CN112976615A - 热塑复材管的制造装置及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热塑复材管的制造装置及制造方法，其中该制造装置包括：一心轴，为内模仁并具有管状表面及内径，内径靠近心轴的两端处设有外低内高的斜面，内径中间具有多边形的制动孔，心轴是由多片纵轴走向的组合片拼成并于心轴表面包覆碳纤预浸材；一内部加压机构设置于心轴的内径，可由内径径向地向外对该些组合片施加压力；一加热机构设置于内部加压机构；及一对上、下模具于合模后具有对应于心轴的模穴，可供心轴置入，上、下模具分别设有数个水路孔，用以灌入流通的液体，使上、下模具冷却降温，经由加压加热使碳纤预浸材的树脂融化接合，产生具有厚度的热塑复材管，据此使上、下模具无须设置加热源以提升模具结构强度并提升加热效能。

Description

热塑复材管的制造装置及制造方法

技术领域

本发明是涉及一种热塑复材管的制造技术，特别涉及一种内模仁可埋入加热棒，使上、下模具无须设置加热源，并可提升模具结构强度及提升加热效能的热塑复材管的制造装置及制造方法。

背景技术

中国专利CN107081922A揭露一种大口径热塑性复合材料长输管及其制造方法和装置，热塑性聚合物丝和增强纤维盘绕在卷筒或料盘上，驱动电机驱动卷筒和料盘放丝，经过张紧辊保持适当的张力，然后通过送丝电机分别经过两个导向管将二者导入3D打印机头内，其中将增强纤维导入3D打印机头内部中空螺杆通道，将聚合物丝导入机头腔体并缠绕于螺杆上。通过动态扭矩传感器组建的自动控制系统调节张紧装置和送丝电机转速，从而精准控制3D打印机头内的送丝量，提高管道成型的精度，聚合物丝在打印机头内部受热熔融，熔融树脂在螺杆和丝材推力作用下到达喷嘴。增强纤维在喷嘴处被熔融树脂浸渍包覆，然后从喷嘴处挤出，形成复合纤维丝。3D打印机头整体装置及卷筒固定于一个可以绕管道轴向旋转的转盘装置上，打印机头可以在转盘上沿管道径向做一定幅度的运动。芯轴可以沿管道轴向前后往复移动。通过调节大盘旋转，打印机头和芯轴移动速率等参数控制复合纤维丝在内衬层上的打印过程。在整个管道增强层生产线有两台甚至多台相同的转盘打印设备。然后逐层打印，最后得到增强管件。

前述技术存在不需要使用金属材料，具有轻量化、耐高温、耐腐蚀、柔韧性好、气密性好、内外压力等级高、安装方便等特点，其内壁光滑、大口径、高内外压力等级可以获得高的流速率与流量，特别适合于长输油气管道方面的应用，但不适于很短的制件成型周期和高冲击强度领域的应用。

发明内容

本发明的主要目的，是在于内模仁心轴可埋入加热机构，而外包覆的上、下模具无须加设热源可减化模具，提升模具结构强度及节省加热能源。

本发明的另一目的，是可对包覆在内模仁心轴外周面的碳纤预浸材施加内压力，且压力可作调整，以应对不同的造管制程。

本发明的再一目的，在于以数个组合片拼接构成心轴，该些组合片可径向移动，除了可向外移动以对碳纤预浸材施加内压外，也可向内移动以易于分离脱模，取出管料。

为达成上述目的，本发明提供了一种热塑复材管的制造装置，包括：一心轴、一内部加压机构、一加热机构及一对上、下模具，该心轴为内模仁，并具有一管状表面及一内径，该内径靠近该心轴两端处设有外低内高的斜面，该内径具有多边形的一制动孔，该心轴是由多片纵轴走向的组合片围设拼成；该内部加压机构设置于该心轴的内径，该内部加压机构可由该内径径向地向外对该些组合片施加压力；该加热机构设置于该内部加压机构；该对上、下模具，于合模后具有对应于该心轴的管状表面的一模穴，可供该心轴、置于该心轴内的该内部加压机构及置于该内部加压机构内的该加热机构置入，并紧固该上、下模具，该上模具与该下模具分别设有数个水路孔，用以灌入流通的液体，使上、下模具冷却降温。

