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CN103180123B - 用于借助形状记忆聚合物设备来形成一体式复合部件的方法和系统 - Google Patents

用于借助形状记忆聚合物设备来形成一体式复合部件的方法和系统 Download PDF

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CN103180123B CN201180050951.4A CN201180050951A CN103180123B CN 103180123 B CN103180123 B CN 103180123B CN 201180050951 A CN201180050951 A CN 201180050951A CN 103180123 B CN103180123 B CN 103180123B
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Abstract

一种用于制造诸如机身或内部加强件的复合部件的方法和设备，其中形状记忆聚合物（SMP）设备可用作刚性层叠工具。该SMP设备可以被加热直至可延展、成形，然后冷却成期望的刚性工具构造。例如，可以将空腔形成到SMP设备内，用以使部件嵌装入其内，以与复合部件共粘结或共固化。复合材料和/或嵌入的部件可以被加热和压抵所述SMP设备。SMP设备可构造成在复合物固化循环过程中保持刚性。一旦复合材料固化，可将SMP设备触发到可延展状态，并将其推离固化的复合材料。

Description

用于借助形状记忆聚合物设备来形成一体式复合部件的方法和系统
相关申请
该非临时专利申请要求2010年11月11日提交的题为“Bladder StyleReconfigurable Tooling(囊体式可重构工具)”的系列号为61/412,635的早前提交的美国临时专利申请的优先权权益，该申请的全部内容以参见的方式纳入本文。本申请还要求了2010年12月21日提交的题为“Bladder StyleReconfigurable Tooling(囊体式可重构工具)”的系列号为61/425,435的早前提交的美国临时专利申请的优先权权益，该申请的全部内容以参见的方式纳入本文。此外，该申请要求了2011年5月16日提交的题为“Methodsand Systems for Fabricating Composite Parts with SMP Mandrels/Bladders(用SMP芯轴/囊体制造复合部件的方法和系统)”的系列号为61/486,539的早前提交的美国临时专利申请的优先权权益，该申请的全部内容以参见的方式纳入本文。
技术领域
本发明涉及一种采用由形状记忆聚合物(SMP)制成的可重复使用设备来制造复合部件的系统和方法。
背景技术
诸如在飞行器制造中使用的那些复合部件可采用各种生产方法来构造，诸如细丝缠绕、带铺放、外编织、碎断纤维粗纺、涂覆、手糊或其它复合物处理工艺和固化工艺。大多数这些工艺采用刚性固化工具/芯轴，复合材料施加于该工具/芯轴上，然后固化成刚性复合部件。从固化的复合部件移除刚性固化工具或芯轴通常较困难和/或耗时，特别是如果所得的复合部件具有妨碍到简单地移除部件的会被陷住的几何形状的话。一种移除芯轴的已知方法需要通过切割、溶解、喷珠或以其它方式将芯轴分解成能从复合部件内移除的较小的片来牺牲或破坏芯轴。破坏芯轴显然造成它不能再用于后续部件，并且会对复合部件的内表面造成破坏。
另一方法采用分段的芯轴，该芯轴能在复合部件固化之后拆下并移除。然而，这些芯轴较贵并需要大量时间来安装和移除。此外，这些分段的芯轴通常都设计成制造特定复合部件，并且不容易重构而用于制造其它复合部件。
又一方法采用可膨胀芯轴，该芯轴能在复合部件固化之后通过缩小芯轴来移除。然而，该方法通常涉及气囊状芯轴，该芯轴由于它们相对缺乏强度和刚度所以在复合物层叠期间仅能用于辅助装袋。
另一种替代方法涉及涂覆有硅的泡沫工具或芯轴。这种泡沫工具可覆盖有硅袋，然后卷绕有未固化的复合材料。在固化过程中，该硅袋膨胀，泡沫工具融化。在固化之后，该硅袋可移除并再次使用。然而，泡沫工具不可再使用，因此必须在每个固化循环中从新的泡沫机加工出新的泡沫工具。
由此，需要制造复合部件的改进方法。
发明内容
本发明的实施例提供采用形状记忆聚合物(SMP)设备来制成复合部件的方法。一个示例性方法可包括将复合材料施加于SMP设备的至少一部分上，触发SMP设备的从刚性状态到可延展状态的模量改变，将复合材料加热到复合材料固化温度，以及引发在固化之前和/或期间将处于其可延展状态的SMP设备驱向复合材料的压力差，以将复合材料压抵刚性模具。可以通过将温度变化、电流、水和光中的至少一种施加于SMP设备来触发模量的变化。一旦固化完成，可释放压力，SMP设备可从所得的固化复合部件内移除。
制造复合部件的另一示例性方法可包括如下步骤：将复合材料施加于SMP设备的至少一部分上；将复合材料和SMP设备放置于刚性模制工具内的空腔内，以使复合材料的至少一部分抵靠刚性模制工具；将非渗透性材料片放置于复合材料和SMP设备上；以及将非渗透性材料片密封到刚性模制工具和/或SMP设备。接下来，该方法可包括将复合材料加热到复合材料固化温度，触发SMP设备将模量从刚性状态改变到可延展状态，以及引起足以将非渗透性材料片和处于可延展状态的SMP设备向复合材料驱动的压力差，由此在将复合材料固化成复合部件之前和期间将复合材料的至少一部分压抵刚性模具。
在本发明的又一实施例中，制造具有集成的加强件的复合部件的方法可包括如下步骤：将SMP设备触发到可延展状态；将处于可延展状态的SMP设备成形为对应于待制造的复合部件的第一表面的期望构造，包括将SMP设备成形为具有为了将加强件放置于SMP设备内而构造的一个或多个空腔；将SMP设备触发到刚性状态；将加强件放置于空腔内；将复合材料施加于SMP设备和搁置于空腔内的加强件的露出表面上；以及通过压力和热量使加强件与SMP设备上的复合材料共固化或共粘结，以制造复合部件。
在本发明的另一实施例中，从固化的复合部件内移除SMP设备的方法包括如下步骤：将SMP设备从刚性状态触发到可延展状态，包括将处于可延展状态的SMP设备远离固化的复合部件并向着内芯轴工具驱动的压力差；以及从固化的复合部件移除内芯轴工具以及搁置于其上的SMP设备。内芯轴工具可包括具有变化轮廓的外表面，因而，外表面的表面面积大到足以在向内芯轴工具驱动SMP设备时防止SMP设备折叠到其自身上或者起皱。外表面上各点之间的最大直线距离可以小到足以允许有用于从固化的复合部件移除的内芯轴工具间隙。
在本发明的又一实施例中，制造具有集成的加强件的复合部件的方法可包括如下步骤：将SMP设备成形或铸造为对应于待制造的复合部件的第一表面的期望构造；将SMP设备成形或铸造为包括一个或多个空腔，该空腔构造为用于将加强件放置于该空腔内；将加强件放置于空腔内；将复合材料施加于SMP设备和搁置于空腔内的加强件的露出表面上；以及通过压力和热量使加强件与SMP设备上的复合材料共固化或共粘结，以制造复合部件。在本发明的该实施例中，SMP设备可在加强件与复合材料共固化或共粘结的整个过程中保持于刚性状态。
提供本发明内容部分是为了以简化的形式引入对概念的选择，这些概念将在下文中的具体实施方式部分更加详细地描述。该发明内容不是用来确定所要求保护的主题的关键特征或主要特征的，也不是用来限制所要求保护的主题范围的。从附图和以下对较佳实施例的详细说明中，本发明的其它方面和优点将变得显而易见。
附图说明
下面参照附图来详细描述本发明的实施例，其中：
图1是根据本发明的实施例构造的SMP设备的立体图，该SMP设备示出为用作其上放置有复合材料的芯轴；
图2是图1的SMP设备的垂直剖视图，SMP设备向外膨胀以起到囊体的作用，从而将位于SMP设备上的复合材料压向外部模具；
图3是处于刚性、膨胀状态的SMP设备的另一实施例的立体图；
图4是根据本发明的实施例构造的内芯轴工具的立体图；
图5是在图3的SMP设备在图4中所示的内芯轴工具上滑动并加热而收缩成抵住内芯轴工具之后的SMP设备的分解立体图，并且还示出构造成将SMP设备在其各端处密封到内芯轴工具的端部密封件；
