CN107848149B - 多段式复合模具 - Google Patents

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Abstract

用于模塑大型复合结构的多段式复合模具(10)。模具包括至少两个由准各向同性片材模塑混配物制备的模具节段(12，14)。将两个模具节段用嵌接塞(42)在模具表面接合在一起。嵌接塞由加固的准各向同性片材模塑混配物的特定取向层构成。嵌接塞由与制备模具节段的相同类型的准各向同性片材模塑混配物制备。

Description

多段式复合模具
技术领域
本发明总地涉及用于将复合材料模塑成大型复合结构的设备和方法。更特别地，本发明涉及用于形成这种大型复合结构的多段式模具(multi-sectional tools)以及将这些模具连接在一起的方法。
背景技术
很多制造复合结构的方法利用型腔模具来得到所需的表面轮廓和形状。型腔模具在压热器法中是特别重要的，在该压热器法中将未固化树脂/纤维材料在型腔模具中在真空下加热到相对较高的固化温度(175℃及以上)，形成最终的复合部件或结构。
通常使用由钢合金制成的型腔模具例如INVAR36，因为它们极其牢固并且可易于承受用于压热器的升高的固化温度，以使复合材料固化。这些型腔模具通常也称为"工具"或"模具"。也可以机器加工钢合金模具以获得严密面轮廓度容限。另外，用于模塑大型结构的模具可以通过将钢合金模具的节段连接在一起并焊接接缝处来制备。可以将焊接的接缝处机器加工并抛光，以剔除型腔模具中的任何缺陷，产生无缝模具表面，该表面免于在部件固化的表面上有不期望的“划分线”。虽然钢合金非常适于制造多段式大模具，但是却有很多缺点。例如，钢合金模具往往较重且昂贵。而且，加热和然后冷却厚重的多段式钢合金模具所需的时间增加了模塑复合结构期间的循环时间。
由复合材料制备的模具已经作为用于压热器模塑复合部件的钢合金模具的替代物而被开发。复合模具已经流行，因为其通常比钢合金模具轻。复合模具通常使用高度精确的主模，其由钢合金或其它适宜的材料制成。
预浸渍的复合材料(预浸料)通常用于制备复合模具。预浸料是未固化树脂基质和纤维增强物的组合，随时可用于模塑和固化以形成复合模具。通过用树脂预浸渍纤维增强物，制造商可以小心控制浸渍到纤维网络的树脂的量和位置并确保树脂按需分布在网络中。
单向(UD)带是预浸料的常见形式。单向带中的纤维是彼此平行延伸的连续纤维。纤维的形式通常为众多单个纤维或单丝捆束，称为“丝束”。用小心控制量的未固化树脂浸渍单向纤维。通常将UD预浸料放在保护层之间形成UD带，将该带卷起以便储存或运输到生产设备。UD带的宽度通常为小于2cm)至30cm或更大。
单向带不适宜用于制备复合模具。当迫使UD带去拟合复杂工具的形状时，纤维在UD带中的平行取向和连续特性导致纤维聚束或桥联。而且，由UD带制备的复合模具无法在没有明显工具移动的情况下进行机器加工以获得复合模具所需的严密面轮廓度容限。
模塑混配物通常称为不连续纤维复合材料(DFC)模塑混配物，已经发现其适合用于制备复合模具。一种类型的DFC模塑混配物在本申请称为准各向同性片材模塑混配物，其将UD带和无规取向的短纤维的特性合并到单个模塑混配物中，该模塑混配物可以精确模塑并进行机器加工以形成复合模具。准各向同性片材模塑混配物由已经用热固性树脂浸渍的单向带的无规取向片段或薄片构成。准各向同性片材模塑混配物已经广泛用于制备复合模具。准各向同性片材模塑混配物以商业名称
Figure GDA0001569193630000021
和
Figure GDA0001569193630000022
购自HexcelCorporation(Dublin，CA)。已经利用
Figure GDA0001569193630000023
或
Figure GDA0001569193630000024
制备的复合型腔模具或模具的实例描述于美国专利8,257,631，其内容并入本申请以作参考。
准各向同性片材模塑混配物通常如下制备：将多丝丝束(纱线)彼此平行地铺置在适宜的背衬上，并用树脂浸渍该平行丝束，形成UD预浸料。然后将UD预浸料短切形成UD薄片，其通常为5mm至25mm宽和25mm至125mm长。然后形成准各向同性取向的UD薄片。将多个准各向同性取向的UD薄片的层组合在一起形成用于制备复合模具的板层状模塑材料。
复合模具的轻质和高强度使其在制备大型复合结构或部件中特别具有吸引力，所述结构或部件例如机翼、机身、水平安定面翼肋工具、翼梁工具和尾翼工具。这类大型复合结构的模塑要求复合模具具有通常超过3米长和超过1米宽的表面。制备复合模具的场所通常不同于该模具用于模塑大型复合结构的场所。在一个场所制备单个大型复合模具然后将其运输至另一个用于模塑大型复合结构的场所是不实际的。因而制备可以通过卡车或其它适当的运输工具运输至模塑大型复合结构的制造场所的多个模具节段。当到达制造位置时，将多个工具节段连接在一起形成所需的单个大型复合模具。
