TW202122251A - 熱塑複材管之製造裝置及方法 - Google Patents

Abstract

本發明包括：一心軸為內模仁具有管狀表面及內徑，內徑靠近兩端處設有外低內高的斜面，內徑中間具有多邊形的制動孔，心軸係由多片縱軸走向的組合片拼成並於心軸表面包覆碳纖預浸材；一內部加壓機構設置於心軸之內徑，可由內徑徑向地向外對該些組合片施加壓力；一加熱機構設置於內部加壓機構；及一對上、下模具，於合模後具有對應於心軸之模穴，可供心軸置入並緊固上、下模具，上、下模具分別設有複數水路孔，用以灌入流通的液體，使上、下模具冷卻降溫，經由加壓加熱使碳纖預浸材之樹脂融化接合，產生具有厚度之熱塑複材管。

Description

熱塑複材管之製造裝置及方法

本發明係涉及熱塑複材管的製造裝置及方法，特別涉及一種內模仁可埋入加熱棒，使上、下模具無須設置加熱源，可簡化模具，提升模具結構強度及提升加熱能源者。

中國專利CN107081922A揭露一種大口徑熱塑性複合材料長輸管及其製造方法和裝置，熱塑性聚合物絲和增強纖維盤繞在捲筒或料盤上，驅動電機驅動捲筒和料盤放絲，經過張緊輥保持適當的張力，然後通過送絲電機分別經過兩個導向管將二者導入3D打印機頭內，其中將增強纖維導入3D打印機頭內部中空螺桿通道，將聚合物絲導入機頭腔體並纏繞於螺桿上。通過動態扭矩傳感器組建的自動控制系統調節張緊裝置和送絲電機轉速，從而精准控制3D打印機頭內的送絲量，提高管道成型的精度，聚合物絲在打印機頭內部受熱熔融，熔融樹脂在螺桿和絲材推力作用下到達噴嘴。增強纖維在噴嘴處被熔融樹脂浸漬包覆，然後從噴嘴處擠出，形成複合纖維絲。3D打印機頭整體裝置及捲筒固定於一個可以繞管道軸向旋轉的轉盤裝置上，打印機頭可以在轉盤上沿管道徑向做一定幅度的運動。芯軸可以沿管道軸向前後往復移動。通過調節大盤旋轉，打印機頭和芯軸移動速率等參數控制複合纖維絲在內襯層上的打印過程。在整個管道增強層生產線上有兩台甚至多台相同的轉盤打印設備。然後逐層打印，最後得 到增強管件。

前述技術存在不需要使用金屬材料，具有輕量化、耐高溫、耐腐蝕、柔韌性好、氣密性好、內外壓力等級高、安裝方便等特點，其內壁光滑、大口徑、高內外壓力等級可以獲得高的流速率與流量，特別適合於長輸油氣管道方面的應用，惟不適於很短的製件成型周期和高衝擊強度領域的應用。

本發明的主要目的，係在內模仁心軸可埋入加熱機構，而外包覆之上、下模具無須加設熱源可減化模具，提升模具結構強度及節省加熱能源。

本發明的另一目的，係可對包覆在內模仁心軸外周面的碳纖預浸材施加內壓力，且壓力可作調整，以應對不同的造管製程。

本發明的再一目的，在於以複數組合片拼接構成心軸，該些組合片可徑向移動，除了可向外移動以對碳纖預浸材施加內壓外，也可向內移動以易於分離脫模，取出管料。

為達上述目的，本發明揭露一種熱塑複材管之製造裝置，係包括：一心軸、一內部加壓機構、一加熱機構及一對上、下模具，該心軸為內模仁具有一管狀表面及一內徑，該內徑靠近兩端處設有外低內高的斜面，該內徑具有多邊形的一制動孔，該心軸係由多片縱軸走向的組合片圍設拼成；該內部加壓機構係設置於該心軸之內徑，可由該內徑徑向地向外對該些組合片施加壓力；該加熱機構係設置於該內部加壓機構；該對上、下模具，於合模後具有對應於該心軸之管狀表面的一模穴，可供該心軸、 置於該心軸內的該內部加壓機構、置於該內部加壓機構內的該加熱機構置入並緊固該上、下模具，該上模具與該下模具分別設有複數水路孔，用以灌入流通的液體，使上、下模具冷卻降溫。

