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CN111483158A - 复合材料的制造方法 - Google Patents

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CN111483158A CN201911145370.3A CN201911145370A CN111483158A CN 111483158 A CN111483158 A CN 111483158A CN 201911145370 A CN201911145370 A CN 201911145370A CN 111483158 A CN111483158 A CN 111483158A
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Abstract

本发明涉及复合材料的制造方法，目的在于抑制复合材料的变形。复合材料的制造方法包括以下步骤：在模具上放置纤维基材(107)，纤维基材(107)包含加强肋纤维基材部(第一纤维基材部)(107e)和前翼梁纤维基材部(第二纤维基材部)(107c)；在加强肋纤维基材部(107e)与前翼梁纤维基材部(107c)之间配置脱模片(脱模部件)(19)；以及使含浸在前翼梁纤维基材部(107c)和加强肋纤维基材部(107e)中的树脂固化，成形复合材料。

Description

复合材料的制造方法
技术领域
本发明涉及复合材料的制造方法。
背景技术
专利文献1公开了在模具上放置包含第一纤维基材部和第二纤维基材部的纤维基材，将含浸在第一纤维基材部和第二纤维基材部中的树脂加热固化，由此成形复合材料。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2018-172474号公报
发明内容
发明所要解决的课题
但是，树脂在加热固化时会固化收缩，加热固化的树脂在冷却时会热收缩。在复合材料成形后，由于第一纤维基材部通过树脂与第二纤维基材部连接，因此如果第一纤维基材部中的树脂的收缩率与第二纤维基材部中的树脂的收缩率不同，则复合材料有可能发生意外变形。
本发明的目的在于，提供一种能够抑制复合材料变形的复合材料的制造方法。
解决课题的手段
为了解决上述课题，本发明的复合材料的制造方法包括以下步骤：在模具上放置纤维基材，纤维基材包含第一纤维基材部和第二纤维基材部；在第一纤维基材部与第二纤维基材部接触的区域的一部分配置脱模部件；以及使含浸在第一纤维基材部和第二纤维基材部中的树脂固化，成形复合材料。
还可以包括以下步骤：在成形复合材料后，除去脱模部件；在除去脱模部件后，在除去了脱模部件的空间插入垫片；以及在插入垫片后，利用联接部件联接复合材料和垫片。
发明效果
通过本发明，能够抑制复合材料的变形。
附图说明
图1是航空器的概略立体图；
图2是表示航空器的机翼的一部分的概略立体图；
图3是表示航空器的机翼的一部分的概略纵剖面图；
图4是用于说明本实施方式的复合材料成形装置的图；
图5(a)-(b)是用于说明现有的复合材料变形的问题点的图；
图6是表示本实施方式的纤维基材的构成的图；
图7是表示本实施方式的纤维基材的树脂固化后的状态的图；
图8是表示前翼梁和加强肋经由垫片而通过联接部件联接的状态的图；
图9是用于说明本实施方式的复合材料制造方法的流程图。
符号说明
19 脱模片(脱模部件)
21 垫片
23 联接部件
101 成形模具(模具)
107c 前翼梁纤维基材部(第二纤维基材部)
107e 加强肋纤维基材部(第一纤维基材部)
具体实施方式
下面参照附图，对本发明的优选实施方式进行详细说明。该实施方式所示的尺寸、材料、其他具体数值等，只是为了便于理解发明所做的例示而已，除特别说明的情况外，不用于限定本发明。需要说明的是，本说明书及附图中，关于具有实质相同的功能、构成的要素，通过附加相同符号而省略重复说明，另外，与本发明没有直接关系的要素省略图示。
图1是航空器1的概略立体图。如图1所示，航空器1包括主翼3、水平尾翼5、垂直尾翼7(以下将它们简称为机翼)而构成。图2是表示航空器1的机翼的一部分的概略立体图。如图2所示，航空器1的机翼包括外板9、纵梁11、前翼梁13、后翼梁15和加强肋17而构成。
外板9构成航空器1的机翼外壳。外板9例如为平板形状。外板9沿着机翼的长度方向延伸。纵梁11用作增强外板9的加固材料，安装在外板9的对应于机翼内部的区域。纵梁11沿着机翼的长度方向延伸。纵梁11具有与外板9连接的连接部11a、与外板9分离的突起部11b。
