CN109689345A - 纤维增强复合材料结构制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制造具有内部空间的三维结构的方法，所述方法包括以下步骤：(a)将纤维增强材料的预成型件按照第一配置布置，其中预成型件由支撑结构支撑；(b)当预成型件布置在支撑结构时，选择性地固化预成型件，以生产中间预成型件,中间预成型件包括至少两个选择性固化部分,选择性固化部分由至少一个非选择性固化部分互连；和(c)相对于彼此移动两个选择性固化部分以形成三维复合结构，其中两个部分至少部分围绕结构的内部空间。一种制造具有内部空间的三维结构方法中使用的纤维增强复合结构的中间预成型件同样形成了本发明的一部分。本发明还涉及一种用于制造纤维增强复合结构的装置和中间预成型件。

Description

纤维增强复合材料结构制造方法

技术领域

本发明涉及一种三维复杂产品的制造方法。特别涉及纤维增强复合材料结构的制造方法、包括纤维增强复合材料结构的车辆的制造方法、用于制造纤维增强复合结构的装置和用于制造纤维增强复合结构的中间预成型件。

发明内容

复杂的三维结构可以用多种不同的方法制造，对于较大的结构，如车辆，通过粘合、焊接或其他方式将多块预制板固定在一起来生产车身是标准的做法。然后，车身可以安装到单独的底盘上，或者如果是单体车身，将执行底盘的功能。一旦车身成型，车辆的内部零件(如导线和座椅)就安装到车身中。这可能是一个困难的过程，需要通过车身上的小孔进入，同时在不同高处工作作为加工的一些步骤。

类似的方法也被应用于许多其他大型复杂结构的制造中，如公共汽车和火车，甚至预制建筑。

车身面板通常由钢或铝制成，非常适合由多块平板制成多块面板。在可替换方式中，同样公知的是使用纤维增强材料制造车身。在这种情况下，要么形成面板，然后将其黏合或粘合在一起形成车身的三维形状，要么用未固化的材料将车身铺成三维形状，然后进行固化。

对于较小的复杂结构，已知将一个或多个预成型件放入(或置于)模具中。预成型件可以由干纤维板材料形成，也可以由已经含有大量基质物质(例如树脂)的“预浸料”形成。单个纤维板可以在模具内分层或编织在一起以形成所需形状。对于干纤维预成型件的情况，一旦将纤维放置在模具中，就可以使用基体物质。一旦由模具形成所需的结构形状，结构就可以被固化，使基体和纤维硬化在一起。如果要制造大型复杂的结构，独立的部件可以在粘合或黏合在一起之前被单独成型和固化。

复合结构可以是由纤维(例如碳纤维或玻璃纤维等)增强的载聚合物制成的任何纤维增强复合材料。

在第一方面，本发明提供一种制造具有内部空间的三维结构的方法，所述方法包括以下步骤：

(a)将纤维增强材料的预成型件按照第一配置布置，其中预成型件由支撑结构支撑；

(b)当预成型件布置在支撑结构时，选择性地固化预成型件，以生产中间预成型件,中间预成型件包括至少两个选择性固化部分,选择性固化部分由至少一个非选择性固化部分互连；及

(c)相对于彼此移动两个选择性固化部分以形成三维复合结构，其中两个部分至少部分围绕结构的内部空间。

本发明提供了一种制造三维复合结构的方法，其中在第一配置里预成型件被选择性地固化，按照第一配置，预成型件通常是二维的，并布置在支撑结构上，以形成中间预成型件，所述中间预成型件具有通过多个非选择性固化柔性截面连接的多个选择性固化刚性截面。然后，可通过将选择性固化部分中的一个从支架上抬起，以将其移动到与复合结构的最终所需三维形状相对应的第二配置处，来控制中间预成型件的形状。

可以有多个选择性固化部分，每个部分通过一个非选择性固化部分连接到至少一个相邻的选择性固化部分。这使得复杂的三维形状可以由一个通常是平的和单一的预成型件形成。

本发明的方法可用于制造各种结构，但作为制造车身的方法尤其有用。例如，其中一个选择性固化部分可包含车身地板，另一个可形成车身侧面，另一个可形成前部或后部，另一个可形成车辆车顶。最初，它们可以平放在支架上，一旦被选择性地固化，就会折叠起来形成三维体。多个非选择性固化部分可将地板连接至至少一个侧边，且至少一个侧边连接至屋顶，无需单独在这些区域中单独粘合。

该方法可包括当预成型件通常是平的时，即在步骤(a)、步骤(b)之前或步骤(b)之后但在步骤(c)之前，将多个组件添加到预成型件上的步骤。这可能包括添加完成后将位于结构内部的多个组件。对于车辆而言，这可能包括添加线束、或座椅、门卡或车顶衬里，但可以是任何类型的组件或材料。这使得许多组件和/或类似或不同的材料更容易被纳入完整的结构中。

这就要求预成型件平放，上表面是完成后将在三维结构内的表面，底面是完成结构的外表面。

当车身保持平直时添加这些组件是有利的，因为与以三维最终形式在车身内部工作相比，完成这项工作更容易。

一旦添加了组件，多个面板就可以折叠起来形成三维实体。

选择性固化工艺可以有利地允许中间预成型件的选择性固化部分通过将其与仍然可延展的非选择性固化部分连接而移动。因此，选择性固化通过提供至少两个离散的固化阶段允许相同材料同时处于两种不同的状态。

