CN119159832B - 一种复合材料大变形结构的一体化成型工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合材料大变形结构的一体化成型工艺方法，设计超长烘箱、超长芯模，超长烘箱、超长芯模安装在导轨上，导轨长度大于烘箱底座长度，首先在芯模上整体铺层，铺层完成后，以毛毡、真空袋膜封装，在超长烘箱内固化，然后脱模，即在烘箱内一次整体固化成型。本发明解决了30m级以上的大变形结构的整体成型难题，避免了分段成型出现的固化缺陷。芯模在烘箱内加热时，产生热膨胀变形，其长度尺寸发生的变化可通过支撑架在导轨上的滑动，快速释放，避免模具弯曲，影响复合材料大变形结构的直线度，提高了结构的制备精度。

Description

一种复合材料大变形结构的一体化成型工艺方法

技术领域

本发明属于复合材料领域，涉及一种复合材料大变形结构的一体化成型工艺方法。

背景技术

未来空间飞行器向大型化、大功率方向发展，其尺寸达到百米甚至千米以上，如百米级展开天线、千米级太阳能电站、太阳帆等载荷，由于火箭整流罩包络尺寸限制，大收纳比、可地面收拢、在轨展开的结构极为重要。碳纤维/树脂基大变形复合材料结构是上述载荷的关键承载结构，具有质量轻、高承载比、可设计性强和可超长制造等优点，是未来大型展开结构的首选。

当前该类结构的成型存在以下问题：(1)复合材料大变形结构的需求长度超过30m，实际制造长度受制于常规热压罐、烘箱的长度尺寸，一般在10m以内，无法超长制造；(2)超长尺寸模具加热后热膨胀量大，导致模具弯曲变形，造成复合材料大变形结构的直线度超差。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种复合材料大变形结构的一体化成型工艺方法，解决复合材料大变形结构受制于常规热压罐、烘箱、模具等的尺寸限制，难以进行30m以上成型以及成型直线度差的难题。

本发明解决技术的方案是：

一种复合材料大变形结构的一体化成型工艺方法，包括：

根据复合材料大变形结构的长度在地面上布置4条导轨，其中内侧两条导轨用于安装芯模支撑架，外侧两条导轨安装烘箱底座；

所述烘箱底座由若干烘箱底座模块构成，将烘箱底座模块依次排列安装于导轨上，相邻烘箱底座模块之间通过快速夹具连接，且无缝隙；安装到位后，烘箱底座能够在导轨上自由滑动；

将芯模支撑架穿过烘箱底座安装于导轨上；

芯模由若干芯模模块构成，将每个芯模模块安装于对应的芯模支撑架上，芯模模块与芯模模块间以紧固件连接，外圆对齐，采用激光跟踪仪测调芯模直线度；

在芯模正上方安装激光投影仪，调整投影线位置，直至投影线位于芯模正上方；

在平台上将单层预浸料依次层叠，最后在内外表面铺一层氟布，制备预浸料铺层，在预浸料铺层的氟布外表面画基准线，将预浸料铺层卷绕在纸筒上；

在芯模表面喷涂脱模剂；

将预浸料铺层以C型结构铺覆于芯模表面，C型开口位于芯模正下方，调整预浸料铺层在芯模上的位置，使得预浸料铺层的基准线与激光投影线对齐，压实；

预浸料铺层外表面封装真空袋膜，试抽真空，保证无漏气；

在真空袋膜外表面包裹热膨胀硅橡胶，然后在热膨胀硅橡胶上套装限位金属管，热膨胀硅橡胶、金属限位管完全包裹预浸料铺层；

为每个烘箱底座模块配置一个U型上盖，将U型上盖开口向下安装在对应的烘箱底座模块上，U型上盖与烘箱底座模块采用快速夹具连接，U型上盖与U型上盖间也采用快速夹具连接；

