TW202120286A - 用於製造未固化近淨形層之裝置及方法 - Google Patents

Abstract

本發明揭示用於製造未固化近淨形層之裝置及方法。此等裝置包含：複數個線軸，其等各分配一乾紗束；選用之複數個分紗器，其等用於分散該等乾紗束；選用之一構件，其將該等乾紗束組合成複數個帶或束；複數個給料器，其等各承載一紗束、帶或束，且經調適以使該等紗束、帶或束維持一平行配置；一切割設備，其經調適以將各個別紗束、帶或束獨立切割成一預定長度；選用之一傳送帶，其經調適以輸送該等切割紗束、帶或束遠離該切割設備；一線上樹脂浸入器，其經調適以使用樹脂材料浸漬該等乾紗束、帶或束；及一接收器，其用於該等切割紗束、帶或束，其中該等切割紗束、帶或束經浸漬且以一近淨形層之形式構形。

Description

用於製造未固化近淨形層之裝置及方法

本發明係關於用於製造未固化近淨形層之裝置及方法。

纖維強化樹脂複合物或「複合材料」作為一堅固、輕質金屬替換物廣泛用於包含汽車及航太領域中之各種應用中。以樹脂及纖維開始且以一複合材料部件結束製造複合材料之程序係很複雜的且要採取諸多不同拉線。各拉線提供其自身益處，但亦伴隨非常顯著缺點。

例如，大多數部件製程利用預浸體，其係樹脂浸漬纖維或基於纖維之織物之一連續片或捲。預浸體被視為一工業標準，因為其生產相對簡單，通常在一熱熔程序或一溶劑浸漬程序中使用纖維材料之連續長度或使用由一熱熔樹脂或一溶劑化樹脂浸漬之纖維材料之連續長度。近年來，材料供應商已聚焦於經由壓縮模製(壓製)來製造經設計用於部件製造之快速固化預浸體。壓縮模製預浸體係製造部件之一有利方式，因為其組合經組合纖維及樹脂之品質控制與經由壓縮模製實現之快速製造速度(大量生產線所需之一必需組合)。儘管預浸體為一終端使用者提供確定樹脂含量，但必須自片或捲切割個別層以導致材料浪費(通常在20%至50%之間)，即使終端使用者仔細規劃預浸體之切割模式。此外，預浸體使用消耗性材料製造以滿足最終產品之樹脂浸漬及保護。此等消耗品亦導致顯著二次浪費及其相關聯成本。

用於製造複合材料部件之另一方式係高壓樹脂轉送模製(或HPRTM)。HPRTM涉及在一匹配模具工具中於高溫及壓力下使用催化液體樹脂快速注射乾纖維層之一預成型堆疊。催化樹脂系在工具中反應及固化以因此形成成品部件。儘管具有無需組合纖維與樹脂(預浸體)之一初步階段之一部件製程可為有利的，但HPRTM仍使用纖維材料之片或捲且因此如同使用預浸體般亦導致材料浪費。HPRTM亦需要：(a)一初步成型階段以生成乾纖維預成型件；(b)包含一黏合劑材料以使乾纖維預成型件保持形狀(通常為一粉末黏著劑)；(c)經設計用於樹脂注射之專用模製工具；(d)能够快速反應同時展現足以滲透乾纖維預成型件之流體性質之液體樹脂系；及(e)與使用大量加熱、高反應性液體工作相關聯之安全考量。

預浸漬纖維材料亦可用於自動纖維放置(AFP)或自動帶佈設(ATL)機器中。AFP及ATL涉及自動放置紗束或帶(預浸漬)以生成一平坦坯料或三維預成型件。AFP與ATL之間的主要差異僅為所使用之紗束或帶之寬度。在AFP或ATL中，一材料沈積末端作用器安裝至紗束或帶自其沈積至一工具上之一多軸機器人或高架。末端作用器可經移動及旋轉使得材料可沈積於各種位置處及各種方向上以生成一多層坯料。儘管AFP或ATL可導致材料使用方面之顯著效率(通常大於90%)，但程序(諸如來自預浸體之部件製造)仍依靠一額外初步製造階段來組合纖維與樹脂。此外，AFP及ATL可能極其緩慢，且使用非常昂貴工具(機器人、末端作用器、高架系統等等)。

