CN112810042A - 一种混合复合材料的生产方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种混合复合材料零件的加工方法和系统。其中披露了一个包含有模具腔和至少一个凸模部分和一个凹模部分的模具体。在所述模具腔中，一个纤维预制件被放置在所述模具腔的至少一个区域而所述模具腔的至少另外一个区域是非纤维预制件区域。所述模具体还具有反应性热塑性前驱体聚合所需的温度。在纤维预制件被放入模具腔后，模具体被闭合。在此同时，反应性热塑性前驱体被注入模具腔。当模具腔被聚合的反应性热塑性前驱体完全填充，得到的混合复合材料零件脱模完成。

Description

一种混合复合材料的生产方法和系统

技术领域

本发明提供了一种使用RTM(树脂传递模具)技术生产混合热塑性零件方法和系统。特别地，本发明提供了一种生产混合复合材料零件的方法和系统，模制的复合材料零件中至少有一部分包括通过纤维预制件增强的聚合物基体和至少另一部分只包括聚合物基体。

本发明广泛适用于各种行业，例如生产汽车或航空部件。

背景技术

使用玻璃纤维、碳纤维、芳纶或其他纤维来增强热塑性部件在本领域中是众所周知的。两种生产纤维增强性热塑性部件技术是RTM和有机板(organo sheet)压缩成型(用连续纤维浸渍预制带板)。

热塑性RTM可用于生产由树脂浸渍的编织纤维或无纺布纤维增强的复合材料零件，使得零件的机械性能高于没有加固的注塑成型零件。热塑性RTM工艺包括共给反应过程中与单体相应的混合比的各种反应物。随后，反应物通过注射压力被引入到模具，在特定温度下进行聚合，凝固聚合的基体并使最终产品成型。

模具可包括反应物注射前的纤维预制件，以获得增强部件。用于反应的热塑性前驱体顺滑地流经模具腔，并流经模具内部的增强纤维。因此混合物必须具有低粘度(例如，4～10cp)，以使反应混合物充满模具。这种流动能力，以及原位聚合能力，使热塑性材料的产品具有适当机械性能(例如，对于非增强基体一个牵引模块〉1000MPa)。

在热塑性零件的生产中，例如在汽车行业，往往需要额外的结构加固元件，如加强筋，防止变形、特定表面处理、突起，如锚固件或螺栓，以使进一步的装配，或其他几何特征包括在零件的表面。众所周知，这些特性可能会同过随后的注射步骤添加到已经成型的零件主体。这种后续处理步骤需要额外的模具和制造资源，随之增加了制造时间和成本。

EP2879924 A1披露了塑料汽车踏板的制造，其中踏板由用连续纤维加固的模制有机板组成。的踏板包括交叉加强筋，加强筋是通过单独的工艺用单独的模具注塑到主体踏板上。为有效地连接主体和加强筋部分，如果两个部分都包含有相同的热塑性材料，对连接是非常有利的。如果工艺步骤和模具数量的减少，同样也有利零件的生产。

EP3088152 A1揭示了有效加入RTM过程模制碳纤维的增强型热塑性子部件，以创建单个结构化部件。流程包括将一个第一部件预制件提供至树脂传递模具中，对所进入树脂传递模具的第一部件加热，以实现第一部件的固化周期，在固化周期完成前冷却所述第一部件，从而获得半固化的第一部件，并将半固化的第一部件结合到已固化的预浸处理的第二部件获得最终的复合零件。附带使用胶粘剂或铆钉可用使连接更牢固。半固化零件可变形，以后需要使用特殊的修整方式处理。

EP3078465 A1描述了一种用于在模具中聚合内酰胺的装置，其中聚合反应的三个成分(内酰胺、引发剂和活化剂)是通过位于模具的入口的混合室分别定剂量地给料。EP2743061 A1描述了其他在模具中聚合内酰胺技术。它包括混合内酰胺的一部分与引发剂创建第一预混合物，混合内酰胺的其余部分与活化剂，创建第二个混合物。然后，这两个预混料混合在一起，送进模具。结果反应性热塑性前驱体，即单体混合物，如内酰胺，与引发剂和活化剂在特定温度和压力下在模具中自身聚合。这些在模具中聚合内酰胺的技术可与RTM或有机板压缩成型的工艺相结合，来制造复合材料零件。

因此，一个能减少步骤和减少模具数量的生产混合增强型热塑性零件的工艺是非常有优势的。同时，如果聚合混合复合材料零件能在一个步骤中执行，以便混合的所有部分包括增强和非增强部分，使其包含相同的热塑性材料使强化部分和非强化部分之间没有连接缝隙。

