用于对纤维预成形件进行预成形的工具和用于对纤维预成形件进行预成形的方法
阅读说明：本技术 用于对纤维预成形件进行预成形的工具和用于对纤维预成形件进行预成形的方法 (Tool for preforming a fiber preform and method for preforming a fiber preform ) 是由 史蒂文·杰拉德·约瑟夫·比恩弗努 于 2020-03-18 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于对纤维预成形件进行预成形的工具,该工具包括：-可膨胀的第一膜(11),该可膨胀的第一膜用于接纳纤维预成形件,-第二膜(18),该第二膜用于经由固定系统(20)附接到第一膜(11),以便在第一膜和第二膜之间形成流体密封的内腔(19),以及-抽空装置(25),该抽空装置用于在第一膜(11)和第二膜(18)之间的内腔中产生真空。(The invention relates to a tool for preforming a fiber preform, comprising: -an inflatable first membrane (11) for receiving a fibre preform, -a second membrane (18) for attachment to the first membrane (11) via a fixing system (20) so as to form a fluid-tight cavity (19) between the first and second membranes, and-an evacuation device (25) for creating a vacuum in the cavity between the first and second membranes (11, 18).)
技术领域
本发明涉及用于飞行器的由复合材料制成的涡轮机部件领域。特别地，本发明涵盖了这些复合部件的设计和/或制造以及对应的工具。
背景技术
涡轮机越来越多地装备有复杂形状的部件，并且至少部分地由复合材料制成。这些复合材料包括嵌入在基体中的纤维增强体，以便一方面减少这些部件的质量并提高这些部件的热机械阻力，另一方面提高涡轮机的性能。复合材料的示例被描述在文献US-A1-2014/175709、US-B2-8 419 875和US-A1-2013/099427中。
通常，由干燥纤维构成的纤维增强体被沉积在刚性模具中，然后在低压下将基体注射到先前闭合的模具中。最佳已知方法是RTM技术，该技术代表树脂传递模塑，这使得能够生产具有非常高质量和良好重复性的部件。然而，该方法不适用于非常复杂的形状，该形状可以通过例如可变排放阀导管来呈现，该可变排放阀导管用于将空气的一部分从流通穿过压缩机的主流排放到次级流，以调节压缩机的流速。
可变排放阀导管是单个复合材料的部件，并且包括引出管、弯管、配件等。这种类型的部件的难点是对构成纤维增强体的纤维折叠部或纤维结构的布置。纤维折叠部由于多个股或线(一股由数千根细丝构成)的编织而具有一定的刚性。通常，形成排放阀导管的纤维预成形件的纤维增强体在外部支撑件上预先成形，并且该纤维增强体被加强以便于布置在注射模具中，并且便于随后将基体注射到注射模具中。在该示例中，纤维增强体在刚性注射模具中成形。
为此，增粘剂或去离子水被施加到不同的折叠部上，以便暂时将不同的折叠部结合在一起，并将该折叠部保持在模具中，并使得能够注射基体。水使得带负电的链之间的电吸引能够断裂，以及氢键和肽键能够在折叠部变湿时断裂。这些键在干燥过程期间被激活。至于增粘剂，它是一种弱粘合粘合剂。
