TWI593546B

TWI593546B - 碳纖維製品成型裝置及方法

Info

Publication number: TWI593546B
Application number: TW105134173A
Authority: TW
Inventors: 江靖斌
Original assignee: 江靖斌
Priority date: 2016-10-21
Filing date: 2016-10-21
Publication date: 2017-08-01
Also published as: JP3209022U; TW201815553A

Description

碳纖維製品成型裝置及方法

本發明是關於一種碳纖維製品成型裝置及方法，尤指一種不具殘留氣體的碳纖維製品的成型裝置及方法。

碳纖維製品是由碳纖維與樹脂、金屬、陶瓷等材料複合而成的碳纖維複合材料所製作的產品，碳纖維製品在航太、軍工、電子等諸多領域都有著很廣泛的應用。碳纖維製品的成型方法一般包括模壓法、手糊壓層法、真空袋熱壓法、纏繞成型法、擠拉成型法。模壓法是將經過預浸樹脂的碳纖維複合材料放入金屬模具中，加壓後使多餘的膠液溢出來，然後高溫固化成型，脫膜後得到成品；手糊壓層法是將浸過膠後的碳纖維片材剪形疊層，並於疊層的同時刷上樹脂，再熱壓成型；真空袋熱壓法是在模具中疊層碳纖維複合材，並覆上耐熱薄膜，利用柔軟氣袋的膨脹力量向碳纖維複合材疊層施加壓力，並在熱壓罐中固化；纏繞成型法是將碳纖維單絲纏繞在碳纖維軸上；擠拉成型法是先將碳纖維完全浸潤，通過擠拉除去樹脂和空氣，然後在爐子裡固化成型。

以上各種製法，都會讓碳纖維複合材料在成型過程中產生氣體，這些殘留氣體會造成碳纖維製品產生包風（air traps）的現象，造成製品外觀起泡並導致結構強度無法滿足需求；因此需要對現有碳纖維製品的成型設備進行改良以去除所述殘留氣體並提高碳纖維製品的加工品質。

為了解決前述問題，本發明提供一種碳纖維製品成型裝置，其結構簡單且採用非傳統的內部加熱法，於碳纖維製品的成型過程中能有效去除碳纖維製品中的殘留氣體達80%以上。

一實施例中，碳纖維製品成型裝置包括有一腔體、至少二壓板、一模具、一氣袋及二媒介導管。腔體，具有一中空腔室及一密封中空腔室的壁面，壁面上設有一抽真空口、一媒介入口、一大氣入口及一媒介出口，抽真空口連接至一真空泵，大氣入口於開啟時引進腔體外的空氣，媒介入口及媒介出口分別連接至一媒介源的一輸出口及一輸入口；壓板，置於中空腔室內；一模具，置於一個壓板上且位於兩個壓板之間，具有一公模及一母模，公模及母模之間形成一模穴，模穴形成一第一對外開口及一第二對外開口；氣袋，置於模穴內，其一第一袋口鄰近於第一對外開口處設置，其一第二袋口鄰近於第二對外開口處設置；一第一媒介導管及一第二媒介導管，置於中空腔室內，第一媒介導管以一端連接第一對外開口並以另一端連接媒介入口，第二媒介導管以一端連接第二對外開口並以另一端連接媒介出口。

其中，氣袋外表面供貼附多個碳纖維複合材料層；媒介源的一高壓媒介依序經由媒介入口、第一媒介導管、第一對外開口及第一袋口導入氣袋，並依序經由第二袋口、第二對外開口、第二媒介導管及媒介出口回到媒介源，使得氣袋具有不同的溫度區段，並且氣袋內的具高溫的高壓媒介的導入及排出於氣袋的不同的溫度區段內具有不同的持續時間；中空腔室內的氣體透過抽真空口及真空泵抽出，且於氣袋的不同的溫度區段內具有不同真空程度的壓力。

另一實施例中，碳纖維製品成型裝置的氣袋數量為二以上。

一實施例中，碳纖維製品成型裝置更包含一安全閥，其位於腔體的壁面上，藉以避免中空腔室內的壓力過大。

一實施例中，高壓媒介的壓力為13kgf/cm ²至15kgf/cm ²。

一實施例中，媒介源為一熱媒介源，且具高溫的高壓媒介的溫度為攝氏65度至180度。

一實施例中，媒介源為一冷媒介源，且高壓媒介的溫度為攝氏5度至10度。

一實施例中，碳纖維製品成型裝置更包括一控制單元，連接至真空泵及媒介源，其控制具高溫的高壓媒介於氣袋導入及排出的溫度及壓力、具高溫的高壓媒介導入於氣袋及排出於氣袋的持續時間、以及中空腔室內的壓力及溫度。