这种方法比现有技术有许多优点。通过将选择性固化的预成型件成形或重新配置成所需的最终形状，而不是将几个单独固化的组件粘合在一起，可以生产大型复杂结构。因此，预成型件可形成一个网，该网可被操纵(例如折叠)以形成复合结构。这将减少最终结构中必须粘合的接头数量，从而提高结构的强度。

其他优点包括通过使用一个单独的网来产生复合结构以减少废料。此外，由于不需要生产大量必须粘合在一起的单独固化部件，因此可以减少制造时间和工艺复杂性。因此，通过移除单独的面板粘合操作缩短了周期时间。此外，处于第一配置情况下，与它处于第二配置相比，复杂结构(如车辆底盘或车身)的最终内部可能更容易进入。此外，当在中间预成型阶段，当更容易地在复合材料结构中添加或安装多个附加组件时，会产生进一步的优势。多种现有技术方法不提供独特的第一和第二配置-当复合结构处于第二配置时，当进入受限制或更困难时，必须安装所有组件。

该方法可包括一旦将中间预成型件移动到第二配置中实施的进一步的固化步骤。进一步的固化步骤可包括完全固化或至少部分固化非选择性固化部分。这可能允许中间预成型件按照第二配置被完全硬化，以形成最终复合结构。这可能会改善最终结构的强度。在一些实施例中，可能不存在该进一步固化的步骤。在该实施例中，多个非选择性固化部分可不固化或仅部分固化。在其他实施例中，它们可以在环境条件下自然固化。

至少一个非选择性固化部分可定义允许移动多个选择性固化部分的柔性铰链。

该方法可包括在移动选择性固化面板后对非选择性固化部分进行固化的进一步的步骤。这样可以防止进一步移动，有助于保持最终的三维形状，并可能提高结构的最终强度。

选择性固化预成型件的步骤包括将选择性固化部分固化到与非选择性固化部分相比更大的程度。这使得非选择性固化部分保持柔性或延展性，以便中间预成型件可以从第一配置移动到第二配置。在其他实施例中，选择性固化部分和非选择性固化部分都是部分固化的，但固化量不同。因此，该方法利用未固化复合材料层压板的延展性来允许形状的改变。

固化可以是一个有源的过程，其中一个或多个热量、微波能量、紫外线辐射和压力被施加到选择性固化的部分，但没有作为一个较高的数量应用到-或没有应用到-没有选择性固化的部分。可替换地，预成型件的布置可以使其在将要选择性固化的部分中以更快的速率自然固化，在其他部分中通过适当的材料选择以较慢的速率固化。在每种情况下，都会有一个时间点，某些部分比其他部分固化得更多，因此足够坚硬，可以移动，而其他部分则没有被如此固化，足够柔性以弯曲或折叠。

选择性固化预成型件的步骤可以包括完全固化选择性固化部分，同时使多个非选择性固化部分未被固化，或者仅至少部分被固化。选择性固化预成型件的步骤可以包括至少部分固化选择性固化部分，同时保留未固化的非选择性固化部分。与选择性固化部分相比，这允许对非选择性固化部分施加不同程度的固化。

选择性固化预成型件的步骤包括选择性地对形成选择性固化部分的预成型件的部分施加热量或压力或两者兼有，但不对其他部分施加热量或压力。通过选择性地施加热量和/或压力，可以固化预成型件的某些区域，而预成型件的其他部分保持完全未固化，或至少部分固化，以保持柔韧性。这允许形成单独的或独特地有选择的多个固化部分和多个非选择固化部分。加热和/或压力也有助于加固预成型件。

当处于第一配置时，预成型件基本上是平面的；当处于第二配置时，中间预成型件可以折叠成更三维的形状。在第一配置中，中间预成型件的平面或平面形状允许轻松进入。例如，当处于开放或平面的第一配置时，可以更容易地到达最终形成复合结构成品内部的多个中间预成型件的零件。这可以使附加组件更容易安装，或者使涂层等更容易应用于复合结构。这比现有技术方法更为有利，在现有技术方法中，没有提供单独的第一和第二配置—复合材料结构简单地以最终所需的形状成型。

预成型件可包含一个网，从该网可形成整个(或部分)复合结构。可选地，所述网形成与所制造的复合结构的三维形状相对应的二维图案。这意味着整个三维复合结构可以通过折叠一个二维的网形成。

预成型件可包括具有不同性质的材料的多个部分，这些材料在整个网的多个间隔位置上布置。例如，高强度材料部分可应用于成品中需要高强度的区域，而低强度材料部分可应用于其他多个需要低强度的区域。

预成型件可包含一个连续的纤维材料片(即不包括连接在一起的多个纤维片，或单独粘合在一起的固化组件)。这可能会提高正在生产的最终复合结构的强度。这比现有技术的方法更为有利，其中，多段纤维材料组合在一起，以填充大型复杂模具，或者将单独的部件固化、粘合或黏合在一起。

该方法可包括在将中间预成型件移动到第二配置之前，将加强件装配或安装到中间预成型件的选择性固化部分。这可能为最终的复合结构提供额外的强度。当中间预成型件处于第一配置且更容易进入时，可以安装加强件。可应用的加强件的多个示例是构成A柱车辆B柱的多个金属元件。选择性固化的步骤可以将这些元件粘合到预成型件上。

