專利名稱：：制造復(fù)合材料制品的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明的領(lǐng)域大體涉及加工復(fù)合材料，且更具體地講，涉及使用真空袋和氣囊加工復(fù)合材料。
背景技術(shù)：
：由于復(fù)合材料的高強(qiáng)度和耐用性，以及其可形成為各種形狀的能力，復(fù)合材料越來(lái)越多地用于制造各種產(chǎn)品。復(fù)合材料的加工的長(zhǎng)期存在的問(wèn)題是最普遍地使用真空袋來(lái)加工復(fù)合材料。數(shù)十年前，這被認(rèn)為是理想的解決方案，因?yàn)橐粋€(gè)過(guò)程(真空)將會(huì)對(duì)層壓的預(yù)制件提供兩種期望的效果，即從層壓件中抽出空氣和揮發(fā)物，同時(shí)還提供環(huán)境壓力，以合并該層壓件(即使其成為堅(jiān)實(shí)塊體)。對(duì)較小的構(gòu)件例行使用的是通過(guò)高壓釜來(lái)增大壓力，但通過(guò)高壓釜來(lái)增大壓力對(duì)于大零件(例如船體和風(fēng)力渦輪機(jī)葉片)并不實(shí)用。已經(jīng)開(kāi)發(fā)了這樣的樹(shù)脂系統(tǒng)其使得能夠在不使用高壓釜的情況下使預(yù)浸漬的材料固化，以特別地解決大零件問(wèn)題(船和風(fēng)力渦輪機(jī)葉片)。通常使用單個(gè)真空袋來(lái)使這些系統(tǒng)固化；但是，復(fù)合物中的所引起的空隙含量通常太高，這會(huì)不利地影響復(fù)合物的強(qiáng)度和其它性質(zhì)。不認(rèn)為單真空袋技術(shù)是在不使用高壓釜的情況下制造空隙含量非常低的復(fù)合物構(gòu)件的最理想方式。施加到真空袋內(nèi)部的預(yù)制件上的壓力實(shí)際上通過(guò)將包含空氣和/或揮發(fā)物的氣泡截留在纖維和樹(shù)脂的粘結(jié)層之間而妨礙了移除氣泡?？朔藛?wèn)題的一種已知方式是使用多個(gè)真空袋來(lái)消除對(duì)大型昂貴真空腔室的需要。美國(guó)專利No.7，413，694B2描述了用以形成內(nèi)腔室和外腔室的嵌套真空袋(真空袋內(nèi)真空袋)。調(diào)節(jié)內(nèi)腔室和外腔室中的相應(yīng)的壓力，以便有利于樹(shù)脂浸入到干燥的含纖維的預(yù)制件中。可由此方法實(shí)現(xiàn)的獨(dú)立水平是有限的，且對(duì)復(fù)合物的預(yù)浸漬的形式來(lái)說(shuō)是不夠的。另一個(gè)專利-美國(guó)專利No.7，186，367也描述了一種雙真空袋方法。在此方法中，定位在內(nèi)真空袋和外真空袋之間的額外的剛性構(gòu)件限制外袋在預(yù)制件處于真空下時(shí)對(duì)預(yù)制件施加任何壓力。
發(fā)明內(nèi)容在一個(gè)方面中，提供了一種制造復(fù)合材料制品的方法。該方法包括提供由多種增強(qiáng)纖維和聚合物基質(zhì)形成的預(yù)浸漬的預(yù)制件，將預(yù)制件定位在基板上，將壓力囊定位預(yù)制件的頂部上，以及將橋接工具定位在壓力囊上方。橋接工具包括頂板和至少一個(gè)支承部件。支承部件聯(lián)接到基板上，其中頂板在壓力囊上方隔開(kāi)。該方法還包括將預(yù)制件和橋接工具封閉在真空袋內(nèi)，在真空袋中抽真空，以從預(yù)制件中移除空氣和揮發(fā)物，以及通過(guò)使壓力囊膨脹來(lái)對(duì)預(yù)制件施加壓力，以合并預(yù)制件。在另一個(gè)方面中，提供了一種用于加工由多種纖維和聚合物基質(zhì)形成的預(yù)浸漬的預(yù)制件的裝置。該裝置包括具有頂面和底面的基板，以及聯(lián)接到基板上的橋接工具。橋接工具包括頂板和自頂板延伸的至少一個(gè)支承部件。支承部件聯(lián)接到基板的頂面上。該裝置還包括定位在橋接工具的頂板下方的壓力囊。壓力囊大小設(shè)置成以便定位在已經(jīng)定位于基板的頂面上的預(yù)制件上。該裝置進(jìn)一步包括密封地附連到基板上從而形成腔室的真空袋。橋接工具和壓力囊定位在腔室內(nèi)部。在另一個(gè)方面中，提供了一種制造復(fù)合材料制品的方法。該方法包括提供由多種增強(qiáng)纖維和聚合物基質(zhì)形成的預(yù)浸漬的預(yù)制件，以及將預(yù)制件定位在加工裝置內(nèi)部。該加工裝置包括具有頂面和底面的基板，以及聯(lián)接到基板上的橋接工具。