CN1447746A - 高级合成结构的制造方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种纵向合成材料的连续的、预定的层压结构的处理方法，依此方法，所做的预成型和预强化的片分别用于后续的浸渍成型或冲压加工处理方法中。该方法包括的步骤有：材料放置，固结/稳定性处理，裁切和装配，制造，及最后修建。一个定制坯件加工机(306)也被描述。该坯件加工机包括一系列沿一个单独的放置台以线性或连续性方式排列布置地材料放置头(606)，其中每一头在传送带(304)以一个恒定的速度经过其下方时，会以一单独的角度放置后续所述的层压叠片于传动带上，其中该角度是与放置头相对传动带速度的横向移动速度成比例的。

Description

高级合成结构的制造方法和装置
技术领域
本发明涉及采用可重复、可监控、通用的和产品友好的方法和工艺对高级合成汽车结构进行的可负担得起的生产制造。
背景技术
高级合成件的使用是本发明的中心，这里高级合成件定义为在一个热固性或热塑性树脂的适当的聚合基体中、由碳、玻璃、或芳纶(aramidfibers)等组成的高度校直的加固架。使用高度校直的加固架的具体意图是基于下列的理解：钢的模量是30,000,000lbs/in2，而铝的模量为10,000,000lbs/in2。典型的、较高质量的玻璃环氧预浸坯(glass epoxyprepreg)的模量大约为4,000,000lbs/in2。虽然材料的强度可以通过对构件的制型提高结构的稳定性而得到一定程度的补偿，但当前汽车工业使用的随机加强件型合成材料的强度甚至更小，因而不能为其结构性能方面显著的改善提供潜力。
对于汽车设计方面需要开发的合成物，它们独特的特征必须要用一定的方法把它和汽车的设计和产品方案结合起来，以使它们固有的优势能够发挥出来。
发明内容
本发明其他的特征和优势将在下面的说明中予以阐明，部分地可以从说明书中了解，或者可以通过实用本发明来获知。本发明的目的和其他优势将通过在所写的说明书中和权利要求中以及附图中特别指出的结构来实现和获得。
需要理解的是，所有前面的概要说明和下面的详细说明都是示例性的和解释性的，并且目的是用于提供要求权利的本发明的进一步的解释。
另一方面，本发明提供了以某种方式获得可重复的和可负担得起的性能的方法和技术，这些技术和方法集合了带有更高的高级合成材料性能的更大体积汽车结构的生产要求。本发明提供了校直的合成材料的连续的、特制的层压结构的处理方法，依此方法，所做的预成型和预强化的片材分别用于后续的浸渍成型或冲压处理。该浸渍处理不同于那些已被广泛使用的方法，诸如树脂转移成型(RTM)或真空辅助树脂转移成型(VARTM)。该冲压处理不同于目前用于冲压钢制汽车结构的方法。对于每一种方法，无论是液体浸渍还是固体状态冲压，部件设计必须依照处理方法制做以期达到性能和成本目标。此概念结合了几方面的现成技术，包括纤维或带的置放、拉断和混合的纤维丝、胶粘预成型，热加固和NC(数控)裁切和装配。为本发明主旨的该处理方法，利用本发明的各处理步骤中固有的各种选择，既可用于热塑性也可用于或热固性基体树脂。
本发明的优点在于它涉及在一种可负担得起的高性能和高体积的高级合成汽车结构上的突出的进展变成现实时所需的基本元件。本发明所成功地涉及的问题是：1)在部件设计和接近完成的部件之间最少接触的需求；2)高度的可重复、可特制、通用的和可控制的处理过程，3)在制造过程中废料的最少化；4)上线工艺过程的监视和控制(以便尽可能减少岗位-检查和报废成品件)；5)通过校直的“连续”型纤维加强件对“高级合成物”性能的提供；6)对采用同一设备进行多层结构的结层进行处理的能力以及为了一定范围内模型变化而在现成可以处理的结层与均衡生产水平之间进行转换的能力问题；和7)提供其他材料和增值功能性，例如在其他利益当中的抑制声音和震动，无漆上色和磨光，整体修饰表面的在线方法。
