CN107405840B - 纤维增强结构 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于制造纤维增强结构的方法。首先，提供第一材料的型芯(10)，其中，型芯(10)包括中空的内部(14)和用于允许流体进入内部(14)的孔(16)。在型芯(10)上提供第二材料的层(18)。第二材料包括未固化的树脂和纤维。将型芯(10)和层(18)放置在由模具(20)形成的模具腔(22)中。加压的流体经由孔(16)引入到型芯(10)的内部(14)中，用于产生用于朝外扩张型芯(10)的力。型芯(10)被加热，使得其变成可形变的并朝外扩张以将层(18)压靠在模具(20)上。层(18)被加热使得其固化。然后型芯(10)被加热到其第一材料的熔点以上的温度，使得其熔化，之后将其移除。

Description

纤维增强结构
技术领域
本发明涉及纤维增强结构的制造。特别地，本发明涉及由包括树脂和碳纤维的材料制造三维结构。
背景
具有高强度与重量比的部件或结构具有许多应用，例如，在航空和航天工业以及高性能汽车工业中。这些部件可以由合金(例如，钛和镁合金)制成。该合金可以以高精度加工或铸造，并且该结构可以在紧密的尺寸公差(tight dimensional tolerances)内制造。复杂的三维形状或中空形状还可以例如用CNC机床或通过铸造成型生产。
包括由树脂固定的纤维的复合材料通常用于需要高强度与重量比的部件中。该强度与重量比甚至可能超过一些高性能合金的强度与重量比。然而，由于这些复合材料的性质，可能难以制造具有对合金而言是可能的紧密的尺寸公差和错综复杂细节的结构。如果部件由预制的重叠片材(例如，树脂浸渍的编织物或布料)制造尤其是这种情况，这是由于纤维降低了片材的柔性，使得它们不太容易变形。例如，可能难以迫使片材遵循尖锐的轮廓，例如，模腔的紧密的内角。此外，具有中空部分的复杂的三维形状的高性能结构通常难以制造，特别是由重叠的片材制造。
概述
本发明的一个目的是提供一种制造纤维增强结构的方法，其排除了上述缺点，并且通常改进了纤维增强结构的制造。更具体地，本发明的目的是提供具有改进的强度与重量比的纤维增强结构。另外的目的是提供一种制造具有精密的尺寸公差的纤维增强的三维结构的方法。本发明的另外的目的是改进纤维增强结构的结构强度或强度与重量比，从而允许在成形和形成纤维增强结构的方面的更大的自由度。
通过以下描述的本发明的四个不同方面来实现上述目的以及可以从下面的概述和描述中解释的附加的目的。在本部分和详细描述中描述了各方面的可能的修改。
第一方面是用于制造由纤维增强的结构的方法。该方法包括：
(i)提供第一材料的型芯(mandrel)，其中，该型芯包括外表面、中空的内部和用于允许流体进入内部的孔，该第一材料在室温下是刚性的，并且具有熔化温度，该第一材料在熔化温度熔化，且该第一材料在接近该熔化温度时变成可形变的(deformable)，以及
(ii)在型芯的外表面上提供第二材料的层而不阻塞该孔，其中，第二材料包括未固化的热固树脂和配置成用于增强该结构的纤维，该第二材料具有固化温度，该第二材料在该固化温度以下是易变形的(pliable)，并且在该固化温度以上固化。另外地，该方法包括：
(iii)将型芯和层放置在由模具形成的模具腔中，其中，模具配置成允许流体到达型芯的孔，以及
(iv)经由该孔将加压的流体引入到型芯的内部中，用于产生用于朝外扩张型芯的力，将型芯加热到第一材料的熔化温度以下的温度，以使型芯可形变，并允许型芯朝外扩张并将层压靠在模具上，并且将层加热到第二材料的固化温度以上的温度以固化并形成结构。该方法还包括：
(v)将型芯加热到第一材料的熔点以上的温度以熔化型芯。该方法还可以包括：
(vi)从结构移除熔化的型芯。
该方法总的来说允许形成更复杂形状的结构，特别是具有中空的部分的结构。例如，在步骤(i)中提供的型芯或芯可以具有复杂的形状，并且模具可以配置成反映复杂的形状，然后复杂的形状将在最终的结构中显示。此外，在步骤(ii)中，在型芯的外表面上提供第二材料的层可以配置成界定结构的复杂部分。步骤(iii)中允许流体到达型芯的孔的模具的配置允许型芯和模具在步骤(iv)中协作并且一起形成最终结构的形状。由于型芯在步骤(vi)中移除之前在步骤(v)中熔化，因此开口可以保持较小，并且对结构的整体形状具有很小的影响。因此，该方法的所有步骤(i)-(vi)协同地促进了在成形和形成纤维增强结构方面的较大的自由度。这种较大的自由度允许关于结构强度和强度与重量比优化的特定功能的结构。
该方法的其它协同效应如下所述。通过步骤(i)-(iii)可以实现的步骤(iv)促使层在压靠模具上时开始固化，这有助于改进最终结构的强度与重量比，这是由于第二材料被压实。此外，在步骤(i)中提供的型芯和在步骤(iii)中提供的模具使得加压的流体可以在步骤(iv)中将高压输送到型芯的内部，从而允许模具具有更错综复杂的细节和尖锐的特征，例如，紧密内角。因此，型芯和模具允许在结构的成形和形成方面具有更大的自由度。步骤(iv)还在层开始固化时迫使层抵靠在模具上，这有助于改进最终结构的尺寸公差，特别是如果使用加压的流体的高压。
该结构可以是中空的结构。在步骤(ii)中，该层可以被提供成覆盖型芯的整个或一部分外表面。在步骤(ii)中，该层可以被提供成包围或包裹型芯或型芯的一部分。此外，在步骤(ii)中，在型芯的外表面上提供第二材料的层可以配置成界定结构或结构的一部分中的中空的空间。
