CN105984153A - 预成型预浸渍复合材料片时的铺设方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及预成型预浸渍复合材料片时的铺设方法。一种通过预成型模具(10)来自动化预成型预浸渍复合材料片(16)的方法，所述方法包括：在所述预成型模具(10)上放置所述片(16)；以及，通过使用具有施加件(18)的施加设备在所述片(16)上施加压力来对所述片(16)进行铺设，所述施加件(18)具有与所述预成型模具的局部形状相适应的形状，所述施加设备沿预定的轨迹移动。

Description

预成型预浸渍复合材料片时的铺设方法

技术领域

本发明涉及对预浸渍复合材料片进行预成型以用于模制汽车部件的技术领域。

背景技术

预浸渍复合材料片是主要由基于热塑性聚合物或热固性聚合物的树脂构成的半成品，其中使用例如玻璃纤维或碳素纤维等纤维对树脂进行了强化。这种预浸渍复合材料片通常用于制造汽车的结构部件。

在使用基于热塑性聚合物的树脂的情况下，预浸渍复合材料片呈薄板状，其在常温下常常是刚性的，从而不能被直接放置在模具内进行模制。因此需要高温预成型的预备步骤，用于使预浸渍复合材料片获得最接近于模具模腔的中间形状，该形状通常是复杂的。

在使用基于热固性聚合物的树脂的情况下，尤其是在使用片状模塑料(英语为Sheet Moulding Compound，缩写为SMC)的情况下，通常从冷藏的材料卷上切割出希望尺寸的片。这些片是可变形的，且在常温下不是刚性的。如果待模制的部件形状简单，可以将这些片叠放，并且直接将它们一起置于模具内以便在更高温度下进行压制。片的叠放因此形成加载面(plan de chargement)。如果部件的形状和/或待压制的用于构造加载面的片的叠放具有复杂的轮廓(例如不可展曲面、形状的突变、相对于开口很深的凹陷)，则很难直接对这些预浸渍复合材料片进行模制。因此，同样需要对这些片进行预成型的预备步骤，用于使它们获得最接近于模具模腔的中间形状，该形状通常是复杂的。

在必须进行预成型步骤的情况下，预浸渍复合材料片被放置在具有待模制部件形状的预成型模具上或者模具具有形状的部分上，以在此铺设(draper)预浸渍复合材料片，使得这些片从基本平的形状过渡到最接近模具模腔的中间形状。由于待模制部件的形状通常是复杂的，通常用真空槽或手工进行铺设。该方法存在很多缺点。首先，由于该方法不是自动化的，对于汽车产业来说制造成本过高且制造周期过长，并且其过程不能被大规模地复制。另外，使用真空槽来预成型需要较多的准备工作来安装该真空槽。此外，真空槽在所有区域同时且均匀地施加压力，使片不能逐步成型，这使得片具有被撕裂或产生褶痕残留气泡的风险。相较真空预成型，手工预成型更加循序渐进，因此适于处理复杂的形状。但是，手工预成型不能以完全相同的方式来大量地重复。此外，手工预成型不适于形成大尺寸的部件。这些不同的缺点会造成部件在该方法结束后具有缺陷，从而增加了废品数量。

发明内容

本发明的目的尤其在于提供一种改进的预浸渍复合材料片的预成型方法，该方法克服上述缺点中的至少一个。

为此，本发明的目的尤其在于一种通过预成型模具来自动化预成型预浸渍复合材料片的方法，该方法包括：在该模具上放置该片；以及，通过使用带有施加件的施加设备在该片上施加压力来对该片进行铺设，该施加件具有与预成型模具的局部形状相适应的形状，该施加设备沿主要依据预成型模具的形状预定的轨迹移动。

该施加设备是自动系统，例如是机器人，其设置有具有施加件的臂，该施加件例如为球形，包括适合在预成型模具的一部分上对片进行铺设的形状，并且可以在片上移动。为了对预放置在预成型模具具有形状的部分上的片进行铺设，该施加设备使施加件在片上滚动或滑动或者既不是滚动也不是滑动地不连续移动，同时对片施加压力，使片夹在施加件与预成型模具的壁之间。该方法是自动化的，并且该施加设备通常沿依据预成型模具的形状预定的轨迹移动。因此，减少了人工的介入并且提高了生产率。可以在缩短的周期时间内大批量地生产。

