CN115066325A - 由复合材料制造四边形壳体的方法和工装 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于制造四边形壳体的方法，该四边形壳体包括五个面以及这些面之间的不可展开的三面联接部，该方法包括以下步骤：i.切割包括连续纤维的料层（210，220），从而覆盖壳体的在三面联接区之外的五个面；ii.获得呈三面联接部的形状硬化的四个联接零件（320），每个零件包括在料层之间的连接区（321）；iii.定位并铺设在步骤i）中所获得的料层；iv.通过将连接区插入在两个料层之间来将四个硬化的零件（320）插入三面联接区中以便获得预成型体；v.将预成型体放置在工装（502，602）中，并且通过使在步骤iv）中所获得的组件经受预定压力/温度来进行含纤维料层的层压件的硬化。

Description

由复合材料制造四边形壳体的方法和工装

技术领域

本发明涉及一种由复合材料制造四边形壳体的方法和工装。

本发明主要但非排他性地应用于行李箱领域，用于生产具有硬质壳体的手提箱或拉杆箱。

背景技术

参考关于现有技术的图1，手提箱或硬质拉杆箱通常包括具有相等深度或不同深度的两个四边形壳体（100，此附图中仅示出两个壳体中的一个），四边形壳体包括由铰链和封闭机构组装的5个面。

每个壳体包括底部（101）和翻边（102）。

根据示意性实施方式，所述壳体由热塑性聚合物制成，该热塑性聚合物根据该实施方式用短纤维或连续纤维增强，也可以不用短纤维或连续纤维增强。

所谓的连续纤维（110）从壳体的一个自由边缘（191）延伸到另一个自由边缘（192）。这是连续增强在全文中的解释。

当壳体由连续纤维增强的复合材料制成时，该复合材料例如通过铺设预浸渍有聚合物基体的含纤维料层而获得，该基体在后续的步骤中通过热压法硬化成型。

文件EP 2 694 277描述了通过热压成型叠层的含纤维料层的示例。

壳体的面之间的联接区域（121，122）、特别是三面联接区域（121）或“拉杆箱拐角”是实现此方法的关键区域，特别是当所使用的增强纤维在成型温度下具有很低的塑性或不具有塑性时，或增强纤维的刚性阻碍其贴合此复杂轮廓时。

三面联接部（121）通常为球体的部分表面或椭球体的部分表面。

首先，在料层中不产生皱折的情况下难以使其贴合于这些形状，特别是作为不可展开区域的拉杆箱拐角（121）。

在不使用具有移动性或包括可充气部分的阳模（因此是复杂的工装）的情况下难以给这些区域施加压力。

难以通过快速加热和冷却工装来确保这些区域的均匀的加热温度，比如文件EP 2694 277中所描述。

即使例如通过在成型过程中张紧纤维、通过成功地提供均匀的加热和足够的压力使所述区域硬化而成功地避免了皱折，纤维间的聚合物也可能产生皱折，从而导致聚合物基体的局部缺陷和外观缺陷。

因此，尽管EP 2 694 277中所描述的装置和方法对于制造具有浅冲压部的壳体（比如用于移动电话的保护性壳体）来说通常是令人满意的，但对于用连续纤维增强的、具有较深冲压部的壳体（比如用于行李箱应用）来说实现此方法仍然是高成本的。

文件EP 3 096 643 B1描述了一种包括由用聚合物纤维增强的聚合物制成的两个壳体的行李箱元件。所述壳体通过在热压/复合模塑操作中组装用聚合物纤维增强的聚合物基体板、更特别地通过组装底部与侧板而获得。因此，尽管每个板单独地用连续聚合物纤维增强，但所获得的壳体由于在两个自由边缘之间没有连续纤维通过，而未被增强。