在烘箱两端头安装封板，启动烘箱，完成固化；

固化后，断开快速夹具，依次将U型上盖吊离，拆除金属限位管、热膨胀硅橡胶、封装材料，露出固化后的复合材料大变形结构；

脱模，修整，完成产品制备。

优选的，导轨长度大于烘箱底座长度，且导轨长度单边大于烘箱底座长度1m以上。

优选的，烘箱底座单边超过大变形结构长度1m以上。

优选的，烘箱底座与外侧两条导轨上的滑块间设置隔热垫。

优选的，每个烘箱底座模块中部放置芯模支撑架和芯模模块的部分凸起，U型上盖开口向下安装在对应的烘箱底座模块上时，所述凸起嵌入到上盖中，形成配合段。

优选的，芯模模块长度与烘箱底座模块长度一致。

优选的，芯模支撑架与内侧两条导轨上的滑块间设置隔热垫。

优选的，在平台上将单层预浸料依次层叠的方法如下：

先将±45°、0°的单层预浸料在平面状态下预先铺层，其中0°铺层的长度不小于产品长度，单层预浸料的宽度与C型结构截面周长一致。

优选的，在预浸料铺层的氟布外表面画基准线时，基准线沿预浸料铺层长度方向，位于预浸料铺层宽度方向的中心。

优选的，芯模模块与芯模支撑架的连接点位于芯模模块正下方。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明采用的超长复合材料大变形结构的一体化成型工艺方法解决了30m级以上的大变形结构的整体成型难题，避免了分段成型出现的固化缺陷。

(2)本发明实现了模具热变形释放，解决了超长芯模热膨胀变形导致的超长大变形杆件固化弯曲难题，提高了结构的制备精度。

附图说明

图1为本发明所涉及的一种复合材料大变形结构示意图；

图2为本发明一体化成型烘箱与芯模示意图；

图3为本发明烘箱模块与芯模模块示意图；

图4为芯模、烘箱在导轨上的安装示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步阐述。

如图1所示，本发明所涉及的一种复合材料大变形结构为碳纤维/树脂基复合材料层合结构，其截面呈C型，长条杆状，长度可达30m以上。

如图2所示，本发明复合材料大变形结构采用一体化成型工艺，设计超长烘箱、超长芯模模具，首先在模具上整体铺层，铺层完成后，以毛毡、真空袋膜封装，在超长烘箱内固化，然后脱模，即在烘箱内一次整体固化成型。

如图3所示，所述的烘箱为模块化组合结构，由若干个标准长度的烘箱模块单元组成，烘箱模块长度可设定为5m，烘箱可根据产品长度增减模块数量，满足产品固化总长度要求。

烘箱模块有U型上盖和烘箱底座模块组成，若干烘箱底座模块构成烘箱底座。其中烘箱底座安装于地面上的长导轨上，可在导轨上沿芯模长度方向自由滑动，烘箱加热过程中随着烘箱温度的升高、降低，烘箱因热膨胀导致的长度变化通过在导轨上的滑动快速上释放，U型上盖安装在底座上，并可通过快速夹具快速连接。

所述的芯模为模块化组合结构，由若干个标准长度的芯模模块单元组成，芯模模块长度与烘箱长度一致，可设定为5m，芯模可根据产品长度增减模块数量，满足产品铺层总长度要求。

具体成型工艺方法步骤如下：

步骤1：根据复合材料大变形结构的长度在地面上布置4条导轨，调整精度，内侧两条导轨用于安装芯模支撑架，两侧导轨安装烘箱底座，导轨长度长于烘箱模块长度单边1m以上；

步骤2：将烘箱底座模块安装于导轨上，烘箱底座模块依次排列，超过大变形结构长度，单边长度至少预留1m以上，安装后，烘箱底座可在导轨上自由滑动，以快速夹具将底座模块间连接，无缝隙；

