Система баллонов для отвода или подвода газов для отверждения деталей из композитного материала
Изобретение относится к устройству и способу для использования при автоклавном отверждении композитной заготовки. Заготовка из композитного материала с внутренней полостью размещена на приспособлении и покрыта вакуумным мешком для автоклавного отверждения. Гибкий баллон размещен в полости для противодействия давлению автоклава на заготовку. Баллон соединен с гибким резервуаром для текучей среды, расположенным ниже вакуумного мешка. Давление в баллоне создано посредством давления автоклава, приложенного через вакуумный мешок к гибкому резервуару для текучей среды. Изобретение обеспечивает повышение качества получаемых изделий. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 17 ил.
Область техники
Настоящее изобретение в целом относится к способам и устройствам для изготовления деталей из композитных смол и, в частности, к системе баллонов, используемой при отверждении композитных деталей в автоклаве.
Уровень техники
Детали из композитных смол могут быть отверждены в автоклаве, который во время цикла отверждения прикладывает к детали теплоту и давление. Геометрические элементы некоторых деталей включают в себя внутренние полости, которые могут привести к разрушению детали под действием давления автоклава, если в этой полости не установить приспособление, такое как надувной баллон, для реагирования на силу давления автоклава, прилагаемую к детали. Например, в авиационной промышленности, надувные баллоны могут быть вставлены в полости заготовок стрингера из композитного материала, отверждаемых в автоклаве на приспособлениях для отверждения, выполненных наподобие оправки. Давление в этих баллонах создают посредством их сообщения с давлением автоклава.
Существует несколько проблем с вышеописанными газоотводящими или газоподводящими баллонами, которые могут привести к дефектам в отвержденных деталях. Например, неспособность должным образом производит подвод к баллону газа или отвод газ из баллона может препятствовать достижению давления в баллоне, достаточного для противодействия приложенному давлению автоклава. Аналогичным образом, недостаточное давление в баллоне может возникнуть в результате отказа липкой ленты уплотнителя, используемой для уплотнения газопроходного отверстия, соединяющего баллон с внешним газопроходным элементом. Кроме того, существует возможность разрушения стенки баллона или проникновения через нее, причем в этом случае газы автоклава могут быть втянуты в деталь в ходе цикла отверждения. Эти обстоятельства могут быть особенно проблематичными в случае, в котором относительно большое количество стрингеров отверждаются одновременно вместе с другими деталями. Например, при отверждении нескольких стрингеров вместе с оболочкой фюзеляжа, каждый из баллонов, размещенных в стрингерах, представляет собой потенциальный источник утечки в совместно отверждаемую структуру, что может привести к отбраковке структуры целиком или к ее обширной переделке.
В соответствии с этим существует потребность в создании системы баллонов, выполненной без отвода или подвода газов, которая может уменьшить или устранить отрицательные воздействия, возникающие вследствие утечек в баллоне или неспособности должным образом поддерживать давление в баллоне. Кроме того, существует потребность в системе баллонов и способе отверждения, которые не требуют сообщения через газовую среду с давлением автоклава и которые могут устранить необходимость уплотнения газопроходного отверстия баллона.
Раскрытие изобретения
Описанные варианты реализации настоящего изобретения описывают систему баллонов без отвода или подвода газов, способную существенно уменьшить или устранить неравномерности в отвержденных деталях, возникающие вследствие утечки баллона, утечки герметизации и/или неспособности баллона должным образом сообщаться через газовую среду с давленим автоклава. Описанная система может уменьшить отбраковку изделий и/или устранить необходимость переделки. Кроме того, описанные способ и система баллонов без отвода или подвода газов могут уменьшить затраты на рабочую силу и увеличить объем выпуска продукции. Варианты реализации настоящего изобретения избавляют от необходимости использования липкой ленты уплотнителя вокруг газопроходного отверстия в баллоне. Резервуар для текучей среды постоянно прикреплен к газопроходному отверстию баллона и уплотнен ниже вакуумного мешка, устраняя тем самым каналы утечки вокруг газопроходного отверстия баллона. Резервуар поддерживает давление в полости баллона при нахождении автоклава под давлением. В случае утечки в баллоне происходит лишь утечка объема баллона в деталь.
Согласно одному описанному варианту реализации настоящего изобретения выполнено устройство, предназначенное для использования при автоклавном отверждении композитной заготовки, содержащей внутреннюю полость. Устройство выполнено в виде гибкого баллона с возможностью установки в полости для приложения давления к композитной заготовки во время отверждения и резервуара для текучей среды, предназначенного для создания давления в баллоне, причем резервуар и баллон соединены вместе в виде замкнутой системы. Устройство может дополнительно содержать гибкий мешок, уплотненный поверх гибкого баллона и резервуара для текучей среды, причем гибкий мешок находится в непосредственном контакте с резервуаром для текучей среды и передает давление от автоклава к резервуару текучей среды. Устройство может также содержать приспособление для отверждения, выполненный с возможностью размещения на нем композитной заготовки, и в котором резервуар для текучей среды размещен на приспособлении для отверждения, а гибкий мешок уплотнен относительно приспособления для отверждения. Резервуар для текучей среды выполнен гибким. Баллон содержит газопроходное отверстие, а часть резервуара для текучей среды прикреплена к баллону и содержит выпускное отверстие для текучей среды, совмещенное с газопроходным отверстием в баллоне. Резервуар для текучей среды может содержать отверстие для вакуумирования, уплотненное ниже гибкого мешка, выполненное с возможностью соединения с источником вакуума для выборочного сброса давления в резервуаре для текучей среды после отверждения композитной заготовки. Баллон содержит перегородку, образующую внутреннюю камеру в баллоне, и заполняющий материал, заполняющий внутреннюю камеру, плотность которого достаточна для придания жесткости баллону при воздействии на него давления от текучей среды из резервуара для текучей среды. Перегородка содержит гибкую сторону, открытую воздействию текучей среды из резервуара для текучей среды. Гибкая сторона выполнена с возможностью изгиба для приложения давления к заполняющему материалу при поддержании давления в баллоне посредством резервуара для текучей среды.
