CN107521121A - 窄片复合纤维材料压缩制模 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于在复合组件中产生三维随机纤维定向的方法。根据本文描述的实施例，窄片被产生于单向复合纤维带并且被倾注入模具的储器，用于产生储器内的窄片的三维随机纤维定向。这些窄片的至少大多数具有至少6:1的长度对宽度的长宽比。这些窄片被加热并且被压缩以填充模具，从而产生复合组件。当窄片被推送穿过模具时，储器内窄片的三维随机纤维定向被保持，用以产生遍布所得复合组件的一致的、均匀的强度特征。

Description

窄片复合纤维材料压缩制模
本申请是申请日为2013年01月23日、发明名称为“窄片复合纤维材料压缩制模”的中国专利申请201310024870.8的分案申请。
技术领域
本发明涉及窄片复合纤维材料压缩制模。
背景技术
通常使用热固性材料或热塑性材料制造复合组件，其可形成具有碳纤维的常规地以单向布局布置的带或板。所得单向带可被切割为更小的块或片，这些块或片是典型的正方形或近似正方形。这些片被放置在模具储器中，在其中施加热以及压力以将片压入所有的模腔。所得组件一旦被塑化即从模具移出。
根据片被推至遍布模具时片的布置，常规的压模具制技术可产生所得组件的非期望的强度变化。随着在模具储器中这些片被沉积，它们趋于堆叠起使得片的最大平面贴合另一个地放在另一个之上，类似于当将书投放入在平面上一摞时，书将堆叠在另一本之上。这种通用的堆叠现象可参考层压堆叠。尽管最终这些片基本保持堆叠，当片的层压堆被推送遍布模具时，这些堆的定向可能改变。当经受穿越厚度方向(或者z-向，如果片被定向在x-y平面)的扭转负荷时，由于相对地没有纤维定向在穿越厚度方向，这些片被倾斜以分离或分层。产生的层压堆叠定向被推送经过组件模具，其为最后组件中潜在的薄弱区域。
本公开在此给出关于以上以及其他方面的考虑。
发明内容
应当意识到，提供发明内容以简化形式介绍方案选择，在以下的具体实施方式中进一步描述该方案选择。此发明内容并非试图用以限定要求保护的主题的范围。
提供用于在复合组件中产生三维随机纤维定向的方法。根据本文所提供的公开的一方面，该方法包括将单向复合纤维带倾注入模具储器。至少大多数的窄片具有6:1或更高的长宽比。在储器内加热并且压缩窄片以推送这些窄片遍布模具，用以产生期望的复合组件。
根据另一方面，在复合组件中产生三维随机纤维定向的方法可包括将单向热塑带变换为一些窄片。至少大多数窄片具有最低6:1的长宽比。这些窄片被倾注入模具储器，因此窄片的定向包括三维随机纤维定向。在储器内加热并且压缩窄片以填充储器，用以产生具有三维随机纤维定向的复合组件。
根据又一方面，在复合组件中产生三维随机纤维定向的方法可包括将单向热塑带纵切为一些窄带条。这些窄带条被切割以产生一些具有最低6:1长宽比的窄片。这些窄片被倾注入模具储器，被加热并且被压缩以填充模具，用以产生复合组件。
在本公开的各种实施例中可独立地实现论述的特性、功能以及优点，或者这些特性、功能以及优点可被组合进另外的实施例，参考以下说明书和附图可得到其进一步的细节。
附图说明
图1A是常规复合纤维带的顶视图的示例；
图1B是从复合纤维带切割的常规的片的顶视图的示例；
图2是常规压模具制系统的横截面视图，其示出在模具储器内的常规片的层压堆叠；
图3是根据各种本文给出的实施例将常规的片变换为一些窄片的顶视图；
图4是压模具制系统的横截面视图，其示出根据本文给出的各种实施例在模具储器内的窄片的三维随机纤维定向；
图5是窄片产生机械的前视图，根据本文给出的一个实施例，其包括具有一个或多个刀片的混合设备和用于将复合纤维带或常规片纵切以及切割为窄片的处理；
图6是工艺流程图，根据本文给出的各种实施例图示用于在复合组件中产生三维随机纤维定向的；
