在封闭腔模具中制造复合构件的系统和方法

摘要

本申请涉及一种能够被用于在封闭腔模具中制造复合构件的方法和系统。模具系统包括具有弹簧元件的封闭腔工具，弹簧元件在压缩时向位于封闭腔模具内部的预成型件施加压力。在固化循环中，弹簧元件为预成型件提供基本上不变的压力，由此防止在固化复合构件中形成空隙和气孔。进而，在固化循环中，由弹簧元件提供的基本上不变的压力能更有效地使预成型件的形状与封闭腔模具中的空隙形状相吻合。

说明书

技术领域

本申请大体上涉及复合系统。更具体地，本申请涉及一种在封闭腔模具 中制造复合构件的方法和系统。本申请的系统和方法能够很好地适用于制造 在飞行器中使用的复合部件；然而本申请的系统和方法能够用于制造在各种 类型的工业中使用的复合部件。

背景技术

复合构件的结构整体性部分地取决于在上升粘结剂中的承载纤维矩阵 模型的一致性。例如，已固化的复合构件中的空隙，变形，或其它缺陷是极 其不期望的，因为缺陷能够引起复合构件失灵和/或遭受性能变弱。进而， 缺陷存在的可能性能够引起对固化复合构件大范围的检查以证实不存在缺 陷。虽然复合系统和制造技术已经取得了长足的发展，缺陷在复合构件中仍 然常规地存在。进而，存在着对在封闭腔模具中制造复合构件时减少空隙和 其它缺陷的系统和方法的需求。

发明内容

本申请的目的在于提供一种可防止复合构件中空隙的形成、以及能更准 确地生成复合构件的外形轮廓的在封闭腔模具中制造复合构件的系统和方 法。

为实现上述目的，本申请的一种在封闭腔模具中制造复合构件的系统和 方法的具体技术方案为：

一种用于制造复合构件的模具系统，模具系统包括：上部模具和下部模 具，上部模具和下部模具选择性地形成空隙，该空隙设置为容纳预成型件； 弹簧元件设置为在固化循环中向预成型件施加基本上不变的压力。

进一步，包括：临近于下部模具的下部装配器；临近于上部模具的上部 装配置；连接到下部模具的杆元件；其中弹簧元件设置在上部装配器的上表 面和螺接到杆元件的螺母之间。

进一步，其中杆元件是带螺纹的。

进一步，其中空隙的几何形状类似于旋翼桨叶的几何形状。

进一步，其中由弹簧元件产生的压力通过选择性地向螺母施加扭矩而被 选择性地控制。

进一步，包括：设置为在固化循环中加热的烘烤箱，烘烤箱为常压的。

进一步，其中弹簧元件设置为在固化循环中向预成型件施加基本上不变 的压力，即使当预成型件在固化循环中发生压缩。

进一步，其中弹簧元件为多个弹簧元件。

进一步，其中每个弹簧元件在压缩中能够产生大约1800磅的力。

一种制造复合部件的方法，该方法包括：在封闭腔工具中装配预成型件， 该封闭腔工具具有上部模具和下部模具；通过压缩多个弹簧向预成型件施加 压力；固化预成型件直到预成型件变成固化的复合构件。

