專利名稱：具有樹脂分配網(wǎng)路的大型復(fù)合結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及增強(qiáng)纖維樹脂復(fù)合結(jié)構(gòu)的制造，尤其是涉及大型復(fù)合結(jié)構(gòu)的真空加力樹脂壓鑄方法以及該方法中所使用的工具。
各種不同的方法被用來實(shí)施和增強(qiáng)樹脂的分布。這些方法包括在纖維層外面放置易于處理的分布媒介，和設(shè)置穿透芯子的孔和/或槽，以使樹脂可由增強(qiáng)纖維層的外面流進(jìn)里面。例如，可參閱美國(guó)專利No.5,316,462和No，4,560,523。在封閉模樹脂注射方法中，在多孔材料芯子上使用了供料槽，以助于樹脂的流動(dòng)，這一點(diǎn)可參閱美國(guó)專利No.5,096,651。
發(fā)明簡(jiǎn)述本發(fā)明涉及一種在用真空加力樹脂壓鑄法(VA-TRM)制造大型復(fù)合結(jié)構(gòu)時(shí)的分配樹脂的方法，以及用這種方法制造的復(fù)合結(jié)構(gòu)。復(fù)合結(jié)構(gòu)是用纖維增強(qiáng)樹脂包裹內(nèi)芯制成的。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，樹脂直接輸送到與若干在內(nèi)芯表面上形成的較小的微槽相連的主供料槽網(wǎng)路。樹脂從供料槽和微槽向外流動(dòng)，由芯子穿過增強(qiáng)纖維。在本發(fā)明的第二實(shí)施例中，在內(nèi)芯和增強(qiáng)纖維之間設(shè)有單獨(dú)的分配媒介。樹脂直接輸送到芯子表面上的一個(gè)或多個(gè)主供料槽，通過分配媒介穿過增強(qiáng)纖維。另外，主供料槽可環(huán)繞芯子形成供料環(huán)，可以浸漬橫向結(jié)構(gòu)部分。
在另一個(gè)實(shí)施例中，用帶有表面結(jié)構(gòu)的金屬板制成了一體化的真空袋和模子。表面結(jié)構(gòu)為在板的一面加工出的距離很近的凸起部分，而在板的另一面則有對(duì)應(yīng)的凹入部分。在距離很近的凸起部分之間形成的凹槽就成為樹脂分配網(wǎng)絡(luò)。在板上直接加工出主供料槽。帶有表面結(jié)構(gòu)的板子也可用作模板，該模板可用來制做其他工具。
利用這個(gè)方法，需用多個(gè)芯子的大型復(fù)合結(jié)構(gòu)能夠在通常的乙烯基酯或聚酯樹脂的膠凝時(shí)刻之前迅速成型，并可將樹脂用量降到最低。將樹脂通過真空袋直接輸送至供料槽，供料就不僅局限在構(gòu)件邊緣或工具的入口處。相鄰的芯子可通過一個(gè)樹脂入口供料。樹脂分配網(wǎng)絡(luò)可保留在成品件上，省去了對(duì)分布材料的處理。這樣，微槽在固化后充滿了樹脂，因而增加了層間剪切強(qiáng)度和剝離強(qiáng)度。特殊結(jié)構(gòu)，如抗剪帶、承壓腹板、梁等，可在壓鑄過程中直接與復(fù)合結(jié)構(gòu)件制成一體。
圖9為用于制造復(fù)合結(jié)構(gòu)的剛性模和撓性蓋的斷面示意圖；

圖10為帶有多個(gè)主供料槽的復(fù)合結(jié)構(gòu)的芯子的透視圖；圖11為相應(yīng)于本發(fā)明另一實(shí)施例的用于制造復(fù)合結(jié)構(gòu)的一體化模子和真空袋的斷面示意圖；圖12為制做如圖11所示的一體化模子和真空袋的帶有表面結(jié)構(gòu)的板的一個(gè)表面的透視圖；和圖13為圖12中帶有表面結(jié)構(gòu)的板的另一面的透視圖。
對(duì)本發(fā)明的詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明制造的大型復(fù)合構(gòu)件包括芯子12，如圖1所示。芯子由能承受真空壓力的材料制成。常用的材料包括多孔材料，如聚氨酯、聚氯乙烯或軟木。芯子可以是實(shí)體的或空心的，如多孔聚乙烯。也可以使用混凝土。圖示的芯子呈矩形塊狀，也可以是其它形狀，后面將做深入討論。
