CN106273558A - 复合材料产品生产系统，以及利用该系统生产的产品 - Google Patents

Abstract

一种用于生产复合材料产品(44，48，52)的系统，该系统包括适于模塑至少一个主部件(18)的至少两个主模具(11，13；31)，以及适于在该主模具(11，13)之间注入树脂(16)的一个或多个注入口(17)，其中适于模塑一个或多个次部件(19，20，21，22)的一个或多个次模具(23，24，25，26；35，36，37，38，39)，设置有表面形状和/或器件，用于与至少一个主模具(11；31)和/或至少一个次模具(23，24，25，26；35，36，37，38，39)的对应形状和/或器件进行一机械耦接，用于形成一个适于模塑一产品(44，48，52)的模塑组装体(40)，其包含该主部件(18)和该次部件(19，20，21，22)，其中，该系统还包括适于盛装该次模具(23，24，25，26；35，36，37，38，39)的真空袋，和适于盛装插入这些真空袋内的次模具(23，24，25，26；35，36，37，38，39)的一蒸压釜。

Description

复合材料产品生产系统，以及利用该系统生产的产品

本申请为申请日是2012年2月10日、申请号是201280006310.3、发明名称是“复合材料产品生产工艺及系统，以及利用该工艺或系统生产的产品”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种复合材料产品尤其是机动车单壳体车身的壳体与车顶的生产系统，以及利用该系统生产的产品。

背景技术

就已知的用复合材料尤其是碳纤维生产的单壳体车身而言，一般的制造方法是，利用粘接剂及/或机械工件比如螺栓，使分别模塑的复合材料成分互相固定。这种已知单壳体车身的特征一是成本高，因为整体结构不适于开发复合材料的潜能，二是可重复性一般，主要因为在生产过程中大量采用手工操作。事实上，单壳体车身是由大量的部件构成的，它们均通过手工层叠来分别模塑，然后再通过手动方式或利用粘接模板组装到一起。这样，各部件就需要首先生产出来，然后再组装，其方法均采用机动车工业传统的生产与组装工艺。各部件的生产一般采用模塑工艺，将碳纤维衬层在树脂中预浸渍，业界称预浸，然后手动铺设，并在蒸压釜内进行固化。这种工艺需要长时间的手动工作，而且材料昂贵，此外，不能保证适应于车辆所有其它部件的可重复性。因此，到目前为止所生产的单壳体车身，还不能太适于批量生产。这种生产过程还需要非常致密的联动系统，因而在大多数场合下，仅仅为生产一个部件，就需要数十个模具。此外，如果在固化处理之前材料被放置在室温下，则材料的质量便会大大下降，因而这类产品必定在几天内便会出现不良的工作状态，因此，这种已知的工艺很难应对突然性的停产，因而隐含着极高的出废品风险。

因此，已知的单壳体车身成本很高，而且难以批量生产，因为各部件的可重复性极低。零件主要采用预浸渍纤维来制成，其成本很高，而且需要较高的熟练技术。它们的生产过程的特征还在于，在生产与组装之间有明显的分离，用过的模具的使用寿命有限，对所制作的单一工件而言，在模具使用的生产周期内要使用大量的模具。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种可消除上述不足的工艺及产品。上述目的通过一种系统来达到，其主要特性分别在权利要求1内披露，其它特性在其余的权利要求中披露。

本发明的系统不仅可降低成本，由此在批量生产的基础上采用复合材料产品，而且还可保证生产标准所需的可重复性。

该工艺包括一个共同固化步骤，在该步骤中，至少产生两个部件，其中的主部件用作次部件的模具。接下来，通过中间衬层，使这两种部件共同固化，这样，便可避开粘接步骤。利用特定的模块系统，可实现这一工艺，该模块系统可假设生产过程中的各种不同功能。

中间衬层还可补偿各部件之间可能存在的公差，从而使最终产品可具有精密的形状及尺寸。为此，最好通过RTM工艺，在两个主模具之间模塑主部件，从而使其内壁与外壁的表面具有精密的形状与尺寸。

