TWI611910B - 複合材料貼合裝置 - Google Patents

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TWI611910B TW104140181A TW104140181A TWI611910B TW I611910 B TWI611910 B TW I611910B TW 104140181 A TW104140181 A TW 104140181A TW 104140181 A TW104140181 A TW 104140181A TW I611910 B TWI611910 B TW I611910B
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張隆武
李昌周
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Abstract

一種複合材料貼合裝置，其包含雷射裝置、熱壓滾輪組、冷壓滾輪組、滾輪軸向驅動裝置及彈力調整裝置；熱壓滾輪組包括第一與第二熱壓滾輪，於二片分離之複合材料進入第一熱壓滾輪與第二熱壓滾輪間前，由雷射裝置提供雷射光照射於二複合材料之接合面間；冷壓滾輪組包括第一與第二冷壓滾輪；滾輪軸向驅動裝置驅動第一熱壓滾輪與第二熱壓滾輪間，及第一冷壓滾輪與第二冷壓滾輪間，平行於第一方向相對移動；彈力調整裝置提供第一熱壓滾輪與第二熱壓滾輪間，及第一冷壓滾輪與第二冷壓滾輪間，具有彈性地分別貼靠於二複合材料表面。

Description

複合材料貼合裝置
本發明為一種複合材料貼合裝置，尤指一種具有雷射裝置、滾輪軸向驅動裝置及彈力調整裝置，可增加複合材料貼合度，消除複合材料貼合時產生之氣泡，增加複合材料強度與剛性之複合材料貼合裝置。
現今複合材料已被廣泛應用在各個領域，由於其優越的機械性質，如高剛性、高強度以及質量輕外，更具有優越的抗疲勞強度和良好的環境穩定度，所以在汽車、航太及軍事工業上越來越多人使用複合材料來取代金屬材料。
複合材料是由兩種或兩種以上材料，在各種材料間彼此無化學反應下所組合而成的另一種具有優越性能的材料。複合材料通常分成基材(Matrix)與加強材(reinforcement)兩部份。基本上，基材常會使用具有連續相之材料，例如金屬、陶瓷和高分子等材料，基材在複合材料中主要目的是固定加強材，並保護加強材料傳遞附載。而加強材的種類主要以纖維、薄片、顆粒為主，其中纖維狀之強化材料使用最為普遍，纖維強化中又以連續纖維可以得到最佳以及最具設計彈性的機械性質，常用的纖維有碳纖維及玻璃纖維。而複合材料貼合需加熱將複合材料內黏合劑熔化再進行貼合，若加熱不均勻，貼合之複合材料會有內應力，且在貼合過程有氣泡產生，此均會影響貼合之複合材料強度與剛性。
綜上所述，如何克服習知複合材料貼合裝置之缺點乃為熟知此技術者所竭力苦思之重要課題，因此亟需一種『可增加複合材料貼合度，消除複合材料貼合時產生之氣泡，增加複合材料強度與剛性』之複合材料貼合裝置，以解決習知技術之缺失。
在一實施例中，本發明提出一種複合材料貼合裝置，適於對二片分離之複合材料進行貼合，其包含：一雷射裝置，用以提供一雷射光；一熱壓滾輪組，其包括一第一熱壓滾輪與一第二熱壓滾輪，用以提供二片分離之複合材料進入以進行熱壓貼合，於二片分離之複合材料進入第一熱壓滾輪與第二熱壓滾輪間之前，由雷射光照射於二片分離之複合材料之接合面間；一冷壓滾輪組，其包括一第一冷壓滾輪與一第二冷壓滾輪，經熱壓貼合之複合材料進入第一冷壓滾輪與第二冷壓滾輪以進行冷壓貼合；一滾輪軸向驅動裝置，用以驅動第一熱壓滾輪與第二熱壓滾輪之間，及第一冷壓滾輪與第二冷壓滾輪之間，平行於第一方向相對移動；以及一彈力調整裝置，用以提供第一熱壓滾輪與第二熱壓滾輪之間，及第一冷壓滾輪與第二冷壓滾輪之間，具有彈性地分別貼靠於二複合材料表面。
