TW202210269A

TW202210269A - 快速熱循環模製

Info

Publication number: TW202210269A
Application number: TW110125351A
Authority: TW
Inventors: 艾瑞克戴維森; 伊桑艾斯科維茨; 阿諾德迪恩; 克里斯多夫本德爾
Original assignee: 美商阿里斯複合材料有限公司
Priority date: 2020-07-10
Filing date: 2021-07-09
Publication date: 2022-03-16
Also published as: JP2023533748A; WO2022011088A1; KR20230057343A; US20220009136A1; US11518071B2; CN115867425A

Abstract

一種快速熱循環壓縮模製的方法，包括將一組進料成分放入模具中，將模具放置在熱壓機的兩個熱壓板之間，通過將兩個熱壓板壓在模具上來加熱模具，將模具放在冷壓機的兩個冷壓板之間，通過將兩個冷壓板壓在模具上來冷卻模具，然後從模具中頂出部件。

Description

快速熱循環模製

本發明涉及纖維複合材料，更具體地，涉及一種工藝，用於減少製造纖維複合材料部件的壓縮模製工藝循環時間的工藝。

“快速熱循環模製”（RHCM）是一種縮短某些模製工藝的循環時間的工藝。RHCM 的實施通常非常昂貴，並且需要大量的電力。此種方法還需要大量工程來實現均勻加熱和冷卻，以及避免熱致開裂。

對於熱塑性複合材料的壓縮模製，模具（溫度）循環時間通常是該過程中限制速率的步驟。然而，很少有用於壓縮模製工藝的 RHCM 解決方案。

本發明提供了一種在壓縮模製工藝中使用的能有效、快速和低成本的加熱和冷卻壓縮模具的方法。在一些實施例中，使用具有芯部（公）部分和型腔（母）部分的壓縮模具，該方法包括： • 將一組進料成分放入模具的型腔部分； • 將模具放置在熱壓機的兩個熱壓板之間； • 通過將兩個熱壓板壓在模具上來加熱模具； • 將模具放置在冷壓機的兩個冷壓板之間； • 通過將兩個冷壓板壓在模具上來冷卻模具；以及 • 將部件從模具中取出，然後在模具的型腔部分放置後續的進料成分的組合以重複該過程。

在一些實施例中，加熱操作涉及兩個階段，並且可以在一個、兩個或多個不同的加熱工位進行。在一些實施例中，冷卻操作涉及兩個階段，並且可以在一個、兩個或多個不同的冷卻工位進行。在一些實施例中，冷卻操作在比加熱操作稍高的壓力下進行，並且對於這樣的實施例，在冷卻操作的早期部分，進料成分被完全固結。

在一些實施例中，本發明提供了一種快速熱循環壓縮模製的方法，包括： a) 在第一加熱工位放置包含進料成分的組合的模具，第一加熱工位具有包括兩個壓板的第一熱壓機，其中壓板的溫度高於進料成分中樹脂的加工溫度； b) 將第一熱壓機的壓板壓在模具上，通過對模具施加壓力來加熱模具； c) 將模具轉移到第一冷卻工位，第一冷卻工位具有包括兩個壓板的第一冷壓機，其中壓板具有低於樹脂加工溫度的第一溫度； d) 通過將第一冷壓機的壓板壓在模具上，通過向模具施加壓力來冷卻模具，其中所施加的壓力足以完全固結進料成分，形成複合部件； e) 當模具達到頂出溫度時頂出複合部件，並在模具中裝載後續的進料成分的組合；和 f) 重複 a) 到 e)。

在一些實施例中，本發明提供了一種快速熱循環壓縮模製的方法，包括： (a) 在具有兩個加熱壓板的第一熱壓機中加熱包含進料成分的組合的模具，其中模具被保持在第一壓力下； (b) 將模具轉移到具有兩個加熱壓板的第二熱壓機，其中壓力從第一壓力增加到大於第一壓力的第二壓力； (c) 在模具溫度超過加工溫度後，將模具轉移到具有兩個冷卻壓板的第一冷壓機，其中第一冷壓機中的壓力被保持在至少與第二壓力一樣高的第三壓力，且第三壓力足以固結進料成分的組合； (d) 通過將冷卻壓板壓在模具上而對模具施加壓力來冷卻模具，從而形成複合部件； (e) 當模具達到頂出溫度時頂出複合部件，並在模具中裝載後續的進料成分的組合；和 (f) 重複 a) 到 e)。