橋接工具具有頂板和自頂板延伸且聯(lián)接到基板的頂面上的至少一個(gè)支承部件。該加工裝置還包括定位在橋接工具的頂板下方和預(yù)制件的頂部上的壓力囊，以及真空袋。橋接工具和壓力囊定位在真空袋內(nèi)部。該方法還包括在真空袋中抽真空，以從預(yù)制件中移除空氣和揮發(fā)物，以及然后通過(guò)使壓力囊膨脹來(lái)對(duì)預(yù)制件施加壓力，以合并預(yù)制件。圖1是風(fēng)力渦輪機(jī)的一種示例性構(gòu)造的側(cè)面正視示意圖。圖2是風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的前視圖。圖3是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的用于加工預(yù)浸漬的預(yù)制件的裝置的截面圖。圖4是圖1所示的橋接工具的頂板的俯視圖。圖5是根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的用于加工預(yù)浸漬的預(yù)制件的裝置的截面圖。圖6是制造復(fù)合材料制品的方法的流程圖。部件列表<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>94在內(nèi)部空腔中抽真空““96通過(guò)使壓力囊膨脹，在保持內(nèi)部空腔中的真空的同時(shí)對(duì)預(yù)制件施加壓力具體實(shí)施例方式下面對(duì)制造復(fù)合材料制品的裝置和方法進(jìn)行詳細(xì)描述。參照風(fēng)力渦輪機(jī)葉片描述了該裝置和方法，但是該裝置和方法可應(yīng)用于任何復(fù)合物制品。該方法使用具有硬橋接工具的外真空袋來(lái)提供真空空腔，并且使用受橋接工具限制的壓力囊來(lái)操縱對(duì)壓力和真空的獨(dú)立控制。另外，該方法提供高于由已知真空袋工藝提供的壓力(其限于約每平方英寸15磅(Psi))的壓力。使用壓力囊允許在大于約Opsi至約15psi的已知真空袋工藝的范圍中操作，而且還允許在約15psi至約200psi的更高范圍中操作。更高的加工壓力的優(yōu)點(diǎn)在于，更高的壓力將導(dǎo)致更加迅速及更加完整地合并預(yù)制件。預(yù)浸漬的預(yù)制件材料通常在乙階段縮合(B-staged)(局部固化)成預(yù)制件的聚合物基質(zhì)的粘度非常高且流動(dòng)性非常低的狀態(tài)。對(duì)于僅已知真空壓力的工藝，存在等待聚合物基質(zhì)流動(dòng)的有限保持時(shí)間。由壓力囊提供的更高壓力有利于縮短預(yù)制件的保持時(shí)間。雖然可使用熱來(lái)加快流動(dòng)，但是熱也將使聚合物基質(zhì)的固化加速，這在制造過(guò)程中的此時(shí)間點(diǎn)是不合需要的。目標(biāo)是在不加速固化的情況下完全合并預(yù)制件。然后將合并的預(yù)制件移到成形模具中進(jìn)行最終成形，并且在真空袋中進(jìn)行固化。在此模制步驟中，通常從正在形成的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片中移除截留的空氣和氣體，但不是非常有效。使用在下面更加全面地描述的加工預(yù)制件的裝置和方法，會(huì)在模制和固化成最終葉片幾何結(jié)構(gòu)之前提供對(duì)空隙的完全移除。這急劇地減少了在最終幾何結(jié)構(gòu)的昂貴的模具中的所需時(shí)間。因此，改進(jìn)了加工循環(huán)時(shí)間，且提高了制造能力。參照附圖，圖1是風(fēng)力渦輪機(jī)10(諸如，例如水平軸風(fēng)力渦輪機(jī))的側(cè)面正視示意圖。風(fēng)力渦輪機(jī)10包括自支承面14延伸的塔架12、安裝在塔架12的底座框架18上的機(jī)艙16，以及聯(lián)接到機(jī)艙16上的轉(zhuǎn)子20。轉(zhuǎn)子20包括輪轂22和聯(lián)接到輪轂22上的多個(gè)轉(zhuǎn)子葉片24。在該示例性實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子20包括三個(gè)轉(zhuǎn)子葉片24。在一個(gè)備選實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子20包括不止或少于三個(gè)轉(zhuǎn)子葉片24。