用于制造由复合材料制成的部件的装置和方法
【专利摘要】本发明涉及一种通过将树脂注射到纤维结构（28）中用于制造由复合材料制成的部件的装置，所述装置包括：具有两个限定在它们之间的凹角（A）的相邻支撑表面的第一模型；包括被配置成迫使纤维结构进入到凹角中的角部分（115）的垫片（110）；以及，可以相对于第一模型移动的第二模型（130），所述模型被配置成抓紧纤维结构和垫片。垫片通过至少一个铰接到第二模型和垫片的连接杆（150）被连接到第二模型，这样来朝向凹角引导角部分，以便当第二模型朝向第一模型移动时，迫使纤维结构进入到所述凹角中。
【专利说明】用于制造由复合材料制成的部件的装置和方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种用于制造复合材料部件的装置。
[0002]这种装置可以用于制造复合材料部件，并且尤其地用于制造航空发动机风扇外壳。
【背景技术】
[0003]在航空发动机中，风扇外壳通常地执行几种功能。它限定进入到发动机中的空气进口通道，其支撑与风扇叶片尖端对准的磨损材料，其支撑用于在发动机进口处进行声学处理的可选结构，以及其包括或支撑保持护罩。该护罩构成用于保持碎屑的捕集器，该碎屑诸如是被吸入的物品或通过离心向外抛出的损坏的叶片的片段，以防止这种碎屑穿过外壳并到达飞机的其它部分。
[0004]已知由复合材料制造风扇外壳。举例来说，文件EP1961923描述了制造变化厚度的复合材料外壳的方法。该方法包括形成纤维加强结构，通常被称为“预成形件”的步骤以及用树脂基质致密该预成形件的步骤。纤维预成形件通过重叠多层的纤维带制成。在该实施例中，纤维带通过三维编织制成并且其做为多个重叠层被缠绕在心轴上，以形成预成形件。所使用的心轴具有中心壁和两个颊板，该中心壁具有对应于外壳主壁的内部形状的外部形状，该两个颊板的形状对应于外壳紧固件法兰的形状。以该方式获得的纤维预成形件被保持在心轴上、然后被封闭在由心轴部分地形成的模子中，以及然后使用被注射到模子中的树脂进行浸溃。
[0005]在浸溃步骤期间，发现纤维带层意图被拉伸并且意图与被限定在颊板和心轴的中心壁之间的凹角分离，从而导致压实缺陷、导致在层之间的树脂块以及因此导致在这些凹角中外壳结构的不规则。
[0006]为了缓解该问题，已知将“压实”楔子放置在适当位置中，所述楔子被配置成将纤维预成形件挤压到所述凹角中，同时进行注射。不好的是，楔子通常手动地放置到适当位置中:楔子盲目地通过触摸手动地放置到适当位置中，并且它们随后通过被拧进模子的另外一部分被紧固。将楔子放置到适当位置中的该步骤因此是缓慢且困难的操作并且不适合于大规模生产产出率，并且其可能导致楔子被拙劣地定位。
[0007]因此存在更容易地将楔子放置到适当位置中的新型装置的需要。
【发明内容】
[0008]本发明涉及用于制造复合材料部件的装置，复合材料部件通过将树脂注射到纤维结构中被制造，装置包括:
[0009]被配置成支撑纤维结构的第一模具，第一模具具有限定在它们之间的凹角的两个相邻支撑表面；
[0010]至少一个具有一起限定楔形部分的第一和第二相邻面的楔子，所述楔形部分被配置成将纤维结构挤压到所述凹角中；以及[0011]相对于第一模具可移动的第二模具，第一和第二模具被配置成以这种方式夹在纤维结构和楔子上:第一模具、第二模具和楔子在闭合位置中一起限定围绕纤维结构的树脂注射空间。
[0012]闭合位置或“注射”压力因此是其中装置被定位同时树脂被注射的位置。
[0013]在所提出的装置中，楔子通过至少一个联结件被连接到第二模具，当第二模具靠近第一模具时，联结件以这种方式相对于第二模具和楔子铰接，以朝向所述凹角引导楔形部分，从而将纤维结构(或者纤维预成形件)挤压到凹角中。
