[发明专利]手动辅助操作层压系统

说明书

本发明涉及一种用于使复合材料成形和压实以便制成各种可具有三维(3-D)外形轮廓表面的层压制品的手动辅助操作层压(HAL)系统方法和装置。三维外形轮廓表面是具有X维、Y维和Z维(Z维为竖直方向维)的表面。更确切地说，本发明涉及这样一种方法和装置，即在其中将轮廓纤维加强的预浸处理(prepreg)的复合材料层一次放置一层，然后依靠一具有三维成轮廓的表面的叠放器具成形和压实。本发明还可描述为一种计算机辅助复合材料层压系统。该HAL系统将对环境产生良好的影响，这是因为它的采用将消除由预浸处理的材料构成的大量废料，这种废料是，在先有的手叠放层压方法中，由于操作人员的失误无意中产生的。

在制造民用飞机时，采用纤维加强的复合材料来制造层压结构的元件用于飞机的主要和辅助结构的元件正在日益推广，这是因为能节省最终的重量，为民用飞机驾驶人员节省燃油从而节省费用。用于制造先进的复合层压材料的制造方法需要将各预浸处理的复合材料层例如石墨纤维-环氧树脂材料一次放置一层以及各层精确地按各种不同的方位定位在叠放器具(也称为叠放用卷筒)上。每层必须成形并压实，以便在放下下一层之前与叠放器具的轮廓相一致。每层的压实用以除去夹在各层之间的空气，以便制造无孔隙和空洞的层压结构元件。因此，每层必须精确地在先前的一层上定位和定向，在叠加下一层之前必须将每一层压靠在叠放器具上的前一层上。按照先有技术的手动叠放层压方法，这些步骤既费力又耗时，因此，形成的结构元件费用很高。

因而长期感到需要一种机械或自动装置来制造用于飞机或用于其它例如汽车的层压结构元件，以便降低元件成本。在Mittelstadt等人的4,475,976号美国专利中公开了一种自动操作方法和装置，用以制造某些类型的复合材料制品，例如飞机用的通道式纵梁。在通道式纵梁的实例中，呈带状的纤维加强的复合材料层被一由一机架携带的带叠放头敷设。该带层放置在一具有通常为U形横断面和有真空排气口的上表面的叠放用卷筒(mandrel)上。该带层置于该卷筒的顶部腹板(web)上，带层的侧沿放置呈悬臂梁形。一柔性气袋膨胀成为张开状态并下降到卷筒和该带层的顶部上方。该气袋沿卷筒碾过使该带层向下沿着卷筒成形。随着该气袋碾过该卷筒，气袋使带层沿着在卷筒上的腹板和凸缘之间的两条弯曲轮廓线之间折弯并且同时约束该带层避免沿直线压折。当气袋完全张开时，气袋与由卷筒所携带的密封件相对接。通过该卷筒的真空排气口从在密封件内部介于气袋和卷筒之间的区域抽走空气产生真空以对该带层加压。因此在放另一带层之前每一复合带形材料层成形并压实。

在Mittelstadt等人的4,475,976号美国专利中的方法在成带形的纤维加强的复合材料层可以被一由一机架携带的带层叠放头叠放的情况下效果良好，并且有效地降低成本。但是，在具有更复杂的三维轮廓的结构元件的情况下，(即在例如在Mittelstad等人的上述专利中所介绍的由一机架携带的带层叠放头不适于放下预浸处理的材料层的情况下)，采用的是一种利用大的手动操作叠放用模板的费用很高的手动叠放压层方法，其中操作人员得用手将每一预剪的预浸处理的复合材料层按适当的位置和取向放置在叠放器上(即在该叠放器或先前预浸处理的材料层顶面上)。对于每一个结构元件，手动叠放压层方法包含使用一个或多个这样的手动叠放用模板。手动叠放用模板是由其中开有各种开口的柔性材料制成的，在接近每个开口处的模板的顶表面上写有层号和其它标记，以便引导操作人员使用模板。先有技术的手动叠放压层方法如下文实施。

由操作人员放置一正确的叠放模板(下文称为手动叠放模板)在该叠放器上部。每个预剪的预浸处理的复合材料层，需要按照适当的顺序将模板放置在叠放器上并利用定位销将该模板按适当的位置和取向固定。然后操作人员通过模板开口对于该层号形成一些标记，借此确定在前一层表面要放的下一层的轮廓线。操作人员从叠放器取走模板，然后放下一材料层并使其形状与叠放器的轮廓相一致，按照由轮廓线标记指示的该材料层的适当的位置和取向置于先前一层的顶面上。

为了压实该层(即除去在新的一层和先前的一层之间夹带的空气)，操作人员将一FEP层(一种由涂有聚四氟乙烯的聚酯薄膜制成的分离层)置于叠放器上然后操作人员在该FEP顶面上放一通气材料层(透气编织物或玻璃纤维布)。在这两种层的顶面上，操作人员放一尼龙袋材料层，利用一种胶粘带状材料围绕叠放器的周边形成密封。然后通过尼龙袋中的排气口抽真空以便对该层加压。由操作人员控制和监视时间和压力。解除真空和取走袋层。对于每一顺序的预浸处理的复合材料层重复整个过程，直到达到该层压的结构元件所需的层数。