本技術中已知之各方法提供其自身優點，但亦伴隨缺點。本發明者已發現一種用於獲得近淨形層之方式，其製造速度與預浸體相當且透過自動纖維放置實現高材料利用率。此等近淨形層適合於後續處理以生成適合於壓縮模製或其他部件製造技術之一平坦坯料。

因此，在一些態樣中，本發明係針對用於製造未固化近淨形層之裝置。此等裝置大體上包含： - 複數個線軸，其等各分配一乾紗束； - 選用之複數個分紗器，其等用於分散該等乾紗束； - 選用之一構件，其將該等乾紗束組合成複數個帶或束； - 複數個給料器，其等各承載一紗束、帶或束，且經調適以使該等紗束、帶或束維持一平行配置； - 一切割設備，其經調適以將各個別紗束、帶或束獨立切割成一預定長度； - 選用之一傳送帶，其經調適以輸送該等切割紗束、帶或束遠離該切割設備； - 一線上樹脂浸入器，其經調適以使用樹脂材料浸漬該等乾紗束、帶或束；及 - 一接收器，其用於該等切割紗束、帶或束，其中該等切割紗束、帶或束經浸漬且以一近淨形層之形式構形。

在一些實施例中，該切割設備包含一或多個接觸切割器(例如剪斷機刀片)、一或多個非接觸切割器或兩者。

在一些實施例中，該樹脂浸入器經定位以在該等給料器之前浸漬該等乾紗束。在其他實施例中，該樹脂浸入器經定位以在該給料器之後(例如在該切割設備之後)浸漬該等乾紗束。在一些實施例中，該樹脂浸入器係至少一樹脂槽、縫模、印刷工具、樹脂劑量器、泵或其等之一組合。

在一些實施例中，該給料器經調適以將該近淨形層直接供給至該接收器上。在某些實施例中，該接收器經調適以將各種定向之多個層接收成一堆疊配置。例如，該接收器可旋轉且可在至少一軸線上行進。該接收器可為(例如)一旋轉台。在其他實施例中，該接收器包含配備有經調適以拾取該近淨形層之一末端作用器之一多軸機器人。

在某些實施例中，該等裝置亦包含經調適以在切割之前修改該等紗束、帶或束之一模組或經調適以修改或依其他方式處理該近淨形層之一模組，例如其中該模組係經調適以在切割之前改變該紗束、帶或束之黏性或改變該層之黏性的一模組。

在其他態樣中，本發明係針對用於製造一未固化近淨形層之方法。此等方法通常包含： - 經由複數個線軸提供複數個乾紗束； - 視情況分散該等乾紗束之各者； - 視情況將該等乾紗束組合成複數個帶或束； - 經由複數個給料器將該複數個乾紗束、帶或束供給至一切割設備，其中各給料器承載一紗束、帶或束且該複數個給料器使該等紗束、帶或束維持一平行配置； - 在該切割設備中將各個別紗束、帶或束獨立切割成一預定長度；及 - 在一線上樹脂浸入器中使用樹脂材料浸漬該等乾紗束、帶或束， 藉此提供一未固化近淨形層。

在一些實施例中，該切割設備包含一或多個接觸切割器(例如剪斷機刀片)、一或多個非接觸切割器或兩者。

在一些實施例中，該樹脂浸入器經定位以在該等給料器之前浸漬該等乾紗束。在一些實施例中，該樹脂浸入器係至少一樹脂槽、縫模、印刷工具、樹脂劑量器、泵或其等之一組合。

防止在諸如汽車及航太之工業中提高複合材料之採用率的一主要考量係一複合部件之總體擁有成本(TCO)。近來已透過材料及程序開發之進步降低TCO，即，更便宜材料、更快樹脂固化速度及無需高壓釜部件製造技術提高，後兩點導致減少節拍時間。

隨著此等技術成熟，行業正尋找更多方式來降低TCO。促成TCO之三個重要因素係低材料利用率、慢製造率及供應鏈長度。為成功工業化複合材料，行業需要提高材料利用率及製造率，同時縮短供應鏈。本發明者已發現一種用於製造未固化近淨形層之方式，其解决此等三個問題及其他以總體促成複合部件之降低TCO。

