專利名稱：：復合材料零件的雙真空固化處理的制作方法
技術領域：
：一般而言，本公開涉及制造復合材料零件的裝置和方法，并且更具體地涉及復合材料的雙真空固化處理。
背景技術：
：高壓釜被廣泛用于固化具有需要嚴格尺寸公差和低孔隙率的較高性能規格的復合材料零件。在高壓釜內加熱復合材料產生化學反應，該化學反應固化樹脂并在復合材料內產生通過施加至高壓釜內氣氛的壓力逐出的揮發物。相似地，通過經由可膨脹囊(inflatablebladder)將熱和壓力施加至加熱的零件,壓力爸可用于固化復合材料。但是，由于它們啟動和操作需要的它們的較高資本成本和勞力，高壓釜、壓力釜和類似設備可能不期望用于一些應用中。而且，高壓釜和壓力釜固化處理可能受可被處理的零件尺寸限制。也可采用雙真空袋(DVB)處理以固化復合材料零件如預浸潰層壓材料。與高壓釜固化不同，DVB處理不受零件的尺寸限制。DVB處理與高壓釜處理相比還是較小的資金設備密集型，并且與高壓釜處理或單個真空袋(SVB)處理相比，可在固化零件中提供更嚴格的尺寸控制和較高的機械性能。先前的DVB設備和處理方法可能是相對勞動密集型的并且耗時的。DVB設備包括必須利用手工勞動單獨放置于并且密封至工具基底的內部和外部真空袋。在處理開始前，每一個袋必須被進行滲漏檢查。另外，當對零件上升至期望固化溫度時在基本恒定水平下保持零件溫度一段時間的處理循環期間內，目前的DVB處理技術需要中間低溫保持步驟。該中間低溫保持增加了零件的總處理時間。因此，對降低人工成本和處理時間的、用于固化復合材料零件的簡化雙真空固化設備和相關方法存在需要。
發明內容公開的實施方式提供了利用雙真空處理固化預浸潰層壓材料的設備以及相關方法。該設備在去除揮發物方面是有效的，并且可產生具有降低的尺寸公差變化以及改進的機械性能的零件。可通過使用包括永久附連至大體剛性的外部罩上的柔性內部袋的整合雙真空室組件，降低建立設備和固化零件需要的時間和勞力。當零件的溫度被增加至固化溫度時，該設備的使用可允許減少或除去中間低溫保持，從而進一步減少處理時間。該方法和設備可用于在最初制造過程中生產復合材料零件或使用復合材料補片(compositepatch)再次加工零件。根據一個公開的實施方式，提供了用于固化復合材料零件的設備。該設備包括可在固化期間緊靠其壓縮零件的固化工具。大體剛性的罩在復合材料零件上形成第一外部真空室并且由罩覆蓋的真空袋在復合材料零件上形成第二內部真空室。可提供將袋固定至罩的機構，其可包括粘合劑。在一個變化中，袋可包括用于將袋的周邊附連至工具的磁性機構。根據另一實施方式,提供用于非高壓爸固化(out-of-autoclavecuring)未固化復合材料零件的設備，其包括在其上可放置未固化零件的工具和雙真空室組件。雙真空室組件包括形成第一外部真空室的大體剛性的部分和形成內部真空室的大體柔性的部分。真空室組件的柔性部分基本上布置在第一部分內并附連至第一部分。真空室組件的柔性和剛性部分中的每一個可包括允許在室內抽出真空的真空口。工具可包括在工具內的至少一個開孔，通過其可接收溫熱空氣以直接加熱該工具。該設備可進一步包括附連至工具以改善通過工具傳熱至零件的熱質。根據公開的方法實施方式，固化復合材料零件包括將零件放置在工具上并且在零件上抽出第一和第二真空。基本上持續地并以基本上恒定的速率將零件的溫度增加至預選的固化溫度。當零件的溫度被增加至固化溫度時降低第一真空。方法進一步包括在固化溫度下充分維持零件溫度一段預選時期，并且在已維持固化溫度一段預選時期后降低零件溫度。當溫度持續增加至固化溫度時以及在溫度維持在固化溫度的時期期間保持內部室中的真空基本上恒定。可通過將柔性袋放置在零件上、在袋和工具之間形成基本上真空類型的密封、通過工具內的真空口從袋抽出空氣、將大體剛性的罩放置在袋和零件上以及通過罩內的真空口從罩抽出空氣，抽出第一和第二真空。