室温在这里被理解为包括但不限于执行整个该方法的周围温度(ambienttemperature)或执行步骤(ii)的周围温度。室温可以在10-50℃的范围内，在20-23℃的范围内或约21℃。另外地或替代地，第二材料在室温下可以是易变形的。易变形的这里被理解为包括柔性的。第一种材料变成可形变的在这里被理解为包括第一材料变成弹性的、易变形的、柔性的、柔软的和/或屈服的。
第一材料从易变形的变为液体的温度可能难以界定或不对应于精确温度。在这些情况下，熔化温度应被理解为发生这种变化的近似指示。例如，熔化温度可以是指发生变化的温度范围的平均温度，或者这种范围的端点中的一个。
类似地，树脂的固化温度可能难以定义，或者不对应于精确温度。那么，固化温度应被理解为包括在工业上可应用或操作上有效固化可以发生或开始的最低温度的近似指示。例如，固化温度可以是指以在工业上可应用或操作上有效的方式发生固化的温度范围中的温度，或这种范围的下端点或上端点。固化的树脂可以具有玻璃化转变温度，该玻璃化转变温度可以在第一材料的熔化温度以上。在树脂的固化中，可以在第一材料的熔化温度以下实现凝胶化或初始固化，而可以在第一材料的熔化温度以上实现玻璃化或完全固化。在步骤(iv)中，该层可以被加热到第一材料的熔化温度以下的温度。
步骤(ii)还可以包括：向层提供一个或更多个开口，其中，该一个或更多个开口中的每个配置成防止型芯在其熔化之前通过该一个或更多个开口移除，或具有防止型芯在其熔化之前通过该一个或更多个开口移除的尺寸。此外，该一个或更多个开口中的每个可以配置成允许型芯在型芯熔化之后通过一个或更多个开口移除，或具有允许型芯在型芯熔化之后通过一个或更多个开口移除的尺寸。型芯在室温下可以是刚性的或自支撑的。
步骤(iv)还可以包括：将热量供应到型芯的内部以将型芯加热到第一材料的熔化温度以下的温度，以及将层加热到第二材料的固化温度以上的温度。第二材料的固化温度可以低于第一材料的熔化温度。如果将热量供应到型芯的内部，则这是有利的，这是由于热量在其到达层之前必须通过型芯，这意味着型芯通常在给定时间内达到更高的温度。因此，如果第二材料的固化温度高于第一材料的熔化温度，则在层的固化开始之前型芯将熔化。
步骤(iv)还可以包括：向模具供应热量，以将模具内的型芯加热到第一材料的熔化温度以下的温度，以及用于将模具内的层加热到第二材料的固化温度以上的温度。第二材料的固化温度可以高于第一材料的熔化温度。如果将热量供应到模具，则这是有利的，这是由于热量在其到达型芯之前必须通过层，这意味着层通常在给定时间内达到更高的温度。因此，如果第二材料的固化温度低于第一材料的熔化温度，则在层开始固化之前存在不能将型芯变成可形变的并将该层压靠在模具上的风险。
孔可以是从模具外部进入型芯的内部的唯一入口。这意味着在步骤(iv)中经由孔进入到型芯内部中的加压的流体的体积将受型芯内部的体积的限制，并且如果型芯不完全覆盖模具的内部，可能还受模具腔的容积的限制。还可以存在其它的孔，加压的流体可以通过该其它的孔进入到型芯的内部中，这将进一步限制通过第一孔的体积。型芯可以包括用于允许流体离开型芯的内部的另外的孔。在该配置中，在步骤(iv)中经由孔进入到型芯的内部中的加压的流体的体积将受到通过该孔和另外的孔产生的流的限制。
模具可以具有允许从模具外部进入模具腔的开口。该开口可以配置成允许从模具外部进入孔，或者孔可以配置成经由开口从模具的外部是可进入的。在步骤(vi)中，从结构移除熔化的型芯可以包括：经由开口移除熔化的型芯，或促使熔化的材料经由开口从模具腔流出。这意味着可以使用相同的开口来增加型芯的内部中的压力，并且用于从模具腔的内部移除熔化的型芯，这允许具有单个孔眼的结构和在形成该结构的方面的更大的自由度。
本发明的第二方面是用于放置在模具的模具腔中的型芯，模具具有开口，以允许从模具外部进入模具腔。型芯包括中空的内部和用于允许流体进入内部的孔，其中，型芯配置成当型芯被放置在模具腔中时允许经由开口进入该孔。此外，型芯是由第一材料构成的，第一材料在室温下是刚性的并且具有熔化温度，第一材料在熔化温度熔化，并且第一材料在靠近熔化温度时变成可形变的。第二方面的型芯允许执行第一方面的方法。
本发明的第三方面是一种模制系统，该模制系统包括：
模具，其具有模具腔和允许从模具外部进入模具腔的开口，以及
型芯，其包括中空的内部和用于允许流体进入内部的孔。型芯配置为当型芯放置在模具腔中时允许经由开口进入孔。型芯是由第一材料构成的，第一材料在室温下是刚性的并且具有熔化温度，第一材料在熔化温度熔化，并且第一材料在靠近熔化温度时变成可形变的。型芯可以配置成在其与模具之间形成用于容纳设置在型芯的至少一部分上的层的空间。第三方面的模制系统允许执行第一方面的方法。
根据第二方面的型芯和根据第三方面的模制系统可以配置成在根据第一方面的方法中使用，而对整个说明书中描述的方法进行或不进行任何修改。
本发明的第四方面是通过根据第一方面的方法制造的结构。
详细描述
下面描述了本发明的各方面的其它可能的修改。这些修改涉及可以应用于本发明的各方面的附加的或替代的特征或功能。
在第一方面和第四方面中，第一材料可以是热塑性塑料。该热塑性塑料可以由聚乙烯组成或包括聚乙烯。树脂可以包含环氧树脂。这种材料的组合通常具有这样的优点：第一材料在芯已经熔化之后不会粘附到第二材料上，并且第一材料可以容易地从结构移除，例如，通过使结构或模具倾斜以允许熔化的第一材料流走。此外，这种材料的选择通常将导致已经与型芯接触的最终结构的壁光滑和有光泽。第二材料可以是预先浸渍的碳纤维编织物或布，例如，由Hexcel公司制造的
Figure GDA0001602262450000061