[0014]借助联结件，当模具彼此靠近时，自动地发生将楔子定位在被限定在第一模具的两个支撑表面之间的凹角中，并且因此自动地发生将纤维结构挤压到该凹角中。与先前已知的手动定位方法相比，楔子的这种自动定位更快、更可靠(人为错误风险低),并且具有适合于大规模生产产出率的优点。
[0015]在特定实施方式中，楔子的第三面在所述闭合位置挤压抵靠第二模具，所述第三面在第一和第二面对面。在闭合位置中，这种挤压保证了楔子以稳定的方式被定位并且保证压力被适当地传递。
[0016]在特定实施方式中，衬垫被布置在联结件周围的第三面和第二模具之间。该衬垫用来避免树脂在楔子和第二模具之间穿过，并且尤其避免树脂堵塞，并且因此阻塞联结件和干扰装配的操作。
[0017]在特定的实施方式中，楔子通过至少一对相互平行的联结件连接到第二模具。这可以引导楔子并将力分布在联结件之间，因此保证连接是可靠的且在生产周期期间是耐用的。
[0018]在特定的实施方式中，联结件被铰接到壳体，所述壳体被配置成插入在楔子和第二模具中形成的各自腔中。联结件和壳体因此形成可从楔子和从第二模具移除的模块。如果需要，该模块可以容易地被替换。也就简化了楔子和第二模具的制造。壳体可以通过任何适当的紧固件设备被固定到楔子和第二模具，例如，壳体可以通过力接合到所述腔中和/或它们可以由螺钉保持在适当位置中。
[0019]在特定的实施方式中，第一模具是心轴，纤维结构绕着该心轴缠绕，心轴包括中心壁和至少一个颊板，中心壁和颊板限定所述相邻支撑表面。所述楔子因此用来在注射树脂时将纤维结构挤压到中心壁和颊板之间。
[0020]在特定实施方式中，装置包括多个楔子，每个楔子都采取环区段的形式，楔子端部对端部地被布置以覆盖心轴的整个圆周。在这种情况下，联结件可以例如通过自卡塞接合在每个环区段的端部附近被连接。
[0021〕 本说明书还提供用于制造复合材料部件的方法，其中树脂被注射到纤维结构中，以形成所述复合材料部件，并且其中所提出的装置被用于支撑纤维结构并限定围绕纤维结构的树脂注射空间。
[0022]通常地，所述复合材料部件可以是具有两个相邻外部表面的任何部件，所述相邻外部表面限定在它们之间的凸角，两个外部表面在制造期间对应于第一模具的两个相邻支撑表面，并且，该部件的凸角对应于模具的凹角。
[0023]更具体地，所述部件可以是轴对称部件，所述轴对称部件具有至少一个基本垂直于该部件轴线的法兰，所述凹角对应于在法兰基底处形成的凸角。[0024]在特定的实施方式中，所述部件是航空发动机风扇外壳，外壳具有主壁和至少一个紧固件法兰，所述凹角对应于在主壁和紧固件法兰之间所形成的凸角件。
[0025]举例来说，外壳由碳、玻璃、芳香聚酰胺或陶瓷纤维的纤维结构和由例如环氧树月旨、双马来酰亚胺或聚酰亚胺树脂等聚合物树脂制成。
[0026]通过阅读所提出装置的实施方式的以下详细说明，上述特征和优点以及其它显而易见。该详细说明书参考了附图。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]附图是示意性的且首先寻求图示本发明的原理。
[0028]在附图中，从一个图形到另外一个图形，相同的元件(或元件的部分)由相同的附图标记表示。
[0029]图1是用于将纤维带缠绕在心轴上的机器的侧视图。
[0030]图2是图1心轴的简化细节的立体图。
[0031]图3至5是压实楔子的实施例的轴向截面细节视图，其显示用于自动地定位楔子的连续步骤。
[0032]图6是图3至5的楔子的细节立体图。
【具体实施方式】