其中，該內部加壓機構包含：組配在該心軸之制動孔的一固鎖桿、二錐形桿分別設置在該心軸之內徑的兩端及穿過該錐形桿的一螺桿，該螺桿與該固鎖桿螺合，當該螺桿向內螺入時，會推動該錐形桿朝向該固鎖桿移動，以向外撐大該心軸之內徑。

其中，該心軸的管狀表面的斷面可為長錐形及水滴形的任一種。

本發明並揭露一種熱塑複材管之製造方法，包括：

A：提供如前述的熱塑複材管之製造裝置；

B：將該些組合片圍設拼接成一心軸；

C：該內部加壓機構置入於該心軸的內徑；

D：將一碳纖預浸材以攝氏溫度80°~130°加溫使其軟化後，沿著該心軸先包覆於該心軸表面而形成管料形狀；

E：將該心軸置入於該上、下模具之模穴內，並合模鎖緊該上、下模具；

F：扭緊該內部加壓機構之螺桿朝該心軸的內部的固鎖桿移動而對該碳纖預浸材產生內壓；

G：升溫該加熱機構，以加熱該碳纖預浸材，該加熱機構以攝氏溫度150°~250°加熱5分鐘~10分鐘；

H：在合模狀態下，在該些水路孔灌入流通的液體，使 該上、下模具及該碳纖預浸材降溫；

I：該上、下模具的溫度降至常溫後，開模並取出形成管料形狀之該熱塑複材管。

本發明至少具有下列之優點：

1.本發明可利用扭力扳手旋轉螺桿以驅動錐形桿移動以抵壓組合片向外擴，其壓制力可作調整，以應對不同的造管製程，且對管壁之持壓壓力均勻，壓力大小可藉由旋轉螺桿的扭力扳手工具推算量測。

2.由於本發明加熱機構的加熱棒係埋入於錐形桿之第一凹槽與組合片之第二凹槽對合形成的孔洞內並通到該組合片的內部，該上模具與該下模具可不必再增設加熱源，可減化模具的結構，並提升模具的結構強度，以及由內往外傳熱，直接接觸管材，加熱體積小，可節省加熱能源，達到快速加熱效果。

3.本發明可在碳纖預浸材沿著心軸包覆成管料形狀時，順便在局部區域埋入金屬片、金屬環，將可使熱塑複材管之局部區域作強度補強功能。

4.本發明由於上、下模具無須設置有加熱源，因此上、下模具有足夠的空間可設置冷卻水路孔，且其數量密度可更為密集，以提升冷卻速度及效果。

5.本發明除可用於實驗試作外，因其對管壁之加壓壓力可持續調控，且壓力大小≧30~50kg/cm²，比一般氣壓(≦10kg/cm²)還要來的大，不用擔心高壓氣體外洩傷人之安全因素。

