CN105848861A - 用于从热塑性复合材料生产零件的方法 - Google Patents

Abstract

用于通过在工具(30)上铺设(130)至少一个热塑性复合材料层(13)生产热塑性复合材料零件的这种方法(100)包括在该工具上铺设第一层片(10)的步骤(120)。在铺设该热塑性复合材料层之前将该硬化的第一层片铺设在该工具(30)上。以该工具(30)的形状预先生产该第一层片。该第一层片包括第一材料(11)并且包括第二热塑性树脂材料(12)，当该第一材料经受磁场和/或经受电势差时能够经历吸引力，该第二热塑性树脂材料是与该热塑性复合材料层的树脂化学上相容的。在该工具上进行铺设的步骤(120)中通过在该工具的水平处建立的磁场、和/或电势差的作用该第一层片被夹持到工具(30)上。在一种实施形式中，在优选具有凸形形状的第一层片模具上产生该第一层片(10)。

Description

用于从热塑性复合材料生产零件的方法

本发明属于复合材料的领域，这些复合材料包括形成复合材料零件的厚度的一系列的叠加层片。

更具体地，本发明涉及一种用于生产复合材料零件的方法，该复合材料零件通过在给予该零件形状的模型或模具上铺设的层片堆叠形成。

更具体地，本发明提供了一种对于在该模具上沉积的第一层片的铺设的解决方案。

当包括树脂浸渍的纤维的复合材料零件在模具上产生时，必须考虑的是当所有希望的层片已经通过已知方法被铺设并且被固结时，该零件必须脱模，即，与该模具分开。

在热塑性复合材料，即，其浸渍这些纤维的树脂在使用的温度下是硬的并且当温度增加至足够的热塑性成形值时软化的复合材料的情况下，每个铺设的层片粘附到前一层片上，在该前一层片上沉积该每个铺设的层片。为了在该模具上维持该第一层片，在不存在将允许该层片粘附到该模具的表面上的树脂的粘性下，已知的是夹持沉积在模具上的第一层片。此类解决方案当该模具的形状是凸形时是有效的，但是在凹形形状的模具的情况下不会使得有可能保证该第一层片将完美地遵循该模具的形状。

其结果是，包括即使仅仅局部凹形形状的模具上产生的复杂形状的热塑性复合材料零件的生产是棘手的并且不存在在此类条件下工业上令人满意的解决方案。

本发明精确地提出了一种使得有可能通过将材料的层铺设在工具上来克服生产热塑性复合材料零件的已知解决方案的约束的方法，该工具给予该零件其形状。

在用于通过将至少一个热塑性复合材料层铺设在工具上生产热塑性复合材料零件的这种方法中，实施在该工具上铺设第一层片的步骤，该第一层片是在该热塑性复合材料层的铺设之前被铺设在该工具上。该第一层片是预先产生的硬化层片以匹配该工具的形状并且包括第一材料并且包括第二热塑性树脂材料，当该第一材料经受磁场、和/或经受电势差时能够经历吸引力，该第二热塑性树脂材料是与该热塑性复合材料层的树脂化学上相容的以便与所述树脂粘附，在该工具上铺设该第一层片的步骤中通过在该工具的水平处建立的磁场、和/或在该工具与该第一层片之间的电势差的作用，该第一层片被夹持到该工具上。

因此实现了该第一层片到该工具上的夹持而没有化学结合并且该层片因此是完全可脱模的并且在工具区域的每个点处完美地粘附到该工具上，因为该磁引力和/或该第一层片上产生的势差所产生的力的均匀性，并且由此有可能的是将复合材料层铺设在该第一层片的自由表面上，具有完美的粘附而没有在该工具上该第一层片的移动或变形。

根据一种实施方法，以热塑性树脂粉末形式将该第二材料沉积在所述第一材料上，然后使在第一层片模具上夹持的该第一材料和该第二材料在制造该第一层片的步骤中经受一个步骤，在该步骤中升高温度至大于该热塑性树脂的熔点和玻璃化转变温度，该第一层片模具的形状是该工具的对应物。

