制造長復合材料片材的設備和方法

專利名稱：制造長復合材料片材的設備和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種制造長復合材料片材(long pieces of composite material)的設備和方法，本發(fā)明具體地涉及一種通過鋪放(laying)、切割 和熱成型連續(xù)操作地制造復合材料片材的工具和方法。
背景技術：
鋪放過程包括將增強復合材料層以層列(course)的方式放在在模具 上。經常用在航空行業(yè)的一種復合材料的例子為預浸(preimpregnated)復 合材料，該預浸復合材料為一種用于制造復合材料的纖維增強材料和聚合 物基體的混合物，以使得它們可以被存放以便后面的使用。
它可以是薄片狀、層狀、粗纖維狀或纖維織物狀。在熱固基體 (thermosettingmatrices)的情況下，樹脂通常被部分固化，或者通過其它 方法使其達到一控制的粘度，這被稱為階段B?？梢蕴砑又T如催化劑、抑 制劑、火焰穩(wěn)定劑的添加劑以獲得在最終使用中的特定特征，以及提高方 法、儲存和處理特征。
在此過程中，不是隨機地鋪放層列，而是通常在一定的方向上將它們 鋪放或堆積，具體地以0°、 90°、 45°和-45°方向鋪放或堆積。根據(jù)片材在 每一點內將要承受的應力的性質和大小確定在一個方向或其它方向上的 層數(shù)(厚度)和層列的布置。
有兩種鋪放類型平面鋪放和曲面鋪放，這分別取決于將要被鋪放的 表面是平面還是曲面。
可以手動或自動實施鋪放過程。實施鋪放的機器基本上有兩種
-鋪放機器在平坦表面或者稍微彎曲的表面上鋪放。 -纖維定位機器在不可以通過使用鋪放機器進行鋪放的、具有大曲率 的表面上鋪放。
決定自動鋪放片材還是手動鋪放片材的標準主要有兩種使用的材料 和片材的尺寸。其中用于鋪放的材料是預浸材料。這種材料具有粘性，并且其處理不 簡單。手動地使預浸層列適于包含在一平面內的整齊層并不復雜，然而， 使所述層列適于一曲面是非常復雜的，因為這些材料本身不能發(fā)生變形， 因此，隨著為粘性的層列所帶來的附加困難，操作者必須不斷地保持層列 受壓，以使得后面的發(fā)生變形并適于期望的彎曲。更進一步，如果將被定 位的層的數(shù)量較大，復雜程度將大幅增加。
切割步驟包括CNC高架型(gantry)移動吊架機器，所述高架型移動 吊架機器沿著一個被完全覆蓋的金屬切割工作臺移動，該切割工作臺具有 允許實施真空的塑料多孔表面，且電纜、鏈條、管子等在于所述工作臺內。 通常，高架型高架型移動吊架機器設有超聲波頭部和壓下組件(depress group),該壓下組件用于實施片材的真空保持。
這就是切割通過鋪設機器完成的層壓材料的步驟。
一旦切割需要的元件(通常是平坦的)，它們將經歷熱成型過程。熱 成型過程基本上包括形成平坦的碳纖維層壓材料，將所述層壓材料預先放 在具有近似幾何結構的工具或心軸(mandrel)上，并依照一定的周期施加 熱量和真空，由于薄膜相互抵靠所施加的壓力，因此這種層壓材料適于工 具的形狀。
本發(fā)明是基于試圖在制造航空片材中將三個步驟統(tǒng)一起來，以降低成 本的需求而產生的。顯然，不需要任何類型的處理而實施這三個步驟是相 當有利的。

發(fā)明內容
在第一方面中，本發(fā)明提供了一種用于通過鋪放、切割和熱成型操作
來制造復合材料片材的設備，所述設備包括以下元件
-兩個相同的工作臺，所述工作臺中每一個包括外模塊和內模塊，所述 內模塊具有帶有將要被制造的片材的形狀的上表面，和在垂直方向上的致