步骤3：将若干芯模支撑架穿过烘箱底座安装于导轨上；

步骤4：将芯模模块安装于对应的芯模支撑架上，模块与模块间以紧固件连接，外圆对齐，采用激光跟踪仪测调芯模直线度；

步骤5：在芯模正上方安装激光投影仪，调整投影线位置，直至投影线位于芯模正上方；

步骤6：在平台上将单层预浸料依次层叠，最后在内外表面铺一层氟布，制备预浸料铺层，在预浸料铺层的氟布外表面画基准线，将预浸料铺层卷绕在直径300mm的纸筒上；

步骤7：在芯模表面喷涂脱模剂；

步骤8：将预浸料铺层铺覆于芯模表面，大变形结构的C型开口为于正下方，调整预浸料铺层在芯模上的位置，使得预浸料铺层的基准线与激光投影线对齐，压实；

步骤9：预浸料铺层外表面封装真空袋膜，试抽真空，保证无漏气。

步骤10：在真空袋膜外表面包裹热膨胀硅橡胶，然后安装限位金属管，热膨胀硅橡胶、金属限位管完全包裹预浸料铺层；

步骤11：将烘箱的U型上盖依次安装在底座上，U型上盖与底座件采用快速夹具连接，U型上盖与U型上盖间也采用快速夹具连接；

步骤12：在烘箱两端头安装封板，启动烘箱，完成固化；

步骤13：固化后，断开快速夹具，依次将U型上盖吊离，拆除金属限位管、热膨胀硅橡胶、封装材料等，露出固化后的复合材料大变形结构；

步骤14：脱模，修整，完成产品研制。

如图4所示，为芯模、烘箱在导轨上的安装示意图。

烘箱底座模块与外侧两条导轨上的滑块间设置隔热垫，可使得烘箱内经热传导导出的热量快速消散，避免导轨温度上升过大，引起较大热变形。

烘箱上盖呈U型，可扣在底座上，底座上的凸起可嵌入到烘箱上盖中，形成配合段，减少热量从对接缝处的散失。

芯模模块为圆管铺层模，其中，芯模支撑架一端连接圆管铺层模，一端通过烘箱底座模块上的开口连接烘箱外的导轨滑块。

烘箱底座开孔大小满足芯模支撑架支撑腿的位移尺寸要求。

芯模支撑架导轨位于烘箱内侧，芯模支撑架与导轨滑块间安装隔热垫，可阻隔热量，避免导轨温度上升，烘箱加热过程中，导轨保持室温，无显著的热膨胀长度变化。

芯模在烘箱内加热时，产生热膨胀变形，其长度尺寸发生的变化可通过支撑架在导轨上的滑动，快速释放，避免模具弯曲，影响复合材料大变形结构的直线度。

芯模与支撑架的连接点位于复合材料大变形杆的C型开口处，连接点位于芯模正下方。

芯模外表面设置热膨胀硅橡胶层和金属限位管，用于固化过程中对预浸料铺层的加压。

复合材料大变形结构预浸料铺层方法是先将±45°、0°等单层预浸料在平面状态下预先铺层，铺层顺序为[+45°/-45°/0°_n/-45°/+45°]，0°_n表示0°铺层有多层。其中0°铺层的长度不小于产品长度，单层预浸料的宽度与C型结构截面周长一致。在预浸料铺层的内外表面贴氟布，铺层完成后将预浸料铺层卷绕在直径300mm的纸筒上。

在预浸料铺层的上画基准线，基准线沿预浸料铺层长度方向，位于预浸料铺层宽度方向的中心。

采用激光投影在超长模具上表面中心投影出一条直线，预浸料铺层在模具上的铺层时，铺层中心的基准线与该投影线对齐，从而控制铺层精度。

所述的复合材料大变形结构固化工艺是先在预浸料铺层表面封真空袋膜，抽真空，无泄漏后，在外表面包裹热膨胀硅橡胶，然后表面安装金属限位管，使得热膨胀硅橡胶仅能向预浸料铺层表面膨胀，从而施加固化压力。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.一种复合材料大变形结构的一体化成型工艺方法，其特征在于，包括：