此外，由于施加件具有与预成型模具的局部形状相适应的特殊形状，这允许以优化的方式在不同且复杂的形状上进行铺设。

该方法还可以单独地或以组合方式包含下列一个或多个特征。

优选地，施加件根据预定顺序对片施加可变的压力，该顺序主要依据预成型模具的形状和片的材料来预定。这特别允许考虑到在施加件前进过程中预成型模具的起伏以及片的机械强度。因此，避免了压力过大造成材料片被撕裂或损坏的风险。例如，使多少有点尖锐的施加件施加的力小于较平面的施加件施加的力，以便降低材料片损坏的风险。同样，也降低了由于压力不足造成材料片未形成与预成型模具一致的形状的风险。

优选地，施加设备的轨迹是利用操作者通过手工铺设来制造类似部件的经验或者借助建模软件，通过例如反复试验类型的实验方法来确定的。事实上，每个部件的预成型模具的形状都不相同。其形状有时可以很复杂，带有例如角或凹陷的不同起伏。因此，在预成型两个不同部件时，施加设备不能或极少能以相同的方式沿相同的轨迹移动。施加设备可以从起伏的下部或上部位置起，或快或慢地移动，连续或不连续地前进，或者还可以往返数次以强调一个区域或一些特定的点。为了确定施加设备的轨迹，需要考虑到所有这些因素。因此，存在可以针对给定的形状来优化施加设备轨迹的建模软件。还可以对预成型模具进行实验性尝试，以收敛得到优化的轨迹。这些尝试可以手动进行，也可以通过该施加设备进行。

优选地，施加设备的轨迹始于难于铺设的区域，例如包括显著起伏或不可展曲面的区域。经过实验，从难于铺设的区域开始铺设取得了更好的结果。尤其是对不可展曲面，这可以优化从平面片得到的形状。此外，在难于铺设的区域最可能出现误差、问题和缺陷。因此，如果这样的问题突然发生且不可弥补，可以在生产周期相对早期时停止对部件的铺设并且将其废弃，而且是在有缺陷的部件被完全铺好之前，因而减少了无用的开销和时间。

优选地，轨迹始于预成型模具的中间区域并终于其周缘区域。这尤其有利于具有对称结构的预成型模具的情况，因为其允许相对于存在的对称建立对照点，并且逐渐将气泡和褶皱向材料片周缘排开，从而将其排出。

优选地，施加件的移动速度、相对预成型模具的表面施加压力的角度这些参数是预先确定的。这些参数也可以在预成型过程中被持续地控制，从而允许在铺设过程中逐渐地、没有延迟地检测缺陷。

优选地，施加件具有例如球形、圆柱形等旋转体的形状，以适合在材料片上滚动。术语“滚动”意味着没有滑动的滚动运动。因此，施加件可以对材料片以连续且不间断的方式施加压力，而不存在将其损坏或撕裂的风险。此外，球形的施加件利于模制不同且复杂的形状。圆柱形的施加件允许对较平且较延展的面进行铺盖。

施加件可以在材料片上滑动。优选地，这样的施加件是垫块。术语“滑动”意味着没有滚动的滑动运动。滑动可以使施加件以更有效的方式排除材料片内部或下方的褶痕及气泡。

优选地，施加件在不移动或不连续移动时在片上施加点压力。特别地，在预成型模具包括深度较深的起伏且尺寸较小的情况下，施加件具有合适的形状以便施加设备将其推至起伏的深处，从而使片与预成型模具相接触。施加设备也可以通过一下接一下地施加点压力来使施加件在片上不连续地移动。

优选地，施加件的尺寸主要根据模具的形状而变化。事实上，模具的形状可以由不同的几何形状构成。因此，可以通过在铺设过程中更换施加件来使施加件的尺寸适合于待铺盖的区域。例如，施加设备配备有大尺寸施加件以对大平面进行铺盖，或者针对更显著或细微的起伏而将该施加件替换为另一个尺寸更小的施加件。因此，在优化了生产率的同时保证铺盖效果令人满意。

施加件的形状可以主要根据模具的形状和片的材料而变化。事实上，施加件可以根据预成型模具的形状来变化其形状。例如，施加设备首先配备有球形的施加件用于对复杂的形状进行铺盖，随后使用圆柱形或平的施加件对更延展的区域进行铺盖。此外，施加件可以是可变形的，例如用弹性材料或有孔材料制成，或者包括可以根据所施加的压力变化而变形的变形机构，比如弹簧等。因此，在材料或机构组件可能发生的变形范围内，施加件可以贴合于或接近于模具具有形状的部分的形状，以更好地在此区域对片进行铺设。因此可以使用单个施加件对预成型模具的不同形状进行铺盖。