发明内容

本发明旨在解决现有技术的缺点并且出于此目的涉及一种用于制造四边形壳体的方法，该四边形壳体包括具有翻边的五个面以及这些面之间的不可展开的三面联接部，该方法包括以下步骤：

i. 切割包括连续纤维的料层，所述纤维从壳体的一个自由边缘延伸到另一个自由边缘，料层包括切口以便露出三面联接部所在的区域；

ii. 获得具有所述三面联接部的形状的四个硬化的联接零件，每个零件包括用于将该零件插入在料层之间的连接区；

iii. 定位并铺设在步骤i）中所获得的料层；

iv. 通过将连接区插入在两个料层之间而将四个硬化的零件插入三面联接区域中以获得预成型体的组件；

v. 将组件放置在工装中，在预定压力-温度下使含纤维的料层层压件硬化。

因此，含纤维的料层仅覆盖可展开区域并且能够容易地铺设在工装中或工装上，而不会产生任何皱折。然而，所获得的复合材料零件通过从壳体的一个自由边缘延伸到另一个自由边缘的连续纤维的增强，确保了所述壳体的刚性和可靠性。

拉杆箱拐角在硬化之后完美地连接，而没有外观缺陷。

根据下文阐述的实施方式和变型来实现本发明，这些实施方式和变型应被单独考虑或根据任何技术上操作的组合来考虑。

根据实施方式，联接零件由热塑性聚合物制成，通过注塑成型工艺获得。这种生产工艺在所获得的形状方面是经济且可再生的。

替代性地，联接零件通过热压工艺而获得。

有利地，制成联接零件的聚合物用短纤维增强。因此，这些零件的机械强度得以改进。

有利地，制成联接零件的聚合物被选择成使得在步骤v）期间应用于组件的最大硬化温度大于所述聚合物的玻璃转化温度但小于所述聚合物的熔融温度。因此，在硬化步骤中，三面联接零件的形状适应于壳体的形状。

根据实施方式，联接零件在成型壳体的翻边之间延伸。此实施方式有可能简化料层的切割。

根据实施方式，步骤v）在包括成对的阳模和阴模的工装中进行，在步骤vi）中所获得的组件在步骤v）中被限制在阳模与阴模之间。

根据另一实施方式，步骤v）包括用不可渗透防水布铺盖在步骤iv）中所获得的组件上并且对防水布与工装之间所包括的空间进行抽真空。

附图说明

下文根据本发明的优选实施方式（这些优选实施方式绝不是限制性的）并且参考图1至图6披露了本发明，在附图中：

[图1] 根据立体图示出了可以用本发明的方法生产的零件的示例；

[图2A] 以俯视图示出了用于通过本发明的方法制造零件的料层的切口的示例；

[图2B] 以俯视图示出了用于根据本发明的方法制造壳体的料层的切口的另一个示例；

[图3] 根据局部截面视图示出了通过本发明的方法在工装中进行的预成型体的安装的示例；

[图4] 根据立体图示出了用于实现本发明的方法的联接零件的实施方式；

[图5] 根据截面视图示出了用于实现本发明的方法的工装的示例；

[图6] 根据截面视图示出了用于实现本发明的方法的工装的另一个示例。

具体实施方式

根据实施方式，实现本发明的方法和装置以用于生产四边形壳体，该四边形壳体与现有技术的四边形壳体相似、由包括用连续纤维（290）增强的热塑性聚合物基体的复合材料制成。

然而，本发明不限于此实施方式并且可以使用预浸渍有热固性聚合物的料层来实现。

出于此目的，通过层压包括连续纤维（290）的含纤维料层（210，220）来进行预成型。所述含纤维料层（210，220）中的至少一个含纤维料层包括连续纤维（290），一旦根据本发明的方法生产了壳体，这些连续纤维就会从所述壳体的一个自由边缘（291）延伸到另一个自由边缘（292）。

作为非限制性示例，所述含纤维料层包括：玻璃纤维；碳纤维；天然纤维比如亚麻纤维、竹纤维或剑麻纤维等；或呈织造织物或非织造织物的形式的涂覆有热塑性聚合物、与热塑性聚合物共混合或涂有热塑性聚合物膜的聚合物纤维。

预切割所述含纤维料层，使料层（210，220）在壳体的整个表面上延伸且覆盖该壳体的5个面，料层（210，220）包括切口（221，222），使得这些料层不会覆盖壳体的面之间的联接区域。