Согласно другому описанному варианту реализации настоящего изобретения выполнена система баллонов без отвода или подвода газов, предназначенная для использования при автоклавном отверждении композитной заготовки. Система баллонов без отвода или подвода газов содержит баллон, выполненный с возможностью приложения давления к композитной заготовки, и гибкий резервуар для текучей среды, выполненный с возможностью содержания определенного количества текучей среды и выполненный сжимаемым давлением, приложенным автоклавом для подачи давления текучей среды к баллону, причем резервуар для текучей среды соединен с баллоном в замкнутую систему для текучей среды, не сообщающуюся через газовую среду с автоклавом. Резервуар для текучей среды прикреплен к баллону. Резервуар для текучей среды содержит выпускное отверстие для текучей среды, а баллон содержит газопроходное отверстие, соединенное с выпускным отверстием для текучей среды. Баллон содержит гибкую перегородку, на которую воздействует текучая среды из резервуара для текучей среды, образуя внутреннюю камеру в баллоне, и заполняющий материал во внутренней камере для придания жесткости баллону.
В другом примере реализации настоящего изобретения выполнено устройство, предназначенное для приложения по существу однородного давления внешнего воздуха к неотвержденной детали, содержащей внутреннюю полость. Устройство содержит приспособление, выполненный с возможностью установления на нем детали, баллон, выполненный с возможностью размещения во внутренней полости и в контакте с деталью, причем баллон выполнен с возможностью поддержания давления посредством текучей среды, резервуар для текучей среды, соединенный с баллоном, и гибкий мешок, уплотненный относительно приспособления и покрывающий деталь, баллон и резервуар. Резервуар прикреплен к баллону, образуя единый узел, с возможностью его размещения во внутренней полости и удаления из нее. Резервуар содержит гибкые стенки, непосредственно контактирующие с гибким мешком, что позволяет прилагать внешнее давление к резервуару через гибкий мешок. Баллон содержит заполняющий материал для придания жесткости баллону и перегородку, отделяющую заполняющий материал от текучей среды резервуара. Резервуар и баллон образуют закрытую систему текучей среды, не сообщающуюся через газовую среду с внешним давлением.
Согласно еще одному варианту реализации настоящего изобретения предложен способ автоклавного отверждения композитной заготовки с внутренней полостью. Способ включает размещение композитной заготовки на приспособлении, размещение баллона в полости, соединение баллона с резервуаром для текучей среды, уплотнение гибкого мешка относительно детали и резервуара и использование гибкого мешка для передачи давления автоклава к резервуару с целью принудительного перемещения текучей среды из резервуара в баллон. Операция соединения баллона с резервуаром включает прикрепление баллона к резервуару до размещения баллона в полости. Уплотнение гибкого мешка включает уплотнение мешка относительно приспособления. Способ может дополнительно включать операцию придания жесткости баллону посредством наполнения баллона заполняющим материалом и операцию отделения заполняющего материала от текучей среды посредством размещения перегородки в баллоне. Способ может также включать использование вакуума для протягивания гибкого мешка относительно сторон резервуара.
Согласно еще одному варианту реализации настоящего изобретения предложен способ автоклавного отверждения композитной заготовки с внутренней полостью. Способ включает поддержание композитной заготовки в автоклаве и создание давления в баллоне во внутренней полости посредством давления автоклава для перемещения текучей среды из резервуара для текучей среды в баллон. Операция использования давления автоклава для перемещения текучей среды из резервуара для текучей среды в баллон включает откачку вакуумного мешка, уплотненного поверх резервуара для текучей среды, и использование мешка для передачи давления автоклава к резервуару для текучей среды.
В целом, согласно одной особенности изобретения, предложено устройство для использования при автоклавном отверждении композитной заготовки с внутренней полостью, содержащее гибкий баллон, выполненный с возможностью размещения в полости и предназначенный для приложения давления к композитной заготовки во время отверждения, и резервуар для текучей среды, предназначенный для создания давления в баллоне, причем резервуар и баллон соединены вместе в замкнутую систему.
Предпочтительно устройство, дополнительно содержит гибкий мешок, уплотненный поверх гибкого баллона и резервуара для текучей среды, в котором гибкий мешок находится в непосредственном контакте с резервуаром для текучей среды.
Предпочтительно устройство, в котором гибкий мешок передает давление от автоклава в резервуар для текучей среды.
Предпочтительно устройство, дополнительно содержащее приспособление для отверждения, выполненный с возможностью размещения на нем композитной заготовки, и в котором резервуар для текучей среды размещен на приспособлении для отверждения, а гибкий мешок уплотнен относительно приспособления для отверждения.
Предпочтительно устройство, в котором резервуар для текучей среды выполнен гибким.
Предпочтительно устройство, в котором баллон содержит газопроходное отверстие, а часть резервуара для текучей среды прикреплена к баллону и содержит выпускное отверстие для текучей среды, совмещенное с газопроходным отверстием в баллоне.
Предпочтительно устройство, в котором резервуар для текучей среды может содержать отверстие для вакуумирования, выполненное с возможностью соединения с источником вакуума для выборочного сброса давления в резервуаре для текучей среды.
