用于制造包括由复合材料制成的中空主体的部件的方法

摘要

本发明涉及一种使用预型件(11、12)制造包含由复合材料制成的中空主体的部件的方法，包括以下步骤：围绕适当的支撑元件(1)安置预型件，使得每个预型件(11、12)的连接边缘(112、113、122、123)与另一预型件(122、123、112、113)的连接边缘重叠并接触；沿着接缝连接每个预型件的连接边缘；移除支承元件并且在组件放置在模具内之前将模芯插入到适当的位置，然后使用RTM/LRI方法注射树脂，随后进行树脂的聚合。

说明书

本发明涉及一种用于制造包括由复合材料制成的中空主体的部件的方法。

本发明更特别地涉及具有中空主体的高负载结构的制造。本发明特别涉及制造起落装置杆、起落架、涡轮喷气发动机机舱的挂架、涡轮喷气发动机吊架等的制造。

用于制造具有中空主体的复合部件的多种制造方法是公知的，特别是RTM/LRI(树脂传递模塑/液体树脂灌注)方法和预浸方法。可以适用于任何所述方法的层覆盖或纤维缠绕技术也是公知的。

在RTM/LRI方法中，将纤维元件的组件以特定方式围绕支撑元件定位。此纤维元件组件形成预型件，然后将预型件及其支撑元件放置在模具中，通常在真空或压力下将树脂注射到该模具内。然后使树脂聚合，由此形成由纤维和聚合树脂制成的刚性轻质复合材料。

RTM/LRI方法具有很大的灵活性，并且可以制造具有复杂几何形状的部件。实际上，纤维元件的纤维最初是干燥的，它们可较容易地被放置，以呈现支撑元件的形状。

RTM/LRI方法还具有需要较少的组装操作的优点，这是由于制造复杂形状的部件的可能性，使得可以避免制造多个不太复杂形状的部件而后将其组装在一起。

但是，纤维元件最初是干燥的，而且其纤维在浇注和聚合树脂之前更容易改变方向或者具有取向缺陷。

假设在这种复合材料中，纤维取向限定并决定应力传递线，特别是在压缩和弯曲情况下，可以理解：最终部件中纤维的取向缺陷的存在对于拾取并能够传递所述部件的应力的机械性能来说具有不利的影响。

这种缺陷可通过使用包括非常小的树脂部分的预型件来改善，该树脂部分用作固着剂来加强纤维彼此的连接，这种方法除了添加固着剂之外还需要对所形成的预型件进行烘烤以便激活固着剂。

在预浸方法中，纤维元件不再是干燥的，而是通过至少部分聚合的树脂预先浸渍。

这些纤维元件的纤维已经通过树脂浸渍的事实大大地限制了其取向的机动性和变化。

但是，预浸方法具有多种缺陷，特别是不能实现或很难实现复杂几何形状的部件的制造，树脂大大地限制了纤维元件的成型。因此同样难以在最终聚合过程中在支撑元件和模具之间获得良好压缩率的纤维。

此外，这种方法使得制造步骤增加，这是由于纤维元件必须在覆盖之前进行预浸操作，并且可能在成型和最终聚合之前进行局部预聚合操作。

因此，具有极大的兴趣来改善RTM/LRI方法，并提供一种使得可以保持其优点同时确保纤维的适当取向以及纤维在大量的情况下具有良好紧凑性能的方法。

多种现有技术文件已经试图解决这个问题。

文件WO 2007/060306描述了一种用复合材料制造杆的方法，该杆由在树脂浇注之前成型的单个干燥预型件制造。在此方法中，预型件具有多个相对边缘，每个边缘具有在其围绕支撑元件缠绕过程中形成的互补的倾斜表面，所述边缘在被树脂结合之前相互重叠。