因此，本发明旨向于一种高级合成结构的制造方法和装置。
本发明的一个目的是生产易于装配的大型校直的碳加强件部件。
本发明的另一个目的是提高每年生产速度和效率。
本发明的另一个目的是在质量、性能、规模、配合和功能方面开创一种可重复的和一致的处理方法。
本发明的另一个目的是去除了常规的上漆。
本发明的另一个目的是以生产率和生产量来均衡资金的投资。
本发明的另一个目的是获得一种对于材料处理和存货的逻辑方法。
本发明的另一个目的是寻找一种尽可能减少废料的解决方案。
本发明的另一个目的是用尽可能接近于原材料的材料开工。
本发明的另一个目的是尽可能的实现自动化。
本发明的另一个目的是保持一个安全，清洁和易于管理的生产环境。
本发明的另一个目的是结合了校直的碳加强件物。
本发明的另一个目的是控制压层结构。
本发明的另一个目的是将部件设计按照予以考虑的制造方法的各个独特方面进行制作。
本发明的另一个目的是考虑在各处使用同一结层、厚度和材料的各种极端情况。
本发明的另一个目的是利用在风险、起始材料和所获得的质量方面的灵活性。
附图说明
包含的附图可以进一步帮助理解本发明，它被并入且构成本说明书的一部分，图示了本发明的各实施例，并且和说明书一起来解释本发明的原理。在附图中：
图1是按本发明所做的一结构的一优选实施方案的等比图。
图2是按本发明所做的该结构的各部件分解等比图。
图3是本发明的材料放置步骤的优选实施方案的示意图。
图4是本发明的处理方法中的其他步骤的优选实施方案的示意图。
图5是本发明的处理方法中的其他步骤的优选实施方案的示意图。
图6是本发明的一材料放置站的一优选实施方案的示意图。
图7是按本发明所做的一个头部件的放大的等比示意图。
图8是按照本发明所做的一个头部件的一优选实施方案的底部视图。
优选实施例的详细说明
现在将对本发明的各优选实施方案进行详细的说明，各优选实施方案的例子被图示在附图中。
图1表示按照本发明所做的一主体结构100的等比图。
如图2所示，该主体结构最好被分为多个部件。这些部件的各个边界最好选择得要便于制造。便于制造各部件的一种方法是创制一种被称之为“球形平面”的部件，意思是它们的整体形状要尽可能的平。复杂的全面几何形状可以通过结合多个简单的几何部件来获得，如图2所示。这样的部件可更易于按照这里所描述的处理方法来控制，因为各坯体须变形很小来符合所需的部件形状。球形平面部件也需要较简单的加工。
图2中所示的所有部件都可以按照本发明来制造。然而，为了清楚的目的，此处的公开内容仅针对一部件202的制造过程。再次，应谨记，图2中所示每一个部件和任何其他适合的部件都可以按照本发明来制造。
本方法最好开始于选取那些计划用于制造合成部件的材料。起初的材料包括带有处理胶粘剂的、非连续的校直的碳纤维束。该种材料典型地会供应在线轴架上或线轴上以用于分发。其他的纤维类型(例如玻璃或芳纶)和形式(例如连续的)也可采用。对于液体浸入制造方法而言，本发明主题的方法是，采用可以与预定基体树脂相适合的胶粘剂，利用连续的纤维束加强物或不连续的纤维束加强件物。对于固体状态制造方法而言，本发明主题的方法是，利用事先由预定基体树脂浸渍后的连续的纤维束加强件或不连续的纤维束加强件，或是事先浸渍后的、包括有连续的或非连续的纤维束加强件的带件以及预定基体树脂。材料的选择将与预定最终部件的设计和复杂度，与不连续的纤维束加强件，乃至对于精细的几何形状的需求相互依赖。对于热固性和热塑性的基体树脂，在每一方式中的浸渍可以用热熔剂、溶剂的形式，对于热塑性的基体树脂可以用混合形式。