发明内容

本发明的第一个方面涉及一种生产混合复合材料零件的方法。如本文所述，"混合复合材料零件"可用来指模制零件，其中模制零件的至少一部分包括由预制纤维或纤维垫加固的热塑性基体，以及所述零件的至少一个其他的部分只包括相同的热塑性基体(无增强)。

所述方法包括提供了一个模具体，用来定义的模具腔。此处使用的"模型腔"是指模具体所定义的空间，使流体被注入到其中，所述流体在在特定的温度和压力条件下其状态能够从液体更改为固体，特定的温度和压力条件，例如，通过聚合。模具腔的几何形状决定了所成型零件的几何形状。在一些示例中，模具可包含至少一个凸模和至少一个凹模，当它闭合在一起时，就形成了内部的模具腔。

当反应性热塑性前体注入模具腔时，模具体会在聚合温度下来产生成混合复合材料零件。在一些实施例中，这种反应性热塑性前驱体的聚合温度可能是室温，而在其他一些例子中，这种聚合温度可能不同。例如，模具体可能包含加热或冷却装置，以达到反应性热塑性前驱体的聚合温度以用于生产混合复合材料零件。

如本文所述"反应性热塑性前驱体"可指任何无需通过溶剂以原位聚合方式反应后产生热塑性基体的化学成分组合。特别，每个反应性热塑性前驱体可以由一组相互关联的参数加以区别，如聚合温度，催化系统的百分比和/或其他反应性热塑性前驱体的可能化学成分和聚合时间。

该方法还包括将纤维预制件放入模具腔中，纤维预制件位于模具腔的至少第一个区域，且模具腔的至少第二个区域是非纤维预制件区域，即第二个区域没有纤维预制件。纤维预制件可能是位于模具腔的单个连续区域的纤维预制件的单一连续部分，或者可能是位于模具腔不同且独立的区域的相同或不同的纤维预制件的多个零件或部分。此外，至少一个非纤维预制件的第二区域可以是模具腔的一个单一连续区域，也可以是模具腔的不同且独立的区域穿插着有纤维的预制件的区域。

在此之后，模具体闭合并完全密封，以确保反应性热塑性前驱体在注射和聚合过程没有中液体泄漏。

随后，将反应性热塑性前驱体注入模具腔内，直到模具腔的空间完全填充满。模具体可以包括一个或多个注射点，用以将反应性热塑性前驱体注入。确保纤维预制件区域和非纤维预制件区域的模具腔完全浸渍，注射反应性热塑性前驱体可使用特定的配置形式进行。

为此，注射压力配置适用于反应性热塑性前驱体应确保反应性热塑性前驱体恒定且均匀流动分布在模具腔。用于注射反应性热塑性前驱体的入口数量和位置将确保反应性热塑性前驱体均匀分布于模具内部并且模具腔内没有空隙。

然后，当反应性热塑性前驱体聚合并进行了凝固后，模具体被打开，产生出的混合复合材料零件则脱模。

产生的混合复合材料零件包括增强型热塑性基体部分对应于模具腔中的纤维预制件区域，以及与模具腔中非纤维预制件区域对应的热塑性基体部分。由此产生的聚合热塑性基体在两个部分相同。此外，产生出的混合复合材料零件可包含单个连续增强热塑性基体部分和单个连续热塑性基体部分(非增强)或者可包含多个增强热塑性基体部分，通过插入多个热塑性基体部分(非增强)而相互连接。

在一些实施例中，一些混合复合材料零件的非增强的热塑性基体部分对应于混合复合材料零件的元件，如筋、凸台、锚固件、支架或螺栓等，或混合复合材料零件的任何其他结构元件。因此，混合复合材料零件的这些元件仅由热塑性基体组成。在一些实施例中，关闭模具体后注射反应性热塑性前驱体之前，整个模具腔可能出于真空状态。模具体在反应性热塑性前驱体的注射和聚合过程中应保持在真空压力下。

模具体可包括模具腔与外面相连接的多个出口。真空系统通过这些出口吸出模具腔中的空气。真空有助于使反应性热塑性前驱体均匀分布在模具腔内，并使其完全填充满模具腔。模具腔内部的真空应尽可能高，以从模具腔内吸出尽可能多的空气，使模具腔内部出于真空有助于减少混合复合材料零件的缺陷或气孔。此外，由于模具腔内存在氧气会影响反应性热塑性前驱体的聚合反应，在模具腔内生成高真空将减少注射时与反应性热塑性前驱体接触的氧气，改善聚合质量。

