Способ изготовления полых усиливающих конструкций, пересекающих друг друга
METHOD FOR MANUFACTURING HOLLOW REINFORCEMENT STRUCTURES INTERSECTING ONE ANOTHER

Изобретение относится к способу изготовления усиливающих конструкций, например, предназначенных для придания жесткости панели или конструкции предпочтительно в области авиастроения. Усиливающие конструкции согласно изобретению выполнены из композиционного материала и являются полыми. Они особенно подходят для панелей или авиационных конструкций, выполненных тоже из композиционных материалов. Способ согласно изобретению позволяет изготавливать пересекающиеся конструкции, чтобы получить требуемую жесткость панели или авиационной конструкции.
Панели или конструкции в авиастроении должны быть конструктивно эффективными. Необходимость уменьшения веса панелей или авиационных конструкций и при этом достижения их высоких механических характеристик привела к разработке и использованию материалов и конфигураций, которые все больше и больше оптимизируются.
Известны слоистые панели, содержащие два тонких наружных листа из композиционного материала, разделенных внутренним слоем из легкого материала, такого как сотовые структуры, вспененные материалы и т.д.
Авиационные конструкции в типичном случае могут представлять собой сборку из оболочек или слоистых структур, выполненных из композиционного материала. Использование композиционных материалов для изготовления панелей позволяет получить хорошие рабочие характеристики, в особенности способность выдерживать нагрузки, которым подвергаются панели.
Известны также панели или конструкции из композиционного материала, не имеющие промежуточного слоя из легкого материала. Необходимую жесткость для этих панелей или авиационных конструкций получают путем локальных и дискретных усилений. Эти усиления образованы композиционным материалом, состоящим из поверхностных слоев и элементов жесткости, полученных путем полимеризации, в частности, путем совместного отверждения или одновременной полимеризации, которым подвергают композиционный материал всех компонентов, являющихся частью панели или конструкции. При этом внимание конструкторов было обращено на то, что в имеющейся технологии изготовления этих усилений существуют некоторые жесткие ограничения. Усиления обычно выполнялись в одном направлении, а именно в продольном или поперечном направлении, например, относительно плоскости, определяемой панелью или авиационной конструкцией.
Известны усиления, образованные полыми конструкциями из композиционного материала.
Для изготовления этих полых конструкций используют оправки для наложения слоев. Оправки устанавливают на панели или конструкции так, чтобы покрыть их слоями, обычно выполненными из углерода, которые определяют жесткость панели или конструкции. После операции полимеризации, выполняемой для придания жесткости полой конструкции, оправку нужно удалить.
В способах изготовления полых усиливающих конструкций эти полые конструкции обычно изготавливают в направлениях, параллельных друг другу.
Усиливающие или придающие жесткость конструкции, пересекающие друг друга, могут быть изготовлены способом, в котором на первой операции изготавливают полые конструкции, расположенные в одном направлении, и затем их отверждают или полимеризируют. После первой операции изготавливают полые конструкции, расположенные в направлении, перпендикулярном к первому направлению, и выполняют вторую операцию полимеризации, во время которой они отверждаются, придавая жесткость новым полым конструкциям.
Указанный известный способ едва ли может быть автоматизирован вследствие невозможности одновременного изготовления полых усиливающих или придающих жесткость конструкций в направлениях, отличающихся одно от другого, в частности в сходящихся и/или пересекающихся направлениях.
Эти полые конструкции могут иметь разную форму поперечного сечения, зависящую от формы оправки.
Форма самой оправки может увеличивать или уменьшать возможность изготовления полых усиливающих или придающих жесткость конструкций, пересекающихся друг с другом. Хорошо известно, что изготовление пересекающихся полых усиливающих или придающих жесткость конструкций с трапецеидальным или «Ω»-образным поперечным сечением является очень сложным, поскольку оно требует дополнительных производственных трудозатрат, например, для нанесения слоев на места пересечения. Производственные трудозатраты увеличивают стоимость изготовления.
Еще одна техническая проблема, свойственная известным техническим решениям, касается удаления, например извлечения, оправки после изготовления полой конструкции, в частности после полимеризации. Наличие полых усиливающих или придающих жесткость конструкций, изготовленных после того, как изготовлены другие полые конструкции, например усиливающие или придающие жесткость конструкции, усложняет извлечение оправки после полимеризации.
Целью изобретения является решение указанных выше проблем путем создания нового способа изготовления полых усиливающих или придающих жесткость конструкций, непараллельных друг другу, например пересекающих друг друга.
Один аспект изобретения относится к способу изготовления полых усиливающих или придающих жесткость конструкций, признаки которого указаны в п. 1 формулы изобретения.
