CN106564203A - 用于表面成形的组成物及其成形方法 - Google Patents

Abstract

一种用于表面成形的组成物及其成形方法，包括：柔性腔和设置于其内部或外部的柔性界面，其中：柔性界面为单层或多层薄型柔质材料组成，每层柔质材料上经剪裁有若干相互平行的悬臂片，柔性腔上设有开孔，用于进行抽真空处理。采用本发明可快速地形成模子的曲面轮廓，精确地控制模子表面形状，形成复杂自由曲面，且可根据需要实时调整模子的曲面形状。本发明简化了复合材料传统成型工艺中需要根据具体产品来制造模子这个工艺，节约了材料及能源，大幅缩短了复合材料生产周期并降低生产成本。

Description

用于表面成形的组成物及其成形方法

技术领域

本发明涉及的是一种模具制造领域的技术，具体是一种用于表面成形的组成物及其成形方法。

背景技术

复合材料制备工艺包括：成型以及固化两个阶段。成型是指将预浸料按要求铺置成一定的形状；固化即把铺置成一定形状的叠层预浸料，在温度、时间和压力等因素的影响下使形状固定下来，并能达到预期的性能要求。传统的复合材料成形方法包括模压成型、渗透成型、缠绕成型、拉挤成型、手糊成型以及真空柔性腔法等方法。在上述成形方法中，通常需要制作一个模子。而模子的制造具有模子制造周期长，制造价格昂贵，并且模子制造好以后，形状很难改变等特点。研究模子的快速成型技术将会大幅缩短复合材料生产周期并降低生产成本。

数字化表面重构技术是利用CAD输入信息来控制丝杆定位以形成三维表面的技术，采用这个方法对产品进行造型，节省了制造模子的费用以及时间；并可以通过改变丝杆的位置对已经形成的表面轮廓进行修改，方便快捷；此外，如果需要另一个造型，只需要重新改变丝杆阵列的表面轮廓。因此，采用这个技术可以快速的形成各种曲面轮廓。

经过对现有技术的检索发现，美国专利号US4,212,188，公开(公告)日1980年7月15日，公开了一种用于钢板成型的装置，将高度可调节的连杆排列安装在上、下两块支撑板上，这些连杆上下一一对应，形成连杆对，通过调节各连杆对的高度，使得连杆顶点表面形成曲面轮廓，作为钢板成型的模子，将上、下两块支撑板靠近并按压，使得钢板屈服，从而形成钢板曲面。各连杆顶端设置可转动的光滑头，以使钢板的曲面更加平滑。但由于要使钢板屈服成型，系统对各连杆的刚度要求很高，并且需要众多大功率的马达来驱动。因此，这个技术在钢板成型应用方面还非常有限。另一方面，由于该技术采用离散的点来控制曲面形状，控制点附近的曲面容易出现凹陷以及褶皱，然而该技术中没有提出使钢板曲面光滑化的措施。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种用于表面成形的组成物及其成形方法，针对复合材料成型过程的特点，设计轻型简便的成型机制，并提出复合材料曲面光滑化的实现措施。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种用于表面成形的组成物，包括：柔性腔和设置于其内部或外部的柔性界面，其中：柔性界面为单层或多层薄型柔质材料组成，每层柔质材料上经剪裁有若干相互平行的悬臂片，这些悬臂片在悬臂方向能够自由弯曲以匹配轮廓成型机构的不同外形设置。

所述的柔性腔上设有开孔，用于进行抽真空处理。

所述的柔性腔内设置复合材料预浸料。

所述的柔性界面平铺设置于复合材料预浸料与柔性腔之间，或者平铺设置于柔性腔的上表面或下表面。

本发明涉及上述装置的成形方法，通过将内部或外部设有柔性界面的柔性腔设置于由可调杆阵列构成的轮廓成型机构中，使得柔性界面按照轮廓成型机构的外形设置贴附于柔性腔的内侧或外侧，使得可调杆阵列构成的曲面轮廓光滑化。

所述的轮廓成型机构采用至少一个，优选为采用两个且相对设置，进一步优选为采用六个且分别位于正交坐标系的六个方向。

所述的轮廓成型机构优选设置于机架上以固定相对位置。

所述的可调杆阵列优选设置于限位板上，且各个可调杆之间互相平行。

所述的可调杆采用但不限于丝杆螺母机构实现，该丝杆螺母可采用步进电机驱动以实现精确位移。

所述的丝杆螺母机构内设有匹配步进电机的螺纹，该丝杆螺母的外截面为非圆形(比如：正方形或六边形)，通过步进电机带动丝杆转动，进而带动套在丝杆上的丝杆螺母在限位板上位移，从而调节丝杆螺母与柔性腔之间的距离，从而构成复合材料预浸料的外形轮廓模具。