Предпочтительно устройство, в котором баллон содержит перегородку, образующую внутреннюю камеру в баллоне, и заполняющий материал, заполняющий внутреннюю камеру, плотность которого достаточна для придания жесткости баллону при воздействии на него давления от текучей среды из резервуара для текучей среды.
Предпочтительно устройство, в котором перегородка содержит гибкую сторону, открытую воздействию текучей среды из резервуара для текучей среды, а гибкая сторона выполнена с возможностью изгиба для приложения давления к заполняющему материалу при поддержании давления в баллоне.
Согласно другой особенности изобретения выполнена система баллонов без отвода или подвода газов, предназначенная для использования при автоклавном отверждении композитной заготовки и содержащая баллон, выполненный с возможностью приложения давления к композитной заготовки, и гибкий резервуар для текучей среды, выполненный с возможностью содержания некоторого количества текучей среды и выполненный сжимаемым давлением, приложенным автоклавом для подачи давления текучей среды к баллону, причем резервуар для текучей среды соединен с баллоном в замкнутую систему для текучей среды, не сообщающуюся через газовую среду с автоклавом.
Предпочтительна система баллонов без отвода или подвода газов, в которой резервуар для текучей среды присоединен к баллону.
Предпочтительна система баллонов без отвода или подвода газов, в которой резервуар для текучей среды содержит выпускное отверстие для текучей среды, а баллон содержит газопроходное отверстие, соединенное с выпускным отверстием для текучей среды.
Предпочтительна система баллонов без отвода или подвода газов, в которой баллон содержит гибкую перегородку, на которую воздействует текучая среды из резервуара для текучей среды, образуя внутреннюю камеру в баллоне, и заполняющий материал во внутренней камере для придания жесткости баллону.
Согласно еще одной особенности изобретения выполнено устройство, предназначенное для приложения по существу однородного давления внешнего воздуха к неотвержденной детали, содержащей внутреннюю полость, и содержащее приспособление, выполненный с возможностью установления на нем детали, баллон, выполненный с возможностью размещения во внутренней полости и в контакте с деталью, причем баллон выполнен с возможностью поддержания давления посредством текучей среды, резервуар для текучей среды, соединенный с баллоном, и гибкий мешок, уплотненный относительно приспособления и покрывающий деталь, баллон и резервуар.
Предпочтительно устройство, в котором резервуар прикреплен к баллону, образуя единый узел с возможностью его размещения во внутренней полости и удаления из нее.
Предпочтительно устройство, в котором резервуар содержит гибкие стенки, находящиеся в непосредственном контакте с гибким мешком, что позволяет прилагать внешнее давление к резервуару через гибкий мешок.
Предпочтительно устройство, в котором баллон содержит заполняющий материал для придания жесткости баллону, и перегородку, отделяющую заполняющий материал от текучей среды резервуара.
Предпочтительно устройство, в котором резервуар и баллон образуют закрытую систему текучей среды, не сообщающуюся через газовую среду с внешним давлением.
Согласно еще одной особенности настоящего изобретения предложен способ автоклавного отверждения заготовки композитного материала с внутренней полостью, включающий размещение заготовки из композитного материала на приспособлении, размещение баллона в полости, соединение баллона с резервуаром для текучей среды, уплотнение гибкого мешка относительно заготовки и резервуара, и использование гибкого мешка для передачи давления автоклава к резервуару с целью принудительного перемещения текучей среды из резервуара в баллон. Предпочтителен способ, в котором операция соединения баллона с резервуаром включает прикрепление баллона к резервуару до размещения баллона в полости.
Предпочтителен способ, в котором уплотнение гибкого мешка включает уплотнение мешка относительно приспособления.
Предпочтителен способ, дополнительно включающий операцию придания жесткости баллону посредством наполнения баллона заполняющим материалом, и отделения заполняющего материала от текучей среды посредством размещения перегородки в баллоне.
Предпочтителен способ, дополнительно включающий операцию использования вакуума для протягивания гибкого мешка относительно сторон резервуара.
Предпочтителен способ, дополнительно включающий операции удаления гибкого мешка из заготовки из композитного материала и резервуара после отверждения заготовки из композитного материала и уменьшения давления в баллоне путем соединения резервуара с источником вакуума после удаления гибкого мешка.
Согласно еще одной особенности настоящего изобретения предложен способ автоклавного отверждения заготовки из композитного материала с внутренней полостью, включающий поддержание заготовки из композитного материала в автоклаве и создание давления в баллоне во внутренней полости, используя давление автоклава для перемещения текучей среды из резервуара для текучей среды в баллон.
Предпочтителен способ, дополнительно использующий давление автоклава для перемещения текучей среды из резервуара для текучей среды в баллон и включающий откачку вакуумного мешка, уплотненного поверх резервуара для текучей среды, и использование мешка для передачи давления автоклава к резервуару для текучей среды.
Особенности, функции, и преимущества могут быть достигнуты независимо в различных вариантах реализации настоящего изобретения или могут быть скомбинированы в других вариантах реализации изобретения, причем более подробная информация может быть получена посредством ссылок на последующее описание и чертежи.
Краткое описание чертежей
Отличительные признаки, полагаемые характерными для предпочтительных вариантов реализации настоящего изобретения, сформулированы в приложенных пунктах формулы изобретения. Однако, предпочтительные варианты реализации изобретения, а также его предпочтительный способ использования, дополнительные цели и преимущества будут лучше поняты посредством ссылок на последующее подробное описание предпочтительного варианта реализации настоящего изобретения, прочитанное в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых:
На фиг. 1 показана функциональная блок-схема системы баллонов без отвода или подвода газов согласно описанным вариантам реализации настоящего изобретения.