本发明还涉及一种单壳体车身，包括一个大致对应于机动车车厢的车外壳，以及一个覆盖该车外壳的车顶棚。这两个部件最好利用本发明的工艺与系统来生产。由于本工艺可批量化采用不同于蒸压釜预浸渍工艺的生产技术，比如RTM(树脂转移模塑)与编织工艺，因而其成本较低。这两种工艺均基于在模具内铺设干燥纤维，然后注入树脂。编织工艺基于在芯轴上自动编织纤维，然后注入树脂，而RTM工艺则基于沉积干燥纤维，然后注入树脂。衬层在模具内的定形及其随后的沉积可自动进行，这样，利用这些工艺生产出的零件可更具可重复性及经济性。

模具的模块化不仅可减少模具数量，而且还可减少每个工件所需的模具数量；目前所生产的某些单壳体车身，是在一个模塑步骤中生产出来的。为生产一个部件，其几何形状的复杂性及细部量可能需要十分之几尺度的模具。然而，根据本发明的工艺及系统，情况却相反，由于系统模块化，几个模具便可生产出大量的零件。

该工艺与系统的另一长处在于，对模块模具进行组合，这样，所生产出的零件便成为后续零件的模具，其长处还在于，与预浸渍相比，其大量的工艺过程均具有较小的侵蚀性，因此，对主模具而言，模具的寿命预计可达400件，对次模具，则可达800件，而以前使用的传统模具的寿命只有150件左右。

设备成本的降低，不仅可减少模具数量，而且还可减少模具使用过程中所涉及的维护及改造。

本工艺与系统的另一长处是，可同步实施多个生产步骤。此前为止通过几个非常复杂的模塑步骤所生产出的单壳体车身具有极高的出废品风险。与由大量简单而且互不相干的步骤组成的过程相比，一项复杂的过程当然更易于产生错误和缺陷。同步实施各种步骤，既可以重复生产某些部件，也可以中止其生产。

专用隔离件既可以增加单壳体车身阻力部分的惯性矩，从而增加后者的结构刚性，也可以为壳体金属镶嵌件获得空间，以利于与机动车其它零件的结构性连接。这些隔离件最好设置在单壳体车身各部分所属的各衬层之间，但也可以设置在某些部件的中间层内。

通过将镶嵌件模塑在隔离件的指定位置上，可以有效地简化本工艺，这样，这些镶嵌件不是模塑在复合材料部件的两个衬层之间，因而可降低衬层处理的复杂性。此外，在生产过程末期，在镶嵌件上配钻螺纹孔，从而可简化该工艺，还可提高产品的最终精度，因为螺纹孔的位置不取决于镶嵌件的位置，而取决于最终产品位置的绝对参照点。因此，通过这一设置，可以补偿镶嵌件在最终产品内可能产生的位置偏差。

主部件，即单壳体车身车外壳的内壁，最好利用RTM工艺，尤其是基于意大利专利申请MI2010A001072的RTM工艺来生产，该工艺在叠层中间采用若干主塑模及遮蔽罩，金属镶嵌件最好配备七个隔离件，镶嵌件处于辅助模之内，辅助模内充填环氧树脂泡沫，固化后形成隔离件的最终形状。这些镶嵌件还可包括采用复合材料尤其是碳纤维制成的部件。

尤其是，设置在主部件与次部件之间，即，设置在单壳体车身外壳的内外壁之间的隔离件，可以通过同一工艺同步生产出来，即，形成一种空心复合材料结构体，该结构体包括镶嵌件，而且是空心的，或者充填环氧树脂泡沫。