根據進一步的實施方式，提供了固化復合材料零件的方法，其包括放置零件緊靠工具并在零件上抽出第一和第二真空。該方法進一步包括基本上持續增加零件溫度至預選的固化溫度，包括當持續增加溫度時改變溫度增加速率至少一次。該方法還包括當零件溫度持續增加至固化溫度時減小第一真空的量。在固化溫度下充分維持零件溫度一段預選時期。在固化溫度已維持一段預選時期后降低零件溫度。根據另一實施方式，提供固化用于再次加工結構區域的復合材料補片并且從該補片去除揮發物的方法。該方法包括形成雙真空室組件并將該雙真空室組件放置在補片上。雙真空室組件被密封至補片周圍的結構，并被用于在補片上抽出第一和第二真空。該方法進一步包括將補片溫度基本上持續增加至預選的固化溫度，并且當補片溫度增加至固化溫度時降低第一真空的量。補片溫度在固化溫度下充分維持一段預選時期，然后在已維持固化溫度一段預選時期后降低。公開的實施方式提供了用于雙真空固化復合層壓材料的設備和相關方法，其消除了對高壓釜處理的需要，并且可生產具有降低的零件-與-零件的尺寸變化和改進的機械性能的零件。附圖簡述圖I是根據一個實施方式用于雙真空固化復合層壓材料的設備的截面圖的圖解。圖2是其中采用磁性機構將柔性內部袋附連至工具的設備的可選形式的截面圖的圖解。圖3是其中將柔性內部袋和外部剛性罩整合為單個組件的設備的另一實施方式的截面圖的圖解。圖4是其中在工具內提供開孔以改進工具加熱的設備的另一實施方式的截面圖的圖解。圖5是采用熱電偶和使用整合入工具的加熱源的設備的進一步實施方式的圖解。圖6是其中已將熱質加入至工具以提高至零件的傳熱的設備的另一實施方式的圖解。圖7是其中將加熱導管整合入工具的設備的另一實施方式的透視圖的圖解。圖8是顯示雙真空固化復合層壓材料的方法的步驟的流程圖的圖解。圖9是顯示根據一個方法實施方式的溫度和真空壓力之間隨時間的關系的圖表的圖解。圖10是對于可選方法實施方式的類似于圖9的圖表的圖解。圖11是航空器生產和使用方法的流程圖的圖解。圖12是航空器的方框圖的圖解。詳述首先參照圖I，雙真空室設備20被用于執行復合材料零件22的非高壓釜固化。如本文使用，“零件”和“復合材料零件”以它們最廣泛的意義被使用并且包括但不限于各種形式的結構如非限制性的梁、支撐物、面板、結構和非結構部件、元件和子組件，僅舉幾個例子。零件22可包括放置在或緊靠在金屬工具基底26上支撐的工具24上的多層預浸潰層壓材料。通過密封件36將大體剛性的外部罩28在它的外圍27周圍密封至工具基底26，從而在復合材料零件22上形成第一外部真空室32。在一個實施方式中，密封件36可包括永久固定至外部罩28周邊27上的可再用彈性密封件。外部罩28可包括具備足夠剛性的任何適合的材料如金屬或復合材料以使得罩28充分地自支撐并保持它的形狀。罩28在印跡(footprint)和橫截面上可具有適于覆蓋待固化的具體零件22的任何各種形狀。外部罩28包括與適合真空源25連接的真空口50，可操作真空源25以在外部真空室32內抽出期望的真空。包含于外部罩28內的柔性內部真空袋30也覆蓋零件22并在它的周邊29周圍被密封至工具基底26，從而在零件22上形成第二內部真空室34。袋30可包括例如并且非限制性的常規一次性使用的尼龍袋，并且密封件38可以是常規、不可再用的密封劑。可選地，袋30可以是由例如并且非限制性的彈性材料制造的可再使用型，并且密封件38可包括可再使用的彈性密封件。雖然為了清晰的目的未在圖I中顯示，但是可在零件22之上、柔性袋30之下放置附加材料層，其包括但不限于分離膜、通氣器和隔板(caulplate)。工具基底26可在其內包括與內部真空室34連通的通道46。通道46通過真空口38被連接至真空源35，所述真空源用于在固化處理期間在內部真空室34內抽出期望的真空水平。工具基底26也可在其內包括一個或多個通風孔40以使得來自熱源44、由箭頭42表示的熱被直接對工具24排放。