CN103842159A - 复合材料准各向同性薄片的压缩模塑 - Google Patents
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Abstract
本文公开了复合材料准各向同性薄片（400）的压缩模塑的概念和技术。根据本文公开的一些实施方式，由复合组成材料形成的第一层（102）和由复合组成材料形成的第二层（104）被固结在一起以形成准各向同性板（200）。由准各向同性板获得具有准各向同性性质（“准薄片”）的复合材料薄片（400）。用准薄片（400）填充压缩模具（500），并且施加热到压缩模具以形成部件。
Description
技术领域
本公开一般涉及复合材料，并且更具体地，涉及复合材料准各向同性薄片的压缩模塑。
背景技术
用于飞机、汽车、其他交通工具和/或其他装置、系统或结构的部件可以由金属和/或合金如铝、钢、钛等制造。各种工艺可用于形成部件，包括锻造、冲压、铸造、机械加工等。然而，在一些情况下，通过锻造、冲压、铸造、机械加工或其他类似工艺获得具有复杂几何形状的部件可能是困难的或不切实际的。
类似地，相对于其他材料来说，一些金属部件是重和/或致密的。因此，可期望其他形成部件或组件或装置的方法以减少表现为组件或装置的结构或装置的重量。因此，已经尝试用通过其他制造工艺和/或材料获得的部件取代金属部件的各种的方法。
在一种方法中，塑料或其他聚合物可以喷射到模具中以形成部件。然而，塑料的喷射模塑可提供相对于金属部件具有更小强度的部件。因此，尽管喷射模塑是相对便宜的制造工艺，但是由于结构强度、制造吞吐率和/或可靠性方面的降低，可能超过(outweigh)了重量减少和/或制造成本降低。
在另一种方法中，压缩模塑工艺用于模制短切的纤维热塑性塑料材料。虽然此工艺可接受地工作用于以相对廉价的方式形成部件，但是经由此工艺获得的部件通常就强度而言具有广泛的可变性。因为该可变性，获得的每个部件通常必须机械检验，以确保该部件符合强度要求。
关于这些和其他考虑，呈现本文做出的公开。
发明内容
应该理解，提供本发明内容是为了以进一步在下面的具体实施方式中描述的简化的形式介绍选择的概念。本发明内容不倾向于用于限制所要求保护的主题的范围。
根据本文公开的实施方式的一个方面，公开了形成具有准各向同性性质的模塑部件的方法。该方法包括固结(consolidate)由具有第一方向的复合组成材料形成的第一层和由具有第二方向的第二复合组成材料形成的第二层以生产准各向同性板。该方法还包括将准各向同性板分成多个准薄片，用多个准薄片填充压缩模具；以及施加热到压缩模具以形成具有准各向同性性质的模塑部件。
根据本文公开的实施方式的另一个方面，公开了使用压缩模塑形成部件的方法。该方法包括组装由第一复合组成材料形成的第一层、由第二复合组成材料形成的第二层、以及由第三复合组成材料形成的第三层以形成准各向同性板。该方法还包括将准各向同性板分开以由准各向同性板形成准薄片。每个准薄片包括第一层的第一部分、第二层的第二部分和第三层的第三部分。该方法还包括用准薄片至少部分地填充压缩模具并且施加热和压力到压缩模具以形成部件。
根据本文公开的实施方式的又一个方面，公开了由具有准各向同性性质的准薄片形成部件的方法。该方法包括固结由第一复合组成材料形成的并且具有嵌入纤维在第一方向布置的第一层、由第二复合组成材料形成的并且具有嵌入纤维在第二方向布置的第二层，以及由第三复合组成材料形成的并且具有嵌入纤维在第三方向布置的第三层以形成准各向同性板。该方法包括将准各向同性板分开以由准各向同性板形成准薄片。每个准薄片可包括第一层的第一部分、第二层的第二部分和第三层的第三部分。该方法还包括用准薄片填充压缩模具并且施加热和压力到压缩模具以形成部件。
本文所讨论的特征、功能和优点可以在本文中公开的概念和技术的各种实施方式中独立地实现，或可以结合其它实施方式实现，其进一步的细节参考下面的说明和附图可见。
