中进一步进行讨论的，每个芯棒701构造成具有在固化周期期间允许通过其输送热空气的中空部703。然而，应当理解到，芯棒701的替代性实施方式不包括中空部703。应当理解到，芯棒701仅仅是所设想的众多芯棒构造的示例。即使芯棒的外部形状示出为六边形，但是本公开也包括具有其他外部形状的芯棒，举几个例子来说，例如正方形、矩形、三角形。此外，应当理解到，芯棒内的中空部可以为任何形状或任何多种形状。中空部的确切的形状根据具体应用而定。
[0039]在一个示例实施方式中，可以使用Teflon?材料或其他防粘合材料或涂层来防止
在固化周期期间复合材料粘合至芯棒701的外表面。同样地，每个芯棒701可以包括与每个芯棒701的外表面707相邻的防粘合材料的层709。
[0040]再次参照图6，步骤105包括围绕诸如芯棒701之类的每个芯棒缠绕复合材料。在每个芯棒的外表面上缠绕或以其它方式布放未固化的复合材料的确切方法根据具体应用而定。在优选的实施方式中，方法601的一个或更多个步骤通过自动系统来执行。然而，应当理解到，步骤中的任何步骤均可以手动地执行。
[0041]另外参照图7，示出了用于至少部分地执行方法601的一个或更多个步骤的系统801。此外，系统801特别良好地适于执行步骤605至步骤607。步骤605包括围绕每个芯棒缠绕复合材料。步骤607包括组装被缠绕的芯棒。本文将对步骤605和步骤607中的每个步骤以及系统801进行进一步讨论。
[0042]系统801可以包括料斗803，该料斗803构造成容纳多个芯棒701。可以通过缠绕夹具805选择性地放开及捕抓各个芯棒701。例如，每个芯棒701可以被释放到传送装置807上并通过夹具805的臂来拣拾。
[0043]另外参照图8，示出了缠绕夹具805的实施方式。缠绕夹具805构造成定位并保持芯棒701以用于在其上布放复合材料。应当理解到，缠绕夹具805可以采用多种根据具体应用而定的构型。在一个实施方式中，缠绕夹具805可以包括驱动装置809和支承构件811。适配器813a和适配器813b可操作地分别与驱动装置809和支承构件811相关联。联接件815a定位在驱动装置809与芯棒701的第一端部之间。类似地，联接件815b定位在支承构件811与芯棒701的第二端部之间。
[0044]缠绕夹具805构造成可操作地将芯棒701紧固在联接件815a与815b之间。联接件815a和815b具有与芯棒701的几何结构类似的几何结构。此外，缠绕夹具805构造成使得在复合材料缠绕过程期间使联接件815a和815b的几何结构与芯棒701对准。在示出的实施方式中，驱动装置809构造成驱动适配器813a和813b、联接件815a和815b以及芯棒进行旋转，而支承构件811构造成提供惯性滑行支承。如本文中进一步进行讨论的，在替代性实施方式中，在设备操作成围绕芯棒以及联接件815a和815b布置复合材料的同时，使芯棒701以及联接件815a和815b保持固定。应当理解到，缠绕夹具805仅仅是可以用于方便在方法601的步骤605中将复合材料布放在芯棒701上的固定装置的示例。
[0045]另外参照图9A，示出了用于执行方法601的至少步骤605的缠绕夹具805的一个非限制性示例实施方式。缠绕夹具805安装至能够沿着规定的路径平移的平台817。纵条819的第一端部部分能够紧固至安装件821上，该安装件821紧固至平台817。纵条819定位成穿过联接件815b中的开口 823。纵条819的第二端部部分可以为复合材料的卷827的剩余部分。在一个实施方式中，多个切割构件以规定的宽度将复合材料的卷827切割成多个纵条819，每个纵条819被供给至不同的缠绕夹具805。通过恒张力构件将平台817沿方向825偏压，使得纵条819保持承受张力。安装件821和卷817定位成使得纵条819以期望的角度相对于芯棒701定向。在示出的实施方式中，纵条819的期望的角度为45度。然而，纵条819可以以任何期望的角度定向。[0046]另外参照图9B，示出了缠绕夹具805的操作。驱动装置809操作成使得芯棒701旋转，这使得纵条819围绕芯棒701缠绕。随着纵条819围绕芯棒701缠绕，在保持缠绕角的同时，平台817沿方向829朝向卷817被拉动。