图2A，根据实施方式，料层（210）包括切口（222），使得料层（210）不会覆盖壳体的翻边之间的联接区域，所述切口包围三面联接区域。

图2B，根据另一实施方式，料层（220）在其覆盖的面之间在三面联接区域或拉杆箱拐角处包括切口（221）。

这些实施方式并非限制性的。因此，例如通过交替地铺设大尺寸沿着y轴线延伸的矩形层片与大尺寸沿着x轴线延伸的矩形层片（这是为了简化切口）来获得相同程度的结果。

图2B，相同的原理适用于此图中所示的下料方式。

无论实施方式如何，切口（222，221）适配于最终壳体的拉杆箱拐角处、特别是面之间的联接半径处的联接区域的形状。

图2B，虽然料层（220）的切口（221）被示出为圆形切口，但如果最终壳体上的拉杆箱拐角处的目标联接部具有除球形之外的形状，那么这些切口可以具有椭圆形或甚至三叶形的形状。

由于这些切口的存在，料层不会覆盖最终壳体的不可展开区域，通过折叠线（215，225）将这些料层折叠以便形成翻边，容易地将这些不可展开区域施加于具有要生产的零件的形状的工装上或该工装中。

有利地，料层的尺寸根据其在叠层中的位置是可变的，以便根据要制成的壳体的厚度来考虑面之间的联接半径的变化。

料层（210，220）铺设于阳模型凸起的工装上、或阴模型下凹的工装上，以呈要生产的壳体的形状。

根据制成复合材料的基体的聚合物的性质，该复合材料的基体以涂层、共层压膜或共混纤维的形式存在于料层中，根据壳体的面之间的联接半径，料层的折叠通过局部加热折叠区中的料层来进行，局部加热采用例如烙铁或任何其他合适的设备。

有利地，在层压过程中，通过焊接点或焊接线将料层焊接在一起，以便使组件稳定并且有助于该组件的处理。

图3，在工装（300）（在此为包括具有壳体的形状的印记的模具）中通过联接零件（320）进行料层的联接区域（对应于切口区（221，222））中的料层（210，220）之间的联接。

所述联接零件（320）的形状被设置成像壳体的面之间的所述联接区域中的联接表面一样，所述联接零件包括锚定部分（321），该锚定部分被适配成连接在料层（210，220）之间、在切割区（221，222）的边缘上。

图4，根据实施方式，联接零件（320）包括彼此分开或成一体的2个单独的部分（421，422）。这两个部分中的一个部分（421）对应于三面联接区域，并且另一个部分（422）对应于在面之间基本上可展开的联接区域。

锚定部分（321）在此被示出为一个简单的结构，但根据实施方式包括凸起部，使该锚定部分在料层之间可靠地固定。

根据实施方式（未示出），所述联接零件包括用于安装支撑脚轮的罩或用于使伸缩式手柄的臂通过的结构。

联接零件可以是任意材质，特别是由塑料、金属或复合材料制成。

所述联接零件通过实现适配于这些联接零件的性质的方法而获得，并且独立于壳体获得，由此可以在远离壳体的制造单元的制造单元中大批量生产这些联接零件。

根据有利实施方式，联接零件由热塑性聚合物构成且通过注塑成型或通过热压获得。

根据此实施方式的替代方案，联接零件由短纤维增强的热塑性聚合物制成。

根据有利实施方式，制成联接零件的聚合物的熔融温度大于浸渍料层的聚合物的熔融温度（聚合物为热塑性聚合物）或固化温度（聚合物为热固性聚合物），所述料层用于制成壳体的其余部分

有利地，构成联接零件的聚合物的玻璃转化温度小于浸渍料层的聚合物的熔融温度或固化温度，所述料层用于制成壳体的其余部分。因此，在组件的硬化或固化期间，联接零件具有一定的塑性，该塑性允许这些联接零件的形状适配于模具。

图5，根据第一实施方式，包括层压件和联接零件的组件的硬化在模具中进行，该模具包括成对的阳模（501）和阴模（502）。

阳模和阴模，一个安装在压板上、另一个安装在压机的移动部分上。

阳模和/或阴模有利地包括加热网路，该加热网路包括感应器（510），这些感应器在分别在阳模的型腔和在阴模的型腔中延伸，并且所述感应器的分布使其在频率介于10KHz与100 KHz之间的交流电下为预成型体提供均匀的加热温度。