如本文中所使用，術語「未固化」係指樹脂材料在一紗束或層中之一固化狀態，其允許將層形成為三維形式。術語「未固化」意欲涵蓋完全未固化或至少部分未固化之熱固性材料。明確言之，在一些實施例中，熱固性材料部分經固化以改變紗束及/或所得層之黏性。在此等實施例中，熱固性材料不會固化至其無法再形成為三維部件之程度。術語「未固化」亦意欲涵蓋未固化之熱塑性材料。在一些實施例中，未固化紗束或層擁有允許層間黏著之一固化量。

如本文中所使用，術語「層」係指複合材料之一層(即，已使用樹脂材料預浸漬之纖維)或複合材料之一層之一區段。如本文中所使用，術語「浸漬」或「預浸漬」係指複合材料中之纖維完全或部分與一樹脂材料接觸之事實。當將層模製成其所要最終三維形狀導致很少或無浪費材料時，一實質上平面層將被視為「近淨形」。例如，在一些實施例中，使用本發明產生之近淨形層之模製導致相對於層之總重量之小於20重量%浪費、小於10重量%浪費或甚至小於5重量%浪費。層之近淨形係基於所要最終三維產品之形狀預定之一形狀。例如，本文中所揭示之裝置可經程式化以切割紗束、帶或束以產生預定近淨形。由於層之近淨形，本文中所討論之裝置及方法展現相較於一自動纖維放置程序之高材料利用率及非常低浪費。同時，裝置及方法達成相較於一預浸體製程之高製造率。

本發明之裝置及方法將若干增值步驟組合至一個機器中以因此縮短供應鏈。在不希望受任何特定理論束縛之情況下，可認為此係因為本發明包含一連續及線性生產線而無沉重或緩慢移動部件且因為將纖維及樹脂直接轉換為層顯著減少製造階段之數目及縮短供應鏈。因此，本發明提供可包含由技術方法展現之所有優點而無其明顯缺點之方法及裝置。例如，可藉由直接製造具有近淨形之層來避免與預浸體或HPRTM相關聯之浪費。使用一靜態材料沈積頭用於層沈積亦避免AFP及ATL相對於線性生產率所見之問題。另外，在生成一部件之前組合纖維與樹脂(而非使用樹脂注入)提高製造率。此外，終端使用者可避免處置液體樹脂，且因此不會具有通常與HPRTM相關聯之處理、設計或安全問題/約束之任何者。最後，離散層之製造避免在沈積層時層彼此線黏著所面臨之挑戰，如AFP中所見。

現參考圖1及圖2，其等描繪例示性但變化實施例；根據本發明之裝置包含複數個線軸(100)，其等各分配一乾紗束(110)。如本文中所使用，術語「線軸」係指通常呈圓柱形、其上可纏繞乾紗束之一裝置。線軸亦可指稱捲軸、紗架或紗管。如本文中所使用，術語「紗束」係指纖絲之一集合。纖絲可為(但不限於)碳纖維、玻璃纖維、醯胺纖維或石墨纖維。紗束可經單獨或成束(例如帶)處理，且亦可分散或依其他方式展平。就此而言，根據本發明之裝置可視情況包含用於將個別紗束組合成帶或束之構件及/或複數個紗束分紗器(120)。為了本發明，術語「紗束」亦可係指紗束或帶，尤其在裝置包含用於將紗束組合成一帶或束之一構件及/或一紗束分紗器時。

接著，紗束、帶或束前進至複數個給料器(130)，各給料器(130)承載一紗束、帶或束且經調適以使紗束、帶或束維持一平行配置。術語「給料器」意欲意謂將個別紗束、帶或束遞送至一切割設備(140)之一裝置。給料器可為(但不限於)一滾筒或一組滾筒。給料器可經調適使得相鄰紗束、帶或束彼此緊密實體接近或甚至彼此實體接觸。例如，在一些實施例中，給料器經調適以使紗束、帶或束之平行邊緣彼此維持至多約5 mm，例如彼此維持至多約4 mm、約3 mm、約2 mm或甚至約1 mm或更小。紗束之平行邊緣之間的最大距離通常將取決於層之最終用途。