在一些实施例中，真空水平应至少为0.9bar或更高(例如0.99或0.999bar)。一旦在模具腔内达到期望的真空水平，例如，最大真空水平，就可以向模具腔内注射反应性热塑性前驱体。

在一些实施方式中，反应性热塑性前驱体包括两个成分：单体或预聚体和催化系统。例如，单体可以是内酰胺，预聚体可以是丙烯酸，以及催化系统可以是引发剂成分和活化剂成分的组合。或者，催化系统可能只是催化剂。单体和/或预聚体可以在室温下处于固态，因此可能需要加热，直到成为液体或在室温下是液体状态。反过来，催化系统在室温下也可以是处于固态或液态状态。至少这两个种成分单体或预聚体和催化系统被定剂量连续送入混合室中，混合料如反应性热塑性前驱体被从混合室中注射进模具。在混合室中混合至少上述的两种成分是在即将注入反应性热塑性前驱体到模具腔前的瞬间完成，以免反应性热塑性前驱体在模具腔外就开始聚合。

一旦将反应性热塑性前驱体注入模具腔，反应性热塑性前驱体在模具体内进行聚合产生出混合复合材料零件。

在某些例子中，当反应性热塑性前体是由液体己内酰胺、液体活化剂成分和液体引发剂成分构成时，反应性热塑性前驱体可包含己内酰胺99.61mol％、引发剂0.17mol％和活化剂0.22mol％。在其他一些例子中，反应性热塑性前驱体可由内酰胺98mol％、引发剂0.7mol％和活化剂0.88mol％构成。对于任何其他单体、预聚体或催化系统，构成反应性热塑性前驱体的成分的百分比可能不同，应对应于相应单体和催化系统的反应化学计量法调配。

在一些实施例中，在将单体或预聚体、引发剂和活化剂成分全部混合前，可以准备两个独立的预混料。第一预混料可能包括活化剂成分和一小部分单体如内酰胺或预聚体如丙烯酸的混合物，和第二预混料可包括引发剂成分和剩余部分的单体或预聚体。这两种预混料可以连续和定剂量的方式供给混合室，在混合室中预混料混合产生反应性热塑性前驱体。随后，反应性热塑性前驱体被立即注入模具腔，发生聚合反应产生出增强部分和非增强部分的混合复合材料零件。

在一些实施例中，注射反应性热塑性前驱体时注射压力配置的范围为0.1至100bars。更优选的是，注射压力配置是从以下组合中选择，包括：低压注射配置范围从0.1到8bars，高压注射配置范围从25到30bars，压缩注射配置范围从50到100bars和任意组合。

在一些实施例中，纤维预制件是从以下组合中选择：玻璃纤维预制件、芳纶纤维预制件、碳纤维预制件、天然纤维预制件和上述的任意组合。纤维预制件的选择可能取决于要制造的混合复合材料零件的机械性能。

在一些实施例中，所述方法包括提供一些位于模具腔内的夹紧元件，优选设置在纤维预制件上。这些夹紧元件，连接到模具体，例如，连接到凸模或凹模，用于固定纤维预制件并使得反应性热塑性基体以恒定和均匀的速率流过所述模具腔。优选方案是这些夹紧元件可位于纤维预制件的边缘。

在一些实施例中，在将反应性热塑性前驱体注入模具后，所述方法包括对反应性热塑性前驱体施加超压。在所述模具腔内是真空，当反应性热塑性前驱体被注射入所述腔中，由于压力和随后的超压作用于该零件，使反应性热塑性前驱体完全充满纤维预制件区域和非预制件区域。

在一些实施例中，将反应性热塑性前驱体注射到所述模型腔采用的是树脂传递膜具(RTM)技术。例如，RTM技术可以是压缩RTM(C-RTM)技术，高压RTM(HP-RTM)技术、高压压缩RTM(HPC-RTM)或其他技术。

本发明的第二个方面涉及一种生产混合复合材料零件的系统。该系统包括一个模具体，所述模具体包括至少一个上模和至少一个下模，所述上模和下模配合成模具腔。所述系统还包括一个注射系统，用于将反应性热塑性前驱体注入模具腔。注射系统包括用于存储反应性热塑性前驱体的成分的容器，和在一些实施例中使用的一些注射方式，如注射泵、塑化螺钉等，用于定剂量及将反应性热塑性前体或其成分注入模具腔。或者，不采用上述注射方式，注射系统可以使用重力来为反应性热塑性前驱体的成分定剂量并将反应性热塑性前驱体注入模具腔。模具腔包括至少一个配置为具有纤维预制件的第一个区域，纤维预制件部分或完全填充满由第一个区域定义的空间；以及至少一个配置为非纤维预制件的第二区域，即第二个区域没有纤维。注入模具腔的反应性热塑性前驱体配置为在模具中聚合。这种聚合材料会在上述模具腔中至少一个第一区域产生的至少一个混合复合材料零件的增强基体部分，和在上述模具腔中至少一个第二区域产生的一个混合复合材料零件的基体部分。

