專利名稱：用具有熱塑性基質的復合材料制造組合件的方法
技術領域：
本發明涉及的是能用具有熱塑性基質的復合材料，來制造包含有蒙皮和加強部件的大尺寸組合件的方法。
包含有蒙皮和添加加強件的大尺寸組合件是由復合材料制作的，如果想要受惠于此復合材料所特有的優點的話，則按照本發明的方法可以用于許多工業領域。因而，在航空工業中，按照本發明的方法尤其是可以用來制造飛機機身部分、飛機噴氣發動機的擋板等。
技術狀態當需要在不過分增加其重量而制作力學性能好的薄外罩時，通常是在此薄外罩上添加象縱肋、邊框、局部加強件等這樣的加強部件，下面把此薄外罩稱為“蒙皮”。
過去，這樣的構件總是全金屬的，蒙皮的形式是金屬板(tle)，加強部件的形式是金屬板或是仿形件，它們通過象鉚釘這樣的固定方式添加在蒙皮上。尤其是當組合件的尺寸大時，這樣構成的金屬構件還是大量的。特別是在航空工業中，如文獻US-5,560,102和US-5,586,381所表明的那樣，飛機機身部分以及圍繞飛機噴氣發動機的擋板一直是用這種方式制造的。
在過去的幾年里，有越來越多的金屬組合件被復合材料組合件所代替，這種復合材料是由長纖維，例如碳纖維，嵌入在樹脂基質中而形成的。之所以發生這種變化是因為復合材料具有特有的優點。這些優點中尤其有一條是其重量與類似的金屬組合件相比輕大約25％，而機械性能卻與金屬組合件的性能相似，而且還可以按照需要而進行調整。復合材料組合件也表現出很好的抗疲勞行為、沒有腐蝕，有非常好的特性。在樹脂基質中嵌入了長纖維的復合材料，其重量輕，機械性能出色，這特別說明了為什么這種材料會滲透進航空領域中的原因。
更詳細地講，航空工業中現在使用的大多數由復合材料做成的組合件都是用熱固性樹脂制造的組合件。這是因為這種類型的樹脂最初是唯一能提供所需機械性能的樹脂。
然而用具有熱固性基質的復合材料來制造組合件有一個明顯的缺點。其原因是，由于所使用樹脂的熱固特性，在制造每一個組合件時，都必須進行較長時間的固化操作，而這種固化操作通常是在高壓釜中進行的。
在組合件尺寸小的情況中，這最后的操作實際上沒有特別造成的損失。這是因為可以使用小的比較價廉的高壓釜，在每個高壓釜中可以同時對幾個組合件進行固化。
相反，當組合件的尺寸較大時，在同一個高壓釜中同時只能對一個組合件進行固化，而且必須使用特別昂貴的尺寸非常大的高壓釜。由于操作的持續時間長和高壓釜的花費高，使此方法很快地就不能用于工業應用了。這就是為什么盡管文獻US-A-5,170,967和US-A-5,223,067提出用具有熱固性基質的復合材料來制造飛機機身部分，但是從工業的觀點來看，利用此技術制造大尺寸組合件的理由是不充分的。
近來出現了熱塑性樹脂，例如PEEK(聚醚醚酮)樹脂，這種樹脂允許能得到具有長纖維和熱塑性基質的復合材料，其機械性能與最近的具有熱固性基質的復合材料的機械性能相當，因而現在的趨勢是用具有熱塑性基質的復合材料做成的組合件來代替現有的金屬組合件。
除了上面所提到的具有有機基質的復合材料的優點之外，具有熱塑性基質的復合材料還具有好的抗沖撞擊和耐火以及吸收水份低的性能。最后，由于浸漬細絲的樹脂已經固化了，所以可以在室溫下保存半成品，而且，其壽命實際上是無限的。
尤其是如文獻US-A-5,362,347所表明的，人們已經建議使用具有熱塑性基質的復合材料來制作飛機機翼的前緣。更詳細講，這個文獻提出分別制造加強部件和蒙皮，然后用焊接/擴散把它們裝配在一起。
