TWI529061B - 複合材料的製造方法 - Google Patents

Description

複合材料的製造方法

本案係關於一種複合材料的製造方法，特別關於一種結合不鏽鋼材與纖維預浸材之複合材料的製造方法。

一般而言，行動電話、電腦、遊戲機及個人數位助理(PDA)等電子裝置之外殼為求高度剛性，多由金屬材質(如：不銹鋼、鋁合金及鎂合金)製成，以承受外力撞擊與摔落所造成的損壞。而近年來，由於可攜式電子裝置的蓬勃發展，輕薄化亦成為殼體材料選用上主要的訴求。

其中在製程上，以金屬材料為主之金屬外殼主要係應用沖壓或冷鍛方式以加工成型，其中，為使成品的結構具有高強度，係透過以下數種材料及方式達成；當以鋁合金為材料製造時，可利用足夠厚度的鋁合金板材沖壓成型，再透過膠合的方式將結構貼合；或是利用冷鍛之方式加工，以使成品之內外結構於加工中同時成形，再利用CNC(Computer Numerical Control)加工修整，惟鋁合金之重量雖較其他金屬材料輕，若欲達成一定之強度，其加工所需之材料厚度則相對提高，造成成品無法薄型化。

而當以不鏽鋼為材料製造時，由於不鏽鋼本身之鋼性較佳，因此相較於鋁合金可取用較薄之不鏽鋼板材進行沖壓成型，再透過膠合的方式將結構貼合，惟透過此方法做製成之成品雖具有一定之薄度，卻因不鏽鋼本身密度較高導致產品重量較其他材料更重。

另一方面，相較於金屬，纖維材料(碳纖維、玻璃纖維或金屬類纖維)因具有較輕之品質、高強度之優點，且纖維材料藉由編織後本身可形成裝飾紋路效果，因此，纖維材料亦應用於電子裝置外殼。惟應用纖維材料雖可達到輕薄化之效果，然後續外觀的塑形以及與其他結構之結合皆較為不易，是故，習知製造方法不但需有較高之成本支出，其所產 製殼體成品之表面品質亦無法獲得提升。因此，在有限的成本及人力下，難以同時兼具剛性、輕薄化以及美化外觀之訴求。

本案揭示一種複合材料的製造方法包括以下步驟：將一不鏽鋼板材加工成型為一不鏽鋼結構件；將不鏽鋼結構件放置於一母模具內；提供一纖維材料於不鏽鋼結構件遠離母模具的表面之上；以及將一公模具朝向母模具壓合，使纖維材料接合於不鏽鋼結構件。

本案另揭示一種複合材料的製造方法包括以下步驟：將一不鏽鋼板材加工成型為一不鏽鋼結構件；將一纖維材料加工成型為一纖維結構件；將不鏽鋼結構件放置於一母模具內；於不鏽鋼結構件遠離母模具的表面塗佈一接著劑；以及將纖維結構件放置於表面塗佈接著劑的不鏽鋼結構件上，使纖維結構件藉由接著劑而接合於不鏽鋼結構件。

承上所述，利用本案之複合材料的製造方法可利用不鏽鋼材料與纖維材料於特定厚度以及成型條件的控制下，形成具有高強度之複合材料。另外，此複合材料可同時兼具有二材質之優點，且在低成本考量的基礎下，具有高剛性、輕薄性、以及簡化製程等優點。另外，透過本發明之複合材料的製造方法，能夠在不同材料的選用及組合中分別針對不同產品的需求找到最佳之實驗條件，使應用本發明之製造方法所成型之複合材料可廣泛地被運用。

另一方面，本案之複合材料的製造方法亦可另外選用不同種類的接著劑與二材質一同加工，透過精確控制接著劑膠合的時間以及強度，使整體複合材料之成型時間縮短，有效地提升量產的效率。

1、2、3、4‧‧‧複合材料

11、31‧‧‧不銹鋼板材

11a、21a、31a、41a‧‧‧不鏽鋼結構件

12、32‧‧‧纖維材料

12a、22a、32a、42a‧‧‧纖維結構件

221a‧‧‧纖維結構層

43‧‧‧內構件

F‧‧‧母模具

M‧‧‧公模具

S‧‧‧接著劑

S11~S17、S31~S39‧‧‧步驟

圖1A為本案第一實施例之一種複合材料的製造方法的步驟流程圖。

圖1B至圖1D為圖1A之複合材料的製造方法的連續製造示意圖。

圖1E為應用圖1A之複合材料的製造方法所形成之複合材料的側面示意圖。

圖1F為圖1E之複合材料的部分外觀分解圖。

圖2A為本案第一實施例之複合材料之不同態樣的側面示意圖。

圖2B為圖2A之複合材料的部分外觀分解圖。

圖3A為本案第二實施例之一種複合材料的製造方法的步驟流程圖。

圖3B至圖3E為圖3A之複合材料的製造方法的連續製造示意圖。

圖3F為應用圖3A之複合材料的製造方法所形成之複合材料的側面示意圖。

圖4為本案第一實施例之複合材料之不同態樣的側面示意圖。

以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之一種複合材料的製造方法，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。

