优化的肋强化复合结构制造技术

肋强化复合结构包括：复合面板，该复合面板具有在聚合物基体中的连续增强纤维。以网格图案在复合面板上设置聚合物芯，该网格图案具有与第二系列路径交叉的第一系列路径。在这些系列的路径之间的空间中形成材料空隙。在聚合物芯的上表面上设置复合肋帽。复合肋帽包括在聚合物基体中的连续增强纤维。复合肋帽的聚合物基体的连续增强纤维中的纤维在沿着挤出聚合物芯的网格图案的第一系列路径和第二系列路径的方向上取向。路径的方向上取向。路径的方向上取向。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】优化的肋强化复合结构
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2021年1月8日提交的临时申请63/135,437的优先权，其全部内容通过引用全部并入本文。


[0003]本专利技术总体上涉及具有高比强度和比刚度的结构及其制造方法。更具体地，本专利技术涉及利用新的制造方法的网格强化复合结构。

技术介绍

[0004]诸如等网格和正交网格之类的网格强化结构被作为一种减轻结构重量的手段而熟知。通过成型或机加工各向同性材料(例如金属)以形成肋状特征来减轻重量是一种常见的方法。然而，在复杂的成型或机加工过程中，切掉的结构的大部分是昂贵的。在现有技术中众所周知的是，通过使用先进复合材料可以进一步提高结构效率。
[0005]具有高比强度和比刚度(强度或模量除以密度)的先进复合材料改善了结构性能。先进复合材料增加了额外的复杂性，因为这些材料通常很昂贵并且很难将它们放置在负载路径的方向上、尤其是放置在复杂的表面上。诸如AFP(自动纤维铺放)和AM(增材制造)等的新技术正在改善复杂结构的制造。然而，这些新技术还未能实现网格强化结构的经济制造。根本问题在于连续纤维复合材料在节点处相互交叉，这增加了节点处的厚度，进而增加了面板厚度并降低了结构效率。可以在节点处切割每个条带并重新开始新的条带，但这既耗时又容易出错。
[0006]在现有技术中众所周知的是，可以通过使用其中轻质芯材夹在先进复合材料层之间的蒙皮强化结构来提高结构效率。这种方法通过增加如工字梁中的截面模量来最大化结构的比强度和比刚度。然而，包封的芯材容易吸收水分，这可导致结构的分层和失效(例如，对于在高湿度下起飞并飞向高空的飞机，会导致水蒸气在复合材料蒙皮之间膨胀)。典型的芯材是蜂窝泡沫或聚合物泡沫。
[0007]在现有技术中还已知创建包括泡沫芯的等网格结构。例如，2008年路易斯安那州立大学硕士论文“具有等网格强化复合泡沫芯的夹层结构的准静态和冲击特性(Quasi
‑
Static and Impact Characterization of Sandwich Structures with an Iso
‑
Grid Stiffened Syntactic Foam Core)”讨论了用泡沫芯填充预成型隔间。
[0008]面临的挑战是使用先进复合材料经济地制造网格强化结构。
[0009]本领域需要一种以最低的材料成本、制造成本和生命周期成本优化网格强化结构的结构性能的方法。