10‧‧‧雷射裝置
11‧‧‧雷射源
12‧‧‧光學鏡片
20‧‧‧熱壓滾輪組
21‧‧‧第一熱壓滾輪
22‧‧‧第二熱壓滾輪
23‧‧‧熱流體輸入單元
24‧‧‧熱流體輸出單元
30‧‧‧冷壓滾輪組
31‧‧‧第一冷壓滾輪
32‧‧‧第二冷壓滾輪
33‧‧‧冷流體輸入單元
34‧‧‧冷流體輸出單元
40‧‧‧滾輪軸向驅動裝置
41‧‧‧第一驅動組件
411‧‧‧第一板體
412‧‧‧第二板體
413‧‧‧凸塊
414‧‧‧凹槽
42‧‧‧第二驅動組件
421‧‧‧第三板體
422‧‧‧第四板體
423‧‧‧凸塊
424‧‧‧凹槽
50‧‧‧彈力調整裝置
51‧‧‧第一彈力組件
511‧‧‧第一彈性件
512‧‧‧第一抵制件
513‧‧‧第一調整鈕
52‧‧‧第二彈力組件
521‧‧‧第二彈性件
522‧‧‧第二抵制件
523‧‧‧第二調整鈕
53‧‧‧第一支撐板
54‧‧‧第二支撐板
60A、60B‧‧‧複合材料
F1‧‧‧第一方向
L‧‧‧雷射光
圖1為本發明之一實施例前視結構示意圖。
圖2為圖1實施例之側視結構示意圖。
圖3為圖1實施例之俯視結構示意圖。
圖4為習知複合材料貼合介面之顯微鏡觀察結果示意照片。
圖5為以本發明進行複合材料貼合介面之顯微鏡觀察結果示意照片。
請參閱圖1至圖3所示，本發明之複合材料貼合裝置，適於對二片分離之複合材料進行貼合，其包含一雷射裝置10、一熱壓滾輪組20、一冷壓滾輪組30、一滾輪軸向驅動裝置40及一彈力調整裝置50。
雷射裝置10包含一雷射源11與一光學鏡片12。雷射源11可 採用二氧化碳雷射、二極體雷射或光纖雷射其中之一，用以提供雷射光L；光學鏡片12提供雷射光L通過並使雷射光L偏轉至所需位置，在本實施例中，雷射光L係透過光學鏡片12調整形成一離焦雷射光。此外，雷射源供應的雷射光L之波段可為300-1500nm。
熱壓滾輪組20包括一第一熱壓滾輪21與一第二熱壓滾輪22，熱壓滾輪組20係採用電熱方式或熱流體(如油、風、水等)加熱方式使第一熱壓滾輪21與第二熱壓滾輪22具有一第一溫度，如圖2所示，第一熱壓滾輪21之軸心連通一熱流體輸入單元23及一熱流體輸出單元24，當使用一熱流體加熱第一熱壓滾輪21與第二熱壓滾輪22時，熱流體會由熱流體輸入單元23進入至第一熱壓滾輪21或/與第二熱壓滾輪22的軸心，使包覆在軸心外圍的第一熱壓滾輪21或/與第二熱壓滾輪22受到熱流體的加熱而具有第一溫度，之後，熱流體再排出於第一熱壓滾輪21或/與第二熱壓滾輪22的軸心而至熱流體輸出單元24。藉此，提供於二片分離之複合材料60A、60B進入第一熱壓滾輪21與第二熱壓滾輪22之間時可進行熱壓貼合。複合材料60A、60B之材質不限，例如可為熱塑性或熱固性碳纖維複合材料。於二片分離之複合材料60A、60B進入第一熱壓滾輪21與第二熱壓滾輪22間之前，經光學鏡片12偏轉的雷射光L可照射於二片分離之複合材料60A、60B之接合面間。
冷壓滾輪組30包括一第一冷壓滾輪31與一第二冷壓滾輪32，冷壓滾輪組30係採用流體冷卻或氣冷方式使第一冷壓滾輪31與第二冷壓滾輪32具有一第二溫度，如圖2所示，第一冷壓滾輪31之軸心連通一冷流體輸入單元33及一冷流體輸出單元34，當使用一冷流體冷卻第一冷壓滾輪31與第二冷壓滾輪32時，冷流體會由冷流體輸入單元33進入至第一冷壓滾輪31或/與第二冷壓滾輪32的軸心，使包覆在軸心外圍的第一冷壓滾輪31或/與第二冷壓滾輪32受到冷流體的冷卻而具有第二溫度，之後，冷流體再排出於第一冷壓滾輪31或/與第二冷壓滾輪32的軸心而至冷流體 輸出單元34。第二溫度低於上述第一溫度，第一溫度與第二溫度之設定依欲貼合之複合材料之不同而設定。經熱壓滾輪組20進行熱壓貼合之複合材料60A、60B接著進入第一冷壓滾輪31與第二冷壓滾輪32之間以進行冷壓貼合。