[0047]另外参照图10，示出了用于步骤605中的在每个芯棒701上缠绕复合材料的缠绕夹具1005的另一示例实施方式。缠绕夹具1005与缠绕夹具805基本类似；然而，缠绕夹具1005构造成使得芯棒701保持固定，同时在材料布置头1001围绕芯棒701移动并沿着芯棒701的轴线平移，例如分别沿方向1007移动和沿方向1009平移。材料布置头1001构造成在沿规定的路径移动的同时供给复合材料。在该实施方式中，纵条819可以紧固在静止的安装件1003处，以使在围绕芯棒701缠绕纵条819时，纵条819可以以承受张力的形式被材料布置头1001布置。
[0048]另外参照图11，示出了用于步骤605中的在每个芯棒701上缠绕复合材料的缠绕夹具1105的另一示例实施方式。缠绕夹具1105与缠绕夹具1005基本类似；然而，缠绕夹具1105构造成使得在材料布置头1001沿着与方向1009相对应的芯棒701轴线平移的同时使芯棒701沿方向1107旋转。在该实施方式中，例如，纵条819可以紧固至联接件815a，以使在材料布置头1001平移且芯棒1701旋转时可以在纵条819中形成张力。
[0049]在另一示例实施方式中，缠绕夹具构造成沿着与芯棒701的轴线对应的方向平移，同时材料布置头1001旋转但不平移。
[0050]应当理解到，缠绕夹具可以以本文中描述的构型的任意组合进行构造。例如，芯棒701可以沿第一旋转方向旋转，同时材料布置头1001沿与第一旋转方向相反的方向围绕芯棒701旋转。此外，或者芯棒701可以沿着其轴线平移，或者材料布置头可以沿与芯棒轴线对应的方向平移，或其任意组合。
[0051]应当理解到，用于在芯棒701上布放复合材料原料的确切的系统和方法可以至少根据复合材料原料的材料形式决定。
[0052]另外参照图12，围绕芯棒701缠绕未固化的复合材料的一种技术使用纤丝缠绕过程。随后，从纤丝缠绕机1403延伸的连续的树脂浸溃纤维1401围绕芯棒701缠绕。树脂可以为或者热固性树脂或者热塑性树脂，并且在固化时变为管403的聚合物基底。材料布置过程可以以多种过程来实现；例如，芯棒701能够轴向地移动，同时纤维1401的绕轴围绕芯棒701旋转，如箭头1407所示。替代性地，材料的绕轴或多个绕轴可以绕芯棒701旋转。材料分配机构相对于芯棒701的运动被推断出。由于纤维1401通过纤丝缠绕机1403缠绕到芯棒701上，因此形成了螺旋状模式。一层或更多层1409纤维1401沿相对于芯棒701的期望的取向缠绕到芯棒701上，以形成管403的基础几何结构。纤维1401围绕芯棒701缠绕的角度可以沿着芯棒701的长度变化以定制芯401的强度。例如，在材料布置过程期间纤维1401的角度可以动态地变化以定制芯的压缩强度。应当指出的是，在示出的实施方式中，芯棒701呈现与单元405对应的尺寸和形状(参见图4或图5)。然而，还应当指出的是，本公开不限于具体示出的纤丝缠绕机1403或芯棒701的构型。如将在本文中更加详细地进行讨论的，芯棒701以及已经纤丝缠绕到芯棒701上的一层或更多层1409随后与其他芯棒和层组装以形成芯401 (图4中示出)。还应当理解到，在对层1409和芯棒701进行切割时，材料可能具有解散的趋势。可以使用材料带(可能是粘合性的或纤维的)来防止纤维1401在切割层1409和芯棒701时散开。可以使用具有单向纤维的粘合材料以将纤维1401绑附在芯棒1701上。此外，该带可以选择性地定位并用于对芯的随后的后处理过程(如机加工过程)提供额外的支承。
[0053]图13中示出的执行方法601的步骤605的又一示例技术中，利用纤维布置过程来实现围绕芯棒701缠绕未固化的复合材料。随后，大约但不限于1000个纤维的树脂浸溃丝束1301 (为了清楚起见仅标记了一个)通过纤维布置机1305施加至芯棒701。应当理解至IJ，丝束1301也可以为完整丝束的一部分。例如，丝束1301可以为500个纤维的半个丝束。代替丝束1301，可以使用切成规定宽度的纤维带。预切割的纤维带可以被称作“纵条带”。相比丝束，纵条带允许用户更精密地控制宽度尺寸。举几个例子来说，纵条带的示例性规定宽度包括1/8"和1/4"。举两个例子，树脂可以为热固性树脂或热塑性树脂，并且在固化时变成管403的聚合物基底。在纤维布置过程期间，芯棒701能够轴向地移动，同时丝束1301围绕芯棒701旋转，如箭头1307所示。当通过纤维布置机1305将丝束1301施加至芯棒701时，形成了螺旋状模式。一层或更多层1309丝束1301沿相对于芯棒701的期望的取向缠绕到芯棒701上。在一个实施方式中，一个或多个非螺旋层的层可以组装在芯棒701上，以定制某些方向上的机械特性。应当理解到，可以使用不同材料的多于一个的丝束1301或纵条带。应当指出的是，在示出的实施方式中，芯棒1303呈现与单元405对应的尺寸和形状(参见图4和图5)。然而，还应当指出的是，本公开不限于具体示出的纤维布置机1305和芯棒701的构型。如将在以下更加详细地进行描述的，芯棒701和已经被纤维布置在芯棒701上的一层或更多层1309随后与其他芯棒或层组装，以形成芯401 (在图4中示出)。