定義。用於本發明及所附請求項的以下術語被定義如下：

“絲束”是指一束纖維（即，纖維束），除非另有說明，否則這些術語在本文中可以互換使用。絲束通常是以千計數的纖維：1K絲束，4K絲束，8K絲束等。

“預浸料”是指浸漬有樹脂的纖維。

“束狀預浸料”是指浸漬有樹脂的纖維束（即，絲束）。

“基於纖維束的預製件”是指一束多根單向排列的相同長度的樹脂潤濕纖維。每束中的多根纖維通常以千的倍數存在（例如，1k、10k、24k等）。纖維與其主體預製件的主軸對齊。束通常（但不一定）來自很長的束狀預浸料。也就是說，束是一段已經被切割成所需尺寸的束狀預浸料，並且在許多情況下，被成形（例如，彎曲、扭曲等）成特定形式，以適合待模製的特定部件。或者，如本領域技術人員已知的，纖維束可直接來自浸漬工藝。無論來源如何，纖維束以及預製件可以具有任何合適的橫截面，例如但不限於圓形、橢圓形、三葉形和多邊形。然而，橫截面的縱橫比（寬度與厚度）在大約 0.25 到大約 6 之間。也就是說，“基於纖維束的預製件”區別於相對平坦的形狀因素，並且明確排除了任何尺寸的成型件：（i）帶（通常具有縱橫比 - 橫截面，如上所述 - 在約 10 至約 30 之間），（ii）纖維片材，和（iii）層壓材料。

“固結”是指在模製/成型技術中，在一組纖維/樹脂中，盡可能去除空隙空間，並使得最終部件可接受。這通常需要顯著提高的壓力，可通過使用氣體加壓（或真空）或機械施加力（例如輥等）和升高的溫度（軟化/熔化樹脂）來提高壓力。

“部分固結”是指在模製/成型技術中，在一組纖維/樹脂中，空隙空間沒有去除到最終部件所需的程度。近似地說，與部分固結相比，完全固結所需的壓力要大一到兩個數量級。進一步更粗略的概括，將纖維複合材料固結到完全固結的大約 80%只需要完全固結所需壓力的20%。

“壓縮模製”是一種成型工藝，它涉及在一段時間內對進料成分進行加熱和加壓。對於申請人的方法，施加的壓力通常在大約 500 psi 到大約 3000 psi 的範圍內，並且溫度通常在大約 150°C 到大約 400°C 的範圍內，該溫度為所使用的特定樹脂的函數。一旦施加的熱量使樹脂的溫度升高到其熔融溫度以上，它就不再是固體。然後通過施加壓力，使樹脂形成與模具相符的幾何形狀。升高的壓力和溫度通常被保持幾分鐘。此後，將模具從壓力源中取出並冷卻。冷卻後，將成品部件從模具中取出。

“大約”或“基本上”是指相對於數值或標稱值的+/- 20％。

在說明書中結合上下文提供了其他的定義。

進料成分。與本發明的實施例結合使用的進料成分包括基於纖維束的預製件、預浸料帶、長的短切預浸料、短的短切預浸料、純樹脂粒或前述的任何組合。與本工藝結合使用時，這些成分可以作為“疊層”單獨放置在模具腔中。可選地並且優選地，在成分的形狀因數允許的範圍內，任何上述類型的成分中的一種或多種可以組合在一起並且在被放置在模具腔中之前至少鬆散地結合在一起，以保持它們相對彼此的位置。因此，多個基於纖維束的預製件可以結合在一起。或者多個基於纖維束的預製件和預浸料帶可以結合在一起，等等。任何一種或多種上述類型的進料成分的這種結合組在本文中被稱為“預製件裝料”。預製件裝料的形狀通常反映了預期部件的形狀，或它的至少一部分，因此，也反映了形成該部件的模具腔（或其至少一部分）的形狀。參見，例如，美國專利申請US2020/0114596和美國專利申請SN 16/877,236，其通過引用併入本文。值得注意的是，這裡提供的預製件裝料的定義可能與上述申請中提供的定義有些不同，因為預製件裝料中可能包括的成分類型不同。