На фиг. 2 показан перспективный вид стрингера из композитной смолы, отвержденного посредством системы баллонов без отвода или подвода газов по фиг. 1.
На фиг. 3 показан перспективный вид приспособления для отверждения, используемого при отверждении заготовки стрингера из композитного материала.
Фиг. 4 аналогична фиг. 3, но показывает заготовку стрингера, размещенную на приспособлении.
Фиг. 5 аналогична фиг. 4, но показывает надувной баллон, размещенный в полости заготовки стрингера.
Фиг. 6 аналогична фиг. 5, но показывает заготовку оболочки, размещенную на заготовке стрингера.
Фиг. 7 аналогична фиг. 6, но показывает покрывную пластину, размещенную над заготовкой оболочки.
Фиг. 8 аналогична фиг. 7, но показывает липкую ленту уплотнителя, приложенную вокруг периферии приспособления для отверждения.
На фиг. 9 показан перспективный вид одного конца приспособления для отверждения по фиг. 8, причем гибкий резервуар для текучей среды размещен на приспособлении для отверждения и связан с гибким баллоном.
На фиг. 10 показан вид в разрезе, выполненном по линии 10-10 на фиг. 9, но дополнительно отображающий вакуумный мешок, размещенный поверх приспособления для отверждения и уплотненный относительно него.
На фиг. 11 показан вид в разрезе, аналогичный виду по фиг. 10, но отображающий альтернативный вариант с использованием перегородки в баллоне, причем баллон показан не под давлением.
Фиг. 12 аналогична фиг. 11, но показывает баллон, давление в котором создано посредством давления автоклава, приложенного к резервуару текучей среды через вакуумный мешок.
На фиг. 13 показана диаграмма, показывающая объемы текучей среды, достигающие заготовка из композитного материала в случае утечки в системе баллонов без отвода или подвода газов.
На фиг. 14 показана блок-схема способа автоклавного отверждения заготовки из композитного материала с внутренней полостью при использовании системы баллонов без отвода или подвода газов.
На фиг. 15 показана блок-схема альтернативного способа автоклавного отверждения заготовки из композитного материала с внутренней полостью при использовании системы баллонов без отвода или подвода газов.
На фиг. 16 показана блок-схема методологии производства и обслуживания самолетов.
На фиг. 17 показана блок-схема самолета.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ изобретения
Обращаясь сначала к фиг. 1, можно видеть, что не подвергнутую отверждению деталь 20 из композитных смол, в дальнейшем именуемую «заготовкой», «заготовкой из композитного материала», «заготовкой детали из композитного материала» или «заготовкой стрингера», подвергают отверждению на приспособлении 22 для отверждения, размещенном в автоклаве 26, в котором теплота и давление автоклава приложены к заготовке 20 из композитного материала. Заготовка 20 из композитного материала содержит одну или большее количество внутренних пустот, захваченные или окруженные области или полости, которые для простоты описания все вместе будут названы далее в качестве полости 28. Гибкий надувной баллон 30 установлен в полости 28 до выполнения цикла отверждения для противодействия давлению автоклава, приложенному к заготовке 20 во время отверждения. Гибкий резервуар 32 для текучей среды прикреплен к приспособлению 22 для отверждения и соединен с баллоном 30 способом, обеспечивающим возможность формирования закрытой системы 25 баллона, не сообщающуюся через газовую среду с окружающей средой в автоклаве 26. Другими словами, баллон 30 и резервуар 32 для текучей среды выполнены в виде закрытой системы для текучей среды, не подвергающейся непосредственному воздействию внутренней атмосферы автоклава 26. Гибкий мешок, например, вакуумный мешок 24, размещен поверх приспособления 22 для отверждения и уплотнен относительно него, покрывая заготовку 20 из композитного материала, баллон 30 и резервуар 32 для текучей среды. Гибкий мешок 24 выполнен с возможностью соединения с подходящим источником вакуума 64 для откачки гибкого мешка 24. Во время отверждение в баллоне 30 поддерживают давление, используя по существу несжимаемую текучую среду (не показана), поданную из резервуара 32 для текучей среды.
Как будет более подробно описано ниже, поскольку и баллон 30 и резервуар 32 для текучей среды размещены ниже вакуумного мешка 24, не происходит сообщения баллона 30 с внутренней окружающей средой в автоклаве 26, то есть баллон 30 выполнен без возможности сообщающения через газовую среду. Наоборот, комбинация баллона 30 и резервуара 32 для текучей среды образует закрытую систему 25 баллонов без отвода или подвода газов, управляемую давлением воздуха из автоклава, приложенным к вакуумному мешку 24. При необходимости баллон 30 может содержать внутреннюю перегородку 35, отделяющую по существу полный внутренний объем баллона 30 от текучей среды, поданной из резервуара 32 для текучей среды. Уменьшение давления в резервуаре 32 для текучей среды позволяет баллону 30 претерпеть небольшое частичное спадание, предотвращая, тем самым, захват баллона 30 в заготовке 20 из композитного материала и облегчая легкое удаление баллона 30 из отвержденного заготовки 20 из композитного материала.