切割設備經調適以獨立切割個別紗束、帶或束，且可包含多個切割器。因此，各個別紗束、帶或束經個別供給及切割使得各紗束、帶或束可依一特定長度包含於一層中，不管相鄰紗束、帶或束之長度如何或是否存在相鄰紗束、帶或束。切割器可為諸如剪斷機刀片之接觸切割器或諸如雷射之非接觸切割器。在一實施例中，切割設備係複數個接觸切割器，例如剪斷機刀片。紗束以一近淨形層(150)之形式自切割設備露出。在某些實施例中，例如當期望層中之一間隙或孔時，給料器及切割設備可經調適使得一或多個紗束、帶或束可在生成一層內不連續供給。就此而言，來自一單一線軸之紗束、帶或束可多次用於各層。例如，參考圖3，一紗束、帶或束可穿過給料器用於一第一區段(310)，可經保持以形成一間隙(320)，接著可再次穿過給料器以形成一第二區段(330)。

接著，近淨形層前進至一接收器(160)。術語「接收器」係指擷取近淨形層(例如)用於暫時儲存、用於進一步處理、用於手動或自動輸送至另一位置或用於任何其他經考慮用途之一構件。接收器可經調適以將各種定向之多個層接收成一堆疊配置(165)。例如，接收器可旋轉且可具有在至少一軸線上行進之能力。在一些實施例中，接收器可在多個軸線上旋轉。在一些實施例中，接收器係一旋轉台。在一些實施例中，給料器經調適以將層直接供給至接收器上。視情況由一傳送帶(170)將層遞送至接收器，傳送帶(170)經調適以輸送層遠離切割設備。在其他實施例中，本發明裝置亦可包含經調適以拾取層且將其放置於接收器上之一設備，諸如配備有一末端作用器之一多軸機器人(180)。例如，機器人可經調適以在一層自切割設備露出時拾取該層，或可經調適以在一層沿選用傳送帶行進時拾取該層。末端作用器係經設計以較佳地在不損壞一層之情況下拾取層之一設備，且可為(例如)一或多個夾持器或吸取器。

在一些實施例中，放置於接收器上(直接或藉由傳送帶及/或機器人)之各層黏著至層或下表面。此可藉由機械方式(諸如物理壓力或熱)、化學方式(諸如層中固有之黏性)或其等之任何組合達成。例如，可透過傳導、對流及/或輻射源施加熱。在其他實施例中，放置於載體上之各層未黏著至層或下表面(即，係鬆散的)。在某些較佳實施例中，裝置無需消耗性基板或載體，例如，近淨形層無需聚合片用於支撐。

本發明裝置亦包含經調適以使用一樹脂材料浸漬乾紗束、帶或束之一線上樹脂浸入器(190)。如本文中所使用，術語「線上」係指一模組(例如樹脂浸入器)與裝置之其他部件實體接觸(即，在相同於裝置之其他部件之製造線上)放置。樹脂浸入器通常經定位以在線軸之後及接收器之前浸漬乾紗束、帶或束。在一些實施例中，樹脂浸入器經定位以在給料器之前浸漬乾紗束。在其他實施例中，樹脂浸入器經定位以在給料器之後(例如在切割設備之後)浸漬乾紗束。如本文中所使用，術語「樹脂浸入器」係指使用一樹脂材料(例如一液體或熔融樹脂組合物)浸漬乾紗束之一機構。樹脂浸入器包含(但不限於)樹脂槽、縫模、印刷工具或其等之任何組合。如本文中所使用，術語「樹脂材料」係指為聚合物(例如熱塑性樹脂)或可轉換為聚合物(例如在固化之後形成一聚合物之熱固性樹脂)之一反應性或非反應性材料。樹脂材料不受特別限制，但通常可為熱固性或熱塑性樹脂。在一些實施例中，結合本發明教示使用之樹脂材料係可固化樹脂。