與纖維/樹脂完全固結的最終部件相比，在預製件裝料中，預製件僅部分固結（缺乏足夠的壓力，甚至可能缺乏用於完全固結的足夠溫度）。舉例來說，雖然申請人的壓縮模製工藝通常在數千psi的壓力下進行，但根據本發明施加到成分上以生成預製件裝料的向下壓力通常在大約 10psi到100psi的範圍內。因此，預製件裝料中留有空隙，因此，預製件裝料不能用作成品部件。如本文所用，術語“進料成分的組合”是指進料成分的疊層或預製件裝料。

在一些實施例中，進料成分中的單個纖維可以包括但不限於玻璃、天然纖維、碳、芳族聚醯胺、硼、金屬、陶瓷、聚合物長絲等。金屬纖維的非限制性實例包括鋼、鈦、鎢、鋁、金、銀、任何前述的合金和形狀記憶合金。“陶瓷”是指所有無機和非金屬材料。陶瓷纖維的非限制性實例包括玻璃（例如，S-玻璃、E-玻璃、AR-玻璃等）、石英、金屬氧化物（例如，氧化鋁）、矽酸鋁、矽酸鈣、岩棉、氮化硼、碳化矽，以及上述任何一種的組合。此外，可以使用碳納米管。由加撚或混合的纖維股和聚合物長絲組成的混合紗線也可用作預製件。

與本發明的實施例結合使用的合適樹脂包括任何熱塑性塑膠。可與本發明的實施例結合使用的示例性熱塑性樹脂包括但不限於丙烯腈丁二烯苯乙烯 (ABS)、尼龍、聚芳醚酮 (PAEK)、聚對苯二甲酸丁二醇酯 (PBT)、聚碳酸酯 (PC) 和聚碳酸酯-ABS (PC-ABS) 、聚醚醚酮（PEEK）、聚醚醯亞胺（PEI）、聚醚碸（PES）、聚乙烯（PE）、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚苯硫醚（PPS）、聚苯碸（PPSU）、聚磷酸（PPA）、聚丙烯（PP）、聚碸 (PSU)、聚氨酯 (PU)、聚氯乙烯 (PVC)。

圖1描繪了根據本發明的示例性實施例的RHCM方法100的方塊圖。如圖所示，方法100是連續的；然而，在一些其他實施例中，該方法可以分批操作。即，在一些實施例中，執行方法100中描述的操作順序製造部件，無需循環以製造第二部件。在示例性實施例中，所使用的壓縮模具具有一母半部和一公半部或“模芯”，該母半部包括一模具腔，進料成分的組合向該模具腔中添加。

在操作S101中，進料成分的組合被放置在模具腔中。在示例性實施例中，方法100為連續工藝流程。因此，有利於溫度和壓力條件在工藝流程循環結束時與工藝流程循環開始時相同。

在方法 100 的循環結束時半模上的壓力只是大氣壓力，因為此時模具已離開冷壓機並被打開以頂出成品部件。同樣，操作S101中的壓力是大氣壓，因為隨著進料成分的組合的加入，模具是打開的。

方法100的循環結束時的溫度必須足夠低，使得成品部件在從模具中頂出時不會變形。由於頂出機構的作用，部件在頂出過程中可能會受到很大的力。通常，使部件承受相對較大的力需要在相對較低的溫度下進行脫模以防止部件變形。因此，頂出溫度最好通過常規實驗確定，並且每個部件的頂出溫度可能是獨一無二的，因為不僅僅是其成分，每個部件的形狀也會影響部件在施加的力下變形的趨勢。因此，頂出溫度將設置載入溫度。

為了通過壓縮模製成型纖維複合材料部件，進料成分中的樹脂必須充分軟化，以便它可以流動以填充模具中的所有體積，並且去除纖維和樹脂之間的所有空隙空間（即完全固結）。實現這一點需要高溫和高壓。

為此，在操作S102中，模具被轉移到“熱壓機”，在示例性實施例中，熱壓機包括兩個熱壓板。相對於模具，壓板的熱質量較大，以便於快速加熱。模具可以通過機器人、傳送帶、梭子等傳送。在一些其他實施例中，模具包括多於兩個的壓板。