由于加強部件和蒙皮在它們裝配起來以前分開制造的，因而蒙皮和加強部件一樣，必須在它們裝配起來之前經受加固操作。應該注意的是，這些加固操作的主要功能是在消除空隙的同時，在不同組成層，一方是蒙皮，另一方是每個加強部件之間產生結合。這些操作包含有向待加固的部件上施加壓力，以及把此部件加熱到高于樹脂熔化溫度的一給定溫度。這些加固操作是在高壓釜中進行的。這使得這個方法不適于制造具有大尺寸蒙皮的組合件，其理由與在用具有熱塑性基質的復合材料制造組合件方面已經提到的理由相同。
本發明的描述詳細地講，本發明的目的是能利用具有熱塑性基質的復合材料，以適宜于工業制造的高速價廉方式，來制造大尺寸的組合件，例如飛機機身部分的方法，由于無論是蒙皮，還是得到的最終構件在其制造過程的最后都不必放入高壓釜中，因而實際上是沒有尺寸限制的。
按照本發明，這樣的結果是用復合材料，利用制造大尺寸組合件的方法而得到的，這種組合件中包含有蒙皮和加強部件，此方法的特征在于它包含有下述階段-由浸漬了熱塑性樹脂的長纖維條帶，用疊合、加固和成型的方法分別制造加強部件；-把這些加強部件放在其形狀與待制造組合件的形狀相互補的加工設備上；以及-直接在支承加強部件的加工設備上，通過對至少一個浸漬了熱塑性樹脂的長纖維條帶進行疊合和連續加固，制造蒙皮并同時把此蒙皮和加強部件裝配起來。
由于加強部件和蒙皮是在制造蒙皮時裝配起來的，而且由于這種制造過程包含有對纖維條帶的連續加固，而此纖維條帶是在其疊合時形成蒙皮的，所以可以不必把蒙皮或得到的組合件放入高壓釜中就能制造任何尺寸的組合件。
此外，由于蒙皮和加強部件的裝配和蒙皮的制造是同時進行的，所以制造組合件的時間特別短。而且一個給定組合件中的這些加強部件，可以在制造前一個組合件的蒙皮的過程中來制造。
在本發明的一個優選實施例中，加強部件是這樣制造的連續自動地鋪設浸漬了已固化熱塑性樹脂的長纖維條帶，以形成一張平板，這類似于傳統金屬組合件中的金屬板；從此平板中切下坯料；然后對這些坯料進行加固和成型。
一般說來，這些坯料是在其成型之前被加固的。
這些坯料既可以在高壓釜中加固，也可以在熱壓機中加固。應該注意的是，在高壓釜中或在熱壓機中加固于涉及的是較小尺寸的組合件，所以可以使用具有傳統尺寸的普通高壓釜或加熱壓機，而且在其中可以同時加固幾個坯料。
此外，最好是用熱成型的方法使坯料成型。如果纖維在加強部件中需要取向得很好的話，熱成型前可以先進行彎曲操作。
在某些特殊的情況中，尤其是當加強部件的彎曲相對于平面來講是較有限時，可以在熱壓機中通過熱成型對這些坯料同時進行加固和成型。
按照本發明的方法用于制造中空的組合件是有好處的。這時把加強部件放入在屬于加工設備的框架上加工的凹口中；然后使框架繞其軸旋轉，在框架上進行疊合和連續加固。
在一種特殊情況中，按照本發明的方法被用來制造飛機機身部分，在這種情況中，制造了包含有縱肋、邊框和局部加強件的加強部件。
附圖簡介參考附圖，作為一個非限制性的例子，來描述一個本發明的優選實施例，附圖中有-
圖1示意地表示出本發明方法的第一階段，在這個階段，分別制造縱肋、局部加強件和邊框；-圖2是一個橫切剖面視圖，它圖示出本發明方法的最后階段，在這個階段，蒙皮的制造及其向加強部件上的裝配是同時進行的；以及-圖3是一個透視圖，它表示出想要制造的機身部分中縱肋和邊框的相對布局。