在一些实施例中，模具体包括至少一个入口，通过所述入口向模具腔中注入反应性热塑性前驱体，注入方式例如注射泵。注射反应性热塑性前驱体的入口的数量和位置取决于模具腔的特殊几何形状、热塑性粘度和纤维预制件的纤维百分比。

在一些实施例中，注射方式被调整为为适应反应性热塑性前驱体的注射压力配置，范围为0.1至100bar。更优的方式是，将注射方式配置为注压力从下列组合中选择，包括：低压注射配置范围从0.1到8bars，高压注射配置范围从25到30bars，压缩注射配置范围从50到100bars，及其任意组合。

在一些实施例中，用于生产混合复合零件的系统还包括一个真空系统，所述系统配置为在注入反应性热塑性前驱体前，在模具腔内抽真空。在反应性热塑性前驱体聚合过程中一直会在模具腔内保持真空。例如，模具体可包含至少一个连接到真空系统的真空泵上的出口，通过所述出口模具腔中被抽成真空。所述真空泵和模具体的相应出口可以由相应的真空管路连接，如，由橡胶/柔性或硬性塑料制成的软管。模具体上为模具腔抽真空的出口的数量与位置取决于模具腔的特定几何形状、单体粘度和纤维预制件的纤维百分比。

在一些实施例中，所述注射系统包含一个混合室，用来以连续、定剂量和分离的方式接收单体或预聚体和催化系统。所述催化系统可由引发剂成分和活化剂成分组成。所述单体如内酰胺，或预聚体如丙烯酸，和催化系统混合在混合室中形成反应性热塑性前驱体。举例来说，注射系统包括一个第一定剂量设备用对单体或预聚体存储合给料，例如，连接到注射泵的容器或料斗，注射泵用来将单体或预聚体推向容器的出口。所述定剂量设备包括加热装置用来熔化在室温情况下是固态的单体或预聚体，同时定剂量将单体或预聚体供给混合室。注射系统还可以包括额外的定剂量设备用来对催化系统存储和给料。特别地，注射系统可以包括为催化系统(引发剂成分和活化剂成分)提供的独立的附加定剂量设备，诉述设备连接到注射泵。所述混合室可以有至少两个单独的入口分别接收单体或预聚体和催化系统。更特别地，混合室可以有三个独立的入口分别接收单体或预聚体、引发剂成分和活化剂成分。材料(单体或预聚体和催化系统)沿混合室内的独立管道流动，直到达到混合室的特定点，在那里这些材料首次相互接触。例如，当单体、引发剂成分和活化剂成分穿过混合室并来到外面准备被注入到模具腔中时混合在一起。也就是说，形成反应性热塑性前驱体的三个组分在进入模具前不会彼此接触。此混合室可能有三个单独的入口，用于接收三个组分。

在一些实施例中，注射系统包括混合室用来接收以连续、定剂量和分离的方式接收两个独立的预混料。举例来说，注射系统可包括一个第一定剂量设备用于对由活化剂和小部分单体如内酰胺或预聚体组成的第一预混料的存储和给料，例如一个容器或一个料斗，连接到注射泵，用于将预混料推向容器的出口，以及一个第二定剂量设备用于对由引发剂和剩余部分单体或预聚体组成的第二预混料存储和给料，例如另一个连接在注射泵上的容器。两种预混料沿混合室内的独立管道流动，直到到达混合室的特定点，在那里这些预混料开始第一接触。例如，第一种预混料和第二种预混料在穿过混合室来到外面准备被注入到模具腔时混合在一起。也就是说，形成反应性热塑性前驱体的两种预混料在接近模具体之前，没有彼此接触。因此，这两种预混料直到即将进入模具腔前才生成反应性热塑性前驱体。混合室有两个独立的入口来接收两种预混料。

在一些实施例中，模具体包括加热装置用来加热模具体达到反应性热塑性前驱体聚合的温度。举例来说，模具可包括热执行器、热阻或加热筒，其他的内部或直接接触模具体加热装置。

混合复合材料零件的机械性能可由选择增强纤维预制件、反应性热塑性前驱体的组件或聚合工艺条件决定。例如，通过修改催化系统(活化剂和引发剂)的浓度、内酰胺和/或几个内酰胺的组合，混合复合材料零件的机械性能就能被更改。此外，通过在聚合过程中改变模具体温度和注入压力配置，混合复合材料零件的机械性能也可以被改变。