一實施例中，控制單元是一可編程式邏輯控制系統(programmable logic controller；PLC)。

一實施例中，模具的材質為石膏、水泥、木材、玻璃纖維、瓷沙及中密度纖維板其中之一。

另一實施例中，依據所提供的碳纖維製品成型裝置進行的碳纖維製品的成型方法包含下列步驟：導入溫度為攝氏65度至70度且壓力為13kgf/cm ²至15kgf/cm ²的具高溫的高壓媒介進入氣袋內，控制具高溫的高壓媒介導入於氣袋及排出氣袋的過程至少持續10至20分鐘，控制中空腔室的內部壓力降低到至少0.6個標準大氣壓以下。

本發明提供的碳纖維製品成型裝置利用中空腔室內的真空度變動與氣袋內的高溫高壓媒介的溫度及壓力週期變動互相作用，在氣袋的不同的溫度區段的溫度抵達碳纖維複合材料的玻璃轉化溫度Tg前，把殘留氣體從碳纖維複合材料層中徹底排出。藉此製備的碳纖維製品強度好，無氣泡、品質穩定、適用範圍廣。與現有技術相比，本發明提供的碳纖維製品成型裝置除去了現有技術中，碳纖維預浸布在模具內加溫至樹脂進行聚合反應時，於碳纖維複合材料中所產生的殘留氣體，具有(1)不易產生包風現象(2)加熱均勻(3)尺寸穩定(4)節省熱能(5)加熱時間短(6)可作形狀複雜產品的優點，殘留氣體去除率高達99%，避免了碳纖維製品因殘留氣體所產生的包風現象，進而美化了製品外觀，並且結構強度提升了至少5%。此外，由於模具不需被加熱，故可使用非導熱物質的材質，例如石膏、水泥、木材、玻璃纖維、瓷沙或中密度纖維板，以達快速製模以及快速打樣的目的。

本發明揭示一種碳纖維製品成型裝置，所稱的碳纖維製品的相關製作原理，已為本領域普通技術人員所能明瞭，故以下文中的說明，不再作完整描述。同時，以下文中所對照的附圖，意在表達與本發明特徵有關的含義，並未亦不需要依據實際尺寸完整繪製，在先聲明。

請參考圖1至圖5，一實施例中，碳纖維製品成型裝置100包括有一腔體1、至少二壓板2、一模具3、至少一氣袋4(見圖4)及包含一第一媒介導管61(見圖2)及一第二媒介導管62(見圖2)的多數個媒介導管6。腔體1，具有一中空腔室11及一密封中空腔室11的壁面12，這裡的壁面12是指包覆整個中空腔室11的所有壁面的統稱，壁面12上設有一抽真空口51、一媒介入口52、一可開關的大氣入口53及一媒介出口54，抽真空口51連接至一真空泵7，大氣入口53於開啟時可藉以引進腔體1外的大氣，媒介入口52及媒介出口54分別連接至一熱媒介源8的輸出口81及輸入口82(見圖2)或一冷媒介源9的輸出口91及輸入口92(見圖3)；可上下活動的壓板2，置於中空腔室11內，各個壓板2之間具有一定間隔；模具3，置於一個壓板2上且位於兩個壓板2之間，具有一公模31及一母模32，公模31及母模32之間形成一模穴33，模穴33並形成分別位於兩側邊的一第一對外開口34及一第二對外開口35；氣袋4，置於模穴33內，其一第一袋口41鄰近於第一對外開口34處設置，一第二袋口42鄰近於第二對外開口35處設置，使得來自熱媒介源8的一具高溫的高壓媒介13a(見圖2)或來自冷媒介源9的一具低溫的高壓媒介13b(見圖3)可以依序經由第一對外開口34及第一袋口41進入氣袋4，並依序經由第二袋口42及第二對外開口35排出氣袋4；一第一媒介導管61及一第二媒介導管62，置於中空腔室11內，第一媒介導管61以一端連接至第一對外開口34並以另一端連接至媒介入口52，第二媒介導管62以一端連接第二對外開口35並以另一端連接媒介出口54。這裡的熱媒介源8例如是一個容器，儲存有高溫度能量的高壓媒介，例如高壓蒸汽或高壓熱媒油，而冷媒介源9例如是一個容器，儲存有低溫度能量的高壓媒介，例如高壓冷空氣。壓板2的個數並未特別限定，只要能夠達到支撐、夾持及密合模具3的目的即可。

