[發明專利]復合修復補片和結構的三維打印

有效

• 申請號: 201910166143.2
• 申請日: 2019-03-06
• 公開（公告）號: CN110271209B
• 公開（公告）日: 2022-07-22
• 發明（設計）人: J·B·伊努;S·H·安;G·Y·李;H·S·金;M·S·金;H·J·金;S·H·民
• 申請（專利權）人: 波音公司;首爾大學校產學協力團
• 主分類號: B29C73/24
• 分類號: B29C73/24
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 張全信;趙蓉民

本發明的名稱是復合修復補片和結構的三維打印。基于三維打印技術在由纖維增強塑料材料制成的復合結構的修復期間使纖維鋪設過程自動化的方法和設備。浸漬有液體環氧化物的連續纖維粗紗(例如，碳纖維)可以無需人工操縱以自動的方式直接打印到復合結構(例如，由碳纖維增強塑料制成的飛行器部件)的受損表面上。

技術領域

本公開通常涉及用于再加工由復合材料(例如，碳纖維增強塑料(CFRP))制成的結構的區域的技術，并且更具體地涉及用于再加工這種結構的區域的補片的自動化生產和安裝。

背景技術

再加工復合結構有時包括由于各種原因而可能不符合產品和/或性能規格的局部區域。通過再加工(包括修復)結構可以減少或消除局部不一致。再加工/修復過程可以涉及從結構中去除一層或多層材料，并然后用粘結到結構的復合補片替換去除的材料。

對于CFRP修復過程，通常是在受損區域已經修整(例如，通過研磨或機加工)后，施加定制的碳纖維和環氧樹脂(下文中“環氧化物”)的手工敷層以在受損點或區域上形成修復補片。這種制造復合補片的典型方法耗費時間且是勞動密集的。

發明內容

本文公開的主題涉及基于三維(3D)打印技術(也稱為增材制造)在由纖維增強塑料材料制成的復合結構的修復期間使纖維鋪設過程自動化的方法和設備。如本文所用，術語“3D打印”和“增材制造”同義地用于指在計算機控制下將材料聯接或固化以隨著材料被添加在一起而產生三維物體的過程。下面詳細公開的3D打印方法的主要優點為浸漬有液體環氧化物-硬化劑混合物的連續纖維粗紗(例如碳纖維)可以無需人工操作以自動的方式直接打印到復合結構(例如，由碳纖維增強塑料(CFRP)制成的飛行器部件)的受損表面上。

根據一些實施方式，該設備包括易于操作并且適用于各種復雜表面的便攜式打印裝置。根據其他實施方式，打印裝置可以安裝到機器人的末端執行器。作為材料的示例，連續干燥碳纖維粗紗和具有硬化劑的環氧化物可以通過特別設計的打印頭施加到由CFRP制成的復合層。在纖維進料過程期間將環氧化物施加在干燥碳纖維粗紗上，并且然后將濕纖維粗紗直接打印在目標表面上。該設備還可用于打印由除碳之外的材料制成的環氧化物浸漬的纖維。

用于復合修復補片的3D打印的自動化過程的優點包括至少以下：(1)修復的復合材料的質量均勻并且受控；(2)用于復合材料修復的快速鋪設過程(減少過程時間)。

下面詳細公開的實施方式提供了使用在計算機控制下通過增材制造生產的復合層疊板再加工/修復補片來再加工和/或修復結構(諸如復合層疊板)的方法。再加工/修復補片的自動化生產減少手工勞動，并且減少切割、測量、對齊和安裝補片時出現人為錯誤的機會。補片的自動化生產可以增加補片特征的尺寸控制，引起與正在再加工的結構的改進的配合和對齊。補片的自動化生產基于表示正在再加工/修復的區域的3D映射的一組數字數據，并且導致再加工/修復補片具有與再加工/修理區域的拓撲結構精確匹配的形狀、方向和尺寸。

盡管下面將詳細描述用于在復合結構修復期間用于使纖維鋪設過程自動化的設備和方法的各種實施方式，但是這些實施方式中的一個或多個可以通過以下方面中的一個或多個來表征。

下面詳細公開的主題的一個方面是用于將復合材料添加到復合結構的方法，該方法包括在復合結構上連續鋪設連續纖維粗紗的順序部分，同時用處于液態的環氧化物-硬化劑混合物潤濕每個順序部分。該方法可以進一步包括：切割干纖維粗紗以建立待鋪設纖維粗紗的長度；并且允許纖維粗紗的長度上的環氧化物-硬化劑混合物在環境溫度下在復合結構上的適當位置固化。干纖維粗紗是單向(即，通常平行、非扭曲和非纏結)增強纖維(例如碳纖維)的連續束。該方法進一步包括：將液體環氧化物和液體硬化劑在混合器中混合以形成環氧化物-硬化劑混合物；將環氧化物-硬化劑混合物從混合器進料至打印輥；并且將環氧化物-硬化劑混合物從打印輥轉移到干纖維粗紗。