此外，混合复合材料零件的机械性能也取决于在纤维预制件进入模具腔的位置，决定了混合复合材料零件的增强部分，以及几何形状上的非增强部分，如筋、凸台等，这些部件是专门设计用于增加混合复合材料零件的机械性能。

所述的生产混合复合材料零件的方法和系统与之前的方法和系统相比，存在几点优势和/或差异。特别是，它们为制造混合复合材料零件提供了单步制造工艺，使速度更快，而且避免了将非增强部分添加到以前制造的增强部分的后续注射步骤。这意味着减少了制造时间以及模具成本(例如，1个模具而不是2个，一个用于生产增强部分，另一个用于添加非增强部分到增强部分)和设备(RTM机器，而不是热成型挤压加注射机，用于后续注射步骤)。他们还避免材料兼容性问题，因为混合复合材料零件的两个区域都制造相同的反应性热塑性前驱体，并在同一时间聚合(在个一步骤中)。由于模制零件中没有接头，混合复合材料零件具有更大的强度。所述方法和系统还可以制造拥有周边区域是非增强热塑性基体的混合复合材料零件。这意味着显著节约了增强纤维材料和无需对预制件和/或最后的成品进行修整。所述方法和系统在混合复合材料零件设计上也提供了高灵活性，允许集成元件，如螺栓、凸台和夹子，能够将非增强材料加入混合复合材料零件中，并通过仅由热塑性基体制成的筋等强化元件替换额外的增强纤维，使得能在减少在零件上的纤维用量依然能保持零件刚度。

混合复合材料零部件生产方法和系统的其他优点是所述方法和系统避免了修整和去毛刺过程，因为可以生产边缘只有热塑性基体(没有增强纤维)的部件。

附图说明

完成描述，并旨在实现更好的理解本发明，根据其实际实施例，作为说明书的一部分在此附上一组图表示以下内容，但附图不能作为限定性例子。

图1显示了根据本发明的实施例生产混合复合材料零件的方法的流程图。

图2显示了根据本发明的实施例用于生产混合复合材料零件的系统块图。

图3显示了用于生产特定的混合复合材料零件的特定模具体，有一个欧米茄配置的增强热塑性基体和仅由热塑性基体制成的内筋。

图4A显示了使用图3的模具体生产的混合复合材料零件的顶部视图。

图4B为图4A的混合复合材料零件的仰视图

具体实施方式

图1显示了根据本发明的特定设备用于生产混合复合材料零件的方法100的流程图。

在方法100的步骤101中，一个具有内模具腔的模具体。所述模具体的温度与即将注入的反应性热塑性前驱体的聚合温度相应。模具体中的模具腔由模具体内壁定义。在一些例子中，反应性热塑性前驱体的聚合温度可是室温，而在其他一些例子中，这种聚合温度会高于室温。模具腔的几何形状将定义生成的模制零件的形状和几何形状。例如，模具体包括上模和下模。莫具体内包含有加热筒、其他加热装置，这些加热装置插入其中，并分布在模具体。

在方法100的步骤102中，一个纤维预制件放入模具腔中。所述纤维预制件将位于模具腔的至少一个第一个区域，而模具腔的至少一个的第二个区域将无纤维预制件。在另外一些示例中，一个单个连续的纤维预制件部分放置在模具腔中。在一些其他的例子中，纤维预制件的几个部分可以接近或彼此分离的方式放置，进入模具腔。

在方法100的步骤103中，模具体闭合。液压或机械系统，如压机或类似设备，可用于关闭模具体，也可以使用手动关闭。例如，模具体的上模可以关闭在下模上。

在工艺的这一节点，可以应用真空。在注射反应性热塑性前驱体前，需要抽真空，真空压力会在反应性热塑性前驱体的聚合过程中一直保持直到完成。模具腔内施加的真空将促进反应性热塑性前驱体在模具腔内的分布。模具腔内的真空水平可以是每个特定设备的最大值。

在方法100的步骤104中，将反应性热塑性前驱体注入模具腔，直到模具腔的空间完全充满反应性热塑性前驱体。在模具腔内达到预定的真空水平后，反应性热塑性前驱体由注射泵注入。模具腔内有压力传感器用来监控模具内部的压力，以控制性热塑性前驱体的注射压力，并且能够检测到性热塑性前驱体凝固时压力的降低。反应性热塑性前驱体的注射可根据特定的注射压力配置进行，以确保模具腔的完全填充和预制件的浸渍。要做到这一点，应用于反应性热塑性前驱体的注射压力配置应确保热塑性流体通过均匀的流量分布在模具腔内。反应性热塑性前驱体的低粘度，例如，从4到10厘泊，将促进热塑性流体在模具腔内的分布。