进一步，包括：在固化预成型件的步骤中，使用来自多个弹簧的力来弥 补模具沉降和树脂收缩带来的施加给预成型件的压力损失，由此防止固化的 复合构件中空隙和气孔的产生。

进一步，其中固化预成型件的步骤包括对预成型件加热。

进一步，其中由常压烘烤箱对预成型件加热。

进一步，其中由加热毯对预成型件加热。

进一步，其中由辐射加热系统对预成型件加热。

进一步，其中预成型件包括未固化的复合组件和固化的复合组件。

进一步，其中预成型件包括固化的复合组件和未固化的粘性剂。

进一步，其中预成型件包括非复合组件。

本申请的系统和方法相对于传统的复合制造实践具有显著的优点。例 如，本申请的系统和方法设置弹簧在固化循环中以施加基本上不变的卡合压 力到复合组件，而不必依靠液压压力，压热器，或类似的装置。进而，该系 统和方法能够减少在传统模具方法和工艺中必需的资金花费。进而，该系统 和方法能够弥补在固化循环中模具沉降和树脂收缩时产生的压力损失，由此 防止固化的复合构件中空隙和气孔的产生。进而，该系统和方法生产的复合 构件更加精密地与期望的形状吻合，例如旋翼桨叶的弯曲和轮廓。进而，该 系统和方法尤其地适用于在环境压力条件下固化，由此避免与依赖应用压力 设备的压热器相关的费用和地点的限制。进而，该系统和方法允许模具系统 在可选择的设备之间的运送，因为压力机和压热器的运送是非常笨重并且不 需要的。进而，该系统和方法允许在环境压力条件下通过弹簧施加压力，如 此的话，由于天气和位置而导致的环境压力的改变可通过由弹簧产生的压力 来调控，从而部件的生产不随着环境压力的改变而发生变化。

附图说明

被认为是本申请的特性的新颖性特征在所附的权利要求中提出。然而， 本申请本身，还有优选的应用模式，以及进一步的目标和优点参照下面的详 细描述并结合所附的附图将获得最好的理解，其中：

图1为根据本申请的一个实施例的旋翼飞行器的侧视图；

图2为根据本申请的一个实施例的倾转旋翼飞行器的立体图；

图3为根据本申请的优选实施例的模具系统的俯视图；

图4为根据本申请的优选实施例的模具系统沿剖面线IV-IV的横截面 图；

图5为根据本申请的优选实施例的模具系统在烘烤箱中的示意性视图； 并且

图6为根据本申请的优选实施例的制造复合构件的方法的图表。

具体实施方式

本申请的系统和方法的示例性实施方式将在下面描述。为了清楚起见， 在本说明书中并没有描述实际实施的全部特征。当然可以意识到在任何实际 实施方式的发展过程中，需要视具体情况做出各种决定以实现研发者的特定 目标，例如服从系统相关和商业相关的系统规定参数，这将在各种实施方式 之间有所不同。此外，可以意识到的是这种发展努力可能是复杂和耗时的， 但仍然在获益于本公开文本的本领域内技术人员的常规技能之内。

在说明书中，如在附图中描绘的，参考标记用于标示各种组件之间的空 间关系以及组件的各种方位的空间指向。然而，如本领域技术人员在完整地 阅读了本申请之后能够认识到的，这里描述的装置，元件，设备，等等可以 设置成任何期望的指向。因此，诸如“上方”，“下方”，“上部”，“下 部”或其它类似的用于描述各种组件之间的空间关系或者用于描述这些组件 的方位的空间指向的术语的使用应当理解为描述组件之间的相对关系或这 些组件的方位的空间指向，而这里描述的装置可以指向任何期望的方向。

参照图1，示出旋翼飞行器101。旋翼飞行器101具有旋翼系统103， 旋翼系统103具有多个旋翼桨叶111。每个旋翼桨叶111的俯仰能够选择性 地进行控制，以便可选择性地控制旋翼飞行器101的方向，推进以及上升。 旋翼飞行器101进一步包括机身105，起落装置107，以及尾翼109。

参照图2，示出倾转旋翼飞行器201。倾转旋翼飞行器201包括机身207， 起落装置209，机翼205，以及可旋转引擎舱203a和203b。每个引擎舱203a 和203b包括多个旋翼桨叶211。引擎舱203a和203b的位置以及旋翼桨叶 211的俯仰能够被选择性地控制，以便可选择性地控制倾转旋翼飞行器201 的方向，推进以及上升。

尤其期望的是旋翼飞行器101和倾转旋翼飞行器201的组件由复合系统 制造而成，因为复合系统通常是非常高效的。图示的复合组件可以包括：机 翼，桨叶，翼梁，旋翼夹，舱，地板，仅举几例。如此，本申请的系统和方 法可以用于制造旋翼飞行器101和倾转旋翼飞行器201以及其它飞行器的复 合组件。

