[发明专利]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

说明书

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 Style Reconfigurable 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 Style Reconfigurable 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“Methods and 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。

技术背景

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。

相关技术

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。