在方法100的步骤105，在反应性热塑性前驱体的聚合时间之后，反应性热塑性前驱体凝固，然后打开模具，使产生的混合复合材料零件脱模。

模制混合复合材料零件将包括增强型热塑性基体部分，对应于纤维预制件位置的模具腔区域，和与模具腔中非纤维预制件区域对应的热塑性基体部分。这两种聚合部分具有相同的反应性热塑性前驱体。

图2显示了根据本发明的实施例用于生产混合复合材料零件的系统框图200。应当理解，图2中描述的系统200可能包括其他成分，并且一些所述的成分可能会被移除和/或修改，而没有超出或偏离系统200的范围。

系统200包括模具体201，进而包括一个凸模(上模)202和一个凹模(下模)203，凸模202和凹模203定义了模具腔204。在这样的模具中，凸模202盖在凹模203上。系统200还包括真空系统205，用于在反应性热塑性前驱体的聚合前，在模具腔204中产生真空。真空系统205中，有通过两个软管207连接到模具体201的真空泵206，真空泵206通过模具体201上相应的出口208将模具腔207内的空气吸出。出口208通过模具体201的凸模202的内部导管209连接到模具腔204。

系统200还包括注射系统218，用于将反应性热塑性前驱体注射进模具腔204。注射系统218包括一个第一个容器216用于存储单体如内酰胺或己内酰胺，或预聚体如丙烯酸，以及一个第二容器217用于储存催化系统如催化剂。注射系统218还包括注射装置210，例如喷射泵，用于将来自第一容器216的单体和第二容器217的催化系统分别推向向混合室211，并随之向模具体201的入口212。反应性热塑性前驱体的组分，尤其是单体或预聚体、催化系统在被注入到模具腔204前的瞬间在混合室211中混合。在一些实施例，注射系统218可包括第一个第一容器用来存储单体或预聚体、一个第二容器用来存储引发剂成分和一个第三容器用来存储活化剂成分，注射装置210用于将上述三种财力推向混合室211。或者，混合室211接收到由单体或预聚体和引发剂成分组成的第一个预混料，以及由同一单体或预聚体和活化剂成分组成的第二个预混料，上述两种预混料被注射装置210从各自的容器推向混合室。这两个预混料在被注入到模具腔204前的瞬间在混合室211中混合。

模具腔204包括第一个区域213，为具有纤维预制件215区域和两个第二区域214，这些区域为非纤维预制件区域。反应性热塑性前驱体被注入模具腔204后，完全覆盖纤维预制件215，并填充模具腔204。所述反应性热塑性前驱体是就地聚合，即进入到模具体201中，形成与模具腔204的第一个区域213对应的混合复合材料零件的一部分，以及与模具腔204的两个第二区域214对应的混合复合材料零件的单纯基体部分。

特殊排列的进气口212用于从中心向模具的侧面壁注射反应性热塑性前驱体(实心箭头)，和出口口208用于从中心向模具的侧面壁吸气(点箭头)，是模具的纵向轴方向的纵向线模具腔204，这将促进模具腔204的填充。

而图2显示了一个模具有一个单一的凹模和一个单一的凸模，模具体可以有任意数量的来定义模具腔的凸模或凹模或模具的部分。此外，模具体的部分可以有任意其他几何形状和空间关系，取决于需要制造的零件的形状和几何空间。

图3显示了特定样式的模具体300，用于生产特定的混合复合材料零件，有一个欧米茄轮廓，由增强型热塑性基体和仅由热塑性基体制成的内筋构成。应理解，图3中描述的模具体300还可以包括附加组分，以及此处描述的一些组分是可以移除和/或修改，而不超出或偏离模具体300的范围。

模具体300包括一个具有机械加工成型的母腔301的凹模302，连接到气动模具承载器303的下部。模具体300还包括一个有作为模具体300的腔体上部的公插304的凸模305，安装在气动模具承载器303的上部。在这种情况下，凹模302是固定元件，而凸模305相对于上架306旋转，使上模305盖在凹模302上形成模具腔307。

模具体300由钢制成，被设计用于承受范围-1和100bar之间的压力。在模具体300，更具体地说是在凸模305，具有三个注射和/或真空端口。特别是，模具体300具有中央入口308用于注入反应性热塑性前驱体，以及两个侧出口309用于从模具300内部抽气成真空。这些出口309可具有专门设计的几何形状用于加快消除在聚合过程中可能产生的挥发性的化合物，如氮。这些出口309的大小和几何形状是基于要制造的混合复合材料零件的几何形状和体积进行设计。在这样一个特定的模体中，入口308和出口309是在模具腔307的纵轴方向上纵向排列，以用于确保填充纤维预制件区域和非纤维预制件区域时的线性流动特性。