本申请的系统和方法可以用于在封闭腔模具中制造复合构件。传统的封 闭腔模具制造方法具有明显的限制和缺点。例如，在环境温度和压力下固化 复合构件通常会造成差的交联密度，高孔隙率，以及大量的部件变形。进而， 对用于温度和压力的压热器的依赖将是受限制的，昂贵的，耗费资源的。进 而，在具有用于产生压力的液压的封闭腔模具中固化复合构件具有温度受 限，便携性缺乏，并且不期望地昂贵的缺点。进而，传统的对封闭腔模具的 卡合能够增加空隙和气孔的形成，并且进一步缺少能够准确地生成复合构件 的末端外形的能力。然而，本申请的系统和方法配置成在固化循环中提供基 本上不变的压力，由此基本上防止了空隙的形成，同时还可以更准确地生成 复合构件的外形轮廓。进而，本申请的系统和方法尤其适用于在固化循环中 采用各种各样的加热装置对复合构件进行加热。本申请的这些和其它优点将 在说明书中做进一步的讨论。

应该意识到本申请的系统和方法能够用于制造其它类型的飞行器以及 非航空应用上的复合元件。例如，本申请的系统和方法可以用于制造风轮机， 宇宙飞船，地面汽车，海洋表面车，水陆两用车，以及潜艇式海洋车的复合 元件，仅举几例。

参照图3和4，示出根据优选实施例的弹簧偏置式模具系统301。模具 系统301包括上部模具303和下部模具305。上部模具303和下部模具305 的内表面选择性地形成具有复合构件311的期望外模线几何形状的空隙，组 合构件311由模具系统301模塑而成。在图示的实施例中，复合构件311为 旋翼桨叶，例如在图2中描绘的旋翼桨叶211。图示的复合构件311包括上 部外壳313，下部外壳315，翼梁317，以及杆体319，它们在固化过程中结 合在一起。应该意识到图示的旋翼桨叶仅仅是由模具系统301形成的较宽范 围之内的复合构件的典型例子。

模具系统301进一步包括多个上部装配器307和下部装配器309。每个 上部装配器307和下部装配器309均为刚性元件，配置成将由多个弹簧323 产生的压缩力传递给上部模具303和下部模具305。模具系统301进一步包 括多个杆321，每个杆321通过螺母327a和327b连接到下部装配器309。 每个弹簧323设置在上部模具303的上表面和螺母325之间。杆321优选地 如此螺接以使得螺母325能够以特定执行的扭矩和深度螺纹接入到杆321 上。一个或多个垫圈能够用于在螺母325和弹簧323之间以及弹簧323和上 部装配置307之间提供支撑表面。进而，能够在下部装配器309和螺母327a， 327b之间使用一个或多个垫圈。

在固化循环过程中可能发生的树脂收缩和模具沉降阶段，由弹簧323产 生的压缩向复合构件311提供基本上不变的压力，由此防止复合构件311中 的空隙和气孔的产生。模具系统301的组件能够安装在上部模具303和下部 模具305的外部，由此使得模具系统301能在现有的封闭腔模具上方便地安 装和拆卸。在优选的实施例中，每个弹簧323为模具弹簧，能够产生大约为 1800磅的力；然而，应该能够完全意识到弹簧323的准确尺寸和产生力的 能力是根据具体情况而定的。进而，每个螺母325能够选择性地扭转以提供 上部模具303和下部模具305的期望压缩量。

模具系统301采用弹簧323为上部模具303和下部模具305提供压缩的 一个特有的优点在于模具系统301能够经受和容许多种加热环境。现在再参 照图5，示出具有加热元件503的烘烤箱501。烘烤箱501为模具系统301 尤其很好地适用于其中的加热环境的一个示范例子。相反，传统的压缩封闭 腔模具工具的方法，例如液压系统，很容易在烘烤箱501中经受加热时发生 泄漏。在烘烤箱501中产生的热量提高复合构件311内部的树脂和/或粘性 剂的粘性流动和后续的固化。应该完全地意识到在固化循环中也可以使用其 它加热系统和方法。例如，加热毯，辐射加热系统，以及其它常压的加热系 统都可以用来替代烘烤箱501。进而，还可以使用压热器；然而，模具系统 301尤其地适用于常压加热系统，其能够避免与在压热器中进行的固化相关 联的限制和花费。进而，复合构件311能够采用树脂体系，树脂体系使用催 化剂，例如热量，紫外线（UV）来触发反应，反应造成树脂粘性的改变以 及后续的固化。进而，复合构件311能够采用热分解树脂体系，其类似地使 用催化剂在固化循环中触发化学反应。