在芯子的表面16上設(shè)有一個(gè)或多個(gè)主供料槽或通道14。主供料槽可環(huán)繞整個(gè)芯子形成一個(gè)環(huán)。在芯子的表面上還設(shè)有由橫截面積比主供料槽更小的通道組成的與主供料槽相連通的樹脂分配網(wǎng)路。
在本發(fā)明的第一實(shí)施例中，樹脂分配網(wǎng)路由若干在芯子12的表面16上加工出的微槽18組成，如圖1所示。微槽18基本上與主供料槽14呈橫向排布。某些微槽環(huán)繞整個(gè)芯子形成了起止端與主供料槽相通的樹脂流動(dòng)環(huán)。微槽與主供料槽的實(shí)際比例關(guān)系取決于芯子的幾何形狀和樹脂浸漬的最佳條件，后面將做進(jìn)一步討論。
帶有槽網(wǎng)路14的芯子12用一層或多層纖維材料20覆蓋，如圖2所示。纖維材料可以是由玻璃纖維、碳纖維或其他合適材料制成的織物或編織物。根據(jù)最終產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)要求，芯子可以用纖維材料完全包裹起來，或留下一個(gè)或幾個(gè)面不用纖維覆蓋。纖維材料可以是大片的，用來包裹芯子，纖維材料也可以是單獨(dú)的小片，用在所需的芯子面上。纖維材料也可以是筒狀的，套在芯子上。
若干個(gè)用纖維纏繞的芯子排列成所需的最終成品。盡管圖2中只示出了兩個(gè)芯子，芯子的實(shí)際數(shù)量和排布方式要根據(jù)所需的最終產(chǎn)品來確定?？稍谌舾蓚€(gè)芯子外用一層或多層纖維材料纏繞形成外層22，如圖2所示。纖維材料層的數(shù)量、型式、及排布方式取決于所需的最終產(chǎn)品，這些可由本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員很方便地確定。一般還要設(shè)置由外纖維層到真空出口25之間的片23狀的泄放層。在現(xiàn)有技術(shù)的真空工藝中，通常需要?jiǎng)冸x層，而在本發(fā)明的方法中，一般不需要?jiǎng)冸x層。
芯子周圍的和在各芯子之間的纖維材料24形成了諸如抗剪帶、承壓腹板以及梁等結(jié)構(gòu)要素。例如，在圖4中，一組三角形芯子40用來制造平臺(tái)板。在鄰近三角形芯子之間的纖維材料形成了承受壓力和剪力的斜構(gòu)件41。
在纏繞過程中，在主供料槽14中要放置適當(dāng)?shù)慕宇^26，例如塑料或銅制的T型管，以便隨后插入樹脂輸送管28。在每個(gè)供料槽中可放置一個(gè)或多個(gè)接頭，以獲得所需樹脂流。將纏繞完的結(jié)構(gòu)放在模子29上，將真空袋30覆蓋在纏繞完的結(jié)構(gòu)，包括塑料接頭，之上，并且以本技術(shù)領(lǐng)域常用的方式與模子密封，如圖2所示。然后，在真空袋上穿孔，將輸送管28通過真空袋直接插入至對(duì)應(yīng)的接頭26。輸送管與真空袋間要密封，以保證真空度。這樣，輸送管穿透外真空袋直接插入主供料槽，以將樹脂直接輸送到主供料槽。
參見圖8，真空袋與模子也可以制成一體化的結(jié)構(gòu)80，它既具有足夠的剛性以保持作為模的形狀，又有足夠的撓性以在抽真空時(shí)壓緊在構(gòu)件上。例如，一體化結(jié)構(gòu)80可由0.64cm或更薄的標(biāo)準(zhǔn)厚度鋼板制成，如前所述，芯子82及纖維材料84、86封裝在鋼板中。在鋼板上鉆出通孔以與接頭連接。按照前面所述進(jìn)行樹脂浸漬。一體化結(jié)構(gòu)也可用其它材料制造，如橡膠或硅酮或是塑料包覆金屬類的薄的復(fù)合板材。
圖9示出了另一個(gè)模子的實(shí)施例，其中剛性模90用鋼或塑料制成的撓性蓋92密封。包括前面所述的芯子和纖維材料的構(gòu)件放入剛性模的凹槽94中。真空槽96環(huán)繞著構(gòu)件。在蓋子或模上設(shè)有通孔，以便與接頭連接，從而進(jìn)行前面所述的樹脂浸漬。在真空狀態(tài)下浸漬樹脂時(shí)，蓋子在真空槽的邊緣處發(fā)生撓曲，以將構(gòu)件壓實(shí)。