在突起部11b与外板9之间，形成有中空部11c。纵梁11例如是帽子形的帽状纵梁或波形的波纹纵梁。图2表示纵梁11为波纹纵梁的示例，但不限于此，纵梁11也可以是帽状纵梁。
前翼梁13相对于外板9大致呈直角立设。前翼梁13位于机翼的内部，支撑机翼的前缘。前翼梁13例如为平板形状。前翼梁13沿着机翼的长度方向延伸。
后翼梁15相对于外板9大致呈直角立设。后翼梁15位于机翼的内部，支撑机翼的后缘。后翼梁15例如为平板形状。后翼梁15沿着机翼的长度方向延伸。
加强肋17相对于外板9大致呈直角立设。加强肋17位于机翼的内部，支撑前翼梁13和后翼梁15。加强肋17例如为平板形状。另外，加强肋17相对于机翼的长度方向正交配置。因此，加强肋17相对于纵梁11、前翼梁13和后翼梁15延伸的方向正交配置。
图3是沿着图2中的III-III剖开的、表示航空器1的机翼的一部分的概略剖面图。如图3所示，在加强肋17的下端17a，在与纵梁11相对的位置形成有多个切口部17b。加强肋17的下端17a与外板9连接(接触)，不与纵梁11连接(非接触)。加强肋17的侧端17c与前翼梁13和后翼梁15连接，将前翼梁13和后翼梁15连结。
外板9、纵梁11、前翼梁13、后翼梁15和加强肋17由复合材料构成。在本实施方式中，复合材料例如为玻璃纤维增强塑料(GFRP：Glass fiber reinforced plastics)或碳纤维增强塑料(CFRP：Carbon Fiber Reinforced Plastics)。复合材料由以下说明的复合材料成形装置100成形。
图4是用于说明本实施方式的复合材料成形装置100的图。复合材料成形装置100通过VaRTM(Vacuum assisted Resin Transfer Molding，真空辅助树脂传递模塑)法来成形复合材料。如图4所示，复合材料成形装置100具有：成形模具(模具)101、薄膜材料103、密封材料105、纤维基材107、模型(治具)109、树脂扩散介质111、树脂供给部113以及树脂排出部115。
在成形模具101与薄膜材料103之间形成有空间S。空间S由配置在成形模具101与薄膜材料103之间的密封材料105密封。在空间S内，配置有纤维基材107和树脂扩散介质111。
纤维基材107放置在成形模具101上。纤维基材107由玻璃纤维或碳纤维等纤维材料层叠而构成。另外，纤维基材107也可以是在纤维材料中含浸了树脂的半固化片。
纤维基材107包括以下部分而构成：与外板9对应的纤维基材部(以下称为外板纤维基材部)107a、与纵梁11对应的纤维基材部(以下称为纵梁纤维基材部)107b、与前翼梁13对应的纤维基材部(以下称为前翼梁纤维基材部)107c、与后翼梁15对应的纤维基材部(以下称为后翼梁纤维基材部)107d、与加强肋17对应的纤维基材部(以下称为加强肋纤维基材部)107e。另外，以下也将加强肋纤维基材部107e称为第一纤维基材部，将外板纤维基材部107a、前翼梁纤维基材部107c以及后翼梁纤维基材部107d统称为第二纤维基材部。
在本实施方式中，外板纤维基材部107a与前翼梁纤维基材部107c一体形成。外板纤维基材部107a和前翼梁纤维基材部107c放置在成形模具101上。另外，纵梁纤维基材部107b、后翼梁纤维基材部107d以及加强肋纤维基材部107e放置在外板纤维基材部107a上。但是，不限于此，外板纤维基材部107a也可以与前翼梁纤维基材部107c分体形成。
模型109配置在外板纤维基材部107a与纵梁纤维基材部107b之间。模型109具有与形成在外板9与纵梁11的突起部11b之间的中空部11c(参照图2)大致相同的外形形状。模型109保持纵梁11成形后的突起部11b(参照图2)的形状。模型109的外形形状与纵梁11的突起部11b的内表面形状大致相同。
模型109在图4中沿着深度方向延伸。模型109放置在外板纤维基材部107a上，在模型109上放置有纵梁纤维基材部107b。也就是说，模型109配置在外板纤维基材部107a与纵梁纤维基材部107b之间。
树脂扩散介质111放置在纤维基材107上。树脂扩散介质111例如使用聚乙烯等网，使供给的树脂在空间S内均匀地扩散。
树脂供给部113和树脂排出部115与由密封材料105密封的空间S连接。树脂供给部113具有储存树脂的树脂供给罐113a。树脂供给部113将储存在树脂供给罐113a内的树脂向空间S内供给。
树脂排出部115具有抽吸空气而使空间S内成为真空状态的真空泵115a、储存树脂的树脂排出罐115b。真空泵115a抽吸空间S内的空气和树脂。树脂排出罐115b储存(回收)从空间S内抽吸的树脂(剩余的树脂)。