На фиг. 2 показано, что описанные система баллонов без отвода или подвода газов и способ отверждения обеспечивают возможность отверждения любой детали из множества деталей из композитных смол различных конфигураций, содержащих одну или большее количество внутренних полостей. Например и без ограничения, описанные система и способ обеспечивают возможность выполнения стрингера 23 из композитных смол, упрочненных волокнами, который может быть выполнен в виде многослойного предварительно пропитанного заготовки. Стрингер 23 содержит шляпкообразное сечение 27, формирующее внутреннею полость 31, пару выдвинутых в боковом направлении фланцевых секций 29 и по существу плоскую секцию 33 оболочки, объединяемую с фланцевыми секциями 29 во время отверждения. Возможны другие конфигурации стрингера.
На фиг. 3-10 соответственно показаны последовательные стадии подготовки устройства по фиг. 1, предназначенного для отверждения стрингера 23 по фиг. 2. В соответствии, в частности, с фиг. 3, приспособление 22 для отверждения, выполненный из любого подходящего материала, содержит внутреннюю полость 28, определяющую грань 32 приспособления со шляпкообразным сечением, и пару граней 34 приспособления в виде выдвинутых в боковом направлении фланцевых секций. Грани 32, 34 приспособления выполнены с возможностью соответственного согласования с геометрией шляпкообразного сечения и фланцевых секций 27, 29 стрингера 23. Приспособление 22 для отверждения содержит по существу плоскую верхнюю поверхность 36 приспособления, окружающую внутреннюю полость 28, скошенную поверхность 38 с одного конца полости 28 и по существу плоскую оконечную секцию 40. Один конец внутренней полости 28 открыт в 42. Как будет описано ниже, приспособление 22 для отверждения обеспечивает возможность сборки заготовок стрингера из композитного материала и отверждения собранных заготовок в автоклаве 26 (фиг. 1). Несмотря на то, что геометрия показанного приспособления 22 для отверждения выполнена с возможностью согласования с особенностями стрингера 23, следует иметь ввиду, что описанная система 25 баллонов без отвода или подвода газов может быть использована с приспособлениями для отверждения, имеющими, в зависимости от применения и подлежащего отверждению конкретной заготовки из композитного материала, любую из других различных геометрий.
На фиг. 4 можно видеть, что заготовка 20 стрингера из композитного материала размещен на приспособлении 22 для отверждения. Заготовка 20 стрингера содержит шляпку 20а, заполняющую полость 28 и контактирующую с гранью 32 приспособления (фиг. 3), и пару выдвинутых в боковом направлении фланцев 20b, соответственно контактирующих с гранями 34 приспособления. Заготовка 20 стрингера может быть размещен на отдельном приспособлении для укладки (не показан) и затем перенесен на приспособление 22 для отверждения, или в качестве альтернативы и в зависимости от геометрии заготовки детали, возможно уложить стрингер прямо на приспособлении 22 для отверждения.
На фиг. 5 можно видеть, что после размещения заготовки 20 стрингера в приспособлении 22 для отверждения происходит размещение гибкого баллона 30 в полости 28 (фиг. 4) заготовки 20 стрингера для противодействия давлению автоклава, прилагаемому во время цикла отверждения. Баллон 30 может быть выполнен из любого подходящего материала, например и без ограничения, из эластомера. Разделительная смазка может быть нанесена на баллон 30 до его установки для облегчения последующего удаления баллона из полости 28 после отверждения. Баллон 30 содержит газопроходное отверстие 44 баллона, выполненное как будет описано ниже с возможностью соединения с резервуаром 32 для текучей среды по фиг. 1. В этом примере баллон 30 выполнен с возможностью существенного согласования с геометрией полости 28 и содержит по существу плоскую верхнюю поверхность 30а, которая выполнена по существу заподлицо с плоскими поверхностями 36 приспособления в приспособлении 22 для отверждения.
На фиг. 6 можно видеть, что после размещения баллона 30, согласно фиг. 5, происходит размещение по существу плоской заготовки 46 оболочки из композитного материала на приспособлении 22 для отверждения, покрывающего баллон 30 в непосредственном контакте с фланцами 20b (фиг. 5) заготовки 20 стрингера и с плоскими поверхностями 36 приспособления. Затем, согласно фиг. 7, покрывная пластина 48 может быть установлена над плоской заготовкой 46 оболочки из композитного материала для приложения по существу равномерного давления по заготовке 46 оболочки во время операции отверждения. Кроме того, хотя это и не показано на фиг. 7, в зависимости от применения вместе с покрывной пластиной 48 могут быть установлены внешние слои, антиадгезионные пленки и/или дыхательные клапаны или другие компоненты. Согласно фиг. 8, подходящая липкая лента 50 уплотнителя или другой подходящий уплотнитель приложены по периметру приспособления 22 для отверждения при подготовке обработки приспособления 22 способом вакуумного мешка. В этот момент основание 52 вакуумного зонда может быть приложено к секции плоского конца приспособления 22 для отверждения.
Затем, согласно фиг. 9, гибкий резервуар 32 для текучей среды присоединен к баллону 30 таким образом, что баллон 30 и резервуар 32 для текучей среды могут, при желании, быть установлены и удалены в виде единого узла. Резервуар 32 для текучей среды соединен с газопроходным отверстием 44 (фиг. 8) в баллоне 30 и поддержан на скошенной поверхности 38 приспособления 22 для отверждения при нахождении баллона 30 в полости заготовки 28 из композитного материала. Резервуар 32 для текучей среды может быть постоянно прикреплен к баллону 30 и уплотнен относительно него, устраняя, таким образом, необходимость повторного присоединения баллона 30 к источнику давления при каждой установке баллона 30 в заготовка 20 из композитного материала при подготовке к операции отверждения. Эта конфигурация также избавляет от необходимости размещения уплотнителя вокруг газопроходного отверстия 44 при каждой установке баллона в заготовка 20 из композитного материала. Резервуар 32 для текучей среды может быть выполнен из любого подходящего материала, например и без ограничений, из эластомера. Вакуумный зонд 54 установлен на основании 52 вакуумного зонда и выполнен с возможностью соединения с источником вакуума (не показана) для эвакуации вакуумного мешка 24 во время цикла отверждения.