优选地，在步骤(a)中，提供预成型件，其包括纤维材料片，所述纤维材料片在所述选择性固化和选择性未固化部分上连续延伸穿过预成型件。当纤维穿过铰链进入多个相邻部分时，这为成品结构提供了很大的强度，允许拉伸力穿过铰链，这样铰链就不会成为潜在的薄弱点，正如许多现有技术结构中单独的面板固定在一起的情况一样。

在根据本发明的另一方面的替代方案中，所述方法可以包括提供第一配置的刚性的预成型件，而不是在步骤(b)中固化所述预成型件以提供固化部分和选择性未固化部分，所述方法步骤(b)可以包括向所述预成型件施加热量以至少部分地熔化至少一个区域，以形成连接两个未熔化部分的柔性铰链，此后在步骤(c)中，相对于彼此移动两个未熔化部分，以形成三维复合结构，其中两个部分至少部分围绕结构的内部空间。

在移动两个未熔化的部分之后，可以让铰链凝固。

为了有助于铰链部分的熔化，预成型件可设置至少一个加热元件，该加热元件覆盖铰链部分，以便通过由加热元件通过传递电流来实现步骤(b)。

铰链元件可以固定在预成型件的表面，或者可以嵌入预成型件中。它可以包括电阻加热线。

在实际布置中，预成型件可定义多个铰链部分，每个铰链部分可配备加热元件。加热元件可以串联或并联在一起形成电路。

刚性预成型件通常是平坦的。由于刚性，当其处于第一配置时可能不需要支撑件，因为它可能能够保持自身的形状。但是，优选是平的或基本上平的，并且处于第一配置时布置在支撑面上。

在某些情况下，使用刚性预成型件而不是要固化的柔性预成型件的替代方法可能是有益的。例如，与未固化的预成型件相比，刚性扁平预成型件虽然笨重，但可能更容易运输。随着时间的推移，未固化材料不存在开始固化的风险，因为预成型件是刚性的，不会固化。缺点是，与提供柔性预成型件相比，该预成型件体积大，并且建造最终结构需要更多的能量。生产刚性预成型件需要初始能量，然后需要更多的能量来熔化铰链部分。

在第二方面，本发明提供制造车辆的方法，所述车辆包括具有地板的车身、一个或多个侧板和车顶板，所述方法包括通过应用第一方面的步骤形成车身，其中步骤(b)中的多个选择性固化部分包括地板、侧面和车顶。

制造车辆的方法还包括在将车辆移动到第二配置之前将车辆的至少一个组件安装到中间预成型件中，所述第二配置即车身、侧面和车顶平放时。

在第三方面，本发明提供一种用于制造纤维增强复合结构的装置，该装置包括：支撑结构，在该支撑结构上，预成型件可以由一个或多个材料片叠放，选择性固化装置，布置成选择性地固化预成型件的至少一部分以产生中间预成型件，所述中间预成型件包括由至少一个非选择性固化部分互连的多个选择性固化部分。

该装置可选择性地对预成型件施加热量和/或压力，以产生中间预成型体。

所述选择性固化装置可包括一个压模机构，所述压模机构包括一对可移动的相对表面，所述相对表面被布置成与预成型件啮合，以选择性地向预成型件的至少一部分施加热量和/或压力。这提供了一种快速而有效的方法，选择性地向预成型件施加热量和压力。其中一个可移动表面可定义支撑结构，用于在固化前固定已铺设的预成型件。

一个或两个相对的表面形成一个模具，该模具被布置为形成预成型件。这允许定义选择性固化部分的形状。

所述选择性固化装置可包括一个或多个加热板，所述加热板适于离散地应用于所述预成型件的表面以接触要选择性固化的多个区域。

选择性固化装置包括选择性能量传递装置，所述选择性能量传递装置被布置成以辐射(例如热辐射、紫外线或微波辐射)、对流、感应或传导的形式选择性地将能量定向到预成型件的某些部分。

在第四方面，本发明提供用于制造纤维增强复合结构的中间预成型件，所述中间预成型件包括由至少一个非选择性固化部分互连的多个选择性固化部分，所述选择性固化部分可从第一配置移动到第二个配置上以生产复合结构。

中间预成型件可以通过上述第一方面方法的前两个步骤来生产。在其他实施例中，中间预成型件可以使用任何其他合适的方法生产。中间预型件可以折叠到第二配置以生产所期望的复合结构。将复合材料结构移动到第二配置的最后一步可以作为单独制造过程的一部分完成。在一些实施例中，在移动到第二配置之前，中间预成型件可以存储或运输到不同的位置。中间预成型件所占空间比最终复合结构小，因此更容易储存和运输。

在另一方面，本发明提供一种用于制造具有内部空间的三维结构的方法中的纤维增强材料预成型件，该预成型件包括：

第一部分，包括至少一片纤维材料和基质材料；

第二部分，包括至少一片纤维材料和基质材料；以及

将第一部分连接到第二部分的第三部分，所述第三部分包括至少一片纤维材料和基质材料，所述基质材料与第一部分和第二部分中使用的基质材料具有不同固化性能或不同熔融性能。

使用根据本发明的一个方面的方法时，第一和第二部分可以形成中间预成型体的选择性固化部分，第三部分可以形成非选择性固化部分。在可替换实施例中，它们定义了由熔融或部分熔融铰链部分连接的两个刚性部分。