当将多个复合模具节段连接在一起时的一个重要考量是确保填充或以其它方式处理模具节段之间的接缝以消除整体模具表面中的任何表面缺陷。用于填充接缝的材料必须足够耐用以承受大量模塑循环。用于填充接缝的材料的物理性质也应该匹配用于制备模具节段的材料的物理性质例如热膨胀系数，以便防止在接缝和模具节段之间熔合线处分离。接缝填充材料必须可经受以与复合模具节段的表面相同的方式进行机器加工，从而提供在接缝处无缺陷的模具表面。另外，接缝填充不能多孔或具有其它缺陷，因为它们将会在模具表面的初始或后续机器加工和/或抛光过程中暴露出来。
发明内容
根据本发明，提供了多段式模具，其中模具节段表面之间的接缝由嵌接塞填充，所述嵌接塞由与用于制备模具节段的相同类型的准各向同性片材模塑混配物制备。对嵌接塞进行特定的设计和取向，以消除在整体模具表面中出现的任何表面缺陷。嵌接塞具有与模具节段相同的耐久性，由此其可以承受大量模塑循环。而且，嵌接塞可以按与复合模具节段的表面相同的方式进行机器加工，以得到无接缝的多段式模具表面。
本发明的多段式模具设计用于模塑具有模塑表面的大型复合结构。多段式模具包括第一模具节段，第一模具节段具有经塑形以形成大型复合结构的模塑表面第一部分的第一模具表面。第一模具节段包括第一侧表面，和以一定角度从所述第一模具表面延伸到所述第一侧表面的第一嵌接表面。第一嵌接表面具有位于所述第一模具表面的第一外边缘和位于所述第一侧表面的第一内边缘。第一模具节段由多个固化的准各向同性片材模塑混配物层制成。
多段式模具也包括第二模具节段，第二模具节段具有经塑形以形成大型复合结构的模塑表面第二部分的第二模具表面。第二模具节段包括第二侧表面，和以一定角度从所述第二模具表面延伸到所述第二侧表面的第二嵌接表面。第二嵌接表面具有位于所述第二模具表面的第二外边缘和位于所述第二侧表面的第二内边缘。第二模具节段也由多个固化的准各向同性片材模塑混配物层制成。
第一模具节段和第二模具节段彼此邻接，由此第一嵌接表面和第二嵌接表面形成嵌接缝。嵌接缝具有沿嵌接表面的第一和第二内边缘盐水的顶点。嵌接缝也具有嵌接表面的第一和第二外边缘之间延伸的外边界。嵌接缝的外边界与在第一模具表面和第二模具表面之间延伸的模具接缝表面重合。
作为本发明的特征，提供填充嵌接缝的嵌接塞。嵌接塞包括第一嵌接塞层，其为具有内侧和外侧的固化的准各向同性片材模塑混配物层。第一嵌接塞层的内侧的位置邻接第一和第二嵌接表面并且从位于第一嵌接表面上的第一外边缘延伸到接缝顶点并从接缝顶点延伸到位于第二嵌接表面上的第二外边缘。第一嵌接塞层的外侧具有V形形状的从嵌接缝的第一外边缘延伸到第二外边缘的表面轮廓。嵌接塞也包括位于第一嵌接塞层的外侧和嵌接缝的外边界之间的多个另外的嵌接塞层。另外的嵌接塞层各自由固化的准各向同性片材模塑混配物层构成。另外的嵌接塞层各自具有内侧和外侧。另外的嵌接塞层位于嵌接塞中，使得另外的嵌接塞层各自的内侧紧挨着邻接的另外的嵌接塞层中较为接近所述第一嵌接塞层的外侧。另外的嵌接塞层之一的内侧紧挨着第一嵌接塞层的外侧并遵循第一嵌接塞层的表面轮廓。另外的嵌接塞层形成模具接缝表面。
作为本发明的特征，制备具有所需嵌接塞的形状、但是包括未固化的准各向同性片材模塑混配物的加固嵌接塞。加固嵌接塞是尺寸过大的，由此当将加固嵌接塞插入嵌接缝中时加固嵌接塞的一部分伸出模具接缝表面之上。固化之后，将嵌接塞仍在模具接缝表面之上的部分用机器切掉，从而得到外边界与模具接缝表面重合的最终嵌接塞。
除了涉及多段式模具和用于填充模具表面中接缝的加固嵌接塞之外，本发明也包括使用加固嵌接塞填充多段式模具的接缝的方法。
根据本发明的嵌接塞特别适用于填充由准各向同性片材模塑混配物制成的复合模具节段之间的表面接缝。嵌接塞足够耐用，从而以与模具节段相同的方式承受大量模塑循环。嵌接塞具有的物理性质例如热膨胀系数匹配用于制备模具节段的材料的物理性质，从而防止在接缝模具节段之间的划分线(bond lines)处分离。可以按与复合模具节段的表面相同的方式对嵌接塞进行机器加工和/或抛光，从而得到在接缝处无缺陷的模具表面。
加固多个准各向同性片材模塑混配物层以形成加固的嵌接塞、然后使模具节段之间的接缝经压热器固化的方法，制得基本上无接缝的多段式模具表面。以这种方式制备的嵌接塞接缝是无孔的，并且它们也没有可能在嵌接塞和周围模具表面的最初或后续机器加工和/或抛光过程中暴露的其它缺陷。
通过结合附图参考具体实施方式，将会更好地理解本发明的以上讨论的和很多其它特征以及随之产生的优点。