可選地，可在用于加熱復合材料零件22至需要的固化溫度的烘箱(未顯示)內進行使用設備20的固化處理。圖2圖解了其中可再使用型彈性內部真空袋30覆蓋復合材料零件20的設備20的可選實施方式。袋30包括整合入并且圍繞在袋30周邊的磁條52以保持袋30緊靠金屬工具基底26。袋30進一步包括永久結合至袋30的可再使用真空密封件54，以在磁條52外部并且圍繞零件22形成真空緊密密封。袋30、磁條52和可再使用密封件54整合為單個組件使得袋30在零件22上被快速展開并被密封至工具基底26。現在注意集中在圖3，其圖解了設備20的另一實施方式，在設備20中內部柔性袋30永久附連至外部罩28周邊27以使外部罩28和內部袋30形成可被容易并快速地放置在工具基底26上并密封至工具基底26的單個雙真空室組件37，其覆蓋零件22。外部罩28、內部袋30和密封件36整合為單個組件37允許在零件22上安裝外部罩28和內部袋30之前檢查它們的滲漏，從而減少處理時間。在該實例中，將可再使用的密封件36附連至罩28周邊27，內部袋30夾在它們之間，以使密封件36在工具基底26上分別起密封外部真空室32和內部真空室34的作用。此處應當注意，盡管關于生產最初復合材料零件作為制造過程的零件描述各種實施方式，但是可采用包括雙真空室組件37的設備的各種部件，以及公開的方法可用于再次加工零件或結構。例如，可采用實施方式固化復合材料補片(未顯示)并且從其中除去揮發物，該復合材料補片用于再次加工部分結構如航空器表皮(未顯示)，以便改進結構或者恢復結構至最初規格。在實施方式的再次加工應用中，可將雙真空室組件37放置在并密封至該結構上，而不是如圖中顯示的放置在并密封至工具基底26。現在注意集中在圖4，其圖解了設備20的另一實施方式，在設備20中安裝在工具基底26上的工具24包括在工具24背面57上形成開孔56的大致U-形的橫截面。開孔56允許來自適合熱源(未顯示)的、由箭頭58顯示的溫熱空氣均勻地在工具24背面57周圍循環并直接接觸工具24背面57，從而提高至復合材料零件22的傳熱。在該具體實例中，工具24包括用于加熱并維持零件22形狀的一對工具表面24a、24b。外部罩28設置有形成表面39的外圍法蘭28a，密封件36可貼合緊靠表面39以在外部真空室32周圍形成真空緊密密封。現在參看圖5，設備20的進一步形式包括內部柔性袋30和可再使用密封件36永久地附連至其上的大體剛性的外部罩28，以使罩28、袋30和密封件36可作為單一組件37在零件22上安裝和去除。在該實例中，可在罩28內和/或在工具24內提供熱電偶60以便測量零件22的溫度。可提供適合的顯示器62以顯示由熱電偶60感測的溫度。在該實施方式中，輻射體(radiant)或其它形式的熱源65可放置在開孔56內以便緊鄰工具24的背面57并沿著工具24的背面57直接加熱，以便增加效率并減少傳熱至零件22所需的時間。圖6圖解了設備20的另一實施方式，在設備20中包括導熱材料如非限制性的銅或鋁的熱質64被附連至工具24的背面57，以便進一步最大化傳熱至零件22的速率和效率，以及更均勻地加熱零件22。圖6中顯示的設備20的實施方式利用類似于圖3和5中顯示的整合的雙真空室構造。將袋30的外圍29通過粘合劑層66粘合至罩28上的法蘭28。又將密封件36通過第二粘合劑層68粘合至袋30的周邊30。圖7圖解了設備20的實施方式，在設備20中通過蓋70封閉工具24的背面57內的開孔56以形成通過工具24的導管72。溫熱空氣74的適當來源可引導溫熱空氣通過由箭頭76示出的導管72，以便直接溫熱工具24的背面57，并且從而溫熱零件22。為了清晰的目的，未在圖7中示出外部罩28和內部袋30。圖8圖解了可采用圖1-7中顯示的設備20的、雙真空固化復合材料零件22的方法的步驟。