图7是工艺流程图，根据本文给出的各种实施例图示用于将复合纤维带变换为窄片；以及
图8工艺流程图，根据本文给出的各种实施例图示用于将复合纤维带变换为窄片的可选方法。
具体实施方式
下文中具体的描述是针对用于在复合组件中产生三维随机纤维定向的方法。如以上简要论述，常规的复合组件使用压模具制技术制作通常包括不期望的已被推送经过模具的复合片的层压堆叠区域。所得的组件可包括对应于带有基本层压堆叠的模具内区域的稀薄区域，特别是在使用复合组件期间，当这些区域经受剪切力或拉伸力时。
利用本文描述的概念，以产生遍布组件一致的、三维随机纤维定向的复合纤维的方式制造复合组件。这样做可以提高复合组件的强度，并且最为重要地，组件的强度可以是遍布组件一致的以及可预测的并且使用相同的技术和纤维制造所有其他的组件。如以下将具体描述，利用使复合纤维材料成形为具有最低6:1长宽比的窄片可实现三维随机性。当这些窄片被倾注入模具储器用以压模具制时，这些相对窄的片不会倾向层压堆叠。随着窄片被压缩并且被推送经过模具，遍布模具保持随机片的定向。
在下文具体描述中，参考组成本文的一部分并且被以图示、特定的实施例或例示方式示出的附图。现在参考这些附图，其中贯穿几个图相同的数字代表相同的单元，将描述在复合组件中三维随机纤维定向的产生。转到图1A，复合纤维带102的顶视图被示出。如之前所提到的，热塑材料可形成复合纤维带102，其可由按单向布局或单向定位布置的碳纤维组成。如虚线所示，复合纤维带可被切割为多于一个片104。应当意识到，图1A中示出的复合纤维带102描绘了有限数量的片104仅出于图示目的。片104常规地可被切割为多于一个近似正方形，或者具有长到宽的大约1:1的长宽比，如果长宽比不是1:1，片104的长宽比通常小于2:1或其他的任意“低长宽比”值，以生产相对于片的长度基本地宽片。
在图1B中示出的片104的近视图以图示纤维106的单向布局。纤维106和关联的树脂可以包括合适的热塑材料，包括但不限于PEKK、PEI、PEEK、PPE以及PPS。如图中所视，纤维106可被定向为基本平行于其他片，以产生复合纤维带102以及相应的片104的单向布局。
图2示出常规压模具制系统200利用复合纤维带102的一些片104的横截面视图。该常规的压模具制系统200包括具有任意数量组件腔的模具202。根据在模具202产生的期望的组件，这些组件腔204被成型以及排列。模具202可包括任意数量的通道并且依次供给各组件腔204。当施加热以熔化复合材料时，压头208用于压制片104遍布通道以填充组件腔204。
在压缩之前，模具202的储器206被填充以与产生于压模具制过程期间的所得组件的块的大约等量的片104。如以上描述以及图2所视，常规的技术问题在于层压堆叠210现象，在片104具有常规的低长宽比维度特征时，此现象是普遍的。随着片104被倾注入或被放入储器206，片104趋于相对平整的靠在其他片上以产生层压堆叠210。片104的层压堆叠210导致片104以及相应的纤维106大体上地二维定向。
当对片104施加热和压力时，片104的层压堆叠210的布局可被推送遍布模具202的组件腔204。随着围绕通道的弯管压制片104，上述加热和压缩过程可弯曲或改变104或一堆片104的平面定向。但是，层压堆叠210可继续存在于模具202的一个或多个区域中。如果经受修剪或张紧用以拉开片或将片堆分层的力，在组件腔204内的层压堆叠210可产生组件的潜在的稀薄区域212。应再次注意图2已经被显著简化，用于图示片104的层压堆叠210以及所得的稀薄区域212的例子。