其中，该内部加压机构包含：组配在该心轴的制动孔的一固锁杆、两锥形杆分别设置在该心轴的内径的两端及分别穿过该两锥形杆的两螺杆，该螺杆与该固锁杆螺合，当该螺杆向内螺入时，会推动该锥形杆朝向该固锁杆移动，以向外撑大该心轴的内径。

其中，该两锥形杆的外端环形排列有半圆形的数个第一凹槽，每一组合片面对相对应的该第一凹槽方向设有半圆形的一第二凹槽，该第一凹槽与相对应的该第二凹槽对合形成一孔洞，该孔洞贯通到组合片的中间，该加热机构包含有数个环形排列的加热棒，该数个加热棒分别埋入于该两锥形杆的数个该第一凹槽与该组合片的该第二凹槽对合形成的数个孔洞内，并伸入到组合片的中间。

其中，该心轴的管状表面的断面可为长锥形及水滴形的任一种。

本发明还提供了一种热塑复材管的制造方法，包括：

A：提供如前述的热塑复材管的制造装置；

B：将该些组合片围设拼接成一心轴；

C：该内部加压机构置入于该心轴的内径；

D：将一碳纤预浸材加温使其软化后，沿着该心轴先包覆于该心轴表面而形成管料形状；

E：将该心轴置入于该上、下模具的模穴内，并合模锁紧该上、下模具；

F：扭转该内部加压机构的螺杆，使其朝该心轴的内部的固锁杆移动而对该碳纤预浸材产生内压；

G：升温该加热机构，以加热该碳纤预浸材；

H：在合模状态下，在该些水路孔灌入流通的液体，使该上、下模具及该碳纤预浸材降温；

I：该上、下模具的温度降至常温后，开模并取出形成管料形状的该热塑复材管。

其中，于步骤D中，该碳纤预浸材是以摄氏温度80°~130°加温使其软化。

其中，于步骤G中，该加热机构是以摄氏温度150°~250°加热该碳纤预浸材5分钟~10分钟。

其中，于步骤D中，在将一碳纤预浸材加温使其软化后，沿着该心轴包覆于该心轴表面而形成管料形状时，同时在该管料形状的表面的局部区域埋入金属片、金属环，将可使热塑复材管的局部区域作强度补强功能。

本发明至少具有下列的优点：

1.本发明可利用扭力扳手旋转螺杆以驱动锥形杆移动以抵压组合片向外扩，其压制力可作调整，以应对不同的造管制程，且对管壁的持压压力均匀，压力大小可借由旋转螺杆的扭力扳手工具推算量测。

2.由于本发明加热机构的加热棒是埋入于锥形杆的第一凹槽与组合片的第二凹槽对合形成的孔洞内并通到该组合片的内部，该上模具与该下模具可不必再增设加热源，可减化模具的结构，并提升模具的结构强度，以及由内往外传热，直接接触管材，加热体积小，可节省加热能源，达到快速加热效果。

3.本发明可在碳纤预浸材沿着心轴包覆成管料形状时，顺便在局部区域埋入金属片、金属环，将可使热塑复材管的局部区域作强度补强功能。

4.本发明由于上、下模具无须设置有加热源，因此上、下模具有足够的空间可设置冷却水路孔，且其数量密度可更为密集，以提升冷却速度及效果。

5.本发明除可用于实验试作外，因其对管壁的加压压力可持续调控，且压力大小≧30~50kg/cm²，比一般气压（≦10kg/cm²）还要来的大，不用担心高压气体外泄伤人的安全因素。