因此，产生了相对薄的硬化的第一层片，该第一层片保留了该第一层片模具的形状以及因此该工具的形状，并且然后可以被放置在该工具上以便被夹持到其上并且接纳这些热塑性复合材料层。

在该方法的一种实施方式中，在第一步骤中该第一材料被沉积在该第一层片模具上，并且在第二步骤中，该第二材料通过喷涂热塑性树脂粉末被沉积到在该第一层片模具上沉积的该第一材料上。

在用于产生该第一层片的这种方法中，可以将该热塑性树脂均匀地分布在该第一材料上并且具有可控制的面积密度以获得令人希望的量的热塑性树脂，以便在该温度升高之后给予该第一层片所希望的坚固性和热塑性层结合品质。

该第一材料主要由被沉积以形成一个或多个叠加层的织造或非织造的线和/或垫、和/或粉末组成。

因此有可能的是通过铺设线或织造物或交错的纤维的网在该第一层片模具上形成该第一材料，这些网的柔性允许遵循该第一层片模具的曲率，同时获得所希望的产生的坚固性和厚度。由粉末制成的材料的沉积允许在该第一层片模具上沉积均匀的层。在这种情况下，该第一材料的粉末能够以与该第二材料的热塑性树脂粉末的混合物被喷涂，或者甚至涂覆有该第二材料的树脂。可以将这些不同的方法组合以尤其将由有待生产的该零件的形状决定的局部第一层片特征考虑在内。

在一个实施例中，该第一材料以具有最小重叠的并置宽度被沉积在该第一层片模具上以避免在两个并置宽度的相邻边缘之间的间隙。

因此有可能的是铺设比该第一层片模具的宽度更小的尺寸的呈条的第一材料，这一方面被证明是当该模具具有大宽度时更容易的，并且另一方面允许该第一材料更好匹配非可展的模具形状。

当第二材料沉积在该第一材料上时，有利地实施热塑性树脂粉末静电喷涂方法。

该第一材料有利地由针对其电传导和/或磁性特性选择的铁磁材料(例如金属如钢、铁素体不锈钢或含镍合金)形成。

在一种实施方法中，该第一层片以至少两个部分产生，当该第一层片在该工具上铺设时该至少两个部分在该工具上是并置的。因此有可能的是对于大尺寸的零件生产以下第一层片，该第一层片的这些部分保持与薄元件的生产和操纵相容的尺寸。

有利地，当该第一层片以多个部分产生时，限定该第一层片的构成部分以便在主要凸形形状的部分第一层片模具上产生每一个构成部分。

因此有可能的是在沉积条件下产生每个部分，使得该第一材料沉积在凸模具上，实际上这被证明就夹持而言(如果使用机械夹具)、而且就防止到该模具上的粘附缺陷所要求的拉紧而言是更不复杂并且更少限制的。

在制造所述第一层片的步骤中，通过在所述第一层片模具的水平处建立的磁场、和/或相对于该第一层片模具的电势差的作用，该第一材料例如被夹持到该第一层片模具上。

因此通过利用该第一材料的电传导和/或磁性特性获得了有效的夹持，此外需要这些特性用于将该第一层片维持在该模具上。

在该零件的热塑性复合材料层的沉积过程中为了防止该第一层片在该工具上移动，在叠加在该第一层片上的热塑性复合材料层的铺设过程中，通过在所述工具的水平处建立的磁场、和/或相对于该工具的电势差的作用，该第一层片被维持夹持在该工具上。

当已经沉积了形成该零件所要求的这些热塑性复合材料层时，在将该工具上产生的该零件脱模的步骤中，在该工具的水平处建立的磁场、和/或势差被取消，并且如果需要的话是相反的。

因此取消确保该夹持的这些力，该磁场和/或该夹持势差的反向取消了(如果需要的话)由滞后效应产生的残余力的消除，使得该零件可以脱模，而不与该工具粘附使脱模难以进行，并且没有树脂粘附到工具上可能引起的损害的风险。

