TW201414600A

TW201414600A - 複合材料之成型方法

Info

Publication number: TW201414600A
Application number: TW101137991A
Authority: TW
Inventors: Jin-Biao Huang
Original assignee: Jin-Biao Huang
Priority date: 2012-10-15
Filing date: 2012-10-15
Publication date: 2014-04-16
Also published as: TWI515107B; US20140103561A1

Abstract

本發明係關於一種複合材料之成型方法，其係先製備一氣袋，其係使用彈性材料透過第一模具而形成具有高韌度的中空袋體結構，接著將發泡材料或填充材料等填充料注入氣袋內，由第二模具控制整體產品的精確尺寸，使填充料被注入後可於氣袋內定型為芯材，並結合氣袋而符合模具之大小及外形，且其具有表面平順的特點，因此易於包覆纖維布等複合材料；接著將包覆複合材料後的氣袋和芯材置入第三模具進行吹氣和加溫，即可形成符合模具大小之複合材料產品，氣袋和芯材也易於脫離，係為減少工序和兼具節能的優良工法。

Description

複合材料之成型方法

本發明係複合材料之成型方法，尤指一種透過階段式，綜合運用了模具、高韌性彈性材料以及發泡材料等填充料之特性之複合材料之成型方法。

    現今所指之複合材料一般包含了基材(matrix)以及強化材(reinforcement)等兩個主要部分，其中的強化材之功用主要在使成品具有高剛性及高強度，一般使用高剛性之材料，以顆粒、薄片、短纖維以及連續纖維之形式散佈在基材內，其中纖維狀之強化材料使用最為普遍。而在纖維強化中，又以連續纖維可以得到較佳以及較具設計彈性的機械性質，但纖維雖具有非常高的抗拉強度及剛性，但無法承擔軸向壓應力，加上在無保護之狀況下，纖維表面容易受到環境化學成分之侵蝕而產生表面缺陷，因此光憑纖維是難以與其他結構件互相結合以組成結構，需要基材的幫忙。
    過去在對複合材料生產加工的行業中，習用的製程存在諸多缺點，例如在使用複合材料薄片先預型所要形狀替代芯材，此方法費時費力又有結合上的問題。而若使用業界常用之矽橡膠以及聚氨酯發泡樹脂做為芯材之材料，則僅能用於局部造型產品，使用上缺乏整體性，易在操作上產生不良結果。
    另外，若使用發泡聚苯乙烯外套尼龍氣管或氣袋來形成芯材，由於產品部份為異型體，尺寸大小不一，在操作上具有困難性。而若使用發泡聚苯乙烯外塗的方式，例如浸塗、刷塗、噴塗或是淋塗耐高溫乳膠，則會面臨塗膜不均、有氣泡或孔洞產生的破管或破袋問題，讓產品品質不穩定，增加了報廢率以及不可預測的風險。
    中國專利申請號CN 201010142051.X曾揭示了一種連續性異型纖維管件成型方法，即係為典型之習知使用聚苯乙烯製備的方法，其係將模型本體的整個外部，由乳膠含浸包覆加工程序包覆一耐高溫合成乳膠表層，並預留有至少一個充氣口；接下來，通過綁帶加工程序，把纖維料帶緊密纏繞在乳膠表層表面，且置入螺栓鎖模的簡易型模具中加熱，進行熟化加工程序。如前所述，當使用者將聚苯乙烯塗佈於耐高溫乳膠時，其無法控制表面完全沒有氣泡，也無法確保所塗覆的耐高溫乳膠能夠達到均勻膜厚，因此在後續加工時，就不可避免的面臨到良率差的問題。

    本發明之主要目的，係提供一種複合材料之成型方法，其係依序製造中空氣袋、注入填充料以於中空氣袋內形成芯材，然後包覆上複合材料後，透過吹氣和加熱之步驟，可使複合材料順利在模具中成形，並具有良好的外觀以及堅固的性質。
    本發明之次要目的，係提供一種複合材料之成型方法，其不但操作簡單，品質也相當良好，於製備異型體時也不會有問題。
    本發明之另一目的，係提供一種複合材料之成型方法，其兼具了材料節省、高效率以及輕量化等優點，在自行車市場上具有商業吸引力。
    為了達到上述之目的，本發明揭示了一種複合材料之成型方法，其步驟係包含：灌注一彈性材料於一第一模具內；旋轉、震動或靜置該第一模具，使該彈性材料於該第一模具內形成一中空氣袋；移動該中空氣袋至一第二模具內；灌注一填充料於該中空氣袋內，直至填滿該中空氣袋，該填充料於該中空氣袋內形成一芯材；包覆一複合材料於該中空氣袋之表面，並置於一第三模具之內；吹氣該中空氣袋，使該中空氣袋膨脹並推動該複合材料貼合該第三模具之內壁，同時加熱該第三模具至該複合材料熟成；以及移除該第三模具、該芯材以及該中空氣袋，獲得成型之一複合材料產品。如此方法處理之下，所獲得的複合材料即可具有平順之外壁，並且也有良好的強度以及物化性質。

