基于湿法工艺的复合材料盒段结构整体化低成本制造方法
阅读说明：本技术 基于湿法工艺的复合材料盒段结构整体化低成本制造方法 (Wet process based integrated low-cost manufacturing method for composite material box section structure ) 是由 王乾 张业伟 于 2021-09-26 设计创作，主要内容包括：一种基于湿法工艺的复合材料盒段结构整体化低成本制造方法,属于复合材料成型技术领域。该制造方法包括：根据复合材料盒段结构制备成型芯模,将成型芯模连同加强筋作为铺叠膜,将其置于下蒙皮坯料上,采用湿法成型工艺进行复合材料盒段结构上蒙皮坯料的铺叠,合模封装；加热移除成型芯模中的石蜡后,向石蜡对应的异型真空筒袋持续通入压缩气体进行施压,再加热至硬质泡沫塑料热收缩变形,向硬质泡沫塑料对应的异型真空筒袋持续通入压缩气体进行施压,确保合模封装体系内全程负压,固化得到整体化低成本制造的复合材料盒段结构。该制造方法可以在完成新能源通航飞机机翼类复合材料盒段结构整体化成型的基础上,实现该类结构的低成本制造。(A wet process based integrated low-cost manufacturing method for a composite material box section structure belongs to the technical field of composite material forming. The manufacturing method comprises the following steps: preparing a forming core mold according to the composite material box section structure, placing the forming core mold and reinforcing ribs as a laying film on the lower skin blank, laying the skin blank on the composite material box section structure by adopting a wet forming process, and closing the mold for packaging; and after paraffin in the forming core mold is removed by heating, continuously introducing compressed gas into the special-shaped vacuum tube bag corresponding to the paraffin for pressurizing, heating until the rigid foam plastic is subjected to thermal shrinkage deformation, continuously introducing the compressed gas into the special-shaped vacuum tube bag corresponding to the rigid foam plastic for pressurizing, ensuring the whole-process negative pressure in the mold closing and packaging system, and curing to obtain the integrated low-cost manufactured composite material box section structure. The manufacturing method can realize the low-cost manufacturing of the new-energy navigation aircraft wing composite material box section structure on the basis of completing the integrated molding of the structure.)
技术领域
本发明涉及一种基于湿法工艺的复合材料盒段结构整体化低成本制造方法，属于复合材料成型技术领域。
背景技术