对于加强件材料形式，选项包括不连续的预浸渍的碳带；带有热塑物质的不连续的预浸渍的碳纤维束；含胶粘剂的不连续的碳纤维束；和连续的碳纤维束。
对于基体材料，选项包括大部分的热塑物质和一些热固物资，是为了应付汽车的需求，例如环境稳定性(温度，湿度，腐蚀性，等)、费用、表面质量、韧性和再循环性。
在起始的材料，或原料被选择之后，材料之间相互结合并且进行装配，如图3-5所示意的方式，该组图显示了按照本发明的方法的优选实施方案中使用的优选的步骤。该方法最好是实现完全自动的，用程序制做成预期完成的部件并直接连接到三维部件设计软件和数据库(例如在汽车和航空工业常用的)上。各步骤将分别说明，并且并行的讨论表示了本发明中的多功能性的潜在的方法变化。
图3显示了该方法的一个早期的步骤，材料放置步骤302。如图3所示，该步骤最好包括至少一个材料放置站306，最好有多于一个的材料放置站被使用。在本发明的一个典型实施例中，有六个材料放置站306，308，310，312，314和316被使用。
参照图6，每一个材料放置站可以在方向602上移动，此方向这不同于传送带304的运动604的方向。为了清楚，图6只表示了一个放置站306。应当记住的是，其他的放置站308，310，312，314和316也以和放置站306相同的方式运动。在本发明的一个典型实施例中，放置站在方向602上运动，该方向与传送带304的运动604方向垂直。
材料放置站306最好包括一组头部件606。头部件606最好被布置在和运动方向602相同的方向上。
参照图7，各头部件606中的每一个都包括一个旋转部分702。这可以使头部件606在相对于头部件606的各个方向上分送材料704。图8显示一个头部件606的底部视图和旋转部分702。材料704的相应的方向可以参照旋转部分702来看。
按此设置，材料放置站306能够分发许多材料704。当材料被放置站306置放时，这许多材料呈一薄片状。通过选择性地旋转头部件606和移动放置站306，该材料可以向各个方向分发。本发明也考虑到不同的放置站，例如，站306和308(见图3)将向彼此不同的方向上分发。
头部件606也能够提供不连续的材料放置。换言之，材料通过头部件606可以按照需要开和关以分发材料。
返回图3，当不同的放置站306，308，310，312，314和316分发材料时，可以观察到具有不同纤维或材料方向的不同的层片。
一旦一个部件的带有这个生产方法的设计构思完成，所要的最终部件的层压结构和平板布图(展开的坯体)就可以被送到一个预处理软件程序。该程序产生一个用于制做坯体机器NC机械程序，此为本发明的一个主题。
移动台和头部件系列(堆垛中每一叠层都会需要几个)的组合结果是连续地生产出层压薄片，而该层压薄片是在为特殊薄片置放的程序控制下的特定成层状态，它既可以是：1)在一个施加仔细控制的压力的热滚筒和一系列滚筒下和加热区中，制造用于固态冲压生产方法的几乎完全固结的层压薄片的固结状态，或是2)用于液体浸渍制造方法的一种干燥的胶粘层压薄片。材料放置头可使材料起始和停止以进行对诸如门或窗户等的裁切，这样可减少可造成巨大成本来源的材料的废弃。一种带件布置头的潜在的、可以提供更大成本效益的变型，是使用“切断枪”来置放高度校直的、移动台上的层片，其每一支枪可像放置头一样叠放一单独的有角层片。此枪可潜在地用于放置本文章节中所述的所有材料形状。