附图说明
图1是根据说明性实施方式示意地图示准各向同性板的制造的线形图。
图2是根据说明性实施方式示出准各向同性板的线形图。
图3是根据说明性实施方式示出准各向同性板的俯视图的线形图。
图4是根据说明性实施方式示意地图示准薄片的制造的线形图。
图5A是根据说明性实施方式图示准薄片的压缩模塑的方面的线形图。
图5B是根据说明性实施方式图示准薄片的压缩模塑的附加方面的线形图。
图6是根据说明性实施方式图示用于准薄片的压缩模塑的方法的方面的流程图。
具体实施方式
以下详细描述是针对复合材料准各向同性薄片（“准薄片”）的压缩模塑。根据本文所公开的概念和技术，复合纤维材料是由三层或更多层纤维材料组装的。在各种实施方式中，各个层的纤维布置在特定方向，以在几个方向之一提供强度，对应于纤维的方向。例如，三层准各向同性板的纤维可以分别布置在零度、正六十度和负六十度，以在各个方向提供强度。类似地，四层准各向同性板的纤维可以分别布置在零度、正四十五度、负四十五度和九十度，以在各个方向提供强度。
准各向同性板被切削、分开，或以其它方式处理以生产准薄片。如本文所用，具有“准各向同性性质”的准薄片或其他复合薄片在几个方向而不是只在一个方向提供结构强度。因此，经由本文公开的准薄片的压缩模塑形成的部件可以比由单层的纤维浸渍热塑性材料薄片形成的部件强度更大。该准薄片可以被放置进压缩模具中并且施加热和压力到压缩模具以由准薄片获得部件。
根据一些实施，使用所公开的准薄片的压缩模塑获得的部件可以比使用单片纤维热塑性塑料材料获得的部件的强度更大。在一些实施方式中，增加的强度至少部分地由准薄片的各层的纤维的方向产生。此外，由所公开的工艺获得的部件可以在结构强度和/或其他性能方面彼此更加一致。因此，本文所公开的概念和技术的实施方式可以用来确保部件符合各种质量要求和/或规格。这些和其他优点以及特征从下面的各种实施方式的描述中将变得显而易见。
在下面的详细描述中，参考附图，其形成部件，并且通过图示示出具体实施方式或实例。参考附图，贯穿几个图形类似的数字表示类似的元件。
图1-2示出如本文所公开的形成准各向同性板的方面，用于生产准薄片以供使用。如图1-2所示，三层或更多层的材料（“层”）102、104、106可组装或固结在一起，以形成具有准各向同性性质的准各向同性板（在本文中称为“准各向同性板”）200。虽然图1-2图示了三层准各向同性板200，但是应该理解该实施方式是说明性的，而不应理解为以任何方式进行限制。特别地，根据各种实施方式，准各向同性板200包括三层、四层、五至八层，或多于八层。
在所示实施方式中，层104是具有定向在第一方向的纤维的材料层。根据各种实施方式，层104由具有预浸渍的或嵌入的单向纤维的基体材料形成。在一些实施方式中，层104是由连续纤维热塑性塑料复合材料单向带预浸材料形成，虽然这不是必须的情况。在各种实施中，基体材料可包括热塑性塑料，例如，聚苯硫（“PPS”）、聚醚酰亚胺（“PEI”）、聚芳醚酮（“PAEK”）例如，聚醚醚酮（“PEEK”）或聚醚酮酮（“PEKK”），或者其他热塑性塑料；织造织物材料；另一种材料；等。在一些实施方式中，层104包括嵌入的或预浸渍纤维。该纤维可以包括或可以由任何合适的材料形成。在各种实施方式中，该纤维由碳、玻璃纤维、芳族聚酰胺、石墨、陶瓷、和/或其他材料形成。
在其他实施方式中，层104由可经由许多工艺获得的其他材料形成。例如，用于形成层104的材料和准各向同性板200的其他层可包括，但不限于，干燥纤维和/或薄膜堆叠材料、通过化学或热粘合纤维膜至热塑性塑料或其他基体材料而获得的半预浸材料、它们的组合等。因为各种材料可以用于形成准各向同性板200的层，所以所示和所述的材料应该理解为仅仅是本文所公开的说明性的概念和技术，并且不应该理解为以任何方式进行限制。在所示的实施方式中，层104的纤维定向在第一方向。第一方向可以对应于零度方向，如果需要的话。图3示出准各向同性板200的俯视图并示出与在图1-2中示出的三个层102、104、106相关的纤维的方向。如在图3中最好看到的，层104的纤维的零度方向可延伸，例如，沿着第一轴a1——其沿准各向同性板200的长度延伸，例如，从图3的左到右或右到左，或在其他方向。应该理解，这些实施方式是说明性的，并且不应该被解释为以任何方式进行限制。