6.藉由本發明製作出的熱塑複材管件其層與層無氣泡產 生，貼合緻密性佳，可有效提升強度性能。

7.本發明之心軸係由複數組合片圍設拼接構成，該些組合片受錐形桿的移動可徑向移動，使成形後的管件成品容易脫模。

8.本發明採用鋼模設計，具有耐熱不易損壞，適用於實作生產，並透過異形截面之心軸，可適合不同異形截面形狀之熱塑複材管之生產製造。

10‧‧‧心軸

11‧‧‧管狀表面

12‧‧‧內徑

121‧‧‧制動孔

13‧‧‧斜面

14‧‧‧組合片

141‧‧‧第二凹槽

20‧‧‧內部加壓機構

21‧‧‧錐形桿

22‧‧‧固鎖桿

221‧‧‧第一凹槽

222‧‧‧穿孔

23‧‧‧孔洞

24‧‧‧螺桿

241‧‧‧頭部

30‧‧‧加熱機構

31‧‧‧加熱棒

40‧‧‧上模具

41‧‧‧水路孔

42‧‧‧貫孔

50‧‧‧下模具

51‧‧‧水路孔

52‧‧‧螺孔

60‧‧‧碳纖預浸材

a‧‧‧模穴

100‧‧‧金屬片

200‧‧‧金屬環

步驟A至I‧‧‧本發明之熱塑複材管之製造方法

圖1為本發明第一實施例心軸與內部加壓機構的分解立體圖。

圖2A為本發明第一實施例心軸與內部加壓機構的組合立體圖。

圖2B為圖2A的A-A割面線的斷面圖。

圖3為本發明第一實施例心軸與內部加壓機構間組配有加熱棒的示意圖。

圖4為本發明第一實施例心軸置入於下模具的示意圖。

圖5A為本發明第一實施例上、下模具合模後的示意圖。

圖5B為圖5A的B-B割面線的斷面圖。

圖6為本發明第二實施例的立體示意圖。

圖7為本發明第三實施例的立體示意圖。

圖8為本發明第四實施例的立體示意圖。

圖9為本發明的流程圖。

茲有關本發明之詳細內容及技術說明，現以實施例來進一步說明，但應瞭解的是，該等實施例僅為例示說明之用，而不應被解釋為本 發明實施之限制。

請參閱圖1、圖2A、圖2B、圖3、圖4、圖5A、圖5B，為本發明熱塑複材管之製造裝置的第一實施例，係包括：一心軸10、一內部加壓機構20、一加熱機構30及一上模具40、一下模具50。該心軸10為內模仁，具有圓形的一管狀表面11及多邊形的一內徑12，該內徑12靠近該心軸10的兩端面處設有外低內高的斜面13，該內徑12中段設有多邊形如六邊形的一制動孔121，該心軸10係由複數片縱軸走向的組合片14圍設拼接而成，該心軸10的管狀表面11包覆有一層碳纖預浸材60。

該內部加壓機構20，係設置於心軸10的內徑，可由心軸10之內徑12徑向地向外對該些組合片14施加壓力。該內部加壓機構20，包含套接在該心軸10兩端內徑12的二錐形桿21及介於該二錐形桿21之間的一多邊形的固鎖桿22，該固鎖桿22的外形與心軸10之制動孔121相配合並組配在制動孔121位置，該錐形桿21為多邊形且遠離該固鎖桿22的外端直徑大於該錐形桿21鄰近固鎖桿22之內端的直徑，錐形桿21的外端環形排列有半圓形的複數第一凹槽221，錐形桿21軸向中心設有一穿孔222；該組合片14面對該第一凹槽221方向設有半圓形的一第二凹槽141，第一凹槽221與第二凹槽141對合形成一孔洞23，孔洞23貫通到組合片14的中間，該固鎖桿22的二側各螺接一螺桿24，螺桿24具有一大於螺桿24直徑的一頭部241，該螺桿24穿過錐形桿21的穿孔222再與固鎖桿22螺合，螺桿24的頭部241緊頂著該錐形桿21的端面，當旋轉鎖緊螺桿24向內螺入時，會推動錐形桿21往該固鎖桿22方向移動，以向外撐大該心軸10之內徑12，使錐形桿21的外壁對組合片14施加壓力。

該加熱機構30，包含有複數環形排列的加熱棒31，該加熱棒31係埋入於錐形桿21之第一凹槽221與組合片14之第二凹槽141對合形成的孔洞23內，並伸入到組合片14的中間。

該上模具40與該下模具50分別設有複數水路孔41、51可灌入流通的液體，使上、下模具40、50冷卻降溫，上模具40與下模具50於合模後具有對應於該心軸10之管狀表面的一模穴a，該模穴a係供該心軸10置入。於本實施例中，上模具40與下模具50係藉由複數螺絲70由上模具40之貫孔42穿入再與下模具50之螺孔52螺合，藉此使上模具40與下模具50結合一起，而心軸10置入於下模具50之前，心軸10的內部已裝設有內部加壓機構20，內部加壓機構20與心軸10之間已裝設有加熱機構30。

藉上述之結構，使用操作時，固鎖桿22係位於心軸10之內徑12中間處，二錐形桿21並分別套在心軸10之內徑11的兩端，二該錐形桿21的穿孔222分別穿接螺桿24，螺桿24再與固鎖桿22螺合。