使用这些产品中的任何一种均会导致相当长的干燥时间，这会影响最终部件的制造时间，并且将折叠部保持在一起的机械强度相当低，这意味着折叠部的某些部件会脱粘和损失。手动操作的干燥时间和部件的尺寸不能使得纤维作为整体被正确地保持。另外，如果纤维在基体的注射期间移动或排列不当，则最终部件将不具有预期的机械性能。特别是对于增粘剂，在基体的注射期间，基体与增粘剂结合，而增粘剂在基体被注射时应该被基体推动，这降低了该基体的机械性能。一旦部件被制造，特别是如果增粘剂没有被树脂推动，则增粘剂会在部件中造成缺陷，如多孔性或分层。
特别是对于具有复杂形状并且没有任何拔模角的排放阀导管，除了将纤维增强体布置在模具中的这个问题之外，还存在预成形件从其成形支撑件上脱模的问题。如果支撑件是刚性的并且在一个部件中，则预先成形和加强的预成形件是不可能脱模的。由于干燥纤维与纤维的某些部件脱粘，预成形件的制造时间以及脱模的困难导致了相当大的时间损失以及一定数量的废品。
本发明特别是旨在简化和促进用于具有复杂形状的复合材料部件的纤维预成形件的成形，以便优化用于纤维预成形件的致密化的基体的注射。
发明内容
根据本发明，这通过用于对纤维预成形件进行预成形的工具来实现，该工具包括：
-可膨胀的第一膜，该可膨胀的第一膜用于接纳具有纤维增强体的纤维预成形件，
-第二膜，该第二膜用于经由附接系统附接到第一膜，以便在第一膜和第二膜之间形成流体密封的内腔，以及
-抽空装置，该抽空装置用于对第一膜和第二膜之间的内腔进行抽空。
因此，该解决方案使得能够实现上述目标。具体地，该工具使得能够便于将用于形成纤维预成形件的折叠部布置在第一膜(被称为凸形膜)上，以借助于真空在第一膜和第二膜(被称为凹形膜)之间压紧预成形件，以便于一旦真空被切断后通过移除第二凹形膜和一旦第一凸形膜被紧缩后通过提取第一凸形膜来对预成形的预成形件进行脱模。特别地，该工具使得能够节省时间，因为工具还使得能够干燥形成纤维预成形件的折叠部，并对纤维预成形件进行脱模，而没有在注射基体之前使预成形的纤维预成形件脱粘和变形的风险。
在本发明中，术语“预成形”用于表示在基体浸渍预成形件的纤维之前，对预成形件的形状进行成形和保持。然后，预成形的预成形件具有或接近最终部件应当具有的形状。
工具还包括以下特征中的一个或多个特征，这一个或多个特征被单独采用或组合采用：
-第一膜包括封闭的壁，以形成腔室。
-至少第一膜由弹性材料制成。
-弹性材料包括硅胶。
-第一膜和第二膜能释放地彼此附接。
-附接系统包括密封元件。
-抽空装置包括真空泵或文丘里效应系统或压缩机。
本发明还涉及用于对纤维预成形件进行预成形的方法，该方法包括以下步骤：
-提供预成形工具，该预成形工具包括可膨胀的第一膜和第二膜，第二膜附接到第一膜，以便在第一膜和第二膜之间形成流体密封的内腔；
-使第一膜膨胀；
-将用于形成纤维预成形件的纤维折叠部布置在第一膜上；
-将第二膜施加在纤维预成形件上，并施加在第一膜上；
-对第一膜和第二膜之间的内腔进行抽空；以及
-对预成形的和干燥的纤维预成形件进行脱模。
用于对纤维预成形件进行预成形的方法还包括以下特征中的一个或多个特征，这一个或多个特征被单独采用或组合采用：
-布置折叠部的步骤包括对形成加湿的纤维预成形件的每个折叠部进行加湿。
-在加湿之前，纤维预成形件的纤维没有用树脂浸渍。
-抽空步骤包括对加湿的纤维预成形件进行干燥和压紧。
-加湿用去离子并过滤的水来进行。
-抽空步骤在预定的时间内进行。
-用于对预成形的预成形件进行脱模的步骤包括使第二膜移除和使第一膜紧缩。