所述的限位板上设有与丝杆螺母的外截面相匹配的孔。

所述的丝杆螺母的顶端设有盖型螺帽，该螺帽优选为表面光滑。

所述的固化，当复合材料预浸料为薄型光敏树脂材料时，优选可采用紫外线固化技术，其具体操作为：对柔性腔抽真空操作1～2分钟，使复合材料预浸料基本成型，然后将柔性腔以及内部材料放置在紫外线灯箱中进行固化。

技术效果

与现有技术相比，本发明采用数字化手段控制上、下两排丝杆螺母运行到指定高度，形成曲面轮廓，作为复合材料的模子。本发明装置轻型简单，操作便利。采用本发明可快速地形成模子的曲面轮廓，精确地控制模子表面形状，形成复杂自由曲面，且可根据需要实时调整模子的曲面形状。此外，本发明在柔性腔内部/外表面采用特定形状的柔性界面，使成型后的材料表面光滑化，避免了丝杆螺母顶端附近的材料凹陷及褶皱等问题。进一步的，当复合材料预浸料为薄型光敏树脂材料时，采用紫外线技术固化由本发明装置初步成型的复合材料预浸料，可将复合材料预浸料的固化时间由传统真空法所需的7‐12小时缩短至5‐20分钟。本发明简化了复合材料传统成型工艺中需要根据具体产品来制造模子这个工艺，节约了材料及能源，并大幅缩短了复合材料生产周期并降低生产成本。

附图说明

图1为本发明的三维视图；

图2为本发明的剖面图；

图3图示了丝杆螺母的细节；

图4图示了步进电机和丝杆螺母的连接细节；

图5图示了步进电机及丝杆螺母与支撑框架的连接细节；

图6图示了柔性界面的形状；

图中：a为单层结构，b为双层结构；

图7图示了为本发明的具体操作步骤；

图中：a～d为实施例制备过程示意图；丝杆螺母1、丝杆螺母限位板2、支撑框架梁3、支撑框架柱4、复合材料预浸料5、柔性界面6、真空柔性腔7、抽气口8

具体实施方式

如图1所示，本实施例所涉及的三维可重构表面成型装置包括：上排丝杆螺母1及下排丝杆螺母1’，丝杆螺母限位板2及2’，步进电机100及100’(为了清楚地显示结构，图中只显示了两个步进电机)，步进电机丝杆101及101’，步进电机支撑板20及20’，支撑框架梁3、3’、30及30’，以及支撑框架柱4。丝杆螺母限位板2及2’上分别设置一一对应的非圆形孔201及201’，孔的形状和丝杆螺母1及1’的外截面匹配。步进电机支撑板20及20’上设置孔200及200’。复合材料预浸料5的上下表面设置柔性界面6及6’，并放置于真空柔性腔7内，真空柔性腔设置抽气孔8。

如图2所示，为三维可重构表面成型装置的剖面图，显示了步进电机以及丝杆螺母与支撑框架的连接方式。一个步进电机控制一个丝杆螺母，上排丝杆螺母1的步进电机100固定在支撑板20上，下排丝杆螺母1’的步进电机100’固定在支撑板20’上。步进电机100(100’)的丝杆101(101’)穿过步进电机支撑板上的孔，和丝杆螺母1(1’)连接。

如图3所示，为丝杆螺母的细节，丝杆螺母1(1’)内部设置螺纹11，外截面12为非圆形(图中显示外六角丝杆螺母)，丝杆螺母一端设置光滑的盖型螺帽10。图4显示了丝杆螺母与步进电机的连接方式，丝杆螺母1(1’)通过螺纹11和步进电机100上面的螺纹丝杆101连接。图5显示了步进电机及丝杆螺母与支撑板的连接细节，步进电机100通过固定装置102固定在支撑板20上，步进电机的丝杆101穿过支撑板20上的孔200，与丝杆螺母1连接，丝杆螺母1穿过限位板2上的孔201。