優選實施例詳述現在對用于制造飛機機身部分的本發明方法進行描述。尤其如圖2和圖3所示的那樣，這樣的機身部分包含有外部蒙皮10和由縱肋12、邊框14以及局部加強件16組成的加強部件。分別沿著縱向和圓周方向取向的縱肋12和邊框14構成了機身的骨架(圖3)，其構成方式與它是金屬時相同。局部加強件16形成厚度余量，它局部地添加在蒙皮10上，以便使其加固，尤其是在窗口17周圍的區域使其加固(圖3)。
然而不能認為是必須限于這種應用。這是因為，如已經看到的，按照本發明的方法，可以用于制造任何由具有熱塑性基質的復合材料制成的大尺寸組合件，這種組合件是通過把蒙皮和加強部件組裝起來而形成的。因而，此組合件的形狀和尺寸可以不同，加強部件的性質、數目和布局也可以各種各樣。特別是，雖然本發明特別適合制造旋轉的中空組合件，但是它也可以用來制造不同形狀的非旋轉組合件。
按照本發明制造方法的第一階段，在這里由縱肋12、邊框14和局部加強件16組成的加強部件是由浸漬了已固化熱塑性樹脂的長纖維條帶18，通過疊合、加固和成型而制成的。
實際上，通常使用的是浸漬了PEEK樹脂的碳纖維。然而在某些應用方面，可以使用不同性質的纖維和/或熱塑性樹脂，而不會超出本發明的范圍。
通常使用的條帶18是由取向單一的纖維形成的，這些纖維間由已固化熱塑性樹脂聯結起來。然而作為一種變化形式，在某些情況下，也可以使用浸漬了已固化樹脂的紡織纖維條帶。在環境溫度下，浸漬了已固化熱塑性樹脂的纖維層18是可彎曲的不粘條帶，一般儲存在卷軸上。
如圖1中a所圖示的那樣，條帶18的疊合階段包含有鋪設幾層厚度的條帶18，以便形成一確定數目的層，考慮到想要得到的機械性質，在不同的層中其取向可以相同也可以不同。在這個疊合階段所疊放的層數取決于對加強件12、14和16所構成的加強部件所要求的機械性能。
圖1中a所圖示的疊合階段對所有由縱肋12、邊框14和局部加強件16組成的加強部件可以是共同的，或相反，對這些加強部件中每一個都是特有的，這取決于這些部件是否必須有同樣的厚度。條帶18對所有加強件也可以是相同的，或者對其中的某些是不同的。
根據具體情況，利用疊合來制作一種或幾種形式的平板20。
條帶18的疊合操作是利用繞成卷(未畫出)的材料，最好是用一個疊合頭(未畫出)來進行的，這個疊合頭適合對由浸漬了已固化熱塑性樹脂的長纖維制成的條帶進行疊合。為此，使用法國專利申請No96 14799中描述的高速疊合頭是有好處的。
疊合頭確保把條帶18加熱到高于樹脂熔化的溫度，然后向敷設的條帶施加壓力，通過擴散而使其焊接在先前敷設的條帶上。疊合頭在使用后就立刻使條帶冷卻，以便防止它重新分開。此外，可以設置使條帶之間相互精確定位的機構。
用疊合頭把條帶18敷設在平的通常是固定的支撐物上。因此由這種疊合操作所得到的這張或這些平板20是平的板，最好是大尺寸的平板，這種平板在工業方法上可以連續制造。
在這張平板或這些平板20的制造過程中或在制造以后，從這張或這些平板中切下坯料22。這種切割過程進行得使坯料的尺寸與想要制造的加強部件12、14和16的尺寸相適宜。如果在加強部件加工成型后需要進行修整的話，這些尺寸也可以稍大一些。
如圖1中用b所圖示的那樣，一般接著對在這張平板或這些平板20中切下的坯料22進行加固操作，其主要作用是消除材料內部的孔隙，以及改善各個不同組成層之間的結合。
這種加固操作的特點是在坯料22上施加壓力(通常在2和20巴之間，取決于所用材料的類型)，以及把它加熱到通常高于樹脂熔化的溫度，以便使樹脂軟化(在PEEK樹脂的情況，例如大約為400℃)。
坯料22的加固可以在高壓釜中或在熱壓機中進行。