該碳纖預浸材60先以攝氏溫度80°~130°加溫使其軟化後，沿著心軸10包覆在心軸10的外周面成管狀。

該心軸10再置入於下模具50的半模穴，再將上模具50蓋設在心軸10的上方且上模具40並與下模具50對合，接著藉複數螺絲70分別由上模具40的貫孔42穿入再與下模具50的螺孔52螺合鎖緊。接著藉一扭力扳手旋轉螺桿24，螺桿24的頭部241推動錐形桿21朝向固鎖桿22方向位移，以向外撐大該心軸10之內徑，而對碳纖預浸材60產生內壓，並且加熱機構30的加熱棒31藉由電力升溫到攝氏150°~250°，經過一段時間約5分鐘~10分鐘後，使碳纖預浸材60之樹脂融化接合，再對上模具40與下模具50的水路孔 41、51灌入流通的液體，使上、下模具40、50冷卻。當溫度降到常溫後，可打開上、下模具40、50取出管料。

請再參閱圖6，為本發明熱塑複材管之製造裝置的第二實施例，可在碳纖預浸材60沿著該心軸10的管狀表面11包覆成管料形狀時，順便在管狀表面11的表面的局部區域埋入金屬片100、金屬環200等物件，將可使熱塑複材管之局部區域作強度補強。

請再參閱圖7，為本發明熱塑複材管之製造裝置的第三實施例，其中該心軸10的管狀表面11的斷面可為長錐形。

請再參閱圖8，為本發明熱塑複材管之製造裝置的第四實施例，其中該心軸10的管狀表面11的斷面可為水滴形。

本發明至少具有下列之優點：

1.本發明可利用扭力扳手旋轉螺桿24以驅動錐形桿21移動以抵壓組合片14向外擴，其壓制力可作調整，以應對不同的造管製程，且對管壁之持壓壓力均勻，壓力大小可藉由旋轉螺桿24的扭力扳手工具推算量測。

2.由於本發明加熱機構30的加熱棒31係埋入於錐形桿21之第一凹槽221與組合片14之第二凹槽141對合形成的孔洞23內並伸到組合片14的中間，上模具40與下模具50可不必再增設加熱源，可減化模具的結構，並提升模具的結構強度，以及由內往外傳熱，直接接觸管材，加熱體積小，可節省加熱能源，達到快速加熱效果。

3.本發明可在碳纖預浸材60沿著心軸10包覆成管料形狀時，順便在局部區域埋入金屬片100、金屬環200，將可使熱塑複材管之局 部區域作強度補強功能。

4.本發明由於上、下模具40、50無須設置有加熱源，因此具有足夠的空間可設置冷卻水路孔41、51，甚至其可設置的數量密度可更為提高，以提升冷卻速度及效果。

5.本發明除可用於實驗試作外，因其對管壁之加壓壓力可持續調控，且壓力大小≧30~50kg/cm²，比一般氣壓(≦10kg/cm²)還要來的大，不用擔心高壓氣體外洩傷人之安全因素。

6.藉由本發明製作出的熱塑複材管件其層與層無氣泡產生，貼合緻密性佳，可有效提升強度性能。

7.本發明之心軸10係由複數組合片14圍設拼接構成，該些組合片14受錐形桿21的移動可徑向位移，使成形後的管件成品容易脫模。

8.本發明採用鋼模設計，具有耐熱不易損壞，適用於實作生產，並透過異形截面之心軸，可適合不同異形截面形狀之熱塑複材管之生產製造。

請參閱圖9，本發明係揭露熱塑複材管之製造方法，包括：

A：提供如前述之熱塑複材管之製造裝置；

B：將該些組合片14圍設拼接成一心軸10；

C：將內部加壓機構20置入於該心軸10的內徑12；

D：將一碳纖預浸材60先以攝氏溫度80°~130°加溫使其軟化後，沿著該心軸10包覆於該心軸10的管狀表面11而形成管料形狀；

E：將該心軸10置入於上、下模具40、50之模穴a內，並合模鎖緊該上、下模具40、50；

F：扭緊該內部加壓機構20之螺桿24，使螺桿24朝該心軸10內徑12的固鎖桿22移動而對該碳纖預浸材60產生內壓；

G：升溫該加熱機構30，以加熱該碳纖預浸材60，其係以該加熱機構30對形成管料形狀的該碳纖預浸材60的管內加熱，加熱方式為以攝氏溫度150°~250°加熱5分鐘~10分鐘；