本发明的示例性实施方式的说明和附图将允许本发明的目的和优点更好地被理解。清楚的是，这种说明通过举例给出并且在性质上是非限制性的。

在附图中：

图1展示了用于一种实施方式的方法的主要步骤；

图2a示意性地展示了在第一层片模具上的第一层片的第一材料的固持以及该第二热塑性树脂粉末材料到该第一材料上的喷涂；

图2b示意性地展示了在加热室中熔融该第二热塑性树脂粉末材料的步骤；

图2c示意性地展示了通过在该工具的水平处建立的磁力和/或由势差产生的力铺设热塑性层以在工具上固持的第一层片上产生零件。

图1概括性地示出了本发明的方法的主要步骤。

图2a、2b和2c示意性地展示了该方法的示例性实施。

在方法100中，用于生产包括层13堆叠的热塑性复合材料零件的第一步骤110包括生产硬质第一层片10，该第一层片一方面具有允许它临时地且可逆地粘附到工具30(在该工具上该零件必须形成)上的物理特性，并且另一方面，具有物理-化学特性，这些物理-化学特性允许它与该零件的那些层的热塑性树脂结合，该零件必须被沉积在所述第一层片上。

在第一层片模具20上产生第一层片10。

产生具有与工具30的形状尽可能接近的(如果不相同)形状的第一层片10，在该工具上必须铺设这些热塑性复合材料层，该零件必须由这些热塑性复合材料层形成。

此外，该第一层片是尽可能薄的，使得相对于有待生产的该零件的厚度其厚度是相对小的。

第一层片模具20具有适合于促进第一层片10的生产以及从所述第一层片模具脱模的形状。特别地，如果该有待生产的零件主要是凹形的，第一层片模具20将具有互补的主要凸形形状。

为了生产第一层片10，形成复合体，该复合体包括至少一种具有电磁特性的第一材料11和至少一种第二热塑性树脂材料12。

在该第一层片的生产的第一步骤111中，将第一材料11沉积在第一层片模具10上，该第一层片模具的形状是该零件的工具30的几何对应物，在该工具上该零件必须形成。

第一材料11有利地是由几十微米的细的、织造或非织造的线形成的金属材料，这些线的柔性允许所述金属材料遵循第一层片模具20的形状。

取决于第一材料11的电磁特性，借助于磁场和/或电势差所述第一材料被固持在第一层片模具20上，所述第一层片模具被产生使得在其表面上产生所想要的磁场、和/或所想要的电势差，即，要求确保该第一材料固持在该第一层片模具上同时紧密地遵循所述第一层片模具的形状的。

第一材料11还可以(共同地或不用该磁场和/或势差)通过机械手段例如夹具(没有示出)被固持。具体地，特别地如果所述第一材料模具的形状是唯一凸形的，单独的机械夹持可被证明足以将该第一材料抵靠第一层片模具20放置。

在第一层片10的生产的第二步骤112中，将第二材料12的细树脂粉末颗粒沉积在该第一材料上。例如通过静电喷涂沉积该第二材料。

例如使用喷枪和(必要的话)该树脂粉末的分散体溶液进行该喷涂。

以足够量沉积第二材料12以在该方法的随后步骤中确保该零件的热塑性复合材料的第一层的纤维的结合，尽管在该第一层的铺设的过程中产生剪切力，该第一层被铺设同时变形以紧密地遵循该工具的形状并且使这些纤维在所希望的方向上定向。

有利地沉积具有包括在20g/m²与150g/m²之间的面积密度的第二材料12。

在第一层片10的生产的第三步骤113中，在其上沉积第一材料11和第二材料12的第一层片模具20(其中该第一材料通过静电力或磁力和/或由该势差产生的力、和/或通过机械夹持被紧密地固持抵靠该模具，并且该第二材料以粉末形式沉积在该第一材料上)经受温度升高，例如在加热装置22(例如红外烘箱、或空气烘箱、或高压釜)中以升高第二热塑性树脂材料12的颗粒大于它们的熔点和玻璃化转变温度，这引起该第二材料粘附在该第一材料上。

当第二材料12已经结合到第一材料11上时，使该温度回到室温。

在该第一层片的生产的第四步骤114中，在固持直到第三步骤113的该模具的电磁场和/或势差和/或这些夹具已经释放并且如果需要的话是相反的之后，将第一层片10脱模并且与第一层片模具20分开。

