CN1128203A - 一种制造复合材料中空制品的组合式心模 - Google Patents

Abstract

一种组合式心模，其设有一中空主轴管及二环状套筒，其中该二环状套筒的内径稍大于该主轴管两端的外径且套穿于该中空主轴管的该两端末段，于施加外力时易脱离该中空主轴管，因而使该组合式心模的脱模容易实现。

Description

一种制造复合材料中空制品的组合式心模

本发明关于一种心模，尤指一种用于缠绕丝制程的组合式心模。

缠丝法是将纤维纱束拉齐，于树脂槽中含浸树脂，随即规则地缠绕于旋转的心模上以得指定之花式、厚度及重量后，硬化脱模或脱模再硬化而成的成型法。

早期缠丝法是用以制造圆柱形产品为主，如火箭引擎外罩、压力容器，水中用之浮标、飞弹圆锥形头部、储槽、圆管、汽车叶片弹簧、直升机浆、宇宙飞船翼梁、飞机机身及其它航天工业组件。当含浸树脂后的纤维丝依指定的花式缠绕于该心模上之后，加热使心模上的树脂硬化成型，再抽出不要的心模，所以心模必须使用可溶性或低熔点(熔点仍高于树脂硬化温度)材质，以先预形相对产品的形状及尺寸，例如高尔夫球杆。缠丝法碳纤维高尔夫球杆的制程，是将纤维纱于树脂槽中含浸树脂后，经由缠丝机，依所设计的缠绕花式，缠绕于一圆锥铁心上(即为心模)。纤维丝缠完以后再包裹一层热收缩膜，使各纤维与树脂充分含浸，并紧密定型于心模上，再放入烘箱中加热硬化成型，脱去原有的收缩膜及心模后，经由无心研磨机研磨至所需的外径即成一高夫球杆初胚。但对于其他有复杂的外形、不同断面尺寸、非轴对称直管的运动器材制品，如自行车手把、前叉、网球拍、羽毛球拍等而言，就不能像高尔夫球杆一样，以收缩膜加热压缩硬化成型方式进行。而需借助于模具，以吹气袋吹气内压于模穴内硬化成型。因此，须于该制品硬化成型前先行脱去心模。

传统缠丝法制程，是当含浸树脂后的纤维丝依指定的花式缠绕于可抽取式心模后，随即加热硬化成型，再抽出心模，因而不适用于上述复杂造形之制品。关于上述特殊要求的制品，一般于缠绕上指定的花式后，加温该缠有纤维丝的可抽取式心模，直至含浸于纤维丝中之树脂达粘稠但仍有可挠性，又不沾手的阶段(称为树脂的B-阶段)为止，然后脱去心模，再经由入模加热加压硬化成型而得，因此对于有复杂的外形，不同断面尺寸、非轴对称直管的制品而言，心模的设计甚为重要。传统可抽取式心模设计如美国第4,448,624号、第4,684,423号及第5,259,901号专利所示，但其构造及用途均与本发明不同。另外在不同制造厂商采用的类似制程中所使用的心模如图1所示，其是以一均匀断面铁心10为主的，外层再以两片或三片弧形壳长条11包覆其上。如此的组合结构再包穿吹气袋于其外表，便可于缠丝机上依所设计的缠绕花式将已含浸树脂的纤维丝缠绕于其上。当缠完之后再将纤维、弧形壳长条11及铁心10整组放入烘箱烘烤，以达树脂的B-阶段状况，然后在拔模机器上将铁心10拔出后使成空心长条结构，因其内层为两片或三片弧形壳11组合的长条结构，很容易拆卸而抽出，如此便成一外层纤维与内层吹气袋的长条，将该长条放入模具里面，便可以吹气加压加热硬化成型。依产品不同尺寸外径，可设计不同尺寸的铁心、壳形长条及气袋等以资配合。但当纤维紧紧缠绕于心模上之后，心模的抽出是相当困难的，因心模已被纤维的张力紧紧束缚住，要使心模容易抽出，心模的细节设计更为重要。前述制造厂商所使用的抽取式心模需借助拔模机器的帮忙方可抽出心模，而未于心模上作设计，以致有下列几项缺点：