本案第一實施例之一種複合材料的製造方法，其步驟流程係如圖1A所示，複合材料之製備方法包括以下步驟：將一不鏽鋼板材加工成型為一不鏽鋼結構件(S11)；將不鏽鋼結構件放置於一母模具內(S13)；提供一纖維材料於不鏽鋼結構件遠離母模具的表面之上(S15)；將一公模具朝向母模具壓合，使纖維材料接合於不鏽鋼結構件(S17)。

於各步驟說明時，請同時參照圖1B至圖1D所示之複合材料的連續製造示意圖，以利理解本發明之技術內容。於步驟S11中，係首先將一不銹鋼板材加工成型為一不鏽鋼結構件。其中，上述之成型方式可例如但不限於沖壓、冷鍛、熱鍛、鑄造或其他本發明所屬技術領域中具有通常知識者所能理解並應用者，於此不再贅述。另外，於本實施例中，不鏽鋼板材11為一U形之結構，然此非限制性者，於實際應用中，不鏽鋼板材係依據實際搭配之裝置或結構之形狀進行成型，本發明於此不限。

於步驟S13中，將不鏽鋼結構件放置於一母模具之模穴內。其中，模穴的尺寸係配合不鏽鋼結構件11a之尺寸而設計，非本案所限制者。參考圖1C所示，將不鏽鋼結構件11a放置完成後，步驟S15係提供一纖維材料12於不鏽鋼結構件11a遠離母模具的表面之上，詳細而言，由於 纖維材料12未經任何成型加工處理，因此其無法直接接觸於不鏽鋼結構件11a之表面。其中，於本實施例中，不鏽鋼結構件11a與纖維材料12的厚度比之範圍為介於1：4至2：3之間，較佳的厚度比為3：7，透過此比例之設置，可使製造出來之複合材料於強度及重量之配合上取得最佳之平衡。

完成上述二材料之擺置後，步驟S17將一公模具朝向母模具壓合，使纖維材料接合於不鏽鋼結構件。詳細而言，公模具M之構型係依據纖維材料欲形成之結構進行設計，並非本發明所限制者。透過公模具M之壓合，纖維材料12可於成型的同時，利用其本身具有之黏性以及模具所施加之壓力與不鏽鋼結構件11a接觸並接合。

於實際應用上，亦可於不鏽鋼結構件與纖維材料之間額外設置一接著劑，以加強二者之結合效果，然本實施例於此不限。

本實施例所述之纖維材料12係以碳纖維預浸布為例，且纖維材料12預先經過編織處理，於實際應用中，纖維材料亦可選用經預浸處理之玻璃纖維、有機纖維、芳綸纖維、金屬纖維或其組合，本發於此不限。另外，纖維材料的預浸處理係為本發明所屬技術領域中具有通常知識者所能理解並應用者，於此不再贅述。

在本實施例中，於步驟S17完成後，將容置有不鏽鋼結構件11a與纖維材料12之模具整體放入一環境條件受控制的腔體(chamber,圖未示)內，並對封閉後的腔體抽真空，例如但不限於腔體內真空壓力達10² Pa以內。其中，上述之環境條件系包括控制腔體之真空度、加熱、填充氣體、或其組合。另外特別須說明的是，本處所進行之「抽真空」步驟並非限制於完全地將空氣抽離成型模具，而係涵蓋因製造瑕疵、少數特殊狀況、或學說實作上所能允許的微小誤差。透過將腔體抽真空，直接對模具產生壓力，促進模具內容物的成形效果。

接著，對腔體抽完真空後，進一步對腔體進行加熱。於本實施中，加熱溫度係介於140~170度，透過將腔體加壓及加熱，一方面可使纖維材料12受熱成型為一纖維結構件12a，另外可使不鏽鋼結構件11a與纖維結構件12a貼合的更為緊密。

承上所述，於本實施例中，係首先計算不鏽鋼之溫度曲線，並分析各項應力參數，再透過模具的材料選擇、結構設計、角度調整以克 服二材質可能產生的應力問題，透過於模具設計以及腔體的環境條件控制，可有效地克服異材質結合可能因加熱所產生之變形問題，進一步提升形成之複合材料之精密度以及材質之間的貼合性。