技术实现思路

[0010]本专利技术提供了创新且优化的网格强化结构以及经济地制造这些结构的方法。本专利技术不是用泡沫芯填充隔间，而是将芯合并到肋结构本身中。
[0011]本专利技术涉及需要高比强度和/或比刚度的结构。这些应用大致按重要性的顺序包括卫星、运载火箭、垂直飞行器、飞机、地面运输器、水面船舶和潜水器。根据经验，每减少一磅重量，对于卫星来说就能节省$10,000，对于垂直飞行器来说能节省$1,000，对于飞机来说能节省$100，对于地面运输器来说能节省$10。如此巨大的规模需要合适的技术来解决这些经济限制。本专利技术利用不同的材料和工艺来实现所有这些规模，但对这些材料和工艺的创新使用是相同的。
[0012]定义：如本文所用，先进复合材料是指连续纤维(诸如碳纤维)和基体(诸如聚合物)的组合。AFP是指自动纤维铺放，是一种行业标准复合材料加工方法。AM是指增材制造，即通过添加材料来构建结构的工艺(与机加工等减材工艺相反)。正交网格是指具有大致矩形开口的网格强化结构，特性主要在两个方向上。等网格是指具有大致三角形开口的网格强化结构，特性主要在三个方向上，如各向同性材料。各向异性网格是指一种网格强化结构，通常具有不同的开口，在所有方向上特性不同，例如在圆锥体或复杂表面上。短切纤维是指被短切为毫米量级的短长度的纤维增强材料，从而其可以更容易形成复杂的形状。CNC是指计算机数控，自动化机加工。就本专利技术而言，面板是指连续纤维增强复合材料表面，其可以是平面或复杂的形状。FFF是指熔丝制造，一种将挤出珠熔合形成结构的增材制造工艺。MEX是指材料挤出，一种更通用的增材制造工艺，其包括FFF。网格强化结构是指由凸起的肋强化件的格子图案支撑的面板。HGM是指中空玻璃微球，直径通常为10至300微米。等网格是指各向同性网格强化结构。各向同性是指所有方向上的特性。节点是指网格强化结构中的交叉点。正交网格是指正交(强度为直角)网格强化结构。正交各向异性是指成直角的特性。PEEK是指聚醚醚酮，一种高性能热塑性聚合物。截面模量是指给定横截面积的几何特性，其对于刚度随高度呈指数增长的梁(或肋)的设计非常重要。比强度是指材料的强度除以其密度。比刚度是指材料的刚度(模量)除以其密度。结构效率是指结构的承载能力与其重量的比值。复合泡沫通常是指填充HGM以降低密度的聚合物。预浸料是指将通常连续的纤维增强材料用诸如聚合物等的基体预浸渍以形成复合带。
[0013]所公开的实施例通过使用具有芯材的先进复合材料表面和创新制造技术来优化网格强化结构的特性。存在两种基本制造方法：(1)成型和(2)AM，它们可以实现相同的目标，但对于不同的应用具有优势。
[0014]材料：
[0015]先进复合材料：复合材料根据定义是指两种或更多种材料的组合。先进复合材料是连续纤维增强材料和通常为聚合物的基体的组合。在临时申请63/135,437中的图1的曲线图示出了金属与未填充聚合物(PEEK或聚醚醚酮)、短切碳纤维填充的PEEK和连续纤维增强的PEEK(AS4和IM7是不同等级的碳纤维增强材料)的比强度和比模量的比较。
[0016]如所述曲线图所示，连续纤维增强材料极大地增加了结构的比强度和比刚度。连续纤维肋帽不需要非常厚，因此使节点处厚度增加的问题最小化。然而，如果需要，可以在节点处切割纤维并重新开始，但肋帽的厚度减小了，因此缩短了时间、减少了错误率损失。这些是本专利技术的目的。
[0017]芯材：该创新涉及芯材、即填充面板和肋帽之间的间隙的材料的使用。芯材的功能是在夹层结构中的面板之间或在本专利技术中在面板和肋帽之间传递剪切载荷。实际上，芯的作用类似于工字梁中的腹板，其中，腹板在承载凸缘之间提供轻质分隔物。在工字梁中，凸
缘承受主要的拉伸和压缩载荷，因此腹板相对较轻。与蒙皮层压板中的材料相比，夹层结构中的芯材的重量理应较低。
[0018]工程理论表明，夹层层压板的挠曲刚度大约与其厚度的平方成正比。因此，复合材料中的芯的目的是通过用低密度芯材有效地增厚层压板来增加层压板的厚度，以增加截面模量。这会使刚度显著增加，而且只需要很少的额外重量。
[0019]这一创新的关键是利用轻质芯材和连续纤维增强面板和肋帽来有效地制造轻质网格强化结构。芯材可以是但不限于闭孔泡沫、复合泡沫、未填充聚合物和填充聚合物(例如短切纤维、纳米管、石墨烯等)。
[0020]制造方法：
[0021]包覆成型(overmolding)：复合材料包覆成型是一种本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于制造肋强化复合结构的方法，所述方法包括以下步骤：形成复合面板，所述复合面板在聚合物基体中具有连续增强纤维；形成复合肋帽，所述复合肋帽在聚合物基体中具有连续增强纤维，其中，所述复合肋帽形成为网格图案，所述网格图案包括与第二系列路径交叉的第一系列路径，其中，在这些系列路径之间的空间中形成材料空隙；其中，所述复合肋帽的所述聚合物基体的所述连续增强纤维中的纤维在沿着所述第一系列路径和所述第二系列路径的方向上取向；提供第一模具，所述第一模具将所述复合肋帽固定在距所述复合面板一定距离的位置，所述第一模具延伸穿过所述复合肋帽的所述材料空隙并且与所述复合面板接合，从而在所述复合面板和所述复合肋帽之间形成中空空间；将芯材注射到由所述复合面板、所述复合肋帽和所述第一模具限定的所述中空空间中；以及从所述复合面板、所述复合肋帽和所述芯材移除所述第一模具，由此形成所述肋强化复合结构。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述复合面板或所述复合肋帽都没有覆盖所述芯材的侧壁。3.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述复合面板和所述复合肋帽的所述聚合物基体中使用的聚合物与在所述芯材中使用的聚合物相同。4.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述芯材注射到由所述复合面板、所述复合肋帽和所述第一模具限定的所述中空空间中包括：注射成型、压缩成型、转移成型或树脂转移成型。5.一种用于制造肋强化复合结构的方法，所述方法包括以下步骤：形成复合面板，所述复合面板在聚合物基体中具有连续增强纤维；将挤出聚合物芯以网格图案沉积在所述复合面板上，所述网格图案包括与第二系列路径交叉的第一系列路径，其中，在这些系列路径之间的空间中形成材料空隙，其中，所述挤出聚合物芯通过材料挤出工艺使用多个层进行沉积；以及将复合肋帽沉积在所述挤出聚合物芯的上表面上，所述复合肋帽包括在聚合物基体中的连续增强纤维，其中，所述复合肋帽的所述聚合物基体的所述连续增强纤维中的纤维在沿着所述挤出聚合物芯的所述网格图案的所述第一系列路径和所述第二系列路径的方向上取向。6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述复合面板或所述复合肋帽都没有覆盖芯材的侧壁。7.根据权利要求5所述的方法，其中，在所述复合面板和所述复合肋帽的所述聚合物基体中使用的聚合物与在所述挤出聚合物芯中使用的聚合物相同。8.根据权利要求5所述的方法，其中，与所述第二系列路径交叉的所述第一系列路径限定交接点，其中，每个交接点具有所述第一系列路径和所述第二系列路径的交替的连续预浸料层，从而形成与所述第一系列路径和所述第二系列路径的其余部分厚度相似的交接点。9.一种肋强化复合结构，包括：
复合面板，所述复合面板在聚合物基体中具有连续增强纤维；聚合物芯，所述聚合物芯呈网格图案设置在所述复合面板上，所述网格图案包括与第二系列路径交叉的第一系列路径，其中，在这些系列路径之间的空间中形成材料空隙；以及复合肋帽，所述复合肋帽设置在所述聚合物芯的上表面...

【专利技术属性】
技术研发人员：D，
申请(专利权)人：特瑞堡密封系统德国有限责任公司，
类型：发明
国别省市：