1.只能成型均匀断面尺寸结构；

2.需大量的铁心、弧形壳片才能大量生产；且

3.需使用拔模机器，增加投资成本。

本发明的一个目的在于提供一制造复合材料中空制品的组合式心模，其可依所需成品的形状需要而变化不同的心模形状。

本发明的另一个目的为提供利用一种制造复合材料中空制品的组合式心模制造中空制品的方法。

为达到前述目的，本发明提供的一种制造复合材料中空制品的组合式心模，其设有一中空主轴管；及二环状套筒，该环状套筒的内径稍大于该主轴管两端的外径，并套穿于该中空主轴管的该两端末段，于施加外力时易于脱离该中空主轴管。该组合式心模更可设有两轴栓，分别锁接或套接于该中空主轴管的两端，以利该组合式心模架于一缠丝机上，于进行缠丝程序时，该两轴栓之一为固定锁头，卡接于该缠丝机的快速接头上，另一为针轴，架于该缠丝机的夹头上，以利缠绕纤维于该组合式心模上；而于进行脱模程序时，将该已缠绕纤维于其上的组合式心模由缠丝机上取下，并将其中之一轴栓换接为吹气嘴，并由此处输入气体，进行脱模。

该中空主轴管可设为一中空主圆管及二中空圆柱接管，且分别以螺纹锁接或以公母退拔套接于该中空主圆管的两端；或以二中空主圆管，其互相以公母退拔式套接，且相接部分的外径相同，及二中空圆柱接管，其外径较该二中空主圆管小，且分别与该二中空主圆管一体成型；或二中空主圆管，其互相以公母退拔方式套接，且相接部分的外径相同，及二中空圆柱接管，其外径较该二中空主圆管小，且分别以螺纹锁接或以公母退拔套接于该中空主圆管的两端。其中该二中空主圆管为均匀断面，亦可用于非均匀断面的管状，如中间细、两边粗或中间粗、两边细的管状，或该二中空主圆管的接面外径较其它部分外径小。又该中空主圆管上可包括多个通气孔，于脱模程序输入气体时，气体可由该通气孔逸出而将缠绕好的纤维稍加推离，便于脱模。

当该组合式心模用于制作需吹成型的成品时，可先于该组合式心模外套穿一吹气袋，再缠丝于该吹气袋外，且于脱模时将该吹气袋一并脱去。

该组合式心模的该二环状套筒可设为锥形，分别套穿于该二中空圆柱接管外而与该中空主圆管相接，其较小截面端的外径与该中空主圆管的末端外径大致相等，至少其一于脱模程序输入气体时，脱离该中空圆柱接管，该二环状套筒更可设有一凸出圆环固着于其外，因此未被气体吹离的环状套筒可卡在其它工具上利于施力拔除。该二环状套筒亦可为直圆管，分别套穿于该二中空圆柱接管外而与该中空主圆管相接，其外径较该中空主圆管的末端外径略大，且于脱模程序时先移出该中空圆柱接管，再取该环状套筒。其中该二环状套筒的材质为塑胶或橡胶类的可压缩性材质、纸质或以金属丝缠绕而成。