在該示例性實(shí)施例中，塔架12由管狀鋼材制成，且包括在支承面14和機(jī)艙16之間延伸的空腔30。在一個(gè)備選實(shí)施例中，塔架12是格狀塔架.在該示例性實(shí)施例中，風(fēng)力渦輪機(jī)10的各種構(gòu)件容納在風(fēng)力渦輪機(jī)10的頂部塔架12上的機(jī)艙16中?；诒绢I(lǐng)域已知的因素和條件來(lái)選擇塔架12的高度。在一些構(gòu)造中，使用控制系統(tǒng)中的一個(gè)或多個(gè)微控制器來(lái)進(jìn)行整體系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和控制，包括變槳和速度調(diào)節(jié)、高速軸和偏航制動(dòng)應(yīng)用、偏航和泵馬達(dá)應(yīng)用以及故障監(jiān)測(cè)。在風(fēng)力渦輪機(jī)10的備選實(shí)施例中使用備選的分布式或集中式控制結(jié)構(gòu)體系。在該示例性實(shí)施例中，單獨(dú)地控制葉片24的變槳。輪轂22和葉片24共同形成風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子20。轉(zhuǎn)子20的旋轉(zhuǎn)使發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電功率。在使用時(shí)，葉片24定位在轉(zhuǎn)子輪轂22周圍，以有利于使旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子20將來(lái)自風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成可用的機(jī)械能。當(dāng)風(fēng)沖擊葉片24時(shí)，且當(dāng)葉片24旋轉(zhuǎn)并承受離心力時(shí)，葉片24會(huì)承受各種彎矩。因而，葉片24會(huì)從中立或非偏轉(zhuǎn)位置偏轉(zhuǎn)和/或旋轉(zhuǎn)到偏轉(zhuǎn)位置。另夕卜，可由變槳機(jī)構(gòu)改變?nèi)~片24的槳距角，以有利于提高或降低葉片24速度，以及有利于減小塔架12沖擊。圖2中顯示了轉(zhuǎn)子葉片24的基本構(gòu)造。在圖中，轉(zhuǎn)子葉片24包括用于將轉(zhuǎn)子葉片24安裝到輪轂22上的根部部分32。與根部部分32相對(duì)，設(shè)置有轉(zhuǎn)子葉片24的末梢端34。轉(zhuǎn)子葉片24的主體部分36在根部部分32和末梢端34之間延伸。圖3是可用于從預(yù)浸漬的預(yù)制件42中移除空氣和揮發(fā)物以消除預(yù)制件42的空隙的加工裝置40的一個(gè)示例性實(shí)施例的截面圖。加工裝置40還合并預(yù)制件，以形成準(zhǔn)備好進(jìn)行后續(xù)模制和固化的完全合并的制品。加工裝置40包括具有頂面46和底面48的基板44?；?4也可稱為工具板。預(yù)制件42定位在基板44的頂面46上以進(jìn)行加工。墊板50定位在預(yù)制件42的頂面52上。壓力囊54定位在墊板50的頂面56上。使用壓力囊54來(lái)通過(guò)墊板50對(duì)預(yù)制件54施加壓力，以合并預(yù)制件42。在另一個(gè)實(shí)施例中，沒(méi)有使用墊板50，且壓力囊54直接對(duì)預(yù)制件42施加壓力。橋接工具58附連到基板44上，包圍預(yù)制件42、墊板50和壓力囊54。也參照?qǐng)D4，橋接工具58包括頂板60和相對(duì)的支承部件62和64。支承部件62和64附連到基板44上，且大小設(shè)置成使得頂板60在壓力囊54上方隔開(kāi)。多個(gè)開(kāi)口66延伸穿過(guò)頂板60，以允許空氣穿過(guò)頂板60。真空袋70封閉橋接工具58、預(yù)制件42、墊板50(當(dāng)使用時(shí))和壓力囊54。利用密封件72使真空袋70附連到基板44上，從而形成內(nèi)部空腔74。真空端口76延伸穿過(guò)基板44，以使內(nèi)部空腔74與真空泵78連通地連接。在另一個(gè)實(shí)施例中，真空端口76延伸穿過(guò)真空袋70。真空袋70可包括其它材料或結(jié)構(gòu)，例如多孔材料層，以在整個(gè)內(nèi)部空腔74中傳導(dǎo)真空。在另一個(gè)實(shí)施例中，真空袋70是柔性外部真空囊79，在圖5中示出。