    為使　貴審查委員對本發明之特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明，說明如後：
    首先，請參考第一圖，此圖是本發明複合材料之成型方法在操作時的步驟流程圖，其係包含步驟：
步驟S1：灌注一彈性材料於一第一模具內；
步驟S2：旋轉、震動或靜置該第一模具，使該彈性材料於該第一模具內形成一中空氣袋；
步驟S3：移動該中空氣袋至一第二模具內；
步驟S4：灌注一填充料於該中空氣袋內，直至填滿該中空氣袋，該填充料於該中空氣袋內形成一芯材；
步驟S5：包覆一複合材料於該中空氣袋之表面，並置於一第三模具之內；
步驟S6：吹氣該中空氣袋，使該中空氣袋膨脹並推動該複合材料貼合該第三模具之內壁，同時加熱該第三模具至該複合材料熟成；以及
步驟S7：移除該第三模具、該芯材以及該中空氣袋，獲得成型之一複合材料產品。
    於上述步驟中，所使用的第一模具、第二模具以及第三模具係基於已規劃設計好的產品3D立體圖而開立的模具，可供鑄造之用，其材質係選自於金屬、樹脂以及石膏所組成之群組中至少之一者，意即其可為上述該些物質的混合物。而在大小上，第一模具略小於或等於第二模具，第二模具略小於第三模具，此些大小差異係因為在產品結構設計及物理性質及機械強度等需求的不同而產生。
    請參考第二圖，其係為第一模具1的結構示意圖，其內部具有供澆注液體進入模具1的澆池11以及澆口12，而內部則是對應前述3D立體圖所設計之結構的模穴13。
    於本發明中，係先於步驟S1將呈液體狀的彈性材料灌注入第一模具1之內，此彈性材料並不填滿第一模具1的模穴13，而是僅灌注入占模穴13部分體積之量的彈性材料，接著再於步驟S2中，依第一模具1類型的不同，對其施以旋轉、震動或靜置等處理方式，讓彈性材料依附在模穴13的表面，而形成如第三圖所示的中空氣袋2。
    彈性材料的材料選自於矽橡膠、聚氨酯樹脂以及乳化橡膠所組成之群組其中之一者，其中乳化橡膠可為天然乳化橡膠或是合成乳化橡膠。在彈性材料灌注入第一模具1、並經過旋轉、震動或靜置等外力處理後，在加熱等手段進一步參與之下，固化的彈性材料就會形成前述的中空氣袋2。此中空氣袋2的厚度約為0.1mm~30mm，視製程所需要的氣袋強度而定，調控方式則是透過彈性材料的加入量來做改變，同時也會依所需要的外形之不同，而在厚度上有所增減。此中空氣袋2可依製作時的設計而具有一個以上的氣嘴21。
    形成中空氣袋2後，接著將其移至第二模具3。第二模具3之模穴徑寬略大於或等於第一模具1，操作者將中空氣袋2置入第二模具3後，接著透過氣嘴21而在中空氣袋2內注入適量的填充料。此填充料係為可為膨脹發泡材料，也就是聚氨酯(PU)、結合發泡粉之樹脂、結合膨脹粉之樹脂及可發泡聚苯乙烯等，也可以是高結晶的小聚合高分子，例如聚乙烯醇(PVA)、蠟質等，亦可以混合其他低密度材料來降低整體中空氣袋2經填充後的重量，以利加工。
    如第四A~B圖所示之模穴剖面，此些填充料40可迅速膨脹或是填滿中空氣袋2，並且讓中空氣袋2的表面被撐起並而貼合第二模具3的內壁，經定型後，此些填充料40就於中空氣袋2內部成為結構堅實，且表面也平順的芯材4。其中，芯材4雖然位於中空氣袋2的內部並撐起其外形，不過其與中空氣袋2的內側表面並非黏合，兩者在材質上的差異並不會促成無法分離的狀態。
    接著將此內含有芯材4的中空氣袋2取出，再包覆上玻璃纖維布、碳纖維布等複合材料5於其表面。由於中空氣袋2因芯材4撐起而具有平順表面，因此可以很輕易地就將複合材料5包覆上去。包覆好複合材料5的內含芯材4之中空氣袋2則放入第三模具6當中。
    接下來是加熱第三模具6至120℃~160℃，使位於其內部的芯材4也一併被加熱，同時也透過氣嘴21而將氣體灌入中空氣袋2當中。請參考第五A~B圖所示之模穴剖面，中空氣袋2本身是由高韌性的彈性材料所製備而成，因此在灌入氣體7後會如氣球般膨脹，因此可推動複合材料5持續地緊密地貼合第三模具6的模穴壁而成功定型，形成第三模具6所預設之結構體；同時如前所述，位於中空氣袋2內部的芯材4並沒有和中空氣袋2的內側表面黏合，因此在灌入氣體7之後，氣體7可輕易填滿中空氣袋2和芯材4之間的空間，且芯材4此時也在加熱之下被熔解內縮成小塑膠條或是液體化而直接流出。
    操作者在開模冷卻並取出定型物後，可輕易地將此些內縮成小塑膠條的芯材4剪斷取走，中空氣袋2也一併移除，因而獲得具有內外壁皆平順，同時又兼具高強度的複合材料產品。
    在本發明所揭示的複合材料之成型方法之下，不但操作方式簡單，所獲得的產品也兼具有質硬及量輕的優點，可用於自行車結構等產品領域。另外，由於中空氣袋是由彈性材料所形成，因此其強韌的外表在內部填充料的發泡過程中不易發生破管或破袋的情況，因此製程的良率也得以提高。在兼具良率、強度、剛性，以及外形上的平順而得以減少人力做補土工序、加熱烘烤上的能源節約以及操作上的便利簡單之下，本發明實為一具經濟效益和應用價值之複合材料之成型方法。
    惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。
    本發明係實為一具有新穎性、進步性及可供產業利用者，應符合我國專利法所規定之專利申請要件無疑，爰依法提出發明專利申請，祈　鈞局早日賜准專利，至感為禱。