该组合式心模更可包括一组条壳围绕于一部分的该中空主圆管外，以加大该部分的外径。其中该组条壳是以两片半圆的弧形片或以三片三分之一圆的弧形片组合而成的。

本发明可借助下述说明及附图而对之获较佳了解：

图1为传统心模组的组件示意图；

图2(a)及(6)分别为本发明心模组的一实施例的组件分解透视示意图及正视图；

图3为缠丝于图2的该心模组后的透视示意图；

图4为本发明环状套筒的一实施例及其辅助工具示意图；

图5(a)及(b)为本发明条壳的一实施例透视示意图及其组合后的侧视图；

图6为本发明环状套筒的另一实施例示意图；

图7为本发明环状套筒的又一实施例示意图；

图8为本发明心模组的另一实施例示意图；及

图9为本发明心模组件的又一实施例示意图。

请参阅图2(a)，其为本发明的心模组的一实施例的组件示意图，其各组件分述如下：一中空主轴管20，包括二中空主圆管201、202，其上有多个通气孔207，其互相以公母退拔方式套接，且相接部分的外径相同，及二中空圆柱接管203、204，其外径较该二中空主圆管201、202小，且分别以螺纹锁接或以公母退拔套接于该中空主圆管201、202的两端；及二锥形环状套筒21、22，其退拔度以0.5-1.0为佳，长度则须根据制作成品的管径大小及长度而定，且该二锥形环状套筒21、22各有一凸出圆环211、221固着于其外，其分别套穿于该二中空圆柱接管203、204外而与该中空主圆管201、202相接，其较小截面端212、222的外径与该中空主圆管的末端2011、2021外径相等；一针轴23，一端附有螺纹，锁接于该中空圆柱接管203上，另一端则架于缠丝机台的夹头上，且其中心轴有一圆孔与该中空圆柱接管203的圆孔相贯通，以便气体流通；一固定锁头24，一端附有螺纹可锁接于另一中空圆柱接管204上，另一端则适合缠丝机的快速接头，而架于缠丝机台上；一吹气嘴25，一端附有螺纹，锁接于该中空圆柱接管203上，另一端则接气体源；及至少一组条壳26(见图5a，5b)，包含三片三分之一圆的弧形片，围绕于至少一部分的该中空主圆管201及/或202外，以加大该部分的外径。

上述组合式心模实施例的组合与应用方法如下：首先将该二中空主圆管201、202接上，并将该二中空圆柱接管203、204分别接于该二中空主圆管201、202的两端，再分别套上该二环状套筒21、22，于制作须吹气成型的制品时套上吹气袋27，然后锁上针轴23与固定锁头24于该二中空圆柱接管203、204上(组合并套上吹气袋后的心模组如图2(b)所示)，将整组心模架于缠丝机上依指定花式进行缠丝。当然，该纤维丝(常用者为碳纤维或玻璃纤维)是先含浸树脂再缠绕于该组合式心模上的。其中该环状套筒21、22为锥形的设计目的是因心模末端为纤维缠绕之回转处，通常会缠绕较多圈并且较紧，因此以有锥度的设计可在脱模程序时，使该环状套筒21、22的脱离较容易，同时缠绕上的纤维长条末端的开口也会较大，方便内部该中空主轴管20的抽离。缠绕完毕后如图3所示，接着进行脱模。脱模时先将针轴23拆下换上吹气嘴25，由该吹气嘴25输入气体，气体经由分布于该中空主圆管201、202上的通气孔207逸出。稍微将该吹气袋27及纤维吹离该心模组，借助气体的力量推开至少该环状套筒21及/或22之一，而若有另一该环状套筒未被吹离，则于纤维张力较小时以手拔出，而于张力较大时将凸出圆环211或221卡在桌缘或固定环座31等辅助工具拔除，如图4所示。将该组合式心模自缠丝机上取下，脱离该环状套筒21及22后，该中空圆柱接管203、204便露出，因该纤维长条的末端开口较该中空圆柱接管203、204的外径大，且该吹气袋27及纤维长条已被稍微吹离该心模组而使张力减小，故该中空主轴管20可容易地由一端抽离或由两端分开该中空主圆管201、202而被抽离，除此之外，亦可先将接管203或204之一取下，并取下相对应的环状套筒21或22，露出气袋27，再将该气袋27的一端捏住，利用吹气将该纤维长条连同吹气袋一并吹离该心模组。而后，将已脱模的缠绕纤维置于烤箱中烘烤，使含浸的树脂达B-阶段后，再将所得的该纤维长条连同吹气袋在放入模具中吹气加压加温成型而得所欲制品。

当然，本发明组合式心模的设计可随不同脱模方式的需要而有不同的实施例，本说明书中仅列举几项较佳实施例以作为说明之用。例如上述的简单圆管缠丝中，若所缠绕的纤维张力很小，利用锥形套筒的作用，解除缠绕最紧的两端纤维，此时不需要吹气也可抽出心模，则该组合式心模中之该中空主圆管201、202上可以不需通气孔207的设计；该二中空主圆管201、202可作一体成型的设计；且/或该二中空圆柱接管203、204亦可分别一体成型于中空主圆管201、202上。若所缠绕的纤维张力较大时，则可同时由两端的该二中空圆柱接管203、204施拉力分开该中空主圆管201、202并配合吹气，以减少摩擦力而易于抽离。此时该二中空圆柱接管203、204仍可分别一体成型于中空主圆管201、202上。