另外，應用本實施例之複合材料的製造方法，由於無須預先成型二材料，因此可提升整體製成的效率，另一方面，透過精確的分析材質的應力參數，並控制模具之構型以及腔體的環境條件，可克服過去使用異材質結合以形成複合材料之變形問題。由於本實施例之製造方法無須使用接著劑即可達成使不鏽鋼與纖維預浸材料之結合，可免除過去於複合材料之間因介質產生之變形或貼合不全之問題。

圖1E為應用圖1A之複合材料的製造方法所形成之複合材料的側面示意圖，圖1F為圖1E之複合材料的部分外觀分解圖，請同時參考圖1E及圖1F所示，透過上述之製造方法所形成之複合材料1具有緊密貼合之不鏽鋼結構件11a與纖維結構件12a，於本實施例中，纖維結構件12a具有單層之結構，且纖維結構件12a之纖維編織方式係為單向分布，惟此非限制性者，於其他實施例中，單層結構的纖維結構件12a內亦可具有不同的纖維配向，本發明於此不限。另外須說明的是，形成纖維結構件12a之纖維材料12所具有之纖維配向係實質上與纖維結構件12a相同，於此不贅述。

承上所述，利用單向之纖維預浸材料可提供複合材料1更佳之強度，使複合材料1於整體觀之時，具有均勻且一致之纖維分佈，可使材料具有高剛性及高強度，亦即，透過分佈均勻之單向的纖維紋路配置，其整體之機械強度方可具有均勻之表現，例如熱膨脹性質，以使本發明之複合材料1適合用在有均勻表面材料需求之設備。而於實際應用中，纖維材料亦可選用具有不同的纖維配向之材料，本發明於此不限。

圖2A為本案第一實施例之一種複合材料之不同態樣的側面示意圖，圖2B為圖2A之複合材料的部分外觀分解圖，請同時參考圖2A及圖2B，於本實施例中，複合材料2具有前述實施例之結構與特徵，惟纖維結構件22a係為一三層結構，亦即，複合材料2共包含一不鏽鋼結構件21a與三纖維結構層221a。

於本實施例中，具有三纖維結構層221a之纖維結構件22a 具有不同的纖維配向，詳細而言，相鄰二層之纖維結構層221a分別具有不同的纖維配向，其中，三纖維結構層221a可為相同之纖維材料所編織組成，亦可為不同之材料，惟須達到使複合材料2於整體觀之時，各層之組合係具有於投影方向垂直的纖維紋路，以收其高剛性及高強度之功效。透過多層結構之纖維結構件22a的設置，可增加複合材料2之強度，然此非限制性者，纖維結構層之數目端視使用需求可酌量增加。

另外，特別須說明的是，雖本實施例之纖維結構件22a具有三纖維結構層221a，然不鏽鋼結構件21a與纖維結構件22a的厚度比之範圍仍與前述實施例同為介於1：4至2：3之間，較佳的厚度比為3：7。

圖3A為本案第二實施例之一種複合材料的製造方法的步驟流程圖，圖3B至圖3E為圖3A之複合材料的製造方法的連續製造示意圖，請參考圖3A至圖3E所示，於本實施例中，複合材料3的製造方法包括以下步驟：將一不鏽鋼板材加工成型為一不鏽鋼結構件(S31)；將一纖維材料加工成型為一纖維結構件(S33)；將不鏽鋼結構件放置於一母模具內(S35)；於不鏽鋼結構件遠離母模具的表面塗佈一接著劑(S37)；將纖維結構件放置於表面塗佈接著劑的不鏽鋼結構件上，使纖維結構件藉由接著劑而接合於不鏽鋼結構件(S39)。

本實施例之製造方法具有前述實施例部分相同之步驟及操作方法，惟本實施例之製造方法係預先將纖維材料成型為纖維結構件後，再透過一接著劑將不銹鋼結構件與纖維結構件接合，以下將具體說明如何於實施本實施例之操作方法。然而，同樣需要提出的是，以下所舉實施例中的內容僅係為方便說明使用，並非用以限制本案。

於本實施例中，係首先將一不鏽鋼板材31及一纖維材料32各自成型為一不鏽鋼結構件31a及一纖維結構件32a(如圖3B及圖3C所示)，其中，上述不鏽鋼結構件31a之成型方式可例如但不限於沖壓、冷鍛、熱鍛或鑄造等方式，而纖維材料32則可透過加壓或加熱等方式成型為纖維結構件32a，惟上述之二材質的加工方式係為本發明所屬技術領域中具有通常知識者所能理解並應用者，於此不再贅述。

