用于壓縮成型纖維增強的熱塑性零件的方法和設備技術

本發(fā)明專利技術涉及用于壓縮成型纖維增強的熱塑性零件的方法和設備。具有一體化配件的纖維增強的熱塑性零件被壓縮成型。對預固化的、纖維增強的熱塑性的棒條進行加熱直至可流動并且然后被注入到模具工具以形成零件和配件。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】
用于壓縮成型纖維增強的熱塑性零件的方法和設備相關申請的交叉引用本申請與在2013年12月3日與此同時提交的共同未決美國專利申請序列號第14/095,531號(代理人案號：12-1660-US-NP)和在2013年12月3日與此同時提交的共同未決的美國專利申請序列號第14/095,693號(代理人案號：13-0764-US-NP)相關。
本申請涉及壓縮成型，更具體地，涉及用于壓縮成型纖維增強的熱塑性零件的方法和設備
技術介紹
在飛行器及其他產業(yè)中，由復合材料或者復合材料與輕質金屬的結合來制作各種零件和結構，這是因為復合材料與輕質金屬具有相對高的強度重量比(strength-to-weightratios)。在具有輪廓(contours)或者相對復雜的幾何形狀的零件的情況中，常常使用熱固性的預浸帶鋪設技術和熱壓罐固化來制作零件。預浸帶或者纖維束(tow)的帶寬被并排鋪設以形成多層層壓制品。在零件需要裝配在沿著該零件的負荷輸入位置處的這些應用中，定制的金屬配件(fitting)被單獨加工并且然后被固定在復合材料層壓零件上。根據零件的幾何形狀，有時被稱作“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接合處。上述的復合材料層壓制品的制作過程是耗時的、勞動密集的以及需要諸如自動纖維鋪放機器的資本昂貴裝備。此外，這些復合材料層壓零件可能比預期的重，這是因為局部增強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，復合材料層壓零件可以在圍繞層壓制品中的開口處呈現(xiàn)切口敏感性(notchsensitivity)，諸如圍繞在層壓零件已經固化之后在層壓零件中鉆孔或者切割出的減重孔。具有短纖維增強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脂的高粘度限制樹脂流動，使零件特征成為一個整體的能力受限制。在增強纖維相對較長，纖維含量高以及需要的流動距離長的情況下，使樹脂流動的能力被特別地限制。并且，諸如注塑成型的成型技術可以具有損壞纖維的趨勢，從而影響成型零件的強度。其他成型技術(諸如擠壓成型)局限于生產具有相同的橫截面形狀的單個、直的零件。因此，需要用于制作具有曲線、輪廓線或者復雜的幾何形狀的復合材料零件的方法和設備，其避免了對鋪設薄層的需要并且減少涉及的勞動力以及資本昂貴的裝備。還需要具有復雜幾何形狀的復合材料零件，其具有集成的特征和能夠在高速率生產環(huán)境中快速地和經濟地制作的配件。
技術實現(xiàn)思路
公開的實施方式提供了使用利用短纖維增強的熱塑性樹脂的壓縮成型的用于生產復合材料零件的方法和設備。可以在無需真空裝袋和壓熱器法的情況下制作具有輪廓線、曲線和/或復雜的幾何圖形的復合材料零件。配件可以一體化至零件中，從而減小或者消除了對分開制作和將配件附加至零件的需要。減小制作零件對接觸工人的需要，并且可以降低總的零件重量。可以使用相對便宜的成型裝備更加迅速地和經濟地制作具有復雜的幾何圖形的零件。可以便宜地使具有高短纖維含量的增強熱塑性零件成型，并且在成型過程期間基本上沒有損壞纖維。可以實現(xiàn)長的樹脂流動距離以允許在沿著零件的長度的任一點上成型復雜的零件特征。可以制成具有沿著他們的長度在幾何形狀上變化(包括在大小、厚度以及曲度上的變化)的橫截面的伸長的增強熱塑性零件。根據一個公開的實施方式，提供了壓縮成型伸長的纖維增強的熱塑性零件的方法。方法包括裝填模具裝料(moldcharge)，包括裝填大量的纖維增強的熱塑性樹脂薄片(flake)，并且加熱模具裝料直至模具裝料是可流動的。可以通過將大量的纖維增強的熱塑性樹脂薄片裝填至汽缸中來執(zhí)行裝填模具裝料。加熱模具裝料包括加熱纖維增強的熱塑性樹脂薄片至樹脂的熔化溫度。方法還包括對模具進行加熱，并且將模具裝料成型為零件。通過將可流動的模具裝料注入加熱的模具內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。通過將模具冷卻至薄片中的樹脂的玻璃轉化溫度以下的溫度來實現(xiàn)冷卻。將模具裝料加熱至薄片中的樹脂的熔化溫度使模具裝料變得是可流動的。模具裝料可以預固化(pre-consolidated)并且裝填至汽缸中，汽缸被加熱并且用于將可流動的模具裝料注入到加熱的模具內。模具裝料可以被預固化成可以儲存直至可供使用的棒條(slug)。裝填模具裝料包括裝填棒條。可以通過將大量的纖維增強的樹脂薄片放置到腔內，將纖維增強的薄片加熱至纖維增強的薄片中的樹脂的熔化溫度直至在壓縮它們時它們粘附至彼此，然后將棒條冷卻直至薄片形成可以被處理和儲存的期望的形狀來實現(xiàn)預固化。當準備好使用時，預固化的棒條被裝填這裝料汽缸中并且重新加熱到樹脂的熔化溫度。