由蒙皮和梁、墙或肋等加强筋构成的复合材料盒段结构(如图1所示)，以其优异的承载特征广泛应用于飞行器的主承力结构，以机翼为例，传统制造模式常采用蒙皮与加强筋的分别制造，再通过二次胶接或机械连接将上下蒙皮与加强筋组合装配。由于二次胶接导致的零件及组件的多次固化，以及机械连接所引入的大量机加及装配工作，极大地增加了复合材料部件的整体制造成本；并且，装配过程引入的紧固件会更加不利于部件的减重效果。考虑到复合材料的制造成本主要源于零件的固化成本与部件的装配成本，对于通航飞行器而言，特别是新能源通航飞机，减重效果决定了飞机的续航里程，因此普遍采用胶接作为装配方式以达到减重目的，使其整体制造成本主要取决于零部件的固化过程。目前，新能源通航飞机的复合材料部件制造仍采用多次固化零组件与胶接组合模式，虽然以手糊成型为主的湿法成型工艺能够一方面从材料角度减少预浸料的制造工艺成本，另一方面采用有别于传统金属材质的玻璃钢工装，减少工装制造成本，但仍然无法减少零件的固化次数进而大幅度降低零件固化成本，因此无法达到复合材料盒段结构的整体化低成本制造。
发明内容
本发明旨在解决的技术问题是提供一种基于湿法工艺的复合材料盒段结构整体化低成本制造方法，该技术可以在完成新能源通航飞机机翼类复合材料盒段结构整体化成型的基础上，实现该类结构的低成本制造。
本发明的基于湿法工艺的复合材料盒段结构整体化低成本制造方法，包括：根据复合材料盒段结构制备成型芯模，成型芯模包括石蜡-异型真空筒袋组合部分、硬质泡沫塑料-异型真空筒袋组合部分，将成型芯模连同加强筋作为铺叠膜，将其置于下蒙皮坯料上，采用湿法成型工艺进行复合材料盒段结构上蒙皮坯料的铺叠，合模封装；
加热移除成型芯模中的石蜡后，向石蜡对应的异型真空筒袋持续通入压缩气体进行施压，再加热至硬质泡沫塑料热收缩变形，向硬质泡沫塑料对应的异型真空筒袋持续通入压缩气体进行施压，确保合模封装体系内全程负压，固化得到整体化低成本制造的复合材料盒段结构。
所述的石蜡-异型真空筒袋组合部分，是制造复合材料盒段结构的前缘与前缘端部加强筋间、后缘与后缘端部加强筋间区域的成型芯模部分；
所述的硬质泡沫塑料-异型真空筒袋组合部分，是制造复合材料盒段结构的中部各加强筋间区域的成型芯模部分。
所述的硬质泡沫塑料为密度小于100kg/m3的高发泡泡沫塑料，优选为聚乙烯泡沫塑料、聚氯乙烯泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料、聚氨酯泡沫塑料中的一种。
所述的蒙皮坯料为含浸树脂的纤维布，其中，树脂的凝胶温度>硬质泡沫塑料的热收缩变形温度>石蜡的熔融温度。
更具体的为：本发明的一种基于湿法工艺的复合材料盒段结构整体化低成本制造方法，包括以下步骤：
步骤1：按照复合材料盒段结构的前缘与前缘端部加强筋间、后缘与后缘端部加强筋间区域特征，浇注石蜡芯模，并对应制备第一异型真空筒袋，将石蜡芯模套装在第一异型真空筒袋内，得到石蜡-异型真空筒袋组合部分，形成第一独立真空通路；
步骤2：按照复合材料盒段结构的中部各加强筋间区域特征，加工硬质泡沫塑料芯模，并对应制备第二异型真空筒袋，将硬质泡沫塑料芯模套装在第二异型真空筒袋内，得到硬质泡沫塑料-异型真空筒袋组合部分，形成第二独立真空通路；
步骤3：按照复合材料盒段结构的结构特征，将石蜡-异型真空筒袋组合部分、硬质泡沫塑料-异型真空筒袋组合部分连同加强筋作为铺叠模；
步骤4：将铺叠模置于下蒙皮坯料上，采用湿法成型工艺进行上蒙皮坯料的铺叠，合模后将未固化复合材料盒段结构连同模具整体封装，形成第三独立真空通路；
步骤5：对封装体系加热，当加热至石蜡芯模熔融后，将石蜡芯模移出，向第一独立真空通路持续通入压缩气体施压，直至复合材料盒段结构固化成型；当加热至硬质泡沫塑料热收缩变形后，向第二独立真空通路持续通入压缩气体施压，直至复合材料盒段结构固化成型；固化过程中确保第三独立真空通路内全程负压，拆除封装并移除热收缩变形的硬质泡沫塑料，得到复合材料盒段结构。
所述的步骤4中，湿法成型工艺优选为手糊成型。
所述的下蒙皮坯料是通过手糊成型工艺制得。
所述的步骤5中，压缩气体的压强为0.1-0.3MPa。
本发明的基于湿法工艺的复合材料盒段结构整体化低成本制造方法，通过采用石蜡-异型真空筒袋组合部分制造复合材料盒段结构中前缘与前缘端部加强筋间、后缘与后缘端部加强筋间区域的成型芯模，采用硬质泡沫塑料-异型真空筒袋组合部分制造复合材料盒段结构的中部各加强筋间区域的成型芯模；同时，利用常温下石蜡和硬质泡沫塑料的刚性状态，结合加强筋作为铺叠模完成上蒙皮坯料的铺叠过程，并且在高温下借助于石蜡熔融与硬质泡沫塑料热收缩特性完成芯模的移除，进而通过异型真空筒袋的后续加压作用，实现复合材料盒段结构的整体化制造过程。
本发明的具体技术方案如下，以解决上述技术难点：
(1)按照前缘与前缘端部加强筋间、后缘与后缘端部加强筋间的区域特征浇注石蜡芯模并制作异型真空筒袋，再将石蜡芯模置于真空筒袋内形成第一独立真空通路，完成该区域成型芯模的制造；
(2)按照各加强筋间区域特征加工硬质泡沫塑料并制作异型真空筒袋，在硬质泡沫塑料表面粘贴无孔隔离膜后，将其置于异型真空筒袋内形成第二独立真空通路，完成该区域成型芯模的制造；