附图说明

结合下列实施方式的非限制性详细说明及附图，业内人士可进一步明晰基于本发明的系统的其它长处及特性，其中：

图1为工艺的第一步骤中辅助模具的放大剖视图；

图2为工艺的第二步骤中图1的辅助模具的放大剖视图；

图3为利用图1的辅助模具获得的隔离件；

图4为工艺第三步骤中主模具的立体图；

图5为工艺第四步骤中图4的主模具的立体图；

图6为图5的主模具的部分放大剖视图；

图7为工艺第五步骤中图6的剖视图；

图8为工艺第五步骤中图4的主模具的立体图；

图9至图12为工艺第六步骤中次模具的立体图；

图13至图16为工艺第七步骤中图9至图12的次模具的立体图；

图17为工艺第八步骤中模具与部件的立体图；

图18为工艺第九步骤中模具的立体图；

图19为图18的模具的部分放大剖视图；

图20为工艺第十步骤中图19的立体图；

图21为利用本工艺生产的车外壳的立体图；

图22为图21的车外壳的俯视图；

图23为图22的XXIII-XXIII剖视图；

图24为图23的XXIV部分放大图；

图25为图22的XXV-XXV剖视图；

图26为图25的XXVI部分放大图；

图27为利用本工艺生产的车顶棚的立体图；

图28为单壳体车身，包括图21的车外壳及图27的车顶棚。

具体实施方式

参见图1，从图中可看出，在本工艺的第一步骤中，一个或多个第一镶嵌件1、2设置在一个或多个辅助模具3、4内，并与这些模具的至少一个功能表面接触。第一镶嵌件1、2最好由金属复合材料制成，尤其是铝或轻合金与碳纤维的复合材料，或者这些材料的组合，在准备步骤中，在两个或多个纤维衬层之间，进行金属镶嵌件模塑，辅助模具3、4最好采用复合材料来制成，尤其是碳纤维。辅助模具3与/或4最好配有外凸体5及/或基座6，使第一镶嵌件1、2保持在指定位置上。为此，第一镶嵌件1、2的形状与上述外凸体5及/或基座6相匹配。典型情况下，外凸体5为销子，插入第一镶嵌件1的对应的孔眼内，最好再配备一个带摩擦力的耦合件，这样，即使辅助模具3、4颠倒，镶嵌件1仍然能固定不动。同样，镶嵌件2可以与带摩擦力的耦合件一同设置在基座6中。

参见图2，从图中可看出，在工艺的第二步骤，通过进出口8，将塑料材料7注入辅助模具3、4内，然后，在炉内对辅助模具3、4加热，从而进行固化，其加热温度为80℃-150℃之间。辅助模具3、4在这一加热过程中最好转动，从而使塑料材料7在其内均匀分布。塑料材料7最好为环氧树脂泡沫，它在固化过程中可膨胀。

参见图3，从图中可看出，在环氧树脂泡沫固化后，辅助模具3、4被冷却到50℃以下的温度，然后打开，并与产品7相分离，该产品成为复合材料产品的第一隔离件。隔离件7带有已固化的环氧树脂泡沫，该树脂泡沫与第一镶嵌件1、2的至少一部分相联，它可从第一隔离件7外凸，或者可从第一隔离件7的外面见到它的表面。这样，镶嵌件1上销子5的孔眼9便对外开启。

参见图4至6，从图中可看出，在工艺的第三步骤，一个或多个(典型情况为两个)第一纤维(典型情况为碳纤维)主衬层10最好采用干燥纤维，然后浸渍0-10％(最好为5％)重量的树脂，再将该主衬层设置到第一主模具11的至少一个功能表面上。一个或多个第一隔离件，尤其是配有按上述方法生产的一个或多个第一镶嵌件1、2的一个或多个第一隔离件7，可以与第一主衬层10及/或第一主模具11相接触。一个或多个(典型情况为两个)第二纤维(典型情况为碳纤维)主衬层12，最好采用干燥纤维，将该主衬层设置到第一主衬层10及/或第一主模具11及/或第一隔离件7上。第一隔离件7的至少一部分最好设置在第一主衬层10与第二主衬层12之间。利用补偿销及孔眼，使至少一个第二主模具13与第一主模具11对齐，并利用机械坚固件，尤其是肘节闩及/或螺钉，固定到第一主模具11上，从而将第一主衬层10、第一隔离件7及第二主衬层12设置到主模具11、13的各功能表面之间。主模具，尤其是第二主模具13，可配有活动式壁面14及/或挡块15，从而在模塑产品中分别形成下切式部分及/或深孔穴。图4中，为简化，主衬层10、12为矩形形状，然而各主衬层10、12可以分割成多个部分，各部分具有不同的形状、尺寸、厚度及/或纬纱，这些部分最好用数控机床来切割。第一隔离件7的形状及/或尺寸也可以与图4所示的不同。