例如，借助于实施有限元计算的热模拟来获得阴模中或阳模中的感应器的空间分布。

阳模和/或阴模优选地由热导性良好且散热性好的材料（比如铝合金或铜合金）制成。

此特性有利于快速加热，有利于将热从模具快速传导至预成型体，而且有助于在硬化过程中在阳模或阴模与预成型体接触的表面上获得均匀的温度。

图5，如详细视图中所示，型腔的壁包括一个层（515），该层（515）由对感应加热敏感的材料（比如铁磁性钢或镍合金，但这些示例并非是限制性的）制成。

此层（515）的厚度为约一毫米。

根据实施方式，由对感应加热敏感的材料制成的层（515）不覆盖型腔的整个表面，而是仅覆盖型腔截面的一部分，这一部分朝向与预成型体接触的模具表面。

此特性使得有可能朝向预成型体定向加热并且在不加热整个模具的情况下为该预成型体提供均匀的加热温度。

根据另一实施方式，模具完全由钢制成，此钢在期望的成型温度下是铁磁性的。

当感应器（510）通交流电时，对感应加热敏感的层（515）温度上升并将其热量传导至阴模或阳模，该阴模或阳模将此热量传导至预成型体。

模具还包括呈导管形式的冷却设备（520），热传递流体（比如水、油或气体）在这些导管中循环。

所述冷却回路使得有可能快速地冷却模具和经硬化的预成型体，由此缩短制造周期。

根据实施方式，阳模（501）包括气囊（530）以及用于给所述气囊充气的设备（535）。

模具进一步包括用于当封闭模具时（即，在阳模借助压机而接近于阴模时）在阳模（501）与阴模（502）之间提供密封性的设备（540）。

因此，当封闭模具时，预成型体被限制在阳模（501）与阴模（502）之间的密封型腔中。

根据更具体地适配于料层（210，220）包括热塑性聚合物的实施方式，将连接联接零件（320）的预成型体放置在阴模（502）中或阳模（501）上。

预先，通过将料层（210，220）和联接零件（320）直接在一个工装如模具、阳模或阴模中或单独的工装上来组装预成型体。

当料层为预浸渍有热塑性聚合物的料层时，料层通过焊接点或焊接线固定在一起并且与联接零件固定在一起。

预成型体的此初步组装是手动地或由机器人进行的。

使阴模接近阳模以便产生能够限制所述预成型体的密封型腔。

根据实施方式，通过合适的设备（未示出）将所述型腔抽成真空。

并行地，感应器（510）通交流电，将预成型体加热至至少等于浸渍料层的热塑性聚合物的熔融温度的温度。

根据其构造，联接零件（320）在此温度下保持其完整性，但有利地，根据实施方式，当所述联接零件由注塑成型聚合物制成或通过热压成型时，制成联接零件（320）的聚合物的玻璃转化温度小于浸渍料层的聚合物的熔融温度。

通过将阳模朝向阴模移动和/或通过给阳模的气囊（530）充气，将附加压力施加在预成型体上。

施加此压力使得有可能校准零件的最终厚度并且确保在此厚度下聚合物的均匀分布。

当联接零件（320）由聚合物制成时，它们具有相对的延展性，当施加此附加压力时，所述压力使得这些联接零件的形状能够适配于模具的形状并且因此确保料层与所述联接零件之间实现美学上完美的联接。

停止感应器的电力供应，并将热传递流体输送至导管（520）中，以冷却模具和预成型体，同时仍维持所述预成型体上的压力。

当预成型体的温度小于浸渍料层的聚合物的玻璃转化温度时，可以打开模具并将零件从模具中移出。

接着继续新的预成型体制作。

使用感应加热和强制冷却可在5分钟之内完成一个制作周期。

图6，根据示意性实施方式，用于实现本发明的方法的工装包括：凸模或凹模（602），在其上或其中安装有包括联接零件的预成型体；防水布（630）；以及用于密封所述防水布（630）与工装（602）之间的空间的设备（640）。