附图说明
图1是根据本发明的示例性多段式复合模具的局部视图，显示两个模具节段之间的接缝。
图2是图1的侧视图，显示嵌接塞层合结构的细节。
图3是侧视图，显示在机器加工以形成如图1和图2所示的最终嵌接塞接缝之前的尺寸过大的嵌接塞。
图4是加固的嵌接塞在施用于嵌接缝之前的局部视图。
图5是根据本发明的示例性三件式多段式复合模具的局部视图。
图6是具有45°V形横截面形状的嵌接塞接缝的横截面照片。
图7是具有30°V形横截面形状的优选嵌接塞接缝的横截面照片。
图8显示用于制备加固嵌接塞的简化压塑型腔模具设备。
图9是图8所示的压塑型腔模具的横截面视图。
具体实施方式
根据本发明的示例性多段式复合模具的一部分在图1和2中显示在10。多段式模具意在用于根据已知的压热器固化方法制造大型复合部件或结构，在所述固化方法中工作温度通常为170℃至260℃，且模具表面暴露于45psi至125psi的压力。但是，如果需要，模具可以用于其它模塑方法，在那些方法中无需将待模塑的材料加热到这么高的温度和/或在模塑方法中不使用高压。
可以使用多段式模具模塑的示例性大型复合部件或结构包括机翼，机身，水平安定面翼肋工具，翼梁工具和尾翼工具。由多段式模具提供的模塑表面的过大尺寸可以为几平方米到超过100平方米。模塑表面的尺寸仅受限于连接在一起的模具节段数和恰当支撑模具的能力。模具的各节段的尺寸优选为使得其可以通过公路运输、铁路运输和/或空运来运送。优选地，单个模具节段的宽度不超过3米，长度不超过12米。
虽然多段式模具根据所需整体模具的尺寸和单独节段的尺寸可以包括任何数目的模具节段，但是针对示例性目的，所示的多段式模具10仅具有第一模具节段12和第二模具节段14。模具节段12和14由结构连接元件17牢固地连接在一起。连接元件17足够坚固以使模具节段在大量压热器模塑循环过程中精确保持就位。整体多段式模具10也由根据利用复合模具的已知模塑方法的其它支撑结构(未显示)支撑。
第一模具节段12具有第一模具表面16，其经塑形以形成大型复合结构的模塑表面的第一部分。第一模具节段12也包括第一侧表面18，和以一定角度从第一模具表面16向下延伸到第一侧表面18的第一嵌接表面20。第一嵌接表面20具有位于第一模具表面16的第一外边缘22和位于第一侧表面18的第一内边缘24。第一模具节段12由多个固化的准各向同性片材模塑混配物层制备，例如
Figure GDA0001569193630000061
或
Figure GDA0001569193630000062
其由多个无规取向薄片构成，其中薄片各自包含单向取向的纤维和固化树脂。
第二模具节段14具有第二模具表面26，其经塑形以形成大型复合结构的模塑表面的第二部分。第二模具节段14也包括第二侧表面28，和以一定角度从第二模具表面26向下延伸到第二侧表面28的第二嵌接表面30。第二嵌接表面30具有位于第二模具表面26的第二外边缘32和位于第二侧表面28的第二内边缘34。第二模具节段14由多个固化的准各向同性片材模塑混配物层制备，例如
Figure GDA0001569193630000063
or
Figure GDA0001569193630000064
其由多个无规取向薄片构成，其中薄片各自包含单向取向的纤维和固化树脂。
第一模具节段12和第二模具节段14的位置彼此邻接，使得第一嵌接表面20和第二嵌接表面30在位于两个模具节段之间的表面处形成嵌接缝36。嵌接缝36具有沿第一内边缘24和第二内边缘34延伸的顶点38。嵌接缝36也具有在模具节段的第一和第二外边缘22和32之间延伸的外边界40。外边界40与在模具节段的第一和第二表面16和26之间延伸的模具接缝表面重合。
根据本发明，嵌接塞42填充嵌接缝36。嵌接塞42包括第一嵌接塞层44，其由固化的准各向同性片材模塑混配物层构成，例如
Figure GDA0001569193630000065
或
Figure GDA0001569193630000066
其由多个无规取向薄片构成，其中薄片各自包含单向取向的纤维和固化树脂。第一嵌接塞层44包括内侧46和外侧48。嵌接塞的内侧46邻接于第一和第二嵌接表面20和30。嵌接塞层的内侧46从第一模具的第一外边缘22延伸到顶点38并从顶点38延伸到第二模具的第二外边缘32。第一嵌接塞层的外侧48具有V形形状的从第一外边缘22延伸到第二外边缘32的表面轮廓。
嵌接塞42包括位于第一嵌接塞层的外侧48和嵌接缝的外边界40之间的多个另外的嵌接塞层50a-50i。另外的嵌接层50a-50i各自由固化的准各向同性片材模塑混配物层制成，例如
Figure GDA0001569193630000071