根據操作S103，通過將兩個熱壓板壓靠模具，使模具和包含在其中的進料成分的組合最終被加熱到“加工溫度”。加工溫度是指在施加約500至3000psi範圍內的壓力下，如上所述樹脂充分軟化以流動和固結的溫度。因此，這些壓板必須保持在超過加工溫度的溫度。

對於半結晶熱塑性聚合物樹脂，加工溫度通常略高於其熔點。由於無定形熱塑性聚合物樹脂沒有熔點，因此加工溫度略高於聚合物在壓力下的軟化的溫度；即高於熱變形溫度。

操作S103通常是本文公開的RHCM過程中限制速率的步驟。這在需要大量進料成分固結的情況下尤其如此，因為 (a) 通過通常低導熱率的進料成分傳導熱量比通過模具本身傳導熱量花費更多的時間，以及 (b) 需要保持施加的壓力相對較低，以防止進料成分的組合中的纖維斷裂，直到其中的樹脂軟化。

在一些實施例中，操作S103在單個工位執行；也就是說，在單個熱壓機中執行。然而，鑒於如上所述的加熱通常是限速步驟的事實，在示例性實施例中，操作S103在兩個工位—兩個熱壓機—通過兩個子操作進行：

通過壓板施加相對較低的恒定壓力來加熱，因為需要一定量的壓力來確保熱壓板和模具之間的良好熱傳導，然後是

當模具的溫度和進料成分的組合接近加工溫度時，迅速增加壓力至接近完全固結壓力。

在兩個工位進行操作S103的動機是線路平衡。也就是說，由於在每個工位進行的處理所花費的時間大致相同是有利的，而且由於加熱是限制速率的步驟，因此在兩個工位進行加熱提供的加熱時間是方法100的任何其他操作的兩倍。

在示例性實施例中，初始加壓應該在約100至約500psi範圍的壓力下進行，基於部件的投影面積(即，部件經受壓力的部分，如投影在垂直於固結軸的平面上)。隨著模具及其內容物的溫度接近加工溫度，施加的壓力迅速增加。

操作S103期間的最終壓力優選地在200-3000psi的範圍內。在此步驟中模具不必完全關閉。在一些實施例中，在操作S103中施加的最大壓力小於完全固結壓力。事實上，加熱過程中的最大壓力可能比完全固結壓力低 40%。就這點而言，且如下文將進一步討論的，在方法 100 的冷卻階段期間實現完全固結壓力通常更為重要。

如上所述，這兩個加壓操作可以在兩個加工工位進行，一個可施加相對較小的壓力，而第二個工位可施加明顯更大的壓力。在一些其他實施例中，使用單個工位，其壓力按如上所述方式施加。在一些另外的實施例中，可以使用多於兩個的加熱工位（熱壓機）。根據本發明，在選擇使用一個、兩個或多個加熱工位之間做出決定以及選擇操作S103的操作壓力在本領域技術人員的能力範圍內。

在一些實施例中，在模具及其內容物達到加工溫度之前，壓力穩定且快速地增加。在一些實施例中，壓力立即升高（即，當模具處於頂出溫度時）。在一些其他實施例中，當模具溫度在加工溫度的約25攝氏度以內時，溫度升高。

在操作S104中，將模具從熱壓機轉移到冷壓機以進行冷卻，在一些實施例中，使完全固結。在示例性實施例中，冷壓機包括兩個冷壓板。模具放置在這兩個壓板之間。相對於模具，兩個冷壓板的熱質量較大，以便根據需要進行快速冷卻。模具可以通過機器人、傳送帶、穿梭機或類似裝置傳送。在一些其他實施例中，冷壓機包括多於兩個的壓板。

在操作S105中，在由冷壓機的兩個冷壓板施加的全壓下冷卻進料成分。在一些實施例中，在該操作的早期，進料成分的固結已完成（在操作S103期間尚未完全固結）。為此，必須在模具內的溫度低於樹脂的加工溫度之前將模具轉移到冷壓機中。然而，在一些實施例中，進料成分在轉移到冷壓機之前被完全固結。

由兩個壓板施加的壓力使冷壓板和模具之間具有良好的導熱性，使模具快速冷卻。模具被冷卻到如前所述確定的頂出溫度，為連續工藝的下一個循環做準備。值得注意的是，頂出溫度可以但不一定低於樹脂的玻璃化轉變溫度Tg。