安装在工装中或工装上的预成型体因此被限制在所述工装与防水布（630）之间的密封型腔中。

此实施方式更好地适配于（但非排他性地）预成型体的料层用热固性聚合物浸渍的情况。

与在前一实施方式中一样，工装包括感应加热设备和冷却设备。

设备（未示出）使得有可能对限制在防水布（630）与工装（602）的壁之间的空间（预成型体位于该空间中）抽真空。

由可压缩材料制成的中间零件（650）放置在联接零件处并且在防水布（630）与预成型体之间。

因此，通过联接零件和中间零件（650），预成型体具有不可展开区、更特别地在联接区域中具有不可展开区，防水布（630）中皱折的形成被限制至这些不可展开区，在这些不可展开区中，折痕的形成不会影响最终零件的质量。此特性还有可能减少防水布（630）的制造成本。

根据此实施方式，将预成型体放置于工装上或工装中，并安装防水布，对在防水布与工装之间且预成型体位于其中的空间抽真空，同时用交流电向感应器供电使预成型体到达浸渍预成型体的料层的聚合物的固化温度（或在热塑性聚合物的情况下是熔融温度）。

防水布提供遍及预成型体的所有料层的均匀压力。

在固化循环期间维持压力和温度，接着在断开真空且将由此产生的零件从模具移除之前使用冷却设备来冷却模具和所述零件。

图5，本领域技术人员将理解的是所示出的工装也可以用于固化包括用热固性聚合物浸渍的料层的预成型体。

图6，本领域技术人员同样将理解的是所示出的工装也可以用于硬化包括用热塑性聚合物浸渍的料层的预成型体。

上文的描述和实施方式表明：本发明实现了预期目的并且使得有可能在用热塑性聚合物或热固性聚合物预浸渍的含纤维料层的基础上获得用连续纤维增强的复合零件，该复合零件呈具有深冲压部的四边形壳体，而不依靠复杂的覆合或冲压技术。

本发明的方法因此适于大批量生产比如行李箱产品等常见消费品的零件。

Claims (10)

1.一种用于制造四边形壳体的方法，所述四边形壳体包括具有翻边（102）的五个面以及所述面之间的不可展开的三面联接部（121），所述方法包括以下步骤：

i. 切割包括连续纤维（290）的料层（210，220），所述连续纤维从所述壳体的一个自由边缘（291）延伸到另一个自由边缘（292），所述料层包括切口（221，222）以便露出所述三面联接部所在的区域；

ii. 获得具有所述三面联接部的形状的四个硬化的联接零件（320），每个零件包括用于将所述联接零件插入在所述料层之间的连接区（321）；

iii. 定位并铺设在步骤i）中所获得的所述料层；

iv. 通过将所述连接区插入在两个料层之间来将所述四个硬化的联接零件（320）插入所述三面联接部所在的区域中以获得一个预成型体的组件；

v. 将所述组件放置在工装（502，602）中，并且在预定压力-温度下使含纤维料层的层压件硬化。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述联接零件（320）由热塑性聚合物制成。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，制成所述联接零件（320）的聚合物用短纤维增强。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述联接零件通过注塑成型获得。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述联接零件（320）通过热压方法获得。

6.根据权利要求2所述的方法，其中，制成所述联接零件的所述聚合物被选择成使得在步骤v）期间应用于所述组件的最大硬化温度大于所述聚合物的玻璃转化温度但小于所述聚合物的熔融温度。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述联接零件（320）在成型的壳体的翻边之间延伸。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤v）是在包括一个阳模（501）和一个阴模（502）的一个工装中进行的，所述阳模（501）和所述阴模（502）是成对的，在步骤iv）中所获得的组件在步骤v）期间被限制在所述阳模与所述阴模之间。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤v）包括通过不可渗透防水布（630）铺盖在步骤iv）中所获得的组件上并且对所述防水布与所述工装之间所包括的空间进行抽真空。

10.一种通过如权利要求1所述的方法获得的适配于行李箱元件的壳体，所述壳体包括三面联接零件，所述三面联接零件包括用于安装脚轮罩或用于使伸缩式手柄的臂通过的结构。

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