转至图3，其将描述本公开的一个实施例。为避免片104的层压堆叠210，本文描述的概念通过窄片产生技术302将片104或相应的复合纤维带102变换为窄带304。窄片产生技术302的实施例将在有关图5的下文被描述。如以下更详细地描述，当窄片304被倾注入模具202的储器206时，窄片304具有提供期望的长宽比310的长度306以及宽度308，其将最终提供窄片304的三维随机纤维定向。期望的长宽比310可基本大于常规片104关联的的长宽比。如以上描述，常规长宽比可大约是1:1到4:1。根据各种实施例，期望的长宽比可为6:1或更高。换言之，根据一个实施例，窄片304的长度306可至少为窄片304的宽度308的六倍。根据一个实施例，期望的长宽比310大约为8:1。例如，窄片304可具有1/2英寸长度306以及1/16英寸宽度308，其可给予窄片304 8:1的长宽比。
参考图4，当窄片304被倾注入模具202的储器206，期望的长宽比310使窄片304能大体以三维随机纤维定向停靠。在该三维随机纤维定向中，每个窄片304内的纤维106基本是单向的，其基本不平行于大多数相邻的窄片304内的纤维106。换言之，窄片304沿各个方向穿越所有平面而不是层压堆叠210地伸展，层压堆叠210普遍存在于常规的窄片104。这种情况下，随着窄片304被加热以及被推送遍布模具202的通道并且被推入组件腔204，窄片304的三维随机纤维定向被大体上维持。
所得的组件具有各向同性长度特征，这在于该组件不具有由于层压堆叠210在特定的方向产生的任何稀薄区域212。此外，与使用上述的相同的模具202以及片104被压模具制的等同组件相比，可体验到所得的组件在强度特征上的增强。原因在于窄片304在所有的方向一致地遍布组件定位纤维106。在施加热和压力以推送窄片304遍布模具202之前，以三维交织纤维106，确保遍布模具202随机纤维定向分布，用于在冷却后产生组件。
图5示出一个实施例，其中窄片产生技术包括具有一个或多个切片504的混合设备502。根据该实施例，如以上描述，复合纤维带102可被切割为片104。然后片104被放置在混合设备502中，例如工业的混合器或者其它的设备，其中一个或多个切片504打击片104。一旦接触到片104，从切片504的冲击力沿平行于纤维106的轴断裂片104，切片504产生具有相同长度306而且比初始片104的宽度308更短的多个片104。继续断裂片104直至大多数的片104具有对应于期望的长宽比310的充分小的宽度308，用以产生窄片304。
利用窄片产生技术302产生窄片304，其可能整体上不均匀。例如，尽管大多数的窄片304具有8:1的长宽比，其它的窄片可具有在6:1到10:1之间的长宽比。根据具体的应用可能期望或不期望窄片的非均匀性。只要大约75％窄片304的长宽比310为大约6:1或更高，窄片304将以三维随机纤维定向填充模具202的储器206。根据一个实施例，在所得的组件内至少75％的窄片具有最低6:1的长宽比，导致遍布组件大体上地三维随机纤维定向。
根据在图5中描述的可选实施例，窄片产生技术302包括设备和/或用以将复合纤维带102或片104纵切以及切割为窄片304的过程。根据一个实施例，复合纤维带102可被纵切为具有期望的窄片304的宽度308的窄带条。纵切完复合纤维带之后，如虚线所示，窄带条602被切割或切断为期望的长度306，用于导致窄片304的产生。
应当意识到可利用任何适当的设备用于纵切以及切割热塑材料或其它复合纤维材料。此外，在将带纵切为期望的宽度308之前，复合纤维带102可被切割为对应于窄片304的长度306的期望的长度以产生窄片304。可选地，复合纤维带102可被同时地纵向或横向压制以产生窄片304。根据可选实施例，使用常规技术可从复合纤维带102产生具有相对地低长宽比的片104。然后在合适的位置片104可被纵切，以产生具有大约6:1或更高长宽比的窄片304。尽管窄片产生技术302的多个实施例已经被描述，但是应该理解的是，窄片产生技术302可包括任何机器或过程，该过程可操作于纵切、切断、切割或将复合纤维带102和/或相应的片104变换为具有期望长宽比310的窄片304。