预浸料，例如，
Figure GDA0001602262450000062
M26T和
Figure GDA0001602262450000063
M76。
另外地以及替代地，聚乙烯可以是高密度聚乙烯。第一材料可以包括聚乙烯。树脂可以包括三聚氰胺、苯酚甲醛、聚酯、聚酰亚胺和/或乙烯基酯。纤维可以包含碳纤维。替代地或另外地，纤维可以包括聚芳基酰胺纤维、玻璃纤维和/或植物纤维。植物纤维可以包括麻纤维。
第一种材料可以选自具有在85℃-145℃内的熔化温度或熔点的一系列材料。第二种材料可以选自具有在110℃-135℃内的固化温度的一系列材料。
在步骤(iv)中，加压的流体可以将型芯的内部中的压力增加到大于5巴，优选地大于7巴的压力。步骤(iv)中型芯的加热可以包括：将型芯加热至110℃-140℃范围内的温度，优选地120℃的温度。步骤(iv)中的层的加热可以包括：将层加热至110℃-140℃范围内的温度，优选地120℃的温度。步骤(iv)中的层的加热可以包括：将层和型芯加热到相同的温度。步骤(v)中型芯的加热可以包括：将型芯加热至140℃-200℃的范围内的温度，优选地170℃或170℃以上的温度。当第一种材料包括聚乙烯且树脂是环氧树脂时，上述压力和温度是适合的。
在步骤(iv)中的固化中，温度可以在第二材料的固化温度和第一材料的熔化温度之间。这确保在第二材料开始固化之前型芯将不会熔化，这意味着型芯可以在固化阶段或初始固化阶段过程中将该层压靠在模具上。步骤(iv)中的层的加热可以执行足够长的时间以使树脂达到凝胶化。替代地，步骤(iv)中的层的加热可以执行足够长的时间以使树脂达到玻璃化或完全固化。
在步骤(iii)中，模具可以配置成使孔保持向模具的周围(surroundings)敞开。步骤(iv)还可以包括：将模具放置在热压器中，并在热压器内产生加压和加热的环境(atmosphere)，以提供加压的流体并加热型芯和层。这具有加压的流体通过孔进入型芯的内部的效果。此外，加热的环境将通过穿过模具的传导加热型芯和层。另外地或替代地，也可以通过经由孔的对流来实现型芯和层的加热，这是由于加压的流体被加热。如果在环境的压力增加之前完成环境的加热，或者如果在型芯的内部经由孔产生加压的流体的流，则情况尤其如此。
在第一方面和第四方面中的步骤(iv)还可以包括：经由压力管道将型芯的孔连接到压力源，其中，压力源提供加压的流体，且压力管道将加压的流体输送到孔。这具有以下优点：结构不受压力室、热压器等的尺寸限制，这允许在设计结构时的更大的自由度。步骤(iv)还可以包括：将模具放置在产生用于加热型芯和层的热量的烘箱中。
型芯可以包括另外的孔，该另外的孔用于允许流体离开内部以允许加压的流体流动穿过型芯内部的至少一部分。模具可以具有另外的开口，该另外的开口允许从模具外部进入模具腔。该另外的开口可以配置成允许从模具外部进入该另外的孔，或者该另外的孔可以配置成经由该另外的开口从模具的外部是可进入的。
步骤(iv)还可以包括：加热加压的流体并产生加压的流体的流，其中，流经孔进入型芯的内部，并经由该另外的孔离开型芯的内部，用于加热型芯和层。加热可以将型芯加热到第一材料的熔化温度以下的温度，并将层加热到第二材料的固化温度以上的温度。
加压的流体的流可以被约束在另外的孔处或另外的孔之后，以允许压力建立并产生用于朝外扩张型芯的力。通过这里所述的修改，不需要压力室、烘箱或热压器。这意味着结构的尺寸不受限制，并且可以制造更大尺寸的结构。在上述的替代措辞中，步骤(iv)还可以包括：加热加压的流体并产生通过孔的加热的加压的流体的流。
步骤(v)可以在步骤(iv)之后立即进行，这有助于改进制造工艺的效率。步骤(v)可以在热压器或烘箱中执行。如果步骤(iv)涉及热压器或烘箱，则步骤(v)可以在相同的热压器或烘箱中执行。在步骤(v)中，加压的流体的流可以将型芯加热到第一材料的熔点以上的温度以熔化型芯。
步骤(iv)中的固化可以是第一固化，并且该方法还可以包括以下步骤：
(vii)在大于第一固化温度的温度下使层或结构经历第二固化。
可以在第一固化中实现树脂的凝胶化或初始固化。可以在第二固化中实现树脂的玻璃化或完全固化。步骤(vii)中的第二固化允许在步骤(iv)中形成在较低温度下执行的结构，但是在第二固化中具有较高温度的整体固化效率。
步骤(vii)可以在步骤(iv)和(v)之间，与步骤(v)同时或在步骤(vi)之后执行。在第二固化中，温度可以在第一材料的熔点以上。这允许在步骤(v)中熔化型芯，并且同时执行步骤(vii)中的第二固化，这减少了工艺步骤的数量并改进了该方法的效率。
步骤(v)可以包括：在步骤(iv)中继续加热型芯以实现型芯的熔化。步骤(vii)可以包括：在步骤(iv)中连续加热层以实现第二固化。
步骤(vii)可以在热压器或烘箱中执行。如果步骤(iv)涉及热压器或烘箱，则步骤(vii)可以在相同的热压器或烘箱中执行。这允许连续操作并且改进该方法的效率。在步骤(vii)中使第二材料经历第二固化可以包括：将层或结构加热至140℃-200℃的范围内的温度，优选地170℃或170℃以上的温度。当第一种材料包括聚乙烯并且树脂是环氧树脂时，这些温度是合适的。
在该方法的不同步骤中，通过加热实现的每个温度可以在温度的间隔内变化或单调增加。例如，在步骤(iv)中，将型芯加热到第一材料的熔化温度以下的温度可以包括将型芯从室温加热至120℃，并将该层加热至固化温度以上的温度可以包括将型芯从室温加热至120℃。在步骤(v)中，将型芯加热到第一材料的熔点以上的温度可以包括将型芯从120℃加热至170℃，并且在步骤(vii)中使层或结构经历第二固化包括将层或结构从120℃加热至170℃。