於步驟S35中，將成型完成之不鏽鋼結構件31a放置於一母模具F內(如圖3D所示)，並且於不鏽鋼結構件31a遠離母模具F的表 面塗佈一接著劑S，於本實施例中，係使用AB膠作為接著劑，其中，所選用之AB膠係依據不鏽鋼結構件31a與將連接之32a之材料特性以及應力條件而定，以精確控制接著劑S膠合的時間以及強度，更佳地，由於膠合時間及強度可被控制，使整體複合材料之成型時間縮短，有效地提升量產的效率。惟接著劑S之種類非本發明所限制者，於實際應用上，亦可使用環氧樹脂(epoxy)、酚醛樹脂(phenolic resin)，本發明於此不限。

接著，當接著劑S塗佈完成後，步驟S39係將纖維結構件32a放置於表面塗佈接著劑S的不鏽鋼結構件31a上(如圖3E所示)，使纖維結構件32a藉由接著劑S而貼合於不鏽鋼結構件31a。更佳地，為進一步提升不鏽鋼結構件31a與纖維結構件32a之接合效果，可於放置纖維結構件32a於不鏽鋼結構件上31a後，將一公模具(圖未示)朝向母模具F壓合，此非限制性者。

於本實施例中，不鏽鋼結構件31a與纖維結構件32a的厚度比之範圍為3：7，透過此比例之設置，可使製造出來之複合材料3於強度及重量之配合上取得最佳之平衡。

完成上述步驟後，接著如前述實施例，將包含有不鏽鋼結構件31a與纖維結構件32a之母模具F放入一腔體中進行抽真空及加熱之步驟。詳細之步驟流程已於前述實施例詳述，於此不再贅述。惟特別須說明的是，於本實施例中，加熱腔體之溫度為120度以內，最佳溫度為80度，惟此加熱溫度係依據所選用之接著劑之種類而選用，非本發明限制條件。加熱完成後，即可獲得如圖3F所示之複合材料3。

承上所述，本實施例之製造方法係透過接著劑種類的選擇，並搭配適合該接著劑流動及固化之加熱溫度，以精準地控制不鏽鋼結構件上31a與纖維結構件32a之膠合時間及強度，此外，與前述實施例相同的是，本實施例同樣透過模具的材料選擇、結構設計、角度調整以克服二材質可能產生的應力問題，透過於模具設計以及腔體的環境條件控制，可有效地克服異材質結合可能因加熱所產生之變形問題，進一步提升形成之複合材料3之精密度以及材質之間的貼合性，進而克服二不同材質之材料於不同厚度的組合過程中所遇到的應力問題。

圖4為本案第一實施例之一種複合材料之不同態樣的側面 示意圖，於本實施例中，複合材料4具有前述實施例之複合材料1之結構與特徵，惟更包括二內構件43。二內構件43分別設置於纖維結構件42a之內側，亦即複合材料4以整體觀之時，由外往內依序包括不鏽鋼結構件41a、纖維結構件42a以及二內構件43，其中，本實施例之內構件43係選用鋁鎂合金，以加強整體複合材料4之強度，惟內構件所選用之材料及設置位置皆非本發明所限制者，端視整體配合應用之裝置或結構，以及強度需求更設計。

另一方面，本案之複合材料的製造方法亦可另外選用不同種類的接著劑與二材質一同加工，透過精確控制接著劑膠合的時間以及強度，使整體複合材料之成型時間縮短，有效地提升量產的效率。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本案之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

S11~S17‧‧‧步驟

Claims (6)

1. 一種複合材料的製造方法，包括以下步驟：將一不鏽鋼板材加工成型為一不鏽鋼結構件，該不鏽鋼結構件包括一第一表面以及在該第一表面對面的一第二表面；將該不鏽鋼結構件放置於一母模具內，該不鏽鋼結構件的該第一表面接觸該母模具；提供一纖維材料於該不鏽鋼結構件遠離該母模具的該第二表面之上，該纖維材料不接觸該不鏽鋼結構件的該第二表面；以及將一公模具朝向該母模具壓合，使該纖維材料接合於該不鏽鋼結構件。
2. 如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中該纖維材料為單層結構或多層結構。
3. 如申請專利範圍第2項所述之製造方法，其中單層結構或多層結構的該纖維材料具有不同的纖維配向。
4. 如申請專利範圍第3項所述之製造方法，其中多層結構的相鄰二層之該纖維材料分別具有不同的纖維配向。
5. 如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中該纖維材料的材質包括碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維、金屬纖維、有機纖維、或其組合。
6. 如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中該不鏽鋼結構件與該纖維材料的厚度比之範圍係介於1：4至2：3之間。