施加件的硬度可以主要根据模具的形状和片的材料而变化。有利地，根据模具具有形状的部分的形状和片的组成来变换施加件的硬度，以降低损坏片的风险。例如，当施加件经过尖锐的起伏时，施加件优选地具有低硬度以便不扎破片。反之，对于平坦区域，可以提高硬度以更好地将片压向并铺设在预成型模具上。同样有利地，施加件的硬度可以根据片的材料而变化，以便有利地压制复合材料，或者得以照顾到易损材料。因此，在铺盖过程中施加设备可以更换施加件，以选择具有最合适的硬度的施加件。

因此，根据待制造部件整体以及局部的形状特点和待铺设片的例如材料、厚度、柔韧性、抗撕裂性等特征，能够确定待铺盖区域上的最优顺序及最合适使用的施加件。

本发明当然可以应用于彼此叠放形成加载面的多个片。这允许在同一预成型模具上一次铺设多个片，因此提高了生产率，并且使得通常尺寸较小的位于上方的片能够紧贴位于下方的片，从而形成准备好被放入模具的加载面。

附图说明

下面将参照附图对本发明做进一步的详细说明。本领域技术人员容易理解的是，这些附图仅仅用于说明的目的，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中相同的附图标记表示相同或相似的部件。为了说明的目的，这些图并非完全按比例绘制，其中：

-图1为预成型模具的纵剖面透视图；

-图2为图1的预成型模具的A区域和根据本发明一种实施方式的施加件的纵剖面示意图；以及

-图3为图1的预成型模具的A区域和根据图2的实施方式的一种变型的施加件的纵剖面示意图。

具体实施方式

预成型模具10包括如下所述的具有形状的部分，该具有形状的部分包括在其中心的低陷部12和分别在低陷部12两侧的两个高出部14a和14b。高出部14a和14b包括相对平坦的面，例如面15a和15b；还包括更复杂的形状，例如凸起15c和15d。预成型模具10允许对预浸渍片16进行预成型，该过程仅在图2和图3中可见。为此，将片16放置在预成型模具10上，并且通过带有施加件18的施加设备向片16施加压力来将片16压向并铺盖在预成型模具10上，该施加件18的局部形状与预成型模具10的局部形状相适应。根据本发明，该施加设备沿主要根据预成型模具10的具有形状的部分的形状预定的轨迹移动。

施加设备的轨迹可以通过建模程序或者通过反复试验类型的实验方法来确定。因此，可以想象，在高出部14a或14b处开始铺设片16，随后推进至低陷部12；或者相反地，在低陷部12处开始铺设片16，随后推进至高出部14a或14b；再或者，在低陷部12与高出部14a和14b之间往返。

经过试验，当施加设备的轨迹始于难以铺盖的区域时获得了良好的结果，该区域例如是包含不规则形状的具有高出部14a或14b的区域，或者是具有例如凹陷20或凸起15c和15d的不可展曲面的区域。

当施加设备的轨迹始于预成型模具10的中心区域并且终于预成型模具10的周缘区域时也获得了良好的实验结果。

上述两类轨迹并非全部。其它类型的轨迹也存在并且根据预成型模具10的形状以及片16的性质来选择。也可以把本文两种轨迹的标准结合起来。例如，在预成型模具10的情况下，施加设备的轨迹优选地由凹陷20或低陷部12开始铺盖，前进至包含比如凸起15c和15d等复杂形状的高出部14a和14b，随后在高出部14a和14b的平面15a和15b处结束。

施加件18在片16上施加根据预定的顺序变化的压力，该顺序主要根据预成型模具10的形状和片16的材料来预定。例如，施加件18可以在凹陷20处施加较大的压力以使片16被很好地抵压在预成型模具10的表面上，还可以在包含较少显著起伏的大的延展表面(例如面15a和15b)上施加较小的压力。因此，根据预定的轨迹，该压力根据施加件18的前进顺序变化。

在铺盖片16时，可以根据预成型模具10的局部或整体的特征以及片16的材料来预定或控制其他参数。这些参数例如是施加件18的移动速度或相对于预成型模具10的表面施加压力的角度。因此，可以选择在施加件18经过平面15a和15b时将速度设得比较大，而在凸起15c、15d或凹陷20这种需要更精细铺盖的地方降低速度。