在步骤(iv)中，可以在模具腔或型芯留下的空间中提供升高的压力，以将层或结构压靠在模具上。类似地，在步骤(vii)中，可以在模具腔或型芯留下的空间中提供升高的压力，以将层或结构压靠在模具上。升高的压力可以大于5巴，优选地大于7巴。这确保步骤(iv)中形成的结构的形状保持到步骤(vii)的第二固化并保持在步骤(vii)的第二固化中。
该方法还包括以下步骤：
(viii)从模具移除层或结构。
步骤(viii)可以在步骤(iv)之后，步骤(iv)和(v)之间，或步骤(v)和(vi)之间执行。另外地或替代地，型芯和/或层或结构可以在步骤(iv)和(v)之间被允许冷却。可以允许型芯冷却，使得它变成刚性的，从而为层提供结构支撑，即使在步骤(iv)中该层已经达到完全固化，也允许型芯和层从模具移除。如上所述，该方法可以包括以下步骤：(vii)使层或结构经历第二固化。步骤(vi)之前的移除因此允许第二固化发生在不同于第一固化的另一个位置或时间。例如，第一固化可以在热压器中执行，而第二固化可以在烘箱中执行。
在步骤(viii)中移除层或结构可以在步骤(vi)和(vii)之间，或在步骤(vii)之后。如果该层在第一固化中达到足够的结构强度以支撑自身，则这是可能的。
步骤(iv)中固化温度以上的温度可以保持足够长的时间以达到第二材料的完全固化或玻璃化。这具有的优点是，在结构的制造中不需要用于完全固化的另外的步骤，这具有更有效的工艺的优点。
在步骤(ii)中，在型芯的外表面上提供第二材料的层可以包括：在型芯上施加一个或更多个第二材料的片材。这具有的优点是，该层可以在施加到型芯之前具有结构完整性，其可以有助于最终结构的结构完整性和强度。片材中的每个可以界定纤维定向，并且片材可以被施加以界定不同层之间的多个纤维定向，这有助于增加最终的结构或最终的结构的部分之间的强度，这允许在设计结构方面的大的自由度。片材可以被预制。
一个或更多个片材中的纤维可以形成编织物或布织物，并且树脂可以浸渍编织物或布织物。这有助于改进最终的结构的强度。一个或更多个片材可以以重叠的层施加。这还有助于改进最终的结构的强度。该一个或更多个片材可以具有用于允许一个或更多个片材粘附到型芯和/或彼此的粘合剂侧。这具有的效果是，片材可以容易地被施加到型芯和重叠层，这有助于改进制造方法的效率。第一方面的方法特别适合于由浸渍有树脂的编织物或布织物形成的片材，这是由于它们相对较硬，并且步骤(iv)中的加压的流体可以在高压下被提供以迫使相对硬的片材遵循模具腔的壁。
该方法在步骤(iv)之前和/或同时可以包括：
(ix)在型芯和模具之间抽空模具腔内的空气。
步骤(ix)具有的效果是，在步骤(iv)中，型芯可以朝外扩张并且将层压靠在模具上，而不会在型芯和层之间或层与模具之间卡住空气。卡住的空气可以阻止结构达到期望的形状，因此这被避免，并且改进了制造。
该结构可以形成更大结构的一部分。该方法还可以配置成形成由纤维增强并结合到结构的另外的结构。模具可以包括另外的外表面和用于允许从模具外部进入模具腔的间隙，并且步骤(iii)还可以包括：在模具的另外的外表面上提供第二材料的另外的层，以及经由间隙将另外的层结合到设置在型芯的外表面上的层。步骤(iv)还可以包括：产生迫使另外的层抵靠在另外的外表面上的压力，并将另外的层加热到第二材料的固化温度以上的温度以形成另外的结构。
间隙可以进一步配置成允许从模具外部进入孔。因此，上述开口和间隙可以是相同的。这意味着可以通过另外的结构到达孔，这反过来意味着可以制造没有任何开口的这样的结构，这可能有助于改进强度。该结构可以构成轮的毂和轮辐，并且该另外的结构可以构成轮的轮缘。
在本发明的所有方面中，型芯可以被成形为符合或遵循模具腔的形状。这允许型芯、层以及模具之间的紧密配合，并允许具有薄壁和/或均匀厚度的壁的结构。另外地或替代地，孔可以是从型芯的外部到型芯内部的唯一开口。这具有这样的效果，即使型芯或模具的周围处于较低压力，也可以在型芯的内部保持增加的压力。例如，加压的流体可以由压缩机产生并且通过导管被输送到孔，其中管的外部和型芯处于大气压力下。
在所有方面，型芯可以包括突出部分，孔位于该突出部分上。这意味着突出部分与型芯的其余部分具有相同的材料。突出部分可以配置成将孔定位在模具的外部，或者当将型芯放置在模具腔中时，突出部分可以配置成延伸穿过模具的开口，以将孔定位在模具的外部。这使得在将孔联接到压力源时更容易达到孔，这有助于更容易的处理。突出部分可以配置成提供突出部分和模具之间的密封，用于防止流体经由开口逸出或进入模具腔。这防止空气在层和模具之间泄漏，这意味着通过简单地增加孔处的压力可以在型芯的内部增加压力，例如，通过将具有型芯的形式放置在模具腔内的压力室或热压器中。型芯可以通过吹塑、旋转模制或3D打印制造。
附图简述
图1-10示出了用于制造纤维增强结构的方法的实施方案。
图11-20示出了用于制造纤维增强结构的方法的另一个实施方案。
图21-30示出了用于制造纤维增强结构的方法的还有的另一个实施方案。
图31是用于制造纤维增强轮的另一个实施方案中的型芯的实施方案的前视图。
图32为图31中的型芯的前视横截面图。
图33为图31中的型芯的侧视横截面图。
图34-43示出了用于制造纤维增强轮的方法的实施方案的步骤。
图44示出了用于制造纤维增强轮的方法的另一个实施方案中的阶段。
附图详述
示例性实施方案的以下详细描述参考附图。在不同附图中重复使用的相同参考标号表示相同或类似的元件。此外，为了说明和解释本发明的不同方面，提供了详细的描述。上面对于本发明的不同方面描述的任何修改或功能可以通过替换所描述的特征或通过添加来应用于下面的实施方案。