在一些實施例中，操作S105包括兩個子操作：(i)第一冷卻操作，和(ii)第二冷卻操作。在一些實施例中，這發生在兩個單獨的冷卻工位（兩個單獨的冷壓機），這通常需要循環壓力。即，第一冷卻操作在第一冷卻工位上升到完全固結壓力，壓力下降（即，壓力降低到無施加壓力）以轉移到第二冷卻工位，然後上升到完全固結壓力用於第二冷卻操作。

在一些實施例中，兩個子操作涉及兩種不同的冷卻速率：(i)首先較慢的冷卻速率，例如從達到的最高溫度冷卻到中間溫度，然後(ii)較快的冷卻速率用於冷卻工藝的其餘部分。例如，在加工某些樹脂（如高性能半結晶熱塑性塑膠）時，這種技術很有用。初始較慢的冷卻速度可以提高結晶度和機械性能。

在另外一些實施例中，兩個子操作涉及兩個快速冷卻操作，其中：(i)首先快速冷卻到給定溫度(例如半結晶熱塑性聚合物樹脂的結晶溫度)，然後停留在那個溫度，然後 (ii) 第二次快速冷卻到頂出溫度。例如，可以通過延長兩個冷卻工位之間的工具過渡或將第一工位的壓板設置為停留溫度來實現“停留”。在一些另外的實施例中，可以使用多於三個的冷卻工位（冷壓機）。根據本發明，在使用一個、兩個或多個冷卻工位之間做出選擇以及選擇操作S105的操作壓力和溫度在本領域技術人員的能力範圍內。

對於無定形熱塑性聚合物樹脂，通常使用單個冷卻工位，因為不存在與“結晶”相關的問題。

在操作S106中，半模被打開，部件被頂出。這可以在模具的每個半模固定在冷壓機的一側的情況下進行。為此，可以在冷壓板上安裝一個頂出系統。在一些其他實施例中，模具可以被轉移到頂出工位將部件頂出。模具可以通過定位銷、導軌等定位到頂出工位（用於頂出部件）。例如，頂出工位可以使用與頂出銷相結合的致動頂出板來頂出部件。

圖2A到2C描繪了用於實施方法100的裝置200的幾個實施例。

圖2A描繪了設備200A，包括裝載/頂出工位202、軌道系統204A、熱壓機206、冷壓機208和控制器/處理器210。設備200A的這個實施例具有一個加熱工位（熱壓機206）和一個冷卻工位（冷壓機208）。

在示例性實施例中，熱壓機206和冷壓機208均包括兩個壓板(未示出)。壓板由導熱金屬製成，例如鋁、鋼等。熱壓機206中的壓板可以通過電阻加熱器、油加熱器等（電氣/流體管線等，未示出）來加熱。冷壓機208中的壓板可以通過空氣、水、油或其他方式（流體管線等，未示出）來冷卻。

在一些其他實施例中，熱壓機206和冷壓機208之一或兩者包括多於兩個的壓板。在一些這樣的實施例中，一些壓板不被加熱或冷卻，而是單獨用於向模具施加固結壓力。其他壓板被加熱或冷卻，視情況而定，但僅施加最小壓力（足以產生良好的熱交換接觸）。這在模具在施加壓力的方向上較高而在與施加壓力的方向正交的方向上較薄的情形下經常使用。在這種情況下，加熱或冷卻壓板在與施加的壓力方向相垂直的方向上緊靠模具。這使得熱量能更快地通過模具傳導，相較於施加到模具的“頂部”和“底部”的情形。

在一些實施例中，在模具的不同部分可以應用不同的加熱和冷卻速率。例如，在模具表面和壓板表面需要較少加熱或冷卻的區域，通過在模具表面和壓板表面之間引入口袋（例如，空隙區域等）來實現。口袋可以防止壓板和模具在這些區域發生物理接觸，從而相對於其他區域減少熱傳遞。或者，在需要較少加熱和冷卻的區域，可以在壓板和具有切口的模具之間使用薄墊片。

在一些實施例中，加熱或冷卻的量可通過使用加熱壓板和冷卻壓板來調節，該加熱壓板和冷卻壓板被分成可以相對於彼此移動的多個區域。移動的區域可以裝有彈簧，以在整個模製週期內保持良好的導熱性。這種方法還可用於更複雜的模具以確保良好的導熱性，例如那些具有多個部分並相對於彼此移動的模具。