在工艺的第四操作步骤中，通过主模具11、13之间的一个或多个注入口17，注入复合材料的树脂16，其注入压力为0.5巴至3.5巴之间，典型情况为1.5巴至2.5巴之间，最好通过一个或多个出口，减压至0.5巴以下，典型情况下为0.001与0.02巴之间，从而使主衬层10、12浸透树脂16。接下来，在炉内对主模具11、13加热，使树脂16固化，从而模塑出至少一个主部件。在注入树脂16之前，最好在25℃与70℃之间的温度下，对主模具11及/或13进行加热，主模具11及/或13最好采用复合材料来制成，尤其最好采用多层纤维(尤其是碳纤维)衬层方式，并预先浸渍树脂，然后在准备步骤中进行固化，最终形成模具11及/13成品。第一主模具11主要配有外凸功能表面，而第二主模具13则主要配有下凹功能表面。尤其是，第一主模具11的功能表面上有两个外凸部分，由一个内凹沟来分离，而第二主模具13的功能表面上则有两个下凹部分，由一个外凸沟来分离，第一主模具11的外凸部及/或内凹沟、及/或第二主模具13的外凸部及/或内凹沟的横截面，基本为矩形或基本为梯形。

参见图7与8，从图中可看出，在工艺的第五步骤中，主模具11、13被冷却，然后打开，其温度为40℃至70℃之间，并与主部件18分离，主部件包括主衬层，主衬层与树脂16一同固化，从而分别形成主部件18的至少一个内壁10及/或一个外壁12，主部件配有至少一个第一隔离件7，该隔离件设置在壁面10、12之间。在工艺的另一步骤中，主部件18保留在第一主模具11内，这样，内壁10便与第一主模具11的功能表面相接触。

参见图9至12，工艺的第六步骤可以在前述步骤之前、之中或之后实施，从图中可看出，在该步骤中，一个或多个(典型情况为两个)次纤维(尤其是碳纤维)衬层19、20、21、22，最好先进行预浸渍(预浸)，即，浸渍10％以上重量的树脂，然后分别设置在至少一个第一次模具23、至少一个第二次模具24、至少一个第三次模具25、至少一个第四次模具26的至少一个功能表面上。一个或多个第二镶嵌件27、28、29、30，最好采用金属尤其是铝板或轻合金板，及/或复合材料来制成，它们可设置在两个次衬层之间，或者一个次衬层与一个次模具或次衬层外壁之间，然后再设置到一个第二镶嵌件与一个次模具之间。在图9及12中，第二镶嵌件27、30分别设置在两个次衬层19或22之间，而在图10及11中，第二镶嵌件28、29分别设置在次衬层20、21与第二次模具24或第三次模具25之间。在图9至12中，为简化起见，次衬层19、20、21、22为矩形，然而各次衬层19、20、21、22也可以分割成多个部分，各自具有不同的形状、尺寸、厚度及/或纬纱。同样，第二镶嵌件27、28、29、30的形状及/或尺寸，也可以与图9至12的不同。

次模具23、24、25、26，配有次衬层19、20、21、22以及第二镶嵌件27、28、29、30，这些次模具被插入真空袋内，加热到120℃以上，然后放置到压力高于5巴的蒸压釜内，从而使次衬层19、20、21、22与第二镶嵌件27、28、29、30，在次模具23、24、25、26上被压缩，次衬层19、20、21、22的树脂得到固化。

参见图13至16，从图中可看出，在工艺的第七步骤中，在树脂固化后，次衬层19、20、21、22便形成次部件19、20、21、22，这些部件具有至少一个对应于次模具23、24、25、26的至少一个功能表面的表面。次部件19、20、21、22可以与次模具23、24、25、26分离，也可以留在其内。次模具23、24、25、26具有一个大致内凹的功能表面。