[0054]此时另外参照图14至图16，步骤605的一个示例实施方式包括在以下过程中用宽度良好(broadgood)形式的纵条819缠绕芯棒701:该过程使得产生牢固的通道或“封闭单元”的几何结构。即，宽度良好形式的纵条819具有如下宽度W1，该宽度Wl选择成使得在围绕芯棒701缠绕纵条之后防止纵条819中存在间隙或空间。此外，随着纵条819围绕芯棒701缠绕，形成了连续的接缝831 ;然而，接缝831不是材料中的间隙或空间，而是接缝831代表诸如纵条819之类的螺旋形缠绕材料的抵接部，这是定制宽度的宽度良好的复合材料的一种示例。与之相比，如关于图12和图13所描述的，用在材料中产生间隙或空间的复合材料或“开口单元”的几何结构缠绕芯棒在某些应用中可能具有不期望的性质。例如，“开口单元”的实施方式可能受到丝束或纵条的宽度必须一致的限制，从而导致对于给定的间隔和角度而言，仅具有固定的丝束总数，并且间隙必须具有一致的宽度。结果是对于给定的间隙和角度而言，仅具有固定的材料总数。丝束或纵条缠绕的角度不能无限地改变，而仍然保持特定的丝束或纵条的宽度和间隙。此外，由于芯/蒙皮界面处的不充分的粘合表面，因此在某些面板的实施中可能不期望“开口单元”的几何机构的芯。此外，对于给定的芯棒几何结构而言，对于给定的缠绕角，满足芯管的构造的丝束或纵条的宽度和间隙组合是有限的。
[0055]特别地参照图15和图16，纵条819的纤维1501的取向根据具体应用而定。在图15中示出的实施方式中，纤维1501是单向的，使得所有纤维都沿与纵条819的长度对应的方向延伸。在图16中示出的实施方式中，纤维1501为多向的以形成织物构型。
[0056]仍然参照图14至图16，纵条819的公称宽度Wl可以通过用芯棒701的外表面的周长乘以缠绕角Al的余弦来计算。利用纵条819以没有材料间隙的方式缠绕芯棒701的一个主要的优点在于:角度Al能够针对芯的实施应用进行定制同时仅简单地调整纵条819的宽度W1。此外，纵条819可以由大批原材料的更宽的卷切割成，使得宽度Wl的定制仅仅是调整切割工具以提供根据具体应用而定的宽度的事情。定制角度Al允许用户定制芯的物理性质，这通过沿产生这种物理性质的方向定向纤维1501来实现。简单地参照图17，示出了示例切割工具1701。切割工具1701可以具有诸如刀片之类的多个切割构件1703，所述多个切割构件1703可以定向成以规定的宽度从原材料卷1705切割出纵条819。如本文中进一步讨论的，每个纵条819可以与缠绕夹具805连通。切割工具1701特别良好地适于切割具有单向纤维的纵条819，以使切割构件1703沿着相邻的纤维之间切割原材料。与之相比，具有凸状/凹状冲切(press cutting)构件的切割工具可能更适于切割具有多向纤维的纵条819。
[0057]仍然参照图14至图16，方法601的步骤605中的通过缠绕宽度良好的复合材料产生的“封闭单元”几何结构的芯使得能够使用更薄更轻的复合材料，从而产生了密度很小的芯。此外，相比通过“开口单元”几何机构的芯所能实现的刚度和强度，“封闭单元”几何结构的芯能够具有更大的刚度和强度。此外，“封闭单元”的几何结构的芯是完全能够定制的。
[0058]在方法601的步骤605的另一实施方式中，芯棒701多次缠绕以产生多层复合材料层。在该实施方式中，可以改变纤维的取向、缠绕角和/或缠绕方向成以产生定制的机械特性和物理特性。
[0059]在某些情况下，期望在复合芯中提供通风和/或排水功能，例如在飞行器的也用作燃料箱的机翼构件中。在该实施方式中，方法601的步骤605还可以包括在原材料或纵条819中产生孔。可以以多种方法来产生孔；例如，一个方法可以是使原材料或纵条819在带尖刺的轮或带尖刺的辊支承件上行进。
