铺叠预浸料以形成三维部件的自动方法中采用的具有粘性的自支撑预浸料

摘要

本发明提供具有粘性的自支撑预浸料，用于铺叠预浸料以形成三维部件的自动方法中。

说明书

背景技术

诸如碳纤维环氧树脂及双马来酰亚胺(BMI)材料的复合材料的结构性 能优势在航空航天工业中广泛已知。例如，由于复合材料的优良的硬度、 强度及雷达吸收能力，飞机设计者已经被复合材料吸引。随着可获得更先 进的材料及更多样的材料，复合材料的航空航天用途在增加。

自动铺带(automated tape layer)技术已经发展成广泛地用于制备大型复 合结构(例如翼片及尾翼)的自动方法。已经改进当前的铺带技术以提供多种 航空航天组件所需要的工艺能力灵活性。由于航空航天工业的铺带应用实 现的材料铺叠(lay up)速率例如可帮助控制大型复合结构的制备成本，因此， 可定义铺带技术的新颖及创新应用，例如大型飞机机身部分(例如，直径为 15到20英尺)的自动铺带。

在复合部件的制备期间，使用自动铺带机及自动纤维放置机将未固化 的复合材料(或预浸料)施加到模具。此类机器尤其适合制备大型复合部件， 例如飞机机身、机翼蒙皮及风力涡轮机的叶片。这些机器具有可移动的带 传送头，对其进行计算机控制以围绕多个轴移动并将预浸带传送到多个模 具形状。自动铺带机的更详细描述可参见Gramshaw等人，“Advanced  Technology Tape Laying for Affordable Manufacturing of Large Composite  Structures”，46^th International SAMPE Symposium，第2484到2494页(2001 年5月6日到10日)。自动铺带及自动纤维放置传送头的概括描述可参见美 国专利申请公开第2005/0039842号。

自动铺带及自动纤维放置传送系统类似于前者铺叠从单个卷轴获取的 单一宽度的预浸带，后者铺叠从一个或多个单个的卷轴获取的一种或多种 窄的预切割的预浸料。

目前用于铺叠预浸料的系统的问题是，预浸料中的树脂基质赋予预浸 料粘性。该粘性可导致在铺叠过程的多个阶段树脂堆积。为解决应用期间 的树脂堆积，以一定频率停止机器以清除机器中的过量树脂。

一种缓解这个问题的方式是在降低的温度条件下铺叠预浸料。由此， 使树脂堆积减到最少，并且解决了与树脂堆积有关的伴随问题。

然而，降低进行预浸料铺叠的环境温度不是没有成本的。由于许多欲 制备的必要部件非常大(例如预定用于飞机组件中的那些)，因此，建筑面积 设计图需要足够大以容纳一个或多个此类部件。尤其在温暖气候中，与降 低此类设施的温度有关的能量成本会相当大。

另外，这些机器中所使用的预浸带含有背衬上支撑的预浸料层。背衬 通常为纸，或有时为聚乙烯，当由传送头将带置于模具上时移除所述背衬。 在带从供应辊解缠绕所述带时，背衬的表面不应粘住预浸料。为正常运行， 将预浸料粘着到背衬，直到其到达传送头，在那里，将其差动释放到模具 上或释放到先前施加的预浸料上。以安置机器上的大辊或大卷的形式提供 预浸带，以向传送头供料。

在将预浸带置于模具上之后，去除背衬并将其缠绕到卷取辊上。因此， 在供应辊、传送头及卷取辊之间背衬上存在连续的张力。通常还在传送头 处对预浸料进行加热，并施加一定量的压实压力，以将预浸料粘着到模具 或粘着到先前施加的预浸料层。另外，机器以计算机控制的途径铺叠预浸 带，并在精确控制的位置以精确控制的角度切穿预浸料。

背衬经常在其从供应辊传送到卷取辊时断裂。由于背衬断裂而停止及 重启预浸料自动施加机是成本高且耗时的操作，希望避免该操作。

美国专利第5,472,553号提供了是解决背衬断裂问题的方案。‘533专利 涉及用于将树脂浸渍的纤维束铺放在工具上的设备，纤维可释放地粘合到 背衬并且沿流程移动通过设备，所述设备包括：