用于制造纤维增强结构的方法的实施方案在图1-10中示出。在第一步骤中，提供型芯10。在图1a中示出了型芯的透视图，并且在图1b中示出了在型芯10的纵向延伸方向上在型芯10的中部截取的横截面图。型芯具有外表面12、中空的内部14以及孔16。孔16允许流体进入型芯10的内部14。型芯10由第一材料制作，该第一材料在室温下是刚性的并且具有熔化温度(其在该熔化温度熔化)，并且第一材料在靠近熔化温度时变成可形变的。
在第二步骤中，将第二材料的层18设置在型芯10的外表面12上的型芯10上，如图2a的透视图和图2b的横截面图所示。图2b中的横截面图对应于图1b中的切口。提供层18而不堵塞孔16。第二材料包括未固化的热固树脂和配置成用于增强最终的结构的纤维。第二材料具有固化温度，在该固化温度以下第二材料是易变形的，并且在该固化温度以上第二材料固化。另外地，第二材料的固化温度小于第一材料的熔化温度。
在第三步骤中，如图3和图4所示，型芯10和层18放置在由模具20形成的模具腔22中。如图4所示，模具20具有允许从模具20的外部进入孔16的开口32。
在第四步骤中，如图5和图6所示，型芯10被加热到第一材料(即，制成该型芯的材料)的熔化温度以下的温度，使得其变成可形变的。图5b和图6b中的横截面对应于图1b中的横截面。在图5a和图5b中示出了加热。在孔16处提供加压的流体，以增加型芯10的内部14中的压力，从而产生用于朝外扩张型芯10的力，并且型芯10朝外扩张并将层18压靠在模具20上，这在图6a和图6b中示出。将层18加热到第二材料(即，制成该层的材料)的固化温度以上的温度，使得层18在被压靠在模具上时硬化。
在第五步骤中，型芯10被加热到第一材料的熔点以上的温度，使得型芯10熔化，如图7a和图7b所示。图7b中的横截面对应于图1b中的横截面。在第六步骤中，将熔化的型芯10从结构24移除，这还在图7a和图7b中示出。模具20和结构24被形成和定向成使得熔化的型芯10自行通过模具20的开口32流出。
结合图6a和图6b描述的在第四步骤中的固化是第一次或初始固化。在图8a和图8b中示出的第七步骤中，层18或结构24在大于第一固化的温度的温度下经历第二固化。图8b中的横截面对应于图1b中的横截面。在第二固化中实现玻璃化或完全固化。在替代的实施方案中，第一固化足以达到玻璃化或完全固化，并且不执行第二固化。在第二固化中，温度在型芯10的第一材料的熔点以上。这允许型芯10在加热时熔化以达到第二固化的温度。上面已经描述了熔化的型芯10自行地从模具20流出，这意味着当从第四步骤到第七步骤时，连续执行第五步骤和第六步骤。在替代的实施方案中，在第四步骤和第五步骤之间、与第五步骤同时，或在第六步骤之后执行第二固化。
在第四步骤中，模具20和位于其内的型芯10和层18放置在图10中示意性示出的热压器(autoclave)26中。热压器26具有呈空气压缩机形式的压力源28，其可以在密闭式热压器26的压力室33内产生加压的环境。热压器还具有可以加热加压的环境的加热元件30。在热压器26中执行第四步骤，其中加热的环境通过穿过孔16的传送和穿过模具20的传导两者来加热型芯10和层18。在关于图3和图4描述的第三步骤中，型芯10的孔16向模具20的周围保持打开。因此，加压的环境经由孔16进入型芯10的内部14，并迫使型芯10朝外扩张。
第五到第七步骤也在热压器26中执行，其中加热元件30使热压器26内的环境的温度增大，从而导致加热。在整个第四至第七步骤中，在热压器中保持加压的环境，这意味着升高的压力将层18压靠在模具20上直到完成玻璃化或最终的固化。
型芯10由聚乙烯制成，即，第一材料是热塑性塑料。聚乙烯具有约120℃-130℃的熔化温度，聚乙烯在该熔化温度以上开始熔化。该层包括与环氧树脂熔合的碳纤维，即，第二材料具有这些组分。环氧树脂有效固化温度为110℃，环氧树脂在该固化温度以上固化。当模具20已经放置在热压器中之后，其中型芯10和层18在模具内，加热元件30不间断地将热压器26内的环境从室温加热至约170℃。热压器26内的环境的有限热传递以及型芯10、层18和模具20的热惯性导致这些部件的温度比环境的温度上升得慢。因此，层18在第四步骤中的固化之后平稳地在第五步骤中使型芯10熔化，以及在第六步骤中移除熔化的型芯10。在第七步骤中，将温度以170℃保持足够长的时间，使层18或结构24实现树脂的玻璃化或完全固化。
在模具20已经放置在热压器中之后，如上所述，压力源28将环境的压力增加到7-8巴的范围内的升高的压力。将压力保持直到第七步骤完成。当型芯的温度靠近聚乙烯的熔化温度时，型芯10变得柔软且易变形。当这种情况发生时，热压器26内的升高的压力迫使型芯10将层18压靠在模具上并形成结构24，从而实现该方法的第四步骤。
在上面关于图2a和图2b描述的第二步骤中，通过将第二材料的一个或更多个片材(未示出)施加到型芯10上来将层18设置在型芯10上。每个片材是用树脂浸渍的碳纤维的预制编织物。因此，片材的编织物界定了纤维的具体定向。片材具有朝向型芯10定向的粘合剂侧，并且片材以数个重叠层施加。这些片材被施加，使得所得到的层18完全包裹并覆盖型芯10的外表面12或型芯10的一部分。因此，形成中空的空间，从而产生中空的最终结构24。
在第七步骤之后，在第八步骤中将层18或结构24从模具中移除，如图9a和图9b所示，示出了通过上述方法制造的最终的结构24。图9b中的横截面对应于图1b中的横截面。例如，结构24可以用作具有高强度与重量比的导管区段。