再次参考图1-2，层102的所示实施方式是具有定向在第二方向上的纤维的材料层。层102可以但不一定由用于形成层104的相同的材料形成。在所示实施方式中，相对于层104的纤维的方向和/或上述零度方向，层102的纤维可定向在正六十度或负六十度的方向。如在图3中所示，第二方向可沿第二轴a2、第三轴a3，或未在图3中示出的另一个轴延伸。本文所述的六十度或其他角度测量值可沿在任何方向延伸的任何轴进行测量。
如上所述，在一些实施方式中，六十度是相对于如上所述如沿层104的长度延伸的在图3中示出的轴a1进行测量的，虽然此实施方式是说明性的。在其他实施方式中，层102的纤维相对于层104的纤维的方向定向在正四十五度或负四十五度的方向。仍在其他实施方式中，层102的纤维相对于层104的纤维的方向定向在九十度方向。应该理解，这些实施方式是说明性的，并且不应该被解释为以任何方式进行限制。
类似地，层106是具有定向在第三方向的纤维的材料层。层106可以但不一定由用于形成层102和/或104的相同的材料形成。在所示实施方式中，层106的纤维相对于层104的纤维的方向定向在正六十度或负六十度的方向。因此，第三方向可沿第二轴a2、第三轴a3，或未在图3中示出的另一个轴延伸。在图1-3示出的三层的实施方式中，层106的纤维相对于层102的纤维可定向在一百二十度的方向。应该理解，本实施方式是说明性的，并且不应该解释为以任何方式进行限制。
在其他实施方式中，如上所述，层106的纤维相对于层104的纤维的方向可定向在正或负四十五度的方向。仍在其他实施方式中，层102的纤维相对于层104的纤维的方向可定向在九十度的方向。应该理解，这些实施方式是说明性的，并且不应该解释为以任何方式进行限制。
在一个实施（未在图中示出）中，准各向同性板200包括四层。四层中的第一层纤维定向在第一方向，例如沿层的长度。四层中的第二层纤维定向在相对于第一方向定向在九十度方向的第二方向。四层中的第三层纤维定向在相对于第一方向定向在正四十五度方向的第三方向。四层中的第四层纤维定向在相对于第一方向定向在负四十五度方向的第四方向。应该理解，本实施方式是说明性的，并且不应该解释为以任何方式进行限制。
根据各种实施方式，准各向同性板200具有厚度t。根据各种实施方式，厚度t范围从约千分之五英寸（～0.005英寸）到约百分之四英寸（～0.040英寸）。其他厚度是可能的并且被考虑。在一些实施方式中，准各向同性板具有宽度w。根据各种实施方式，宽度w范围从约四分之一英寸（～0.25英寸）到约二点五英寸（～2.5英寸）。其他宽度是可能的并且被考虑。准各向同性板200可配置为基本连续的带材料，并且准各向同性板200的长度l可因此广泛变化。因为准各向同性板200的其他尺寸和/或配置是可能的，应该理解，这些实施方式是说明性的，而不应该解释为以任何方式进行限制。
现在转向图4，将详细说明由准各向同性板200制造准各向同性复合材料薄片（“准薄片”）400的方面。如图4所示，准薄片400可以由准各向同性板200形成或制造，虽然这不是必须的情况。特别地，准薄片400可以是由本文所公开的任何复合材料形成，并且不局限于在图中所示的三层准各向同性板200。因此，所示实施方式是说明性的，并且不应该解释为以任何方式进行限制。