或
Figure GDA0001569193630000072
其由多个无规取向薄片构成，其中薄片各自包含单向取向的纤维和固化树脂。
另外的嵌接塞层50a-50i各自具有内侧和外侧。例如，另外的嵌接塞层50a的内侧显示于52，外侧显示于54。另外的嵌接塞层50a-50i位于嵌接塞42中，使得另外的嵌接塞层各自的内侧紧挨着邻接的另外的嵌接塞层中较为接近第一嵌接塞层44的外侧。另外的嵌接塞层50a的内侧紧挨着第一嵌接塞层的外侧48并遵循第一嵌接塞层的表面轮廓48。另外的嵌接塞层50a-50i终止于和/或形成与模具接缝表面重合的接缝边界40。
第一嵌接表面20和接缝边界40之间的角度60(也称为倒角)应该在20°至45°之间。第二嵌接表面30和接缝边界40之间的倒角或角度62应该也在20°至45°之间。已经发现，嵌接塞的V形形状的角度对于提供具有低多孔度的适当接缝是重要的。填充倒角超过45°的接缝的嵌接塞是不适宜的。45°至35°之间的倒角得到对于很多模塑应用可接受的接缝。但是，对于用于处于高温和高压的压热器的模具，优选的是倒角在25°至35°之间。发现倒角为30°的接缝得到特别有效的接缝，该接缝无孔并且特别适宜用于暴露于复合部件的压热器模塑过程中出现的高压和高温的模具。
V形形状的嵌接塞的侧面剖面图显示于图6，其中嵌接塞在每个侧面接壤复合模具的接缝内就位，所述复合模具由多个4000克每平方米(gsm)M61
Figure GDA0001569193630000073
片材模塑混配物层制成。嵌接塞由10层4000克每平方米(gsm)M61
Figure GDA0001569193630000074
片材模塑混配物制成。图6中第一和第二模具节段的倒角为45°。形成外边界40的嵌接塞的顶部为5cm宽。
图7也显示了在每个侧面接壤复合模具的接缝内就位的V形形状的嵌接塞的侧面剖面图，所述复合模具由多个4000克每平方米(gsm)M61
Figure GDA0001569193630000075
片材模塑混配物制成。嵌接塞由10层4000克每平方米(gsm)M61
Figure GDA0001569193630000076
片材模塑混配物制成。在图7中，第一和第二模具节段的倒角为30°。嵌接塞的顶部也为5cm宽。嵌接塞的顶部通常为2至10cm宽。
图6和图7中所示的嵌接塞和模具节段都按相同方式按照用于模塑M61
Figure GDA0001569193630000077
片材模塑混配物的标准过程制备。已经发现，图7中显示的30°嵌接塞的层间多孔性和划分线多孔性显著低于图6所示的45°嵌接塞。因此，对于接合将用于在高于150℃的温度和45psi至125psi的压力操作的压热器中的多段式模具，优选图7中所示的嵌接塞设计。
优选的是，嵌接塞粘合剂层位于嵌接塞42与第一和第二嵌接表面20和30之间，分别显示于70和72。
用作嵌接塞粘合剂的材料可以是与用于嵌接塞和模具节段的树脂相容的任何适宜的粘合剂。对于高温模塑(150℃及以上)，优选由双马来酰亚胺、聚酰亚胺、聚醚醚酮、酚类等制成的粘合剂。购自Hexcel Corporation(Salt Lake City，Utah)的HP655双马来酰亚胺膜粘合剂是优选的嵌接塞粘合剂。粘合剂层优选尽可能薄，但仍能提供所需的粘合水平。粘合剂层的优选厚度为20微米至1.5mm厚。
侧表面18和28之间的间隔或间隙用密封剂层或粘合剂层80密封。用作密封剂的材料可以是与用于模具节段的树脂相容的任何适宜的密封剂或粘合剂。对于高温模塑(150℃及以上)，优选由双马来酰亚胺、聚酰亚胺、聚醚醚酮、酚类等制成的密封剂。HP655双马来酰亚胺膜粘合剂是优选的密封剂。间隙36优选为1mm至4mm宽。
嵌接缝36起初用加固嵌接塞过填充，该塞由未固化的准各向同性片材模塑混配物层构成，所述未固化的准各向同性片材模塑混配物层已经在压力和升高温度下加固，形成严密匹配嵌接缝36形状的V形形状塞。加固嵌接塞稍大于嵌接缝，由此当使加固嵌接塞固化时，其形成尺寸过大的嵌接塞，如图3中90所示。
应该注意，将侧表面18和28之间的间隙用密封剂层80密封，然后将加固嵌接塞放进嵌接缝36。密封剂层80的预定位是必须的，以便于提供模具节段12和14之间的密封，由此可以在模塑加固嵌接塞以形成尺寸过大的固化嵌接塞90的过程中施加压力。
将尺寸过大的固化嵌接塞90中位于接缝外边界(在图3中显示于40的虚线)之上的部分92移除，从而得到嵌接表面与外接缝边界40重合的嵌接塞。尺寸过大的嵌接塞的多余部分使用通常用于机器加工钢和/或复合材料型腔模具的任何已知机器加工工具和技术移除。这样的机器加工工具通常利用碳化物和金刚石涂布的数控(N/C)切割机。按需将嵌接塞表面和周围的模具表面进行机器加工和抛光，以达到所需表面容限。典型的表面容限为约0.2mm或更小。模具表面和接缝表面容限可以为约±0.1mm，甚至尽量精确到±100微米。