预成型件的每一部分包含多个纤维材料层。

基质材料包含未固化或部分固化的热硬化材料。

基质材料包括刚性热塑性材料。

基质材料包括环氧树脂、乙烯基酯或聚酯固化塑料。

与第一部分和第二部分相比，第三部分的基质材料具有更高的固化温度，或者承受与第一部分和第二部分相同的温度时具有更低的固化速度，或者与第一部分和第二部分的树脂基质材料相比，第三部分的基质材料具有更高的固化温度和更低的固化速度。

与第一部分和第二部分相比，第三部分的基质材料的熔化温度更低。

纤维材料片可包括编织细长纤维片。细长纤维可为(例如)碳、玻璃、芳纶或本领域已知的任何其他适当增强纤维。

各部分的片材可为干燥纤维片材，其上覆盖至少一片未固化树脂。对于干纤维，本领域技术人员将理解，我们指的是未浸渍任何树脂基质材料的片材。

可替换地，每一部分的片材可预先用树脂基质材料预压。

可提供干燥和预浸板的组合。

预成型体可包括至少一片干燥纤维材料，该干燥纤维材料连续延伸穿过第一部分并延伸穿过第三部分以进一步连续延伸穿过第二部分。可能有多个这样的薄片层叠在一起。

使用延伸到第三部分的薄板提供了很大的强度，因为纤维正好延伸到正在使用的构成铰链部分的材料上，并由两侧的部分锚固。

第三部分可以包括多层排列的多个纤维板，其中，在与第一部分的接口处和与第二部分的接口处的一些板的边缘通过层与其他板的边缘偏移，从而使多片板与第一和第二部分上相应板的边缘区域交错。

这种将第三部分的片材与第一和第二部分的片材交错的方法特别适用于片材预压有基质材料的情况，因为在初步固化形成中间预成型件之后，第一和第二部分将挂接在未固化或部分固化第三部分的多个边缘上。

若片材为干片材，则第三部分中使用的树脂基质层可具有与第一部分和第二部分中使用的多个层不同的性质。

所述预成型件可以包括二维网，所述二维网可以折叠或成形以形成待制造物品的三维形状。

预成型件可包括一个或多个凸耳，当移动以形成三维制品时，该凸耳可折叠以与预成型件的其他部分重叠。

预成型件可包括多个第一部分、或第二部分和第三部分，以限定多个铰链，以允许产生复杂的三维形状。

在第六方面，本发明提供了一种制造具有内部空间的三维结构的方法，所述方法包括以下步骤：(a)按照第一配置布置纤维增强材料的预成型件，其中预成型件由支撑结构支撑，所述预成型件包括以按照第一速率固化的第一材料和以第二速率固化的第二材料，第二速率比第一速率慢；(b)允许第一材料固化以产生中间预成型件；(c)相对于第二材料移动第一材料，使两种材料至少部分地包围结构的内部空间；(d))使第二种材料固化。

附图说明

本发明的实施例现在将仅以示例的方式，参考附图进行描述，其中：

图1示出根据本发明实施例的制造纤维增强复合结构的方法；

图2a示出根据图1所示方法的预成型件；

图2b所示为图2a的预成型件的侧视图，从而使支撑结构可见；

图3示出根据图1所示的方法的按照第一配置的中间预成型件；

图4示出图3的中间预成型件移动到第二配置以形成复合结构；以及

图5示出应用可选的进一步的固化步骤后的复合材料结构。

图6示出固化前根据本发明的一个方面的预成型件的一个实施例，该预成型件可以形成一个开放顶盒结构，

图7示出形成预成型件的多个纤维材料和树脂膜的干板交替形成的多层布置；以及

图8示出使用纤维和树脂基材料预浸渍板的替代布置。

具体实施方式

本发明涉及一种制造纤维增强复合材料结构的方法。在下面的例子中，阐述了一种制造车身的方法。

纤维增强复合结构可以是由纤维材料增强的聚合物基体制成的任何纤维增强材料。纤维材料可以是例如碳、玻璃、芳纶或本领域已知的任何其他适当的增强纤维。聚合物基质可以是任何可用于设置复合材料形状的合适材料，例如环氧树脂、乙烯基酯或聚酯固化塑料。例如，纤维增强复合材料结构可以是碳纤维或玻璃纤维材料，适用于汽车、航空航天或建筑行业。在所述实施例中，本发明的方法可用于生产车辆的结构部件，例如汽车底盘或车身。然而，本发明不限于本实施例。在其他实施例中，纤维增强复合结构可用于本领域技术人员显而易见的任何其他用途。

根据本发明实施例制造纤维增强复合结构的方法100如图1所示。方法100一般包括以下步骤：102，按照第一配置设置预成型件；104，选择性固化预成型件以产生中间预成型件；106，在第一配置和第二配置之间移动中间预成型件以形成复合结构。

“选择性固化”是指预成型体的一部分以比另一“非选择性固化”部分更快的速度固化。在此过程中，选择性固化部分可能比非选择性固化部分具有更高的硬度，至少在选择性固化104的步骤之后立即执行。术语“选择性固化”包括通过选择性施加热量和/或压力迫使部分预成型体以更快的速率固化。“选择性固化”应还应理解为不仅包括“强迫”预成型体以不同速率固化，而且允许其在环境条件下以不同速率自然固化。在该实施例中，预成型体包含以第一速率固化的第一材料和以比第一速率慢的第二速率固化的第二材料。随后，“选择性固化”可包括允许预成型件在环境条件下固化特定时间段，以便与“非选择性固化”部分相比，“选择性固化”部分得到更大程度的固化。