Дополнительные признаки изложены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Другой аспект изобретения относится к панели по п. 8, на которой изготовлены полые усиливающие конструкции.
Особенности и преимущества способа изготовления полых усиливающих или придающих жесткость конструкций будут более понятны из приведенного ниже подробного описания, сопровождаемого чертежами, на которых:
Фиг. 1А и 1В изображают панель авиационной конструкции, на которой могут быть изготовлены полые усиливающие конструкции, причем фиг. 1А изображает вариант выполнения панели, не плоской, а изогнутой, без усиливающих конструкций, а фиг. 1В изображает ту же панель с усиливающими конструкциями, расположенными, в качестве примера, перпендикулярно друг к другу.
Фиг. 2 изображает место пересечения двух полых усиливающих конструкций согласно фиг. 1В, расположенных перпендикулярно друг к другу.
Фиг. 3А и 3B изображают поперечный разрез панели, содержащей полые усиливающие конструкции, причем фиг. 3А изображает полую усиливающую конструкцию, а фиг. 3B изображает место пересечения двух полых усиливающих конструкций.
Фиг. 4 изображает вариант выполнения оправки, используемой в способе согласно изобретению.
Фиг. 5А и 5В изображают вид сверху различных вариантов выполнения панелей, например плоских панелей, в которых усиливающие конструкции пересекают друг друга под разными углами.
Способ изготовления множества полых усиливающих конструкций 3 для панелей «Р» или авиационных конструкций включает следующие, предпочтительно последовательные, операции:
(а) установку по меньшей мере одной оправки 2 на поверхности панели «Р» в соответствии с каждой изготавливаемой полой конструкцией 3;
(б) нанесение по меньшей мере одного слоя 4 композиционного материала на верхнюю часть каждой оправки 2;
(в) полимеризацию панели «Р», на которую нанесен указанный по меньшей мере один слой 4 композиционного материала;
(г) удаление указанной по меньшей мере одной оправки 2 из полых конструкций 3.
Расположение и/или форма оправки 2 таковы, что по меньшей мере две из полых усиливающих конструкций 3 не параллельны друг другу, а, например, сходятся, предпочтительно пересекаются.
Под термином панель «Р» понимается конструкция или авиационная конструкция, например обшивка, расположенная под полыми конструкциями 3 согласно изобретению. Панель «Р» является элементом, на котором изготавливают полые конструкции 3 согласно изобретению. На фиг. 1А показан пример выполнения панели «Р».
Пересечение по меньшей мере двух полых усиливающих конструкций 3 определяет место 31 пересечения.
В иллюстративном и не ограничивающем объем изобретения варианте выполнения по меньшей мере две полые усиливающие конструкции 3 пересекаются перпендикулярно друг к другу, как показано в качестве примера на фиг. 1В.
Фиг. 5А и 5В показывают равноценные варианты выполнения усиливающих конструкций 3, где две конструкции 3 или большее число конструкций 3 пересекаются в месте 31 пересечения не под прямыми углами. При этом они имеют разные углы пересечения. Выбор углов пересечения двух или нескольких полых конструкций 3 зависит от того, какое усиление или какая жесткость требуется для конкретной панели «Р» или авиационной конструкции.
Панель «Р» или авиационная конструкция обычно имеет наружную поверхность, которая по существу видна, когда панель или авиационная конструкция находится, например, на летательном аппарате или на его части, и внутреннюю поверхность, которая не видна, когда панель или авиационная конструкция находится, например, на летательном аппарате или на его части. Панель «Р» может иметь множество полых усиливающих конструкций 3 согласно изобретению.
Панель «Р» или авиационная конструкция может быть плоской, как показано на фиг. 5А и 5В, или изогнутой, как показано на фиг. 1А и 1В.
Способ изготовления полых конструкций 3, пересекающих друг друга, на панели «Р», согласно изобретению, включает одну операцию (б) полимеризации этой панели «Р», в ходе которой происходит полимеризация всех полых усиливающих или придающих жесткость конструкций 3, предпочтительно всех полых конструкций 3, расположенных на каждой панели «Р» или авиационной конструкции.
Полые конструкции 3 на панели «Р» можно изготовить с помощью множества оправок 2, расположенных так, чтобы получить полые конструкции 3, пересекающие друг друга. В другом варианте выполнения полые конструкции 3 на панели «Р» можно изготовить с помощью одной оправки 2, форма которой позволяет получить по меньшей мере две полые конструкции 3, пересекающие друг друга. В последнем варианте выполнения оправка 2 имеет такую форму, что образуются по меньшей мере две полые конструкции 3, например, все полые конструкции 3, которые нужно изготовить на панели «Р» или на авиационной конструкции, например на одной панели «Р» или авиационной конструкции. На фиг. 1В показана панель, на которой изготовлены пересекающиеся полые усиливающие конструкции 3, а именно, три полые конструкции, расположенные горизонтально, и три полые конструкции, расположенные вертикально, перпендикулярно к трем горизонтальным полым конструкциям. Полые конструкции 3, показанные, например, на фиг. 1В, 5А и 5В, могут быть изготовлены с помощью множества оправок 2 или с помощью одной оправки 2.