多个用于分配纤维束的可旋转纤维束盒式卷轴；

第一纤维束张紧构件，其附接到纤维束盒式卷轴并且用于在铺放于工 具上的过程中使纤维束上保持恒定张力；

导轮组件，所述组件包括多个可各自在轴上旋转以引导各纤维束沿流 程通过设备的滑轮；

纤维束切割构件，其用于在纤维束从导轮组件离开后，将纤维束切割 成预定长度及形状；

编码器滑轮(encoder pulley)构件，其用于在通过切割构件之后引导纤维 束，并且当将纤维束铺放在工具上时用于确定各纤维束末端的位置；

用于从纤维束去除背衬并将背衬储存在背衬盒式卷轴上的构件；

第二纤维束张紧构件，其附接到背衬盒式卷轴并且用于与附接到纤维 束盒式卷轴的第一纤维束张紧构件联合控制纤维束上的张力，第二纤维束 张紧构件在第一纤维束张紧构件的相反方向上起作用，以使在将纤维束铺 放在工具上时纤维束上的张力降到最小；

驱动构件，其用于响应预定图案单独地驱动各纤维束；

控制构件，其用于控制驱动构件及纤维束切割构件，以响应编码器滑 轮及安装在控制构件中的预定图案的输出；及

纤维束放置头，其用于接收经切割的纤维束并将其放置在工具表面上。

美国专利申请公开第2010/0282404号提供了背衬材料，其为多层衬底 并且是抗撕裂的。‘404公开提供用于自动铺带机中的带，限定其包括：

多层衬底，其用于在自动铺带机中使用带期间支撑未固化的复合材料， 所述多层衬底包括：

a.塑料层，其包括至少一个塑料膜，所述塑料膜具有外膜表面及内膜 表面；及

b.纤维层，其具有外纤维表面及内纤维表面，其中内纤维表面粘着到 内膜表面；及

未固化的复合材料层，其包含纤维增强材料及未固化的树脂基质，未 固化的复合材料层具有当将未固化的复合材料施加到模具时朝向模具设置 的第一复合材料表面及可释放地粘着到塑料层或外纤维表面的第二复合材 料表面。

另外，即使在背衬不断裂的情况下，在从带剥离后也需要丢弃背衬。 因此，重要的不仅是提供具有充分的尺寸稳定性、撕裂强度及崩裂强度以 经受住在背衬行进通过自动铺带设备时施加到背衬的许多力的带背衬，还 希望提供自支撑(以便不需要背衬)并且基本上无粘性以使树脂堆积减到最 少(若非清除)的预浸带。

发明内容

在第一方面中，本发明提供铺叠预浸料以形成三维可固化部件的自动 方法。这个方面中的方法的步骤包括：

在室温下提供预浸料，其中所述预浸料包含热固性树脂组分及纤维， 其中所述热固性树脂组分为固体形式并且在暴露于升温条件时软化；及

在施加升压的条件下，以三维排列的方式围绕工具的表面布置所述预 浸料，以形成围绕所述工具表面设置的三维可固化部件。

在第二方面中，本发明提供制备三维复合部件的方法。这个方法的步 骤包括：

将通过第一方面中所述的方法形成的三维可固化部件置于壳体中；及

将所述含有三维可固化部件的壳体置于足以使所述三维可固化部件固 化的升压条件下，以形成三维复合部件。

在第三方面中，本发明提供放置预切割的预浸料以形成预浸料层的自 动方法，所述预浸料层能够形成曲面式(contoured)复合部件。这个方法 的步骤包括：

提供一卷或多卷预切割的预浸料，其中所述预切割的预浸料包含树脂 组分及纤维，其中所述树脂组分为固体形式并且在暴露于升温条件时软化；

分配所述一卷或多卷预切割的预浸料，从而以曲面排列的方式放置于 工具的表面上，以便形成围绕所述工具表面设置的曲面式可固化部件，其 中在向所放置的预浸料施加升压的条件下进行所述放置；及

调整所放置的曲面式可固化部件，以围绕所述工具表面形成预定的部 件构造。

在第四方面中，本发明提供制备曲面式复合部件的方法。这个方法的 步骤包括：

将通过第三方面中所述的方法形成的曲面式可固化部件置于壳体中； 及

将所述含有曲面式可固化部件的壳体置于足以使所述曲面式可固化部 件固化的升温和/或升压条件下，以形成曲面式复合部件。

在第五方面中，本发明提供放置预切割的预浸料以形成预浸料层的自 动方法，所述预浸料层能够形成曲面式复合部件。这个方法的步骤包括：

在室温下提供一卷或多卷预切割、自支撑、可自释放且未固化的预浸 料，其中所述预切割的预浸料包含未固化的(unadvanced)热固性树脂组分及 多根连续纤维，其中所述预切割的预浸料具有上表面及下表面，并且其中 所述表面中的至少一个基本上无粘性；

分配所述一卷或多卷预切割的预浸料，从而以曲面排列的方式放置于 工具的表面上，以便形成围绕所述工具表面设置的曲面式可固化部件，其 中在向所放置的预浸料施加升压的条件下进行所述放置；及