但是，在这种方法中，还存在纤维在成型之前移动的风险。这种方法也具有与确保纵向纤维取向的质量优化相关的缺陷。

文件WO 2007/031649描述一种由多个干燥且预浸的预型件制造复合部件的方法。纤维的正确取向通过局部使用预浸的预型件来保证。

但是，这种方法同样需要多个聚合步骤。

除了具有与RTM或预浸方法所述的同样困难之外，纤维缠绕方法会限制进行缠绕的纤维连续性从而不利于优化所得结构的质量。

本发明旨在弥补上文所提及的缺陷，为此本发明涉及一种制造包含中空主体的部件的方法，该部件由使用预型件的复合材料制成，该方法包括以下步骤：

围绕适当的支撑元件安置预型件，使得每一个预型件的连接边缘重叠，并与另一预型件的连接边缘相接触；

沿着接缝连接每个预型件的连接边缘；

移除支撑元件并且在组件放置在模具内之前将模芯插入到适当的位置，然后使用RTM/LRI方法注射树脂，随后进行树脂聚合。

因此，通过在预型件的连接边缘之间执行接缝步骤，因此大大增加了预型件环绕支撑元件的阻力，并因此增加了纤维的粘着能力。

根据第一实施例，预型件的连接边缘的连接根据接缝缝合方法来完成，该方法通常称为“缝合”或“暗缝”，通过使用单个纤维获得的链缝式接缝。

根据第二实施例，预型件的连接边缘的连接使用通常称为“簇绒”的方法来完成。

根据第三实施例，预型件的连接边缘的连接使用通常称为“Z-pinning”的方法来完成。

优选地，接缝使用干燥碳纤维来制成。

根据一个实施例，碳纤维是拉挤纤维，即涂覆树脂并聚合(Z-pinning等)。

有利地，预型件是干燥的预型件。因此制造方法不需要预浸预型件的步骤。

优选地，预型件的至少一部分最初制成平坦的。

作为替代或补充，预型件的至少一部分最初通过低成型(low forming)来制成。

作为替代或补充，预型件的至少一部分在放置在支撑元件之前在冲头和真空容器或加压容器之间被预先成型。

优选地，每个预型件在缝合之前通过保持装置保持在支撑元件上。

根据第一实施例，预型件经由其连接边缘的端部保持。

根据第二实施例，保持装置包括附接在预型件上并将其抓握在支撑元件上的纤维膜。

优选地，预型件使用装备有支撑元件的夹具保持，该夹具能够接收相应连接边缘或纤维膜的一个端部。

有利地，该方法包括附加压实步骤，该附加压实步骤用于通过朝着所述模具或等同的刚性薄膜扩张所述模芯或所述支撑元件而在所述模芯或所述支撑元件(1)上压紧所述预型件(11、12)。

同样有利地，预型件具有倾斜的连接边缘。倾斜边缘与另一预型件的边缘具有更宽的覆盖表面，同时确保连接区域的适当厚度。

本发明还涉及一种由复合材料制成并包括中空主体的部件，该部件可使用根据本发明的方法之一来获得。

使用参考附图给出的以下详细描述，将更好地理解本发明，附图表示了根据本发明的方法的不同步骤，其中：

图1是预型件的支撑元件的横向截面示意图；

图2示出了在图1所示的支撑元件上安置第一预型件的横向截面示意图；

图3是图2的截面示意图，其中第一预型件通过纤维膜保持；

图4示出了在图2所示的支撑元件上安置第二预型件的横向截面示意图；

图5是图4所示的组件的示意截面图，其中第二预型件通过第二纤维膜保持；

图6是用于缝合支撑元件上的两个预型件的覆盖边缘的步骤示意图；

图7是压紧步骤的示意图。

本发明涉及一种使用预型件制造部件(例如杆)的方法，该部件包含由复合材料制造的中空主体。

在相关的事例中，通过由两个干燥预型件11、12制成的部件来说明本发明，该预型件由用于制作所述部件的模型切制而成并且最初被加工成平坦的。因此每个预型件具有能够在成型之后填充待成型的最终容积的合适的形状、特定的几何形状的多个纤维层等。每个预型件11、12具有至少一层横向纤维111、121，横向纤维111和121具有足够的长度从一个横向端部112和122延伸到另一横向端部113和123。