参见图17，从图中可看出，在工艺的第八步骤中，主部件18设置在至少一个第一主模具31内，该模具具有至少一个大致等于第一主模具11的功能表面的功能表面，或者，主部件18也可以保留在第一主模具11内。在一个或多个(尤其为三个)第二隔离件32、33、34上，最好覆盖至少一层粘接层，将它们设置到主部件18上。最好在主部件18上未被第二隔离件32、33、34覆盖的部位上，涂覆至少一层粘接层，然后，将已经预浸渍树脂(预浸)的一层或多层(尤其为两层)中间纤维(尤其为碳纤维)衬层(未图示)，设置到位于第一主模具11或31内的第二隔离件32、33、34上，及/或设置到主部件18上。

在将中间衬层沉积到主部件18上及/或第二隔离件32、33、34上的过程中，中间衬层可被覆盖至少一种防粘层，次部件19、20、21、22可暂时放置到中间衬层上，从而检查一下第二隔离件32、33、34的位置正确与否，方法是，将次模具23、24、25、26设置到次部件19、20、21、22上，然后移开次部件19、20、21、22以及防粘层。

接下来，利用真空袋，将中间衬层推压到主部件18上，然后，在中间衬层上铺设至少一层粘接层。接着，将次部件19、20、21、22设置到中间衬层上，及/或第二隔离件32、33、34上，及/或主部件18上，方法是利用次模具35、36、37、38，这些次模具具有至少一个分别基本等于次模具23、24、25、26的功能表面的功能表面。与次模具35、36、37、38不同，次部件19、20、21、22留在次模具23、24、25、26内。

主模具11、13及/或31，以及次模具23、24、25、26及/或35、36、37、38均配有具有一定形状及/或元件(比如销子与孔眼)的表面，用于与下列模具上的对应形状及/或元件(比如销子与孔眼)进行机械耦合，这些模具是：至少一个主模具11、13、31，及/或至少一个次模具23、24、25、26、35、36、37、38，及/或至少一个次模具39，这些模具均具有基本等于第二主模具13的至少部分功能表面的功能表面。

参见图18，从图中可看出，在工艺的第九步骤中，第一主模具11及/或31，以及次模具23、24、25、26、35、36、37、38及/或39，均通过机械紧固件(尤其是肘闩及/或螺钉)来互相固定，从而形成一个模块化模塑组合件40。第一主模具11及/或31最好安装在一个托架上(未图示)，该托架配有一个锁定系统，用于在模具与托架之间进行双向移动，从而可易于移动模塑组合体40。

参见图19，从图中可看出，配有第二镶嵌件28的次部件20与主部件18，被设置在一个第一主模具(比如第一主模具31)与一个次模具(比如第二次模具36)之间。第二隔离件33被设置在主部件18与次部件20之间，而中间衬层41则被设置在第二隔离件33与次部件20之间。第二隔离件32、33及/或34最好采用复合材料来制造，尤其是碳纤维，最好是干燥纤维，在准备步骤中，利用RTM或编织工艺，对纤维进行模塑，从而形成一种空心体42，该空心体具有一个孔穴43，该孔穴可以是空心的，也可以充注塑料材料，尤其是环氧树脂泡沫。接下来，在炉内对模塑组合体40加热，温度至少为130℃及/或至少3小时，从而使中间衬层41的树脂固化，固化后，与主部件18、与次部件19、20、21、22及/或与第二隔离件32、33、34共同形成一个单体。在中间衬层41在模塑组合体40内进行树脂固化的期间，可利用主模具11、13，再模塑一个主部件，及/或利用次模具23、24、25、26，再模塑一个或多个次部件。