调整所放置的曲面式可固化部件，以围绕所述工具表面形成预定的部 件构造。

在第六方面中，本发明提供制备三维复合部件的方法。这个方法的步 骤包括：

将通过第五方面中所述的方法形成的三维可固化部件置于壳体中；及

将所述含有三维可固化部件的壳体置于足以使所述三维可固化部件固 化的升温和/或升压条件下，以形成三维复合部件。

在第七方面中，本发明提供铺叠未固化的预浸料以形成三维可固化部 件的自动方法。这个方法的步骤包括：

在室温下提供自支撑、可自释放且未固化的预浸料，其中所述预浸料 包含未固化的热固性树脂组分及多根连续纤维，其中所述预浸料具有上表 面及下表面，并且其中所述表面中的至少一个基本上无粘性；及

在向所述预浸料上的限定位置处施加升温和升压的条件下，以三维排 列的方式围绕工具布置，以形成三维可固化部件。

在第八方面中，本发明提供制备三维复合部件的方法。这个方法的步 骤包括：

将通过第七方面中所述的方法形成的三维可固化部件置于壳体中；及

将所述含有三维可固化部件的壳体置于足以使所述三维可固化部件固 化的升温和/或升压条件下，以形成三维复合部件。

附图说明

图1是代表目前技术水平的典型自动铺带机传送头的通用图。

具体实施方式

自动铺带机通常为龙门架(gantry)样式，并且可具有例如10个移动 轴，其中5个轴在龙门架上移动，5个轴在传送头上移动。典型的自动铺带 机由以下组成：龙门架结构(平行的轨道)、在精密底滑道上移动的横进杆 (crossfeed bar)、升高及降下材料传送头的连杆(ram bar)及附接到连杆的下端 的材料传送头。

市售的铺带机通常特定地构造成用于使用平面式铺带机(FTLM)或曲面 式铺带机(CTLM)铺叠平面或轻度曲面式层合材料应用。在龙门架样式的铺 带机上，tobling(或平台)通常在龙门架结构下滚动，固定到地面上，并且随 后初始化机器传送头以铺叠表面。

图1提供典型的铺带机传送头100的图示。FTLM机及CTLM机的传 送头基本上与图1中所示的传送头100具有相同的构造。市售的自动铺带 机上的传送头通常构造成接收3英寸、6英寸及12英寸宽的材料。平面式 铺带机通常使用6英寸及12英寸宽的材料。曲面式铺带机通常使用3英寸 及6英寸宽的材料。当铺叠非平面的曲面时，CTLM系统通常使用3英寸 或6英寸宽的材料。

用于铺带机的材料102通常以大直径卷筒的形式出现。带材料102具 有背衬纸106，它在预浸料(树脂浸渍的纤维)施加到工具表面108时取出。 通常将一卷材料加载到传送头供应卷轴104中，并穿过上部的带导向斜道， 并且通过切割机110。材料102随后通过下部的带导向装置，经过分段式压 实靴座(segmented compaction shoe)112下，并且到达背衬纸卷取卷轴114 上。取出背衬纸并缠绕在纸卷取卷轴114的纸卷取辊上。传送头100与工 具表面108接触，并将带材料102在压实压力下“放置”到工具表面108上。 铺带机通常以计算机程序化途径(路线)将带铺叠在工具表面108上，在精确 的位置以精确的角度切割材料102，布置尾部，将传送头100提离工具表面 108，缩回到过程的起始位置，并开始下一个铺叠过程。

传送头100可具有光学带缺陷检测系统，以在检测到缺陷时给机器控 制系统发信号从而停止铺叠带材料102。传送头100还通常具有加热系统 116，其加热预浸料材料以增加带与带粘着的粘性水平。加热的带温度通常 为75℉到110℉。

纤维铺放是一个类似的过程，其中将单根预浸料纤维(称为纤维束)拉离 卷筒并通过纤维传送系统进料给到纤维放置头中，所述纤维放置头类似于 图1中所示的传送头100。在纤维放置头中，纤维束可准直成单个纤维带并 层合到工作表面上，所述工作表面可设置在头座与尾座之间。当开始铺放 纤维带或纤维层(course)时，供应单个纤维束使其通过头并压实到表面(例 如表面108)上。在铺放纤维层时，头100可切割或重新开始提供单个纤维 束，从而容许以等于一个纤维束宽度的量增加或降低纤维带的宽度。调整 纤维带的宽度以使相邻纤维层之间的过量间隙或重叠减到最小(若非消除)。 在纤维层的终点，可切割剩余的纤维束以匹配片层边界的形状。随后可将 头定位到下一个过程的起点。