图6a是根据本发明的实施例构造的内部加强件的立体图，这些内部加强件构造成共粘结或共固化成复合部件；
图6b是根据本发明的实施例构造的拟设(dummy)蒙皮和拟设加强件的局部立体图，以有助于将图5的SMP设备形成为期望的刚性工具构造；
图7是图6的拟设蒙皮和拟设加强件的局部立体图，该图还示出放置于拟设加强件上方和上面的增强插入件；
图8是放置于根据本发明的实施例构造的刚性外部工具内的、图5的内芯轴工具的分解立体图；
图9是处于期望的刚性工具构造的、图5的SMP设备的立体图，其中，拟设内部加强件搁置于在SMP设备内形成的空腔内；
图10a是处于期望的刚性工具构造的图9的SMP设备的立体图，其中，从在SMP设备内形成的空腔移除了内部加强件；
图10b是处于期望的刚性工具构造的图5的SMP设备的立体图，其中，图6a的内部加强件搁置于在SMP设备内形成的空腔内；
图11是图9的SMP设备的立体图，复合材料施加于该SMP设备上并在内部加强件周围；
图12是在复合材料固化之后图11的复合材料和SMP设备的局部立体图，该图示出一旦SMP设备被加热并向内芯轴工具回缩时SMP设备和固化的复合材料之间的间隙；
图13是共固化或共粘结成刚性机身的、图12的复合材料和图6的内部加强件的立体图，其中，从该机身移除了内芯轴工具、刚性外部工具和SMP设备；
图14是根据本发明实施例的将SMP设备形成为期望的刚性工具构造的方法的流程图；
图15是根据本发明实施例的采用SMP设备制造机身的方法的流程图；
图16是在两个SMP设备和刚性模制工具之间形成的J桁条的局部剖视图，每个SMP设备是根据本发明的实施例来构造的；以及
图17是根据本发明实施例的采用SMP设备制造复合加强件的方法的流程图。
附图并不将本发明限制于文中公开和描述的特定实施例。这些附图不一定是按比例绘制的，重点是清楚地示出本发明的原理。
具体实施方式
本发明的以下详细说明参照说明可实施本发明的具体实施例的附图。这些实施例意在足够详细地描述本发明的各方面以使本领域的技术人员能够实践本发明。可利用其它实施例并进行更改而不偏离本发明的范围。因此，以下详细说明没有限制的意义。本发明的范围仅由所附权利要求书、以及这些权利要求所涵盖的等同物的全部范围所限定。
在本说明书中，对“一个实施例”、“实施例”或“各实施例”的参照意指所指代的结构或各结构包括在该技术的至少一个实施例中。在本说明书中，单独参照“一个实施例”、“实施例”或“各实施例”并不必要指代同一的实施例，并且也并非是彼此排斥的，除非特别陈述和/或本领域技术人员能从说明书中显而易见。例如，一个实施例中描述的特征、结构、作用等等也可包括在其它实施例中，但并非必须包括在其它实施例中。因此，本技术可包括本文所描述各实施例的各种组合和/或集合。
用SMP设备来制造复合部件
本发明的一个实施例是用于制成复合部件的方法。本发明的该实施例可借助如图1-2中最清楚可见的形状记忆聚合物(SMP)设备12和/或后文所述并在图2中所示的刚性外部工具28来实施。SMP设备12可用作如图1中所示的用于将复合材料14施加于其上的芯轴或刚性工具和如图2中所示的在将复合材料14固化成硬化的复合部件过程中向复合材料14提供向外压力的囊体。
SMP设备12可由铸造成任何记忆形状的SMP材料制成。例如，可以采用本领域已知的任何方法将SMP设备12铸造成具有一个或多个开口端部的细长和/或中空构造，这些方法诸如是美国专利第7,422,714号中公开的形成SMP筒体的方法，该专利的全部内容以参见的方式纳入本文。例如，SMP设备12可以是在两个相对端部处开口的预制成的SMP筒体或者圆筒。替代地，SMP设备12可具有任何截面形状，诸如梯形、矩形、方形或三角形，或者可铸造成非中空的构造。SMP设备的铸造形状在本文中被称为记忆形状。
用于形成SMP设备12的SMP材料可以是增强型或非增强型SMP材料。具体来说，用于形成SMP设备12的SMP材料可以是环氧、环氧基SMP、苯乙烯共聚物基SMP或任何其它类型或组合的SMP，如氰酸酯、聚氨酯、聚乙烯均聚物、苯乙烯-丁二烯、聚异戊二烯、丙烯酸十八酯和丙烯酸或丙烯酸甲酯的共聚物，降冰片烯或双甲烷八氢萘均聚物或共聚物、以及马来酰亚胺。例如，用于SMP设备12的SMP材料可以是美国专利第7,422,714号、美国专利第6,986,855号、美国专利第7,276,195号、美国专利申请公开第2008/0021188号、美国专利申请公开第2008/0021166号和/或美国专利申请公开第2008/0269420号中所述的任一SMP，这些专利或专利申请的全部内容以参见的方式纳入本文。然而，存在许多其它类型的SMP，并且这些SMP可以专门设计成符合特定的容差和温度要求。
各种SMP材料的模量可以通过若干不同方法改变，诸如温度变化、电流、水和/或光。然而，文中所述的示例性方法公开了采用温度变化来使SMP设备12从可延展状态转换成刚性状态以及相反转换。不过，用于使SMP设备12的SMP材料的模量变化的上述触发因素中的任一种可用于文中所述的复合部件制造方法，而不脱离本发明的范围。
SMP材料的玻璃化转变温度(Tg)在此定义为阈值温度，即，在该阈值温度和/或以上，SMP材料开始过渡到较低模量状态、变软和/或可延展，以进行变形。因此，本发明的SMP设备12可构造成当将SMP设备12加热到其Tg以上时开始变柔性可成形，而在冷却到其Tg温度以下时变刚性。如果SMP设备12在Tg以上的温度下变形、然后当其温度降低到Tg以下时保持在该变形状态下，则SMP设备12在该变形状态下硬化。当再次加热时，SMP设备12一般可返回到它初始铸造的记忆形状，除非由另一力作用于该SMP设备。尽管SMP设备12的模量变化可以在Tg开始，但可以有SMP设备12变得愈加可延展的过渡温度范围。
SMP设备12可由具有适于文中所述的使用和方法的任何Tg的SMP材料制成。在本发明的一些实施例中，Tg可以等于或小于复合材料14的固化温度，因而，SMP设备12可以在复合部件的固化期间用作可扩张囊体。在本发明的其它实施例中，Tg可以大于复合材料14的固化温度，以使SMP设备12可以在复合部件的固化过程中保持刚性。
尽管SMP设备12可设计成具有任何Tg，但在本发明的一些示例性实施例中，Tg可以是100°F与700°F之间的温度。具体来说，Tg可以是100°F和200°F、200°F和300°F或在300°F和400°F之间的温度。更具体来说，Tg可以是125°F和175°F、250°F和300°F或在350°F和400°F之间的温度。在本发明的一个实施例中，SMP设备12的Tg可以约等于143°F、275°F或375°F。SMP设备12可以在加热经过在Tg开始或以Tg为中值的过渡温度范围时变得愈加可延展，并且可以在经过该过渡温度范围而冷却到Tg或以下的温度时逐步硬化到其刚性状态。
刚性外部工具28可以具有制造复合部件所期望的任何形状或构造。在本发明的一些实施例中，刚性外部工具28可具有中空空间，SMP设备12和复合材料14可放置于该中空空间内。例如，刚性外部工具28可以是圆筒形工具或蛤壳状工具。如图2中所示，刚性外部工具28可形成复合部件的外表面。在本发明的替代实施例中，刚性外部工具28可以由形状设计成并构造成形成复合部件的内或外表面的任何类型的模具来替换。在本发明的一些实施例中，刚性外部工具28还可用于有助于使SMP设备12成形或形成。例如，如下面详细所述那样，拟设蒙皮22、拟设内部加强件23和/或增强插入件26可放置于刚性外部工具28内或附连于刚性外部工具28，以提供用于SMP设备12的期望模具构造。
放置于SMP设备12上以形成复合部件的复合材料14可包括低温树脂、高温树脂、韧性树脂、预浸料坯、湿处理纤维、干纤维、连续纤维、不连续纤维、斩碎纤维、玻璃、凯夫拉尔、碳和/或芯部，或者呈这些形式。芯部在此定义为使两层复合材料分离的任何偏移部件。例如，芯部可包括泡沫、热塑料、蜂巢材料、铝、纤维玻璃酚醛塑料、碳、诺梅克斯等。芯部还可指芯板、蜂巢状芯部或夹芯板。此外，SMP设备12的化学组成可包括环氧，BMI，苯并恶嗪，乙烯，丙烯酸，聚酯，聚酰胺，邻苯二甲腈和本领域已知的任何其它相似物质。可采用自动织物铺设、自动纤维铺设、自动细丝卷绕、织物铺设、手糊或本领域已知的任何其它方法将复合材料14置于SMP设备12上。复合材料14可构造成诸如在高压釜内、在高压釜外、经由低温固化工艺和/或高温固化工艺来硬化或固化。