На фиг. 10 можно видеть, что резервуар 32 для текучей среды может в целом быть выполнен с прямоугольным или квадратным поперечным сечением со сторонами 32а, выполненными гибкими и способными претерпевать пластичную деформацию во внешнем направлении, как показано штриховыми линиями 32b, при приложении внешнего давления к резервуару 32 для текучей среды. Часть 32b резервуара 32 для текучей среды присоединена с созданием непосредственного контакта к одному концу баллона 30 и содержит выпускное отверстие 41 для текучей среды, которое ориентировано и соединено с газопроходным отверстием 44 в баллоне 30, позволяя текучей среде протекать между резервуаром 32 для текучей среды и баллоном 30. В других вариантах реализации настоящего изобретения форма резервуара 32 для текучей среды может быть другой и он присоединен или не присоединен к баллону 30. После установки резервуара 32 для текучей среды по фиг. 9 гибкий мешок 24, иногда называемый вакуумным мешком 24, выполненный из любого подходящего материала, например, полиэфира или нейлона, установлен поверх приспособления 22, покрывая резервуар 32 для текучей среды, заготовки 20, 46 стрингера и баллон 30. Вакуумный мешок 24 непосредственно контактирует с резервуаром 32 для текучей среды. Вакуумный мешок 24 уплотнен относительно периферии приспособления 22 для отверждения и вокруг вакуумного зонда 54 посредством уплотнительной ленты 50 или других подходящих уплотнителей. Откачка вакуумного мешка 24 приводит к перемещению вакуумного мешка 24 вниз с образованием непосредственного контакта со сторонами резервуара 32 для текучей среды, что обеспечивает возможность приложения давления РА автоклава к резервуару 32 для текучей среды.
При необходимости в качестве варианта резервуар 32 для текучей среды может содержать вакуумное отверстие 60, выполненное с возможностью соединения с источником вакуума (не показана) после удаления вакуумного мешка 24 после цикла отверждения. Вакуумное отверстие 60 закрыто и уплотнено ниже вакуумного мешка 24 во время отверждения, но содержит клапан или другое устройство (не показано) с возможностью соединения внутреннего объема 56 резервуара 32 для текучей среды с источником вакуума после окончания операции отверждения и удаления вакуумного мешка. Такое соединение резервуара 32 для текучей среды с вакуумным источником сбрасывает давление текучей среды в резервуаре 32 для текучей среды, что, в свою очередь, уменьшает давление в баллоне 30, позволяя баллону 30 быть слегка сплющенным или осевшим. Такое сплющивание баллона 30 уменьшает максимальный поперечный размер (не показан) баллона 30 в степени, достаточной для извлечения баллона 30 из отвержденного стрингера.
Во время выполняемого в автоклаве отверждения давление РА отверждения прижимает вакуумный мешок 24 к приспособлению 22 для отверждения, уплотняя посредством этого заготовку 20 из композитного материала, а также прилагая давление к резервуару 32 для текучей среды. Давление РА автоклава, приложенное к резервуару 32 для текучей среды, вынуждает текучую среду течь 45 из внутреннего объема 56 резервуара 32 для текучей среды через газопроходное отверстие 44 баллона в баллон 30, тем самым внутренним образом поддерживая давление в баллоне 30. Такое создание давления в баллоне 30 приводит к приложению силы 55 к заготовке 20 из композитного материала, противодействующей давлению РА автоклава, приложенному к заготовке 20 из композитного материала. По завершении операции отверждения давление РА автоклава снято с вакуумного мешка 22 и, таким образом, снято с резервуара 32 для текучей среды. Последующее уменьшение давления текучей среды в резервуаре 32 для текучей среды позволяет текучей среде вытекать из баллона 58 через газопроходное отверстие 44 назад в резервуар 32 для текучей среды.
Как ранее описано, резервуар 32 для текучей среды может быть постоянно уплотнен относительно баллона 30, что, таким образом, устраняет необходимость размещения уплотнителя вокруг газопроходного отверстия 44 (фиг. 8) при каждом размещении баллона 30 в заготовке 20 из композитного материала. Постоянное уплотнение резервуара 32 для текучей среды относительно баллона 30 может, таким образом, устранить возможность утечки вокруг газопроходного отверстия 44 в заготовка 20 из композитного материала. В случае утечки или в баллоне 30 или в резервуаре 32 для текучей среды утечка жидкости в заготовка 20 из композитного материала ограничена суммарным объемом баллона 30 и резервуара 32 для текучей среды, поскольку система 25 баллона (фиг. 1) выполнена в виде замкнутой системы, не позволяющей воздуху из автоклава попадать в полость 28 заготовки из композитного материала (фиг. 4).