在纤维铺叠放期间，各纤维束以其自身速度分配，从而容许各纤维束 独立地顺形于部件的表面108。因此，纤维不受限于短程路径，并且照此可 操纵以满足具体的设计目标。滚动压实装置与用于增强粘性的加热组合将 纤维束层合到铺叠表面108上。通过将纤维束按压到工作表面(或先前铺叠 的片层)上，使纤维束粘着到铺叠表面108，从而去除捕获的空气并使对于 真空压实的需要降到最低。其还容许纤维铺叠到凹面上。

可例如使用臂机构给纤维放置头(如铺带头)提供若干个运动轴，并且可 对其进行计算机数字控制。运动轴对于确保在机器层合纤维束时头100垂 直于表面108可为必需的。机器还可具有多个电子纤维张紧器，其可设置 在例如空气调节的轴架中。这些张紧器可提供单个纤维束输出并保持精确 的张力。头100可精确地分配、切割、夹紧及限制单个预浸料纤维束。

第一方面

现在，关于第一方面，提供铺叠预浸料以形成三维可固化部件的自动 方法。该方法可使用所述机器。这个方面中的方法的步骤包括：

在室温下提供预浸料，其中所述预浸料包含热固性树脂组分及纤维， 其中所述热固性树脂组分为固体形式并且在暴露于升温条件时软化；及

在施加升压的条件下，以三维排列的方式围绕工具的表面布置所述预 浸料，以形成围绕所述工具表面设置的三维可固化部件。

在这个方面中，预浸料的宽度可为3英寸到12英寸。

在这个方面中，呈固体形式的热固性树脂组分软化的升温条件可为不 超过250℉，例如75℉到250℉。在这个方面中，升压条件可为不超过200 psi，例如不超过40psi，优选0.5psi到40psi。

第二方面

关于第二方面，提供制备三维复合部件的方法。这个方法的步骤包括：

将通过第一方面中所述的方法形成的三维可固化部件置于壳体中；及

将所述含有三维可固化部件的壳体置于足以使所述三维可固化部件固 化的升压条件下，以形成三维复合部件。

在这个方面中，壳体可处于真空下，例如20英寸汞柱到30英寸汞柱 的真空。

在这个方面中，壳体可为可通气的(ventable)。在这个方面中，可将含 有三维可固化部件的壳体置于升温条件下。

第三方面

关于第三方面，提供放置预切割的预浸料以形成预浸料层的自动方法， 所述预浸料层能够形成曲面式复合部件。这个方法的步骤包括：

提供一卷或多卷预切割的预浸料，其中所述预切割的预浸料包含树脂 组分及纤维，其中所述树脂组分为固体形式并且在暴露于升温条件时软化；

分配所述一卷或多卷预切割的预浸料，从而以曲面排列的方式放置于 工具的表面上，以便形成围绕所述工具表面设置的曲面式可固化部件，其 中在向所放置的预浸料施加升压的条件下进行所述放置；及

调整所放置的曲面式可固化部件，以围绕所述工具表面形成预定的部 件构造。

在这个方面中，预切割的预浸料的宽度可为0.125英寸到0.5英寸。在 这个方面中，升温条件可为不超过250℉，例如为75℉到250℉。该升温条 件还可在分配期间施加。

在这个方面中，升压条件可为不超过200psi，例如不超过40psi，优选 0.5psi到40psi。

在这个方面中，升压条件可保持短于10秒的时间。

第四方面

关于第四方面，提供制备曲面式复合部件的方法。这个方法的步骤包 括：

将通过第三方面中所述的方法形成的曲面式可固化部件置于壳体中； 及

将含有曲面式可固化部件的壳体置于足以使所述曲面式可固化部件固 化的升温和/或升压条件下，以形成曲面式复合部件。

在这个方面中，壳体可置于真空下，例如20英寸汞柱到30英寸汞柱 的真空。

在这个方面中，壳体可为可通气的。

在这个方面中，可将含有曲面式可固化部件的壳体置于升温条件下。

第五方面

关于第五方面，提供放置预切割的预浸料以形成预浸料层的自动方法， 所述预浸料层能够形成曲面式复合部件。这个方法的步骤包括：

在室温下提供一卷或多卷预切割、自支撑、可自释放且未固化的预浸 料，其中所述预切割的预浸料包含未固化的热固性树脂组分及多根连续纤 维，其中所述预切割的预浸料具有上表面及下表面，并且其中所述表面中 的至少一个基本上无粘性；