在一些態樣中，本發明亦係針對用於製造一未固化近淨形層之方法。方法包含： - 經由複數個線軸提供複數個乾紗束； - 視情況分散乾紗束之各者； - 視情況將乾紗束組合成複數個帶或束； - 經由複數個給料器將複數個乾紗束、帶或束供給至一切割設備，其中各給料器承載一紗束、帶或束且複數個給料器使紗束、帶或束維持一平行配置； - 在切割設備中將各個別紗束、帶或束獨立切割成一預定大小；及 - 在一線上樹脂浸入器中使用樹脂材料浸漬乾紗束、帶或束， 藉此提供一未固化近淨形層。用於製造未固化近淨形層之方法使用本文中更詳細描述之裝置。

典型熱固性樹脂包含(但不限於)環氧樹脂、雙馬來醯亞胺、乙烯酯樹脂、氰酸酯樹脂、胺基甲酸脂丙烯酸酯樹脂、異氰酸酯改質環氧樹脂、酚醛樹脂、苯並噁嗪、甲醛縮合樹脂(諸如與脲、三聚氰胺或苯酚)、聚酯、丙烯酸酯及其等之組合。典型熱塑性樹脂包含(但不限於)聚酯、聚醯胺、聚醯亞胺、聚碳酸酯、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚芳香烴、聚酯醯胺、聚醯胺醯亞胺、聚醚醯亞胺、聚芳醯胺、聚芳香酯、聚芳基醚酮、聚醚醚酮、聚丙烯酸酯、聚(酯)碳酸酯，聚(甲基丙烯酸甲酯/丙烯酸丁酯)、聚碸、聚芳碸、聚鄰苯二甲醯胺及其等之共聚物及其等之組合。在一些實施例中，熱塑性樹脂亦可包含與環氧化物或固化劑反應之一或多個反應性端基，諸如胺基或羥基。

樹脂材料亦可含有其他添加劑，諸如固化劑、固化觸媒、引發劑、共單體、流變控制劑、膠黏劑、無機或有機填充劑、彈性韌化劑、韌化核殼層顆粒、穩定劑、抑制劑、顏料、染料、阻燃劑、活性稀釋劑、溶劑、可溶或顆粒物熱塑性塑膠及熟習技術者熟知用於在固化之前或固化之後修改樹脂之性質之其他添加劑。

在一些實施例中，樹脂材料係擁有足以允許(例如)手動或由本文中所描述之裝置處置之黏性之一熱固性材料。可調諧配方及/或處理特性以達成用於處置之性質及所需固化程度。適當黏性將取決於包含浸漬程度及紗束大小之諸多變數。

根據本發明之方法及裝置亦可包含經設計以在切割之前修改紗束、帶或束或經設計以修改或依其他方式處理近淨形層之一或若干模組。在一些實施例中，本發明之裝置與用於最佳化紗束、帶或束在一層中之放置之一系統及/或用於最佳化層在一積層結構中之放置之一系統整合。例如，此等系統可包含：一處理器；一記憶體，其與處理器通信，記憶體包含一應用介面，應用介面在由處理器執行時經組態以致動給料器及切割器提供一所要形狀之層。在其他實施例中，裝置亦包含經調適以監測通過裝置之材料之品質之一線上監測系統。例如，一系統可放置於線軸附近以監測紗束尺寸。另外或替代地，一系統可放置於樹脂浸入器附近以監測樹脂負載。一系統亦可放置於切割設備之後以監測層之品質。在其他實施例中，裝置包含經調適以在層之表面上沈積一面紗之一施加器。可期望此一面紗以(例如)確保層之橫網完整性。在一些實施例中，裝置亦包含經調適以在切割設備中切割紗束之前改變其黏性之一模組。在一些實施例中，裝置亦包含經調適以改變未固化層之黏性之一模組。例如，裝置可包含一β級模組、一冷卻模組及/或經調適以將一不黏材料(諸如熱塑性粉末或一面紗)添加至經浸漬紗束、帶或束之最外表面或近淨形層之一模組。在進一步實施例中，裝置亦包含用於使一或多個層機械成型(例如機械熱成型)之一模組。換言之，使用本文中所描述之裝置產生之近淨形層可用於使複合部件機械熱成型之方法中。此等方法描述於(例如) WO 2018/146178中且可包含(例如)：在兩個撓性膜片之間放置一或多個實質上平面近淨形層，使得膜片之間的一凹穴收容一或多個層；及使用一熱壓工具來使凹穴內之層形成為一形狀且固化層中之樹脂。