動件(actuation),以使得所述內模塊能夠向上或向下移動，以與外模塊一 起或者形成具有平坦上表面的所述工作臺，或者形成具有可以用作用于形 成將被制造的片材的工具的上表面的所述工作臺。這些工作臺在它們的內 部包括一裝置，用于在所述裝置上的封閉空間內生成真空。此外，工作臺 還包括用于將熱量提供給工作臺的上表面的裝置。-自動鋪放頭，其由允許所述自動鋪放頭在所述工作臺上移動的裝置支 撐，以實施鋪放操作；
-切割頭，其由允許所述切割頭在所述工作臺(11， 13)上移動的裝置 支撐，以執(zhí)行切割操作；切割頭有兩個位置， 一個靜止位置和一個切割位
置。在靜止位置，切割頭位于鋪放頭位置的上方，而在較低位置時，切割
頭位于次高度(inferiorheight)處，以使得在此過程中不干涉鋪放頭的情 況下允許對已經鋪放的進行切割。此切割頭也可以使用數(shù)字控制程序。
-工具，包括成型薄膜，所述工具由裝置支撐，所述裝置允許所述工具 移動，以將所述工具放在每一個工作臺上，并將薄膜定位在所述工作臺中 的每一個上，以實施成型操作。此工具在其內部包括一裝置，用于為放在 其下方的表面上提供熱量。
該設備的一個重要特征在于在不需要在一個操作與另一個操作之間 對這種分層材料實施任何處理或移動的情況下，所述設備通過原位加熱 (heat in situ)而具有層壓、切割并形成分層復合材料的能力。
設備的另一個重要特征在于其允許在每一個工作臺內制造兩個平行 的片材。 一旦在第一工作臺上的切割過程完成，則鋪放/切割頭將移動向第 二工作臺，以在第二個工作臺上開始鋪放操作。成型工具而又移動到第一 工作臺，以實施成型操作。
第二個方面，本發(fā)明提供了一種用于通過鋪放、切割和熱成型操作來 制造復合材料片材的方法，包括以下步驟
-借助于自動鋪放頭并通過使用數(shù)字控制程序，通過在預定位置并以預 定數(shù)量在所述表面層上放置纖維織物，而在構造有平坦表面的設備上進行 層壓；
-通過切割頭或通過利用適當?shù)难b置在布置在升高的表面上的層壓片 材的外輪廓上的沖壓操作，在同一設備上切割層壓材料的多余部分；
-通過在片材上布置成型薄膜、升高具有片材形狀的模塊以及施加熱量 和真空，而在同一設備內形成具有期望形狀的片材。
在以下與附圖相關的本發(fā)明的目的的圖示的實施例的詳細說明中公 開本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點。


圖la和圖lb示出了本發(fā)明的設備對象的透視示意圖，本發(fā)明的設備 對象示出了鋪放頭和切割頭的不同位置和具有成型薄膜的工具的不同位 置。
圖2a和圖2b是在示出了具有模塊的設備工作臺的示意圖，所述模塊 形成上平坦表面和具有片材形狀的上表面。
圖3a示出了在成型工具內使用的加熱裝置的示意圖，而圖3b示出了 在成型工具內使用的薄膜的示意圖。
圖4a和圖4b示出了利用本發(fā)明的設備和方法制造的片材的透視示意圖。
具體實施例方式
在附圖所示的優(yōu)選的實施例中，本發(fā)明的設備對象包括兩個工作臺 11、 13;鋪放頭15和由裝置19支撐的切割頭17，所述裝置19允許切割 頭17在所述工作臺11、 13上方移動；和工具21，所述工具21包括成型 薄膜25和用于將熱量提供給設在所述工具21內的空間的裝置27，所述工 具21由裝置23支撐，所述裝置允許所述工具21移動，以將工具21放在 工作臺ll、 13中的每一個上并將成型薄膜25放置在工作臺11、 13中的 每一個上。
此設備使得對于在制造如圖4a和4b中所示的具有U型截面的長片材 尤其有利。