使用时，SMP设备12可形成为刚性工具构造，然后可将复合材料14施加于SMP设备12上。例如，SMP设备12可通过放置于SMP设备12内的一个或多个内模具和/或放置于SMP设备12外的一个或多个外部模具(诸如刚性外部工具28)来成形。内部或外部模具可包括一体形成或组装在一起的任何数目的部件，以向SMP设备12提供期望的形状，诸如放置于处于任何期望构造的刚性外部工具28内或上的拟设蒙皮22、拟设内部加强件23和/或增强插入件26。然而，可以在不脱离本发明的范围的情况下采用形成SMP设备12的任何方法。
在本发明的一些实施例中，SMP设备12可以密封到内部或外部模具、加热、然后压抵内部或外部模具。例如，SMP设备12可借助通过膨胀、真空和/或用于将SMP设备12推向模具的本领域中已知的任何其它方法引发的压力差来压抵到模具上。具体来说，SMP设备12可进行加热，并向外部模具膨胀成用于形成复合部件的内表面的构造。一旦SMP设备12冷却成刚性工具构造，如图1中所示，可从内部或外部模具移除SMP设备12，且复合材料14可采用本领域已知的任何方法放置于SMP设备12上，诸如纤维铺放。在SMP设备12形成为对于将施加于该SMP设备的复合材料14的期望形状之后，SMP设备12可以在此被称为“刚性工具构造”。
在本发明的一些实施例中，可以将空腔40形成到SMP设备12内，以使部件(诸如像复合框架、桁条或芯部的内部加强件)可放置于空腔内，以共粘结或共固化到复合材料14。然后，复合材料14可放置于SMP设备12和将与其共粘结或共固化的部件上方和/或上面。这些空腔40可以在施加复合材料14期间将共粘结或共固化到复合材料14的部件保持在位，而无须任何机械附连件。附加地或替代地，可采用各种约束件，以在施加复合材料14期间将内部加强件保持在位。然后，通过SMP设备12的压力可将这些部件或内部加强件在固化期间压抵复合材料，由此将它们共固化或共粘结在一起。
附加地或替代地，SMP设备12的尺寸和形状可构造成允许较厚的复合材料14或附加的复合材料14层在选定的位置施加于SMP设备12上。例如，SMP设备12可具有截面面积较小的一部分和截面面积较大的一部分。SMP设备12的截面面积较小的部分可允许较大量的复合材料14施加于其上。一般来说，SMP设备12可成形为并构造成提供SMP设备12和刚性外部工具28之间足够的间隙或偏移量，以使期望厚度的复合材料14和/或内部加强件能装入所述偏移量内。
一旦施加了复合材料，可向SMP设备12和复合材料14施加热量和压力，以使复合材料14固化和/或将其它部件或内部加强件共固化或共粘结到复合材料14。此外，还可采用热量来改变SMP设备12的模量。例如，SMP设备12和复合材料14可放置于刚性外部工具28的中空空间内，并且如使复合材料14固化所需地进行加热并加压。在一些实施例中，在此固化过程中所用热量可以大于SMP设备12的Tg，从而使SMP设备12转换到其可延展状态，而从SMP设备12内和/或外施加的压力差(例如通过高压釜)可将SMP设备12推向刚性外部工具28。具体来说，热量可使SMP设备12从刚性工具构造变为囊体构造，如图2中所示，在该囊体构造下，SMP设备12变得柔性和可膨胀，起到内部囊体作用，以将SMP设备12压抵刚性外部工具28。此外，在本发明的一些实施例中，较小的压力差或加压可施加于SMP设备12直至它的温度超过Tg，在Tg下，压力可逐步上升到期望的压力全量。
因此，SMP设备12可用于将复合材料14压抵刚性外部工具28或任何替代的刚性模具表面。如文中所述，可使用多种方法来引起压力差，SMP设备12以气密的方式密封到文中所述的刚性工具或模具中的一个，因而，在固化过程中，SMP设备12向复合材料膨胀和/或抵靠复合材料14而抽回。在本发明的一些实施例中，通过高压釜来引起压力差。
替代地，在本发明的一些实施例中，可以将处于可延展状态的SMP设备12推向刚性表面的方式施加真空袋或其它非渗透性材料，以将复合材料14压缩在SMP设备12和刚性表面之间。在本发明的该实施例中，真空袋或其它非渗透性材料可以密封到文中所述的刚性工具或模具中的一个，比如刚性外部工具28。如果SMP设备12不是非渗透性的，在SMP设备内包括任何孔或裂口和/或不能密封到另一表面，从而在SMP设备12和它所密封的表面之间会产生压力差，则这会是特别有用的。例如，通过施加于真空袋的压力差，真空袋可密封到刚性外部工具28，并沿期望方向驱动处于其可延展状态的SMP设备12。
如上所述，SMP设备12可构造成响应于除了热量外诸如电流、水和/或光的触发因素而经历模量变化。因此，在本发明的一些实施例中，当复合材料14固化时，其它触发因素中的一种还可应用于SMP设备12，因而，SMP设备12可延展到足以使复合材料14膨胀或以其它方式压抵刚性外部工具28。
一旦复合材料14固化，压力差可基本上平衡，同时温度保持在Tg以上，然后可将处于柔性囊体构造的SMP设备12从固化的复合部件移除。替代地，一旦复合材料14固化，可以引发足以推动SMP设备12离开固化的复合材料的压力差。在本发明的一些实施例中，SMP设备12可收缩回到它的初始或记忆形状，从而允许容易地将SMP设备12从所得的复合部件移除。在本发明的其它实施例中，如后文所述，放置于SMP设备12内的内芯轴可构造成将SMP设备12(仍处于其可延展状态)抽离复合部件。在本发明的一些实施例中，可以在SMP设备12仍处于可延展状态时将SMP设备12推离固化的复合部件，然后在从固化的复合部件移除之前允许再次冷却和/或变成至少略刚性或完全刚性。
SMP设备12可用于形成可变几何尺寸的多种复合部件，诸如具有会被陷住的几何形状的复合部件。例如，复合部件可以是飞行器机身、机翼、机舱、面板、管道和飞行器结构支承件或加强件。飞行器结构支承件的示例可包括桁条、框架、梯形帽状加强件、钟形加强件、倒帽状加强件、J-加强件、F-加强件、叶片加强件、I-加强件和C-加强件。此外，用SMP设备12形成的复合部件可包括旋翼飞行器、桥塔、推力反向器、罩盖、入口、小翼、翼梢、垂直和水平稳定器、机架结构、尾翼、翼梁、肋部、管状机架结构、控制表面、机头前部段、减振器、机翼、副翼、扰流器、缝翼、转矩管、驱动轴、整流罩、发动机入口、排气喷嘴、排气锥体、推进器、齿轮箱、传动机构外壳、囊套、旋翼桨叶、燃料箱、起落架、起落架舱、机门、副架、纵梁、网托盘、支撑件、支架、机架稳定器、火炮装置、控制底座、仪器控制台等。当SMP设备12处于其刚性工具构造时，这些复合部件可采用SMP设备12通过先将复合材料14抵靠SMP设备12的至少一部分放置来形成。然后，在将复合材料14固化成复合部件过程中，可将复合材料14压抵处于刚性或可延展状态的SMP设备12和/或被SMP设备压缩。在本发明的一些实施例中，如后文所述，可采用多于一个的SMP设备12来制造复合部件。在本发明的采用多个SMP设备来形成复合部件的一些实施例中，SMP设备可构造成具有如上所述用于改变不同SMP设备的模量的不同Tg温度或不同触发因素。
此外，如后文所述，内部加强件可采用SMP设备12与诸如上面所列的复合部件之类的任何复合部件一起共固化或共粘结。术语共固化在此定义为使两个未固化的复合部件同时固化和粘结。术语共粘结在此定义为同时使一个未固化的复合部件固化并使该未固化的复合部件粘结到硬化部件或之前固化的复合部件。内部加强件可如上定义地例如包括框架、桁条或芯部。框架和桁条可以是相对于复合部件的长度横向和/或垂直延伸的细长结构加强件。在本发明的一些实施例中，框架可以横跨呈格栅状构造的桁条。一些特定类型的框架和桁条的示例可包括梯形帽状加强件、钟形加强件、倒置帽形加强件、J-加强件、F-加强件、叶片加强件、I-加强件和C-加强件。此外，SMP设备12可用于形成多种其它复合部件，诸如拖车、汽车管道和歧管、软管、轮胎、涡轮增压机、油箱、汽车、赛车、船舶、快艇、自行车、独木舟、皮船、桨、运动用品、枪托、手柄、弓弩和配件、高尔夫俱乐部和相关部件、钓竿、吉他、管路、支柱、建筑物供应品、风轮机叶片、发动机部件、家具、桅帆、电子仪器外壳、保护件、驱动轴、卫星、导弹和航天器。这些复合部件可采用类似于文中所述的方法中任一个的方法来形成。