在本实施方式中，树脂为热固性树脂。但是不限于此，树脂例如也可以是热塑性树脂。树脂当被供给到空间S内时会从树脂供给部113侧(图4中的右侧)向树脂排出部115侧(图4中的左侧)流动。模型109沿着树脂流动的方向(以下称为树脂流动方向)配置有多个。模型109配置为长度方向(延伸方向)沿着与树脂流动方向交叉(正交)的方向。但不限于此，模型109也可以配置为长度方向与树脂流动方向平行。
接着，对使用复合材料成形装置100的复合材料的制造方法进行说明。首先，用户在成形模具101上放置纤维基材107和模型109。
然后，用户将树脂扩散介质111和薄膜材料103覆盖在纤维基材107上，在薄膜材料103和成形模具101之间设置密封材料105，以包围纤维基材107的周围。由此，在薄膜材料103与成形模具101之间形成密封的空间S，在空间S内收纳有树脂扩散介质111、纤维基材107和模型109。
之后，用户将树脂供给部113和树脂排出部115与空间S连接。当树脂供给部113和树脂排出部115与空间S连接时，树脂排出部115驱动真空泵115a。真空泵115a吸引空间S内的空气，使空间S内成为真空状态。当空间S内成为真空状态时，树脂供给部113向空间S内供给储存在树脂供给罐113a内的树脂。
供给到空间S内的树脂通过树脂扩散介质111扩散到纤维基材107的整个面。通过树脂扩散介质111扩散的树脂含浸在纤维基材107中。纤维基材107含浸的树脂的剩余部分被排出到树脂排出部115的树脂排出罐115b中。
当纤维基材107中含浸有树脂时，复合材料成形装置100通过未图示的加热装置来加热树脂。树脂被未图示的加热装置加热时会固化。树脂固化，使得复合材料(外板9、纵梁11、前翼梁13、后翼梁15以及加强肋17)一体成形。
在成形复合材料后，从外板9与纵梁11之间拔出模型109。由此，如图2所示，在外板9与纵梁11的突起部11b之间，形成有中空部11c。
如此，复合材料是通过树脂加热固化而成形的。但是，树脂在加热固化时会固化收缩，加热固化的树脂在冷却时会热收缩。在复合材料成形后，例如加强肋纤维基材部107e通过树脂与前翼梁纤维基材部107c和后翼梁纤维基材部107d连接。因此，如果加强肋纤维基材部107e中的树脂的收缩率与前翼梁纤维基材部107c和后翼梁纤维基材部107d中的树脂的收缩率不同，则复合材料有可能发生意外变形。
图5(a)-(b)是用于说明现有的复合材料变形的问题点的图。图5(a)表示现有的复合材料成形前(即树脂固化前)的状态，图5(b)表示现有的复合材料成形后(即树脂固化后)的状态。如图5(b)所示，由于树脂的固化收缩和热收缩，加强肋17在图5(b)中会在箭头方向上收缩(变形)。由此，通过树脂与加强肋17的侧端17c连接的前翼梁13和后翼梁15会根据加强肋17的收缩量(变形量)，与加强肋17一体地在图5(b)中的箭头方向上变形。
这种情况下，在前翼梁13(后翼梁15)与加强肋17之间的连接部会产生初始应力，导致复合材料的强度降低。因此，在本实施方式中，纤维基材107在以下中的至少一者设置有脱模片(脱模部件)19：在加强肋纤维基材部(第一纤维基材部)107e和前翼梁纤维基材部(第二纤维基材部)107c之间，以及在加强肋纤维基材部(第一纤维基材部)107e和后翼梁纤维基材部(第二纤维基材部)107d之间。
图6是表示本实施方式的纤维基材107的构成的图。如图6所示，本实施方式的纤维基材107具有脱模片19。脱模片19配置在第一纤维基材部(即加强肋纤维基材部107e)与第二纤维基材部(即外板纤维基材部107a、前翼梁纤维基材部107c以及后翼梁纤维基材部107d)接触的区域的一部分。在本实施方式中，脱模片19仅配置在加强肋纤维基材部107e与前翼梁纤维基材部107c之间。由于在加强肋纤维基材部107e与前翼梁纤维基材部107c之间配置有脱模片19，因此加强肋纤维基材部107e与前翼梁纤维基材部107c成为非接触状态。在配置脱模片19之后，如上所述，使用复合材料成形装置100(参照图4)，在纤维基材107中含浸树脂，使树脂固化。
图7是表示本实施方式的纤维基材107的树脂固化后的状态的图。如图7所示，当从树脂固化后的复合材料上拆除脱模片19时，在加强肋17与前翼梁13之间会形成间隙(空间)SS。这是由于加强肋17因树脂的固化收缩和热收缩而向从前翼梁13离开的方向收缩(变形)所致。如上所述，前翼梁纤维基材部107c因脱模片19而与加强肋纤维基材部107e成为非接触状态，因此，无论加强肋17是否变形，都能够维持配置前翼梁纤维基材部107c的位置。由此，加强肋17与前翼梁13成为非连接状态(与前翼梁13分离)。