当该组合式心模用于所需纤维长条为中间部分较粗、两边较细的不均匀断面的缠丝制程时，可再配上该组条壳26，如图5(a)及(b)所示，将该组条壳26围绕于一部分的该中空主圆管201、202外，以加大该部分的外径，然后套上穿气袋进行缠丝。其中该组条壳26是以三片三分之一圆之弧形片组合而成(可以多个弧形片包裹该主圆管构成或以较简单的两片半圆的弧形片组合而成)。脱模时先以前述方法脱去该环状套筒21、22及该中空主轴管20，再抖出该三片弧形片即可。同样地，亦可视纤维张力的大小决定该组合式心模中的该中空主圆管201、202上不需通气孔207的设计；该二中空主圆管201、202可作一体成型的设计；且/或该二中空圆柱接管203、204亦可分别一体成型于该中空主圆管201、202上。

当该组合式心模系用于所需纤维长条为中间部分较细、两边较粗的不均匀断面的缠丝制程时，该中空主圆管201、202可先作成所欲的粗细变化，再套上穿气袋进行缠丝。脱模时先以前述方法脱去该环状套筒21、22，然后由两端的该二中空圆柱接管203、204施拉力分开并抽出该中空主圆管201、202即可。同样地，亦可视纤维张力的大小决定该组合式心模中的该中空主圆管201、202上不需通气孔207的设计。该二中空圆柱接管203、204亦可分别一体成型于该中空主圆管201、202上。

除了上述先脱离至少该环状套筒21、22之一，再抽出该中空主轴管20的脱模方式外，若该环状套筒21、22的材质为塑胶或橡胶类的可压缩性材质(如图6所示)、或以纸质乃至于以金属丝缠绕而成(如图7所示)时，环状套筒21、22本身在该二中空圆柱接管203、204取出后，即容易自该中空主圆管201、202脱离，不须设为锥形。将其分别套穿于该二中空圆柱接管203、204外而与该中空主圆管201、202相接，其外径较该中空主圆管201、202的末端外径略大，其目地亦为使缠绕上的纤维长条末端的开口较大，方便内部该中空主轴管20的抽离。于脱模程序时，因该环状套筒21、22具弹性，故可先移出该中空圆柱接管203、204，而该环状套筒21、22的移出视情况而定，例如胶管或纸圈可以稍微压缩后再拉出，而金属丝缠绕而成的可将金属丝推出，然后再拉出该纤维长条。此时，该二中空主圆管201、202亦可作一体成型的设计。

请参阅图8，其为本发明的另一实施例图，其使用不同断面尺寸(中间细)的心模设计及脱离方式如下所述：

1.此不同于均匀断面的心模设计为该中空主圆管80中间随成品尺寸予以缩小，其余构件同均匀断面设计，如图8所示。

2.当缠绕完后，从吹气嘴输入气体(约2公斤/平方厘米压力)，气体由通气孔807吹出，使缠绕的纤维花式稍膨胀，另外，空气的吹入可使该锥形环状套筒81或82自动弹出，未弹出的套筒再用手拉出。

3.圆柱接管803、804于锥形环状套筒81或82脱离后即露出于纤维花式外，此时因中空主圆管801、802与纤维花式间束缚张力很小，可同时将中空主圆管801及802分别由两端解脱并拉出，则可完成心模脱离动作。

此实施例中的圆柱接管803、804可固接于中空主圆管801、802而无须锁接。另外，当纤维缠绕后张力很小时，可不需通气孔807，直接于上述步骤2中吹气使该锥形环状套筒81或82自动弹出即可(也可直接用手拉)，其余步骤可依序继续进行。

请参阅图9，其为本发明的又一实施例图。其中中空主圆管901、902分别与锥形环状套筒91、92为一体，形成主圆管901、902均有一端的外径逐渐加大，呈现有如锥形的斜边；而该主轴管90则由该两个各具一锥状端的主圆管901、902套接而成。于脱模时，因该主轴管两端有退拔度，可直接由已缠绕的纤维花式中直接拆解主轴管，并将其拉出而完成脱模。