用SMP设备制造机身
本发明的另一实施例是如图13中所示地用集成的内部加强件24来制造飞行器机身15的方法。可用如上所述的SMP设备12连同如图2-12中最清楚可见的内芯轴工具16、端部密封件18、20、拟设蒙皮22、内部加强件24、增强插入件26和刚性外部工具28来执行该实施例的方法。
在本发明的该实施例中，如图3中所示，SMP设备12可具有参照图1-2中所示的本发明的实施例上述的优点和特征。此外，SMP设备12可具有如其铸造记忆形状那样的圆筒形、瓶形、漏斗形、圆锥形或筒形。然而，可以在不脱离本发明的范围的情况下采用任何其它铸造记忆形状。在本发明的一些实施例中，SMP设备12可在膨胀状态下被接纳。具体来说，SMP设备12可以在之前已被加热并膨胀到比其记忆形状大的直径，然后在该膨胀状态下冷却和硬化。SMP设备12可包括一个或两个开口端部。在本发明的一些实施例中，SMP设备12的直径可以是约1英寸到35英尺，长度可以是约1英尺到75英尺。然而，SMP设备12可以在不脱离本发明的范围的情况下具有任何尺寸。
如图4中所示，内芯轴工具16可由在整个复合物固化周期中保持刚性的任何刚性、耐久材料制成。在本发明的一些实施例中，内芯轴工具16可以是大体筒形的。此外，内芯轴工具16可以是中空的、具有筒形壁30和两个相对端部32、34，这些端部可以包括至内芯轴工具16内的中空空间的开口(未示出)。
在本发明的一些实施例中，一个或多个膨胀开口36可穿过圆筒形壁30设置，因而，压缩气体可诸如借助空气管线(未示出)而被推入中空的内芯轴工具16内，由此提供从内芯轴工具16向外的膨胀力。如下所述，膨胀开口36还可构造成在制造机身15的各个步骤过程中将SMP设备12吸抵内芯轴工具16。
在本发明的一些实施例中，内芯轴工具16的外表面还可包括变化轮廓。例如，该变化轮廓可包括许多突起部38和/或凹陷部，用以在复合部件固化之后使SMP设备12恢复。具体来说，如图4中所示，筒形壁30的外表面可包括呈周向或轴向间隔开并且大致彼此平行设置的多个脊部或肋部形式的突起部38。每个脊部或肋部可在内芯轴工具16的相对端部32、34之间延伸，并可如图4中所示以在内芯轴工具16的相对端部32、34之间延伸的波状或正弦形图案而成形。附加地或替代地，突起部38可以是绕内芯轴工具16形成的一个或多个同心环，或者可具有任何其它构造。突起部38可以一体形成于或以其它方式附连于内芯轴工具16。
变化轮廓或突起部38的目的可以是将较大量的应力引入SMP设备12内的较小截面区域内。具体来说，当由所引发的压力差将SMP设备12推向内芯轴工具16以从固化的复合部件内移除时，变化轮廓或突起部38防止SMP设备12折叠到其自身上。例如，如后文所述，在固化期间向外扩张之后，SMP设备12可伸展开。由变化轮廓或突起部38引起的轴向和/或环向应力可防止SMP设备12折叠到其自身上或起皱、并破坏SMP材料。
因此，变化轮廓、突起部38和/或凹陷部本质上提供使SMP设备12抵靠收缩的较大表面积，而无须增大内芯轴工具16的尺寸和/或横截面。在图4中所示实施例中，如果内芯轴工具16的半径是“r”而长度为“L”，则表面积的等式通常为2π*r*L。然而，由于从图4中的内芯轴工具16的表面伸出的突起部38，图4中的内芯轴工具16的表面积大于2π*r*L。
如图5中所示，端部密封件18、20可以是任何端部配件、密封件和/或密封剂，它们构造成在SMP设备12的端部32、34处或附近提供SMP设备12和内芯轴工具16之间的气密密封。例如，端部密封件18、20可以是型锻锁定件(swage lock)，它们成形和构造成在SMP设备12的靠近SMP设备12开口端部的部分上附连于内芯轴工具16的端部32、34，由此形成SMP设备12内的压力容器。由于SMP材料的特性，需要热量来在端部密封件18、20、SMP设备12和/或内芯轴工具16之间形成充分的密封。在本发明的一些实施例中，端部密封件18、20可以为大体圆形的型锻锁定件。在本发明的一些实施例中，可以通过借助馈送通过端部密封件18、20的一个或多个空气管线(未示出)将压缩气体泵送到SMP设备12内来引入膨胀压力。然而，可通过端部密封件18、20、内芯轴工具16和/或刚性外部工具28内的任何开口提供施加于SMP设备12的压力，而不脱离本发明的范围。注意到在本发明的一些实施例中，端部密封件18、20可以省去或者构造成附加地或替代地将SMP设备12密封到刚性外部工具28上。
如图6b和7中所示，拟设蒙皮22可由任何材料制成，并且厚度对应于将放置于SMP设备12上的未固化复合材料14的厚度。拟设蒙皮22可由复合材料形式、金属、未增强塑料或在热量和压力下具有良好尺寸稳定性的任何材料制成。例如，拟设蒙皮22可由诸如石墨纤维增强的环氧复合层叠件之类的复合材料制成。如后文所述，拟设蒙皮22构造成在将SMP设备12变形为刚性工具构造的过程中被放置于刚性外部工具28内。在本发明的一些实施例中，拟设蒙皮22还可包括或一体地形成有拟设内部加强件23拟设。
如图6b和7中所示，在将SMP设备变形为刚性工具构造过程中，拟设内部加强件23可以是尺寸和形状基本上等同于内部加强件24的刚性结构，并设置在拟设蒙皮22上，以表示固化或未固化的内部加强件24。拟设内部加强件23可以替代地将尺寸和形状设计成在将SMP设备变形为刚性工具构造过程中表示内部加强件和增强插入件26。
如图6a和10b中所示，内部加强件24可以是构造成共粘结和/或共固化到机身或其它复合部件的复合材料14的任何子结构加强件。内部加强件24可以是弯曲成与机身的内表面轮廓匹配的细长结构部件。内部加强件24可包括呈诸如框架和桁条的内部框架件形式的固化复合材料或未固化复合材料。如后文所述，内部加强件24可在固化期间经由增强插入件26保持在期望的形状。内部加强件24中的一些示例包括但不限于梯形帽状加强件、钟形加强件、倒帽状加强件、J-加强件、F-加强件、叶片加强件、I-加强件、C-加强件、芯部加强件、夹芯板、蜂巢状芯部等。在本发明的一些实施例中，内部加强件24可包括约8英寸高的框架和约3英寸高的桁条。然而，可以在不脱离本发明的范围的情况下采用任何尺寸。
在本发明的一些实施例中，框架可构造成与位于完成的机身15内的呈格栅状构造的桁条相交。例如，桁条可以形成为与框架交叠和/或框架可形成为与桁条交叠，如图6a中所示。内部加强件24的交叠可以通过将内部加强件24的尺寸和形状设计成像拼图块那样装在一起而实现。如图6b、7、8和9中所示，相同的构造还可用于拟设内部加强件23。
如图7中所示，增强插入件26可由诸如像INVAR的镍钢合金之类的刚性材料制成，并可与内部加强件24和/或拟设内部加强件23面向SMP设备12的部分接触和/或匹配。增强插入件26可构造成缓和内部加强件24和/或拟设内部加强件23的尖锐角部和弯部，以更好地便于形成SMP设备12。具体来说，增强插入件26可构造成与由内部加强件24和/或拟设内部加强件23中的一个或多个所呈现的一个或多个角度匹配或者搁置于这一个或多个角度内。例如，如果内部加强件24或拟设内部加强件23中的一个具有直角，则增强插入件26中的一个可具有以直角相交的两个表面，并构造成与内部加强件24或拟设内部加强件23的直角匹配。增强插入件26还可具有背向于内部加强件24或拟设内部加强件23的表面，这些表面大体平坦和/或具有更平缓的角度。例如，内部加强件24中的一个或多个可具有至少一个斜切或倾斜表面和/或倒圆边缘，如后文所述，当将SMP设备向外朝着刚性外部工具28推时，这些斜切或倾斜表面和/或倒圆边缘可与SMP设备12接触。增强插入件26还可以沿纵长弯曲，以与内部加强件24、拟设内部加强件23和/或刚性外部工具28的内表面的弯部大致匹配。
如图10中所示和后文所述，内部加强件24和/或拟设内部加强件23连同增强插入件26可构造成将诸如凹槽或通道的空腔40形成于SMP设备12内。在本发明的一些实施例中，拟设内部加强件23和/或增强插入件26可构造成将空腔40形成于SMP设备12内，并且可以之后由内部加强件24替换。例如，一旦SMP设备12处于刚性工具构造，可将拟设蒙皮22、拟设内部加强件23和/或增强插入件26从空腔40移除，并由构造成抵靠增强插入件26的未固化的内部加强件24替换，这些内部加强件将共固化于机身15内。或者，一旦SMP设备12处于刚性工具构造，可将拟设蒙皮22、拟设内部加强件23和/或增强插入件26从空腔40移除，并由构造成抵靠增强插入件26的、预先固化的内部加强件24替换，这些内部加强件将共粘结于机身15。