有些选项和改进皆可用于此材料放置步骤。在层片阶段上，放置选项包括：1)放置头从相对于其安装的一滚筒中放出带件，在带件通过放置头时对带加热，且由一加热的放置滚筒在操作点对其进行进一步加热，并将其放置在传动带上的NC程序位置；2)放置头在到达操作点前校直排列许多预浸渍的纤维束以形成一条“带件”，并将其放置在传动带上的NC程序位置；3)放置头预浸渍许多条胶粘纤维束，在到达操作点前将它们校直排列以形成一条带，并将其放置在传动带上的NC程序位置4)；放置头从一滚筒中放出织物带，在放置头中对其加热，且由一加热的放置滚筒对其操作点进行进一步加热，并将其放置在传动带上的NC程序位置；5)放置头校直排列许多条胶粘纤维束，在到达操作点前加热它们以形成一条胶粘带，并将其放置在传动带上的NC程序位置；6)放置头在空中切断碳纤维束，并以一校直排列的方式放置不连续的碳纤维束于移动台之上。在选项6)中，胶粘粉被均匀地分布当位于空中或一旦层片被完全放下之时。
在层压阶段，需要有多重放置站，每一放置站都使用一个完全相同的放置头技术。放置站的个数由所希望的生产效率、层片数量、角度和一些特别的细节以及所选择的初始材料的形状决定。每一个放置头每一NC程序将材料按照一个给定的角度放下一张单张层片。一旦传送带上一个给定的点通过所有的已启动的放置站，就形成了一个由数个层片及各自角度按所需组合而成的薄片，该薄片包括上衬垫和一些特别的加强件。整个加工过程由NC控制并且可以转换到一不同的运送装置的变型，如产品拖拽系统托管件。
固结台402包括一系列加热的固结滚筒，其可将薄片堆垛挤压成所需程度的固结和厚度。此方法的一个变型是将胶粘后的纤维束按预定角度置成一高度校直排列的干燥纤维带。胶粘粉(一种其化学性质可与预定的基体树脂相容的树脂粉)可以在需要时被放置在层片之间。在最后的层片被放下后，一个热压紧步骤将先于后续加工步骤而被用于将纤维束紧固于合适的位置上。如果用于液体浸渍制造方法，则合成的薄片接下来就可以裁切和装配了。如果材料被用于冲压加工，就还需一个非常类似于拉挤成型工艺或挤压工艺的液体浸渍与固结的步骤，该步骤将先于裁切和装配步骤而被用于完全地浸渍和固结薄片。然后，此装配就可以被用于固态冲压制造加工中了。如果需要固结处理，其将会在层压加工结束时由一系列可加热和冷却的滚筒来完成。这一步骤将会根据前面部分所讨论的预计的最后制造方法来确定。
在这一步骤中其他可被利用的选项包括：
1)堆垛薄片被运送通过过一系列不断增加压力的加热滚筒而完全强化。
2)堆垛薄片被运送通过一包括有加热区和温和压紧滚筒的稳定作用区，该稳定作用区通过简单地运用统一的厚度温度将所有的层片接合在一起以便装配薄片的后续处理。该堆垛必须足够稳定地通过一个干燥的成型加工(如果需要更复杂的几何形状的话)，以便在后续的生产成品部件的液体浸渍加工步骤中仍保持足够的适当的树脂流动。
裁切台404和装配台406包括一NC控制的超声波裁切机(或相似技术)，它裁切移动带上的每一预定的坯件并将坯件送至一制造单元或脚手架区域。此裁切台类似于被广泛应用于航空工业的NC超声波裁切站。
无论是在结尾使用、液体浸渍成型、固态冲压中，或其他，薄片堆垛可被裁切和装配至预定箱中，以便传送至最后加工单元。最后部件的附加元件，如粘合剂薄片，染色贴纸，或配件等，可以在预定箱传送至最后加工单元前被附加入该箱。
喷墨鉴别技术完全可以和本发明部分主题所描述的加工方法相兼容，它们可以用于沿预定坯件机器长度上的任意一点上以及在整个加工过程中的裁切和装配部分中，以提供材料和零部件信息，以及制造成品的最后生产过程中的制造指令。
