用于壓縮成型纖維增強(qiáng)的熱塑性零件的方法和設(shè)備的制造方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于壓縮成型纖維增強(qiáng)的熱塑性零件的方法和設(shè)備
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)與在2013年12月3日與此同時(shí)提交的共同未決美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)第14/095, 531號(hào)(代理人案號(hào):12-1660-US-NP)和在2013年12月3日與此同時(shí)提交的共同未決的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)第14/095，693號(hào)(代理人案號(hào):13-0764-US-NP)相關(guān)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本申請(qǐng)涉及壓縮成型，更具體地，涉及用于壓縮成型纖維增強(qiáng)的熱塑性零件的方法和設(shè)備
【背景技術(shù)】
[0004]在飛行器及其他產(chǎn)業(yè)中，由復(fù)合材料或者復(fù)合材料與輕質(zhì)金屬的結(jié)合來(lái)制作各種零件和結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)閺?fù)合材料與輕質(zhì)金屬具有相對(duì)高的強(qiáng)度重量比(strength-to-weight rat1s)。在具有輪廓(contours)或者相對(duì)復(fù)雜的幾何形狀的零件的情況中，常常使用熱固性的預(yù)浸帶鋪設(shè)技術(shù)和熱壓罐固化來(lái)制作零件。預(yù)浸帶或者纖維束(tow)的帶寬被并排鋪設(shè)以形成多層層壓制品。在零件需要裝配在沿著該零件的負(fù)荷輸入位置處的這些應(yīng)用中，定制的金屬配件(fitting)被單獨(dú)加工并且然后被固定在復(fù)合材料層壓零件上。根據(jù)零件的幾何形狀，有時(shí)被稱(chēng)作“面條(noodles) ”的填充物必須安裝在零件中的間隙或者腔中以增強(qiáng)接合處。
[0005]上述的復(fù)合材料層壓制品的制作過(guò)程是耗時(shí)的、勞動(dòng)密集的以及需要諸如自動(dòng)纖維鋪放機(jī)器的資本昂貴裝備。此外，這些復(fù)合材料層壓零件可能比預(yù)期的重，這是因?yàn)榫植吭鰪?qiáng)所需要的墊片必須逐漸形成，因此需要放置額外的板層材料。此外，復(fù)合材料層壓零件可以在圍繞層壓制品中的開(kāi)口處呈現(xiàn)切口敏感性(notch sensitivity),諸如圍繞在層壓零件已經(jīng)固化之后在層壓零件中鉆孔或者切割出的減重孔。
[0006]具有短纖維增強(qiáng)物的熱塑性零件可以被成型成各種形狀，然而由于熔融的熱塑性樹(shù)脂的高粘度限制樹(shù)脂流動(dòng)，使零件特征成為一個(gè)整體的能力受限制。在增強(qiáng)纖維相對(duì)較長(zhǎng)，纖維含量高以及需要的流動(dòng)距離長(zhǎng)的情況下，使樹(shù)脂流動(dòng)的能力被特別地限制。并且，諸如注塑成型的成型技術(shù)可以具有損壞纖維的趨勢(shì)，從而影響成型零件的強(qiáng)度。其他成型技術(shù)(諸如擠壓成型)局限于生產(chǎn)具有相同的橫截面形狀的單個(gè)、直的零件。