[0033]通过参考附图，以下详细地说明了实施方式。该实施方式显示了本发明的特征和优点。然而，应该理解的是本发明不受限于该实施方式。尤其地，虽然在以下本发明应用于制造航空发动机风扇外壳的上下文中描述了本发明，但是本发明不受限于该应用。
[0034]在可以参考的文件EP1961923中描述了制造风扇外壳的方法的实施方式。
[0035]简要地说，在EP1961923中所描述的制造方法包括通过在辊筒上进行经纱卷紧的三维编织，制造纤维带或片，该辊筒在以下简称为“卷紧心轴”。以这种方式制造的纤维片随后被传送到树脂注射模子的心轴上，以下简称为“浸溃心轴”，该心轴的外部形状匹配于将被制造的外壳的内部形状。使纤维片绕着浸溃心轴缠绕可以获得纤维结构，也被称为“预成形件”，其由多个重叠片层组成。
[0036]保持在浸溃心轴上缠绕的预成形件然后使用树脂进行浸溃。在浸溃后，进行树脂聚合反应步骤。
[0037]图1显示了卷线机机器10的实施例，所述卷线机机器包括尤其支撑卷紧心轴14和浸溃心轴100的支架12。这些心轴14，100是可移除的，即，它们可以从支架12拿走。
[0038]卷紧心轴14支承通过三维编织所获得的纤维片16。其被安装以相对于支架12旋转，并且，其由电动机20驱动绕着轴线18旋转。
[0039]浸溃心轴100旨在接收存储在卷紧心轴14上的纤维片16的重叠层。浸溃心轴100具有在两个颊板104，106 (参见图1和2)之间形成圆柱体的中心壁102，所述颊板104，106在通常地垂直于心轴100的方向上延伸。颊板104和106因此与中心壁102配合，以限定凹角A。心轴100的外部形状对应于将要制造的外壳的内部形状。更精确地，中心壁102的外部表面对应于外壳主壁的内部表面。此外，面朝向颊板104，106的中心壁102的侧表面对应于外壳紧固件法兰的侧表面，这些法兰被设置在外壳的轴向端部处，以使其能够安装有其它元件并且连接到其它元件。
[0040]浸溃心轴100可旋转地安装在支架12上，以绕着平行于卷紧心轴14的旋转轴线18的水平轴线22旋转，并且，其由电动机24驱动旋转。在本说明书中，轴向方向对应于心轴100的轴线旋转22的方向，并且径向方向是垂直于所述轴线的方向。同样地，轴向平面是包括轴线22的平面，并且径向平面是垂直于轴线22的平面。
[0041]控制单元26被连接到电动机20，24，并且，其用来控制和监控每一个心轴14和100的旋转速度。在通常的方式中，控制元件26用来管理卷线机机器10的所有操作参数。
[0042]纤维片在由图1中的箭头F所指出的旋转方向上被缠绕在浸溃心轴100上的重叠层中。举个例子，可以在心轴100上缠绕片16大约四匝，以获得由四个重叠层组成的纤维结构28，所具有的厚度与用于将要制造的外壳的规格一致。
[0043]心轴100在本说明书的含义中构成第一模具。
[0044]在缠绕步骤后，心轴100被移动以与包括第二心轴130的其它元件连接，如图2至6中所示出的。更精确地，保护元件29可以布置在纤维结构28上，以保护纤维结构并使其避免被夹紧，并且，通常被称为“压实”楔子的角楔子110被定位在心轴100上纤维结构28的部分上，所述纤维结构28覆盖在中心壁102和心轴100的颊板104，106之间所形成的凹角A。在观察图2时，为了清楚的原因，重要的是第二模具130未示出。然而，如以下所解释的，并且如图3至6所示出的，每个楔子110由联结件150连接到第二模具130。联结件150同样未在图2中示出(它们在图3至6中示出)。