图2a示意性地将预成型件202按照第一配置布置的第一步骤102的示意图。预成型件202的形状使得形成一个网，该网可以折叠或以其他方式操作，以提供所制造的最终复合结构的所需形状(或至少部分所需形状)。因此，网可对应于用于形成最终三维复合结构的二维模式。因此，在一些实施例中，网可提供所需复合结构的所有零件(例如，网对应于最终复合结构的整体)，无需稍后添加额外的面板或截面。如图2a所示，第一配置对应于开放(或展开)配置的网，即在网被折叠成所需的复合结构形状之前(对应于第二配置，如下文所述)。在一些实施例中，预成型件提供的网可能不对应于所需的全部复合组件。在这样的多个实施例中，可添加额外的组件以生产最终所需的复合结构。在选择性固化步骤104之前和过程中，可提供支撑装置或模具以支撑按照第一配置的预成型件。

按照第一配置布置预成型件202包括切割预成型件和/或通过将其放置在本领域已知的模具或芯轴中或其上方来对预成型件进行成形(例如，“铺设”预成型件)。预成型件202可以是任何合适的干纤维材料，随后(例如，在模具中一次)添加基质材料(例如，树脂)以硬化固化时的结构。在其他多个实施例中，预成型件202可能已经包含一定量的基质树脂(即，它可能是“预浸”预成型件)。在一些实施例中，预成型件202可能包含一个用纤维材料制成的单独的连续薄片(如后文所述)。在其他实施例中，预成型件202可包含一个或多个部分或层，当放置到模具中时，这些部分或层可堆叠、缝合、编织或以其他方式组合在一起。本发明可涉及热固性材料和热塑性材料。此外，如后文所述，复合结构可以是增强的或未增强的复合结构。

在所述实施例中，最终复合结构是形成车辆(例如汽车或飞机)的车身或底盘的部件。在本实施例中，第一配置对应于这样一种配置：其中车身的侧板、隔板、地板等展开成大致平坦或展开的配置，如图2a所示。在其他实施例中，复合结构不限于图中所示的形状，并且可以是任何形状的复合结构。

一旦预成型件202被按照第一配置布置，方法100进行选择性固化104预成型件202以产生中间预成型件204的步骤，如图3所示。选择性固化步骤104仅包括固化预成型体202的多个特定部分，使得所得中间预成型件204包含多个选择性固化部分206a、206b、206c、206d、206e、206f，这些部分通过至少一个非选择性固化部分互连(其中五个部分如图3所示，标记为208a、208b、208c，208d，208e)。在选择性固化过程104中，与非选择性固化部分208a-208e相比，选择性固化部分206a-206f可被固化到更大程度或程度。例如，选择性固化步骤104可包括完全固化选择性固化部分206a-206f，同时留下非选择性固化部分208a-208e未被固化，或至少部分被固化。在一些实施例中，选择性固化部分206a-206f可至少部分被固化，而留下非选择性固化部分208a-208e未固化。在其他实施例中，选择性固化部分和非选择性固化部分均可通过选择性固化步骤部分被固化。多个选择性固化部分和非选择性固化部分可延伸穿过预成型件各自部分的厚度，形成由柔性部分分开的刚性部分。在其他多个实施例中，它们可以由预成型体的不同层形成。

在一些实施例中，施加到选择性固化部分的热量和/或压力可扩散到非选择性固化部分，尽管已采取步骤将固化隔离到预成型体的特定区域。这可能会导致非选择性固化部分的预成型件发生意外固化。这种效应可被管理以提供所需的预成型件的选择性固化。

选择性固化部分206a-206f可对应于预成型件的多个区域，该预成型件包括如图3所示制造的车身或底盘的地板、侧板和舱壁。在其他多个实施例中，可通过选择性固化部分提供车辆底盘或车身的更大或更少的组件。在一些实施例中，整个车辆底盘由预成型件提供，不添加其他多个面板。非选择性固化部分208a-208e可对应于连接最终复合结构这些部件的预成型件202的多个区域-例如，非选择性固化部分可包含最终复合结构的角和/或边缘。因此，非选择性固化部分208a-208e可因此定义选择性固化部分206a-206f之间的多个互连边界，如图3阴影区域所示。通过非选择性固化部分208a-208e将选择性固化部分206a-206f互连，从而采用这种方式形成可折叠成最终复合结构的铰链网，如图4所示。

在所述实施例中，预成型件202可通过施加本领域已知的热量和/或压力来固化。施加的热量和/或压力水平可根据所用纤维或基质材料的类型或预成型件的形状和厚度进行调整。因此，选择性固化104的步骤可以包括选择性地对预成型件202的仅某些部分或区域施加热量、压力或两者兼有。在其他实施例中，可以对预成型件202的某些部分施加更大的压力或热量，以便选择性地对其进行固化。这可以通过对用于成型预成型件202的模具(或芯轴)的某些零件施加热量和/或压力来实现。在其他实施例中，可将热和/或压力直接施加到预成型体202上。例如，预成型件202可以选择性地在热压机中固化，所述热压机布置为仅向预成型件202的多个部件施加热量和压力(稍后将描述)。在其他实施例中，可以使一个或多个加热板与要选择性固化的预成型件多个区域接触。在其他实施例中，可使用替代选择性固化技术，选择性地向预成型件施加热量和/或压力。例如，能量可以用作辐射、对流、感应或传导使用。在一些实施例中，辐射热、紫外线辐射或微波能量可选择性地施加到要选择性固化的区域。在该实施例中，非选择性固化部分可被遮蔽以使其不接收(或接收更少的)辐射热/紫外线/微波能量。在一些实施例中，可以使用真空或充气气囊而不是压力器向预成型件提供压力。