其中，請參見圖4及圖5，氣袋4的外表面供貼附或披覆多個碳纖維複合材料層30，氣袋4的內部容有一聚苯乙烯(EPS)芯材5，為成形氣袋4時的固定支撐骨架，於高溫時可被熔解；源自熱媒介源8的輸出口81的具高溫的高壓媒介13a依序經由媒介入口52、第一媒介導管61、第一對外開口34及第一袋口41導入氣袋4，並依序經由第二袋口42、第二對外開口35、第二媒介導管62及媒介出口54經熱媒介源8的輸入口82回到熱媒介源8，使得氣袋4內的溫度上升且具有不同的溫度區段，例如攝氏65度至70度及攝氏100度至150度；氣袋4內的具高溫的高壓媒介13a的導入及排出的一個循環於氣袋4的不同的溫度區段內具有不同的持續時間，例如於攝氏65度至70度時持續10至20分鐘，於攝氏100度至攝氏150度時持續2分鐘；中空腔室11內的氣體透過抽真空口51及真空泵7抽出，且於氣袋4的不同的溫度區段內具有不同真空程度的壓力，例如於攝氏65度至70度時壓力為0.6個標準大氣壓以下，於攝氏100度至攝氏150度時壓力為0.1個標準大氣壓力以下。這裡的具高溫的高壓媒介13a例如是高壓高溫氣體、高壓水蒸汽或高壓熱煤油。

另一方面，氣袋4於充氣膨脹後具有與所要製作的碳纖維製品的外形相同的形狀，各個碳纖維複合材料層30系利用預浸的環氧樹脂黏貼於氣袋4的表面上，當所有的碳纖維複合材料層30黏貼完成後，氣袋4將被置於模穴33中，並從熱媒介源8注入壓力大小為13至15kgf/cm ²但不同高溫，例如攝氏65度至180度，的高壓媒介13a，使氣袋膨脹，迫使所有的碳纖維複合材料層30貼緊於模穴33的壁面上。當碳纖維預浸布在氣袋4的溫度到達樹脂進行聚合反應時，碳纖維複合材料層30內的碳纖維將與環氧樹脂熔合，並於氣袋4的溫度冷卻後固化成型。這裡的氣袋4的材質例如是矽膠、尼龍或聚氯乙烯(PVC)，可承受的溫度最高可達攝氏180度。

此外，媒介導管6的數量相等於模穴33的對外開口的數量，而模穴33的對外開口的數量相等於氣袋4的開口數量，模穴33內可裝設不只一個氣袋4，每個氣袋4具有一進一出的兩個開口，進入每個氣袋的具高溫的高壓媒介13a或具低溫的高壓媒介13b的溫度可以不同。

請繼續參見圖1，一實施例中，碳纖維製品成型裝置100更包括有一驅動單元10，裝設於中空腔室11內，且連接至壓板2，用以驅動壓板2上升或下降，進而將處於兩個壓板2之間的模具3夾住以密合公模31及母模32。驅動單元10是任何可提供動力的裝置或設備，例如是一油壓缸。又，腔體1是整個碳纖維製品成型裝置100的主要本體，其構成上下、左右及前後的所有壁面12必須具有完全密封中空腔室11的效果，在一實施例中壁面12可以由五個固定壁及一個活動門121所組成，藉以方便中空腔室11的開啟以及模具3於中空腔室11內部的置入。但只要能夠達到密封中空腔室11的效果，壁面12的其他配置方式亦屬於本發明的碳纖維製品成型裝置的應用範圍。

請繼續參見圖1，在一實施例中，抽真空口51及媒介入口52位於腔體1的上壁的右側，大氣入口53及媒介出口54位於腔體1的上壁的左側。在其他實施例中，也可以選擇配置與腔體1連通的另一個腔體，並讓抽真空口51、媒介入口52、大氣入口53及媒介出口54全部設於該另一個腔體上。或者，也可選擇配置與腔體1連通的另兩個腔體，並讓抽真空口51、媒介入口52、大氣入口53及媒介出口54分別位於該另兩個腔體上。此外，第一媒介導管61及第二媒介導管62是用以傳遞冷熱程度不同的熱媒介或冷媒介的導管，例如是金屬導管。另一方面，由於碳纖維製品成型裝置100內部的氣袋4會被灌注高溫高壓氣體，基於安全上的考量，可增設一機械式的安全閥15於腔體1的上壁，當發生氣袋4的壓力外洩而導致中空腔室11內的壓力過大時，可自動開啟安全閥15來洩壓，例如可設定當中空腔室11內的壓力大於20kgf/cm ²時，安全閥15即會自動被開啟。