[0007]因此，需要用于制作具有曲線(xiàn)、輪廓線(xiàn)或者復(fù)雜的幾何形狀的復(fù)合材料零件的方法和設(shè)備，其避免了對(duì)鋪設(shè)薄層的需要并且減少涉及的勞動(dòng)力以及資本昂貴的裝備。還需要具有復(fù)雜幾何形狀的復(fù)合材料零件，其具有集成的特征和能夠在高速率生產(chǎn)環(huán)境中快速地和經(jīng)濟(jì)地制作的配件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]公開(kāi)的實(shí)施方式提供了使用利用短纖維增強(qiáng)的熱塑性樹(shù)脂的壓縮成型的用于生產(chǎn)復(fù)合材料零件的方法和設(shè)備?？梢栽跓o(wú)需真空裝袋和壓熱器法的情況下制作具有輪廓線(xiàn)、曲線(xiàn)和/或復(fù)雜的幾何圖形的復(fù)合材料零件。配件可以一體化至零件中，從而減小或者消除了對(duì)分開(kāi)制作和將配件附加至零件的需要。減小制作零件對(duì)接觸工人的需要，并且可以降低總的零件重量?？梢允褂孟鄬?duì)便宜的成型裝備更加迅速地和經(jīng)濟(jì)地制作具有復(fù)雜的幾何圖形的零件?？梢员阋说厥咕哂懈叨汤w維含量的增強(qiáng)熱塑性零件成型，并且在成型過(guò)程期間基本上沒(méi)有損壞纖維?？梢詫?shí)現(xiàn)長(zhǎng)的樹(shù)脂流動(dòng)距離以允許在沿著零件的長(zhǎng)度的任一點(diǎn)上成型復(fù)雜的零件特征?？梢灾瞥删哂醒刂麄兊拈L(zhǎng)度在幾何形狀上變化(包括在大小、厚度以及曲度上的變化)的橫截面的伸長(zhǎng)的增強(qiáng)熱塑性零件。
[0009]根據(jù)一個(gè)公開(kāi)的實(shí)施方式，提供了壓縮成型伸長(zhǎng)的纖維增強(qiáng)的熱塑性零件的方法。方法包括裝填模具裝料(mold charge)，包括裝填大量的纖維增強(qiáng)的熱塑性樹(shù)脂薄片(flake)，并且加熱模具裝料直至模具裝料是可流動(dòng)的?？梢酝ㄟ^(guò)將大量的纖維增強(qiáng)的熱塑性樹(shù)脂薄片裝填至汽缸中來(lái)執(zhí)行裝填模具裝料。加熱模具裝料包括加熱纖維增強(qiáng)的熱塑性樹(shù)脂薄片至樹(shù)脂的熔化溫度。方法還包括對(duì)模具進(jìn)行加熱，并且將模具裝料成型為零件。通過(guò)將可流動(dòng)的模具裝料注入加熱的模具內(nèi)使模具裝料成型為零件。方法還包括冷卻模具直至模具裝料能夠保持其形狀，接著可以從模具移除成型的模具裝料。通過(guò)將模具冷卻至薄片中的樹(shù)脂的玻璃轉(zhuǎn)化溫度以下的溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)冷卻。將模具裝料加熱至薄片中的樹(shù)脂的熔化溫度使模具裝料變得是可流動(dòng)的。模具裝料可以預(yù)固化(pre-consolidated)并且裝填至汽缸中，汽缸被加熱并且用于將可流動(dòng)的模具裝料注入到加熱的模具內(nèi)。模具裝料可以被預(yù)固化成可以?xún)?chǔ)存直至可供使用的棒條(slug)。裝填模具裝料包括裝填棒條?？梢酝ㄟ^(guò)將大量的纖維增強(qiáng)的樹(shù)脂薄片放置到腔內(nèi)，將纖維增強(qiáng)的薄片加熱至纖維增強(qiáng)的薄片中的樹(shù)脂的熔化溫度直至在壓縮它們時(shí)它們粘附至彼此，然后將棒條冷卻直至薄片形成可以被處理和儲(chǔ)存的期望的形狀來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)固化。當(dāng)準(zhǔn)備好使用時(shí)，預(yù)固化的棒條被裝填這裝料汽缸中并且重新加熱到樹(shù)脂的熔化溫度。
[0010]根據(jù)另一實(shí)施方式，提供了壓縮成型具有至少一個(gè)一體化的配件的熱塑性復(fù)合材料零件的方法。預(yù)固化纖維增強(qiáng)的熱塑性樹(shù)脂薄片的裝料(charge)，并且將裝料放置在汽缸中。汽缸與具有零件腔(part cavity)和至少一個(gè)配件腔(fitting cavity)的模具工具(mold tool)相耦接。在汽缸內(nèi)加熱預(yù)固化裝料以形成熱塑性樹(shù)脂和增強(qiáng)纖維的可流動(dòng)的混合物。通過(guò)在汽缸內(nèi)壓縮可流動(dòng)的混合物使可流動(dòng)的混合物流動(dòng)到零件腔和配件腔內(nèi)。可以通過(guò)在管道中放置大量纖維增強(qiáng)的熱塑性樹(shù)脂薄片；并且加熱纖維增強(qiáng)的熱塑性薄片直至它們軟化并粘附至彼此；以及將加熱的纖維增強(qiáng)的熱塑性薄片壓縮成棒條來(lái)實(shí)現(xiàn)裝料的預(yù)固化。將棒條放置到汽缸中并且通過(guò)汽缸中的活塞壓縮以使樹(shù)脂和纖維的可流動(dòng)的混合物注入到模具工具內(nèi)?？蛇x地，具有配件腔的模具模塊可以附接至模具工具以將配件與零件一體成型。