一旦选择性固化，所得中间预成型体204的选择性固化部分206a-206f相对于非选择性固化部分208a-208e可能具有更大的刚性。与选择性固化部分206a-206f相比，非选择性固化部分208a-208e可能具有更大的弹性。因此在经选择性固化步骤104后，非选择性固化部分208a-208e可保持可塑性，而选择性固化部分206a-206f可变得相对坚硬和刚性。这允许选择性固化部分206a-206f保持其由模具或芯轴定义的形状，而非选择性固化部分208a-208e可作为铰链，允许操纵中间预成型件204的形状。这使得最终的复合材料结构可以分两个独立的阶段成形(选择性固化阶段104之前和之后)。这与现有技术多种方法相比，现有技术是一次成形或成型步骤后进行一次单独的固化工艺，以完全固化复合结构。

一旦完成选择性固化步骤104，方法100包括在第一配置(如图3所示)和第二配置(如图4所示)之间移动中间预成型件204。在一些实施例中，可首先从用于形成选择性固化部分206a-206f的模具中移除或释放中间预成型件204。通过相对彼此移动选择性固化部分206a-206f，将中间预成型件204移动到第二配置。这将中间预成型件204的形状改为制造的最终复合结构的所需形状，如图4所示。

非选择性固化部分208a-208e被布置成控制第一配置和第二配置之间的移动。通过选择性地固化预成型件，非选择性固化部分208a-208e可以保留为未固化(或仅部分固化)，以便随后实现在第一和第二配置之间的受控移动。

在一些实施例中，可通过使非选择性固化部分208a-208e变形来控制从第一配置到第二配置的移动。该变形可使得选择性固化部分206a-206f相对于彼此移动。在一些实施例中，变形可包括折叠一个或多个非选择性固化部分208a-208e。仍然可延展或柔性的非选择性固化部分208a-208e，从而允许选择性固化部分206a-206f相对彼此折叠或铰接，并且移动由该铰链控制。因此，非选择性固化部分208a-208e由此形成铰链装置(或铰链部分)，其可铰接可将选择性固化部分耦合以形成可重新配置的结构。铰链部分可沿选择性固化部分206a-206f之间的边界或接合处延伸。在所述实施例中，非选择性固化部分208a-208e包括在车辆底盘或车身的车身侧板、地板、支柱和舱壁之间延伸的铰链部分。

非选择性固化部分208a-208e的形状和位置可决定所制造的复合结构的最终形状。例如，中间预成型件的变形(或折叠)优选沿着非选择性固化部分发生，从而用于引导中间预成型件中产生的多个折叠的位置。

在一些实施例中，当处于第一配置中时，预成型件202(以及由此产生的中间预成型件204)基本上是平的或平面的，中间预成型件204被折叠以形成第二配置。第一配置中的初始平面布置允许更大的进入空间，该空间将成为最终复合结构的内部。例如，这可能允许在中间预成型件204处于第一配置时安装或装配额外的部件或系统，并且比处于第二配置时更容易进入。与现有技术相比，这可以使复杂产品(例如车辆或飞机)的制造变得更容易，现有技术中，当复合材料结构处于最终形状时，必须安装或装配更多部件。在其他实施例中，第一配置可以是形成复合结构的网的任何其他展开配置，并且不一定是基本上平面的或平坦的。

在一些实施例中，方法100可以在预成型体移动到第二配置以产生复合结构后结束。在该实施例中，非选择性固化部分208a-208e被留下未被固化，或被留下至少仅部分被固化。结构内的任何剩余连接可根据需要进行粘合或黏合(例如，未通过非选择性固化部分连接的那些)。在一些实施例中，中间预成型体可以被留下被自然地完全固化(例如在环境条件下)。

在其他实施例中，一旦将中间预成型件204移动到第二配置，方法100可继续进行一个或多个进一步的固化步骤。进一步的固化步骤包括完全固化中间预成型体以形成如图5所示的最终复合结构210。当中间预成型件204处于第二配置时，可以执行进一步的固化步骤。当进行第二固化步骤108时，可提供模具或夹具以保持中间预成型件204的形状，因此不会发生形状的进一步变化。在一些实施例中，进一步固化步骤可完全固化中间预成型件204以形成硬化的最终复合结构。进一步的固化步骤可以将非选择性固化部分208a-208e固化到与已选择性固化部分206a-206f相比的更大程度，并且可以使用与选择性固化步骤104相同或类似的技术来实施。在一些实施例中，可向非选择性固化部位208a-208e施加进一步的热量和/或压力，使其从未固化(或仅部分固化)变为完全固化。在其他实施例中，可将热量和/或压力施加到整个复合结构上，使得选择性固化部分

206a-206f从部分固化到完全固化(或如果已经固化，则简单加热而不发生进一步固化)，而非选择性固化部分208a-208e也被完全固化。一旦完成进一步的固化步骤108，如果尚未完成，结构内的任何剩余接缝可按要求粘合或黏合在一起。

在一些实施例中，方法100可进一步包括在将中间预成型件移动到第二配置之前，将一个或多个加强件安装或装配到中间预成型件的选择性固化部分。一个或多个加强件可包括额外的结构组件，例如金属加固件等。这可能为最终的复合结构提供额外的强度。当中间预成型件处于第一配置且更容易进入时，可以安装一个或多个加强件。例如，它们可以在铺设预成型件的过程中被安装。可在方法100的任何其他阶段安装一个或多个加强件。