铺盖是由施加设备借助施加件进行的，该施加件具有比如球形或圆柱形等适合在片上滚动的旋转体的形状。在图2和图3中示出的施加件18是球状的球形施加件。也可以使用管状的实心或空心的圆柱形施加件。旋转体的形状使得施加件18能够在片16上无摩擦地滚动并且没有将其损坏的风险。因此，可以在作为预成型模具10的A区域的放大示意图的图2中看到，施加件18在片16上滚动，该片很好地贴合于预成型模具10的壁22的形状。施加件18在其经过的路上排除气泡。施加件18沿箭头24的方向施加与预成型模具10的具有形状的部分的形状以及片16的构成材料相适应的可变的压力。

在另一实施方式中，例如是垫块的施加件18也可以在片16上无滚动地滑动。这使得能够更有效地排除气泡和褶痕。

施加件18可以在不移动或不连续移动时在片16上施加点压力。图2的球形施加件18可以例如在压力下被静止地或滚动地保持在拐角25上一段时间，以使片16很好地紧贴预成型模具10的拐角25的形状。相同的操作可以由以端部相对尖锐的形式呈现的施加件进行。在施加件是不能在片16上滚动或滑动的推杆的一种实施方式中，施加件的移动由一下接一下的点压力组成。

此外，可以在铺盖过程中改变施加设备的施加件18以便随时使用参数与预成型模具10或片16的局部特征相适应的施加件。例如，施加件18的尺寸可以主要根据预成型模具10的形状来变化。为了优化铺盖的速度和质量，可以在施加件通过平面15a和15b时使用大尺寸的施加件，而对于凹陷20则使用更小尺寸的施加件。

还可以通过以下两个方式来变化施加件18的形状：要么在铺盖过程中更换施加件，要么使用可变形的或具有比如弹簧等变形机构的施加件。因此，施加件18的形状可以与预成型模具10的形状相适应。图3中，施加件18在通过角26时发生变形，从而使得其随后能够将片16压向此处的壁22。施加件18在随后的下降过程中变回初始的形状。在另一实施方式中，在通过角26的上游时，可以将球形施加件18更换为具有角26的形状的施加件，并且在下游用回球形施加件。

施加件18的硬度也可以主要根据预成型模具10的形状和片16的材料而变化。因此，通过在像角26这样的多棱角区域使用例如柔软的或弹性的施加件，来降低片16损坏的风险，而在面15a和15b处使用较硬的施加件以便进一步提高铺盖质量。

可以同时使用多个施加件以便加快铺盖速度，尤其是对于包含对称结构的模具。因此，可以使用两个施加件在低陷部12的两侧铺设片16。

本发明不局限于本文描述的示例，其它实施方式对本领域技术人员而言是显而易见的。

本发明不局限于预浸渍片的铺设，而是可以延伸至所有类型的铺设。

Claims (17)

1.一种通过预成型模具(10)来自动化预成型预浸渍复合材料片(16)的方法，所述方法包括：

-在所述预成型模具(10)上放置所述片(16)；以及

-通过使用具有施加件(18)的施加设备在所述片(16)上施加压力来对所述片(16)进行铺设，所述施加件(18)具有与所述预成型模具的局部形状相适应的形状，所述施加设备沿预定的轨迹移动。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述轨迹根据所述预成型模具(10)的形状来确定。

3.根据上述任意一项权利要求所述的方法，其中所述施加件在所述片(16)上根据预定的顺序来施加可变的压力。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述顺序依据所述预成型模具的形状和所述片(16)的材料来确定。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述轨迹是通过例如反复试验类型的实验方法来确定的。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述轨迹是通过建模软件来确定的。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述轨迹始于难以铺设的区域。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述难以铺设的区域是包括显著起伏的区域(12)。

9.根据述权利要求7所述的方法，其中所述难以铺设的区域是包括不可展曲面(20)的区域。

10.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述轨迹始于所述预成型模具的中心区域并且终于所述预成型模具的周缘区域。

11.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述施加件(18)具有旋转体的形状，适于在所述片(16)上滚动。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述施加件(18)具有球形或圆柱形的形状。

13.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述施加件(18)可以在所述片(16)上滑动。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述施加件(18)是垫块。

15.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述施加件(18)的形状可以根据所述预成型模具(10)的形状和所述片(16)的材料来变化。

16.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述施加件(18)的尺寸可以根据所述预成型模具(10)的形状来变化。

17.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述施加件(18)的硬度可以根据所述预成型模具(10)的形状和所述片(16)的材料来变化。