参见图20，从图中可看出，在工艺的第十步骤中，打开模塑组合体40，使最终产品44与主模具31分离，该最终产品44包括主部件18，主部件18因已固化的中间衬层41而固定到次部件19、20、21、22上，这样，便形成次模具35、36、37、38、39。接着，将最终产品44放置到支撑架上，最好利用五轴数字控制工具进行机械加工，从而在最终产品44上，尤其在最终产品44中的镶嵌件上(比如第一镶嵌件1以及第二镶嵌件28)，形成螺纹孔45及/或非螺纹孔46及/或凹穴47及/或开孔，这样，可将零件及/或结构体固定到最终产品44上。对于具有至少一个向外表面的金属镶嵌件，比如第二镶嵌件28，也可以进行表面二次加工，从而获得一种具有精密尺寸及位置的基准面。

参见图21至26，从图中可看出，单壳体车身的外壳48可包括上述的最终产品44，即，它可以利用本发明的工艺及/或模具来制造。外壳48配有至少一个包括主部件18的内结构体，该内结构体与包括次部件19、20、21、22的外结构体连接在一起。外壳48的下侧部对应于单壳体车身的车门底框，它包括第二隔离件32、34，其形状最好基本为管状，及/或空心状，及/或采用编织技术来制造。可将至少一个镶嵌件49置于第二隔离件32、34上。外壳48的下后部对应于单壳体车身基座后面的台面，它包括第二隔离件33，该隔离件最好为空心状，及/或利用RTM工艺来制造。外壳48的上前部对应于单壳体车身挡风玻璃的底部，它包括至少一对楔形孔50、51，该楔形孔通过第二主模具13的挡块15而形成。

参见图27及28，从图中可看出，单壳体车身的顶棚52可包括上述最终产品44，即，它可以利用本发明的工艺及/或模具来制造。顶棚52具有至少一对外伸件53、54，该外伸件在风挡框的下方向下伸出，其形状可基本补偿楔形孔50、51的形状，即，基本为楔状，这样，在最终组装步骤中，最好利用粘接剂，将外伸件53、54固定到楔形孔50、51内，由此将顶棚52固定到外壳48上，从而形成一种单壳体车身55。也可以利用机械固定件，将顶棚52固定到外壳48上。

业内人士可以在下列权利要求书的范围内，对本文所述的发明实施方式进行任意修改及/或增加。尤其是，除了说明书及/或图示的一个或多个技术特性之外，本发明的深层次实施方式可以包括下列权利要求之一的技术特性，可以单个采用，或者任意双向组合。

Claims (6)

1.一种生产复合材料产品(44，48，52)的系统，该系统包括用于模塑至少一个主部件(18)的至少两个主模具(11，13；31)，以及用于在主模具(11，13)之间注入树脂(16)的一个或多个注入口(17)，其中，适于模塑一个或多个次部件(19，20，21，22)的一个或多个次模具(23，24，25，26；35，36，37，38，39)的表面形状及/或配备的器件，适于与至少一个主模具(11；31)及/或至少一个次模具(23，24，25，26；35，36，37，38，39)的对应形状及/或器件进行机械耦接，从而形成一个适于模塑一种产品(44，48，52)的模塑组合体(40)，该模塑组合体包括主部件(18)和次部件(19，20，21，22)，其特征在于，该系统还包括用于盛装次模具(23，24，25，26；35，36，37，38，39)的真空袋，还包括一个用于盛装插入这些真空袋内的次模具(23，24，25，26；35，36，37，38，39)的蒸压釜。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，适于模塑主部件(18)的至少一个主模具(11)，是模塑组合体(40)的至少一个主模具(11)。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，模塑组合体(40)的至少一个主模具(31)，具有至少一个功能表面，该表面大致等于用于模塑主部件(18)的至少一个主模具(11)的功能表面。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，适于模塑次部件(19，20，21，22)的一个或多个次模具(23，24，25，26)，是模塑组合体(40)的次模具(23，24，25，26)。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，模塑组合体(40)的一个或多个次模具(35，36，37，38)，具有至少一个功能表面，该表面大致等于用于模塑次部件(19，20，21，22)的一个或多个次模具(23，24，25，26)的功能表面。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，模塑组合体(40)的至少一个次模具(39)，具有一个功能表面，该表面大致等于用于模塑主部件(18)的主模具(13)的至少部分功能表面。