方法100提供了一个两阶段的制造工艺，其中在实施选择性固化步骤104后，可以操纵复合材料的形状。这使得中间预成型件204能够在平坦和开放的位置进行成型和选择性固化。因此，中间预成型件204可形成网，通过折叠中间预成型件204可从网中形成更大的复杂形状。这样一个复杂的形状的结构将不得不由多个单独的成型和固化的组件黏合在一起制造。因此，与由单个组件制成的结构相比，使用本发明方法制成的复合结构中的接头数量可能更少。这可以提高复合结构的强度和刚度。此外，制造时间可以缩短，由于降低了需要制造大量组成部件的需要，制造工艺也可以简化。复合结构的制造可以更有效地与生产和装配要求同步进行。这可以通过用单件替换单独成型和固化的车身侧面、地板柱和前后舱壁来减少材料清单和零件数量。在一些实施例中，预成型件可以包含单个连续材料(或多个连续纤维材料层)。这可能会提高最终复合结构的强度。这使得更大和更复杂的形状可以由一个预成型件模制。

在一些实施例中，方法100的步骤可以单独执行，例如，它们可以作为两个不同制造工艺的一部分执行。在一些实施例中，使用方法100生产的中间预成型件可以作为输出提供，而移动到第二配置单独执行。例如，中间预成型件204可由复合结构制造商提供给第三方，以组装成车辆或类似物。可以在处于第一配置的情况下运输中间预成型件204，在第一配置中更容易运输(例如，平面第一配置同样便于运输和储存)。然后，在装配车辆过程中，可以将中间预成型件204移动到第二配置，并根据需要应用任何额外的黏合和进一步的固化步骤。使用现有技术的方法这时不可能实现的，其中完全固化的复合结构将按照已经硬化到第二配置被提供。与本发明的中间预成型体204相比，这种结构更难储存和运输，并且效率更低。

本发明还可提供用于制造纤维增强复合结构的装置。该装置可包括选择性固化装置，所述选择性固化装置被布置成选择性地将热量和/或压力施加到预成型件的至少一部分以产生中间预成型件。由此产生的中间预成型件可以包括多个选择性固化部分，这些部分通过至少一个非选择性固化部分互连，如上文所述。在一些实施例中，所述选择性固化装置可以包括含有一对可移动相对表面的压模机构。两个对置表面可通过按压的方式压在一起，以便对预成型件施加压力。

压模机构的两个相对表面可布置成接合预成型件，以选择性地对预成型件的至少一部分施加热量和/或压力。这可以通过只加热相对表面的部分来实现，这样施加到预成型件上的热量就集中在选择性固化的部分。在其他实施例中，相对表面可包括多个凸起部分，其布置成与选择性固化部分接合，以使压力仅施加定位到预成型件的这些部分。可提供相应的凹陷部分，以使相对表面不与预成型件的非选择性固化部分接触。

在一些实施例中，一个或两个相对的表面可以形成布置以用于成形预成型件的模具。在该实施例中，相对的表面可形成适于将中间预成型件塑造成所需形状的模具的两个半部分。例如，相对的表面可以形成中间预成型件，以形成底盘车身的侧板、隔板和地板。

在其他实施例中，选择性固化装置可以采用不同的形式，并且可以，例如，包括分散应用的多块加热板，所述加热板被布置成与预成型件的选择性固化区域接触。在其他实施例中，选择性固化装置可包括选择性能量传递装置，其布置成选择性地将能量以辐射(例如热辐射、紫外线或微波辐射)、对流、感应或传导的形式定向到预成型体的某些部分。还可提供遮蔽装置以遮蔽将形成非选择性固化部分的多个预成型件区域。在这些实施例中，可提供单独的压力施加装置，以向预成型件的全部或部分施加压力。压力施加装置可以采用真空或充气气囊的形式。

图6显示根据本发明的一个方面的预成型件300的示例，其可用于形成三维结构。如图所示，该预成型件包括一个网，该网限定箱形结构的底座330和四个侧面310。底座通过铰链部分320连接到每侧。在该应用的背景下，侧边可被视为预成型件的第一部分、底座为预成型件的第二部分，并且铰链为预成型件的第三部分。图中还显示了两个相对侧边上的凸舌340，这使得侧边在最终的盒子结构中它们垂直相交的地方连接在一起。

图7详细显示了构成预成型件的材料层的一种布置。如图所示，每一部分由五层干纤维板材料堆叠组成。每块板材沿截面AA连续穿过侧面、铰链和底部延伸。每块板材被两种不同类型的未固化树脂膜覆盖。在第一和第二区域中，使用的树脂膜比在第三部分中使用的树脂膜具有更低的固化温度和/或更快的固化时间。这允许在形成中间预成型件的第一阶段对整个预成型件进行均匀加热，其中底部和侧面被固化，而铰链部分未被完全固化。薄膜的加热树脂基质材料将流入干燥材料中，然后基质材料将嵌入树脂中的纤维硬化。

图8详细显示了沿着相同截面线AA的预成型件的第二种布置，在本示例中，使用预浸渍板，而不是与树脂膜交替铺设的干纤维板。为了使铰链部分具有不同的树脂，板材不会沿着线AA从侧面连续延伸穿过底座。相反，与底座和侧面相比，第三部分(铰链)使用不同的板材。为了给中间预成型件提供强度，值得注意的是相邻层中的板材边缘偏移或交错。采用这种方式，侧面和底部的固化片材将牢牢地抓住铰链部分的未固化或部分固化片材，由此形成中间预成型件。