控制器/處理器210通過線路212電連接到設備200A的所有元件。控制器/處理器控制軌道系統204A以將模具穿梭到設備200A的各個工位。在示例性實施例中，軌道系統204A設置在旋轉臺上，指引模具從一個工位轉至下一個工位。在一些其他實施例中，不使用旋轉台。

此外，控制器/處理器210控制所有工位的操作，例如控制壓板的溫度和由此施加的壓力。

在使用設備200A時，在工位202處將一組進料成分裝入模具（未示出）中，並通過軌道系統204A傳送到熱壓機206，在該熱壓機206處溫度和壓力按先前描述的斜率上升 (操作S103)。然後通過軌道系統204A將模具傳送到冷壓機208，在那裡壓力達到最大並且溫度降低到頂出溫度。然後模具經由軌道系統204A返回到裝載/頂出工位202。在一些實施例中，模具在離開冷壓機208之前被打開；在一些其他實施例中，模具在裝載/頂出工位202處打開。在成品部件從模具脫模之後，將另一組進料成分添加到模具中，並執行方法100的另一循環。

圖2B描繪了設備200B，包括裝載/頂出工位202、軌道系統204B、熱壓機206A、熱壓機206B或冷壓機208A、冷壓機208B和控制器/處理器210。設備200的這個實施例具有兩個加熱工位（熱壓機 206A 和 206B）和一個冷卻工位（冷壓機 208B），或一個加熱工位（熱壓機 206A）和兩個冷卻工位（冷壓機 208A 和 208B）。

設備200B適應方法100的實施例，其中，如先前所討論的，操作103包括兩個加熱子操作，或者設備200B適應方法100的實施例，其中，如先前所討論的，操作S105包括兩個冷卻子操作。為了適應額外的壓力機，軌道系統204B具有與軌道系統204A不同的佈局。

圖2C描繪了設備200C，包括裝載/頂出工位202、軌道系統204C、熱壓機206A、熱壓機206B、冷壓機208A、冷壓機208B和控制器/處理器210。

設備200C適應方法100的實施例，其中操作103包括兩個加熱子操作（如先前所討論的）並且操作S 105包括兩個冷卻子操作（如先前所討論的）。為了適應四個壓力機，軌道系統204C具有與軌道系統204A或204B不同的佈局。

在一些其他實施例中，設備200可以包括多於兩個的熱壓機和/或多於兩個的冷壓機，例如兩個，以增加處理能力。此外，在一些實施例中，裝載/頂出工位可被分隔成兩個離散的工位。

圖3描繪了使用一個加熱工位和兩個冷卻工位的RHCM工藝的一個實施例的溫度（左縱軸讀數）和壓力（右縱軸讀數）與時間的關係圖，例如用於加工半結晶熱塑性聚合物樹脂。在第一工位進行緩慢冷卻，在第二工位進行快速冷卻。為了過程優化，每個工位需要的時間大致相同。

在方法的操作期間，模具/成分材料的溫度循環(虛線，左軸讀數)如下。將成分的組合裝入模具的模具腔中時，循環開始。假設該方法的至少一個循環已經完成，因此，當下一循環開始時，模具處於或接近脫模溫度。

溫度在加熱工位升高到加工溫度，每種樹脂的加工溫度都是唯一的。如前所述，加工溫度是樹脂在施加的壓力下充分軟化以流動和固結的溫度。冷卻工位在轉移到冷卻工位之前，為了達到完全固結或所需的固結量，可能會發生一些溫度保持或輕微超調。模具及其內容物的溫度在冷卻工位處降低，在所描繪的實施例中，在兩個不同的冷卻工位以兩種不同的速率進行冷卻。如前所述，某些半結晶高性能聚合物可能需要兩種不同的冷卻速率才能獲得最佳基體性能。一旦溫度降低到頂出溫度，模具即離開冷壓機，部件就可以頂出。