以下举一应用于制造网球拍的实例作说明：由某一网球拍的外观、尺寸、制造推算所需的纤维层数及厚度后(在此，以纤维层数为六层、厚度为1～2毫米为例)，计算出未含其吹气袋的本发明组合式心模中各组件的尺寸为：

中空主圆管：一体成型，外径为15.4毫米，全长共1650毫米。

中空圆柱接管：与该中空主圆管一体成型，外径为13.4毫米，各

              长100毫米。

锥形环状套筒：内径13.4毫米，两端外径分别为15.4毫米及18毫

              米，长100毫米。

针轴：螺纹为M6，一端长20毫米，另一端长40毫米，外径3.5毫米。

固定锁头：螺纹为5/16英寸×18牙。

当组合完后的心模，再包裹吹气袋，并使用吹气袋张力，把该锥形环状套筒固定于中空圆柱接管上。如此便可开始缠绕此网球拍的花式设计。当缠绕完后，在吹气嘴吹气(约2公斤/平方厘米压力)可使至少该锥形环状套筒之一自动弹出。如此该中空圆柱接管露出于纤维长条外，便可利用此将整根心模完全抽出。最后再将另一未脱离的锥形圆柱套筒用力拉出，即完成心模脱离动作。而后，将缠妥的纤维连同气袋，加热至约80℃，使之达到B-阶段，再将其置入模具中吹气、加压、加热(约150℃)，而制成所欲的网球拍。

另外对于该锥形环状套筒的退拔度须界定其范围：大小时于纤维折返处张力太大，无法发挥退拔度功能不易脱模；另太大时纤维折返产生滑落，同样也无法发挥退拔度功能不易脱模。所以该锥形环状套简的内径须配合该中空圆柱接管外径，较小截面端的外径须与该中空主圆管外径相同外，两截面端外径及其长度尺寸的配合便决定了此退拨度大小。实验发现退拔度可介于O.5O至1.O0，而以O.75为最佳值。而其长度介于8O至l50毫米，而以lOO毫米为最佳，而纤维折返点则在于该锥形环状套筒中间处最佳，如此同时可由成品决定出该中空主圆管的长度。

本发明具有下列几项功能及效果：

1.可依成品的不同轻易变化心模组合；

2．心模的抽取相当容易；

3．可反覆使用，增加其制程的大量生产特性；

4．于制造须吹气加压加温成型的制品时，可预先套上一吹气袋再行缠绕；

5．制作成本低；

6．重量轻，操作方便。

因本发明的心模设计，很容易做到由已缠绕预成型的纤维抽取出心模，然后将该预成型品放入烘箱中加温使达B-阶段，所以本发明的心模设计可在抽离预成型品后，随即将同一心模摆于缠丝机上进行另一批次的缠绕生产。另本发明构件简单，制作容易，重量轻，只需五至十组的数量即可反覆交替使用，比制造厂商先前技术使用大量的心模，更具经济性及大量生产特性。

Claims (29)

1.一种制造复合材料中空制品的组合式心模，其特征在于包含：一主轴管，及套接于该主轴管两端的环状套筒；其中，该环状套筒的内径，大于与该环状套筒套接的主轴管该端的外径，得使环状套筒在施加外力的情况下，与该主轴管脱离。

2.如权利要求1所述的制造复合材料中空制品的组合式心模，其特征在于该等环状套筒为锥状，且与该主轴管套接时该套筒外径较大的一边朝向外侧。

3.如权利要求2所述的制造复合材料中空制品的组合式心模，其特征在于该等环状套筒的退拔度为0.50至1.00。

4.如权利要求3所述的制造复合材料中空制品的组合式心模，其特征在于该主轴管为中空的。

5.如权利要求4所述的制造复合材料中空制品的组合式心模，其特征在于该主轴管中央设为一中空主圆管，两端为二中空圆柱接管，而该等中空圆柱接管的外径较中空主圆管的外径小，且该等环状套筒即套接于该二中空主圆管上。