在本发明的一个示例性实施例中，如图6a、6b和7中所示，内部加强件24和/或拟设内部加强件23可包括通过对应的增强插入件26支承在至少两侧的J-加强件42。此外，在此示例性实施例中的内部加强件24和/或拟设内部加强件23可包括具有大致“T”形横截面的框架44，而框架44分别还通过对应的增强插入件26支承在至少两侧。如图7中所示，增强插入件26和/或拟设内部加强件23的部分可通过诸如接合条和螺栓的机械紧固件46而保持在位并保持在一起。然而，内部加强件24和/或拟设内部加强件23可具有任何已知的构造，且增强插入件26可以呈任何形状和构造来与其进行匹配。
如图8中所示，刚性外部工具28可以是如下的刚性工具，该刚性工具具有构造成形成机身15外表面形状的内表面。例如，如图2中或如图8中所示，刚性外部工具28可以是蛤壳型工具，并可具有包括下蛤壳和上蛤壳的两个半件。两个半件一起可形成由刚性外部工具28的内表面来界定的中空筒形形状。然而，刚性外部工具28可包括任何多个部分，这些部分在连结在一起时可形成为形成机身15的外表面形状而构造的内表面。
一般来说，制造机身15的方法可包括如下步骤：将SMP设备12形成为具有用于内部加强件24的空腔40的刚性工具构造，将固化或未固化的内部加强件24和增强插入件26放置于SMP设备12内的空腔40内，将未固化的复合材料14放置于SMP设备12上，然后将SMP设备12和未固化的复合材料14放置于刚性外部工具28内。该方法接下来可包括如下步骤：通过压力和热量使复合材料14固化，同时在固化过程中使SMP设备12膨胀或以其它方式扩张，以将复合材料14压抵刚性外部工具28，然后一旦复合材料14固化，将SMP设备12推成缩小的横截面，并且从所得的机身内抽回SMP设备12。内部加强件24由此与复合机身共粘结和/或共固化，从而消除了用机械紧固件来将内部加强件24附连于机身的需要。用于将内部加强件24共粘结或共固化到机身的文中所述方法还可用于使加强件或其它部件共固化或共粘结到本领域中已知的任何复合部件，诸如文中所列的各种飞行器部件中的任一种。
图14的流程图示出用于使SMP设备12形成为用于制造机身15的刚性工具构造的示例性方法1400。在一些替代的实施方式中，各个方框中提及的功能可不以图14中所述的次序来发生。例如，在图14中相继示出的两个方框可以实际上基本同时执行，或者根据所涉及的功能，可以有时以相反的次序执行这些方框。
方法1400可包括如下步骤：如方框1402中所述，如图3中所示接纳处于膨胀状态的SMP设备12，或者接纳处于其记忆形状的SMP设备12，然后将SMP设备12加热和膨胀成其膨胀状态。SMP设备12的这种扩张还可采用各种其它触发因素来改变SMP设备12的模量和/或使SMP设备12扩张到其它尺寸的各种其它力或技术来实现。SMP设备12然后可以大到足以在内芯轴工具16上滑动。替代地，SMP设备12可以铸造成大到足以装在内芯轴工具16上的记忆形状。方法1400的下一步可以是：如方框1404中所述，使内芯轴工具16滑动到SMP设备12内或使SMP设备12滑动到内芯轴工具16上。在本发明的另一替代实施例中，SMP设备12可以在塌缩状态下被接纳，并可已顺应于图4的内芯轴工具16。
一旦SMP设备12定位在内芯轴工具16上，方法1400可包括如方框1406中所述将SMP设备12加热到Tg以上，SMP材料在该Tg下变得可延展和可成形。在Tg阈值温度以上，SMP设备12可自然地朝它的初始记忆形状和尺寸回缩，从而使SMP设备12收缩在内芯轴工具16周围，并顺应于内芯轴工具16，如图5中所示。附加地或替代地，可以经由膨胀开口从内芯轴工具16内施加真空，并可使经加热的可延展SMP设备12吸抵内芯轴工具16。在本发明的一些实施例中，内芯轴工具16可在相对两端32、34中的各端部处具有斜切或倾斜部48，而SMP设备12可顺应于该斜切或倾斜部。向外超出斜切或倾斜部48延伸的任何多余材料会需要折去或切去。
方法1400还可包括如下步骤：如方框1408中所述，将端部密封件18、20施加于SMP设备12和内芯轴工具16，从而在内芯轴工具16和SMP设备12之间形成压力容器。具体来说，当SMP设备12收缩时，SMP设备12的端部可向内压向内芯轴工具16和/或内芯轴工具16的斜切或倾斜部48，并通过诸如型锻锁定件的端部密封件18、20与其锁定。在本发明的一些实施例中，端部密封件18、20可与内芯轴工具16的斜切或倾斜部48匹配，从而将SMP设备12的位于端部密封件18、20和内芯轴工具16之间的部分夹在中间，以形成气密的密封。在本发明的一些实施例中，可以省略施加端部密封件18、20的步骤，或者SMP设备12可以其它方式密封或者密封到其它表面，以允许压力差作用于SMP设备12。
方法1400的下一步可包括：如方框1410中所述并在图7中所示，将拟设内部加强件23和/或增强插入件26放置于拟设蒙皮22上，处于与机身内的内部加强件24的期望位置对应的构造。拟设蒙皮22、拟设内部加强件23和/或增强插入件26可覆盖有薄膜或一些其它物质，以防止它们彼此粘附和/或粘附到SMP设备12。然后，方法1400可包括如方框1412中所述将拟设蒙皮22放置于刚性外部工具28内。具体来说，可将拟设蒙皮22施加于刚性外部工具28的内表面，以模拟或用作稍后将放置于SMP设备12上的一定厚度的复合材料14的位置保持件。这确保SMP设备12连同在期望的厚度处施加于其上的复合材料14仍将装入刚性外部工具28内。
增强插入件26可定位在搁置于刚性外部工具28上的拟设蒙皮22连同拟设内部加强件23上，该拟设内部加强件可成形和构造成模仿固化或未固化的内部加强件24的尺寸和构造。拟设内部加强件23可以稍后从空腔40移除，并用固化或未固化的内部加强件24来代替。然后，可以将固化或未固化的内部加强件24连同增强插入件26放置于凹槽或空腔40内，以使内部加强件24与复合材料14共粘结或共固化，从而制造机身15。
如上所述，拟设内部加强件23可以省去和/或在文中所述的任一步骤中在未固化或固化状态下用内部加强件24来代替。例如，内部加强件24和/或增强插入件可用于形成空腔40。在本发明的一个实施例中，内部加强件24可预先固化和/或在使SMP设备12成形过程中固化，并可稍后在固化过程中共粘结到复合材料14，由此制成机身15。
方法1400还可包括如下步骤：如方框1414中所述和图8中所示，将SMP设备12连同内芯轴工具16放置于刚性外部工具28内，然后如方框1416中所述对SMP设备12加热和加压。热量和压力可迫使SMP设备12膨胀并压抵拟设蒙皮22、拟设内部加强件23、内部加强件24和/或增强插入件26。如上所述，SMP设备12可加热到Tg或以上，以改变SMP设备12的模量，以使SMP设备可成形和可扩张。然而，其它方法也可用于改变SMP设备12的模量，如文中所述。此外，在本发明的替代实施例中，方法步骤1410-1414可由将SMP设备12放置于任何刚性外部模具内的步骤来代替，该刚性外部模具成形为并构造成模拟所形成的复合部件的内表面，并包括用于将期望的空腔40形成到SMP设备12内的突起部。
可以许多方式引入压力或压力差，如图4中所示，诸如经由通过内芯轴工具16的膨胀开口36施加的受迫压缩的气体。例如，使SMP设备12膨胀所需的压力可取决于SMP设备12的厚度和/或总体尺寸。此外，采用的SMP材料类型和/或SMP设备12的设计也会影响使SMP设备12应变的难易度。在本发明的一些实施例中，可施加范围在1-150磅力/平方英寸(表压)(psig)或较窄的30-90psig范围内的压力以使SMP设备12膨胀。例如，可将约45psig施加于SMP设备12内，以使SMP设备12膨胀。此外，在对SMP设备12进行加热和加压的文中所述的任一方法步骤中，当热量上升到Tg或以上时，可引起较小的压力差，以防止SMP设备12在复合材料14开始软化时离开复合材料14而塌缩。然后，在SMP设备12超过Tg之后的某一时刻，压力差可逐步上升到期望的全量。例如，可将约5到10psi的较小压力施加于SMP设备12内，直至施加了足够的热量以使SMP设备12充分延展，此时，施加于SMP设备内的压力可逐步上升到诸如30-90psi的固化循环压力。