壓力循環（實線，右軸讀數）如下。在載入過程中，壓力不會施加到模具上。在加熱工位，最初對進料成分的組合施加低壓，以防止損害其完整性。隨著樹脂接近加工溫度，壓力迅速增加。如前所述，在一些實施例中，加熱操作在兩個單獨的熱壓機中進行。在這樣的實施例中，第一熱壓機比第二熱壓機小（即，能夠施加更小的壓力）。

在一些實施例中，如圖3中所描繪的，加熱過程中的最終壓力可以小於冷卻過程中施加的最大壓力（多達約40%）。有幾個原因。出於外觀和性能方面的原因，部件冷卻時在全壓下運行以實現完全固結非常重要。考慮到壓力越大，壓機越大。由於冷卻操作期間需要全壓，因此可以通過在加熱操作期間在低於全壓的情況下操作（即使用較小的壓力機）來節省資金成本。此外，在低於完全固結壓力的情況下執行加熱操作減少了循環時間。

模具被轉移到第一冷卻工位，在那裡對該模具施加最大壓力以實現完全固結。在緩慢冷卻以達到所需的結晶度後，模具被轉移到第二冷卻工位，在那裡再次對該模具施加最大壓力，直到模具冷卻到脫模溫度。在一些實施例中，模具隨後被轉移到頂出工位，此時不需要對模具進行升壓。

本發明RHCM工藝的實施例可應用於單個的模具循環，但該工藝在連續工藝操作中更顯示其優越性。根據示例性實施例，頂出和裝載循環在同一工位執行，每個循環通常，但非必須，佔用分配給該工位的總循環時間的一半。由於該方法以連續方式操作更有利，起始溫度和壓力與結束溫度和壓力相匹配。

應當理解，本發明描述了幾個實施例，並且本領域技術人員在閱讀本發明之後可以容易地設計出本發明的許多變體，本發明的範圍由以下申請專利範圍確定。

100:方法 200:裝置 200A、200B、:設備 202:裝載/頂出工位 204A、204B、204C:軌道系統 206、206A、206B:熱壓機 208、208A、208B:冷壓機 210:控制器/處理器 212:線路 S101～S106:操作

圖1描繪了根據本發明示例性實施例的RHCM方法的流程圖。圖2A描繪了用於執行圖1方法的裝置的第一實施例。圖2B描繪了用於執行圖1方法的裝置的第二實施例。圖2C描繪了用於執行圖1方法的裝置的第三實施例。圖3描繪了根據本發明的RHCM的一實施例的溫度和壓力相對時間的圖表。