公插304设计有一个凸出体310包括一组凹槽311和一组圆形凹痕313，位于从突出体310延伸出的侧表面312。这些凹槽311符合相应的一系列带筋几何形状，这将从结构上加强模制混合复合材料零件，和凹痕313符合相应的凸台。当纤维预制件(图中未显示)将放置在母腔301的上表面与凸出体310对应，及公插304的凸出体310所延伸出的侧表面312上，就能在热塑性基体上做出筋的几何形状和凸台。

在纤维预制件放置的区域或区域中，设置一组夹紧元件或夹具314，当模具300关闭时，所述夹紧元件或夹具314固定纤维预制件并防止反应性热塑性前驱体从通该区域。由此反应性热塑性前驱体能够有一个恒定的，均匀的和控制性的流动，使得纤维预制件能正确地浸渍。例如，可以放置这些夹紧元件314可以放置在侧表面的不同位置312，所述位置对应表侧面312的纵向边缘。

只有在注射反应性热塑性前驱的技术采用C-RTM的情况下，才有必要在凹模302和凸模305之间放置双连接。这样可以在通过压缩工艺渗透和填充材料之前注入真空和树脂进入模具体的下腔。

模具体300可进一步包括至少一个位于一个出口端口的压力传感器，用以指示聚合何时完成，以及何时混合复合材料零件可以脱模。

图4A显示了由模具300生产的混合复合材料零件400的俯视图。图4B显示了图4A中混合复合材料零件400的仰视图。应当理解，图4中描述的混合复合材料零件400可能包括其他组件，并且此处描述的一些组件可以移除和/或修改，而不超出或偏离混合复合材料零件400的范围。

混合复合材料零分400是具有一个欧米茄形状的外部部件401的带有筋的支撑横梁，是纤维预制件的组合制成的强化体，例如碳纤维织物和反应性热塑性前驱体，例如聚酰胺6基体。内部部分402是一组仅由聚酰胺6基体制成的交叉筋组成。带有筋的支撑横梁400还包括位于由聚酰胺6基体组成的欧米茄形状的外部部件401的侧表面404上部的四个凸起或柱状体403。

用于制造这种带有筋的支撑横梁400，纤维预制件使用了44％碳纤维。融入纤维预制件中的纱可用于提高纤维预制件的性能。

聚酰胺6基体的最佳聚合温度范围从165-175℃，因此在将纤维预制件放置在母腔301上表面之前，需将模具体300加热到该温度。

纤维预制件可加热至80-100℃以消除水分，但不影响预制件或纱的融入。

将在室温下处于固态的单体例如□-己内酰胺，放入125-145℃的温度的罐中熔化。

当模具体300、预制件和单体都达到所需的状态，就将纤维预制件放置在凹模302的母腔301中。纤维预制件覆盖于母腔301的上表面，与上模305的凸出体310和凸出体310延伸的侧面312对应。然后模具体300关闭，并在模具腔307内形成真空，也就是说在聚合过程中完全密封。

同时，□-己内酰胺和催化系统(引发剂+活化剂)之间的混合比是举例来说基于□-己内酰胺，活化剂在0.1和0.4％摩尔间，以及引发剂在0.2-1％摩尔间。

反应性热塑性前驱体(内酰胺+引发剂+活化剂)的注射是在0.5到2bars之间的压力下进行，并逐渐增加到5-7bars。这种压力在聚合过程中保持(在2-4分钟之间)，在此期间混合复合材料零件400已经聚合完成。

反应性热塑性前驱体通过入口308注射到模具腔。通过这样的方式，反应性热塑性前驱体分布在模具腔307。首先，反应性热塑性前驱体填充中央入口308附近的筋，并对称向模具体300的两侧移动(作为进给通道)。与此同时，纤维预制件的浸渍在以较低的速度进行。一旦此聚合时间结束，注射就完成，并通过注射入口308将6-8bars的超压施加到零件上，以便获得表面光洁度好的零件。

模具腔307内的真空、应用于反应性热塑性前驱体的注射压力以及随后的超压作用于该部件，使得反应性热塑性前驱体完全填充纤维预制件区域和非纤维预制件区域，得到纵向导向型材。模具腔307中的夹紧区域强制反应性热塑性前驱体，遵循导向并均衡流动以引导反应性热塑性前驱体进入出口区，即出口309，在该出口处产生的挥发性成分可以累积，避免影响由此产生的混合复合材料零件400的质量。2-3分钟后，移除超压，打开模具并使混合复合材料零件400脱模。