因此，在加强肋17与前翼梁13之间不会产生初始应力。另外，由于加强肋17与前翼梁13成为非连接状态，因此在加强肋17与后翼梁15之间(连接部)产生的初始应力会降低。如此，在本实施方式中，由于加强肋17与前翼梁13成为非连接状态，因此复合材料的变形得到抑制。
不过，在这种情况下，由于前翼梁13与加强肋17成为非连接状态，因此不再通过加强肋17保持前翼梁13。所以，复合材料的强度可能会下降。因此，在本实施方式中，在前翼梁13与加强肋17的间隙SS配置垫片21。另外，通过联接部件23，经由垫片21联接前翼梁13和加强肋17。
图8是表示前翼梁13和加强肋17经由垫片21而通过联接部件23联接的状态的图。如图8所示，垫片21配置在前翼梁13与加强肋17之间的间隙SS(参照图7)中。垫片21具有与前翼梁13和加强肋17之间的间隙SS的形状大致相同的形状。联接部件23经由垫片21联接前翼梁13和加强肋17。由此，前翼梁13经由垫片21与加强肋17联接，增强复合材料的强度。
图9是用于说明本实施方式的复合材料制造方法的流程图。本实施方式的复合材料的制造方法，首先，如图4所示，在成形模具101上放置纤维基材107(步骤S901)。
接着，如图6所示，在加强肋纤维基材部(第一纤维基材部)107e与前翼梁纤维基材部(第二纤维基材部)107c之间配置脱模片19(步骤S903)。然后，在配置有脱模片19的纤维基材107中含浸树脂(步骤S905)。
之后，使含浸在纤维基材107中的树脂固化，成形复合材料(步骤S907)。成形复合材料后，如图7所示，从复合材料(前翼梁13与加强肋17之间)除去脱模片19(步骤S909)。
除去脱模片19之后，如图8所示，在除去了脱模片19的加强肋17与前翼梁13之间的间隙插入垫片21(步骤S911)。插入垫片21之后，利用联接部件23将复合材料(前翼梁13和加强肋17)和垫片21联接(步骤S913)。
如上所述，通过本实施方式，脱模片19配置在第一纤维基材部(即加强肋纤维基材部107e)与第二纤维基材部(即外板纤维基材部107a、前翼梁纤维基材部107c以及后翼梁纤维基材部107d)接触的区域的一部分。由此，能够一体成形第一纤维基材部和第二纤维基材部，同时抑制复合材料的变形。另外，向除去了脱模片19的间隙插入垫片21，利用联接部件23联接复合材料和垫片21，因此能够抑制复合材料的强度下降。
以上结合附图，对本发明的优选实施方式进行了说明，但本发明显然不限于这些实施方式。本领域技术人员在权利要求书记载的范畴内，显然可以想到各种变更例或修改例，应当理解，这些变更例或修改例也应属于本发明的技术范围。
例如，还提供使计算机执行图9所示的复合材料的制造方法的程序、记录该程序的计算机可读取软盘、光磁盘、ROM、CD、DVD、BD等存储介质。在此，程序是指以任意语言或记述方法记述的数据处理方法。
在上述实施方式中，对脱模片19配置在加强肋纤维基材部107e与前翼梁纤维基材部107c之间的示例进行了说明。但不限于此，脱模片19也可以配置在加强肋纤维基材部107e与后翼梁纤维基材部107d之间。另外，脱模片19也可以同时配置在加强肋纤维基材部107e与前翼梁纤维基材部107c之间，以及加强肋纤维基材部107e与后翼梁纤维基材部107d之间。无论哪种情况，脱模片19只要配置在除了加强肋纤维基材部107e和外板纤维基材部107a之间的至少一部分以外的区域，以使加强肋17和外板9通过树脂一体成形即可。
在上述实施方式中，对将垫片21插入加强肋17与前翼梁13之间的间隙SS并利用联接部件23联接的示例进行了说明。但是，并不限于此，也可以在加强肋17和前翼梁13之间的间隙SS中配置新的纤维基材(以下称为间隙纤维基材部)，使树脂含浸在间隙纤维基材部中并固化，连结加强肋17和前翼梁13。
工业实用性
本发明能够用于复合材料的制造方法。

Claims (2)

1.一种复合材料的制造方法，包括以下步骤：
在模具上放置纤维基材，所述纤维基材包含第一纤维基材部和第二纤维基材部；
在所述第一纤维基材部与所述第二纤维基材部接触的区域的一部分配置脱模部件；以及
使含浸在所述第一纤维基材部和所述第二纤维基材部中的树脂固化，成形复合材料。
2.根据权利要求1所述的复合材料的制造方法，包括以下步骤：
在成形所述复合材料后，除去所述脱模部件；
在除去所述脱模部件后，在除去了所述脱模部件的空间插入垫片；以及
在插入所述垫片后，利用联接部件联接所述复合材料和所述垫片。
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