当然，可以考虑到通过光成型来制备一些或所有的预型件11、12。此外，根据本发明的方法不局限于所给出数量的预型件。

虽然该方法试图促进干燥预型件的使用，但是可以考虑使用一些预浸渍的预型件。

支撑元件1被示意地表示在图1中。

可注意到支撑元件1由多个元件制成，如图1所示它由四个部件21、22、23和24制成，这些部件的组件构成接近成型几何构型的形状，并且其至少一个部件能够运动，以便改变卷绕周长，并有助于后面的压紧操作，并还能够在成型操作之后移除支撑元件。

内部机械装置(未示出)可以使部件12、22、23、24略微膨胀或收缩，以便略微增加或减小支撑元件1的周长。

根据本发明的方法的第一步骤被示意地表示在图2中，并且该步骤包括在支撑元件1上卷绕第一预型件11，预型件11的卷绕和成型通过移动外部刚性模型(未示出)、拉伸的柔性模型(未示出)、或通过牵拉最长的横向纤维111、121、或通过这些成型操作的组合、或通过终止于至少一个以上操作的一系列步骤来控制，并且之前的操作可以是在支撑元件1或具有封闭形状的另一支撑元件和真空的柔性容器或压制的刚性配合部件之间的成型操作。

然后，从预型件11、12的一个横向端部到另一横向端部的最长的连续横向纤维111、121的端部112、113、122、123，通过一个或多个保持装置在支撑元件上形成凸缘。随后，可以拆卸成型系统。

可注意到支撑元件1上的预型件11具有倾斜的端部112、113。这些端112、113由卷绕预型件11得到。实际上，如果内部和外部纤维111具有大致相同的长度，对于围绕更小半径卷绕的内部纤维111来说，相应的斜剖面将更加显著。由此得到倾斜端部112、113。

但是，这种正常成型的倾斜端部112、113很少产生足够长的端部。因此可以提供具有平的倾斜边缘的预型件11、12，此倾斜长度可以通过卷绕来加强。

这些倾斜端部112、113用来形成连接边缘，该连接边缘用由第二预型件12的倾斜端部122、123形成的相应连接边缘覆盖。

一旦第一预型件11围绕支撑元件1卷绕，使用保持装置通过卷边或甚至通过拉紧周边纤维来将预型件11保持在适当的位置。可以考虑使用多种保持装置。

在相关的事例中，图3表示包括纤维膜201的保持装置，该纤维膜201被安置在第一预型件上并紧握该第一预型件。纤维膜201具有横向端部201a、201b，然后使用任何合适的装置将横向端部201a、201b固定在支撑元件1内，优选地将其夹紧在形成于支撑元件1内的细槽内。在另一替代形式中，构成保持端部201a、201b的纤维可以是作为预型件11的一部分的周向纤维，其端部可被保持在该装置内。

预型件11或纤维膜201的周向纤维相对于支撑元件形成凸缘的事实，使得限定在所述纤维内的任何预型件部分具有最大周长，因此将各层之间的压紧程度保持接近由成型系统产生的程度，使得可以在干燥状态下控制层的厚度。

支撑元件1的两个部件21、22、23、24之间的夹紧的实现，使得可以通过支撑元件1的各个部件的简单膨胀来打开夹具。

因此，随着第一预型件11被保持和被拉伸，如果几何形状允许，使用相同的成型原理，可以使用与第一预型件11相同的成型装置，将第二预型件12卷绕在支撑元件1上。第二预型件12覆盖支撑元件1的其它部分，并且具有在连接区域处覆盖第一预型件11的倾斜端部112、113的倾斜端部122、123。

然后，第二预型件12的端部122、123同样形成凸缘，并且使用保持装置、特别是通过夹紧来将其保持在适当的位置。对于第一预型件11来说，图5表示使用第二纤维膜202保持第二预型件，第二纤维膜202被拉伸和被夹紧，以便保持预型件12所描绘的外周边。

保持装置被调整并且预型件11、12被拉伸，从而获得接近最终成型外周边的外周边，以便在成型过程中获得周向纤维的正确取向。

纤维膜201、202可由具有与预型件11、12相同性能或不同性能的纤维制成。

对于第一预型件11来说，端部202a、202b、202a、202b可通过第二预型件12的周向纤维边缘形成。

另外，图6表示预型件11、12的压紧步骤。通过支撑元件1的部件21、22、23、24的膨胀或分离装置，可以增加内部横向纤维所描绘的周长，同时可压紧连接区域，这有助于内层的周向纤维的取向。