應該注意的是，當在高壓釜中進行加固時，由于待加固坯料22的尺寸與待加工組合件的加強部件在加工成型前的尺寸相當，所以使用的高壓釜是具有常規尺寸的通常高壓釜。在同一高壓釜中通常可以對幾個坯料22進行加固，這使得時間和成本節省很多。
作為一種變化形式，坯料22的加固也可以在文獻EP-A-0,584,017所描述那樣的熱壓機中進行。
然后分別使各個不同的已加固坯料22成型，對縱肋12、邊框14和局部加強件16而言，分別如c、d和e所示。
如圖1中用c所圖示的那樣，縱肋12是直的，或基本是直的仿形件，其截面大約成Ω形。用同一方法可以制造具有不同截面，例如L、Z或U形截面的直的仿形件，以便集成在最終組合件中。
象縱肋12這樣的加強部件是利用熱成型的辦法加工成型的，例如在一個裝備有沖模與模具，或沖模與袋模的熱壓機型機器中加工成型。由具有熱塑性基質的復合材料做成的組合件是用熱成型的方法加工成型的，這種技術是熟知的，因而這里不作詳細介紹。
如圖1中的d所圖示的，象局部加強件16這樣的加強部件是由相對于平面稍微彎曲的平板弓形件組成的，這種加強部件也可以用先前已加固的平的坯料22，特別是在沖模和袋模之間，通過熱成型來制造。尤其是可以用與前面所述的文獻EP-A-0,584,017中的熱壓機相類似的熱壓機來進行加工成型。
考慮到局部加強件16小的彎率，這些加強部件的加固和成型階段也可以同時進行。從平板20中切割下來平的坯料22然后就直接放在熱壓機中，此壓機同時進行這兩種功能。這里也可以使用與文獻EP-A-0 584 017中所描述的類似的熱壓機。
如圖1中的e所示意的那樣，象邊框14這樣的加強部件是圓形或圓弧形的仿形件。在所示實施例中，這些仿形件的截面是U形的。然而任何其他截面，例如L形截面，都是可以考慮的，而不超出本發明的范圍。
為了從最初是直條帶形的平坯料22得到一個圓的部件，必須首先把此直的坯料在其平面內彎曲，以便在此部件的整個周邊上保證纖維的連續性。這種彎曲尤其是可以利用與文獻FR-A-2,635,484所描述的裝置類似的裝置來進行，不過進行之前此裝置要做調整以考慮到所使用樹脂的熱塑性特性。這種調整尤其是在使條帶彎曲的圓錐形的滾筒的前面，增加一個加熱機構。
當條帶形式的坯料22在其平面內已被彎曲時，這個坯料就在沖模與模具或沖模與袋模之間通過熱成型而被加工成型，所使用的方法與前面所述縱肋12的成型方法相同。
重要的是要遵守這樣的工序在機身部分的批量制造過程方面，可以同時進行上面的各個不同的疊合、加固和成型操作，這構成了剛描述過的制造加強部件12、14和16的第一階段。
當制造機身部分所必須的縱肋12、加強件16和邊框14都現成了時，把所有這些加強部件放在加工設備23上，如圖2所示。
更詳細講，此加工設備23包含有一個中空的框架24，例如一個金屬框架，其外表面的形狀與想要制造的機身部分的蒙皮10下表面的形狀互補。為了簡化，圖2所示框架24是圓的。
如圖所非常概括地表示的那樣，中空的框架24安裝在輻條26上，這能把框架連接在中心軸套28上，此框架可以被這個軸套驅動而沿著圖2所示箭頭F的方向旋轉。任何能使框架24以相對低的恒定受控轉速旋轉的適當機構都可以提供這種旋轉驅動。
在其外部表面上，框架24包含有一些凹口30，其形狀與各種不同加強部件12、14和16的形狀互補。因而，當縱肋12、邊框14和局部加強件16放置在這些凹口30中時，所有加強部件都與這些凹口30之間的框架24的外表面取平。
如圖3所示，例如，由于在邊框14中，在加強部件相交的位置，加工有凹槽14a，因而才可能對交叉的縱肋12和邊框14進行裝配。凹槽14a是在縱肋12和邊框14放進凹口30中之前加工形成的。