将复合纤维带102纵切并且切割为窄片304，而不是将片104断裂为窄片304，其潜在的好处为窄片304的全部或任何部分可被切割为精确的并且期望的长度306和宽度308。在复合组件内包括对于窄片304的精确特征的控制能够一致地产生具有期望的长度属性的均匀组件。根据利用这种纵切和切割过程的一个实施例，基本所有在所得组件内的窄片具有最低6:1的长宽比，产生大体上遍布组件的三维随机纤维定向。
根据被制造的组件的特征，在模具中的某一位置，利用具有特定长度306、宽308以及相应的长宽比310的窄片304的子集可能是有利的，而利用具有长度306、宽度308以及相应的长宽比310的窄片304的第二子集不同于第一子集。换言之，根据各种实施例，复合纤维带102可被切割为一些窄带条602，然后进一步被切割为全部具有等同维度属性或者可变维度属性的一些窄片304。
应该意识到本文描述的过程和组件，虽然针对热塑材料描述，可想象到可实施于其他材料，在施加热和压缩在储器206内的三维定向的窄片304时，这些材料具有能够产生窄片304以及能将三维随机纤维定向流经模具202的特征。也应注意到，本文描述的实施例不可施加于热固塑料以及一些材料。在冰点以上温度该热固塑料和这些材料在片的树脂中出现交联，交联为产生粘性和片状性质创造条件，其避免在加热期间三维随机纤维定向被推送遍布合成模具的所有组件腔204。相比之下，由于在室温或冰点以上使用热塑材料以及类似的材料可产生窄片304，生产花费被最小化，如，在50华氏度或50华氏度以上。然后使用机械压力和加热可实施组件产生过程，在此之后，可准备使用或在冷却后进一步处理所得组件。
现在转至图6，详细描述了用于在复合组件中产生三维随机纤维定向的图示的程序700。应该注意到，可实施比图中所示以及本文所描述的更多或更少的操作。也可以不同于本文描述的顺序实施这些操作。
程序700开始于操作702，其中复合纤维带102被变换为窄片304。用于从复合纤维带102产生窄片304的二个不同的实施例将被在有关图7和图8的下文中描述。窄片304可被产生以最低6:1的长宽比。程序700从操作702继续进入操作704，其中窄片304被倾注入模具202的储器206。因为窄片304具有最低6:1的期望长宽比310，在储器206内，窄片304以三维随机纤维定向停靠。应该注意到当倾注入储器206时，窄片304可被拆分于相邻的窄片304。换言之，并非像在室温下热固塑料施加的片是胶粘的，一般在冰点以上温度，由于窄片304不是粘合或牵引相邻的窄片304。
程序700从操作704继续进入操作706，其中热和压力被施加到在储器206内的窄片304以将窄片304推送遍布模具202的组件腔204。由于在储器206内的窄片304的三维随机纤维定向，该随机定向被遍布模具202伸展，用于确保遍布所得组件的一致的长度特征。在操作706，在被从模具202移出之前，组件至少部分地冷却和凝固。
图7示出对应于图6的操作702的图示程序800，其用于将复合纤维带102变换到窄片304。在图5中示出有关利用混合设备502以将片104制造为窄片304的实施例的示例。程序800开始于操作802，其中复合纤维带102被切割为片104，或低长宽比的片。在操作804，片104在混合设备502内被混合以使切片504能打击片104，并且程序800终止在纤维106之间断裂片104以产生具有期望长宽比310的窄片304。应该意识到此实施例不限于混合设备502的使用。确切的说，可使用任何配置以打击或实施充分的力到片104以断裂片104为窄片304的设备。