上述第一熱壓滾輪21、第二熱壓滾輪22、第一冷壓滾輪31與第二冷壓滾輪32之軸向皆平行於一第一方向F1，第一熱壓滾輪21與第二熱壓滾輪22經驅動可相對轉動，第一冷壓滾輪31與第二冷壓滾輪32經驅動可相對轉動。第一熱壓滾輪21、第二熱壓滾輪22、第一冷壓滾輪31與第二冷壓滾輪32之材質不限，例如可採用可耐熱攝氏300度之矽膠。
滾輪軸向驅動裝置40是用以驅動第一熱壓滾輪21與第二熱壓滾輪22之間，及第一冷壓滾輪31與第二冷壓滾輪32之間，可平行於第一方向F1相對移動。滾輪軸向驅動裝置40包括對稱設置之一第一驅動組件41與一第二驅動組件42。第一驅動組件41包含一第一板體411與一第二板體412。第一板體411用以承載第一熱壓滾輪21與第一冷壓滾輪31。第二板體412連接彈力調整裝置50，且第一板體411與第二板體412之間具有由凸塊413與凹槽414構成之滑軌結構，使第一板體411與第二板體412可平行於第一方向F1相對滑動。第二驅動組件42包含一第三板體421與一第四板體422，第三板體421用以承載第二熱壓滾輪22與第二冷壓滾輪32。第四板體422連接彈力調整裝置50，且第三板體421與第四板體422之間具有由凸塊423與凹槽424構成之滑軌結構，使第三板體421與第四板體422可平行於第一方向F1相對滑動。
據此，第一熱壓滾輪21與第二熱壓滾輪22之間可作軸向往復式相對運動，且第二熱壓滾輪22與第二冷壓滾輪32亦可作軸向往復式相對運動。要注意的是，由於第一熱壓滾輪21與第一冷壓滾輪31皆固定於第一板體411上，因此當第一板體411相對於第二板體412以平行於第一方向F1滑動時，第一熱壓滾輪21與第一冷壓滾輪31會同步移動(意即具有相同的位移量)，以避免 在壓合過程中，第一熱壓滾輪21與第一冷壓滾輪31錯位而造成貼合的複合材料60A、60B產生皺折。同樣地，由於第二熱壓滾輪22與第二冷壓滾輪32皆固定於第三板體421上，因此當第三板體421相對於第四板體422以平行於第一方向F1滑動時，第二熱壓滾輪22與第二冷壓滾輪32會同步移動(意即具有相同的位移量)，以避免在壓合過程中，第二熱壓滾輪22與第二冷壓滾輪32錯位而造成貼合的複合材料60A、60B產生皺折。
彈力調整裝置50包括對稱設置之複數個第一彈力組件51與複數個第二彈力組件52。
第一彈力組件51設置於一第一支撐板53且連接於第二板體412，每一第一彈力組件51包含一第一彈性件511、一第一抵制件512與一第一調整鈕513。第一彈性件511用以提供一第一彈力於第二板體412；第一抵制件512設置於第一支撐板53與第一彈性件511之間；第一調整鈕513設置於第一支撐板53，用以調整第一抵制件512與第二板體412間之距離，以改變第一彈性件511作用於第二板體412之彈力。
第二彈力組件52設置於一第二支撐板54且連接於第四板體422。每一第二彈力組件52包含一第二彈性件521、一第二抵制件522與一第二調整鈕523。第二彈性件521用以提供一第二彈力於第四板體422；第二抵制件522設置於第二支撐板54與第二彈性件521之間；第二調整鈕523設置於第二支撐板54，用以調整第二抵制件522與第四板體422間之距離，以改變第二彈性件521作用於第四板體422之彈力。
可藉由第一彈力組件51同時提供第一彈力於第二板體412、第一板體411、第一熱壓滾輪21與第一冷壓滾輪31，以及，可藉由第二彈力組件52同時提供第二彈力於第四板體422、第三板體421、第二熱壓滾輪22與第二冷壓滾輪32。因此可使第一熱壓滾輪21與第二熱壓滾輪22之間，及第一冷壓滾輪31與第二冷壓滾輪32之間，具有彈性地分別貼靠於二複合材料60A、60B表面。