优选的是围绕该组件将外部成型装置保持在适当的位置，以便通过限制第二预型件12的保持装置上的张紧来限制外周边，但是，在此操作过程中必须释放单个的预型件11的凸缘系统，以使内周边膨胀滑动。

对于第一预型件11来说，端部202a、202b可由第二预型件12的周向纤维的边缘制成。

如图7所示，在缝合步骤中，使预型件11、12在其连接区域处形成整体。

使用缝合(缝合、暗缝)、簇绒或Z-pinning(Z-销接)的公知方法来完成此操作。

优选地，纤维300可被选择成具有与构成预型件11、12的纤维相同的性能，但是可用足够小的针数将其缝合。

在Z-pinning的情况下，纤维300可被拉挤，即在将其插入预型件11、12的组件之前被涂覆树脂并被聚合。

缝合距可被选择以实现该组件的充分结合，同时保留各层相对彼此滑动的可能性。

可注意到预型件11、12通常通过以三维方向织造的纤维形成。在预型件11、12制成具有倾斜端部的情况下，这些区域通常不能以三维制造，更确切地说包括以二维方向织造的层的层叠制品。缝合步骤使得局部恢复这种三维编织的能力，为该组件提供更好的强度和抵抗能力。

相反，对于缝合操作来说，如果周向纤维202的形成凸缘系统足够，即如果控制外周边需要保持外部压紧形状，能够移除外部成型装置，这些外部模型可以部件形式制成，使得随着时间的推移暴露至用来进入外表面的进入窗口，从而插入连接纤维。

在缝合已经具有足够的抵抗能力时，然后可在缝合操作之后或者在其过程中拆卸外部保持装置以及成型装置。

连接区域的非连接端部，即被夹紧的端部，可以被切掉或留在原状态。

支撑元件1被回收成或被拆卸成部件21、22、23、24(当然构成支撑元件1的部件的数量不受到限制)，以将这样形成的完整的预型件移除。

还可注意到为了更好的有效性，缝合可在整个预型件的整个厚度上完成。支撑元件1可具有设置在连接区域的牺牲区域，牺牲区域用作缝合针经由的通道。如果可以准确地掌握针的穿透位置，此区域可以由柔性可穿透材料(例如多孔泡沫体)或具有与预型件大致相同类型的干燥纤维结构或例如蜂窝结构的穿孔结构或带槽的工具制成。

在使用两个以上的预型件的事例中，当然可以根据上述方法进行缝合步骤，以便回到两个预型件的事例。

还可注意到每个预型件的两个端部具有与其他预型件相同的覆盖规律并不是必须的。因此在所示的事例中，不要求端部112和113既被端部122覆盖又被端部123覆盖。当然端部112通过端部122覆盖而端部113通过端部123覆盖是完全可以的，反之亦然。

所述的方法使得可以在压紧和缝合步骤之后获得非常接近成型过程中获得的纤维容积率和有助于操控整个预型件的纤维取向的总体结合力。

因此下面的步骤包括根据公知方法的RTM/LRI成型步骤。

为此，根据部件的几何形状，模芯以一个或多个部件的形式被引入预型件内部。同样公知的是模芯是容器的形式，在预型件内膨胀。

但是模芯通常可被制成具有斜面的多个元件，使得它们在与整个预型件接触时产生相对径向运动，从而保持纤维适当取向，并因此有助于周向纤维的取向。

模芯和预型件的组件被插入通常包括至少两个模具的成型装置中。最终的压紧操作通过闭合外部模具来完成。还可以将芯体的最终膨胀物添加到其上。

通过根据RTM/LRI方法注射液体树脂以及通过在适当机械-热循环之后聚合所述树脂来确保纤维结构的压实。

根据需要，可以提供最终的加工步骤。

当然，本发明不仅仅局限于作为实例描述的杆的实施例，相反本发明包括具有中空主体的结构的所有变型。