100:方法

S101~S106:操作

Claims

一種用於形成複合部件的快速熱循環壓縮模製方法，該方法包括： a) 在第一加熱工位放置包含進料成分的組合的模具，第一加熱工位具有包括兩個壓板的第一熱壓機，其中壓板的溫度高於進料成分中樹脂的加工溫度； b) 將第一熱壓機的壓板壓在模具上，通過對模具施加壓力來加熱模具； c) 將模具轉移到第一冷卻工位，第一冷卻工位具有包括兩個壓板的第一冷壓機，其中壓板具有低於樹脂加工溫度的第一溫度； d) 通過將第一冷壓機的壓板壓在模具上，通過向模具施加壓力來冷卻模具，其中所施加的壓力足以完全固結進料成分，形成複合部件；和 e) 當模具達到頂出溫度時頂出複合部件。
如請求項1所述的方法，其中向第一熱壓機的壓板施加壓力包括：將壓力維持在第一壓力直到模具的溫度位於樹脂加工溫度的約25攝氏度以內；以及待模具溫度位於加工溫度的約25攝氏度內後，升壓至第二壓力。
如請求項2所述的方法，其中所述第二壓力位於完全固結進料成分所需壓力的約40％以內。
如請求項2所述的方法，其中所述第二壓力為完全固結進料成分所需的壓力。
如請求項2所述的方法，其中當模具溫度位於加工溫度的25攝氏度以內後，將模具從第一加熱工位轉移到第二加熱工位。
如請求項1所述的方法，其中在第一冷卻工位冷卻模具包括將模具冷卻到低於樹脂的加工溫度但高於頂出溫度的第二溫度。
如請求項6所述的方法，其中第二溫度為樹脂的結晶溫度。
如請求項6所述的方法，其中在模具冷卻至第二溫度後，將模具轉移至第二冷壓機，其中第二冷壓機包括兩個壓板，該兩個壓板的溫度保持低於頂出溫度；以及通過將第二個冷壓機的壓板壓在模具上來對模具施加壓力，直到模具的溫度下降到頂出溫度。
如請求項8所述的方法，其中模具在第二冷壓機中比在第一冷壓機中冷卻得更快。
如請求項1所述的方法，其中模具具有第一部分和第二部分，其中通過將第一熱壓機的壓板壓在模具上向模具施加壓力包括以第一速率加熱第一部分和以第二速率加熱第二部分，第一速率與第二速率不同。
如請求項1所述的方法，其中模具具有第一部分和第二部分，其中通過將第一冷壓機的壓板壓在模具上向模具施加壓力包括以第一速率冷卻第一部分和以第二速率冷卻第二部分，第一速率與第二速率不同。
如請求項1所述的方法，其中在複合部件被頂出後，在模具中載入後續的進料成分的組合並重複 a) 到 e)。
一種用於形成複合部件的快速熱循環壓縮模製方法，該方法包括： a) 在具有兩個加熱壓板的第一熱壓機中加熱包含進料成分的組合的模具，其中模具被保持在第一壓力下； b) 將模具轉移到具有兩個加熱壓板的第二熱壓機，其中壓力從第一壓力增加到大於第一壓力的第二壓力； c)在模具溫度超過加工溫度後，將模具轉移到具有兩個冷卻壓板的第一冷壓機，其中第一冷壓機中的壓力被保持在至少與第二壓力一樣高的第三壓力下，且第三壓力足以固結進料成分的組合； d)通過將冷卻壓板壓在模具上而對模具施加壓力來冷卻模具，從而形成複合部件；以及 e)當模具達到頂出溫度時頂出複合部件。
如請求項13所述的方法，其中將模具轉移到第二熱壓機包括當模具的溫度超過進料成分中樹脂的加工溫度時轉移模具。
如請求項13所述的方法，其中第二壓力在第三壓力的約40％以內。
如請求項13所述的方法，其中模具在第一熱壓機中停留第一時間量，在第二熱壓機中停留第二時間量，其中第一時間量和第二時間量相等。
如請求項16所述的方法，其中模具在第一冷壓機中停留第三時間量，第三時間量與第二時間量相等。
如請求項13所述的方法，其中進料成分的組合包括纖維和樹脂，其中樹脂是無定形熱塑性聚合物。
如請求項13所述的方法，其中進料成分的組合包括纖維和樹脂，其中樹脂是半結晶熱塑性聚合物，且在第一冷壓機中，模具被冷卻至樹脂的結晶溫度，所述方法包括：在模具冷卻至結晶溫度後將模具轉移到第二冷壓機，其中第二冷壓機包括兩個壓板，該兩個壓板的溫度保持低於頂出溫度；以及通過將第二冷壓機的壓板壓在模具上來對模具施加壓力，直到模具的溫度下降到頂出溫度。
如請求項19所述的方法，其中包括在第一冷壓機中以第一速率冷卻模具，在第二冷壓機中以第二速率冷卻模具，其中第二速率比第一速率快。
如請求項13所述的方法，其中在複合部件被頂出之後，在模具中裝載進料成分的後續組合並重複a)至e)。
一種用於形成複合部件的快速熱循環壓縮模製方法，該方法包括： a) 在熱壓機上放置一個包含進料成分的組合的模具，該熱壓機包括兩個第一壓板和兩個第二壓板，其中熱壓機的兩個第一壓板不加熱，熱壓機的兩個第二壓板被加熱； b) 在熱壓機中通過以下方式加熱和加壓模具： (i) 將熱壓機的第一壓板壓在模具的第一和第二表面上，以及 (ii) 將熱壓機的第二壓板壓在模具的第三和第四表面上； c) 將模具轉移到具有兩個第一壓板和兩個第二壓板的第一冷壓機； d) 在冷壓機中冷卻和加壓模具以形成複合部件： (i) 將冷壓機的第一壓板壓在模具的第一和第二表面上，以及 (ii) 將冷壓機的第二壓板壓在模具的第三和第四表面上；以及 e) 當模具達到頂出溫度時頂出複合部件。
如請求項22所述的方法，其中在複合部件被頂出之後，在模具中裝載進料成分的後續組合並重複a)到e)。