6.如权利要求5所述的制造复合材料中空制品的组合式心模，其特征在于该中空主圆管与该等中空圆柱接管设置成相互套接。

7.如权利要求6所述的制造复合材料中空制品的组合式心模，其特征在于该中空主圆管与该等中空圆柱接管设置成一体。

8.如权利要求6所述的制造复合材料中空制品的组合式心模，其特征在于该中空主圆管为两段圆管套接而成，且可自中央任意组合拆解。

9.如权利要求4所述的制造复合材料中空制品的组合式心模，其特征在于更包括有两轴栓，分别套接于该主轴管的两端，以利该组合式心模架设于一缠丝机上。

10.如权利要求9所述的制造复合材料中空制品的组合式心模，其特征在于该两轴栓的一端为固定锁头，卡接于缠丝机的快速接头上；其另一端为针轴，架于缠丝机的夹头上。

11.如权利要求9所述的制造复合材料中空制品的组合式心模，其特征在于该两轴栓与主轴管为可分离的，且该两轴栓中之一可换接一吹气嘴。

12.如权利要求11所述的制造复合材料中空制品的组合式心模，其特征在于该主轴管上设有多个通气孔，使该主轴管可经由吹气嘴吹气，由此等通气管排气。

13.如权利要求5所述的制造复合材料中空制品的组合式心模，其特征在于该锥形环状套筒外径较大的一端边上，更设有一凸出环，而得在脱模时利用该凸出环卡于工具上，将环状套筒施力自主轴管拔出。

14.如权利要求1所述的制造复合材料中空制品的组合式心模，其特征在于该环状套筒由可压缩的材料制成。

15.如权利要求14所述的制造复合材料中空制品的组合式心模，其特征在于制成该环状套筒的可压缩材料为橡胶或塑胶。

16.如权利要求14所述的制造复合材料中空制品的组合式心模，其特征在于制成该环状套筒的可压缩材料为纸质。

17.如权利要求1所述的制造复合材料中空制品的组合式心模，其特征在于该环状套筒是金属丝缠绕而成的。

18.如权利要求3所述的制造复合材料中空制品的组合式心模，其特征在于该环状套筒的长度约为80-150毫米。

19.如权利要求18所述的制造复合材料中空制品的组合式心模，其特征在于该环状套筒的退拔度约为0.75。

20.如权利要求19所述的制造复合材料中空制品的组合式心模，其特征在于该环状套筒的长度约为100毫米。

21.如权利要求5所述的制造复合材料中空制品的组合式心模，其特征在于该主轴管外更设可围绕于该主轴管外的一组条壳，而可加大由该组合式心模制出成品该部分的外径。

22.如权利要求21所述的制造复合材料中空制品的组合式心模，其特征在于该组条壳由多个弧形片所组成。

23.如权利要求22所述的制造复合材料中空制品的组合心式模，其特征在于该组条壳由两个半圆形的弧形片所组成。

24.一种制造复合材料中空制造的方法，包括将吹气袋套上于一两端套接有锥形环状套筒的主轴管上，其特征在于该环状套筒的内径，大于与该环状套筒套接的主轴管该端的外径，而主轴管上，设有多个气孔，将主轴管固定于缠丝机上，将含浸的纤维依指定的花式，对该主轴管、气袋及套筒进行缠丝，待缠妥后，在主轴管一端接上吹气嘴，并对吹气嘴吹气，使锥形环状套筒自套接的主轴管弹出，再将缠妥的纤维自主轴管脱下；而后对该缠妥的纤维作必要的加温，至B阶段达成，乃至于放入模具加压、加热、制成所欲制的复合材料中空制品。

25.如权利要求24所述的制造复合材料中空制品的方法，其特征在于该主轴管两端设有轴栓，得使该主轴管架设于缠丝机上。

26.如权利要求24所述的制造复合材料中空制品的方法，其特征在于等环状套筒的退拔度约为0.50至1.00。

27.如权利要求26所述的制造复合材料中空制品的方法，其特征在于该等环状套筒的斜度约为0.75。

28.如权利要求26所述的制造复合材料中空制品的方法，其特征在于该等环状套筒的长度为80-150毫米。

29.如权利要求28所述的制造复合材料中空制品的方法，其特征在于，该主轴管中央设为一中空主圆管，两端为二中空圆柱接管，而该二中空圆柱接管的外径，较中空主圆管的外径小，且环状套筒即套接于该二中空主圆管上。

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