分配所述一卷或多卷预切割的预浸料，从而以曲面排列的方式放置于 工具的表面上，以便形成围绕所述工具表面设置的曲面式可固化部件，其 中在向所放置的预浸料施加升压的条件下进行所述放置；及

调整所放置的曲面式可固化部件，以围绕所述工具表面形成预定的部 件构造。

在这个方面中，预切割的预浸料的宽度可为0.125英寸到0.5英寸。

在这个方面中，升温条件可为不超过250℉，例如在75℉到250℉的范 围内。可在分配期间施加升温条件。

在这个方面中，升压条件可为不超过200psi，例如不超过40psi，优选 0.5psi到40psi。

在这个方面中，升压条件可保持短于10秒的时间。

在这个方面中，以与工具或预浸料的表面的粘合性的形式来测量粘性。

在这个方面中，树脂组分可为固体形式并且在暴露于升温条件时软化。

第六方面

关于第六方面，提供制备三维复合部件的方法。这个方法的步骤包括：

将通过第五方面中所述的方法形成的三维可固化部件置于壳体中；及

将所述含有三维可固化部件的壳体置于足以使所述三维可固化部件固 化的升温和/或升压条件下，以形成三维复合部件。

第七方面

关于第七方面，提供铺叠未固化的预浸料以形成三维可固化部件的自 动方法。这个方法的步骤包括：

在室温下提供自支撑、可自释放且未固化的预浸料，其中所述预浸料 包含未固化的热固性树脂组分及多根连续纤维，其中所述预浸料具有上表 面及下表面，并且其中所述表面中的至少一个基本上无粘性；及

在向所述预浸料上的限定位置处施加升温和升压的条件下，以三维排 列的方式围绕工具布置，以形成三维可固化部件。

第八方面

关于第八方面，提供制备三维复合部件的方法。这个方法的步骤包括：

将通过第七方面中所述的方法形成的三维可固化部件置于壳体中；及

将所述含有三维可固化部件的壳体置于足以使所述三维可固化部件固 化的升温和/或升压条件下，以形成三维复合部件。

热固性树脂组分

热固性树脂组合物包括噁嗪组分作为其至少一部分。噁嗪组分可由以 下结构代表：

其中o是1到4，X选自直接键(direct bond，当o是2时)、烷基(当o 是1时)、亚烷基(当o是2到4时)、羰基(当o是2时)、硫醇基(当o是1 时)、硫醚基(当o是2时)、亚砜基(当o是2时)及砜基(当o是2时)，并且 R₁选自氢、烷基及芳基。

或者，噁嗪组分可由以下结构代表：

其中p是2，Y选自联苯基(当p是2时)、二苯基甲烷基(当p是2时)、 二苯基异丙烷基(当p是2时)、二苯基硫基(当p是2时)、二苯基亚砜基(当 p是2时)、二苯基砜基(当p是2时)及二苯基酮基(当p是2时)，并且R₄选自氢、卤素、烷基及烯基。

更具体地，噁嗪可由以下结构中的一种或多种代表：

其中X选自直接键、CH₂、C(CH₃)₂、C＝O、S、S＝O及O＝S＝O，并且 R₁及R₂相同或不同并且选自氢、烷基(例如，甲基、乙基、丙基及丁基)及 芳基。

因此，噁嗪可选自以下例示结构中的任一个：

其中R₁及R₂如上文所定义。

尽管未由噁嗪结构I或II代表，但其它噁嗪可由以下结构代表：

其中R₁及R₂如上文所定义，并且R₃如R₁或R₂所定义。

因此，这些噁嗪的具体实例包括：

噁嗪组分可包括多官能噁嗪与单官能噁嗪的组合。单官能噁嗪的实例 可由以下结构代表：

其中R是烷基，例如甲基、乙基、丙基及丁基。

噁嗪组分应以基于组合物的总重量约10重量％到约99重量％、例如约 25重量％到约75重量％、优选约35重量％到约65重量％的量存在。

纤维

纤维可由单向纤维、织造纤维、短切纤维、非织造纤维或长的不连续 纤维构造。

所选纤维可选自碳、玻璃、芳族聚酰胺、硼、聚亚烷基、石英、聚苯 并咪唑、聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚对亚苯基苯并双噁唑、碳化硅、苯酚甲 醛、邻苯二甲酸酯及环烷酸酯(napthenoate)。

碳选自聚丙烯腈、沥青及丙烯酸，并且玻璃选自S玻璃、S2玻璃、E 玻璃、R玻璃、A玻璃、AR玻璃、C玻璃、D玻璃、ECR玻璃、玻璃丝、 定长玻璃(staple glass)、T玻璃及氧化锆玻璃。