[0045]一个楔子110详细地且在图3至5中的轴向截面中示出。每一个楔子110都具有第一和第二相邻面111和112，所述相邻面一起限定楔形部分115，所述楔形部分所具有的凸角基本对应于凹角A。该楔形部分115被配置成将纤维机构28挤压到凹角A中。楔子110也具有在第一和第二面111，112对面的第三面113。楔子110具有是三角形的轴向轮廓(参见图3至5)，该轮廓的三个侧面对应于所述面111-113。每一个楔子110都采用围绕心轴100周向地延伸的环区段的形式，以使当楔子110端部对端部地布置时，其覆盖心轴100的整个圆周。在图2中，附图标记109指的是在两个相邻楔子110之间的界面。在所示出的实施例中，楔子100的每个系列都由四个楔子110组成，每个楔子110占据大约90°的角。自然地，楔子110的数量可以是不同的。
[0046]装置也具有相对于心轴100可移动的第二模具130 (心轴100构成第一模具)。也被称为“衬板形状”的第二模具130周向地在外侧上围绕心轴100和楔子110。因此，第二模具130和心轴100夹在纤维结构28和楔子110上。
[0047]每一个楔子110都通过成对的联结件150连接到第二模具130，给定对的联结件彼此平行，这些联结件的枢转轴线相互平行。在所示出的实施例中，一对联结件150设置在每一个楔子HO的每一个周向端部处。一个或多个联结件对可以在与定位在两个端部处的联结件对相等距离处被添加。每一个联结件150相对于第二模具130和楔子110被铰接，以朝向凹角A引导楔形部件115，从而当第二模具130更靠近心轴100时，将纤维结构28挤压进凹角A。
[0048]已给出成对的两个联结件150被铰接到壳体171，172，所述壳体分别地被配置成插入在楔子Iio和第二模具130之间所形成的腔181，182中。因此，两个联结件150和壳体171，172形成模块，所述模块可以从楔子110和从第二模具130中移除。在所示出的实施例中，壳体171，172由力接合在腔181，182中。
[0049]图3至5示出当第二模具130靠近心轴100时自动地定位一个楔子110的连续步骤。在该实施例中，模具130移动同时心轴是静止的。模具130朝向心轴100径向地移动(即，参见图3，模具130向下地移动当模具130径向地靠近心轴100时，联结件150枢转以驱动楔子110朝向颊板104，具有组件的楔子110在垂直于模具130的靠近方向的方向上朝向心轴100移动(即，在所描述的实施例中的轴向方向，并且，具体地参考图3，楔子110移动到左侧
[0050]因此，楔子110由联结件150引导朝向凹角八，以使当第二模具130靠近心轴100时，楔子110将纤维结构28挤压进凹角八中。
[0051]模具130被导致靠近心轴100直至其到达“闭合”位置，如图5中所示出的，其中，心轴100、第二模具130和楔子110 —起限定在纤维结构28周围的用于注射树脂的注射空间125。在闭合位置中，楔子的第一面111面向颊板104，并且纤维结构28被挤压到该第一面111和颊板104之间；楔子的第二面112面向心轴100的中心壁102，并且纤维结构28被挤压在该第二面112和壁102之间；楔子的第三面113支承抵靠第二模具130。纤维结构28因此通过楔子110被挤压到凹角八中，同时树脂被注射到注射空间125中，因此防止纤维结构28与凹角八分离。
[0052]如图3至6中所示出的，围绕每对联结件150，衬垫160被布置在第三面113和第二模具130之间。该衬垫160用来保护联结件免于当注射树脂时在第三面113和第二模具130之间的树脂的任何渗透。
[0053]应该观察到的是也提供了用于将树脂注射到注射空间125中的设备(未示出例如，心轴的一个颊板(例如，颊板104)可以具有至少一个通到空间125内部的树脂注射孔。因此，树脂在被保持在心轴100上的纤维结构28的一个端部处被注射。此外，排放孔可以设置在相对颊板(例如，颊板106)处。