6.借由本发明制作出的热塑复材管件其层与层无气泡产生，贴合致密性佳，可有效提升强度性能。

7.本发明的心轴是由数个组合片围设拼接构成，该些组合片受锥形杆的移动可径向移动，使成型后的管件成品容易脱模。

8.本发明采用钢模设计，具有耐热不易损坏，适用于实际生产，并通过异形截面的心轴，可适合不同异形截面形状的热塑复材管的生产制造。

附图说明

图1为本发明第一实施例心轴与内部加压机构的分解立体图。

图2A为本发明第一实施例心轴与内部加压机构的组合立体图。

图2B为图2A的沿A-A割面线的断面图。

图3为本发明第一实施例心轴与内部加压机构间组配有加热棒的示意图。

图4为本发明第一实施例心轴置入于下模具的示意图。

图5A为本发明第一实施例上、下模具合模后的示意图。

图5B为图5A的沿B-B割面线的断面图。

图6为本发明第二实施例的立体示意图。

图7为本发明第三实施例的立体示意图。

图8为本发明第四实施例的立体示意图。

图9为本发明的流程图。

附图中的符号说明：

10：心轴；11：管状表面；12：内径；121：制动孔；13：斜面；14：组合片；141：第二凹槽；20：内部加压机构；21：锥形杆；22：固锁杆；221：第一凹槽；222：穿孔；23：孔洞；24：螺杆；241：头部；30：加热机构；31：加热棒；40：上模具；41：水路孔；42：贯孔；50：下模具；51：水路孔；52：螺孔；60：碳纤预浸材；70：螺丝；a：模穴；100：金属片；200：金属环；步骤A至I：热塑复材管的制造方法。

具体实施方式

有关本发明的详细内容及技术说明，现以实施例来进一步说明，但应了解的是，该等实施例仅为例示说明之用，而不应被解释为本发明实施的限制。

请参阅图1、图2A、图2B、图3、图4、图5A、图5B所示，为本发明热塑复材管的制造装置的第一实施例，包括：一心轴10、一内部加压机构20、一加热机构30及一上模具40、一下模具50。该心轴10为内模仁，具有圆形的一管状表面11及多边形的一内径12，该内径12靠近该心轴10的两端面处设有外低内高的斜面13，该内径12中段设有多边形（如六边形）的一制动孔121，该心轴10是由数片纵轴走向的组合片14围设拼接而成，该心轴10的管状表面11包覆有一层碳纤预浸材60。

该内部加压机构20，是设置于心轴10的内径12，可由心轴10的内径12径向地向外对该些组合片14施加压力。该内部加压机构20包含穿接在该心轴10两端内径12的两锥形杆21及介于该两锥形杆21之间的一多边形的固锁杆22，该固锁杆22的外形与心轴10的制动孔121相配合并组配在制动孔121位置，该锥形杆21为多边形且远离该固锁杆22的外端直径大于该锥形杆21邻近固锁杆22的内端的直径，锥形杆21的外端环形排列有半圆形的数个第一凹槽221，锥形杆21轴向中心设有一穿孔222；该组合片14面对该第一凹槽221方向设有半圆形的一第二凹槽141，第一凹槽221与第二凹槽141对合形成一孔洞23，孔洞23贯通到组合片14的中间，该固锁杆22的两侧各螺接一螺杆24，螺杆24具有一大于螺杆24直径的一头部241，该螺杆24穿过锥形杆21的穿孔222再与固锁杆22螺合，螺杆24的头部241紧顶着该锥形杆21的端面，当旋转锁紧螺杆24向内螺入时，会推动锥形杆21往该固锁杆22方向移动，以向外撑大该心轴10的内径12，使锥形杆21的外壁对组合片14施加压力。

该加热机构30包含有数个环形排列的加热棒31，该加热棒31是埋入于锥形杆21的第一凹槽221与组合片14的第二凹槽141对合形成的孔洞23内，并伸入到组合片14的中间。

该上模具40与该下模具50分别设有数个水路孔41、51，并可灌入流通的液体，使上、下模具40、50冷却降温，上模具40与下模具50于合模后具有对应于该心轴10的管状表面的一模穴a，该模穴a是供该心轴10置入。于本实施例中，上模具40与下模具50是借由数个螺丝70由上模具40的贯孔42穿入再与下模具50的螺孔52螺合，借此使上模具40与下模具50结合一起，而心轴10置入于下模具50之前，心轴10的内部已装设有内部加压机构20，内部加压机构20与心轴10之间已装设有加热机构30。