图8示出对应于图6的操作702的可选的图示程序900，其用于变换复合纤维带102为窄片304。在图5中示出有关纵切以及切割复合纤维带102为具有一个或多个期望的长宽比310的窄片304的实施例的示例。程序900开始于操作902，其中复合纤维带102被纵切为窄带条602。窄带条602可具有对应于产生的窄片304的期望宽度308的一倍或多倍宽度。在操作904，窄带条602被切割为具有对应于产生的窄片304的期望长度306的一倍或多倍长度。
基于前述，应当意识到本文已表述在复合组件中产生三维随机纤维定向的技术。以上描述的主旨仅以图示方式被提供，其并不作为限制，对本文描述主旨可做出各种修改和变化而不遵从以下例示的实施例和图示以及描述的实施方式，并且不偏离本公开实质的精神和范围，本发明参照所附的权利要求来限定。
本公开一方面提供在复合组件中产生三维随机纤维定向的方法，包括将单向复合纤维带的多个窄片倾注入模具储器，其中，多个窄片中的每一个拆分于相邻的窄片并且至少多个窄片的大多数具有最低6:1的长宽比。该方法还进一步包括在模具储器内加热多个窄片；并且在储器内压缩多个窄片穿过模具以产生复合组件。
以上公开的方法，其中单向复合纤维带包括单向热塑带，该方法进一步包括将单向热塑带切割为具有低于6:1长宽比的多个片；并且沿纤维的轴向断裂多个片以产生多个窄片。
以上公开的方法，其中沿着纤维的轴向断裂多个片以产生多个窄片包括在具有多个切片的混合设备中混合多个片，直至多个片的大多数包括最低6:1的长宽比以产生多个窄片。
以上公开的方法，其中单向复合纤维带包括单向热塑带，该方法进一步包括将单向热塑带纵切为多个窄带条；以及切割多个窄带条为具有大约等同维度属性的多个窄片。
以上公开的方法，其中单向复合纤维带包括单向热塑带，该方法进一步包括将单向热塑带纵切为多个窄带条；以及将多个窄带条切割为具有多个维度属性的多个的窄片。
以上公开的方法，其中长宽比基本包括8:1。
以上公开的方法，其中多个窄片包括长度大约1/2英寸以及宽度大约1/16英寸的窄片。
以上公开的方法，其中在压缩储器内的多个窄片之后，遍布模具多个窄片的定向包括基本地三维随机纤维定向。
以上公开的方法，其中单向复合纤维带包括具有PEKK、PEI、PEEK、PPE以及PPS中至少一中碳纤维增强树脂的单向热塑带。
本公开一方面提供在复合组件中产生三维随机纤维定向的方法，包括将单向热塑带变换为多个窄片，至少多个窄片的大多数具有最低6:1的长宽比；将多个窄片倾注入模具的储器，使得在储器内的多个窄片的定向包括基本地三维随机纤维定向；加热在储器内的多个窄片；并且在存贮器内压缩多个窄片穿过模具。
以上公开的方法，其中将单向热塑带变换为多个窄片包括将单向热塑带切割为具有低于2:1的长宽比的多个片；并且沿纤维的轴向断裂多个片以产生多个窄片。
以上公开的方法，其中沿纤维的轴向断裂多个片以产生多个窄片包括在具有多个切片的混合设备内混合多个片，直至多个片的大多数包括最低6:1的长宽比以产生多个窄片。
以上公开的方法，其中将单向热塑带变换为多个窄片包括将单向热塑带纵切为多个窄带条；并且将多个窄带条切割为具有大约等维度属性的多个窄片。
以上公开的方法，其中将单向热塑带变换为多个窄片包括将单向热塑带纵切为多个窄带条；并且将多个窄带条切割为具有多个维度属性的多个窄片。
以上公开的方法，其中长宽比基本地包括8:1。
以上公开的方法，其中在压缩储器内的多个窄片之后，遍布模具的多个窄片的定向包括基本地三维随机纤维定向。
本公开的一方面提供在复合组件中产生三维随机纤维定向的方法，包括将单向热塑带纵切为多个窄带条；切割多个窄带条以产生具有最低6:1的长宽比的多个窄片；将多个窄片倾注入模具的储器；加热在储器内的多个窄片；并且压缩在储器内的多个窄片以填充模具并且产生复合组件。
以上公开的方法，其中切割多个窄带条以产生具有最低6:1的长宽比的多个窄片包括将多个窄带条切割为具有大约等同维度属性的多个窄片。
以上公开的方法，其中切割多个窄带条以产生具有最低6:1的长宽比的多个窄片包括将多个窄带条切割为具有多个维度属性的多个窄片。