可以使用任何適當方法，例如雙面膠帶、少量膠，或是使用吸力等把這些加強部件固定在凹口30中，這能使后來拆卸容易。為了能進行這樣的拆卸，框架24本身是可以拆卸的。為此，此框架可以是由裝配在一起的幾個可拆卸的部分構成的，或是能自身縮回的，或是用任何其他的在組合件做成后能使此組合件容易拆卸的方式構成的。
如圖2所示，在某些加強部件(在本例中是縱肋12)放入凹口30中時，這些加強部件具有朝外的中空部分。最好是把芯材40放在這些中空部分中，這能避免在制造蒙皮10時發生任何變形。按照與用于澆鑄的技術類似的技術，所使用芯材40的材料是在組合件做成后是容易被破壞或拆除的(例如可溶的芯材)。
當機身部分的組合中所有加強部件都放入凹口30中時，可以如圖2所示的那樣開始本方法的下一階段。在這個階段中，直接在承載加強部件12，14和16的框架24上，通過對長纖維條帶32的疊合和連續加固，同時進行蒙皮10的制造以及此蒙皮和這些加強部件的裝配，這里的長纖維被浸漬了已固化的可塑性樹脂。
具有浸漬了樹脂的長纖維條帶32的性質通常與用于制造縱肋12、邊框14和局部加強件16的條帶的性質是相同的。因此，通常涉及的是浸漬了已固化PEEK(聚醚醚酮)樹脂的碳纖維條帶。但應該注意的是，在某些特殊的應用中，形成蒙皮10的復合材料可以不同于制造加強部件的復合材料。
如圖2所示，疊合和連續加固操作是用最初繞在滾筒34上的條帶32進行的。利用36所表示的疊合頭來進行疊合和連續加固。這種疊合頭36安裝在一個支座(未畫出)上，使得它與框架24的軸線平行地逐漸移動。當框架被驅動而沿箭頭F方向旋轉時，條帶32就按照所確定的疊合順序，繞著此框架做螺旋狀卷繞，使得逐漸形成組合件的蒙皮10。條帶32也可以鋪設得與框架24的軸線平行。
應該注意的是，可以采用疊合頭36和框架24之間的其他任何能形成蒙皮10的相對運動，而不超出本發明的范圍。
疊合頭36設計得能同時在框架24上對條帶32進行疊合；連續地對這樣制造的蒙皮10進行加固；以及把此蒙皮10和由縱肋12、邊框14和局部加強件16構成的加強部件裝配起來。為此，疊合頭36使材料經受一預定的壓力和溫度的過程。這個過程包括在條帶32就要鋪在框架24上前對此條帶加熱；當條帶32鋪在框架上以后向此條帶32上施加壓力；然后對剛鋪設的條帶進行冷卻。
預先把條帶32加熱到高于樹脂熔化的溫度，使樹脂能足夠地流動，以便通過擴散而在不同的鋪設層之間進行焊接，以及使空隙的消除更加容易。在PEEK樹脂的情況下，可以使用的溫度大約為400℃，這只是作為說明而絕不是限制。
例如，通過滾筒38以大約在2和20巴之間的壓力將條帶32鋪設在框架24上。視所使用材料的類型而定。
對鋪設上的條帶最后進行冷卻是防止此條帶重新分開。目的是把條帶的溫度降到樹脂的熔化溫度以下，如果可能的話，降到其玻璃態轉變溫度以下。
當得到了所需要蒙皮10的層數時，就讓框架24的旋轉停止，把條帶32切下來。這時蒙皮10就已經被加固了，并通過擴散而焊接接在加強部件上，在這種情況下，加強部件是由縱肋12、邊框14和局部加強件16組成的。
因此，在拆下或縮回框架24并取出放在縱肋12里的芯材40以后，馬上就得到了機身部分。特別是，這樣得到的機身部分沒有必要最后再通過高壓釜處理。
在本發明方法的擴展應用中，如果需要的話，也可以使用一個支架〔未畫出〕來支承框架24和疊合頭36，以便把避雷設備加入到此結構的蒙皮中，以及至少部分地完成精整，例如，鋪設上用于接受油漆的第一涂層。