基板44、橋接工具58、預(yù)制件42、墊板50(當(dāng)使用時(shí))和壓力囊54定位在真空囊79內(nèi)部。真空囊79可由任何適當(dāng)?shù)牟牧?例如橡膠)形成。通過(guò)用聚合物浸漬增強(qiáng)纖維網(wǎng)/墊而由多種增強(qiáng)纖維和聚合物基質(zhì)形成預(yù)制件42?？稍陬A(yù)制件42中使用任何適當(dāng)?shù)脑鰪?qiáng)纖維。適當(dāng)?shù)脑鰪?qiáng)纖維的實(shí)例包括但不限于玻璃纖維、石墨纖維、碳纖維、聚合纖維、陶瓷纖維、芳族聚酸胺纖維、洋麻纖維、黃麻纖維、亞麻纖維、大麻纖維、纖維素纖維、劍麻纖維、棕絲纖維以及它們的組合。可使用任何適當(dāng)?shù)木酆衔飦?lái)形成預(yù)制件42，包括熱固性聚合物和熱塑性聚合物。適當(dāng)?shù)臒峁绦跃酆衔锏膶?shí)例包括但不限于乙烯基酯聚合物、環(huán)氧聚合物、聚酯聚合物、聚氨酯聚合物以及它們的組合。熱塑性聚合物的實(shí)例包括但不限于聚烯烴、聚酰胺、聚酯、聚砜、聚醚、丙烯酸樹(shù)脂(包括甲基丙酸烯聚合物、聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚亞苯基砜(polyphenelenesulfones)以及它們的組合?；?4、墊板50和橋接工具58可由任何適當(dāng)?shù)牟牧现瞥桑缛魏芜m當(dāng)?shù)慕饘?，諸如鋼。在其它實(shí)施例中，基板44、墊板50和橋接工具58中的任何一個(gè)均可由其它材料形成，例如塑料材料，包括纖維增強(qiáng)的纖維。在該示例性實(shí)施例中，基板44是平坦的；但是，在另外的實(shí)施例中，基板44可具有任何適當(dāng)?shù)男螤?，以產(chǎn)生三維預(yù)制件42。在又一個(gè)實(shí)施例中，墊板50可為柔性的，以有利于形成除平坦形預(yù)制件之外的成形制品。柔性墊板50可由具有或不具有纖維增強(qiáng)的柔性塑料或橡膠材料形成。圖6是制造例如圖2所示的轉(zhuǎn)子葉片24的復(fù)合材料制品的方法80的流程圖。方法80包括提供82由多種增強(qiáng)纖維和聚合物基質(zhì)形成的預(yù)浸漬的預(yù)制件，將預(yù)制件定位84在基板上，將墊板定位86在預(yù)制件的頂部上，以及將壓力囊定位88在墊板的頂部上。方法80還包括將橋接工具定位90在壓力囊上方，其中橋接工具支承部件附連到基板上，以及將預(yù)制件、墊板、壓力囊和橋接工具封閉92在真空袋70內(nèi)部。另外，方法80包括通過(guò)真空端口在真空袋中抽94真空，以從預(yù)制件中移除空氣和揮發(fā)物。橋接工具58的頂板60防止真空袋70接觸墊板50，并且防止對(duì)預(yù)制件42施加任何壓力。施加到預(yù)制件42上的壓力可阻止從預(yù)制件42中移除空氣和揮發(fā)物。然后方法80包括當(dāng)已在真空袋中建立真空之后對(duì)預(yù)制件施加96壓力，并且同時(shí)保持真空。通過(guò)利用空氣使壓力囊54膨脹而使得壓力囊54擴(kuò)張，對(duì)預(yù)制件42施加壓力。橋接工具58的頂板60限制壓力囊54向上膨脹，從而使得壓力囊對(duì)墊板50和預(yù)制件42施加壓力，以合并預(yù)制件42。然后將所得到的平坦的經(jīng)合并的預(yù)制件移到成形模具中進(jìn)行最終成形和固化，以形成轉(zhuǎn)子葉片24。本書(shū)面描述使用實(shí)例來(lái)公開(kāi)本發(fā)明，包括最佳模式，且還使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明，包括制造和使用任何裝置或系統(tǒng)，以及執(zhí)行任何結(jié)合的方法。本發(fā)明的可授予專利的范圍由權(quán)利要求書(shū)限定，且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其它實(shí)例。如果這種其它實(shí)例具有無(wú)異于權(quán)利要求書(shū)的字面語(yǔ)言的結(jié)構(gòu)元素，或者如果它們包括與權(quán)利要求書(shū)的字面語(yǔ)言具有非實(shí)質(zhì)性差異的等效結(jié)構(gòu)元素，則這種其它實(shí)例意圖處于權(quán)利要求書(shū)的范圍之內(nèi)。