如上所述，该实施方案涉及一种型芯10，该型芯10配置成放置在模具20的模具腔22中。模具具有开口32，以允许从模具20的外部进入模具腔22。型芯10具有中空的内部14和孔16，并且型芯10配置成允许在其被放置在模具腔22中时经由开口进入孔16。此外，型芯10由在室温下刚性的材料制造，并且该材料在温度靠近其熔化温度时变得柔软并且易变形。第二方面的型芯允许执行第一方面的方法。
以上参照图1-10还描述了模制系统。模制系统包括模具20和型芯10。模具20具有模具腔22和开口32，以允许从模具20的外部接进入模具腔22。型芯10具有中空的内部14和允许流体进入内部14的孔16。孔16位于型芯10上，使得当型芯10放置在模具腔22中时，可以经由开口32进入孔16。型芯10小于模具腔22，从而在型芯10和模具20之间形成用于容纳层18的空间。
在上面的实施方案中，型芯10成形为符合并遵循模具腔22的形状。这通过具有方形横截面的型芯(如图1b中所示)和包括四个矩形壁区段34的模具来实现，该四个矩形壁区段以直角组装并通过螺钉36和壁区段34中的孔眼37锁定在一起，从而形成具有带有方形横截面的模具腔的模具20，如图5b所示。在型芯10、层18和模具20之间存在紧密配合，这导致具有薄壁的最终的结构24。另外地，孔16是从型芯10的外部到型芯10的内部14的唯一开口。
在图11-20中示出了用于制造纤维增强结构的方法的第二实施方案。该实施方案具有与关于图1-10描述的第一实施方案相同的许多特征。这里仅描述差异，具有相同功能的特征共用相同的标记索引。一些特征的标记索引已经被赋予了角分符号以在功能上区分它们。图11-19所示的步骤类似于图1-9中的步骤，其中图11中的步骤对应于图1中的步骤，图12中的步骤对应于图2中的步骤，以此类推。
在图11a和图11b所示的第一步骤中，型芯10在一端处设置有突出部分38，孔16位于该突出部分38上。型芯10的另一端是闭合的，使得孔16是进入型芯10的内部14的唯一入口。突出部分38具有与型芯10的其余部分相同的材料。在第二步骤中，以与第一实施方案相同的方式将层18施加到型芯10的外表面12。然而，突出部分38处的端部不被层18覆盖，这意味着仅外表面12的一部分现在被层18覆盖。
在示出在图13和图14中的第三步骤中，型芯10和层18放置在由模具20形成的模具腔22中。模具20具有带有圆形横截面的开口32，突出部分38延伸穿过该开口延伸，并将孔16定位在模具20的外侧上。突出部分38接合开口32的内部，并且在突出部分38和开口32之间提供密封。
在图15和图16中示出的第四步骤中，孔14经由压力管道40连接到以空气压缩机形式的压力源28’，如在图20中示意性示出的。压力源28’提供加压的流体，压力管道40将加压的流体输送到孔16。带有位于其内的型芯10和层18的模具20被放置在具有加热元件30’的烘箱42中，加热元件30’加热烘箱42内的环境。加热的环境加热模具20，模具20又加热层18和型芯10。
在第五步骤中，型芯10被加热，使得型芯10(包括其突出部分38)熔化，这在图17a和图17b被示出。第五步骤紧接着是图18a和图18b所示的第七步骤，这意味着层18或结构24在熔化的型芯10在其内的情况下经历第二固化。将熔化的型芯10从结构24中移除的第六步骤以及从模具中移除层18或结构24的第八步骤同时执行。模具20倾斜使得熔化的型芯10可以通过开口32流出，之后模具20打开以露出图19a和图19b所示的最终的结构24。第六步骤和第八步骤在图中未明确被示出。
图21-30中示出了用于制造纤维增强结构的方法的第三实施方案。该实施方案还与关于图1-10描述的第一实施方案共用许多特征。这里仅描述差异，并且具有相同功能的特征共用相同的标记索引。一些特征的标记索引已经被赋予了角分符号，以区分它们与第一实施方案。图21-29所示的步骤类似于图1-9中的步骤，其中图21中的步骤对应于图1中的步骤，图22中的步骤对应于图2中的步骤，以此类推。
在图21a和21b所示的第一步骤中，型芯10设置有与孔16的形状和尺寸相同的另外的孔46，这意味着型芯10实际上是具有方形横截面的管。因此，流体可以通过孔16流入型芯10的内部14，并通过另外的孔46流出。在第二步骤中，以与第一实施方案相同的方式将层18施加到型芯10的外表面12，区别在于另外的孔46未被层18覆盖。
在示出在图23和图24中的第三步骤中，型芯10和层18被放置在由模具20形成的模具腔22中。模具20具有开口32和另外的开口52，开口32和另外的开口52允许从模具外部进入模具腔22，并且允许流体流经由开口32进入型芯10的内部14，并经由另外的开口52离开型芯的内部10。
在图25和图26中示出的第四步骤中，开口32经由压力管道40连接到以空气压缩机形式的压力源28’，如在图30中示意性示出的。压力源28’提供加压的流体，并且压力管道40将加压的流体输送到开口32，从而还输送到孔16。压力管道40穿过加热加压的流体的加热器50。加热的加压的流体经由开口32进入型芯10的内部14，并经由另外的开口离开内部14。加热的加压的流体加热型芯10，型芯10又加热层18。另外的开口52小于开口32，使得加压的流体的流被约束在另外的孔46处，这导致压力积聚并产生用于朝外扩张型芯10的力。