一實施例中，模具3可以是氣襄式模具、壓模式模具、樹脂轉注成型(Resin Transfer Molding；RTM)模具及真空導入(Vacuum infusion processing；VIP)模具其中之一。模具3的材質可以是導熱物質例如金屬或者易加工且易固化的非導熱物質例如石膏、水泥、木材、玻璃纖維、瓷沙或中密度纖維板(MDF；Medium-density fibreboard)。採用易加工且易固化的非導熱物質作為模具3的作法，是應用在製作碳纖維製品試樣的場合中，可以快速完成模具3的製作，進而快速得到碳纖維製品試樣，以節省時間及材料成本。值得注意的是，模具3並不需要被加熱。

請繼續參見圖1、圖2及圖3，一實施例中，碳纖維製品成型裝置100更包括有一控制單元500，其連接至真空泵7、熱媒介源8及冷媒介源9，用以控制進入氣袋4的具高溫的高壓媒介13a或具低溫的高壓媒介13b的溫度及壓力、具高溫的高壓媒介13a導入於氣袋4及排出於氣袋4的持續時間、以及中空腔室11內的壓力(或真空度)及溫度。控制單元500例如是一可編程式邏輯控制系統(programmable logic controller；PLC)。

一實施例中，利用本發明的碳纖維製品成型裝置100成型碳纖維製品的方法包含下列步驟：(1)打開活動門121，置入模具3於一壓板2上；(2)連接第一媒介導管61的一端至第一對外開口34及/或第一袋口41，連接第一媒介導管61的另一端至媒介入口52，連接第二媒介導管62的一端至第二對外開口35及/或第二袋口42，連接第二媒介導管62的另一端至媒介出口54；(3)驅動模具3上、下方的壓板2向模具3移動而夾緊模具3；(4)關上活動門121；(5)讓熱媒介源8的具高溫的高壓媒介13a經由媒介入口52進入氣袋4，具高溫的高壓媒介13a的溫度可為攝氏65度至180度；(6)打開真空泵7對中空腔室11進行抽真空；(7)啟動控制單元500，控制進入氣袋4的具高溫的高壓媒介13a的溫度及壓力，控制進入氣袋4內的具高溫的高壓媒介13a的導入及排出的持續時間，以及控制中空腔室11內的壓力(或真空度)及溫度，使得氣袋4內具有不同的溫度區段(或者不同的時間區段)且於不同的溫度區段(或者不同的時間區段)內具有不同的壓力及溫度，控制單元500同時依情況啓閉大氣入口53。一實施例中，首先，導入溫度為攝氏65度至70度且壓力為13kgf/cm ²至15kgf/cm ²的具高溫的高壓媒介13進入氣袋4內、控制具高溫的高壓媒介13a導入於氣袋4及排出氣袋4的過程至少持續10至20分鐘，同時控制中空腔室11的內部壓力降低到至少0.6個標準大氣壓以下，關閉大氣入口53；接著，導入溫度為攝氏100度至攝氏150度且壓力為13kgf/cm ²至15kgf/cm ²的具高溫的高壓媒介13進入氣袋4內、控制具高溫的高壓媒介13a導入於氣袋4及排出氣袋4的過程至少持續2分鐘，同時控制中空腔室11內的壓力維持在至少0.1個標準大氣壓力以下；之後，控制氣袋4內的具高溫的高壓媒介13a的壓力維持在5kgf/cm ²至20kgf/cm ²之間，較佳為13kgf/cm ²至15kgf/cm ²，並持續此一過程40至60分鐘，直至氣袋4外表面貼附或披覆的多個碳纖維複合材料層30逐漸固化且氣袋4內的芯材5受高溫而熔解；(8)媒介入口52不再從熱媒介源8注入原來的具高溫的高壓媒介13a，改從冷媒介源9注入攝氏溫度為5度至10度的具低溫的高壓媒介13b一段時間，藉以冷卻氣袋4外表面貼附或披覆的多個碳纖維複合材料層30，具低溫的高壓媒介13b的壓力仍維持在5kgf/cm ²至20kgf/cm ²之間並持續15至25分鐘，藉以讓氣袋4保持膨脹狀；(9)停止注入具低溫的高壓媒介13b，並打開大氣入口53，讓空氣從大氣入口53進入中空腔室11；(10)打開活動門121，拔除第一媒介導管61及第二媒介導管62，取出模具3；(11)開啟模具3，取出碳纖維製品。