接下来，方法1400可包括如方框1418中所述使SMP设备12冷却以使其硬化成刚性工具构造。当SMP设备12的温度冷却到低于Tg的点时，可继续施加膨胀压力，以使SMP设备硬化成其膨胀的刚性工具构造。由此，SMP设备12根据拟设蒙皮22、拟设内部加强件23、内部加强件24和/或增强插入件26成形，它们将空腔40、空腔或凹槽形成到SMP设备12内。如方框1420中所示，方法1400可随后包括从刚性外部工具28移除SMP设备12和内芯轴工具16。如图9中所示，拟设蒙皮22也可从SMP设备12移除。图10a还示出在移除了拟设内部加强件23之后处于刚性工具构造的所得SMP设备12，由此显示出由方法1400形成的空腔40。图10b示出处于刚性工具构造的所得SMP设备12，而内部加强件24放置在图9中拟设内部加强件23所在的位置。
图15的流程图更详细地示出采用SMP设备12制造机身15的示例性方法1500的步骤。在一些替代的实施方式中，各个方框中提及的功能可不以图15中所示次序来发生。例如，在图15中相继示出的两个方框可以实际上基本上同时执行，或者根据所涉及的功能，可有时以相反的次序执行各方框。
如图15中所示，方法1500可首先包括如方框1502中和在图14的方法步骤中所示将SMP设备12形成为刚性工具构造的步骤。如上所述，该步骤会需要将空腔40形成到SMP设备12内，该SMP设备处于与机加工的机身15内的内部加强件24的期望位置对应的构造。可采用多种方法来使SMP设备12成形为在其内形成有空腔40、空腔或凹槽的期望的刚性工具构造。
一旦SMP设备12形成为刚性工具构造，制造机身15的方法1500可包括如方框1504中所述和图10b中所示将固化或未固化的内部加强件24和增强插入件26放置于SMP设备12内的空腔中的步骤。然而，在本发明的一些实施例中，如果在将SMP设备12加热并形成为刚性工具构造过程中已将内部加强件24定位在增强插入件26上或之间，则内部加强件24和增强插入件26可留在形成于SMP设备12内的所得空腔40、空腔或凹槽内，并且可省去步骤1504。
在本发明的一些实施例中，内部加强件24可以是施加于一个或多个加强件SMP设备和/或卷绕在其周围的未固化材料，加强件SMP设备由以上针对SMP设备12所述的SMP材料制成。这样，内部加强件24和复合部件或机身15可以采用SMP材料共固化。然而，用于加强件SMP设备的SMP材料可具有与用于形成机身15的SMP设备12不同的触发因素和/或不同的Tg。因此，加强件SMP设备或用于机身15的SMP设备12之一可在共固化期间保持刚性，而加强件SMP设备和SMP设备12中的另一个在共固化期间用作内部囊体。
然后，如方框1506中所述和图11中所示那样，方法1500可包括将未固化的复合材料14的一部分施加于SMP设备12上的步骤。具体来说，复合材料14可施加于SMP设备12和搁置于空腔40内的内部加强件24上，因而，内部加强件24的至少一部分收缩，并可如后文所述地共固化或共粘结到机身15的复合材料14。未固化的复合材料14可采用诸如自动织物铺放、自动纤维铺放、自动细丝卷绕和/或手糊的本领域已知方法而放置于SMP设备12上。如上所述，复合材料14可包括低温树脂、高温树脂、韧性树脂、预浸料坯、湿处理纤维、干纤维、连续纤维、不连续纤维、斩碎纤维、玻璃、凯夫拉尔、碳和/或芯部，或者呈这些形式。在本发明的一些实施例中，可以在SMP设备12和复合材料14之间放置屏障和/或脱离剂，以使它们可以在复合材料14固化之后更容易分离。屏障和/或脱离剂可以是膜、塑料等。屏障和/或脱离剂还可以例如具有粘结侧和脱离侧。
然后，制造机身15的方法1500可包括如方框1508中所述将SMP设备12和未固化的复合材料14施加于刚性外部工具28内。接下来，该方法可包括如下步骤：如方框1510中所述经由压力和热量使复合材料14固化，同时如方框1512中所述使SMP设备12膨胀，以使复合材料14在固化过程中压缩。在本发明的一些实施例中，可通过内芯轴工具16提供膨胀压力，并且可以将热量上升到Tg以上的复合物固化温度。SMP设备12的膨胀可以在固化循环中使复合材料14压缩，并将固化或未固化的内部加强件24压缩在SMP设备12和刚性外部工具28之间。附加地或替代地，SMP设备12的膨胀可将压力直接施加于增强插入件26中的一个或多个，因而，增强插入件26将压缩力直接施加于内部加强件24的定位在增强插入件26之间的部分。SMP设备12的膨胀还可将固化或未固化的内部加强件24压缩到机身的复合材料14内，由此将内部加强件24共粘结或共固化到机身。
在本发明的另一实施例中，采用机械密封件、粘结剂或将SMP设备12的周缘部密封到刚性外部工具28的任何已知的方法来在刚性外部工具28和SMP设备12之间形成密封。刚性外部工具28可以通气，以进一步加强在复合材料14的固化期间由高压釜产生的压力差。这可消除对相对于内芯轴工具16的气密密封的需要。注意到在不脱离本发明的范围的情况下可采用将SMP设备12压抵复合材料14的其它方法。此外，文中所述的热量差和压力差可通过高压釜(未示出)或用于制造复合部件的已知加热和加压技术的任何其它组合来提供。
一旦复合材料14固化，方法1500可包括如方框1514中所述从SMP设备12内去除膨胀压力，并如方框1516中所述从所得机身内抽取出SMP设备12。当热量保持在Tg以上时，一旦去除了压力，SMP设备12可收缩到内芯轴工具16周围。例如，可从内芯轴工具16内施加真空，以将SMP设备12吸抵内芯轴工具16。如图12中所示，由此从固化的复合材料14抽出SMP设备12。因此，从固化的机身和内部加强件24内抽出内芯轴工具16会造成在去除膨胀压力之后抽出抵靠内芯轴工具16收缩的SMP设备12。
最后，方法1500可包括如下步骤：如方框1518中所述从固化的内部加强件24移除增强插入件26，以及如方框1520中所述从刚性外部工具28抽出机身。例如，刚性外部工具28的各部分可彼此机械脱开，从而允许从刚性外部工具28抽出机身15和集成的内部加强件24。
在本发明的替代实施例中，SMP设备12可以在固化期间保持刚性。例如，一旦固化的复合材料14施加于SMP设备12，它们均可以是真空装袋或密封于柔性的非渗透性材料(未示出)内，并固化。在该替代的实施例中，复合材料14的固化温度可小于SMP设备12开始变得可延展的温度Tg，因而，SMP设备12在整个固化循环中保持刚性。因此，作为在固化过程中将SMP设备12用作囊体的替代方式，SMP设备12可在固化期间保持刚性，而真空袋或非渗透性材料的压缩力用于使机身和内部加强件24的复合材料14共固化或共粘结。然后，一旦复合材料14固化，可从所得的机身周围移除真空袋，而SMP设备12的温度可上升到Tg之上，以使SMP设备12可向其记忆形状延展和/或收缩，以从机身内移除。
用SMP设备制造加强件
如图16-17中最清楚所示，本发明的另一实施例是制造加强件50的方法，加强件诸如是上述内部加强件24、框架和/或桁条。在本发明的该实施例中，如图16中所示，该方法可采用SMP设备12、刚性模制工具52和诸如真空袋的非渗透性材料片54来实施，以制造加强件。
图16中所示的SMP设备12可具有与针对图1-2中所示本发明的实施例所述的SMP设备12相同的优点和特征。此外，SMP设备12可采用诸如上述技术的任何期望的方法来形成期望的刚性工具构造。在本发明的一些实施例中，SMP设备12可铸造有大致对应于所得的加强件50的至少一个表面的期望形状或轮廓的记忆形状。例如，如果待制造的加强件50是具有梯形横截面的桁条，则SMP设备12可铸造有大致梯形横截面的记忆形状。替代地，SMP设备12可铸造成任何细长形状，并可随后插入中空模具内，进行加热，在模具内膨胀，然后冷却和硬化成由中空模具提供的形状。