现在再参照图6，示意性地示出在弹簧偏置式模具系统301中制造复合 构件的方法601。方法601包括步骤603，用于将复合构件311的组件组装 到由上部模具303和下部模具305形成的空隙中。这些组件包括非复合组件， 例如金属组件，以及复合组件。复合构件311的复合组件包括任何种类的由 任何种类的复合纤维/树脂系统形成的未固化和固化组件。例如，未固化复 合组件可以是预成型的“预浸料坯”复合条，其包括一个或多个具有未固化 树脂体系的纤维预浸渍层。进而，粘性剂或其它树脂材料能够用作组件之间 的结合剂，组件位于由上部模具303和下部模具305形成的空隙中。

方法601进一步包括步骤605，其包括压缩位于由上部模具303和下部 模具305形成的空隙中的组件。在优选的实施例中，弹簧323执行将上部模 具303和下部模具305压缩到一起的功能。每个弹簧323由螺母325压缩。 通过选择性地扭转每个螺母并使其达到期望的扭转程度，而选择性地控制每 个弹簧的压缩力。例如，在图示的实施例中，每个螺母325被扭转接近于 130尺磅；然而，应该意识到每个螺母325的扭转程度根据具体情况而定。

方法601进一步包括步骤607，其包括在固化循环中施加连续的压力到 位于上部模具303和下部模具305中的组件上。在优选的实施例中，固化循 环包括使组件在指定时间范围内经受加热和加压。在替代的实施例中，固化 循环不包括主动地加热，而是在环境温度下固化。在优选的实施例中，压力 由弹簧323产生，同时热量由烘烤箱产生。如说明书中进一步讨论的，热量 还可以由任何种类的热源产生。在固化循环中，树脂材料，例如粘性剂，浸 渍树脂或类似的材料变成粘性的，允许由弹簧323产生的压力压缩和紧压组 件。随着组件被压缩，弹簧323在固化过程中提供连续地施加压力的关键功 能，以防止空隙或其他的由压力缺失造成的缺陷的形成。更具体地，随着上 部模具303和下部模具305就位并且向一起移动，弹簧323延伸至拉紧距离 以使得压力被维持。进而，弹簧323不仅为组件提供和维持压力以防止空隙 的形成，并且还确保与模具的内表面具有合适的压力接触，以使得合成的复 合构件311具有期望的外模线几何形状和轮廓。

方法601进一步包括步骤609，其包括使模具冷却并从模具中移出完成 的复合构件。组件在步骤607中发生固化之后，复合构件就已经完成了。然 而，模具和复合构件被允许在拆卸之前返回到环境温度中。

本申请的系统和方法相对于传统的复合制造实践具有显著的优点。例 如，本申请的系统和方法设置弹簧在固化循环中以施加基本上不变的卡合压 力到复合组件，而不必依靠液压压力，压热器，或类似的装置。进而，该系 统和方法能够减少在传统模具方法和工艺中必需的资金花费。进而，该系统 和方法能够弥补在固化循环中模具沉降和树脂收缩时产生的压力损失，由此 防止固化的复合构件中空隙和气孔的产生。进而，该系统和方法生产的复合 构件更加精密地与期望的形状吻合，例如旋翼桨叶的弯曲和轮廓。进而，该 系统和方法尤其地适用于在环境压力条件下固化，由此避免与依赖应用压力 设备的压热器相关的费用和地点的限制。进而，该系统和方法允许模具系统 在可选择的设备之间的运送，因为压力机和压热器的运送是非常笨重并且不 需要的。进而，该系统和方法允许在环境压力条件下通过弹簧施加压力，如 此的话，由于天气和位置而导致的环境压力的改变可通过由弹簧产生的压力 来调控，从而部件的生产不随着环境压力的改变而发生变化。

上面公开的具体实施例仅仅是示意性的，本申请可被修改并以不一样但 等同的方式实施，这对受益于本文教导的本领域内技术人员来说是显而易见 的。进而，除了下面在权利要求中描述的，这里示出的结构或设计的细节并 不是限制性的。因此显而易见的是上面描述的具体实施例可以被改变和修改 并且全部的修改都被认为落入本申请的范围和精神之内。相应地，本申请寻 求的保护在下面的权利要求中提出。显而易见的是描述和示出的系统具有显 著的优点。尽管本申请的系统以有限数量的形式被示出，但其并不限于这些 形式，在不脱离其精神的情况下，可做出各种改变和修改。