本发明还涉及一种用于制造涡轮机部件的方法，该方法包括以下步骤：
-生产纤维预成形件；
-根据具有上述特征中的任一特征的方法对纤维预成形件进行预成形；
-将预成形的预成形件布置在注射模具中；
-将基体注射到预成形的预成形件中。
附图说明
在参照示意性附图阅读本发明的作为纯说明性和非限制性示例给出的实施例的以下详细的说明性描述时，本发明将被更好地理解，并且本发明的其它目的、细节、特征和优点将变得更加清楚，在附图中：
[图1]图1是根据本发明的涡轮机的可变排放阀导管的示例的侧视图；
[图2]图2是根据本发明的排放阀导管的示例的俯视图；以及
[图3]图3示意性地示出了根据本发明的用于对纤维预成形件进行预成形的工具的示例。
具体实施方式
图1示出了由单个复合材料的部件制成的飞行器涡轮机部件。
图1和图2精确地示出了用于装备双流涡轮机的可变排放阀导管1。该可变排放阀导管1包括主管2，该主管使得能够将双流叶轮机的主管道的一部分连接到次级管道的一部分。导管1包括安装(未示出)在主管2的开口3中的可变排放阀，该主管的开口通向次级管道。导管1还包括次级管4，该次级管具有第一端部5和第二端部6，该第一端部通向使得能够对涡轮机的低压涡轮的热部件进行冷却的管，该第二端部通向主管2。该导管1是大致S形的并且具有许多曲线部分，如图1和图2所示。当然，本发明可以应用于具有复杂形状的由复合材料制成并用于装备涡轮机的所有部件。
由复合材料制成的涡轮机部件(在此为导管1)由纤维增强体(未示出)和纤维增强体所嵌入的基体制成。纤维增强体包括粘合在一起的多个纤维折叠部、纤维圈、纤维层或纤维结构。这些折叠部可以是三维(3D编织)、二维(2D编织)的线或股，线或股各自由数根细丝构成，或者是单向的。纤维增强体用于形成纤维预成形件，该纤维预成形件具有要获得的部件的大致形状。
线或股可以是各种类型的。在示例性实施例中，线的材料可以包括碳、玻璃、聚酰胺、芳纶、陶瓷或这些材料的混合物。
图3示意性地示出了预成形工具10，该预成形工具用于对纤维预成形件的形状进行成形或甚至冻结，以使该纤维预成形件的形状尽可能接近要生产的最终部件的形状，并且最重要的是，该预成形工具用于在用特定基体浸渍期间保持该纤维预成形件的形状。
预成形工具10包括第一膜11(被称为凸形膜)，该第一膜用于接纳纤维预成形件。第一膜11是可膨胀(和可紧缩)的，以使一方面便于对纤维预成形件进行布置，另一方面便于随后对预成形件进行脱模而没有损坏预成形件的风险。第一膜11由弹性材料制成，以使该第一膜可以膨胀和紧缩。“可膨胀”是指膜的体积通过流体而增加。当流体被抽空时，膜会紧缩回到其原始体积。
有利地但不限于，弹性材料包括弹性体，例如硅胶。硅胶被成形，并被固化到预定尺寸以容纳纤维预成形件。特别地，在本示例中，第一膜11包括壁，当第一膜膨胀时，该壁的形状旨在给要施加到第一膜上的纤维预成形件提供对应的形状。壁可以是任何形状的。
第一膜的壁被封闭，以便形成接纳空气的腔室12，优选地形成接纳压力下的空气的腔室。第一膜11的壁包括用于向腔室12供给空气的入口孔13。
工具10包括膨胀系统14(示意性示出)，该膨胀系统一方面连接到压缩空气源，另一方面连接到喷嘴15，该喷嘴用于联接到第一膜11的入口孔13。压缩空气源提供使第一膜11膨胀所需的空气。
第一膜11的壁还包括出口孔16。出口孔设置有可移动的壁部分，以便占据出口孔关闭的第一位置和出口孔打开的第二位置。不言而喻，在第一位置，腔室在其膨胀(充满空气)期间或膨胀之后保持空气，并且在第二位置，腔室通过出口孔16排空其空气，以使第一膜11紧缩。