在该方法的第一步骤110结束时，因此形成了浸渍有该第二材料的该第一材料的硬质第一层片10。

应当注意的是，所获得的第一层片10具有小的厚度(实质上该第一材料的线或金属织造物的厚度)，但是尽管如此，尽管该第一层片由于其小的厚度不是非常刚性的，其静态形状因为被加热到熔点的该第二材料的树脂而保持在该第一层片模具中取得的形状。

第一材料11的线的金属材料选自具有合适的磁性特性的材料：良好的磁导率和/或高的矫顽磁场和/或磁化饱和，例如总体上用铁磁材料获得的特性。当所希望的是至少部分地用势差产生该夹持时，该第一材料选自导电材料以便能够被带到并且维持在所希望的电势下并且使得有可能维持一方面第一元件10与另一方面工具30以及如果需要的话第一层片模具20之间的电势差。

在用于生产该热塑性复合材料零件的第二步骤120中，将在第一步骤110中产生的第一层片10铺设在用于模制有待生产的零件的工具30上。

借助于磁场或者对于其导电部分在所述工具与所述第一层片之间的电势差将第一层片10固持在工具30的表面上，该工具由铁磁材料产生以便在其表面上产生磁场和/或由导电材料产生以便被维持在确保第一层片10紧密地固持遵循所述工具的形状所要求的想要的电势差下。

该工具例如由钢或合金产生。

如果需要的话，夹具将该第一层片保持在工具30上特别在所述工具的边缘上。

在用于生产该热塑性复合材料零件的第三步骤130中，将该零件的第一热塑性复合材料层13铺设在工具30上维持的第一层片10上并且将其他热塑性复合材料层以连续层铺设并且使用已知方法固结，例如借助于铺设头31，直到获得了对于该零件所想要的层片的数目。

在这些热塑性复合材料层的铺设过程中，维持确保第一层片10固持在工具30上的磁场或势差，使得甚至在该工具的凹形区域中，施加到并且直接或间接地粘附到该第一层片上的这些连续热塑性复合材料层完全遵循该工具的形状。

在用于生产该热塑性复合材料零件的第四步骤140中，在该工具的电磁场、和/或在该工具与在该方法的这个阶段下被结合在该零件中的第一层片之间的电势差、和/或在该零件的这些连续热塑性复合材料层的沉积过程中被固持的这些夹具已经释放并且如果需要的话是相反的之后，将该产生的热塑性复合材料零件脱模并且与工具30分开。

根据该方法的各种变体，例如刚刚在第一实施方式中描述的，可以根据与该有待生产的零件的形状或这些实施的材料有关的约束适配该方法。

因此，第一层片10的该第一材料可以由磁性金属材料的一个或多个层形成。例如来自镍、银、铁素体不锈钢。

第一材料10能够以呈网、织造物、针织品、垫的线或者甚至粉末的形式沉积在第一层片模具20上。

当多个宽度在第一层片模具20上并置时，优选地两个相邻的宽度以轻微的重叠放置以便避免仅包括树脂的可能形成该第一层片中的脆性区域的空隙区域。

选择第一材料11的每单位面积的沉积重量以获得寻求的磁性和/或势差产生的粘附性并且以确保足够的机械支持给予第二材料12以形成第一层片10，该第一层片能够被处理并且充当用于该零件的第一热塑性复合材料层的结合物。

第一材料11的面积密度有利地包括在20g/m²与150g/m²之间。

因此，根据一种实施方法，必须沉积在工具30上的第一层片10以在该工具上并置的多个部分产生。

当第一层片10具有如此大的尺寸以致将难以处理由单一元件组成的第一层片而没有损坏所述第一层片的风险时，和/或当该第一层片的形状是复杂的、具有凹形区域和凸形区域，该层片的巧妙切割允许在后一情况下能够在有待被生产的凸形模具上产生基本上具有简单曲率的多个第一层片部分时，这种方法被证明是有利的。