1．．．模具

11．．．澆池

12．．．澆口

13．．．模穴

2．．．氣袋

21．．．氣嘴

3．．．第二模具

40．．．填充料

4．．．芯材

5．．．複合材料

6．．．第三模具

7．．．氣體

第一圖：其係為本發明之一較佳實施例之步驟流程圖；
第二圖：其係為本發明之一較佳實施例之第一模具之結構示意圖；
第三圖：其係為本發明之一較佳實施例之氣袋之結構示意圖；
第四A圖：其係為第二模具內，填充料被注入於中空氣袋內之模穴剖面示意圖；
第四B圖：其係為第二模具內，中空氣袋被芯材撐起而貼合第二模具之模穴剖面示意圖；
第五A圖：其係為第三模具內，芯材因加熱而內縮之模穴剖面示意圖；以及
第五B圖：其係為第三模具內，氣體藉由中空氣袋而推動複合材料而使之持續地緊密地貼合第三模具之模穴剖面示意圖。

Claims

一種複合材料之成型方法，其步驟係包含：
灌注一彈性材料於一第一模具內；
旋轉、震動或靜置該第一模具，使該彈性材料於該第一模具內形成一中空氣袋；
移動該中空氣袋至一第二模具內；
灌注一填充料於該中空氣袋內，直至填滿該中空氣袋，該填充料於該中空氣袋內形成一芯材；
包覆一複合材料於該中空氣袋之表面，並置於一第三模具之內；
吹氣該中空氣袋，使該中空氣袋膨脹並推動該複合材料貼合該第三模具之內壁，同時加熱該第三模具至該複合材料熟成；以及
移除該第三模具、該芯材以及該中空氣袋，獲得成型之一複合材料產品。
如申請專利範圍第1項所述之成型方法，其中該第一模具、該第二模具以及該第三模具之材質係選自於金屬、樹脂以及石膏所組成之群組中至少之一者。
如申請專利範圍第1項所述之成型方法，其中該彈性材料之材質係選自於矽橡膠、聚氨酯樹脂以及乳化橡膠所組成之群組其中之一者。
如申請專利範圍第1項所述之成型方法，其中該填充料之材質係選自於結合發泡粉之樹脂、結合膨脹粉之樹脂、聚氨酯(PU)、聚乙烯醇(PVA)、蠟質以及可發泡聚苯乙烯所組成之群組其中之一者。
如申請專利範圍第1項所述之成型方法，其中該中空氣袋具有至少一氣嘴。
如申請專利範圍第1項所述之成型方法，其中於加熱該第三模具之步驟中，加熱溫度係為120℃~160℃，此時該芯材內縮為條狀或熔化為液狀。
如申請專利範圍第1項所述之成型方法，其中該中空氣袋之厚度係介於0.1mm~30mm。
如申請專利範圍第1項所述之成型方法，其中該第一模具之模穴徑寬係小於或等於該第二模具。
如申請專利範圍第1項所述之成型方法，其中該第二模具之模穴徑寬係小於該第三模具。
如申請專利範圍第1項所述之成型方法，其中成型之該複合材料係為一自行車車體。