H：在合模狀態下，在該些水路孔灌入流通的液體，使該上、下模具及該碳纖預浸材降溫；

I：該上、下模具的溫度降至常溫後，開模並取出形成管料形狀之該熱塑複材管。

上述步驟G進行加熱完成後，係先經一段時間後(例如經過5分鐘~10分鐘後)，再開始進行步驟H。

惟以上該者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

10‧‧‧心軸

11‧‧‧管狀表面

12‧‧‧內徑

121‧‧‧制動孔

13‧‧‧斜面

14‧‧‧組合片

141‧‧‧第二凹槽

20‧‧‧內部加壓機構

21‧‧‧錐形桿

22‧‧‧固鎖桿

221‧‧‧第一凹槽

24‧‧‧螺桿

241‧‧‧頭部

31‧‧‧加熱棒

Claims (8)

1. 一種熱塑複材管之製造裝置，係包括：

   一心軸，係為內模仁，具有一管狀表面及一內徑，該內徑靠近兩端處的斜面，該內徑具有多邊形的一制動孔，該心軸係由多片縱軸走向的組合片圍設拼成；

   一內部加壓機構，係設置於該心軸之內徑，可由該內徑徑向地向外對該些組合片施加壓力；

   一加熱機構，係設置於該內部加壓機構；

   一對上、下模具，於合模後具有對應於該心軸之管狀表面的一模穴，供該心軸、置於該心軸內的該內部加壓機構、置於該內部加壓機構內的該加熱機構置入並緊固該上、下模具，該上模具與該下模具分別設有複數水路孔，用以灌入流通的液體，使上、下模具冷卻降溫。
2. 如申請專利範圍第1項所述之熱塑複材管之製造裝置，其中，該內部加壓機構包含：一組配在該心軸之制動孔的固鎖桿、二錐形桿分別設置在該心軸之內徑的兩端及穿過該錐形桿的一螺桿，該螺桿與該固鎖桿螺合，當該螺桿向內螺入時，會推動該錐形桿朝向該固鎖桿移動，以向外撐大該心軸之內徑。
3. 如申請專利範圍第2項所述之熱塑複材管之製造裝置，其中，該錐形桿的外端環形排列有半圓形的複數個第一凹槽，每一組合片面對該第一凹槽方向設有半圓形的一第二凹槽，該第一凹槽與該第二凹槽對合形成一孔洞，該孔洞貫通到組合片的中間，該加熱機構包含有複數環形排列的加熱棒，該些加熱棒係埋入於該錐形桿之該第一凹槽與該組合片之該第二 凹槽對合形成的孔洞內，並伸入到組合片的中間。
4. 如申請專利範圍第1項所述之熱塑複材管之製造裝置，其中，該心軸的管狀表面的斷面為長錐形或水滴形。
5. 一種熱塑複材管之製造方法，包括下列步驟：

   A：提供如專利請求項2的熱塑複材管之製造裝置；

   B：將該些組合片圍設拼接成一心軸；

   C：將該內部加壓機構置入於該心軸的內徑；

   D：將一碳纖預浸材加溫使其軟化後，沿著該心軸包覆於該心軸表面而形成管料形狀；

   E：將該心軸置入於一上、下模具之模穴內，並合模鎖緊該上、下模具；

   F：扭轉該內部加壓機構之螺桿，使該錐形桿朝該心軸內部的固鎖桿移動，而對該碳纖預浸材產生內壓；

   G：升溫該加熱機構，以加熱該碳纖預浸材；以及

   H：在合模狀態下，在該些水路孔灌入流通的液體，使該上、下模具及該碳纖預浸材降溫；以及

   I：該上、下模具的溫度降至常溫後，開模並取出形成管料形狀之該熱塑複材管。
6. 如申請專利範圍第5項所述之熱塑複材管之製造方法，其中，該碳纖預浸材係以攝氏溫度80°~130°加溫使其軟化。
7. 如申請專利範圍第5項或第6項所述之熱塑複材管之製造方法，其中，於步驟G中，該加熱溫度係以攝氏溫度150°~250°加熱5分鐘~10分鐘。
8. 如申請專利範圍第5項所述之熱塑複材管之製造方法，其中，於步驟D中， 在將一碳纖預浸材加溫使其軟化後，沿著該心軸包覆於該心軸表面而形成管料形狀時，可同時在該管料形狀的表面的局部區域埋入金屬片、金屬環，將可使熱塑複材管之局部區域作強度補強功能。

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