借上述的结构，使用操作时，固锁杆22是位于心轴10的内径12中间处，两锥形杆21分别穿设在心轴10的内径12的两端，两该锥形杆21的穿孔222分别穿接螺杆24，螺杆24再与固锁杆22螺合。

该碳纤预浸材60先以摄氏温度80°~130°加温使其软化后，沿着心轴10包覆在心轴10的外周面成管状。

该心轴10再置入于下模具50的半模穴，再将上模具40盖设在心轴10的上方且上模具40与下模具50对合，接着借数个螺丝70分别由上模具40的贯孔42穿入再与下模具50的螺孔52螺合锁紧。接着借一扭力扳手旋转螺杆24，螺杆24的头部241推动锥形杆21朝向固锁杆22方向位移，以向外撑大该心轴10的内径，而对碳纤预浸材60产生内压，并且加热机构30的加热棒31借由电力升温到摄氏150°~250°，经过一段时间约5分钟~10分钟后，使碳纤预浸材60的树脂融化接合，再对上模具40与下模具50的水路孔41、51灌入流通的液体，使上、下模具40、50冷却。当温度降到常温后，可打开上、下模具40、50取出管料。

请再参阅图6所示，为本发明热塑复材管的制造装置的第二实施例，可在碳纤预浸材60沿着该心轴10的管状表面11包覆成管料形状时，顺便在管状表面11的表面的局部区域埋入金属片100、金属环200等物件，将可使热塑复材管的局部区域作强度补强。

请再参阅图7所示，为本发明热塑复材管的制造装置的第三实施例，其中该心轴10的管状表面11的断面可为长锥形。

请再参阅图8所示，为本发明热塑复材管的制造装置的第四实施例，其中该心轴10的管状表面11的断面可为水滴形。

本发明至少具有下列的优点：

1.本发明可利用扭力扳手旋转螺杆24以驱动锥形杆21移动以抵压组合片14向外扩，其压制力可作调整，以应对不同的造管制程，且对管壁的持压压力均匀，压力大小可借由旋转螺杆24的扭力扳手工具推算量测。

2.由于本发明加热机构30的加热棒31是埋入于锥形杆21的第一凹槽221与组合片14的第二凹槽141对合形成的孔洞23内并伸到组合片14的中间，上模具40与下模具50可不必再增设加热源，可减化模具的结构，并提升模具的结构强度，以及由内往外传热，直接接触管材，加热体积小，可节省加热能源，达到快速加热效果。

3.本发明可在碳纤预浸材60沿着心轴10包覆成管料形状时，顺便在局部区域埋入金属片100、金属环200，将可使热塑复材管的局部区域作强度补强功能。

4.本发明由于上、下模具40、50无须设置有加热源，因此具有足够的空间可设置冷却水路孔41、51，甚至其可设置的数量密度可更为提高，以提升冷却速度及效果。

5.本发明除可用于实验试作外，因其对管壁的加压压力可持续调控，且压力大小≧30~50kg/cm²，比一般气压（≦10kg/cm²）还要来的大，不用担心高压气体外泄伤人的安全因素。

6.借由本发明制作出的热塑复材管件其层与层无气泡产生，贴合致密性佳，可有效提升强度性能。

7.本发明的心轴10是由数个组合片14围设拼接构成，该些组合片14受锥形杆21的移动可径向位移，使成型后的管件成品容易脱模。

8.本发明采用钢模设计，具有耐热不易损坏，适用于实际生产，并通过异形截面的心轴，可适合不同异形截面形状的热塑复材管的生产制造。

请参阅图9所示，本发明提供的热塑复材管的制造方法，包括：

A：提供如前述的热塑复材管的制造装置；

B：将该些组合片14围设拼接成一心轴10；

C：将内部加压机构20置入于该心轴10的内径12；

D：将一碳纤预浸材60先以摄氏温度80°~130°加温使其软化后，沿着该心轴10包覆于该心轴10的管状表面11而形成管料形状；

E：将该心轴10置入于上、下模具40、50的模穴a内，并合模锁紧该上、下模具40、50；

F：扭紧该内部加压机构20的螺杆24，使螺杆24朝该心轴10内径12的固锁杆22移动而对该碳纤预浸材60产生内压；

G：升温该加热机构30，以加热该碳纤预浸材60，其是以该加热机构30对形成管料形状的该碳纤预浸材60的管内加热，加热方式为以摄氏温度150°~250°加热5分钟~10分钟；