上面所做的描述表明，本發明的方法能用具有熱塑性基質的復合材料，以工業方式廉價地制造大尺寸組合件，這種組合件是通過把蒙皮和加強部件裝配起來而形成的，實際上，組合件的尺寸沒有限制。于是大量通常是金屬的組合件可以這樣由復合材料來制造，從而能受惠于這些材料特有的優點。
應該注意的是，當使用制造具有熱塑性基質的復合材料的技術來制造這些部件是不可能的或是花費太大時，按照本發明的方法并不禁止隨后加入由不同材料，特別是金屬做成的某些加強部件或其他部件。
權利要求
1.用復合材料來制造大尺寸組合件的方法，此組合件包含有蒙皮〔10〕和加強部件〔12，14，16〕，此方法特征在于它包含有以下階段-由浸漬了熱塑性樹脂的長纖維條帶〔18〕通過疊合、加固和成型的方法分別制造加強部件〔12，14，16〕；-把這些加強部件〔12，14，16〕放在其形狀與待制造組合件的形狀相互補的加工設備(23)上；以及-直接在支承加強部件〔12，14，16〕的加工設備〔23〕上，通過對至少一個浸漬了熱塑性樹脂的長纖維條帶〔32〕進行疊合和連續加固來制造蒙皮〔10〕并同時把此蒙皮和加強部件〔12，14，16〕裝配起來。
2.按照權利要求1所述的方法，其特征在于加強部件〔12，14，16〕是這樣制造的連續而自動地鋪設浸漬了已固化熱塑性樹脂的長纖維條帶〔18〕，以形成平板〔20〕；在此平板中切下坯料〔22〕；然后對這些坯料〔22〕進行加固和成型。
3.按照權利要求2所述的方法，其特征在于坯料〔22〕是在其加工成型之前被加固的。
4.按照權利要求2或3中的一項所述的方法，其特征在于這些坯料〔22〕是在高壓釜中或在熱壓機中被加固的。
5.按照權利要求2到4中的任一項所述的方法，其特征在于坯料〔22〕是通過熱成型的方法而成型的。
6.按照權利要求5所述的方法，其特征在于坯料〔22〕是在其熱成型之前被彎曲的。
7.按照權利要求2所述的方法，其特征在于坯料(22)是在熱壓機中通過熱成型的方法同時被加固和成型的。
8.按照前面權利要求中的任一項所述的方法，應用于制造中空的組合件，其特征在于把加強部件〔12，14，16〕放置在設置在加工設備〔24〕的框架〔23〕上的凹口中，然后讓框架繞其軸旋轉，而對此框架上的條帶〔32〕進行疊合和連續加固。
9.按照權利要求8所述的方法，用來制造飛機機身部分，其特征在于制造了包括縱肋〔12〕、邊框〔14〕和局部加強件〔16〕的加強部件。
10.按照上面權利要求中的任一項所述的方法，其特征在于然后在蒙皮〔10〕中集成了避雷設備。
全文摘要
提出了一種簡單快速而且花費少的方法,它能用具有熱塑性基質的復合材料來制造由蒙皮(10)和加強部件(12,16)構成的大尺寸組合件,例如,飛機機身部分。在通過疊合、加固和成型分別制造這些加強部件以后,把這些加強部件放在加工設備(32)上,在此制造此蒙皮(10),并同時通過擴散焊接把它裝配在加強件(12,16)上。更詳細講,通過疊合頭(36)使蒙皮(10)疊合并連續加固,以便直接得到所需要的組合件。
文檔編號B29C70/32GK1270551SQ9880929
公開日2000年10月18日 申請日期1998年7月20日 優先權日1997年7月22日
發明者S·麥森, S·默尼耶, C·希布特, L·莫頓, H·帕楊, P·沃蒂, C·夸菲耶－科拉斯, J·德爾貝 申請人:國家宇航工業公司, 歐洲直升機公司, 達索航空公司