[0054]在本说明书中所描述的实施方式通过非限制示例被提供，并且本领域的技术人员根据本说明书可以容易地修正这些实施方式或者可以设想其它，同时保持在本发明的范围内。
[0055]此外，这些实施方式的各种特征可以独立地被使用或可以彼此结合。当它们被结合时，这些特征可以如以上所描述的或其它方式被结合，本发明不受限于本说明书中所描述的特定组合。尤其地，除非相反地指示，否则参考一个实施方式所描述的任何特征可以以类似的方式被应用到任何其它实施方式。
【权利要求】
1.一种通过将树脂注射到纤维结构(28)中用于制造复合材料部件的装置，装置包括: 被配置成支撑纤维结构的第一模具，第一模具具有限定在它们之间的凹角(八)的两个相邻支撑表面； 至少一个具有一起限定楔形部分(115)的第一和第二相邻面(111,112)的楔子(110),所述楔形部分(115)被配置成将纤维结构(28)挤压到所述凹角(八)中；以及 相对于第一模具可移动的第二模具(130),第一和第二模具被配置成以这种方式夹在纤维结构(28)和楔子(110)上:第一模具、第二模具(130)和楔子(110)在闭合位置中一起限定围绕纤维结构(28)的树脂注射空间(125)； 装置的特征在于通过至少一个联结件(150)连接到第二模具(130),当第二模具(130)靠近第一模具时,联结件(150)以这种方式相对于第二模具(130)和楔子(110)铰接，以朝向所述凹角(八)引导楔形部分(115),从而将纤维结构(28)挤压到凹角中。
2.根据权利要求1所述的装置，其中:楔子(110)的第三面(113)在所述闭合位置中挤压抵靠第二模具(130),所述第三面(113)在第一和第二面(111,112)对面。
3.根据权利要求2所述的装置，其中:衬垫(160)布置在联结件(150)周围的第三面(113)和第二模具(130)之间。
4.根据权利要求1至3中的任何一项所述的装置，其中:楔子(110)通过至少一对相互平行的联结件(150)连接到第二模具(13(0。
5.根据权利要求1至4中的任何一项所述的装置，其中:联结件(150)被铰接到壳体(171,172),所述壳体被配置成插入到在楔子(110)和在第二模具(130)中形成的各自腔(181,182)中。
6.根据权利要求1至5中的任何一项所述的装置，其中:第一模具是心轴(100),纤维结构(28)绕着所述心轴(100)缠绕，心轴(100)包括中心壁(102)和至少一个颊板(104,106),中心壁(102)和颊板(104，106)限定所述相邻支撑表面。
7.根据权利要求1至6中的任何一项所述的装置，其具有多个楔子(110),其中:每一个楔子(110)采取环区段的形式，楔子(110)被端部对端部地布置，以覆盖心轴(100)的整个圆周。
8.—种通过将树脂注射到纤维结构(28)中来制造复合材料部件的方法，其中:使用根据权利要求1至7中的任何一项所述的装置。
9.根据权利要求8所述的制造复合材料部件的方法，其中:所述部件是航空发动机风扇外壳，外壳具有主壁和至少一个紧固件法兰，所述凹角(八)对应于在主壁和紧固件法兰之间所形成的凸角。
【文档编号】B29C33/48GK103842160SQ201280049018
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2012年10月1日 优先权日:2011年10月6日
【发明者】罗曼·普兰特, 克劳德·卡纳韦塞, 丹尼斯·平贡, 吉恩-弗朗索瓦·杜兰德 申请人:斯奈克玛