請參閱圖1所示，說明本發明貼合複合材料之過程。將二片 分離之複合材料60A、60B送入第一熱壓滾輪21與第二熱壓滾輪22中以進行熱壓貼合，於複合材料60A、60B進入第一熱壓滾輪21與第二熱壓滾輪22之前，由雷射光L照射於複合材料60A、60B之貼合面間，由於使用雷射光L加熱之熱影響區域小，因此能精確地將複合材料60A、60B內的樹脂材料塗布面積進行升溫並開始熱溶解，提升複合材料60A、60B貼合面之貼合度。藉由光學鏡片12可控制雷射光L之照射範圍與照射角度，亦即加熱範圍與加熱角度，以提升貼合度。
在熱壓貼合過程中，除了第一熱壓滾輪21與第二熱壓滾輪22向二片複合材料60A、60B給予相互貼合的熱壓應力外，第一熱壓滾輪21與第二熱壓滾輪22作軸向往復式相對運動(如圖3所示狀態)，此目的在於消除二片複合材料60A、60B於貼合過程所產生之氣泡，氣泡邊界表面張力因第一熱壓滾輪21與第二熱壓滾輪22往復差排效應而被消除。至於第一熱壓滾輪21與第二熱壓滾輪22之軸向移動頻率及軸向移動距離，可依實際貼合之複合材料不同而設定，例如軸向移動頻率可為10~20Hz，及軸向移動距離可為1~3mm。
其次，於冷壓貼合過程中，利用第一冷壓滾輪31與第二冷壓滾輪32冷卻經熱壓貼合之複合材料60A、60B，可降低貼合製程溫度，使二片複合材料60A、60B內之樹脂材料迅速凝固而緊密貼合，提升複合材料60A、60B貼合效率與抗拉強度。
此外，由於設有彈力調整裝置50，因此可確保在熱壓貼合與冷壓貼合過程中，兩片複合材料60A、60B始終保持緊密貼合。
請參閱圖4所示，以習知複合材料貼合裝置進行複合材料貼合之介面，由於有氣泡而導致接合處不完整。請參閱圖5所示，經由本發明所提供之複合材料貼合裝置進行複合材料貼合介面，其貼合效果完整，氣泡邊界表面張力則因滾輪往復差排效應而消失。
綜上所述，本發明所提供之複合材料貼合裝置，由於利用雷射裝置直接加熱貼合面，利用滾輪軸向驅動裝置驅動熱壓滾輪及 冷壓滾輪水平軸向移動，利用彈力調整裝置調整熱壓滾輪間及冷壓滾輪間具有彈性壓合力，藉此增加複合材料貼合度，消除複合材料貼合時產生之氣泡，因此可增加複合材料強度與剛性。
惟以上所述之具體實施例，僅係用於例釋本發明之特點及功效，而非用於限定本發明之可實施範疇，於未脫離本發明上揭之精神與技術範疇下，任何運用本發明所揭示內容而完成之等效改變及修飾，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。
10‧‧‧雷射裝置
11‧‧‧雷射源
12‧‧‧光學鏡片
20‧‧‧熱壓滾輪組
21‧‧‧第一熱壓滾輪
22‧‧‧第二熱壓滾輪
30‧‧‧冷壓滾輪組
31‧‧‧第一冷壓滾輪
32‧‧‧第二冷壓滾輪
40‧‧‧滾輪軸向驅動裝置
41‧‧‧第一驅動組件
411‧‧‧第一板體
412‧‧‧第二板體
413‧‧‧凸塊
414‧‧‧凹槽
42‧‧‧第二驅動組件
421‧‧‧第三板體
422‧‧‧第四板體
423‧‧‧凸塊
424‧‧‧凹槽
50‧‧‧彈力調整裝置
51‧‧‧第一彈力組件
511‧‧‧第一彈性件
512‧‧‧第一抵制件
513‧‧‧第一調整鈕
52‧‧‧第二彈力組件
521‧‧‧第二彈性件
522‧‧‧第二抵制件
523‧‧‧第二調整鈕
53‧‧‧第一支撐板
54‧‧‧第二支撐板
60A、60B‧‧‧複合材料
L‧‧‧雷射光

Claims (10)

  1. 一種複合材料貼合裝置，適於對二片分離之複合材料進行貼合，其包含：一雷射裝置，用以提供一雷射光；一熱壓滾輪組，其包括一第一熱壓滾輪與一第二熱壓滾輪，用以提供該二片分離之複合材料進入以進行熱壓貼合，於該二片分離之複合材料進入該第一熱壓滾輪與該第二熱壓滾輪間之前，由該雷射光照射於該二片分離之複合材料之接合面間；一冷壓滾輪組，其包括一第一冷壓滾輪與一第二冷壓滾輪，經熱壓貼合之該複合材料進入該第一冷壓滾輪與該第二冷壓滾輪以進行冷壓貼合；一滾輪軸向驅動裝置，用以驅動該第一熱壓滾輪與該第二熱壓滾輪之間，及該第一冷壓滾輪與該第二冷壓滾輪之間，平行於一第一方向相對移動，該滾輪