樹脂材料，如聚酯、乙烯基酯、環(huán)氧樹脂、酚醛、聚丙烯或雙順丁烯二酰亞胺，通過主供料槽14很快地進(jìn)入微槽18。樹脂再由微槽浸透纖維材料20、22。樹脂浸漬過程從芯子表面16開始，再向外流入構(gòu)件的外部。相鄰芯子表面間的纖維材料可由一個(gè)相鄰芯子上的主供料槽來浸漬，如圖3和4所示。
主供料槽的橫截面積、及微槽的橫截面積和微槽之間的間距應(yīng)優(yōu)化選擇，以保證在固化之前有適當(dāng)?shù)臅r(shí)間使樹脂能浸漬所有的纖維材料，而不出現(xiàn)未浸漬區(qū)。典型的主供料槽的尺寸為深1.27cm，寬1.27cm，截面積為1.635cm2。典型的微槽尺寸為深0.32cm，寬0.32cm，截面積大約為0.102cm2。微槽的間距可以為2.54cm。這些尺寸可以改變，以適應(yīng)不同類別和/或厚度的增強(qiáng)纖維材料。如果構(gòu)件特別大，為能將樹脂迅速分配到構(gòu)件的所有部位，可以增大主供料槽的截面積。類似地，也可在芯子12上設(shè)置多個(gè)主供料槽14，如圖10所示。
另外，可以減小主供料槽或微槽的橫截面積，以限制樹脂流動(dòng)，增加樹脂在某一特定區(qū)域內(nèi)的停留時(shí)間，還可以在供料槽中放置可暫時(shí)阻斷樹脂流的樹脂“熔斷器”，來增加樹脂停遛時(shí)間。熔斷器在與樹脂接觸一段已知的時(shí)間后便會(huì)被溶解，這段時(shí)間的長(zhǎng)短可由熔斷器的長(zhǎng)度來設(shè)定。例如，對(duì)于乙烯基酯樹脂，已成功地使用了泡沫聚苯乙烯熔斷器。也可以終止供料槽，以改變樹脂的流向。
主供料槽14可使樹脂由一個(gè)芯子流向相鄰的另一芯子?？梢栽谛咀由献龀鐾祝允共煌闹鞴┝喜巯噙B?？梢酝瑫r(shí)向每一主供料槽輸送樹脂，以形成并行的回路，或是按規(guī)定的順序向每一主供料槽輸送樹脂，以形成串聯(lián)的回路，這要取決于待浸漬構(gòu)件的幾何形狀和尺寸。另外，主供料槽可以彼此間互相獨(dú)立，形成單獨(dú)的回路。
浸漬后，留出足夠的時(shí)間使樹脂固化。在固化后，微槽18中充滿了固體樹脂。這些樹脂起到了橫向的鎖定連接作用，它可以提高纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與芯子間連接的層間剪切強(qiáng)度。留在槽網(wǎng)路中的樹脂也可增大纖維增強(qiáng)表層與芯子間的剝離強(qiáng)度。
芯子的實(shí)際排列方式、形狀及數(shù)量要視所需的最終產(chǎn)品而定。例如，圖3所示的為三角形芯子。三角形芯子可在至少兩個(gè)面上設(shè)置主供料槽42。中間的三角形芯子可在三個(gè)面上設(shè)主供料槽。微槽按前面所述的方式設(shè)在表面上。一組三角形芯子可排成一列，以形成平臺(tái)板。在這個(gè)例子中，通過管子46輸送的樹脂，由中間的芯子開始浸漬，順序地向兩邊緣擴(kuò)展，如圖4中陰影部分48所示。
圖5示出了拱形的芯子50。拱形芯子50在一個(gè)面上有主供料槽52和由供料槽輻射出去環(huán)繞芯子的微槽網(wǎng)路54。拱形芯子可用來制造帶曲面的結(jié)構(gòu)，如船身或拱門。
如圖6和圖7所示，在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，芯子60帶有如前所述的主供料槽62。分配媒介64貼近芯子表面。媒介由可在真空狀態(tài)下保持通路暢通的結(jié)構(gòu)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)通路組成。例如，媒介可以由細(xì)絲交叉排布，在每個(gè)交叉點(diǎn)處設(shè)有柱狀件，將細(xì)絲與芯子表面隔開一定距離，或是條帶排列成的格柵狀結(jié)構(gòu)，或是稀樹織物纖維。例如在美國(guó)專利NO.4,902,215和5,025,906中論及了適宜的分配媒介，這里引為參考。然后，如同前面的敘述，將纖維材料66繞在分配媒介之外，將若干芯子排成所需最終品的形狀，再將真空袋68置于芯子和纖維材料之上，如前所述。將與樹脂源相連的樹脂輸送管70穿透真空袋68和纖維材料66插入主供料槽62的接頭72中。輸送管70與真空袋間以本領(lǐng)域中常用的方式進(jìn)行密封。通過輸送管將樹脂輸送至主供料槽。樹脂通過主供料槽較迅速地流進(jìn)分配媒介。樹脂由分配媒介滲透纖維材料。應(yīng)留有適當(dāng)?shù)臅r(shí)間間隔使樹脂固化。