工具10还包括第二膜18(被称为凹形膜)，该第二膜被流体密封地附接到第一膜11。第二膜18与第一膜配合，以在第一膜和第二膜之间形成流体密封的内腔19。为此，工具10包括附接系统20，该附接系统安装在第一膜11和第二膜18的外围边缘21、22处。
然而，第一膜11和第二膜18经由附接系统20可释放地彼此附接，并便于移除预成形的预成形件。
在本示例中，附接系统20至少部分地位于第一膜11和/或第二膜18上。附接系统可包括流体密封的拉链(zip)。
有利地但不限于，附接系统20包括密封元件，该密封元件包括可变形材料的密封件。在制造方法以及布置凸形膜和凹形膜期间装配密封件。该可变形材料可以是橡皮泥条。密封元件使得能够保持膜之间的空间，并因此便于内腔的形成。
替代地，附接系统20包括第一膜和第二膜之间的夹紧元件。在这种情况下，第一膜和第二膜中的一个包括例如凹槽，第一膜和第二膜中的另一个包括形状例如像欧米茄的支架。支架和凹槽装配在一起，以形成密封件。
第二膜18也由弹性材料制成。与第一膜一样，弹性材料可以是硅胶。
工具10包括用于对第一膜和第二膜之间的内腔进行抽空的抽空装置25。抽空装置包括真空泵或压缩机，该真空泵或压缩机通过管27连接到在此形成在第二膜18的壁中的吸入孔26。
替代地，抽空装置包括文丘里效应系统，该文丘里效应系统在连接到吸入孔的管上提供横截面差，以产生压力差。文丘里效应系统易于维护且是经济的。
我们现在将描述用于对纤维预成形件进行预成形的方法。通过上述预成形工具来执行预成形方法。该方法包括使第一膜11膨胀的步骤。空气经由膨胀系统吹到第一膜的腔室12中。
然后，该方法包括将具有纤维增强体的纤维预成形件布置在第一膜11上，然后使该第一膜膨胀。为此，各种纤维折叠部被一个接一个地布置在第一膜的外壁上，以形成纤维增强体的厚度。这些折叠部也被加湿，以使得纤维能够保持在一起，直到所有纤维折叠部被布置在第一膜11上。可以理解，纤维增强体的纤维是非浸渍的。纤维增强体先前没有用树脂浸渍。
有利地但不限于，水被用于加湿各种折叠部。优选地，水被过滤并被去离子。
然后，第二膜18被施加在所得到的变湿或加湿的纤维预成形件和第一膜上。因此，纤维预成形件位于第一膜和第二膜之间，特别是位于工具的流体密封的内腔19中。
在内腔19中进行抽空。这是借助上述抽空装置来进行的。抽空将纤维压紧在一起，并使纤维折叠部的形成加湿的纤维预成形件的纤维干燥。水通过降低其沸点来抽空。在该步骤结束时，所有折叠部被坚固地接合在一起。抽空在预定的时间段内进行，例如在几秒钟内进行。抽空还在介于0.005巴到0.100巴之间的压力下进行。
然后，预成形件被脱模。为此，从第一膜11以及预成形件本身上移除第二膜18，然后，第一膜11被紧缩。我们获得预成形的、干燥且压紧的预成形件。
一旦预成形的预成形件被脱模，该脱模可进行目视检查，也可通过无损检测(例如，通过扫描或断层摄影装置)进行检查。在折叠部被错放的情况下，预成形件可以再次加湿，以便于有问题的折叠部的移位。
一旦预成形件的形状被附接(预成形)，干燥的预成形件就通过使用例如树脂传递模塑(RTM，Resin Transfer Molding)技术布置在注射模具中。由于预成形件的预成形，便于该预成形件的移位。没有纤维滑动在一起的风险。
基体被注射到模具中，以便对纤维预成形件的纤维进行浸渍和致密化，并因此获得复合材料部件，在这种情况下获得导管。模具包括第一凹部，该第一凹部用于接纳在此干燥的预成形的预成形件。具有第二凹部的配对模具用于与第一凹部形成基体的注射空间。根据所需的应用来选择基体。基体可以是环氧基热固性树脂或酚醛树脂，例如聚双马来酰亚胺(BMI)。在基体注射之前，注射模具与配对模具闭合。当然，例如灌输、RTM光或多反射的其它方法是可能的。