Оправка 2 определяет форму поперечного сечения полой конструкции 3.
Поперечное сечение полых конструкций 3 определяет отверстие 30.
Поперечное сечение оправки 2 позволяет изготовить полую конструкцию 3 с отверстием 30 требуемой формы.
В одном варианте выполнения, не ограничивающем объем изобретения, поперечное сечение полой конструкции 3 определяет отверстие трапецеидальной формы. Для изготовления полых конструкций 3 с трапецеидальным отверстием 30 используют оправку 2, поперечное сечение которой тоже имеет по существу трапецеидальную форму.
В общем, форма сечения полой конструкции 3, определяющего отверстие 30, зависит от формы используемой оправки. Можно использовать оправки 2 с круглым или многоугольным сечением.
Если рассматривать операции способа изготовления полой конструкции 3 более подробно, то операция (а) установки по меньшей мере одной оправки 2 на поверхности панели «Р» точно заключается в установке одной оправки или большего числа оправок 2 на поверхности панели «Р».
Оправки 2 устанавливают предпочтительно на поверхности внутренней стороны панели «Р» или авиационной конструкции.
Количество используемых оправок 2 зависит от количества и формы полых конструкций 3, которые нужно изготовить. Например, в случае малоразмерных панелей «Р» или авиационных конструкций, если необходимо иметь малое количество мест 31 пересечений, то можно использовать одну единственную оправку 2.
Указанную по меньшей мере одну оправку 2 размещают на панели «Р» в месте, где нужно изготовить полые конструкции 3, имеющие отверстие 30. В частности, указанную по меньшей мере одну оправку 2 размещают в местах, где требуется конструктивное усиление панели «Р» или авиационной конструкции.
После размещения по меньшей мере одной оправки 2 в местах, в которых нужно изготовить полую конструкцию 3, можно перейти к следующей операции (б) нанесения по меньшей мере одного слоя 4 композиционного материала на верхнюю часть каждой оправки 2.
Слой композиционного материала накладывают на верхнюю часть оправки 2, также в контакте с панелью «Р», таким образом, чтобы получить по возможности линейную поверхность.
Нанесение композиционного материала продолжают до тех пор, пока не будет получена требуемая толщина и/или не будут покрыты все оправки 2, используемые для изготовления полых конструкций 3.
В данном описании под термином «линейная поверхность» понимается поверхность, которая не имеет нежелательных складок. Она может быть даже изогнутой.
В результате нанесения композиционного материала получают панель, содержащую регулируемые оправки, определяющие ее геометрическую форму.
После наложения по меньшей мере одного слоя 4 композиционного материала для покрывания указанной по меньшей мере одной оправки 2 и панели «Р» в местах, в которых требуется усиление панели, можно перейти к следующей операции (в) полимеризации панели «Р».
Полимеризация происходит в результате процесса отверждения, например при нагревании панели «Р», на которую нанесен по меньшей мере один слой 4 композиционного материала.
Более предпочтительно, если операцию (в) полимеризации выполняют путем совместного отверждения, предпочтительно в автоклаве.
Панель «Р» или авиационную конструкцию предпочтительно полимеризуют путем выполнения специального термобарического цикла матрицы используемого композиционного материала. Термобарический цикл предпочтительно выполняют с помощью автоклава так, что указанный по меньшей мере один слой 4 композиционного материала полностью прикрепляется к панели «Р» с приданием ей жесткости.
При необходимости во время указанной операции (в) до того, как при нагревании слой 4 композиционного материала затвердеет, оправку 2 можно расширить, чтобы увеличить отверстие 30 полой конструкции 3, но при сохранении размеров, указанных в технологической спецификации. Возможность расширения оправки 2 ограничивается затвердеванием слоев 4 композиционного материала, определяющим таким образом размеры отверстий 30 полых конструкций 3.
После операции (в) полимеризации целесообразно выполнить промежуточную операцию охлаждения, вызывающую сжатие оправки 2.
В конце операции (в) полимеризации можно перейти к операции (г) удаления указанной по меньшей мере одной оправки 2 из полых конструкций 3.
Как правило, в способе согласно изобретению используют растворимые в воде оправки 2. Эти водорастворимые оправки обладают свойством не претерпевать конструктивных изменений при полимеризации. Они выполнены, например, из инертного материала, предпочтительно из порошкового материала с водорастворимым связующим.