在步驟78開始，在適合的固化工具24上或緊靠適合的固化工具24放置未固化的復合材料零件22。如在80顯示的，然后使用分別通過外部罩28和內部袋30形成的真空室32、34在零件22上抽出第一和第二真空。如將在下文更詳細討論的，最初地，第一真空的水平可幾乎等于第二真空的水平。在步驟82，隨著已經抽出第一和第二真空，通過加熱持續增加零件22的溫度，直至零件溫度達到預選的固化溫度。如將在下文說明的，零件溫度可以以恒定速率增加或可以不以恒定速率增加，但是，它基本上持續地增加。當零件22的溫度增加至固化溫度時，如在步驟84顯示的，將第一真空降低至一定的預選的水平，以使第二真空的水平大于第一真空的水平。一旦零件22達到固化溫度，如在步驟86顯示的維持固化溫度一段預選時期，在該時期內零件22固化。在零件22被固化后，如在步驟88顯示的降低零件22的溫度，并且如在步驟90顯示的終止第一和第二真空。圖9和10根據適于雙真空固化復合材料零件22的兩個不同處理安排分別圖解了真空壓力和溫度曲線。但是，如先前指出的，利用圖9和10中顯示的處理安排的公開方法也可用于去除揮發物，并固化用于再次加工零件或結構的區域的復合材料補片(未顯示)。具體參照圖9，從時間&至t2以基本上恒定的速率持續增加由曲線92表示的零件22的溫度，直至在t2到達預選的固化溫度。在h開始，分別由曲線94和96表示的外部真空室32和內部真空室34內的真空壓力被抽至預選水平，它們可以是幾乎相等的。在一些情況中，外部真空室32內的第一真空壓力94可以稍微低于、等于或稍微高于內部室34內的真空壓力96。在該實施方式中，在整個過程循環期間，內部室34內的真空壓力96基本上維持恒定。但是，在一些點，在tc^Pt2之間的h，外部真空室32內的真空壓力94被降至實質上小于內部真空室34內的真空壓力96的水平。在tQ和&之間的時期內，因為兩個壓力94、96幾乎相等，所以外部真空室32內的真空壓力94防止內部袋30將全部壓實壓力(壓縮壓力，compactionpressure)施加在零件22上,從而當溫度92上升至固化溫度時,使零件22內的揮發物更容易地逸出。但是，在時間h，真空壓力94的降低使得內部室34內的真空壓力96將幾乎全部壓力施加至零件22，以便壓實零件22并擠出層壓零件22內的氣泡以避免多孔性。〖2和t3之間的時期表示預選時期，在該時期內溫度92被維持在恒定固化溫度下。在t3開始，在冷卻循環期間溫度92在t4降低至環境溫度，在該點可終止真空壓力94、96。圖10圖解了大致類似于圖9的固化處理安排，但是溫度92至固化溫度的上升，盡管連續，但是不是恒定的，而是在溫度增加速率方面包括一個或多個改變。在圖解的實例中，以大于圖9安排中顯示的速率，在h和h之間增加溫度92。但是，在t1;降低溫度增加的速率直至t2，在該點下，再恢復溫度增加的速率，直至在t3達到固化溫度。公開的實施方式可在各種潛在的應用中，特別在運輸工業包括例如航空航天、海運和汽車應用中得到應用。因此，現在參考圖11和12，本公開的實施方式可如圖11所示在航空器制造和服務方法98和如圖12所示在航空器100的情況中使用。在生產前期間，示例性的方法98可包括航空器100的規格和設計80和材料獲得104。在生產期間，進行航空器100的部件和子組件制造106和系統整合108。公開的方法和設備可用于固化步驟106中制造的以及步驟108中整合的復合材料零件。此后，航空器100可以經歷發照和交貨100以進行使用112。在客戶使用的同時，航空器100可以被安排進行日常維護和保養114(其也可以包括改進、重新配置、整修等)。公開的方法和設備可用于在維護和保養114中固化安裝在航空器100上的復合材料零件。可以由系統整合者、第三方和/或操作者(例如用戶)進行或執行方法98的每個過程。