如图4所示，切削工具402或其他工具可用于切削、分开、或以其他方式由准各向同性板200形成、制造或获得准薄片400。如果需要，可以使用其他工具如打孔器、激光、锯，和/或其他结构或装置，以形成准薄片400。根据各种实施方式，准薄片400可以有不同的尺寸和/或形状。例如，在一些实施方式中，形成准薄片400具有各种形状，如正方形、椭圆形、圆形、矩形、三角形等。因为准各向同性板200的厚度可以变化，准薄片400可以在一些实施方式中近似立方体，如在图4所示的实施方式中。应该理解，本实施方式是说明性的，并且不应该解释为以任何方式进行限制。
在一些实施方式中，准各向同性板200沿一般在404示出的输送机或其他进给表面或机构被供应给切削工具402。因此，本文所公开的概念和技术的一些实施方式提供由基本连续进给的准各向同性板200形成准薄片400的方法。在一些实施方式中，准各向同性板200被设置在连续的卷筒或其他结构上并沿着进给表面或机构供应给切削工具402。应该理解，本实施方式是说明性的，并且不应该解释为以任何方式进行限制。
现在转到图5A-5B，准薄片400的压缩模塑的方面将根据一个说明性实施方式进行详细地描述。如在图5A中所示，可以提供压缩模具500。压缩模具500可包括顶部部分502A和底部部分502B，虽然这不是必须的情况。在一些实施方式中，例如，压缩模具500包括凹形部分和配置为套入凹形部分的凸形部分。压缩模具500的其他实施方式被考虑并且是可能的。同样地，所示实施方式是说明性的，并且不应该解释为以任何方式进行限制。虽然在图5A中未示出，但是应该理解，各种结构如加热机构、电动机、真空线路、压缩空气线路、润滑线路、和/或其他结构可以包括在压缩模具500中或接近其。
在所示的实施方式中，压缩模具500用于生产球形部件504，如图5B所示。本实施方式是说明性的，并且不应该解释为以任何方式进行限制，因为压缩模具500可以以任何期望的形状来配置。例如，在一个实施方式中，模具500配置为压缩模具，用于形成来自在芝加哥，伊利诺伊州的波音公司的787飞机的装载箱配件。因为压缩模具500可用来形成任何所需的部件，这些实施方式应该理解为是说明性的。
在压缩模具500的操作期间，将准薄片400放置进压缩模具500中。顶部部分502A和底部部分502B关闭或接合在一起以密封压缩模具500。在密封压缩模具500之后，将热和压力施加到压缩模具500或压缩模具500内的准薄片400。施加到压缩模具500或在压缩模具500中的准薄片400的热和压力使得准薄片400模制为压缩模具500的形状。因此，如图5B所示，部件504可以由准薄片400形成。
根据各种实施方式，本文公开的概念和技术用于提供在各方向上具有可预测的和/或一致的结构强度和/或其他性质的部件504。在上面的实例中，可以理解，准薄片400可以在各方向分布在部件504内。因为准薄片400具有纤维定向在至少三个方向的纤维，然而，所得到的部件504的一部分可以基本上具有准各向同性性质，因为一个特定准薄片400的至少一些纤维可以定向在类似于邻近准薄片400的纤维的方向。因此，本文所公开的概念和技术的实施方式可以帮助消除一些在纤维热塑性塑料压缩模塑工艺中固有的不可预测性，不可预测性导致不可预测的和/或不一致的纤维方向，并且结果是，在不同方向上的结构强度和/或其他性质的不可预测和/或不一致性。应该理解，这些实施方式说明性的，并且不应该解释为以任何方式进行限制。
现在转向图6，准薄片400的压缩模塑的方法600的方面将根据说明性实施方式进行详细说明。应该理解，本文所公开的方法400的操作不一定以任何特定的顺序呈现，并且以可替换顺序（一种或多种）执行一些或所有的操作是可能的并且被考虑。为了便于描述和说明，以如图所示的顺序呈现该操作。在不脱离所附权利要求的范围的情况下，操作可添加、省略、和/或同时执行。还应该理解，所示的方法600可以在任何时间结束并且不需要全部执行。