[0011]根據(jù)又一個(gè)實(shí)施方式，提供了用于壓縮成型纖維增強(qiáng)塑料樹(shù)脂零件的設(shè)備。設(shè)備包括:具有零件腔的模具工具；以及與零件腔耦接并且適配于包含纖維增強(qiáng)的熱塑性樹(shù)脂薄片的預(yù)固化裝料的汽缸。設(shè)備還包括用于將預(yù)固化的裝料加熱為樹(shù)脂和增強(qiáng)纖維的可流動(dòng)的混合物的加熱器；以及處于汽缸中的活塞。與活塞耦接的致動(dòng)器推動(dòng)活塞壓縮可流動(dòng)的混合物并且將可流動(dòng)的混合物推動(dòng)到零件腔內(nèi)。模具工具可以包括模具模塊，該模具模塊具有用于使配件與零件一體成型的模具配件腔。模具模塊可以從模具工具移除。零件腔可以延伸并且包括縱軸(longitudinal axis),并且汽缸可以包括與零件腔的縱軸總體上軸向?qū)?zhǔn)的縱軸。加熱器包括圍繞汽缸的用于加熱汽缸的多個(gè)加熱帶。設(shè)備還可以包括用于將裝料預(yù)固化成總體上是圓柱形棒條的工具。工具包括管道，大量纖維增強(qiáng)的熱塑性樹(shù)脂薄片可以被引入該管道。一種或多種帶式加熱器套在管道上用于加熱管道?？梢詫⒅匚镆牍艿乐校糜谠谧饔糜谥匚?mass)上的重力下壓縮纖維增強(qiáng)的熱塑性樹(shù)脂薄片。
[0012]可在本發(fā)明的各種實(shí)施方式中獨(dú)立地獲得或可結(jié)合其他的實(shí)施方式獲得特征、功能和優(yōu)勢(shì)，可參考下述【具體實(shí)施方式】和附圖看出其另外的細(xì)節(jié)。
【附圖說(shuō)明】
[0013]在所附權(quán)利要求中闡述了被認(rèn)為是新穎性特征的示例性實(shí)施方式的特性。然而，通過(guò)參照結(jié)合附圖閱讀時(shí)對(duì)本公開(kāi)的示例性實(shí)施方式的以下詳細(xì)描述中，將充分地理解示例性實(shí)施方式以及所使用的優(yōu)選的方式、其他目的和優(yōu)點(diǎn)，在附圖中:
[0014]圖1是用于壓縮成型纖維增強(qiáng)的熱塑性零件的設(shè)備的側(cè)視圖的圖解示圖。
[0015]圖2是在圖1中被指定為“圖2”的區(qū)域的示圖。
[0016]圖3是放置在圖2中示出的設(shè)備中的模具裝料中的薄片中的一個(gè)的示圖。
[0017]圖4是具有可替換形狀的薄片的示圖。
[0018]圖5是具有一體的端部配件的纖維增強(qiáng)的、熱塑性I形梁的立體圖的示圖。
[0019]圖6是具有一體的配件的纖維增強(qiáng)的、熱塑性空心梁的立體圖的示圖。
[0020]圖7是纖維增強(qiáng)的、熱塑性T形框架的端部的立體圖的示圖。
[0021]圖8是纖維增強(qiáng)的、熱塑性帽子桁梁的端部的立體圖的示圖。
[0022]圖9是用于壓縮成型纖維增強(qiáng)的熱塑性零件、局部分解以顯示模具插入件的模塊化的模具工具、斷裂成段以更好地示出裝料汽缸的帶式加熱器中的一個(gè)的零件的設(shè)備的立體圖的示圖。
[0023]圖10是在圖9中示出的設(shè)備中使用的預(yù)固化熱塑性棒條的立體圖的示圖。
[0024]圖11是形成圖9中示出的設(shè)備的零件的模具工具的立體、分解圖的示圖。
[0025]圖12是用于壓縮成型纖維增強(qiáng)的熱塑性零件的設(shè)備的可替換實(shí)施方式的圖解視圖的示圖。
[0026]圖12A是用于壓縮成型纖維增強(qiáng)的熱塑性零件的設(shè)備的另一個(gè)可替換實(shí)施方式的圖解視圖的示圖。
[0027]圖13是用于生產(chǎn)圖10中示出的棒條的設(shè)備的等距視圖的示圖。
[0028]圖14是用于壓縮成型纖維增強(qiáng)的塑料零件的方法的流程圖的示圖。
[0029]圖15是飛行器制造及服務(wù)方法的流程圖的示圖。
[0030]圖16是飛行器的框圖的示圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031]參