采用真空法准备复合材料，将复合材料预浸料5按要求铺置成一定的形状，并用真空柔性腔7封装。将柔性界面6及6’放置于复合材料预浸料5的上、下表面与真空柔性腔之间，或将柔性界面6及6’放置于真空柔性腔7与丝杆螺母1及1’之间。柔性界面6及6’是一层柔软的材料(比如聚丙烯或者聚碳酸酯材料)，剪裁成众多相互平行的悬臂片60，如图6a所示。这些悬臂片在悬臂方向可以自由弯曲，以和丝杆螺母阵列表面形成的曲面轮廓匹配，使丝杆螺母阵列点形成的曲面轮廓光滑化。柔性界面可以是一层柔性界面，如图6a及6b所示，也可以是由两层柔性界面按照不同的方向组合而成或编制而成，如图6c及6d所示。

如图7所示，为本实施例成型工艺的具体操作：

第一步：将步进电机100(100’)通过固定装置102(102’)固定在支撑板20(20’)上，步进电机螺纹丝杆101(101’)穿过支撑板20(20’)，和丝杆螺母1(1’)内部的螺纹11(11’)连接，再将丝杆螺母1(1’)穿过限位板2(2’)上的孔20(20’)，如图7a。

第二步：开启步进电机100(100’)带动螺纹丝杆101(101’)转动，进而带动丝杆螺母1(1’)沿着限位板2(2’)上的孔20(20’)作竖向运动，从而改变丝杆螺母1(1’)的高度。一个步进电机与一个丝杆螺母对应，当各步进电机带动对应的丝杆螺母运行到指定高度，丝杆螺母阵列顶端表面即形成曲面轮廓。上、下排丝杆螺母阵列表面形成复合材料上、下表面轮廓的模子，如图7b。

第三步：将真空柔性腔7及内部复合材料预浸料5，以及柔性界面6及6’放置在上、下排丝杆螺母之间，如图7c。

第四步：移动支撑框架梁带动上排丝杆螺母限位板及步进电机支撑板向下移动，或者同时移动上、下排丝杆螺母及步进电机的支撑框架梁作相对运动，使上、下排丝杆螺母靠近并压紧，使真空柔性腔以及内部材料成型为丝杆螺母阵列表面形成的曲面轮廓，如图7d。从真空柔性腔7的抽气口8抽真空，使复合材料固化。

当复合材料预浸料为薄型光敏树脂材料(厚度小于13mm)时，可采用紫外线固化技术对复合材料预浸料进行固化。具体操作为：抽真空操作1～2分钟，使复合材料基本成型，然后将真空柔性腔以及内部材料放置于紫外线灯箱中，进行固化。和传统的真空固化技术相比，采用紫外线固化技术，可将固化时间由7‐12小时缩短至5‐20分钟。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (10)

1.一种用于表面成形的组成物，其特征在于，包括：柔性腔和设置于其内部或外部的柔性界面，其中：柔性界面为单层或多层薄型柔质材料组成，每层柔质材料上经剪裁有若干相互平行的悬臂片，所述的柔性腔上设有开孔，用于进行抽真空处理。

2.根据权利要求1所述的组合物，其特征是，所述的柔性界面平铺设置于柔性腔上表面或下表面。

3.根据权利要求1所述的组合物，其特征是，所述的柔性腔内设置复合材料预浸料。

4.根据权利要求3所述的组合物，其特征是，所述的柔性界面平铺设置于复合材料预浸料与柔性腔之间。

5.一种用于表面成形的成形方法，其特征在于，通过将内部或外部设有柔性界面的柔性腔设置于由可调杆阵列构成的轮廓成型机构中，使得柔性界面按照轮廓成型机构的外形设置贴附于柔性腔的内侧或外侧，使得可调杆阵列构成的曲面轮廓光滑化，经过固化实现成型。

6.根据权利要求5所述的成形方法，其特征是，所述的轮廓成型机构采用两个且相对设置或采用六个且分别位于正交坐标系的六个方向。

7.根据权利要求5所述的成形方法，其特征是，所述的可调杆阵列设置于限位板上，且各个可调杆之间互相平行。

8.根据权利要求5所述的成形方法，其特征是，所述的可调杆采用丝杆螺母机构实现，该丝杆螺母可采用步进电机驱动以实现精确位移。

9.根据权利要求8所述的成形方法，其特征是，所述的丝杆螺母机构内设有匹配步进电机的螺纹，通过步进电机带动丝杆转动，进而带动套在丝杆上的丝杆螺母在限位板上位移，从而调节丝杆螺母的与真空柔性腔之间的距离，从而构成复合材料的外形轮廓模具。

10.根据权利要求5所述的成形方法，其特征是，所述的固化是指：对柔性腔抽真空操作1～2分钟，然后将柔性腔以及内部材料放置在紫外线灯箱中进行固化。