切割頭17位于鋪放頭15的后部，在切割需要時，切割頭能夠向下移 動到運動時的較低位置。
工作臺ll、 13是相同的，并具有模塊結構，工作臺ll、 13包括外模 塊31和內模塊33，以被初始構造有平坦的上表面41，從而通過提供一表 面而在所述平坦的上表面41上實施鋪放和切割操作，所述表面的功能是 支撐分層材料和重新生成由鋪放頭15產生的垂直力，以及在不損壞切割 刀片的情況下允許實施切割操作。
工作臺11、 13也可以構造成具有將要被制造的片材形狀的上表面43， 以實施相同的成型操作。
工作臺ll、 13包括用于在其上的封閉空間內產生真空的裝置(未示 出)，優(yōu)選地，包括用于將熱量提供給工作臺的上表面的裝置(未示出)。在將要制造的片材在其表面上具有彎曲部分(例如無線電設備)禾口/ 或具有不同的厚度的情況下，工作臺ll、 13的內模塊33也應該具有彎曲 部分和/或具有不同的厚度。無論如何，復制將被制造的片材的內表面的內
模塊33必需本身總是在工作臺11、 13內是可完全縮回，如果必要的話， 使用輔助裝置來實現(xiàn)該功能。
設備包括兩個工作臺11、 13，以使得當在其中的一個工作臺上實施成 型操作時，可以在另一個工作臺上實施鋪放和切割操作。以這種方式，優(yōu) 化了鋪放頭15、切割頭17和具有成型薄膜的工具21的使用。
下面將描述本發(fā)明的方法對象。
在第一步驟中，通過自動鋪放頭在具有平坦表面的工作臺上執(zhí)行層壓 過程。
如果對層壓材料的厚度有所要求，則由真空實施的壓縮可以是必需
的，這需要工作臺是氣密的。為了此效果，在執(zhí)行鋪放操作之前使用塑料
材料薄膜或無孔的任意類型的薄膜覆蓋將被鋪放的區(qū)域。為了保持薄膜在
適當?shù)奈恢?，并以使得薄膜不因為鋪放過程中產生的所有類型的載荷而發(fā)
生移動，薄膜被真空固定到表面，且真空通過在工作臺本身上和/或熱成型 工具上實施的鉆孔被傳送。
在第二步驟中，通過切割頭在工作臺上切割層壓材料的多余部分。為 了實施此操作，必須通過真空將層壓材料固定到工作臺。如前段所述，這 被產生并傳送通過所述工作臺內的鉆孔。更進一步，塑料或其它材料的薄 膜位于層壓材料上，并覆蓋整個工作臺，從而減少真空損失。工作臺的上 部分由在不損壞切割刀片的情況允許對已經鋪放的材料的進行切割的材 料所覆蓋。
在第三步驟中，通過在片材上布置成型薄膜，升高具有片材形狀的模 塊和施加熱量和真空，而使片材形成有期望的形狀。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，此步驟通過以下步驟實現(xiàn)
-在片材上布置成型薄膜；
-施加初始加熱周期直至達到預定溫度，所述預定溫度取決于所使 用的碳纖維材料。這樣，在后面的階段中有助于在彎曲區(qū)域內產生大 折痕(crease )。
-施加第一真空周期直到達到預定內部壓力(大約1巴)。-以預定速度向上移動具有片材形狀的設備的模塊。
-施加第二周期真空并加熱，直至達到預定壓力和預定溫度，將所述第 二周期真空和加熱保持一必要時間以形成片材。
-在剛剛所述的優(yōu)選的實施例中，可以引入包括在由以下權利要求限定 的保護范圍內的那些變型。
權利要求