[0060]再次参照图6和图7，方法601的步骤607包括组装被缠绕芯棒。步骤607还可以包括将被缠绕芯棒组装并插入到工具或其他固定装置中。工具的确切构型根据具体应用而定。此时另外参照图18至图20，示出了工具1201的示例。工具1201构造成产生六边形形状的芯构件。然而，工具1201可以构造成提供任意期望的形状。例如，工具1201的替代性形状可以构造成产生圆形、正方形、矩形或甚至部分定制的芯形状。在示出的实施方式中，具有缠绕的复合材料的多个芯棒701以金字塔状组装到部分工具构件1203a至1203f上。在一个实施方式中，如图7中所示，系统801构造成自动组装并堆叠被缠绕芯棒。在另一实施方式中，被缠绕芯棒的堆叠和组装可以手动地执行。每个部分工具构件1203a至1203f可以包括孔口 1205以控制并定制部分工具构件1203a至1203f在固化过程期间的任何热膨胀。在一个实施方式中，每个部分工具构件1203a至1203f堆叠有七层被缠绕芯棒。在将每个部分工具构件1203a至1203f与其被缠绕芯棒进行组装时，一个额外的被缠绕芯棒1205定位在中央处。然而，应当理解到，每个部分工具构件1203a至1203f可以以多种方式堆叠被缠绕芯棒以及进行组装。
[0061]在一个示例实施方式中，工具1201包括构造成当组装被缠绕芯棒701时充气以提供规定的向内压力的囊状部1207。然而，应当理解到，本公开设想了在固化过程期间向围绕每个芯棒701缠绕的复合材料提供压力的其他方法，例如机械压力产生装置。
[0062]在另一实施方式中，固化压力可以通过芯棒701的热膨胀来产生。在该实施方式中，代替囊状部1207，工具1201可以包括刚性限制结构。芯棒701的加热产生热膨胀，这在芯棒701之间的复合材料处产生压力。
[0063]工具1201可以包括鼓风机1209，该鼓风机1209用于产生气流1211并使气流穿过所述多个芯棒701的内部均匀地分布。在替代性实施方式中，诸如油之类的流体流通穿过多个芯棒701的内部。步骤609可以包括在根据复合系统的固化要求而将工具1201内的被缠绕芯棒加热规定的时间。例如，可以使用炉来产生必要的热量。气流1211可以对围绕每个芯棒701缠绕的复合材料的加热速率和热量分布进行改善。同样地，特别地期望具有穿过每个芯棒701的内部开口，该内部开口的尺寸设计成容纳规定量的气流。可以通过控制器1213来控制囊状部1207以定制施加在工具1201内的芯棒701之间的复合材料的单元壁处的压力的量和时间选择。
[0064]再次参照图6，方法601的步骤609包括对围绕芯棒701缠绕的复合材料进行固化以形成固化的复合芯401。如以上进一步讨论的，通过使组件承受必要的温度和压力而使围绕每个芯棒701的未固化的复合材料固化。如以上所讨论的，复合材料的温度以及温度改变的速率可以部分地通过吹送热空气穿过芯棒701的内部来控制。在步骤609的固化过程期间，施加在复合材料上的温度和压力根据具体应用而定。可以通过控制器1213来控制囊状部1207，以定制施加在工具1201内的芯棒701之间的复合材料的单元壁处的压力的量和时间选择。例如，可以通过控制器1213来控制囊状部1207，以在复合材料中的树脂的粘性改变期间改变压力的 量。
[0065]在固化周期完成之后，在围绕每个芯棒701的未固化的复合材料变得牢固地粘合至每个相邻的管403时，实现了复合芯401。应当指出的是，通过由单向纤维纵条819以规定的角度缠绕芯棒701而形成的复合芯401在单元壁处产生了具有交连纤维的复合芯401。例如，通过具有单向纤维的纵条819以+45度的缠绕角缠绕的多个芯棒701将产生具有以下单元壁的固化复合芯401，该单元壁具有彼此成90度的两层纤维。本公开的方法和系统的独特效果产生了非常轻质且坚固的复合芯401。
[0066]仍然参照图6，方法601的步骤611包括冷却芯棒701并将芯棒701从复合芯401移除。
[0067]本文中公开的系统和方法包括以下优点中的一个或更多个。本公开的方法允许高效地生产复合芯，这可以降低复合芯的成本。此外，通过单向纵条缠绕芯棒提供了复合芯的可定制性。此外，固化复合芯的方法产生了高质量的复合芯。
[0068]由于该系统和方法可以以对受益于本文中的教示的本领域技术人员而言显而易见的不同但相当的方式进行修改和实施，因此本文中公开的特定的实施方式仅具有说明性。可以对本文中所描述的系统进行改型、附加、或删减而不脱离本公开的范围。系统的部件可以是一体或分离的。此外，系统的操作可以通过更多的、更少的、或其他的部件来执行。
[0069]此外，除了如在所附权利要求中描述的以外，不应对本文中所示出的构造或设计的细节进行限制。从而很明显地，以上公开的特定的实施方式可以进行改变或修改并且所有这样的变化被认为在本公开的范围和精神内。因此，本文中所寻求的保护如所附权利要求中所述。
[0070]为了帮助专利局和本申请所公告的任何专利的任何读者理解所附的权利要求， 申请人:希望注明，除非具体权利要求中明确使用了措辞“用于……的装置”或“用于……的步骤”， 否则 申请人:不期望任何所附权利要求引用申请日存在的35U.S.C.§ 112的第6段。