刚性模制工具52在功能性和设计上可以类似于上述刚性外部工具28或与其相同，并可由在复合材料14固化期间保持刚性的诸如钢之类的任何材料制成。替代地，刚性模制工具52可由构造成在复合材料14固化期间保持刚性的SMP材料制成。例如，刚性模制工具52可以是图10a中所示的SMP设备12，而图16中所示的SMP设备12的Tg与本发明的该替代实施例中的刚性模制工具52的Tg不同。刚性模制工具52可构造成形成加强件的至少一个期望的外表面。例如，刚性模制工具52可包括在其内形成的空腔56，未固化的复合材料14可放置于该空腔内，从而形成加强件50的至少一个壁。如图16中所示，空腔56可以是具有底部和从该底部以非90°的角度延伸的两个侧壁的槽。
非渗透性材料片54可以是真空袋或任何其它柔性的非渗透性材料，它可密封到刚性模制工具52和/或SMP设备12。例如，非渗透性材料片54可放置于复合材料14上并密封到刚性模制工具52，从而在非渗透性材料片54和刚性模制工具52之间形成基本上气密的密封。非渗透性材料片54还可包括穿过其延伸的真空口(未示出)，以允许排气和通气。当从刚性模制工具52和非渗透性材料片54之间去除空气时，非渗透性材料片54可压缩放置于它们之间的复合材料14。附加地或替代地，SMP设备12可通过高压釜和/或压缩气体来加压，由此使SMP设备12向刚性模制工具52和非渗透性材料片54膨胀。此外，垫板(未示出)可放置于非渗透性材料片54和复合材料14之间，以更好地控制复合材料14的轮廓和表面抛光。在此也可采用本领域中已知的其它复合物装袋技术，而不脱离本发明的范围。
在本发明的替代实施例中，非渗透性材料片54可用放置在复合材料14和SMP设备12上的可渗透性材料片来替换。在本发明的该实施例中，可渗透性材料片可以在物理上压向复合材料14，而来自SMP设备12的压力在固化期间使复合材料14压缩。在本发明的又一替代实施例中，非渗透性材料片54可用可渗透性或非渗透性的刚性覆盖工具来代替，并可被夹持、压向或机械固定到刚性模制工具52和复合材料14。
图17的流程图更详细地示出采用SMP设备12制造复合加强件的示例性方法1700的步骤。在一些替代的实施方式中，各个方框中提及的功能可不以图17中所示次序来发生。例如，在图17中相继示出的两个方框可以实际上基本上同时执行，或者根据所涉及的功能，方框可有时以相反的次序执行。
采用SMP设备12制造加强件50的方法1700可包括如下步骤：如方框1702中所述地将SMP设备12形成为刚性工具构造、然后如方框1704中所述地用复合材料14来涂覆SMP设备12的至少一部分。在本发明的一些实施例中，SMP设备12的刚性工具构造可对应于将在SMP设备12上形成的加强件50的内部形状和/或角度。在本发明的其它实施例中，材料14可首先放置于或卷绕在SMP设备12上，然后SMP设备12可采用文中所述或本领域已知的任何模制技术来形成为刚性工具构造。
然后，方法1700可包括如方框1706中所述将施加有复合材料14的SMP设备12放置于刚性模制工具52的空腔56内。或者，复合材料14可放置在刚性模制工具52的空腔56内，然后，处于刚性工具构造的SMP设备12可放置于刚性模制工具52的空腔56内的复合材料14顶上。
然而，可采用许多技术来将复合材料14放置成与SMP设备12接触，并将两者放入刚性模制工具52的空腔内，而不脱离本发明的范围。此外，在本发明的一些实施例中，可采用多于一个的SMP设备来制造加强件50。例如，如图16中所示，具有如上所述SMP设备12的特性的两个SMP设备58、60成形或模制成支承复合材料14的相对表面，以将加强件50制成J-桁条构造。具体来说，加强件50可以是具有大致J形横截面的细长加强件。如图16中所示，可以采用手糊或本领域中已知的其它任何方法来将复合材料14定位在两个SMP设备58、60和刚性模制工具52之间。然后，蒙皮层叠物62可放置于两个SMP设备58、60上，与复合材料14的顶端接触，制造加强件50的J形横截面。在本发明的该实施例中，蒙皮层叠物62和复合材料14可共粘结在一起，如后文所述。
因此，一般来说，方法1700可包括如下步骤：如方框1708中所述，将另一层复合材料或蒙皮层叠物62放置于SMP设备12上，与搁置于刚性模制工具52的空腔56内的复合材料14的至少一部分接触。接下来，该方法可包括如方框1710中所述将非渗透性材料片54放置在复合材料14和/或蒙皮层叠物62上，并如方框1712中所述将非渗透性材料片54密封到刚性模制工具52，由此形成围绕复合材料14的气密边界。气密边界还可在SMP设备12上和/或抵靠SMP设备12形成，同时留有用于SMP设备12的至少一个通气口(未示出)，以使SMP设备12内的空间保持暴露于气密边界外的大气。
然后，方法1700可包括如方框1714中所述地引起压力差以将非渗透性材料片54推向刚性模制工具52的步骤。例如，该步骤可涉及诸如借助真空从非渗透性材料片54和刚性模制工具52之间去除空气，该真空可将非渗透性材料片54压向或压抵复合材料14和/或蒙皮层叠物62。在方框1714中所示的步骤之后或与该步骤同时，方法1700可包括如方框1716中所述将复合材料14和SMP设备12加热到使复合材料14固化的温度。复合物固化温度可以大于Tg，以使SMP设备12变得可延展，并可向外推动或膨胀，从而压抵复合材料14。因此，SMP设备12可表现得类似于内部真空袋。附加地或替代地，可将气体或空气压力引入SMP设备内，以引起或有助于SMP设备向外膨胀，以压缩复合材料14。
在本发明的一些替代实施例中，SMP设备58、60中的至少一个可用相同形状的刚性工具来代替。在本发明的其它替代实施例中，两个SMP设备58、60可用相同形状的刚性工具来代替，且刚性模制工具52可用图10a的SMP设备12来代替。一般来说，SMP设备和刚性模制工具的任何组合可用于形成文中所述和所示的复合部件。
一旦复合材料14固化，该方法可包括如方框1718中所述从刚性模制工具52移除非渗透性材料片54的步骤。在本发明的一些实施例中，方法1700还可包括如方框1720中所述对SMP设备12继续加热或再次将热量施加于SMP设备12，以使SMP设备12可离开固化的加强件50而收缩或以其它方法推离该加强件。如果引入气体或空气压力来帮助SMP设备12的膨胀，则也可去除该压力。SMP设备12会自然地向其初始记忆形状收回，保持较软和可延展，直至被冷却为止。因此，方法1700可包括如方框1722中所述当SMP设备12处于其较软的、可延展状态时从固化的复合材料14或加强件50移除SMP设备12的步骤。或者，SMP设备12可以在处于其可延展状态时离开固化的加强件50而收缩或推离该加强件，但是随后在从固化的加强件50内移除之前冷却和硬化。
注意到，一旦从固化的加强件50移除，SMP设备12可重构成SMP设备12的应变极限内的任何期望的刚性工具构造，并可重复使用于制造另一加强件。一般来说，SMP设备12是可重构和可重复使用的。相反地，本领域中已知的内芯轴袋不能再用或不提供期望的耐久性，并且更易于失效。内芯轴袋也没有用作向其施加复合材料14的层叠工具的所需硬度。具体来说，在传统的加强件形成应用中，所用的其它类型的芯轴经常需要从固化的加强件中切出或脱出，并因此也是不可重复使用的。有利地，SMP设备12可用作用于铺设复合材料的刚性层叠工具以及在复合材料14固化期间用作内部袋或囊体，然后可移除，并再用于多个循环。
尽管已参照附图所示的较佳实施例对本发明进行了描述，但应当注意也可采用等同物和在此进行代替而不偏离权利要求书所述的本发明的范围。例如，如文中所述，向着SMP设备12内部或外部施加的真空或膨胀力的任何情形仅是示例性的，并可由用于产生能够将SMP设备12推向期望的模具和/或SMP设备12的压力差的本领域已知的任一技术来代替。此外，尽管文中已述各种形状、构造和工具来将SMP设备12成形为期望的刚性工具构造，但应注意到任何模具或模具和刚性工具的组合可用于采用文中所述的方法步骤中的一个或多个来限定SMP设备12的形状。
此外，尽管在此提供的附图和示例性实施例描述了用于制造用于飞行器的复合部件，文中所述的形成工具和方法可用于制造用于汽车、船舶、运动物品等的复合部件，而不脱离本发明的范围。

Claims (23)

1.一种制造具有集成的加强件的复合部件的方法，所述方法包括：
将形状记忆聚合物(SMP)设备成形成对应于待形成的复合部件的第一表面的期望构造；