根據另一實施方式，提供了壓縮成型具有至少一個一體化的配件的熱塑性復合材料零件的方法。預固化纖維增強的熱塑性樹脂薄片的裝料(charge)，并且將裝料放置在汽缸中。汽缸與具有零件腔(partcavity)和至少一個配件腔(fittingcavity)的模具工具(moldtool)相耦接。在汽缸內加熱預固化裝料以形成熱塑性樹脂和增強纖維的可流動的混合物。通過在汽缸內壓縮可流動的混合物使可流動的混合物流動到零件腔和配件腔內。可以通過在管道中放置大量纖維增強的熱塑性樹脂薄片；并且加熱纖維增強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的熱塑性薄片壓縮成棒條來實現(xiàn)裝料的預固化。將棒條放置到汽缸中并且通過汽缸中的活塞壓縮以使樹脂和纖維的可流動的混合物注入到模具工具內。可選地，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。根據又一個實施方式，提供了用于壓縮成型纖維增強塑料樹脂零件的設備。設備包括：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的熱塑性樹脂薄片的預固化裝料的汽缸。設備還包括用于將預固化的裝料加熱為樹脂和增強纖維的可流動的混合物的加熱器；以及處于汽缸中的活塞。與活塞耦接的致動器推動活塞壓縮可流動的混合物并且將可流動的混合物推動到零件腔內。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(longitudinalaxis)，并且汽缸可以包括與零件腔的縱軸總體上軸向對準的縱軸。加熱器包括圍繞汽缸的用于加熱汽缸的多個加熱帶。設備還可以包括用于將裝料預固化成總體上是圓柱形棒條的工具。工具包括管道，大量纖維增強的熱塑性樹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。可以將重物引入管道中，用于在作用于重物(mass)上的重力下壓縮纖維增強的熱塑性樹脂薄片。可在本專利技術的各種實施方式中獨立地獲得或可結合其他的實施方式獲得特征、功能和優(yōu)勢，可參考下述具體實施方式和附圖看出其另外的細節(jié)。附圖說明在所附權利要求中闡述了被認為是新穎性特征的示例性實施方式的特性。然而，通過參照結合附圖閱讀時對本公開的示例性實施方式的以下詳細描述中，將充分地理解示例性實施方式以及所使用的優(yōu)選的方式、其他目的和優(yōu)點，在附圖中：圖1是用于壓縮成型纖維增強的熱塑性零件的設備的側視圖的圖解示圖。圖2是在圖1中被指定為“圖2”的區(qū)域的示圖。圖3是放置在圖2中示出的設備中的模具裝料中的薄片中的一個本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種伸長的纖維增強的熱塑性零件的壓縮成型方法，包括：裝填模具裝料，包括裝填大量纖維增強的熱塑性樹脂薄片；對所述模具裝料進行加熱直至所述模具裝料能夠流動；對模具進行加熱；通過將能夠流動的模具裝料注入到加熱的模具中，來使所述模具裝料成型為所述零件；以及對所述模具進行冷卻直至成型的模具裝料能夠保持所述成型的模具裝料的形狀。

【技術特征摘要】
2013.12.03 US 14/095,7111.一種伸長的纖維增強的熱塑性零件的壓縮成型方法，包括：將大量纖維增強的熱塑性樹脂薄片預固化成棒條，其中，預固化大量所述纖維增強的熱塑性樹脂薄片包括：將大量所述纖維增強的熱塑性樹脂薄片放置至管狀腔中，其中，所述樹脂薄片具有橢圓形形狀；對套在所述管狀腔上的一個或多個帶式加熱器進行加熱，使得所述纖維增強的熱塑性樹脂薄片達到所述纖維增強的熱塑性樹脂薄片中的樹脂的熔化溫度；并且將所述管狀腔中的所述纖維增強的熱塑性樹脂薄片壓縮成所述棒條，裝填所述棒條；對所述棒條進行加熱直至所述棒條能夠流動；對模具進行加熱；通過將能夠流動的棒條注入到經加熱的模具中來使所述棒條成型為零件；并且對所述模具進行冷卻直至成型的棒條能夠保持所述成型的棒條的形狀。2.根據權利要求1所述的方法，其中，對所述模具進行冷卻包括將所述模具冷卻至低于所述熱塑性樹脂薄片中的樹脂的玻璃轉化溫度的溫度。3.根據權利要求1所述的方法，其中，對所述棒條進行加熱包括將所述纖維增強的熱塑性樹脂薄片加熱至所述纖維增強的熱塑性樹脂薄片中的樹脂的熔化溫度。4.根據權利要求1的所述方法，其中，裝填所述棒條包括將大量所述纖維增強的熱塑性樹脂薄片裝填至汽缸中；對所述棒條進行加熱包括對所述汽缸進行加熱；以及通過推動活塞經過所述汽缸來執(zhí)行注入所述能夠流動的棒條。5.根據權利要求1所述的方法，其中，通過在所述管狀腔中在所述纖維增強的熱塑性樹脂薄片上放置重物來執(zhí)行壓縮所述纖維增強的熱塑性樹脂薄片。6.根據權利要求1所述的方法，其中，所述預固化包括冷卻所述棒條直至所述棒條能夠被處理和儲存供隨后使用。7.根據權利要求6...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：小愛德華·M·費希爾，
申請(專利權)人：波音公司，
類型：發(fā)明
國別省市：美國;US