【权利要求】
1.一种用复合材料缠绕芯棒以制造复合芯的方法，所述方法包括: 用缠绕夹具紧固芯棒； 将复合材料的纵条以缠绕角相对于所述芯棒定向，所述纵条具有规定宽度，所述规定宽度取决于所述缠绕角以及所述芯棒的周长；以及 从所述芯棒的第一端部开始围绕所述芯棒的周向缠绕所述复合材料的纵条。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述复合材料的纵条至少部分地未固化。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述复合材料的纵条包括预先浸溃有树脂的纤维。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述复合材料的纵条具有仅沿一个方向定向的纤维。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述复合材料的纵条具有沿多于一个的方向定向的纤维。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述规定宽度通过用所述芯棒的周长乘以所述缠绕角的余弦来计算。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述缠绕角为所述纵条的纵向轴线与所述芯棒的纵向轴线之间的角度。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述缠绕角为大约45度。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，从所述芯棒的所述第一端部开始围绕所述芯棒的周向缠绕所述复合材料的纵条的步骤产生螺旋形接缝。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述螺旋形接缝为所述纵条的第一侧部与所述纵条的第二侧部的抵接部。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，从所述芯棒的第一端部开始围绕所述芯棒的周向缠绕所述复合材料的纵条的步骤包括:围绕与所述芯棒的所述第一端部相邻的联接件至少部分地缠绕所述纵条，所述联接件具有与所述芯棒的几何结构类似的几何结构。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述芯棒为六边形形状。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述芯棒具有中空内部，所述中空内部沿着所述芯棒的长度延伸以提供用于在固化过程期间加热所述芯棒的流体通道。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述复合材料的纵条具有仅沿一个方向定向的纤维，使得所述纤维在平行于所述纵条的纵向轴线的方向上并排地排列。
15.根据权利要求1所述的方法，其中，所述复合材料的纵条具有仅沼一个方向定向的纤维，使得所述纤维在单个平面中并排地排列。
16.—种利用权利要求1所述的方法缠绕有复合材料的芯棒。
17.一种用复合材料缠绕芯棒以制造复合芯的方法，所述方法包括: 基于所述芯棒的几何结构以及期望的缠绕角来计算复合材料的纵条的宽度； 将所述复合材料的纵条以所述缠绕角相对于所述芯棒定向；以及 围绕所述芯棒的周向以螺旋形路径缠绕所述复合材料的纵条。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，围绕所述芯棒的周向以螺旋形路径缠绕所述复合材料的纵条的步骤产生螺旋形接缝。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述螺旋形接缝为所述纵条的第一侧部与所述纵条的第二侧部的抵接部。
20.一种利用权利要求17所述的方法缠绕有复合材料的芯棒。
【文档编号】B64C1/12GK104015920SQ201410074967
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年3月3日 优先权日:2013年3月1日
【发明者】菲利普·A·肯德里克, 保罗·K·奥尔德罗伊德, 列维·H·阿姆斯特朗, 伊利莎白·奥贝莱 申请人:贝尔直升机德事隆公司