Независимо от указанных технических особенностей, использование по меньшей мере одной оправки 2 из водорастворимого материала облегчает осуществление способа изготовления полых конструкций, например, пересекающих друг друга, благодаря тому, что используется одна операция (в) полимеризации, предпочтительно для всех полых конструкций 3, пересекающих одна другую.
В предпочтительном варианте выполнения способа до операции (г) удаления оправки 2 предусмотрена дополнительная операция (г0) перфорирования полой усиливающей конструкции 3. На этой дополнительной операции (г0) можно выполнить отверстие, которое позволяет удалить или извлечь оправку 2 в случае отсутствия выпускного отверстия.
Благодаря использованию водорастворимых оправок 2 можно изготавливать отверстия с диаметром, который значительно меньше исходного диаметра оправки 2. Через эти отверстия в полой конструкции 3 можно удалить растворенную оправку, например, вылить ее и/или вытрясти в подходящие контейнеры для хранения.
После операции (г) удаления выполняют дополнительную операцию зачистки панели «Р» или авиационной конструкции. После зачистки панель снабжают прокладками, чтобы ее или авиационную конструкцию можно было установить, например, на летательном аппарате.
Предлагаемый способ изготовления полых усиливающих конструкций 3 является стабильным для выполнения и, кроме того, очень простым, так как он не требует использования дополнительных устройств, в отличие от способа, применяемого в уровне техники.
Предлагаемый способ изготовления полых усиливающих конструкций 3, пересекающих друг друга, может быть реализован для любого типа панели «Р» или авиационной конструкции с любой формой, как с плоской, так и с изогнутой формой, например, имеющей изгибы или седловины.
Кроме того, предлагаемый способ позволяет изготовителям снизить производственные затраты, так как все полые конструкции изготавливают за одну операцию, так что сокращает число операций нанесения композиционного материала и полимеризации и исключает очистку полой конструкции 3 и удаление оправки.
Более подробно, способ согласно изобретению позволяет изготавливать все полые усиливающие конструкции 3 панели «Р», выполняя одну единственную операцию (б) нанесения и одну единственную операцию (в) полимеризации.
Способ согласно изобретению может выполняться автоматически с помощью автоматических систем, например систем, используемых для установки по меньшей одной оправки 2 на панели «Р», и автоматических систем нанесения и наложения слоев 4 композиционных материалов.
Данный способ может быть автоматизирован в значительной степени благодаря возможности изготавливать полые конструкции 3, пересекающие друг друга, посредством одной технологической операции, в частности, посредством одной операции (в) полимеризации. Способ согласно изобретению обеспечивает возможность изготовления всех полых конструкций 3, которые нужно изготовить на панели «Р» или авиационной конструкции, за один технологический переход без повторения операций способа.
Способ автоматизируют, например, с помощью установки для автоматической выкладки волокна (AFP), используемой для размещения композиционных материалов на пресс-форме для послойного формования. На указанную пресс-форму устанавливают одну или несколько оправок 2, предпочтительно водорастворимых. Эти оправки 2 являются специализированными, так как их геометрическая форма и консистенция позволяют наносить на них слои 4 композиционного материала автоматизированно. Автоматизированное нанесение слоев 4 продолжают до достижения заданной толщины и/или до тех пор, пока не будут покрыты все оправки.
По окончании процесса нанесения слоев получают панель, содержащую регулируемые оправки, определяющие ее геометрическую форму, и готовую для обработки за один цикл в автоклаве.
После одновременной полимеризации всех полых конструкций 3, имеющихся на панели «Р» или авиационной конструкции, панель перфорируют механическим инструментом и удаляют оправки. Удаление оправок 2 предпочтительно выполняют путем их растворения.
Панель «Р» или авиационную конструкцию зачищают должным образом и снабжают прокладками, чтобы ее можно было установить, например, на летательном аппарате.
Использование водорастворимых оправок 2 для изготовления полых конструкций 3 позволяет изготавливать оправки 2 с требуемыми формами. Известные оправки, используемые для изготовления пересекающихся полых конструкций 3, трудно удалить из полых конструкций.
Способ согласно изобретению особенно подходит для изготовления полых усиливающих конструкций для панелей летательных аппаратов.
Эта встроенная усиливающая геометрия также может использоваться в панелях для гондол или панелях для летательного аппарата, требующих придания жесткости.
Способ согласно изобретению дает конструкторам возможность изготавливать усиленные панели особенно эффективным образом. Ожидается, что описанная в данном документе конфигурация сможет удовлетворить потребности авиастроения.
Перечень цифровых позиций
Ρ панель
2 оправка
3 полая конструкция
30 отверстие
31 место пересечения
4 слой композиционного материала