在第五步骤中，加热器50为加压的流体的流提供更多的热量，这导致型芯10的熔化，这在图17a和图17b中被示出。第五步骤紧接着是图28a和图28b所示的第七步骤，其中加压的流体继续加热层18或结构24，从而使层18或结构24经历第二固化。将熔化的型芯10从结构24中移除的第六步骤以及从模具中移除层18或结构24的第八步骤同时执行。模具20倾斜使得熔化的型芯10可以通过开口32流出，之后模具20打开以露出图29a和图29b所示的最终的结构24。第六步骤和第八步骤在图中未明确示出。
在图31-42中示出了制造纤维增强结构的方法的第四实施方案，其中结构24是用于陆地交通工具的轮。该实施方案具有与关于图1-10描述的第一实施方案相同的许多特征。这里仅描述相对于第一实施方案的差异，具有相同功能的特征共用相同的标记索引。一些特征的标记索引已经被赋予了角分符号，以区分它们与第一实施方案。
在图31至图34所示的第一步骤中，提供了型芯10。图31是前视图，图32是前视横截面图，图33是沿图31中的竖直对称线截取的侧视横截面图。型芯具有中空的环形中心54和从环形中心54朝外对称延伸的五个中空突出部56。环形中心54和突出部被结合，使得它们形成型芯10的单个中空的内部14。环形中心54在轮毂内形成中空的空间，并且每个突出部56在与毂结合的轮辐内形成中空的空间。待被制造的轮的旋转轴线58由点和虚线指示。
孔16位于其上的突出部分38结合到环形中心。突出部分38具有与型芯10的其余部分相同的材料。图34是图33的复制，但是旋转以符合说明后续步骤的图。图35至图42都是对应于图33的横截面的横截面。
在示出在图35中的第二步骤中，以与第一实施方案相同的方式将层18施加到型芯10的外表面12。除了突出部分38之外，完整的型芯10被覆盖。这意味着层18在突出部分38处设置有开口39。开口39与型芯10的尺寸相比较小，并且防止型芯10通过开口39被移除。然而，如果型芯10熔化，则其可以通过开口39移除。
在图36所示的第三步骤中，型芯10和层18放置在由模具20形成的模具腔22中。在该图中模具20的图示已经在左侧相配合。模具20由第一部分60和第二部分62通过螺栓64保持在一起来构成。型芯10被成形为符合并遵循模具腔22的形状，使得其为模具腔22内的层18留下空间。模具具有五个间隙66，每个间隙66定位在型芯10的突出部56的尖端68处，并且允许从模具20的外部接近型芯10。
模具20具有另外的外表面70，并且第二材料的另外的层78被施加到模具的另外的外表面70，并且经由所有间隙66结合到设置在型芯10的外表面12上的层18。另外的层78以与上面关于图2a和图2b描述的层18相同的方式施加在片材中。另外的层78将形成圆柱形套筒和最终的轮的轮缘的自由边缘。
模具20具有带有圆形横截面的开口32，突出部分38延伸穿过该开口，并且将孔16定位在模具20的外侧上。突出部分38接合开口32的内部，这提供突出部分38和模具20之间的密封。
在图37至图39中示出了第四步骤。整个模具20覆盖羊毛状物(fleece)72并放入气密袋74中，如图37所示。袋具有用于突出部分38的气密导通件76和出口80，袋内的空气可以通过出口80抽空。模具20和袋74被放置在热压器26中，如图43中示意性示出的。泵44联接到袋74的出口80，且袋被抽空。羊毛状物72防止袋74和模具20之间的密封，从而允许袋的整个内部被抽空，如图38所示。然后，空气将在模具20的第一部分60和第二部分62之间泄漏出。这构成了第九步骤，在第九步骤中，在型芯10和模具20之间以及另外的层78和另外的外表面70之间的模具腔内的空气被抽空。
与第一实施方案一样，热压器26具有以空气压缩机形式的压力源28，压力源28可以在密闭式热压器26的压力室33内产生加压的环境。热压器还具有加热元件30，加热元件30可以加热加压的环境。第四步骤在热压器26中执行，其中加热的环境加热袋74内的全部内容物，这些内容物包括型芯10和层18。加压的环境经由孔16进入型芯10的内部14，并迫使型芯10朝外扩张，并将层压靠在模具20上，之后层18在该位置固化，如图39所示。同时，加热的加压的环境还迫使另外的层78抵靠在另外的外表面70上，并且将另外的层78加热到第二材料的固化温度以上的温度，这也在图39中示出。
第四步骤通过从袋74移除模具而结束。接下来是第五步骤，在第五步骤中型芯10被加热到第一材料的熔点以上的温度，使得型芯10熔化。接下来是第六步骤，在第六步骤中熔化的型芯10自行通过模具20的开口32流出。在图40中示出了第五步骤和第六步骤。在图41中示出了第七步骤的另外的固化。第四实施方案与第一实施方案的不同之处在于，在上述第四步骤结束时，热压器26被短暂地打开以允许移除袋74。在打开热压器之前中断加热和加压，并且在关闭热压器26后恢复加热和加压。
在图41中示出的第七步骤中，层18和另外的层78经历类似于第一实施方案中的第二固化的第二固化。第七步骤之后是第八步骤，在第八步骤中将层18或结构24从模具20移除。这在图42中示出，图42示出了纤维增强轮82的侧视横截面图，纤维增强轮82具有轮缘84和五个中空毂90，轮缘84包括圆柱形套筒86和两个环形自由边缘88，中空毂90通过中空轮辐92结合到轮缘84的内部。
在第四实施方案的替代实施方案中，突出部分38位于型芯10上的突出部56中的一个的尖端68处，使得其延伸穿过间隙66中的一个。因此，间隙66具有开口的功能，但是不同之处在于在突出部分和开口之间不存在密封。该替代实施方案在图44中示出，图44示出了第四步骤结束时的状态。模具20保留在袋74中，直到在第七步骤中另外的固化之后，并且袋74的内容物从第四步骤到第七步骤的结束期间在热压器内的加热的加压的环境中被连续地加热。第六步骤在第七步骤之前不被执行。这意味着如在第二实施方案中那样，熔化的型芯10在另外的固化期间保持在模具20内。