同微槽相比，樹脂分配媒介可使樹脂流動(dòng)狀態(tài)更加均勻。因而，對(duì)較復(fù)雜的構(gòu)件，更傾向于使用樹脂分配媒介，但是，要想節(jié)省樹脂，微槽則更好一些，因?yàn)榱鬟^微槽的樹脂量較少。
在圖11至13所示的另一個(gè)實(shí)施例中，用帶有表面結(jié)構(gòu)的金屬板104，如薄鋼板，將真空袋與模子做成一體化的單一工具102。板材應(yīng)有足夠的剛性以保持作為模子的形狀，同時(shí)又要有足夠的撓性，以便在浸漬樹脂時(shí)在真空狀態(tài)下可壓緊構(gòu)件，這一點(diǎn)后面還要深入討論。實(shí)踐證明，板厚為0.64cm或更薄比較合適。也可以用塑料或復(fù)合材料，如金屬和塑料疊層板，制成的帶表面結(jié)構(gòu)的板材。
表面結(jié)構(gòu)最好是在板104的一面加工出相距很近的凸起部分108，在板的另一面則有對(duì)應(yīng)的凹入部分106。相距很近的凸起部分108之間形成的凹槽110則成為樹脂分配網(wǎng)路。例如，凸起部分可以是六邊形。其最大尺寸在0.95cm至1.1cm之間。凹槽深度為0.076cm被證明比較合適。帶這種表面結(jié)構(gòu)的板材很容易制造，New Jersey州的Ardmore Textured Metal ofEdison有產(chǎn)品可供。如果需要，也可以只在板的一側(cè)做出表面結(jié)構(gòu)，即凸起部分的背面沒有對(duì)應(yīng)的凹入部分。
板104根據(jù)模子112所需的形狀成形，模子112的與待浸漬構(gòu)件相對(duì)的模腔118的內(nèi)壁由帶板的帶有凸起的部分制成。主供料槽114在板104上的所需位置處直接成形，而不是如前所述設(shè)在芯子上。主供料槽的尺寸可如前所述。真空出口通道環(huán)繞著工具的周圍。
在制做復(fù)合構(gòu)件時(shí)，纖維纏繞層放置在模腔118中的靠近工具的帶有表面結(jié)構(gòu)的表面上，工具用膠帶或其它在本技術(shù)領(lǐng)域中常用的密封方法密封。如果不需將表面結(jié)構(gòu)保留在構(gòu)件上，可以使用剝離層。若需要將表面結(jié)構(gòu)保留在構(gòu)件表面上，就無需使用剝離層。在構(gòu)件上形成的表面結(jié)構(gòu)可使構(gòu)件的強(qiáng)度增大，并且，從美觀的角度看，有時(shí)也是需要的。纖維纏繞層也包括前面論及的用纖維材料包覆的芯子。在工具的內(nèi)部抽真空，帶表面結(jié)構(gòu)的板被吸并貼近纖維纏繞層，凸起部分的頂部與纖維纏繞層接觸，凹槽保持暢通，從而形成了樹脂可在其中流過的窄小的互相連接的網(wǎng)路通路。在真空狀態(tài)下，樹脂首先被抽吸進(jìn)入主供料槽，然后再進(jìn)入凹槽。樹脂可由凹槽完全浸漬纖維材料，最后流到環(huán)繞構(gòu)件的真空出口通道。留出足夠的時(shí)間使樹脂固化。固化后，將構(gòu)件從工具中取出。
在另一個(gè)實(shí)施例中，帶表面結(jié)構(gòu)的板可作為蓋子與常規(guī)模子一起使用。纖維纏繞層放置在模子的表面上。帶表面結(jié)構(gòu)的板置于纖維纏繞層上，可以任何適宜的方式與模子密封。在靠近常規(guī)模子的表面處，也可使用輔助的樹脂分配媒介。樹脂浸漬過程與前面所述的過程相同。