Альтернативный вариант реализации описанной системы баллонов без отвода или подвода газов показан на фиг. 11 и 12. В этом варианте реализации баллон 30 содержит внутреннюю перегородку 35, отделяющую внутреннюю камеру 65 баллона 30 от текучей среды, подаваемой из резервуара 32 для текучей среды. Перегородка 35 выполнена из гибкого материала и может быть выполнена как целое с баллоном 30. Камера 65 баллона заполнена текучим заполняющим материалом 66 со сравнительно низким значением коэффициента теплового расширения и плотностью, выбранной для предоставления баллону 30 желаемого уровня жесткости. Одна сторона 75 перегородки 35 подвергнута воздействию текучей среды, подаваемой из резервуара 32 для текучей среды. Текучая среда из резервуара 56, прижатого к баллону 30 посредством давления РА автоклава, создает давление PF жидкости (фиг. 12), приложенное к перегородке 35, приводя к сгибу перегородки 35 внутрь до положения 35а по фиг. 12, поддерживая, посредством этого, давление на заполняющий материал 66. Давление заполняющего материала 66 приводит к возникновению внешнего давления 68, приложенного к заготовке 20 из композитного материала.
На фиг. 13 можно видеть, что в случае утечки в описанной выше системе 25 объем воздуха в автоклаве 26 (фиг. 1) не достигает заготовки 20 из композитного материала, поскольку система 25 баллона уплотнена ниже вакуумного мешка 24. Скорее, общее количество текучей среды, возможно достигающей заготовки 20 из композитного материала в случае утечки или в баллоне 30 или в резервуаре 32 для текучей среды (фиг. 10-12), ограничена внутренним объемом 56 резервуара для текучей среды плюс объем камеры 65 баллона.
Обратимся теперь к фиг. 14, которая в широком смысле поясняет последовательность стадий способа автоклавного отверждения при использовании описанной выше системы 25. Начнем со стадии 70, на которой композитный заготовка 20 из композитных смол размещен на соответствующем приспособлении, который может быть приспособлением для отверждения. На стадии 72 гибкий надувной баллон 30 установлен во внутренней полости 28 заготовки 20. На стадии 74 гибкий баллон 30 соединен с гибким резервуаром 32 для текучей среды, содержащим некоторое количество текучей среды. На стадии 76 заготовка 20 из композитного материала вместе с резервуаром 32 для текучей среды покрыты гибким мешком 24, например, вакуумным мешком, который затем уплотнен относительно приспособления 22 для отверждения. На стадии 78 давление РА автоклава приложено к мешку 24 для сжатия резервуара 32 для текучей среды и принуждает текучую среду перетекать из резервуара 32 в баллон 30, посредством этого создавая давление в баллоне 30, противостоящее силам, приложенным к заготовке 20 из композитного материала посредством давления автоклава. При необходимости на стадии 80 внутренняя перегородка 35 в баллоне 30 может быть использована для передачи давления к баллону 30 посредством давления текучей среды, образованного резервуаром 32 для текучей среды. Кроме того, на стадии 82 при необходимости, после отверждения и удаления вакуумного мешка 24, давление в резервуаре 32 для текучей среды может быть уменьшено для содействия удалению баллона, посредством соединения резервуара 32 для текучей среды с подходящей источником вакуума.
Альтернативный способ отверждения заготовки 20 из композитного материала показан на фиг. 15. На стадии 84 заготовка 20 размещен на приспособлении 22, а на стадии 86 баллон 30 установлен в полости 28 заготовки 20 детали из композитного материала. Баллон 60 соединен с резервуаром 32 для текучей среды на стадии 88. Затем, согласно стадии 90, гибкий мешок 24 уплотнен поверх заготовки 20 композитной детали и резервуара 32 для текучей среды. На стадии 92 гибкий мешок 24 использован для передачи давления автоклава к резервуару 32 для текучей среды для принуждения текучей среды перетекать из резервуара 32 в баллон 60.
Варианты реализации настоящего изобретения могут найти применение во многих потенциальных приложениях, в частности, на транспорте, включая, например, космические, морские, автомобильные приложения и другие приложения, в которых может быть использовано автоклавное отверждение деталей из композитных материалов. На фиг. 16 и 17 показаны варианты использования изобретения в контексте способа 94 изготовления и обслуживания самолета (согласно фиг. 16) и структуры самолета 96 (согласно фиг. 18). Авиационные приложения вариантов реализации настоящего изобретения могут включать, например и без ограничения, отверждение элементов жесткости, например и без ограничения, балок, стоек, стрингеров и других элементов. На стадии подготовки к изготовлению принимаемый в качестве образца способ 94 может включать спецификацию и проектирование 98 самолета 96 и приобретение материалов 100. На стадии изготовления имеют место производство 102 компонентов и подузлов и интеграция 104 системы самолета 96. После этого самолет 96 может пройти через стадию 96 сертификации и поставки перед вводом в эксплуатацию 108. При эксплуатации пользователем самолет 96 может подпадать под регламентное техобслуживание и текущий ремонт 110 (сюда также могут входить модификация, реконфигурация, восстановление и так далее).
Каждая из последовательностей операций в способе 94 может быть выполнена системным интегратором, третьим лицом и/или оператором (например, клиентом). Для целей этого описания системный интегратор может без ограничения содержать любое количество производителей авиационной техники и субподрядчиков основных систем; третье лицо может без ограничения включать любое количество продавцов, субподрядчиков и поставщиков; а оператор может представлять собой авиакомпанию, лизинговую компанию, военное подразделение, обслуживающую организацию и так далее.
Согласно фиг. 17, самолет 96, произведенный принимаемым в качестве образца способом 94, может содержать корпус 112 самолета с несколькими системами 114 и внутренней частью 116. Примеры систем 114 высокого уровня включают одну двигательную установку 118 или большее количество таких установок, электрическую систему 120, гидравлическую систему 122 и экологическую систему 124. Может иметь место любое количество других систем. Хотя показан пример, относящийся к аэрокосмической промышленности, принципы изобретения могут быть приложены к другим отраслям промышленности, например, к морской и автомобильной отраслям промышленности.