由于嵌接塞42和周围的模具表面由相同类型的准各向同性片材模塑混配物制成，这些表面的机器加工和抛光产生基本上无接缝的多段式模具表面。另一个优点是，当模具重复用于在高温和高压进行压热器模塑复合部件时，嵌接塞表面具有与模具表面相同的耐久性。此外，沿嵌接塞和模具节段之间的划分线形成开裂的可能性降低，因为嵌接塞和模具节段都具有相同的热膨胀系数。而且，当模具表面需要修复或修饰时，可以将嵌接塞按与模具节段相同的方式进行机器加工和抛光。
用于过填充接缝36的加固嵌接塞在图4中显示于100。加固嵌接塞100包括第一加固嵌接塞层150，其对应于图2中所示的第一嵌接塞层50。加固嵌接塞100也包括另外的加固嵌接塞层150a-150i，其对应于图2中所示的另外的嵌接塞层50a-50i。所示的加固嵌接塞100具有另外的层150j。
第一加固嵌接塞层150的外侧的形状为具有内角152的V形。为了纳入由第一和第二模具节段形成的接缝(内角为20°至45°)，嵌接V形的内角可以为90°至140°。优选地，为了匹配倒角为25-35°的模具接缝，V形的内角为110°至130°。V形的优选内角为120°，其对应于30°的优选的模具接缝倒角。
加固嵌接塞150如下制备：将尺寸适当的准各向同性片材模塑混配物层放进加固型腔模具中，例如图8和9中110所示的简化压塑型腔模具。型腔模具110包括型腔模具主体111和可移动的顶板112。顶板112的底部113和加固型腔模具111的内表面114和115经塑形以得到V形形状的型腔模具腔116，其严密匹配所需的嵌接塞形状，由此严密匹配待填充的接缝的形状。型腔模具的尺寸使得加固嵌接塞的顶部154过填充接缝，如前所述。用于特定嵌接塞的准各向同性片材模塑混配物的层数通常为5至30，这取决于层厚度和嵌接塞的尺寸。
当使未固化的准各向同性片材模塑混配物层位于加固型腔模具腔116中之后，顶板112固定到位。然后通过施力系统(示意性显示于117)向型腔模具110加压，并通过加热系统(示意性显示于118)对其加热，从而使层加固为固体未固化的层合体，该层合体形成加固嵌接塞。施加于准各向同性片材模塑混配物层的热和压力的量足以使层加固为固体层合体，而无需提前固化模塑混配物树脂。
期望的是，不发生模塑混配物树脂的固化，直到加固嵌接塞位于模具节段之间的接缝中才开始。对于由碳纤维和双马来酰亚胺树脂组成的准各向同性片材模塑混配物，典型的加固方法在60至95℃的温度在施加力的情况下在30,000至50,000磅的型腔模具中将耗时5分钟至30分钟。
加固型腔模具110和用于加热和加压型腔模具腔116的方法特别适于使准各向同性片材模塑混配物形成未固化的加固嵌接塞预制件。但是，型腔模具和加固方法也可以用于由准各向同性片材模塑混配物形成众多其它加固预制件形状。可以按需修饰和塑形型腔模具和顶板的内表面以形成各种各样的腔形状。所得型腔模具然后可以用于形成加固预制件，加固预制件可固化以形成各种各样的复杂部件和结构，包括用于飞机和其它航天器的部件和结构。
一旦形成，可以立即使用加固嵌接塞150，或者可以将其在防止加固嵌接塞中存在的未固化树脂固化的条件下储存。加固嵌接塞所带来的优点是其可以在一个场所制造和储存，然后运输至用于组装多段式模具的另一个场所。而且，可以制造和储存多套不同尺寸的加固嵌接塞，以便可随时提供嵌接塞，所述嵌接塞用于密封位于各种场所的多段式模具中的各种接缝。
加固嵌接塞150可以由已经用于制备复合模具的任何准各向同性片材模塑混配物制备。由单向碳丝束和马来酰亚胺树脂构成的薄片所制成的片材模塑混配物是优选的。优选的示例性准各向同性片材模塑混配物是
Figure GDA0001569193630000101
M61。单位面积重量为2000gsm和4000gsm的
Figure GDA0001569193630000102
M61是可得的。标称薄片尺寸为8mm宽和50mm长。薄片各自包含碳纤维和38重量％的双马来酰亚胺树脂。对于2000gsm片材模塑混配物，
Figure GDA0001569193630000103
M61的固化层的厚度为1.27mm，对于4000gsm材料，所述厚度为2.54mm。固化后的
Figure GDA0001569193630000104
M61的Tg为275℃，最大使用温度为218℃。固化的
Figure GDA0001569193630000105
M61的线性热膨胀系数为4.0×10-6/℃(面内ASTME 289-95)。