将SMP设备成形成包括一个或多个空腔，所述空腔构造成用于将所述加强件放置于所述空腔内；
将所述加强件放置于所述空腔内；
将复合材料施加于所述SMP设备和搁置于所述空腔内的所述加强件的露出表面上；以及
通过压力和热量将所述加强件与所述SMP设备上的复合材料共固化或共粘结，以制造复合部件，其中，在所述加强件与所述复合材料共固化或共粘结的整个过程中，SMP设备保持在刚性状态下。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使所述加强件与所述复合材料共固化或共粘结包括：
将非渗透性材料片密封在所述复合材料周围；
通过向着所述非渗透性材料片外部和/或内部引起压力差而将所述非渗透性材料片压抵所述复合材料；以及
在所述SMP设备处于刚性状态的情况下，当使所述非渗透性材料片压抵所述复合材料时，将所述复合材料加热到复合物固化温度。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加强件包括框架、桁条、复合芯部和复合材料的附加层中的至少一种。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加强件在放置于所述空腔内之前进行预固化。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加强件在放置于所述空腔内之前未固化。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括：
将所述SMP设备从所述刚性状态触发到可延展状态；以及
从所述复合部件内移除所述SMP设备。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述SMP设备构造成，当加热到温度Tg以上时被触发到所述可延展状态，而复合材料固化温度小于Tg，以使所述SMP设备在将所述复合材料固化成所述复合部件过程中保持刚性。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括，在将复合材料施加于所述SMP设备之前，将刚性增强插入件放置于所述SMP设备和所述内部加强件之间的所述空腔内，所述空腔尺寸和形状设计成使刚性增强插入件和所述内部加强件搁置于所述空腔内。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述形状记忆聚合物设备铸造成所述期望构造；将所述形状记忆聚合物设备铸造成包括所述一个或多个空腔。
10.一种制造具有集成的加强件的复合部件的方法，所述方法包括：
将形状记忆聚合物(SMP)设备触发到可延展状态；
将处于所述可延展状态的SMP设备成形为对应于待形成的复合部件的第一表面的期望构造；
将所述SMP设备成形为包括一个或多个空腔，所述空腔构造成用于将所述加强件放置于所述空腔内；
将所述SMP设备触发到刚性状态；
将所述加强件放置于所述空腔内；
将复合材料施加于所述SMP设备和搁置于所述空腔内的加强件的露出表面上；以及
通过压力和热量将所述加强件与所述SMP设备上的复合材料共固化或共粘结，以制造复合部件，这包括如下步骤：
将非渗透性材料片密封在所述复合材料周围；
通过向着所述非渗透性材料片外部和/或内部引起压力差而将所述非渗透性材料片压向所述复合材料；以及
在所述SMP设备处于刚性状态的情况下，当所述非渗透性材料片压缩所述复合材料时，将所述复合材料加热到复合物固化温度。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述加强件是内部加强件。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述加强件包括框架、桁条、芯部和复合材料的附加层中的至少一种。
13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述复合部件是飞行器单体机身，机翼，机舱，飞行器面板，飞行器管道，飞行器结构支承件，由实心层叠件、一体加强层叠件或芯部加强夹板结构构成的飞行器部件，或用于飞行器部件的内部加强件。
14.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述加强件在放置于所述空腔内之前进行预固化。
15.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述加强件在放置于所述空腔内之前未固化。
16.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法包括：
在所述复合材料固化之后移除所述非渗透性材料片；
将所述SMP设备从所述刚性状态触发到可延展状态；以及
在所述SMP设备处于所述可延展状态时从所述复合部件内移除所述SMP设备。
17.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述SMP设备构造成，当被加热到温度Tg以上时改变到所述可延展状态，复合材料固化温度小于Tg，以使所述SMP设备在将所述复合材料固化成所述复合部件的过程中保持刚性。
18.如权利要求10所述的方法，其特征在于，将所述SMP设备形成为对应于待形成于所述SMP设备上的所述复合部件的第一表面包括：
将所述SMP设备放置于内芯轴工具上；
将所述SMP设备的端部密封到所述内芯轴工具；
将所述SMP设备和所述内芯轴工具放置于外部模具内；
将所述SMP设备加热到温度Tg以上，所述SMP设备在Tg下开始变得可延展，并使所述SMP设备向所述外部模具膨胀；
将所述SMP设备冷却到Tg以下；以及
从所述外部模具内移除处于其刚性状态的所述SMP设备。
19.如权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括，在将复合材料施加于所述SMP设备之前，将刚性增强插入件放置于所述SMP设备和所述加强件之间的所述空腔内，所述空腔尺寸和形状设计成使刚性增强插入件和所述加强件搁置于所述空腔内。
20.一种制造具有集成的加强特征部的复合部件的方法，所述方法包括：
将形状记忆聚合物(SMP)设备触发到可延展状态；
将处于所述可延展状态的SMP设备成形为大致对应于待形成的复合部件的第一表面的期望构造；
将所述SMP设备成形为包括一个或多个空腔，所述空腔构造成用于将所述加强件放置于所述空腔内；
将所述SMP设备触发到刚性状态；
将所述内部加强件放置于所述空腔内；
将复合材料施加于所述SMP设备和搁置于所述空腔内的所述内部加强件的露出表面上；
通过压力和热量将所述内部加强件与所述SMP设备上的复合材料共固化或共粘结，以制造复合部件，这包括如下步骤：
将非渗透性材料片密封在所述复合材料周围，
通过向着所述非渗透性材料片外部和/或内部引起压力差而将所述非渗透性材料片压向所述复合材料，以及
在所述SMP设备处于刚性状态的情况下，当所述非渗透性材料片压缩所述复合材料时，将所述复合材料加热到复合物固化温度；
从所述复合部件移除所述非渗透性材料片；
将所述SMP设备从所述刚性状态触发到可延展状态；以及
在所述SMP设备处于所述可延展状态时从所述复合部件内移除所述SMP设备。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述内部加强件包括框架、桁条、芯部和复合材料的附加层中的至少一种。
22.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述SMP设备构造成当被加热到温度Tg以上时开始改变到所述可延展状态，复合材料固化温度小于Tg，以使所述SMP设备在将所述复合材料固化成所述复合部件过程中保持刚性。
23.如权利要求20所述的方法，其特征在于，还包括，在将复合材料施加于所述SMP设备之前，将刚性增强插入件放置于所述SMP设备和所述内部加强件之间的所述空腔内，所述空腔尺寸和形状设计成使刚性增强插入件和所述内部加强件搁置于所述空腔内。
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