權(quán)利要求一種用于加工預(yù)浸漬的預(yù)制件(42)的裝置，所述預(yù)制件包括多種纖維和聚合物基質(zhì)，所述裝置包括具有頂面(52)和底面(48)的基板(44)；聯(lián)接到所述基板上的橋接工具(58)，所述橋接工具包括頂板和自所述頂板(68)延伸的至少一個(gè)支承部件(62，64)，所述至少一個(gè)支承部件聯(lián)接到所述基板的所述頂面上；定位在所述橋接工具的所述頂板下方的壓力囊(54)，所述壓力囊大小設(shè)置成以便定位在定位于所述基板的所述頂面上的預(yù)制件上；以及真空袋(70)，所述壓力囊和所述橋接工具定位在所述真空袋內(nèi)部。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述裝置進(jìn)一步包括定位在所述壓力囊(54)下方的墊板(50)，所述墊板大小設(shè)置成以便定位在所述壓力囊和定位在所述基板(44)的所述頂面(52)上的預(yù)制件(42)之間。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述真空袋(70)密封地附連到所述基板(44)上，從而形成腔室，所述壓力囊(54)和所述橋接工具(58)定位在所述腔室內(nèi)部。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述橋接工具的所述頂板(68)包括延伸穿過(guò)其中的多個(gè)氣孔。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述真空袋(70)包括柔性真空囊、所述基板(44)和定位在所述真空囊內(nèi)部的所述橋接工具(58)。6.一種制造復(fù)合材料制品的方法(80)，所述方法包括提供包括用聚合物基質(zhì)浸漬過(guò)的多種增強(qiáng)纖維的預(yù)浸漬的預(yù)制件(42)；將所述預(yù)制件(42)定位在加工裝置內(nèi)部，所述加工裝置包括具有頂面(52)和底面(48)的基板(44)；聯(lián)接到所述基板上的橋接工具(58)，所述橋接工具包括頂板(68)和自所述頂板延伸的至少一個(gè)支承部件(62，64)，所述至少一個(gè)支承部件聯(lián)接到所述基板的所述頂面上；定位在所述橋接工具的所述頂板下方的壓力囊(54)；以及真空袋(70)，所述橋接工具和所述壓力囊定位在所述真空袋內(nèi)部；在所述真空袋中抽真空，以從所述預(yù)制件中移除空氣和揮發(fā)物；以及通過(guò)使所述壓力囊膨脹對(duì)所述預(yù)制件施加壓力。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法(80)，其特征在于，所述方法(80)進(jìn)一步包括將墊板定位在所述預(yù)制件和所述壓力囊之間。8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法(80)，其特征在于，所述真空袋(70)密封地附連到所述基板(44)上，從而形成腔室，所述橋接工具(58)和所述壓力囊(54)定位在所述真空袋(70)內(nèi)部。9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法(80)，其特征在于，對(duì)所述預(yù)制件(42)施加壓力包括對(duì)所述預(yù)制件施加大于約Opsi至約200psi的壓力。10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法(80)，其特征在于，所述橋接工具(58)的所述頂板(68)包括延伸穿過(guò)其中的多個(gè)氣孔。全文摘要本發(fā)明涉及制造復(fù)合材料制品的裝置和方法。提供了一種用于加工預(yù)浸漬的預(yù)制件(42)的裝置，該預(yù)制件包括多種纖維和聚合物基質(zhì)。該裝置包括具有頂面(52)和底面(48)的基板(44)；聯(lián)接到基板上的橋接工具(58)，橋接工具包括頂板和自頂板(68)延伸的至少一個(gè)支承部件(62，64)，至少一個(gè)支承部件聯(lián)接到基板的頂面上；定位在橋接工具的頂板下方的壓力囊(54)，壓力囊大小設(shè)置成以便定位在定位于基板的頂面上的預(yù)制件上；以及真空袋(70)，壓力囊和橋接工具定位在真空袋內(nèi)部。文檔編號(hào)B29C70/54GK101811366SQ20101013180公開(kāi)日2010年8月25日申請(qǐng)日期2010年2月23日優(yōu)先權(quán)日2009年2月23日發(fā)明者H·D·德里弗申請(qǐng)人:通用電氣公司