在本文中，"包括"一词及其衍生词或同意词(如"包含"等)不应从排除意义上理解，也就是说，这些术语不应被解释为排除所描述和定义的内容可能包括进一步要素、步骤等的可能性。

本发明显然不限于本文所述的具体实施例,但也应包括在权利要求中所定义的比较全面的范围下，任何精通本领域的人(例如,材料的选择、尺寸、组件、配置等)所能考虑到的任何变化。

Claims (15)

1.一种混合复合材料零件的生产方法，包括:提供模具体，所述模具体包括至少一个上模和至少一个下模，所述至少一个上模和所述至少一个下模配合成模具腔，所述模具体的温度为反应性热塑性前驱体的聚合温度，其特征在于，所述方法还包括:

将纤维预制件置于所述模具腔内，所述纤维预制件位于所述模具腔的至少第一区域中，所述模具腔的至少第二区域中是非纤维预制件区域；

闭合所述模具；

向所述模具腔内注入反应性热塑性前驱体直至填充所述模具腔；

待所述反应性热塑性前驱体的聚合周期结束后，脱模得到所述混合复合材料零件。

2.如权利要求1所述的方法，还包括：

在将反应性热塑性前驱体注入模具腔前的瞬间，以连续和定剂量的方式将单体或预聚体和催化系统混合，所述单体或预聚体和催化体系形成反应性热塑性前驱体。

3.如权利要求1所述的方法包括：混合单体或预聚体和引发剂成分的第一混合物，以及单体或预聚体和活化剂成分的第二混合物，所述第一混合物和第二混合物形成反应性热塑性前驱体。

4.如权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，在注射所述反应性热塑性前驱体之前，还包括：将所述模具的温度加热至所述反应性热塑性前驱体的聚合温度。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在注射所述反应性热塑性前驱体之前，还包括：对所述模具腔抽真空。

6.如权利要求1所述的方法，还包括：所述反应性热塑性前驱体的注射压力配置范围是0bar-100bar，注射压力从下列组合中选择：低压注射配置范围是0bar-8bars，高压注射配置范围是25bars-30bars，压缩注射配置范围是50bars-100bars及其任意组合。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纤维预制件包括玻璃纤维预制件、芳纶纤维预制件、碳纤维预制件、天然纤维预制件中的一者及其任意组合。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

在所述模具腔中设置夹紧元件，所述夹紧元件用于固定所述纤维预制体，并使得所述反应性热塑性前驱体均匀地流过所述模腔。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述反应性热塑性前驱体注射到所述模具腔之后，还包括：

对所述反应性热塑性前驱体施加超压。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，向所述模腔内注入反应性热塑性前驱体的工艺包括树脂传递模塑技术(RTM)、压缩RTM、高压RTM或者高压压缩RTM。

11.一种用于加工混合复合材料零件的系统，包括：模具体，所述模具体包括至少一个下模和至少一个上模，所述至少一个上模和所述至少一个下模配合成模具腔；注射系统，用于将反应性热塑性前体注射到模腔，其特征在于，所述模腔包括至少一个设置有纤维预制件)的第一区域和至少一个非纤维预制件的第二区域，待所述反应性热塑性前驱体在所述模腔聚合后，在所述第一区域形成所述混合复合材料零件的增强基体部分，并在所述第二区域形成所述混合复合材料零件的基体部分。

12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述注射系统包括：混合室，用于以连续、定剂量和分离的方式接收单体或预聚体和催化系统，所述单体或预聚体和催化系统形成所述反应性热塑性前驱体。

13.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述注射系统包括：混合室，用于以连续、定剂量和分离的方式接收单体或预聚体和引发剂成分组成的第一混合物，以及单体或预聚体和活化剂成分组成的第二混合物，所述第一混合物和第二混合物形成了反应性热塑性前驱体。

14.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述注射系统包括注射装置，所述注射装置适于对所述反应性热塑性前驱体施加注射压力，所述注射压力配置可以从下列组合中选择：自低压注射配置范围0bar-8bars，高压注射配置范围25bars-30bars，压缩注射配置范围50-100bars中的一者以及它们的任意组合。

15.如权利要求11所述的系统，其特征在于，还包括：

真空系统，用于在所述反应性热塑性前驱体的聚合过程中对所述模具腔抽真空；所述模具体包括至少一个出口，所述出口与所述真空系统的真空泵相连，通过所述出口将所述模具腔抽真空。

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