突出部分38在最后的轮缘中留下出入孔眼，通过该出入孔眼可以到达轮辐的中空的内部。在已经从袋74移除模具之后，在每个其它轮辐中钻相应的孔眼。这接下来是第六步骤，在第六步骤中轮围绕旋转轴线58旋转，使得熔化的型芯10被迫使穿过孔眼并从而从结构移除。这接下来是第八步骤，在第八步骤中最终的结构24或轮82从模具20移除。
项目清单
10型芯
12外表面
14中空的内部
16孔
18层
20模具
22模具腔
24结构
26热压器
28压力源
30加热元件
32模具的开口
34矩形壁区段
36螺钉
37孔眼
38突出部分
40压力管道
42烘箱
44泵
50加热器
52模具的另外的开口
54环形中心
56突出部
58旋转轴线
60第一部分
62第二部分
64螺栓
66间隙
68突出部的尖端
70另外的外表面
72羊毛状物
74袋
76导通件
78另外的层
80出口
82轮
84轮缘
86圆柱形套筒
88自由边缘
90毂
92轮辐

Claims (11)

1.一种用于制造由纤维增强的结构的方法，所述方法包括：
(i)提供第一材料的型芯，其中，所述型芯包括外表面、中空的内部和用于允许流体进入所述内部的孔，所述第一材料在室温下是刚性的，并且具有熔化温度，所述第一材料在所述熔化温度熔化，且所述第一材料在接近所述熔化温度时变成可形变的，
(ii)通过在所述型芯上以重叠的层施加第二材料的一个或更多个片材，在所述型芯的所述外表面上提供第二材料的层而不阻塞所述孔，其中所述一个或更多个片材具有粘合剂侧，所述粘合剂侧允许所述一个或更多个片材粘附到所述型芯和/或彼此，其中，所述第二材料包括未固化的热固树脂和配置成用于增强所述结构的纤维，所述第二材料具有固化温度，所述第二材料在所述固化温度以下是易变形的，并且在所述固化温度以上固化，
(iii)将所述型芯和所述层放置在由模具形成的模具腔中，其中，所述模具配置成允许流体到达所述型芯的所述孔，
(iv)经由所述孔将加压的流体引入到所述型芯的所述内部中，用于产生用于朝外扩张所述型芯的力，将所述型芯加热到所述第一材料的所述熔化温度以下的温度，以使所述型芯可形变，并且允许所述型芯朝外扩张并将所述层压靠在所述模具上，并且将所述层加热到所述第二材料的所述固化温度以上的温度以固化并形成所述结构，
(v)将所述型芯加热到所述第一材料的熔点以上的温度以熔化所述型芯，以及
(vi)从所述结构移除熔化的型芯。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述结构是中空的结构，并且在步骤(ii)中，所述层被设置成包围或包裹所述型芯或所述型芯的一部分。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一材料是热塑性塑料，所述未固化的热固树脂包括环氧树脂，和/或所述纤维包含碳纤维。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤(iii)中，所述模具配置成使所述孔保持向所述模具的周围敞开，并且步骤(iv)还包括：将所述模具放置在热压器中并且在所述热压器内产生加压和加热的环境，以提供所述加压的流体并加热所述型芯和所述层。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(iv)还包括：经由压力管道将所述型芯的孔连接到压力源，其中，所述压力源提供所述加压的流体，并且所述压力管道将所述加压的流体输送到所述孔，并且步骤(iv)还包括：将所述模具放置在产生热量的烘箱中，用于加热所述型芯和所述层。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(iv)中的所述固化是第一固化，并且所述方法还包括以下步骤：(vii)在大于所述第一固化的温度的温度下使所述层或结构经历第二固化。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，在步骤(vii)中使所述层或结构经历第二固化包括：将所述层或结构加热至170℃-200℃范围内的温度。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法包括在步骤(iv)之前和/或与步骤(iv)同时进行：
(ix)抽空所述型芯和所述模具之间的所述模具腔内的空气。
9.根据权利要求1-8中的任一项所述的方法，其中，步骤(ii)还包括：向所述层提供一个或更多个开口，其中，所述一个或更多个开口中的每一个配置成防止在所述型芯熔化之前通过所述一个或更多个开口移除所述型芯，并且其中，所述一个或更多个开口中的每一个配置成允许在所述型芯熔化之后通过所述一个或更多个开口移除所述型芯。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括：形成由纤维增强并且结合到所述结构的另外的结构，并且其中，所述模具包括另外的外表面和用于允许从所述模具的外部进入所述模具腔的间隙，并且步骤(iii)还包括：在所述模具的所述另外的外表面上提供所述第二材料的另外的层，并且经由所述间隙将所述另外的层结合到设置在所述型芯的所述外表面上的所述层。
11.一种根据权利要求1-10中的任一项所述的方法制造的结构。
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