加固嵌接塞和模具节段可以由相同的准各向同性片材模塑混配物制成，或者它们可以由不同的准各向同性片材模塑混配物制成。例如，4000gsm
Figure GDA0001569193630000106
M61通常用于制备复合模具。嵌接塞也可以由4000gsm
Figure GDA0001569193630000107
M61制备以匹配模具节段。在这种情况中，8至12个片材模塑混配物层用于制备顶面为约5cm宽的嵌接塞。
或者，2000gsm
Figure GDA0001569193630000108
M61可以用于制备嵌接塞，所述嵌接塞用于将由4000gsm
Figure GDA0001569193630000111
M61制备的模具节段接合在一起。当期望加固嵌接塞具有较高挠性时，使用具有较低单位面积重量的片材模塑混配物。2000gsm
Figure GDA0001569193630000112
M61是优选的片材模塑混配物，因为所得嵌接塞往往具有减少量的褶皱或折叠。当2000gsm
Figure GDA0001569193630000113
M61用于制备嵌接塞时，具有5cm宽的顶面的嵌接塞所需的片材模塑混配物层数为16至24层。
示例性多段式复合模具的部分在图5中显示于200。多段式模具200包括第一模具节段202、第二模具节段204和第三模具节段206。第一接缝208位于第一和第二模具节段202和204之间。第二接缝210位于第一和第三模具节段202和206之间。第三接缝212位于第二和第三模具节段204和206之间。显示三个接缝208、210和212根据本发明由嵌接塞214、216和218部分填充。三个接缝聚集在T接头220处。嵌接塞216和218可以是单个嵌接塞。嵌接塞可以在接头220处交叠或对接。而且，如果期望，T接头可以作为单个T形加固嵌接塞形成。
图5中在200显示的三件式多段式复合模具是根据本发明多个接缝和接缝接头可如何用嵌接塞填充的另一个实例。正如使用示例性两件式模具10的情况可知，实际的多段式复合模具通常将由众多用众多嵌接塞接合在一起的模具节段构成。
在参阅了本发明的上述示例性实施方式之后，本领域技术人员应该注意到，这些公开内容仅是示例性的，并且可以在本发明的范围内进行各种其它选择、改编和修改。因此，本发明不限于以上优选的实施方式和实施例，而是仅由所附权利要求限定。

Claims (20)

1.用于模塑具有模塑表面的大型复合结构的多段式模具，所述多段式模具包括：
第一模具节段，其包括经塑形以形成所述大型复合结构的模塑表面第一部分的第一模具表面、第一侧表面、和以一定角度从所述第一模具表面延伸到所述第一侧表面的第一嵌接表面，所述第一嵌接表面具有位于所述第一模具表面的第一外边缘和位于所述第一侧表面的第一内边缘，所述第一模具节段包括多个固化的准各向同性片材模塑混配物层，所述片材模塑混配物层各自包括多个无规取向薄片，其中所述薄片包括单向取向的纤维和固化树脂；
第二模具节段，其包括经塑形以形成所述大型复合结构的模塑表面第二部分的第二模具表面、第二侧表面、和以一定角度从所述第二模具表面延伸到所述第二侧表面的第二嵌接表面，所述第二嵌接表面具有位于所述第二模具表面的第二外边缘和位于所述第二侧表面的第二内边缘，所述第二模具节段包括多个固化的准各向同性片材模塑混配物层，所述片材模塑混配物层各自包括多个无规取向薄片，其中所述薄片包括单向取向的纤维和固化树脂，其中所述第一模具节段和第二模具节段彼此邻接，由此所述第一嵌接表面和所述第二嵌接表面形成所述第一模具节段和第二模具节段之间的嵌接缝，所述嵌接缝具有沿所述第一和第二内边缘延伸的顶点和在所述第一和第二外边缘之间延伸的外边界，所述外边界与在所述第一模具表面和第二模具表面之间延伸的模具接缝表面重合；
位于所述第一侧表面和第二侧表面之间的密封剂层，所述密封剂层位于所述嵌接缝之外；和
填充所述嵌接缝的嵌接塞，所述嵌接塞包括第一嵌接塞层，第一嵌接塞层包括含有多个无规取向薄片的固化的准各向同性片材模塑混配物层，其中所述薄片包括单向取向的纤维和固化树脂，所述第一嵌接塞层具有内侧和外侧，其中所述第一嵌接塞层的内侧邻接于所述第一和第二嵌接表面并且从所述第一外边缘延伸到所述顶点并从所述顶点延伸到所述第二外边缘，并且其中所述第一嵌接塞层的所述外侧具有V形形状的从所述第一外边缘延伸到所述第二外边缘的表面轮廓，所述嵌接塞包括多个位于所述第一嵌接塞层的外侧和所述嵌接缝的外边界之间的另外的嵌接塞层，所述另外的嵌接塞层各自包括含有多个无规取向薄片的固化的准各向同性片材模塑混配物层，其中所述薄片包括单向取向的纤维和固化树脂，并且其中所述另外的嵌接塞层各自具有内侧和外侧，所述另外的嵌接塞层位于所述嵌接塞中，使得另外的嵌接塞层各自的内侧紧挨着邻接的另外的嵌接塞层中较为接近所述第一嵌接塞层的外侧，并且其中所述另外的嵌接塞层之一的内侧紧挨着所述第一嵌接塞层的外侧并且遵循所述第一嵌接塞层的表面轮廓，并且其中所述另外的嵌接塞层形成所述模具接缝表面。