本发明的方法可用于生产各种不同形状的物品。它可以用来生产汽车的一部分，如白车身或电池壳或车身面板。它也可用于其他部门，如航空航天或铁路部门，其中复合结构的特点是重量轻和强度高是有利的。

Claims (25)

1.一种制造具有内部空间的三维复合结构的方法，所述方法包括以下步骤：

(a)将纤维增强材料的预成型件按照第一配置布置，其中预成型件由支撑结构支撑；

(b)当所述预成型件布置在支撑结构时，选择性地固化所述预成型件，以生产中间预成型件,所述中间预成型件包括至少两个选择性固化部分,所述选择性固化部分由至少一个非选择性固化部分互连；和

(c)相对于彼此移动两个选择性固化部分以形成三维复合结构，其中两个选择性固化部分至少部分围绕所述三维复合结构的所述内部空间。

2.如权利要求1所述的方法，其中有两个以上的所述选择性固化部分，每个选择性固化部分通过一个非选择性固化部分连接到至少一个相邻的选择性固化部分。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述三维复合结构是车身。

4.如权利要求3所述的方法，其中一个所述选择性固化部分形成车身地板，另一个形成车身侧面，另一个形成前部或后部，和/或另一个形成车身顶部。

5.如上述权利要求中任一所述的方法，还包括当所述预成型件大致平坦的情况下，在所述预成型件上添加多个组件的步骤。

6.如权利要求5所述的方法，其中在所述预成型件上添加组件的步骤发生在步骤(a)、步骤(b)之前或步骤(b)之后但在步骤(c)之前。

7.如权利要求5或权利要求6所述的方法，其中添加的组件将位于刚刚完成后的所述三维复合结构内。

8.如前述任一权利要求所述的方法，其中所述预成型件平放，所述上表面为刚刚完成的所述三维复合结构内部的表面，底面为完成后的所述三维复合结构的外表面。

9.如前述任一权利要求所述的方法，进一步包括一旦所述中间预成型件已经移动到至少部分围绕所述三维复合结构内部空间后执行的进一步的固化步骤。

10.如权利要求9所述的方法，其中所述进一步的固化步骤包括完全固化或至少部分固化所述非选择性固化部分。

11.如前述任一权利要求所述的方法，其中至少一个所述非选择性固化部分定义了允许所述选择性固化部分移动的柔性铰链。

12.如前述任一权利要求所述的方法，进一步包括在执行移动多块选择性固化面板后对所述非选择性固化部分进行固化的进一步步骤。

13.如前述任一权利要求所述的方法，其中所述预成型件包括在多个间隔位置布置的具有不同性质的多个材料部分。

14.如前述任一权利要求所述的方法，其中所述预成型件包含一个连续的纤维材料片。

15.如前述任一权利要求所述的方法，进一步包括在将所述中间预成型件移动到至少部分围绕所述三维复合结构内部空间之前，将加强件安装或装配到所述中间预成型件的所述选择性固化部分。

16.一种制造车辆的方法，所述车辆包括具有地板的车身、一个或多个侧板和车顶板，所述方法包括通过应用前述任一权利要求中的步骤形成车身，其中步骤(b)中的选择性固化部分包括地板、侧面和车顶。

17.如权利要求16所述的方法，其进一步包括在将车辆的至少一个部件移动到至少部分围绕所述三维复合结构内部空间之前将其安装到中间预成型件中。

18.一种用于制造纤维增强复合结构的装置，该装置包括：支撑结构，由一个或多个材料片构成预成型件铺设在所述支撑结构上；选择性固化装置，布置成选择性地固化预成型件的至少一部分以产生中间预成型件，所述中间预成型件包括多个选择性固化部分,所述选择性固化部分由至少一个非选择性固化部分互连。

19.如权利要求18所述的装置，其中，所述装置被配置成选择性地向预成型件施加热量和/或压力，以产生中间预成型体。

20.如权利要求18或权利要求19所述的装置，其中所述选择性固化装置包括一个压模机构，所述压模机构包括一对可移动的相对表面，所述相对表面被布置成与预成型件啮合，以选择性地向预成型件的至少一部分施加热量和/或压力。

21.如权利要求20所述的装置，其中一个可移动表面限定了用于在固化前保持已铺设的预成型件固定的支撑结构。

22.如权利要求20或权利要求21所述的装置，其中一个或两个相对的表面形成一个模具，该模具被布置为成形预成型件。

23.一种用于制造纤维增强复合结构的中间预成型件，所述中间预成型件包括多个选择性固化部分，所述选择性固化部分由至少一个非选择性固化部分互连，所述选择性固化部分可从第一配置移动到第二配置以生产所述复合结构。

24.如权利要求23所述的中间预成型件，其由权利要求1到15中任一权利要求所述方法的前两步制成。

25.一种制造具有内部空间的三维结构的方法中使用的纤维增强材料预成型件，该预成型件包括：

第一部分，包括至少一片纤维材料和基质材料；

第二部分，包括至少一片纤维材料和基质材料；以及

第三部分，将所述第一部分连接到所述第二部分，所述第三部分包括至少一片纤维材料和基质材料，所述基质材料具有与所述第一部分和所述第二部分中的基质材料不同的固化性能或不同的熔融性能。