100:線軸 110:乾紗束 120:分紗器 130:給料器 140:切割設備 150:近淨形層 160:接收器 165:堆疊配置 170:傳送帶 180:多軸機器人 190:線上樹脂浸入器 310:第一區段 320:間隙 330:第二區段

圖1係所揭示之裝置之一實施例之側視圖之一圖示。

圖2係所揭示之裝置之一實施例之俯視圖之一圖示。

圖3係使用本發明之方法及裝置產生之例示性近淨形層之一圖示。

100:線軸

110:乾紗束

120:分紗器

130:給料器

140:切割設備

150:近淨形層

160:接收器

170:傳送帶

180:多軸機器人

190:線上樹脂浸入器

Claims (15)

1. 一種用於製造未固化近淨形層之裝置，該裝置包括： 複數個線軸，其等各分配一乾紗束； 選用之複數個分紗器，其等用於分散該等乾紗束； 選用之一構件，其將該等乾紗束組合成複數個帶或束； 複數個給料器，其等各承載一紗束、帶或束，且經調適以使該等紗束、帶或束維持一平行配置； 一切割設備，其經調適以將各個別紗束、帶或束獨立切割成一預定長度； 選用之一傳送帶，其經調適以輸送該等切割紗束、帶或束遠離該切割設備； 一線上樹脂浸入器，其經調適以使用樹脂材料浸漬該等乾紗束、帶或束；及 一接收器，其用於該等切割紗束、帶或束，其中該等切割紗束、帶或束經浸漬且以一近淨形層之形式構形。
2. 如請求項1之裝置，其中該切割設備包括一或多個接觸切割器，例如剪斷機刀片，一或多個非接觸切割器或兩者。
3. 如請求項1至2中任一項之裝置，其中該樹脂浸入器經定位以在該等給料器之前浸漬該等乾紗束。
4. 如請求項1至2中任一項之裝置，其中該樹脂浸入器經定位以在該給料器之後，例如在該切割設備之後，浸漬該等乾紗束。
5. 如請求項1至2中任一項之裝置，其中該樹脂浸入器係至少一樹脂槽、縫模、印刷工具、樹脂劑量器、泵或其等之一組合。
6. 如請求項1至2中任一項之裝置，其中該給料器經調適以將該近淨形層直接供給至該接收器上。
7. 如請求項1至2中任一項之裝置，其中該接收器經調適以將各種定向之多個層接收成一堆疊配置。
8. 如請求項7之裝置，其中該接收器可旋轉且可在至少一軸線上行進。
9. 如請求項7之裝置，其中該接收器係一旋轉台。
10. 如請求項1至2中任一項之裝置，其中該接收器包括配備有經調適以拾取該近淨形層之一末端作用器之一多軸機器人。
11. 如請求項1至2中任一項之裝置，其進一步包括經調適以在切割之前修改該等紗束、帶或束之一模組或經調適以修改或依其他方式處理該近淨形層之一模組，例如其中該模組係經調適以在切割之前改變該紗束、帶或束之黏性或改變該層之黏性的一模組。
12. 一種用於製造一未固化近淨形層之方法，該方法包括： 經由複數個線軸提供複數個乾紗束； 視情況分散該等乾紗束之各者； 視情況將該等乾紗束組合成複數個帶或束； 經由複數個給料器將該複數個乾紗束、帶或束供給至一切割設備，其中各給料器承載一紗束、帶或束且該複數個給料器使該等紗束、帶或束維持一平行配置； 在該切割設備中將各個別紗束、帶或束獨立切割成一預定長度；及 在一線上樹脂浸入器中使用樹脂材料浸漬該等乾紗束、帶或束， 藉此提供一未固化近淨形層。
13. 如請求項12之方法，其中該切割設備包括一或多個接觸切割器，例如剪斷機刀片，一或多個非接觸切割器或兩者。
14. 如請求項12至13中任一項之方法，其中該樹脂浸入器經定位以在該等給料器之前浸漬該等乾紗束。
15. 如請求項12至13中任一項之方法，其中該樹脂浸入器係至少一樹脂槽、縫模、印刷工具、樹脂劑量器、泵或其等之一組合。

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