H：在合模状态下，在该些水路孔灌入流通的液体，使该上、下模具及该碳纤预浸材降温；

I：该上、下模具的温度降至常温后，开模并取出形成管料形状的该热塑复材管。

上述步骤G进行加热完成后，是先经一段时间后（例如经过5分钟~10分钟后），再开始进行步骤H。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即凡依本发明申请专利范围及发明说明内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (8)

1.一种热塑复材管的制造装置，其特征在于，包括：

一心轴，为内模仁，并具有一管状表面及一内径，该内径靠近该心轴两端处设有外低内高的斜面，该内径具有多边形的一制动孔，该心轴是由多片纵轴走向的组合片围设拼成；

一内部加压机构，设置于该心轴的内径，该内部加压机构由该内径径向地向外对该多片组合片施加压力；

一加热机构，设置于该内部加压机构；

一对上、下模具，于合模后具有对应于该心轴的管状表面的一模穴，以供该心轴、置于该心轴内的该内部加压机构及置于该内部加压机构内的该加热机构置入，并紧固该上、下模具，该上模具与该下模具分别设有数个水路孔，用以灌入流通的液体，使上、下模具冷却降温。

2.如权利要求1所述的热塑复材管的制造装置，其特征在于，该内部加压机构包含：一组配在该心轴的制动孔的固锁杆、两锥形杆分别设置在该心轴的内径的两端及分别穿过该两锥形杆的两螺杆，该两螺杆与该固锁杆螺合，当该两螺杆向内螺入时，会推动该锥形杆朝向该固锁杆移动，以向外撑大该心轴的内径。

3.如权利要求2所述的热塑复材管的制造装置，其特征在于，该两锥形杆的外端环形排列有半圆形的数个第一凹槽，每一组合片面对相对应的该第一凹槽方向设有半圆形的一第二凹槽，该第一凹槽与相对应的该第二凹槽对合形成一孔洞，该孔洞贯通到组合片的中间，该加热机构包含有数个环形排列的加热棒，该数个加热棒分别埋入于该两锥形杆的数个该第一凹槽与该组合片的该第二凹槽对合形成的数个孔洞内，并伸入到组合片的中间。

4.如权利要求1所述的热塑复材管的制造装置，其特征在于，该心轴的管状表面的断面为长锥形或水滴形。

5.一种热塑复材管的制造方法，其特征在于，包括下列步骤：

A：提供如权利要求2所述的热塑复材管的制造装置；

B：将该多片组合片围设拼接成一心轴；

C：将该内部加压机构置入于该心轴的内径；

D：将一碳纤预浸材加温使其软化后，沿着该心轴包覆于该心轴表面而形成管料形状；

E：将该心轴置入于一上、下模具的模穴内，并合模锁紧该上、下模具；

F：扭转该内部加压机构的螺杆，使该锥形杆朝该心轴内部的固锁杆移动，而对该碳纤预浸材产生内压；

G：升温该加热机构，以加热该碳纤预浸材；

H：在合模状态下，在该数个水路孔灌入流通的液体，使该上、下模具及该碳纤预浸材降温；以及

I：该上、下模具的温度降至常温后，开模并取出形成管料形状的该热塑复材管。

6.如权利要求5所述的热塑复材管的制造方法，其特征在于，于步骤D中，该碳纤预浸材是以摄氏温度80°~130°加温使其软化。

7.如权利要求5或6所述的热塑复材管的制造方法，其特征在于，于步骤G中，该加热机构是以摄氏温度150°~250°加热该碳纤预浸材5分钟~10分钟。

8.如权利要求5所述的热塑复材管的制造方法，其特征在于，于步骤D中，在将一碳纤预浸材加温使其软化后，沿着该心轴包覆于该心轴表面而形成管料形状时，同时在该管料形状的表面的局部区域埋入金属片、金属环。

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