[发明专利]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

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；