(3)将固化后净尺寸的加强筋与石蜡-异型真空筒袋组合部分及硬质泡沫塑料-异型真空筒袋组合部分相组合，作为铺叠模放置于手糊成型的下蒙皮坯料上，再手糊成型上蒙皮坯料后合模，将未固化复合材料盒段结构连同模具封装为整体，形成第三独立真空通路；
(4)熔融石蜡将其移出后向石蜡-异型真空筒袋组合部分中的第一异型真空筒袋内通入压缩气体并持续加压至复合材料盒段结构固化成型；
(5)硬质泡沫塑料热变形后，持续升温的同时向硬质泡沫塑料-异型真空筒袋组合部分中第二异型真空筒袋内通入压缩气体并持续加压至复合材料盒段结构固化成型，固化过程中确保合模封装体系内全程负压，拆除封装并移除收缩变形后的硬质泡沫塑料，完成盒段结构复合材料部件的整体化制造。
本发明的基于湿法工艺的复合材料盒段结构整体化低成本制造方法，其有益效果在于：
本发明选用可回收重复利用的石蜡，以及易加工具备热收缩变形特性的硬质泡沫塑料制备成型芯模，辅助完成通航飞机机翼等复合材料盒段结构部件的整体化制造；并且，该制造方法相比于传统方法仅增加硬质泡沫塑料的材料成本和加工成本，远低于传统制造方法所涉及的多次固化成本，因此能够显著降低湿法成型工艺制造复合材料盒段结构的整体制造成本。
附图说明
图1为本发明实施例的复合材料盒段结构的三维结构示意图；
图2为本发明实施例的复合材料盒段结构的正视图；
图3为本发明实施例中成型芯模组合的结构示意图；
图4为本发明实施例中第一独立真空通路和第二独立真空通路示意图；
图5为本发明实施例中第三独立真空通路示意图；
以上图中，1为前缘；2为后缘；3为前缘端部加强筋；4为后缘端部加强筋；5为加强筋；6为石蜡芯模；7为第一异型真空筒袋；8为硬质泡沫塑料芯模；9为第二异型真空筒袋；10为下蒙皮；11为上蒙皮；
A为第一独立真空通路；B为第二独立真空通路；C为第三独立真空通路。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
本技术所公开的内容，包括利用硬质泡沫塑料、石蜡结合异型真空筒袋使用所涉及的材料选取、参数设置、制造过程及功能作用，包括采用硬质泡沫塑料(或石蜡)-异型真空筒袋制造盒段结构中各区域的成型芯模、利用石蜡和硬质泡沫塑料的常温特征作为上蒙皮坯料铺叠模使用的思想，以及通过硬质泡沫塑料高温收缩与石蜡的熔融特性实现芯模移除等思路均应视为本发明的保护范畴。
为了进一步说明而不是限制本发明的上述实现方式，结合一种典型基于湿法工艺的复合材料盒段结构的整体化低成本制造方法作为实施例对本发明进一步说明，本实施例制备的复合材料盒段结构具体为复合材料机翼，其结构示意图见图1，详细制造方法涉及的内容如下：
1)加热粗石蜡至60℃以上完全熔融，根据机翼结构中前缘1与前缘端部加强筋3间、后缘2与后缘端部加强筋4间区域构型特征，浇注石蜡芯模6及制作对应的第一异型真空筒袋7，再将石蜡芯模6置于第一异型真空筒袋7中并联为第一独立真空通路A，得到石蜡-异型真空筒袋组合部分，其示意图见图3和图4。
2)选取硬质聚苯乙烯泡沫根据机翼结构中各加强筋间区域构型特征，加工硬质泡沫塑料芯模8及制作对应的第二异型真空筒袋9，在硬质泡沫塑料芯模8表面粘贴一层无孔隔离膜后置于第二异型真空筒袋9中并联为第二独立真空通路B，得到硬质泡沫塑料-异型真空筒袋组合部分，其示意图见图3和图4。
3)手糊成型下蒙皮10坯料后，将固化后净尺寸的加强筋与步骤1)石蜡-异型真空筒袋组合部分及步骤2)硬质泡沫塑料-异型真空筒袋组合部分组合，作为铺叠模定位于下蒙皮相应位置，在其上表面手糊成型上蒙皮11坯料后合模，其示意图见图2，将未固化机翼连同模具封装为整体并设置第三独立真空通路C，其示意图见图5，确保固化过程中第三独立真空通路C全程真空压。其中，上下蒙皮坯料中选用的树脂凝胶温度大于硬质泡沫塑料的热变形温度>石蜡的熔融温度；
4)温度上升至60℃～70℃时，将熔融石蜡移出后向第一独立真空通路A中通入0.3MPa的压缩气体并持续加压至复合材料机翼固化成型。
5)温度上升至80℃～90℃时，持续升温的同时向第二独立真空通路B中通入0.3MPa的压缩气体并持续加压至复合材料机翼固化成型，拆除封装并移除收缩变形后的硬质泡沫塑料，完成复合材料机翼的整体化制造。
对比例
传统制造方法分别固化上下蒙皮和加强筋，固化次数为3次；而本发明仅包括加强筋固化和盒段结构整体固化过程，固化次数为2次。考虑到传统制造方法会在增加固化费用的同时增加工艺辅料费用，而本发明虽然涉及石蜡和硬质泡沫塑料的使用，但石蜡10元/kg左右(且可重复循环使用)以及硬质泡沫塑料600元/m3(以聚乙烯泡沫塑料为例)的使用价格，远低于传统制造方法额外增加的工艺辅料费用。因此，本发明至少比传统制造方法节约1次固化费用，在满足整体化制造复合材料盒段结构的基础上具备低成本制造特征。