[发明专利]半刚性工具

说明书

本发明涉及用于制备聚合物基质复合部件的工具和相关方法。

聚合物基质复合材料(PMC)，也称为纤维-强化的聚合物(FRP)，可以使用玻璃、碳、芳族聚酰胺或杂化纤维作为强化剂。它们可通过将一系列纤维织物或网状层铺设到对应于期望组件的形状的模具中而形成。当在模具中形成产品时，织物可用树脂预浸渍或可将树脂施加至碳纤维层。然后将树脂固化，以形成最终产品。

在本领域中已知用于形成纤维-强化的聚合物产品的各种制备技术，包括压缩模具、封闭式和部分封闭式工具加工、开放式模具加工(mould tooling)、中空工具加工等。现有制备技术，例如以上所列技术，一般适用于大多数碳纤维产品的制备。然而，在需要严格的几何公差的产品制备中出现了大量问题。

在使用用真空袋覆盖的开放式模具(open mould)制备复合材料的情况，缺点是与模具接触的组件表面是被控制的，但袋侧表面则不被控制。袋侧几何形状的变化量与组件厚度成比例。部件的截面越厚，与标称的偏差可以越大。

在使用常规的封闭式模具安排制备复合材料的情况，缺点是一旦上部和下部模具连结在一起，模具内表面施加至部件的内部压力可变化。在固化处理期间，一旦密闭，部件不再承受外部压力，但相反模具内的内部压力变成流体流变学和所选复合材料的结构特性的函数。因此，施加至部件的压力和得到的几何形状不能被控制。对于具有大公差的简单产品，这些问题一般是不考虑的，但当制备具有复杂剖面的部件例如机翼(aerofoil)时，它们尤其成问题。应理解，在制备空气动力学组件例如机翼等时，产品的最终几何形状对于产品的操作是必要的。

本申请人已确定现有制备技术不允许形成的产品具有一些航空组件和特别是空气动力学组件所必需的公差。具体地说，申请人认为，现有碳纤维制备技术例如封闭式模具加工在固化处理期间没有将控制的压力施加至内部组件(在模腔内)，导致差的树脂固结和差的部件公差。

本发明提供一种工具加工安排(tooling arrangement)，该工具加工安排克服了本领域的问题，且其允许使用碳纤维等制备改进的组件。

从第一方面看，提供了聚合物基质复合产品成形工具，该工具包括在其间限定腔的第一部分和第二部分，其中第二部分被安排成在固化条件下相对于第一部分挠曲(deflect)。

本发明提供一种工具，其能够形成较厚的层压组件，其中开放式模具加工等由于许多航空组件必需的严格几何形状控制而不能使用。

允许工具的一部分在固化条件下按照预定量挠曲，这允许固化期间部件上的压力以及被制备的部件的最终形状被控制。因此，按照本发明的一方面的工具安排提供一种工具和相应的制备方法，该工具和方法确保使用任何纤维形成具有改善的精确度的组件，并去除所得组件的填充和/或广泛机械加工的需要。此外，按照本发明的工具加工安排允许形成的实心(solid)部件具有改善的精确度并符合严格的公差。本发明改善了所制备组件的上表面几何形状，改善了上表面的精加工，并给出了树脂对纤维比的更大控制。这对于空气动力学组件例如机翼包括风机叶片等特别重要。

术语″刚度″用于表示工具第二部分的变形能力的程度。实际上，相对于工具的第一部分，工具的第二部分提供有一定程度的柔性。当将压力施加至工具时，工具的第二部分可以通过其被控制的刚度相对于第一部分变形或挠曲。因此，工具的第二部分可以将被控制的固化压力施加至包含于腔内的部件的整个表面。结果，大大改善了工具内树脂的固结并控制部件的几何形状。

实际上，提供了两部件(two-part)工具，其中工具第二部分的全部或部分安排成半刚性的。术语半刚性用于显示刚度，选择该刚度以允许一定程度的挠曲。需要该挠度以在整个固化过程中在产品上保持压力。因此，如果产品体积减小至上下模具形成的模腔之下，那么上部的模具(第二工具部分)可有利地变形，以相应地减少模腔体积和保持产品上的压力。

第二部分的刚度基于在固化压力和温度下，工具的第二部分相对于工具的第一部分要求的挠度确定。固化条件一般通过高压釜施加。根据待制备的部件，刚度可为均匀的刚度，均匀的刚度是指整个表面按照相同的量挠曲。或者，第二部分可提供有跨越其表面变化的刚度，以跨越部件表面按照变化的量挠曲。刚度可根据局部组件厚度而变化，对一些区域给予比其它区域更好的几何形状控制。