方法600开始于操作602，其中获得用于形成准各向同性板的组成材料。如本文所用，“获得”包括组成材料的材料，包括从存储位置、从第三方、和/或从任何其他源或位置制造、接收、和/或找回材料。如上述所解释的，组成材料可包括热塑性塑料、塑料、和/或包括但不限于预浸材料的其他材料。该材料还可以包括由碳、玻璃纤维、陶瓷、芳族聚酰胺、和/或其他材料形成的嵌入式或预浸渍纤维。因此，该组成材料可以包括纤维热塑性塑料和/或其他材料。参考图1，例如，该组成材料可对应于用于形成准各向同性板200的各个层102、104、106的材料。因为在操作602可以形成、接收、找回和/或以其他方式获得附加的或可选的材料，应该理解，本实施方式是说明性的，并且不应该解释为以任何方式进行限制。
从操作602，方法600进行到操作604，其中将在操作602中获得的材料组装或固结在一起以形成准各向同性板。组成材料可以通过使用粘合剂、通过使用高压釜、和/或通过使用其他工艺和/或装置，使用各种组成材料的压制法、连续的压缩模塑工艺、冲压成形来组装。在图1-2所示的实例中，操作604可以对应于使用一个或多个上述工艺将层102、104、106组装在一起，以形成准各向同性板200。应该理解，本实施方式是说明性的，而不应该解释为以任何方式进行限制。
从操作604，方法600进行到操作606，其中准薄片是从操作604形成的准各向同性板生产的。参考所示的实施方式，参考操作606本文所描述的功能可以对应于，使用工具402切削或以其他方式分开准各向同性板200以形成准薄片400。应该理解，本实施方式是说明性的，并且不应该解释为以任何方式进行限制。
从操作606，方法600进行到操作608，其中在操作606，用形成的准薄片填充压缩模具。在操作608，填充的压缩模具可以具有任何所需的形状或配置和/或可具有任何所需的尺寸。参考所示的实施方式，参考操作608，本文所述的功能可以对应于用准薄片400填充压缩模具500。应该理解，本实施方式是说明性的，而不应该解释为以任何方式进行限制。
从操作608，方法600进行到操作610，其中将热和/或压力施加到其中在操作608放置了准薄片的压缩模具。根据用来形成准各向同性板的材料，施加到准薄片400的压力和/或热的量可以广泛地变化。例如，在一个考虑的实施方式中，准薄片400由准各向同性板形成。同时，该准各向同性板可由三层或更多层材料形成，例如，来自新泽西州伍德兰帕克的CYTEC ENGINEERED MATERIALS的APC品牌PEKK热塑性聚合物，其具有大约二百五十摄氏度的玻璃化转变温度以及高达约四百摄氏度的操作温度。同样地，准薄片可以具有约二百五十摄氏度至约四百摄氏度的操作温度范围。因为可以使用其他材料，应该理解，本操作温度范围是说明性的，而不应该解释为以任何方式进行限制。因此，操作610可以包括施加压力到准薄片400，同时同步地加热准薄片400。应该理解，本实施方式是说明性的，并且不应该解释为以任何方式进行限制。
从操作610，方法600进行到操作612，其中，完成的部件从压缩模具中取出。虽然在图6中未示出，可以理解，压缩模具可以冷却，然后从压缩模具中取出完成的部件。参考所示的实施方式，参考操作612本文所描述的功能可以对应于从压缩模具500中取出部件504。应该理解，本实施方式是说明性的，并且不应该解释为以任何方式进行限制。
从操作612，方法600进行到操作614。方法600结束于操作614。虽然在图6中未示出，应该理解，方法600的各种操作和/或整体的方法600可以重复许多次。虽然在图6中未示出，应该理解，各种后处理操作可以执行，例如，机械加工部件、涂漆部件、贴标签或封装部件、其他的操作等。
