[发明专利]皱褶控制方法及用于执行此方法的工具

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于形成叠层元件的工具、用于形成叠层元件的方法、以及如此形成的叠层元件。

背景技术

叠层元件可通过以下步骤形成：在模制工具上布置一堆板层、使该堆板层变形为工具的形状、然后固化该堆板层以形成结实坚固的元件。当叠层组折叠在模具的复杂三维模制型面上时，一些板层根据表面弯曲特性可能被迫收缩或膨胀。如果板层包括具有最小收缩能力的材料，如合成材料中的碳纤维或凯夫拉（Kevlar）纤维或玻璃纤维，几何结构可引起成品叠层元件的板层起皱。

在复合叠层元件的板层中形成皱褶是不受欢迎的，因为皱褶会引起元件上出现空隙、不连续、以及树脂丰富区域或树脂稀少区域。这些缺陷会降低元件性能（例如降低强度和硬度），并且会影响元件的耐久性。因而，与根据无皱褶元件的设计形状制成的所要得到的元件相比，板层上具有皱褶的复合元件的性能可能要差一些。

皱褶（特别是影响叠层组的外层的皱褶）的形成，还会降低元件的表面精度，如果皱褶形成在被设计为与其他元件接合的表面上，会出现特别的问题，并且在成品元件能被接受之前可能需要进行特许的工作。

皱褶会以不可预见的方式形成，从而，使用相同或类似工具形成多个复合元件时，元件上会呈现不同的皱褶特性。例如，皱褶的范围和每个元件中皱褶形成的一个位置或多个位置会变化。皱褶形成的这种不可预见性会导致不标准（因而耗时）的检测、校正和调整工作，且难以形成基本相同的、具有可预见特性和属性的元件。

因为这些原因，通常希望在成型工艺中消除或控制叠层组内皱褶的形成，从而使得所制成的元件的形状和属性最优，并且使得按相同设计所生产的多个元件能被制造成基本上相同。

发明内容

本发明的第一方面提供了一种具有模制型面的工具，该工具用于通过堆叠一堆板层来形成元件，在成型过程中所述一堆板层被设置在工具的模制型面上，该工具的模制型面中包括皱褶控制结构，用于控制板层中皱褶的形成，其中，皱褶控制结构被设置为在成型过程中与该堆板层相互配合，以在叠层元件的最靠近工具的名义表面上形成局部表面波度，从而防止板层中起皱或促使皱褶形成在一个或更多个板层的预定位置上。

本发明的另一方面提供了一种用于形成叠层元件的方法，该方法包括以下步骤：a）提供具有模制型面的工具；b）将一堆板层设置在工具的模制型面上；以及，c）在成型过程中在模制型面上模制该堆板层；其中，该工具的模制型面中具有皱褶控制结构，用于在成型过程中控制板层中皱褶的形成，其中，在成型过程中，皱褶控制结构与该堆板层相互配合以在叠板元件的最靠近工具的名义表面上形成局部表面波度，从而防止板层中起皱或促使皱褶形成在一个或更多个板层的预定位置上。

本发明的优点在于：在模制叠层元件过程中可控制皱褶的形成。通过在叠层元件的最靠近工具的名义表面上形成局部表面波度，与叠层中的不受控的皱褶相关的问题可消除或至少显著减少。

叠层元件的名义表面是元件的设计表面。局部的表面波度是对设计形状已知的、可预见的变化，该变化被认为是制造工艺的可接受结果。由于工具的模制型面的形状所形成的皱褶可完全被消除，或者可减少所述皱褶或将所述皱褶转移到可预见的和/或问题更少的位置，从而与无皱褶元件的所要得到的设计形状相比可减少或消除性能退化。因而，元件的结构和属性的可预见性更高，从而可更准确地分析、优化、制造元件。

板层可以是纤维板层，例如含有碳纤维或玻璃纤维或凯夫拉纤维或任何其他合适材料的板层。板层可以是预浸渍板层或干纤维板层。纤维板层可以是单向的、编织的、或任何其他合适类型的纤维板层。

所述工具可使用具有如下特点的任何制造工艺来形成所述元件，在所述制造工艺过程中，复合元件通过与具有模制型面的工具相互作用而成型。例如，板层可以以一堆板层的形式设置在工具上，或可供选择地，将单个板层按照次序一个接一个地设置在工具上。在这两种情况下，都可以以手动或自动或半自动方式将板层设置在工具上。

工具可以是阳模或阴模。阳模通常为凸起的形状，板层放置到凸起上，而阴模通常为凹槽的形状，板层放置在凹槽中。

叠层组可以设置有可去除的剥离板层，在成型过程中该剥离板层位于结构层和工具的模制型面之间。叠层元件和工具分开时或成品元件被接受之前，可将该剥离板层从叠层组去除掉。可供选择地，设置在工具上的板层可以没有剥离板层。