因此，根据第一层片10的制造的第一步骤110的一种实施方法，在第一步骤111之前进行在第一材料11上沉积第二材料12的第二步骤112，在第一层片模具20上沉积的该第一材料然后已经包括该第二材料的热塑性树脂粉末。

有利地，在上游步骤中产生由该第一材料和该第二材料的热塑性粉末形成的复合体。

该方法因此允许生产具有第一层片的热塑性复合材料零件，该第一层片完美地夹持到该工具上，同时确保该第一层片的树脂不粘附到该工具上，同时避免要求紧密密封层片并且不保证在该工具的表面上的均匀压力的抽吸技术的需要，并且同时避免是反向模具的复杂且昂贵的解决方案的使用。

Claims (12)

1.一种用于通过在工具(30)上铺设(130)至少一个热塑性复合材料层(13)生产热塑性复合材料零件的方法(100)，其中该方法包括在该工具上铺设第一层片(10)的步骤(120)，该第一层片是在该至少一个热塑性复合材料层的沉积之前被铺设在该工具(30)上，所述第一层片是预先产生的硬化层片以匹配该工具(30)的形状并且包括第一材料(11)并且包括第二热塑性树脂材料(12)，当该第一材料经受磁场、和/或经受电势差时能够经历吸引力，该第二热塑性树脂材料是与该至少一个热塑性复合材料层的树脂化学上相容的以便与所述树脂粘附，在所述工具上进行沉积的步骤(120)中通过在所述工具的水平处建立的磁场、和/或与所述工具的电势差的作用，所述第一层片被夹持到该工具30上。

2.如权利要求1所述的方法，其中该第一材料(11)和以热塑性树脂粉末形式沉积在所述第一材料上的该第二材料(12)在制造该第一层片(10)的步骤(110)中经受步骤(113)，其中在被夹持到第一层片模具(20)上的同时，升高温度至大于该热塑性树脂的熔点和玻璃化转变温度，所述第一层片模具的形状是该工具(30)的对应物。

3.如权利要求2所述的方法，其中在第一步骤(111)中该第一材料(11)被沉积在该第一层片模具(20)上，并且在第二步骤(112)中，该第二材料(12)通过喷涂热塑性树脂粉末被沉积到在所述第一层片模具上沉积的第一材料(11)上。

4.如以上权利要求之一所述的方法，其中该第一材料(10)主要由被沉积以形成所述第一材料的一个层或多个叠加层的织造或非织造的线和/或垫、和/或粉末组成。

5.如权利要求2或权利要求3或权利要求4与权利要求2或3之一组合所述的方法，其中该第一材料(11)以具有最小重叠的并置宽度被沉积在该第一层片模具(20)上以避免在两个并置宽度的相邻边缘之间的间隙。

6.如以上权利要求之一所述的方法，其中该第二材料(12)通过静电喷涂热塑性树脂粉末被沉积在该第一材料(11)上。

7.如以上权利要求之一所述的方法，其中该第一材料(11)由铁磁材料如钢、铁素体不锈钢或含镍合金形成。

8.如以上权利要求之一所述的方法，其中该第一层片(10)以至少两个部分产生，当该第一层片在所述工具上铺设(120)时该至少两个部分在该工具(30)上是并置的。

9.如权利要求8所述的方法，其中限定该第一层片(10)的构成部分以便在主要凸形形状的部分第一层片模具上产生每一个构成部分。

10.如权利要求2或如权利要求3至9之一与权利要求2组合所述的方法，其中在制造所述第一层片的步骤(110)中，通过在所述第一层片模具的水平处建立的磁场、和/或与所述第一层片模具的电势差的作用，该第一材料被夹持到该第一层片模具(20)上。

11.如以上权利要求之一所述的方法，其中在叠加在该第一层片(10)上的热塑性复合材料层(13)的铺设(130)的过程中，通过在所述工具的水平处建立的磁场、和/或与所述工具的电势差的作用，该第一层片(10)被保持夹持在该工具(30)上。

12.如权利要求11所述的方法，其中在将所述工具上产生的该热塑性复合材料零件脱模的步骤(140)中，在该工具(30)的水平处建立的磁场、和/或势差被取消，并且如果需要的话是相反的。