在一个实例实施方式中，用于由具有准各向同性性质的准薄片形成部件的方法包括固结由第一复合组成材料形成的并具有布置在第一方向的嵌入纤维的第一层、由第二复合组成材料形成的并具有布置在第二方向的嵌入纤维的第二层、以及由第三复合组成材料形成的并具有布置在第三方向的嵌入纤维的第三层，以形成准各向同性板；将准各向同性板分开以由准各向同性板形成准薄片，每个准薄片包括第一层的第一部分、第二层的第二部分以及第三层的第三部分；用准薄片填充压缩模具；以及施加热和压力到压缩模具中以形成部件。
在这方面，第一复合组成材料、第二复合组成材料、或第三复合组成材料的至少一个包括热塑性塑料。
在这方面，热塑性塑料可包括聚芳醚酮、聚醚酰亚胺、或聚苯硫。
基于前述内容，应该理解，本文提供了用于准薄片的压缩模塑的概念和技术。虽然本文呈现的主题已经以结构特征和方法过程的专用的语言描述，应该理解，在所附权利要求中限定的本发明不必限于本文描述的具体特征或过程。而是，这些具体特征和过程公开作为实施权利要求的实例形式。
上述的主题仅通过说明提供并且不应该解释为限制。可以不遵循以下所示和所述的实例实施方式和应用，对本文描述的主题做各种修改和改变，并且不脱离在权利要求中所述的本发明的真正的精神和范围。
Claims (14)
1.用于形成具有准各向同性性质的模塑部件的方法（600），所述方法包括:
固结（604）由具有第一方向的第一复合组成材料形成的第一层（102）和由具有第二方向的第二复合组成材料形成的第二层（104），以产生准各向同性板（200）；
将所述准各向同性板（200）分开（606）为多个准薄片（400）；
用所述多个准薄片填充（608）压缩模具（500）；以及
施加热（610）到所述压缩模具（500）以形成所述具有准各向同性性质的模塑部件。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一复合组成材料或所述第二复合组成材料的至少一个包括单向预浸热塑性塑料带。
3.根据权利要求1所述的方法，其中固结（604）所述第一层（102）和所述第二层（104）以产生所述准各向同性板（200）包括使用压制工艺或连续压缩模塑工艺中的至少一个将所述第一层和所述第二层组装在一起。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一复合组成材料或所述第二复合组成材料中的至少一个包括热塑性塑料。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述第一层（102）或所述第二层（104）中的至少一个包括纤维。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述纤维由碳形成。
7.根据权利要求5所述的方法，其中所述第一复合组成材料和所述第二复合组成材料包括纤维，其中所述第一复合组成材料的纤维被定向在第一方向，并且其中所述第二复合组成材料的纤维被定向在第二方向。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述第一方向相对于所述第二方向旋转大约六十度。
9.根据权利要求7所述的方法，其中所述第一方向相对于所述第二方向旋转大约四十五度。
10.根据权利要求7所述的方法，其中所述准各向同性板（200）包括由第三复合组成材料形成的第三层（106），其中所述准各向同性板（200）是具有布置在第三方向的纤维的热塑性塑料。
11.根据权利要求4所述的方法，其中所述热塑性塑料包括聚苯硫或聚醚酰亚胺之一。
12.根据权利要求4所述的方法，其中所述热塑性塑料包括聚芳醚酮。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述聚芳醚酮为聚醚醚酮或聚醚酮酮之一。
14.根据权利要求10所述的方法，其中所述部件包括飞机的装载箱配件，并且其中所述第一复合组成材料、所述第二复合组成材料以及所述第三复合组成材料是相同的材料。
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