此过程可采用超声波NC控制的裁切和装配：每一“预定坯件”从移动带上裁切下来并与一整套机体组件所需的其他薄片装配，然后被送到制造单元转变成最后部件。其他的裁切技术也可以被运用到其中。
部件制造步骤(用于附图5所描述的固态制造方法)其包括一个预加工和成型站。一个预热梭件502将被用于将薄片堆垛加热至所需温度，然后快速地在冲压机冲压器具之间移动堆垛薄片。第二站是一个单独的台式加热冲模机504，它可夹持叠压薄片的外围并且冲压成部件。冲压完成后，冲压头迅速地从220℃降低至玻璃的熔点以下，然后脱模。
从装配平面的预定坯件的一个箱体开始，通过使用墨迹喷出和/或条形码跟踪技术适当确认，最后的制造过程分为部件的外形和最终的处理和/或固结。制造单元的排列布置如前所述。随着影响成本和效率的关键单元参数，每一单元确定了依次序下一单元的加工步骤。制造步骤包括了既对固态冲压也对液体浸渍的最佳工业实际作法，其加工参数按最适于本发明利用的参数设定。
预加工选项包括：1)使用一预热梭件将堆垛薄片加热至期望的温度并且快速地在冲模机之间移动堆垛薄片；及2)采用一个简单的类似于压力机(但压力机没有如此精确且使用压力极小)的、能将胶粘薄片形成一个近乎网状的形状的加热成型工具进行一预成型加工；随后进行浸渍加工。另外，一些部件可能需要一些嵌入硬点或其他的预置零件。
加工选项包括固态和液体浸渍方法。对于固态，一个单独的台式可加热冲模机，其可夹持堆垛薄片的外围并且冲压成部件。对于液体浸渍，胶粘薄片直接进入加热浸渍机，此机为封闭的，它迫使堆垛形成封闭的空腔的形状，并将基体树脂注入其中。
对于固结/处理，该工具始终保持一温度直到部件做热固处理。如果是热塑性物质，此机将迅速地冷却至玻璃熔点以下，然后脱模。
最后的步骤是一采用常规型低马力高速镂铣机的机器人。钻头应为高速低进给型以减少后侧穿透。对于钻头和镂铣机都将注水以利于纤维控制和冷却。机器人拣拾和放置技术508将被用于连接真空夹具和固定装置以保持其速度和可重复性。
最后整理加工506涉及在真空卡盘夹具中的高速镂铣，如同高性能高级合成结构的最佳工业实践作法。机器人整理站使用的是传统的低马力高速镂铣机。钻头应为高速低进给型以减少后侧穿透。对于钻头和镂铣机都将注水以利于纤维控制和冷却。
上述本发明的具体实施方式仅仅是为了描述和说明本发明的目的，其并不是为了使本发明毫无遗漏或是用所述的具体实施方式限定本发明的形式。许多该具体实施方式中所描述的变化体和所作改进，显然只是上述公开技术范围内的一种普通技术。本发明的保护范围仅由所附的权利要求和其等同物限定。

Claims (8)

1、一种用于制造合成部件的方法，该方法包括下列步骤：以一个第一角度，将一第一组纤维分配并联结到一传送带上；以一个第二角度，将一第二组纤维分配和联结到该传送带上；其中，该第一角度与该第二角度不同。
2、根据权利要求1所述的方法，其中所述的传送带以一个第一方向移动并在连续不断的运动中。
3、根据权利要求1所述的方法，其中所述的第一组纤维是间歇地分配的。
4、根据权利要求1所述的方法，其中所述的第二组纤维是间歇地分配的。
5、根据权利要求1所述的方法，其中所述的第一组纤维是在该合成部件内间歇地分配的。
6、根据权利要求1所述的方法，其中所述的第二组纤维是在该合成部件内间歇地分布的。
7、根据权利要求1所述的方法，其中所述的第一组纤维可以被导向于另一个不同于第一角度的角度。
8、根据权利要求2所述的方法，其中所述的第一组纤维是通过一个头部件分配的，该头部件可在一个不同于第一方向的方向上移动。
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