以上公开的方法，其中将多个窄片倾注入模具的储器包括将多个窄片倾注入模具的储器使得储器内的多个窄片的定向包括基本地三维随机纤维定向，并且其中多个窄片的长宽比包括最少8:1。
本公开的方面提供复合组件，其包括多个窄片的单向热塑带，其中多个窄片的至少75％包括最低6:1的长宽比。
以上公开的复合组件，其中至少75％的多个窄片包括最低6:1的长宽比根据三维随机定向被基本地定向。

Claims (10)

1.一种在复合组件中产生三维随机纤维定向的方法，其包括：
将单向复合纤维带(102)的多个窄片(304)倾注(702)入根据所述复合组件成形的模具储器(206)，其中所述多个窄片(304)中的每一个在所述模具储器内被随机定向并且和相邻的窄片(304)拆分，并且其中所述多个窄片(304)的至少大多数具有至少6:1的长宽比；
在所述模具储器(206)内加热(706)所述多个窄片(304)；以及
在所述模具储器(206)内压缩(706)所述多个窄片(304)穿过所述模具储器(206)以产生所述复合组件。
2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：
将所述单向带切割(802)为多个片(104)；以及
沿所述纤维的轴线断裂(804)所述多个片(104)以产生具有至少6:1的长宽比的所述多个窄片(304)。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述单向复合纤维带(102)包括单向热塑带。
4.根据权利要求1-3中的任一项所述的方法，其中沿所述纤维的轴线断裂所述多个片(104)以产生所述多个窄片(304)包括：
在具有多个切片(504)的混合设备(502)中混合(804)所述多个片(104)，直至所述多个片(104)的大多数包括所述至少6:1的长宽比以产生所述多个窄片(304)。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述单向复合纤维带(102)包括单向热塑带，所述方法进一步包括：
将所述单向热塑带纵切(902)为多个窄带条(602)；以及
将所述多个窄带条(602)切割(904)为具有大约等同维度属性的所述多个窄片(304)。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述长宽比基本包括8:1。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述多个窄片(304)包括大约12.7毫米即1/2英寸的长度和1.59毫米即1/16英寸的宽度的窄片。
8.根据权利要求1-3中的任一项所述的方法，其中在所述模具储器(206)内压缩所述多个窄片(304)之后，遍及所述模具储器(206)的所述多个窄片(304)的定向包括基本三维随机纤维定向。
9.根据权利要求1-3中的任一项所述的方法，其中所述单向复合纤维带(102)包括具有PEKK、PEI、PEEK、PPE以及PPS中的至少一种碳纤维增强树脂的单向热塑带。
10.一种在复合组件中产生三维随机纤维定向的方法，其包括：
将复合纤维带纵切(902)为多个窄带条(602)；
将所述多个窄带条(602)切割(904)为具有6：1或更高的长宽比的所述多个窄片(304)；
将所述多个窄片(304)倾注(702)入模具储器(206)，其中所述多个窄片(304)中的每一个在所述模具储器内被随机定向并且和相邻的窄片(304)拆分；
在所述模具储器(206)内加热(706)所述多个窄片(304)；以及
在所述模具储器(206)内压缩(706)所述多个窄片(304)穿过所述模具储器(206)以产生所述复合组件。
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