1、一種用于通過鋪放、切割和熱成型操作制造復合材料片材的設備，其特征在于，所述設備包括-兩個相同的工作臺(11，13)，所述工作臺(11，13)中每一個均包括外模塊(31)和內模塊(33)，所述內模塊(33)具有帶有將要被制造的片材的形狀的上表面(43)，和在垂直方向上的致動件，以使得所述內模塊(33)能夠向上或向下移動以與所述外模塊(31)一起或者形成具有平坦上表面(41)的工作臺(11，13)，或者形成具有可以用作用于形成將被制造的片材的工具的上表面的工作臺(11，13)，所述工作臺(11，13)還包括用于在其上的封閉空間內生成真空的裝置；-自動鋪放頭(15)，其由允許所述自動鋪放頭(15)在所述工作臺(11，13)上移動的裝置(19)支撐，以實施所述鋪放操作；-切割頭(17)，其由允許所述切割頭(17)在所述工作臺(11，13)上移動的裝置支撐，以執(zhí)行所述切割操作；-工具(21)，包括成型薄膜(25)和加熱裝置(27)，所述工具(21)由允許所述工具(21)移動的裝置(23)支撐，以將所述工具(21)放在所述工作臺(11，13)上，并將所述成型薄膜(25)定位在所述工作臺(11，13)中的每一個上，以實施所述成型操作。
2、 根據(jù)權利要求1所述的用于制造復合材料片材的設備，其特征在 于.-所述工作臺(11， 13)還包括用于將熱量提供給所述工作臺(11， 13) 的上表面的裝置。
3、 根據(jù)權利要求1或2所述的用于制造復合材料片材的設備，其特 征在于所述模塊(31， 33)包括輔助裝置，當所述內模塊的上表面(43) 包括彎曲部分時，所述輔助裝置用于使所述工作臺(11， 13)構造有平坦 的上表面(41)，所述彎曲部分阻止利用所述模塊(31， 33)單獨實施復 合材料片材的制造。
4、 一種用于通過鋪放、切割和熱成型操作制造復合材料片材的方法， 其特征在于所述方法包括以下步驟a) 通過自動切割頭在構造有平坦表面的設備上實施第一層壓過程；b) 在同一設備上切割層壓材料的多余片材；C)通過在片材上布置成型薄膜、升高具有所述片材形狀的模塊以及 施加熱量和真空在所述同一設備內形成具有期望形狀的片材。
5、 根據(jù)權利要求4所述的用于制造復合材料片材的方法，其特征在 于通過聯(lián)結到鋪放頭的切割頭實施步驟b)。
6、 根據(jù)權利要求4所述的制造復合材料的方法，其特征在于通過 布置在升高的表面上的層壓片材的輪廓上的沖壓操作實施步驟b)。
7、 根據(jù)權利要求4所述的制造復合材料片材的方法，其特征在于 通過以下步驟實施步驟C):Cl)在所述層壓材料上布置成型薄膜；c2)施加第一加熱周期直至達到預定溫度；C3)施加第一真空周期直至達到預定內部壓力；C4)以預定速度向上移動具有片材形狀的設備的模塊；c5)施加第二真空周期并加熱，直至達到預定壓力和預定溫度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種通過鋪放、切割和熱成型操作制造多片復合材料的設備，所述設備包括兩個相同的工作臺(11，13)，所述工作臺(11，13)構造有平坦上表面(41)或構造有將被制造的片材形狀的上表面(43)，所述工作臺(11，13)還包括一裝置，用于在所述裝置的封閉空間內產生真空；自動鋪放頭(15)，所述自動鋪放頭(15)由允許所述自動鋪放頭(15)在所述工作臺(11，13)上移動的裝置支撐，且切割頭(17)連接到所述自動鋪放頭(15)；以及工具(21)，所述工具(21)也可以在所述工作臺(11，13)上移動，所述工具(21)包括成型薄膜(25)和加熱裝置(27)。本發(fā)明還包括通過在同一設備上實施的鋪放、切割和熱成型操作制造復合材料片材的方法。
文檔編號B29C70/44GK101426637SQ200680054406
公開日2009年5月6日 申請日期2006年4月28日 優(yōu)先權日2006年4月28日
發(fā)明者若澤·昆卡·林孔, 若澤·曼努埃爾·桑托斯·戈麥斯 申請人:空客西班牙公司