2.根据权利要求1的用于模塑具有模塑表面的大型复合结构的多段式模具，其中所述第一嵌接表面和所述外边界之间的角度为25°至35°，并且其中所述第二嵌接表面和所述外边界之间的角度为25°至35°。
3.根据权利要求2的用于模塑具有模塑表面的大型复合结构的多段式模具，其中所述第一嵌接表面和所述外边界之间的角度为30°，并且其中所述第二嵌接表面和所述外边界之间的角度为30°。
4.根据权利要求1的用于模塑具有模塑表面的大型复合结构的多段式模具，其中所述第一模具节段、第二模具节段和嵌接塞由具有相同单位面积重量的片材模塑混配物层制成。
5.根据权利要求1的用于模塑具有模塑表面的大型复合结构的多段式模具，其中用于制备所述第一模具节段和第二模具节段的片材模塑混配物层的单位面积重量大于用于制备所述嵌接塞的片材模塑混配物层的单位面积重量。
6.根据权利要求1的用于模塑具有模塑表面的大型复合结构的多段式模具，其中所述第一模具节段、第二模具节段和嵌接塞各自包括含有碳纤维和固化双马来酰亚胺树脂的薄片。
7.根据权利要求1的用于模塑具有模塑表面的大型复合结构的多段式模具，其中所述嵌接缝的在所述第一和第二外边缘之间延伸的外边界为2cm至10cm宽。
8.根据权利要求1的用于模塑具有模塑表面的大型复合结构的多段式模具，其中第一嵌接塞粘合剂层位于所述第一嵌接表面和所述第一嵌接塞层内侧之间，第二嵌接塞粘合剂层位于所述第二嵌接表面和所述第一嵌接塞层内侧之间。
9.加固的未固化嵌接塞，其用于密封用于模塑具有模塑表面的大型复合结构的多段式模具中的接缝，其中所述多段式模具具有：第一模具节段，所述第一模具节段包括经塑形以形成所述大型复合结构的模塑表面第一部分的第一模具表面、第一侧表面、和以一定角度从所述第一模具表面延伸到所述第一侧表面的第一嵌接表面，所述第一嵌接表面具有位于所述第一模具表面的第一外边缘和位于所述第一侧表面的第一内边缘，所述第一模具节段包括多个固化的准各向同性片材模塑混配物层，所述片材模塑混配物层各自包括多个无规取向薄片，其中所述薄片包括单向取向的纤维和固化树脂；所述多段式模具还包括第二模具节段，所述第二模具节段包括经塑形以形成所述大型复合结构的模塑表面第二部分的第二模具表面、第二侧表面、和以一定角度从所述第二模具表面延伸到所述第二侧表面的第二嵌接表面，所述第二嵌接表面具有位于所述第二模具表面的第二外边缘和位于所述第二侧表面的第二内边缘，所述第二模具节段包括多个固化的准各向同性片材模塑混配物层，所述片材模塑混配物层各自包括多个无规取向薄片，其中所述薄片包括单向取向的纤维和固化树脂，其中所述第一模具节段和第二模具节段彼此邻接，由此所述第一嵌接表面和所述第二嵌接表面形成所述第一模具节段和第二模具节段之间的嵌接缝，所述嵌接缝具有沿所述第一和第二内边缘延伸的顶点，所述嵌接缝具有在所述第一和第二外边缘之间延伸的外边界，其中所述加固的未固化嵌接塞用于过填充嵌接缝，所述加固的未固化嵌接塞包括：
第一加固嵌接塞层，其包括含有多个无规取向薄片的加固的准各向同性片材模塑混配物层，其中所述薄片包含单向取向的纤维和未固化树脂，所述第一加固嵌接塞层具有内侧和外侧，其中所述第一加固嵌接塞层的内侧经塑形以邻接于所述第一和第二嵌接表面并且从所述第一外边缘延伸到所述顶点并从所述顶点延伸到所述第二外边缘，并且其中所述第一加固嵌接塞层的外侧具有从所述第一外边缘延伸到所述第二外边缘的表面轮廓，其为具有内角的V形形状，所述加固的未固化嵌接塞包括位于所述第一加固嵌接塞层外侧上的多个另外的加固嵌接塞层，所述另外的加固嵌接塞层各自包括含有多个无规取向薄片的加固的准各向同性片材模塑混配物，其中所述薄片包含单向取向的纤维和未固化树脂，并且其中所述另外的加固嵌接塞层各自具有内侧和外侧，所述另外的加固嵌接塞层位于所述加固的未固化嵌接塞中，使得另外的加固嵌接塞层各自的内侧紧挨着邻接的另外的加固嵌接塞层中较为接近所述第一加固嵌接塞层的外侧，并且其中所述另外的加固嵌接塞层之一的内侧紧挨着所述第一加固嵌接塞层的外侧并且遵循所述第一加固嵌接塞层的表面轮廓，当将所述加固的未固化嵌接塞置于所述嵌接缝内时，所述另外的加固嵌接塞层经塑形以延伸经过所述嵌接缝的外边缘并过填充所述嵌接缝。
10.根据权利要求9的加固的未固化嵌接塞，其中所述V形的内角为110°至130°。
11.根据权利要求10的加固的未固化嵌接塞，其中所述V形的内角为120°。
12.根据权利要求9的加固的未固化嵌接塞，其中所述第一加固嵌接塞层和所述另外的加固嵌接塞层各自包括含有碳纤维和未固化双马来酰亚胺树脂的薄片。