根据复合材料大变形结构的长度在地面上布置4条导轨，其中内侧两条导轨用于安装芯模支撑架，外侧两条导轨安装烘箱底座；

所述烘箱底座由若干烘箱底座模块构成，将烘箱底座模块依次排列安装于导轨上，相邻烘箱底座模块之间通过快速夹具连接，且无缝隙；安装到位后，烘箱底座能够在导轨上自由滑动；

将芯模支撑架穿过烘箱底座安装于导轨上；

芯模由若干芯模模块构成，将每个芯模模块安装于对应的芯模支撑架上，芯模模块与芯模模块间以紧固件连接，外圆对齐，采用激光跟踪仪测调芯模直线度；

在芯模正上方安装激光投影仪，调整投影线位置，直至投影线位于芯模正上方；

在平台上将单层预浸料依次层叠，最后在内外表面铺一层氟布，制备预浸料铺层，在预浸料铺层的氟布外表面画基准线，将预浸料铺层卷绕在纸筒上；

在芯模表面喷涂脱模剂；

将预浸料铺层以C型结构铺覆于芯模表面，C型开口位于芯模正下方，调整预浸料铺层在芯模上的位置，使得预浸料铺层的基准线与激光投影线对齐，压实；

预浸料铺层外表面封装真空袋膜，试抽真空，保证无漏气；

在真空袋膜外表面包裹热膨胀硅橡胶，然后在热膨胀硅橡胶上套装限位金属管，热膨胀硅橡胶、金属限位管完全包裹预浸料铺层；

为每个烘箱底座模块配置一个U型上盖，将U型上盖开口向下安装在对应的烘箱底座模块上，U型上盖与烘箱底座模块采用快速夹具连接，U型上盖与U型上盖间也采用快速夹具连接；

在烘箱两端头安装封板，启动烘箱，完成固化；

固化后，断开快速夹具，依次将U型上盖吊离，拆除金属限位管、热膨胀硅橡胶、封装材料，露出固化后的复合材料大变形结构；

脱模，修整，完成产品制备。

2.根据权利要求1所述的一种复合材料大变形结构的一体化成型工艺方法，其特征在于，导轨长度大于烘箱底座长度，且导轨长度单边大于烘箱底座长度1m以上。

3.根据权利要求1所述的一种复合材料大变形结构的一体化成型工艺方法，其特征在于，烘箱底座单边超过大变形结构长度1m以上。

4.根据权利要求1所述的一种复合材料大变形结构的一体化成型工艺方法，其特征在于，烘箱底座与外侧两条导轨上的滑块间设置隔热垫。

5.根据权利要求1所述的一种复合材料大变形结构的一体化成型工艺方法，其特征在于，每个烘箱底座模块中部放置芯模支撑架和芯模模块的部分凸起，U型上盖开口向下安装在对应的烘箱底座模块上时，所述凸起嵌入到上盖中，形成配合段。

6.根据权利要求1所述的一种复合材料大变形结构的一体化成型工艺方法，其特征在于，芯模模块长度与烘箱底座模块长度一致。

7.根据权利要求1所述的一种复合材料大变形结构的一体化成型工艺方法，其特征在于，芯模支撑架与内侧两条导轨上的滑块间设置隔热垫。

8.根据权利要求1所述的一种复合材料大变形结构的一体化成型工艺方法，其特征在于，在平台上将单层预浸料依次层叠的方法如下：

先将±45°、0°的单层预浸料在平面状态下预先铺层，其中0°铺层的长度不小于产品长度，单层预浸料的宽度与C型结构截面周长一致。

9.根据权利要求1所述的一种复合材料大变形结构的一体化成型工艺方法，其特征在于，在预浸料铺层的氟布外表面画基准线时，基准线沿预浸料铺层长度方向，位于预浸料铺层宽度方向的中心。

10.根据权利要求1所述的一种复合材料大变形结构的一体化成型工艺方法，其特征在于，芯模模块与芯模支撑架的连接点位于芯模模块正下方。