請參見圖6，另一實施例中，位於母模32a的模穴33a內可埋設一第一氣袋4a、一第二氣袋4b及一第三氣袋4c，每個氣袋均如前所述具有一進一出的兩個開口(未顯示)，每個開口均對應模穴33a的一對外開口(未顯示)設置，進入第一氣袋4a、一第二氣袋4b及一第三氣袋4c的具高溫的高壓媒介13a的溫度可以彼此不同，藉以對應一碳纖維製品的不同部位給予最佳的成型溫度條件。

本發明提供的碳纖維製品成型裝置採用內部加熱法，即直接對氣袋加熱而不對模具加熱，並利用中空腔室內的真空度變動與氣袋內的高溫高壓媒介的溫度及壓力變動互相作用，在氣袋的不同溫度區段的溫度抵達碳纖維複合材料的玻璃轉化溫度Tg前，把殘留氣體從碳纖維複合材料層中徹底排出。藉此製備的碳纖維製品強度好，無氣泡、品質穩定、適用範圍廣。與現有技術所採的外部加熱方式(即對模具加熱)相比，本發明提供的碳纖維製品成型裝置，除去了現有技術中，碳纖維預浸布在模具內加溫至樹脂進行聚合反應時，於碳纖維複合材料中所產生的殘留氣體，具有(1)不易產生包風現象(2)加熱均勻(3)尺寸穩定(4)節省熱能(5)加熱時間短(6)可作形狀複雜產品的優點，所製作出的碳纖維製品的無氣泡率至少為80%，最高可達99%以上乃至完全無氣泡。此外，由於模具不需被加熱，故可使用非導熱物質的材質，例如石膏、水泥、木材、玻璃纖維、瓷沙或中密度纖維板，以達快速製模以及快速打樣的目的。

以上所述僅為本發明較佳實施例，並非用以限定本發明申請專利範圍；同時以上的描述，對於本發明所屬技術領域通常知識者應可明瞭與實施，因此其它未脫離本發明所揭示的精神下所完成的等效改變或修飾，均應包含於本發明的申請專利範圍中。

100‧‧‧碳纖維製品成型裝置

1‧‧‧腔體

11‧‧‧中空腔室

12‧‧‧壁面

121‧‧‧活動門

2‧‧‧壓板

3‧‧‧模具

30‧‧‧碳纖維複合材料層

31‧‧‧公模

32‧‧‧母模

32a‧‧‧母模

33‧‧‧模穴

33a‧‧‧模穴

34‧‧‧第一對外開口

35‧‧‧第二對外開口

4‧‧‧氣袋

4a‧‧‧第一氣袋

4b‧‧‧第二氣袋

4c‧‧‧第三氣袋

41‧‧‧第一袋口

42‧‧‧第二袋口

5‧‧‧芯材

51‧‧‧抽真空口

52‧‧‧媒介入口

53‧‧‧大氣入口

54‧‧‧媒介出口

6‧‧‧媒介導管

61‧‧‧第一媒介導管

62‧‧‧第二媒介導管

7‧‧‧真空泵

8‧‧‧熱媒介源

81‧‧‧輸出口

82‧‧‧輸入口

9‧‧‧冷媒介源

91‧‧‧輸出口

92‧‧‧輸入口

10‧‧‧驅動單元

13a‧‧‧具高溫的高壓媒介

13b‧‧‧具低溫的高壓媒介

15‧‧‧安全閥

500‧‧‧控制單元

圖1為一立體示意圖，顯示本發明一實施例中的碳纖維製品成型裝置的內外部結構。　　圖2為一立體透視圖，局部顯示本發明一實施例中的碳纖維製品成型裝置的一媒介入口、一媒介出口、一媒介導管、一熱媒介源及一控制單元之間的連結關係。　　圖3為一立體透視圖，局部顯示本發明一實施例中的碳纖維製品成型裝置的一媒介入口、一媒介出口、一媒介導管、一冷媒介源及一控制單元之間的連結關係。　　圖4為一立體示意圖，顯示本發明一實施例中的碳纖維製品成型裝置的一模具、一氣袋及一碳纖維複合材料層之間的位置關係。　　圖5為一剖面示意圖，顯示本發明一實施例中的碳纖維製品成型裝置的一模具、一氣袋、一媒介入口及一媒介出口的位置關係。　　圖6為一俯視示意圖，顯示本發明另一實施例中的碳纖維製品成型裝置的一模穴、一第一氣袋、一第二氣袋及一第三氣袋之間的位置關係。