對本說明書的目的，系統整合者可以非限制性地包括諸多航空器制造商和主要系統轉包商；第三方可以非限制性地包括諸多銷售商、轉包商和供應商；以及操作者可以是航空公司、租賃公司、軍事實體、服務組織等。如圖12所示，通過示例性方法98生產的航空器100可以包括帶有多個系統118的機體116和內部120。高水平的系統118的例子包括一個或多個推進系統122、電力系統124、水壓系統126和環境系統128。可以包括許多其它系統。盡管顯示了航空實例，但是本公開的原理可以應用于其它工業，如海運、汽車和建筑工業。本文實施的設備和方法可以在生產和服務方法98的任意一個或多個階段期間使用。例如，相應于生產過程98的部件和子組件可以被以類似于使用航空器100時生產的部件和子組件的方式進行構造或制造。同樣，例如，通過顯著加速航空器100的組裝或減少航空器100的成本,在生產階段106和108可以使用一種或多種設備實施方式、方法實施方式或其組合。類似地，在使用航空器100時，一種或多種設備實施方式、方法實施方式或其組合可以例如但不限于用于維護和保養114。盡管本公開的實施方式已就某些示例性實施方式進行了描述，但是應當理解，具體實施方式是用于闡述目的并且是非限制性的，本領域技術人員可以想到其它變化。權利要求1.固化復合材料零件的設備，包括固化工具，在固化期間緊靠所述固化工具可壓縮所述零件；在所述復合材料零件上形成第一外部真空室的大體剛性的罩；以及由所述罩覆蓋并在所述復合材料零件上形成第二內部真空室的真空袋。2.權利要求I所述的設備，進一步包括將所述袋固定至所述罩的機構。3.權利要求2所述的設備，其中將所述袋固定至所述罩的所述機構包括粘合劑層。4.權利要求2所述的設備，其中將所述袋固定至所述罩的所述機構包括在所述罩和所述袋之間的充分真空緊密密封件。5.權利要求2所述的設備，其中所述罩和所述工具的每一個包括真空口，以允許在內部真空室和外部真空室內抽出真空。6.權利要求2所述的設備，其中所述工具包括在其中的至少一個開孔，所述開孔適于接收熱量，以加熱所述工具和所述零件。7.權利要求I所述的設備，其中所述袋包括磁性機構，以用于將所述袋的周邊附連至所述工具。8.非高壓釜固化未固化復合材料零件的設備，其包括在其上可放置所述未固化零件的工具；以及，在所述未固化零件上形成內部真空室和外部真空室的雙真空室組件，所述組件包括形成所述外部真空室的大體剛性的部分和形成所述內部真空室的大體柔性的部分，所述柔性部分基本上安置在第一部分內并附連至所述第一部分。9.權利要求8所述的設備，其中通過在所述柔性部分和剛性部分之間繞它們各自周邊形成充分真空緊密密封的粘合劑，將所述柔性部分附連至所述剛性部分。10.權利要求8所述的設備，其中所述工具包括正面和背面，在所述正面上可放置所述零件，并且所述工具的背面包括至少一個開孔，通過所述開孔可接收溫熱空氣以加熱所述工具。11.權利要求8所述的設備，進一步包括附連至所述工具背面以增強通過所述工具傳熱至所述零件的熱質。12.固化復合材料零件的方法，其包括放置所述零件緊靠工具；在所述零件上抽出第一真空和第二真空；基本上持續并以基本上恒定的速率增加所述零件的溫度至預選的固化溫度；當所述零件的溫度增加至所述固化溫度時，降低所述第一真空的量；在所述固化溫度下充分維持所述零件的溫度一段預選時期；以及在已維持所述固化溫度一段預選時期后，降低所述零件的溫度。13.權利要求12所述的方法，其中抽出第一真空和第二真空包括在所述零件上放置柔性袋，在所述袋和所述工具之間形成充分真空緊密密封，通過所述工具內的真空口從所述袋抽出空氣，在所述袋和所述零件上放置大體剛性的罩，以及通過所述罩內的真空口從所述罩抽出空氣。14.權利要求13所述的方法，其中在所述零件上形成所述第一真空包括在所述袋和所述罩之間形成真空緊密密封。15.權利要求13所述的方法，其中使用磁鐵將袋放置在所述零件上以保持所述袋的周邊緊靠所述工具。