13.根据权利要求9的加固的未固化嵌接塞，其中所述第一加固嵌接塞层和另外的加固嵌接塞层经尺寸和形状塑造以过填充嵌接缝，其中嵌接缝的外边界为2cm至10cm宽。
14.根据权利要求9的加固的未固化嵌接塞，其中所述第一加固嵌接塞层和所述另外的嵌接塞层由具有相同单位面积重量的加固的准各向同性片材模塑混配物层制得。
15.将用于模塑具有模塑表面的大型复合结构的多段式模具接合的方法，所述方法包括以下步骤：
提供第一模具节段，其包括经塑形以形成所述大型复合结构的模塑表面第一部分的第一模具表面、第一侧表面、和以一定角度从所述第一模具表面延伸到所述第一侧表面的第一嵌接表面，所述第一嵌接表面具有位于所述第一模具表面的第一外边缘和位于所述第一侧表面的第一内边缘，所述第一模具节段包括多个固化的准各向同性片材模塑混配物层，所述片材模塑混配物层各自包括多个无规取向薄片，其中所述薄片包括单向取向的纤维和固化树脂；
提供第二模具节段，其包括经塑形以形成所述大型复合结构的模塑表面第二部分的第二模具表面、第二侧表面、和以一定角度从所述第二模具表面延伸到所述第二侧表面的第二嵌接表面，所述第二嵌接表面具有位于所述第二模具表面的第二外边缘和位于所述第二侧表面的第二内边缘，所述第二模具节段包括多个固化的准各向同性片材模塑混配物层，所述片材模塑混配物层各自包括多个无规取向薄片，其中所述薄片包括单向取向的纤维和固化树脂；
使所述第一模具节段和第二模具节段的位置彼此邻接，由此所述第一嵌接表面和所述第二嵌接表面形成所述第一模具节段和第二模具节段之间的嵌接缝，所述嵌接缝具有沿所述第一和第二内边缘延伸的顶点和在所述第一和第二外边缘之间延伸的外边界；
将密封剂层置于所述第一和第二侧表面之间，所述密封剂层位于所述嵌接缝之外；和
用包括第一加固嵌接塞层的加固的未固化嵌接塞过填充所述嵌接缝，所述第一加固嵌接塞层由包含多个无规取向薄片的加固的准各向同性片材模塑混配物层构成，其中所述薄片包括单向取向的纤维和未固化树脂，所述第一加固嵌接塞层具有内侧和外侧，其中所述第一加固嵌接塞层的内侧的位置邻接于所述第一和第二嵌接表面并且从所述第一外边缘延伸到所述顶点并从所述顶点延伸到所述第二外边缘，并且其中所述第一加固嵌接塞层的外侧具有从所述第一外边缘延伸到所述第二外边缘的表面轮廓，其为具有内角的V形形状，该内角与第一嵌接表面和第二嵌接表面之间在所述嵌接缝顶点处的角度相同，所述加固的嵌接塞包括位于所述第一加固嵌接塞层外侧上的多个另外的加固嵌接塞层，所述另外的加固嵌接塞层各自包括含有多个无规取向薄片的加固的准各向同性片材模塑混配物，其中所述薄片包含单向取向的纤维和未固化树脂，并且其中所述另外的加固嵌接塞层各自具有内侧和外侧，所述另外的加固嵌接塞层位于所述加固的嵌接塞中，使得另外的加固嵌接塞层各自的内侧位置紧挨着邻接的另外的加固嵌接塞层中较为接近所述第一加固嵌接塞层的外侧，并且其中所述另外的加固嵌接塞层之一的内侧位置邻接所述第一加固嵌接塞层的外侧并且遵循所述第一加固嵌接塞层的表面轮廓，其中所述另外的加固嵌接塞层中的一个或多个延伸经过嵌接缝的外边界以便于过填充所述嵌接缝；
使已经过填充所述嵌接缝的所述加固的未固化嵌接塞固化，以形成固化的尺寸过大的嵌接塞，所述固化的尺寸过大的嵌接塞包括延伸经过嵌接缝的外边界的部分；和
将所述固化的尺寸过大的嵌接塞的延伸经过嵌接缝外边界的部分移除，由此形成在所述第一模具表面和所述第二模具表面延伸的模具接缝表面。
16.根据权利要求15的接合多段式模具的方法，其中所述第一嵌接表面和所述外边界之间的角度为25°至35°，并且其中所述第二嵌接表面和所述外边界之间的角度为25°至35°。
17.根据权利要求16的接合多段式模具的方法，其中所述第一嵌接表面和所述外边界之间的角度为30°，并且其中所述第二嵌接表面和所述外边界之间的角度为30°。
18.根据权利要求15的接合多段式模具的方法，其包括另外的步骤：使第一嵌接塞粘合剂层位于所述第一嵌接表面和所述第一嵌接塞层内侧之间，并使第二嵌接塞粘合剂层位于所述第二嵌接表面和所述第一嵌接塞层内侧之间。
19.根据权利要求15的接合多段式模具的方法，其中用于制备第一模具节段和第二模具节段的片材模塑混配物层的单位面积重量大于用于制备所述加固的未固化嵌接塞的加固的准各向同性片材模塑混配物层的单位面积重量。
20.根据权利要求15的用于接合多段式模具的方法，其中所述第一模具节段和第二模具节段各自包括含有碳纤维和固化双马来酰亚胺树脂的薄片，并且所述加固的未固化嵌接塞包含碳纤维和未固化马来酰亚胺树脂。
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