帶表面結(jié)構(gòu)的板還可用做母模，該母模用于由其它材料，如陶瓷，來制造工具。然后，該工具用做樹脂浸漬的模子。這時(shí)，板構(gòu)成工具的負(fù)像，即板帶有凹入的一面，以用來制造工具。制出的工具具有這樣的形狀，即由凹槽分隔開許多凸起部分，這就形成了前面所述的樹脂分配媒介。在真空狀態(tài)下，陶瓷模子基本不會(huì)撓性變形，以壓緊在構(gòu)件上。這時(shí)單獨(dú)的真空袋要同模子一起使用，如同在已有技術(shù)中人們所熟悉的那樣。
本發(fā)明并不僅局限于所述的特定實(shí)施例，而僅受到所附權(quán)利要求的限定。
權(quán)利要求
1.一種整體的復(fù)合結(jié)構(gòu)，包括具有外周圍表面和設(shè)在至少部分外周圍表面上的供料槽的芯子；形成在所述芯子外周圍表面上并與所述芯子外周圍表面上的供料槽連通的槽網(wǎng)路，所述槽各自具有一個(gè)比所述供料槽的橫截面積小的橫截面積；覆蓋芯子、供料槽和槽網(wǎng)路的纖維材料；和浸漬纖維材料并基本上充分地填充供料槽和槽網(wǎng)路的固化的樹脂。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，槽相對(duì)于供料槽橫向排布。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，至少部分槽環(huán)繞芯子形成起止于供料槽的環(huán)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，樹脂分配網(wǎng)路是放置在靠近芯子表面的樹脂分配媒介。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，樹脂分配媒介可以是交叉排布的細(xì)絲、條帶排列成的格柵狀結(jié)構(gòu)或稀松織物纖維；若是細(xì)絲，則在細(xì)絲交叉點(diǎn)處設(shè)有柱狀零件，以將細(xì)絲與芯子表面隔開一定距離。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，還包括若干個(gè)芯子，每個(gè)芯子帶有外周圍表面和在表面上貫通芯子長(zhǎng)度的供料槽，這些芯子彼此靠近排列。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，芯子彼此靠近排列，并使各供料槽基本對(duì)正。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，芯子是泡沫材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，芯子是軟木。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，芯子是混凝土。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，芯子是矩形斷的塊體。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，芯子是三角形斷面的塊體。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，芯子是帶有曲面的塊體。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種整體的復(fù)合結(jié)構(gòu)，它包括具有外周圍表面和設(shè)在至少部分外周圍表面上的供料槽的芯子；形成在所述芯子外周圍表面上并與所述芯子外周圍表面上的供料槽連通的槽網(wǎng)路，所述槽各自具有一個(gè)比所述供料槽的橫截面積小的橫截面積；覆蓋芯子、供料槽和槽網(wǎng)路的纖維材料；和浸漬纖維材料并基本上充分地填充供料槽和槽網(wǎng)路的固化的樹脂。
文檔編號(hào)B29C33/00GK1394732SQ0012991
公開日2003年2月5日 申請(qǐng)日期2000年10月11日 優(yōu)先權(quán)日1995年6月7日
發(fā)明者喬治·C·圖尼斯三世, 威廉·H·澤曼三世, 安德魯·P·佩雷拉, 理查德·K·哈拉德森, 威廉·E·埃弗里特, 埃弗里特·A·皮爾遜 申請(qǐng)人:精算系統(tǒng)有限公司