16.固化復合材料零件的方法，其包括放置所述零件緊靠工具；在所述零件上抽出第一真空和第二真空；基本上持續地增加所述零件的溫度至預選的固化溫度，包括當所述溫度持續增加時改變溫度增加的速率至少一次；當所述零件的溫度持續增加至所述固化溫度時，降低所述第一真空的量；在所述固化溫度下充分維持所述零件的溫度一段預選時期；并且在已維持所述固化溫度一段預選時期后，降低所述零件的溫度。17.權利要求16所述的方法，其中降低所述第一真空的量包括將所述第一真空降低至引起所述第二真空對所述零件施加壓實壓力的水平。18.權利要求16所述的方法，其中增加所述溫度和改變所述速率包括在第一時間間隔內以第一速率增加所述溫度，在第二時間間隔內以小于所述第一速率的第二速率增加所述溫度，在第三時間間隔內以大于所述第二速率的第三速率增加所述溫度。19.從用于再次加工結構的區域的復合材料補片去除揮發物的方法，其包括在所述補片周圍將雙真空室組件密封至所述結構；使用所述雙真空室組件以在所述補片上抽出第一真空和第二真空；基本上持續增加所述補片溫度至預選的固化溫度；當所述補片溫度被增加至所述固化溫度時降低所述第一真空的量；以及去除來自所述補片的揮發物。20.權利要求19所述的方法，其中以基本上恒定的速率基本上持續地增加所述補片的溫度。21.權利要求19所述的方法，其中增加所述補片的溫度包括當持續增加所述溫度時，改變溫度增加的速率至少一次。22.權利要求19所述的方法，進一步包括在所述固化溫度下充分維持所述補片溫度一段預選時期；并且在已維持所述固化溫度一段預選時期后，降低所述補片溫度。23.權利要求19所述的方法，其中；降低所述第一真空的量包括將所述第一真空降低至引起所述第二真空對所述補片施加壓實壓力的水平，并且形成所述雙真空室包括將柔性真空袋的周邊密封至大體剛性的罩的周邊。24.非高壓釜固化未固化復合材料零件的設備，其包括緊靠其可放置所述未固化零件的工具，所述工具具有真空口并進一步包括在其中的至少一個開孔；引入熱至所述工具中的開孔以加熱所述工具和所述零件的熱源；以及適于放置在所述零件上以壓縮所述零件并從所述零件去除揮發物的可再使用的雙真空室組件，所述雙真空室組件包括覆蓋所述零件的大體剛性的外部罩，所述罩包括外圍法蘭并且在所述零件上形成第一外部真空室，通過其可在所述罩內抽出真空的所述罩內的真空口，覆蓋所述零件并在所述零件上形成第二內部真空室的柔性袋，將所述袋固定至所述罩的外圍法蘭并在所述罩和所述袋之間形成充分真空緊密密封的粘合劑層，在所述雙真空室組件和所述工具之間形成充分真空緊密密封的密封件，以及將所述密封件固定至所述袋的周邊并在所述密封件和所述袋之間形成充分真空緊密密封的粘合劑層。25.固化復合材料零件的方法，其包括放置所述零件緊靠工具；通過在所述零件上放置大體剛性的罩在所述零件上形成第一外部真空室；通過將柔性袋放置在所述罩內在所述零件上，在所述零件上形成第二內部真空室；在所述罩和所述袋之間形成充分真空緊密密封；在所述袋和所述工具之間形成充分真空緊密密封；在所述第一真空室內抽出真空；在所述第二真空室內抽出真空；以基本上恒定的速率加熱所述工具和所述零件，直至所述工具和零件達到預選的固化溫度;當所述工具和所述零件被加熱至所述固化溫度時，降低所述第一真空室內的真空；在所述固化溫度下充分維持所述工具和所述零件的溫度一段預選時期；在已維持所述固化溫度一段預選時期后，降低所述工具和零件的溫度；并且，終止所述第一真空室和第二真空室內的真空。全文摘要使用包括整合內部真空室和外部真空室的雙真空室組件，執行復合材料零件的非高壓釜固化。文檔編號B29C73/00GK102712142SQ201080057416公開日2012年10月3日申請日期2010年11月12日優先權日2009年12月18日發明者E·P·迪帕斯,M·R·安德森申請人:波音公司