軸向驅動裝置包括：一第一驅動組件，其包含：一第一板體，用以承載該第一熱壓滾輪與該第一冷壓滾輪；一第二板體，連接該彈力調整裝置，該第一板體與該第二板體之間具有滑軌結構，使該第一板體與該第二板體平行於該第一方向相對滑動，且由該彈力調整裝置同時提供一第一彈力於該第二板體、該第一板體及該第一熱壓滾輪與該第一冷壓滾輪；一第二驅動組件，其包含：一第三板體，用以承載該第二熱壓滾輪與該第二冷壓滾輪；一第四板體，連接該彈力調整裝置，該第三板體與該第四板體之間具有滑軌結構，使該第三板體與該第四板體平行於該第一方向相對滑動，且由該彈力調整裝置同時提供一第二彈力於該第四板體、該第三板體及該第二熱壓滾輪與該第二冷壓滾輪；以及 一彈力調整裝置，用以提供該第一熱壓滾輪與該第二熱壓滾輪之間，及該第一冷壓滾輪與該第二冷壓滾輪之間，具有彈性地分別貼靠於該二複合材料表面。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之複合材料貼合裝置，其中該雷射裝置包含：一雷射源，提供該雷射光；以及一光學鏡片，提供該雷射光通過並使該雷射光偏轉至該二片分離之複合材料之接合面間。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之複合材料貼合裝置，其中該雷射源為二氧化碳雷射、二極體雷射或光纖雷射其中之一。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之複合材料貼合裝置，其中該雷射光的波段為300-1500nm。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之複合材料貼合裝置，其中該彈力調整裝置包括：複數個第一彈力組件，其設置於一第一支撐板且連接於該第二板體，每一該第一彈力組件包含：一第一彈性件，用以提供一第一彈力於該第二板體；一第一抵制件，設置於該第一支撐板與該第一彈性件之間；一第一調整鈕，設置於該第一支撐板，用以調整該第一抵制件與該第二板體間之距離，以改變該第一彈性件作用於該第二板體之彈力複數個第二彈力組件，其設置於一第二支撐板且連接於該第四板體，每一該第二彈力組件包含：一第二彈性件，用以提供一第二彈力於該第四板體；一第二抵制件，設置於該第二支撐板與該第二彈性件之間；一第二調整鈕，設置於該第二支撐板，用以調整該第二抵制件與該第四板體間之距離，以改變該第二彈性件作用於該第四板體之彈力。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之複合材料貼合裝置，其中該第一熱壓滾輪與該第二熱壓滾輪具有一第一溫度，該第一冷壓滾輪與該第二冷壓滾輪具有一第二溫度，該第二溫度低於該第一溫度。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之複合材料貼合裝置，其中該熱壓滾輪組係採用電熱方式或熱流體加熱方式使該第一熱壓滾輪與該第二熱壓滾輪具有該第一溫度。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之複合材料貼合裝置，其中該冷壓滾輪組係採用流體冷卻或氣冷方式使該第一冷壓滾輪與該第二冷壓滾輪具有該第二溫度。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之複合材料貼合裝置，其中該第一熱壓滾輪、該第二熱壓滾輪之軸向、該第一冷壓滾輪與該第二冷壓滾輪之軸向皆平行於該第一方向。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之複合材料貼合裝置，其中該複合材料為熱塑性或熱固性碳纖維複合材料。
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