Осуществленные здесь системы и способы могут быть использованы в ходе любой из стадий способа 94 изготовления и обслуживания или в ходе нескольких таких стадий. Например, компоненты или подблоки, соответствующие последовательности 102 операций производства, могут быть изготовлены или обработаны способом, аналогичным способу производства компонент или подблоков, произведенных при нахождении самолета 96 в эксплуатации. Кроме того, один или большее количество вариантов реализации устройства, реализации способа или их комбинации могут быть использованы на стадиях 102 и 104 производства, приводя, например, к существенному ускорению сборки или сокращению стоимости самолета 96. Точно так же один или большее количество вариантов реализации устройства, реализации способа или их комбинации могут быть использованы при нахождении самолета 96 в эксплуатации, например и без ограничения, для техобслуживания и текущего ремонта 110.
Описание различных предпочтительных вариантов реализации изобретения было представлено для целей иллюстрации и характеризации и не было предназначено быть исчерпывающим или ограниченным данными раскрытыми вариантами реализации. Многие модификации и вариации очевидны для специалистов в данной области техники. Кроме того, различные предпочтительные варианты реализации изобретения могут обеспечивать различные преимущества по сравнению с другими предпочтительными вариантами реализации изобретения. Выбранные вариант или варианты реализации настоящего изобретения выбраны и описаны для наилучшего объяснения принципов реализации изобретения, его практического применения и предоставления специалистам в данной области техники возможности понять различные варианты реализации изобретения с различными модификациями, подходящими для конкретного рассматриваемого использования.
1. Устройство для использования при автоклавном отверждении композитной заготовки (20) с внутренней полостью (28), содержащее
гибкий баллон (30), выполненный с возможностью размещения в полости (28) для приложения давления к композитной заготовке (20) во время отверждения,
резервуар (32) для текучей среды, предназначенный для создания давления в баллоне (30), причем резервуар (32) и баллон (30) соединены вместе в замкнутую систему (25), и
гибкий мешок (24), уплотненный поверх гибкого баллона (30) и резервуара (32) для текучей среды, причем
гибкий мешок (24) находится в непосредственном контакте с резервуаром (32) для текучей среды.
2. Устройство по п.1, в котором
гибкий мешок (24) передает давление от автоклава (26) к резервуару (32) для текучей среды.
3. Устройство по п.1, дополнительно содержащее
приспособление (22) для отверждения, выполненное с возможностью размещения на нем композитной заготовки (20),
причем резервуар (32) для текучей среды расположен на приспособлении (22) для отверждения, а гибкий мешок (24) уплотнен относительно приспособления (22) для отверждения.
4. Устройство по любому из пп. 1-3, в котором резервуар (32) для текучей среды выполнен гибким.
5. Устройство по любому из пп. 1-3, в котором баллон (30) содержит газопроходное отверстие (44), а
часть (32b) резервуара (32) для текучей среды прикреплена к баллону (30) и содержит выпускное отверстие (41) для текучей среды, соединенное с газопроходным отверстием (44) в баллоне (30).
6. Устройство по п.1, в котором
резервуар (32) содержит вакуумное отверстие (60), выполненное с возможностью соединения с источником (64) вакуума для селективного уменьшения давления в резервуаре (32) для текучей среды.
7. Устройство по п.1, в котором баллон (30) содержит
перегородку (35), формирующую внутреннюю камеру (65) в баллоне (30), и заполняющий материал (66), заполняющий внутреннюю камеру (65) и имеющий
плотность, достаточную для придания жесткости баллону (30) при создании давления в баллоне (30) посредством текучей среды из резервуара (32) для текучей среды.
8. Устройство по п.7, в котором
перегородка (35) содержит гибкую сторону, открытую воздействию текучей среды из резервуара (32) для текучей среды, причем
гибкая сторона выполнена с возможностью изгиба для приложения давления к заполняющему материалу (66) при создании резервуаром (32) для текучей среды давления в баллоне (30).
9. Способ автоклавного отверждения композитной заготовки (20) с внутренней полостью (28), включающий
размещение (70) композитной заготовки (20) на приспособлении (22),
размещение (72) гибкого баллона (30) в полости,
соединение (74) баллона (30) с резервуаром (32) для текучей среды,
уплотнение (76) гибкого мешка (24) поверх композитной заготовки (20) и резервуара (32) в непосредственном контакте с резервуаром (32) для текучей среды и
использование (78) гибкого мешка (24) для передачи давления автоклава к резервуару (32) с обеспечением вытеснения текучей среды из резервуара (32) в баллон (30).
10. Способ по п.9, согласно которому
соединение (74) баллона (30) с резервуаром (32) включает прикрепление баллона (30) к резервуару (32) перед размещением баллона (30) в полости.
11. Способ по п.9, согласно которому
уплотнение (76) гибкого мешка (24) включает уплотнение мешка (24) относительно приспособления (22).
12. Способ по любому из пп. 9-11, дополнительно включающий
придание жесткости баллону (30) путем наполнения баллона (30) заполняющим материалом (66) и
отделение заполняющего материала (66) от текучей среды путем размещения (80) в баллоне (30) перегородки (35).
13. Способ по любому из пп. 9-11, дополнительно включающий
использование вакуума для протягивания гибкого мешка (24) относительно сторон резервуара (32).
14. Способ по любому из пп. 9-11, дополнительно включающий
удаление гибкого мешка (24) из композитной заготовки (20) и резервуара (32) после отверждения композитной заготовки (20) и
уменьшение давления в баллоне (30) путем соединения резервуара (32) с источником вакуума после удаления (82) гибкого мешка (24).
