TWI759323B - 中空元件之製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明係揭露一種中空零件之製造方法，其係使該模仁於一第一溫度下膨脹成形時在該模具中產生一內部壓力，令位於該模仁與該模具間之複合材料形成與該模具形狀對應之一中空零件；其中，其特徵在於：該模仁之材質為低熔點金屬；以及該第一溫度係低於該模仁之熔點。

Description

中空元件之製造方法

本發明係有關於一種複合材料零件製造方法，特別係指一種中空元件之製造方法。

按，複合材料係將兩種以上之材料組合而成者，目前最常被使用於產業上者不外乎為碳纖維複合材料。玻/碳纖維複合材料係具有質輕、高剛性、高強度、高使用度等優點，因而被廣泛地應用於工業設備、電動車、汽車零件、醫療器材、建材等領域之相關產品上。目前為能更進一步地達到產品輕量化之目的，大多研究係致力於開發複合材料中空化之製程，例如以吹袋、保麗龍發泡或消失模之方式製作出複合材料之中空零件，但是，實際上以上述方式所製成之中空零件仍存在許多缺失：其一、由於無法產生較大之壓力，會使內壁不平整，造成零件整體厚薄不均；其二、吹袋於製作過中有破裂之可能性存在，會導致製作中空零件失敗率增加；其三、模仁無法順利取出，使得資源浪費、製造成本增加；其四、受限於模仁材質及其特性，僅能製作出直管狀零件，無法製作出歧管或是彎管狀零件。

本發明之主要目的係在於提供一種中空零件之製造方法，其係用於製作出表面平滑之中空零件。

本發明之次一目的係在於提供一種中空零件之製造方法，其係能夠用於製作出各類管形之零件，包含直管、彎管、岐管，並不同管形之零件能夠彼此對接，而能快速及簡便地組裝為具複雜結構之產品。

本發明之另一目的係在於提供一種中空零件之製造方法，其係能夠將模仁回收再利用，以達到兼顧環保與節省成本之功效。

緣是，為能達成上述目的，本發明係揭露一種中空零件之製造方法，其係使該模仁於一第一溫度下膨脹成形時在該模具中產生一內部壓力，令位於該模仁與該模具間之複合材料形成與該模具形狀對應之一中空零件；其中，其特徵在於：該模仁之材質為低熔點金屬；以及該第一溫度係低於該模仁之熔點。

更進一步來說，本發明所揭一種中空零件之製造方法係主要包含有下列步驟：

步驟a：提供具有一預定形狀之一模具及得以容置於該模具之模穴內之一模仁。

步驟b：將一複合材料包覆於該模仁表面，並將該模仁置於該模穴內。

步驟c：於該第一溫度下使該模仁膨脹，使該複合材料固化成形後，移除該模具。

步驟d：將該已固化成形之複合材料置於一第二溫度下，移除熔解之該模仁，以獲得該中空零件，其中，該第二溫度至少等於該模仁之熔點。

其中，該模仁之材質係為鉍合金，舉例來說，該模仁之材質係為鉍錫合金，其熔點約為138~139℃。

其中，於本發明之實施例中，該第一溫度係為40~130℃，如40、50、60、70、80、90、100、110、120、130℃。

而該模仁之尺寸係依據模仁之熱膨脹係數進行分析而得者，並且，基於該模具與該模仁間具有一熱膨脹係數之差異，透過該模仁膨脹成形所造成之該內部壓力，使該複合材料緊密貼附於該模穴，而能獲得與設計尺寸相符並表面平整之各種管狀中空零件，如直管零件、彎管零件、岐管零件。

又，於本發明所揭實施例中，該複合材料係為碳纖維複合材料。

此外，為能使熔融之該複合材料能快速地被移除，本發明所揭一種中空零件之製造方法係更包含一步驟c1，設於該步驟c與步驟d之間，其中：該步驟c1：使該已固化成形之複合材料一端形成一開口，用以使熔融之該模仁流出。

第一圖中(A)至(C)係為本發明實施例所揭中空零件之製造方法之流程示意圖。

第二圖係為中空零件最大應力圖。

第三圖係為核仁內外應力圖。

第四圖係為核仁應力時間關係圖。

第五圖係為模具最大應力圖。

第六圖係為模具之時間應力關係圖。

第七圖係為加熱15分鐘之溫度傳遞圖。

第八圖係為加熱30分鐘之溫度傳遞圖。

第九圖係為加熱40分鐘之溫度傳遞圖。

第十圖係為加熱60分鐘之溫度傳遞圖。

第十一圖係為膜仁模具溫差圖。

本發明係揭露一種中空零件之製造方法，其係透過一金屬模仁於低於其熔點之溫度下進行膨脹成形，並於一模具內產生一內部壓力，使位於該模具與該模仁間之一複合材料受到內部壓力之頂壓而能緊貼於該模具之內壁，使所獲得之中空零件得以具有光滑及厚度一致之表面。

以下，為能更進一步說明本發明，茲舉本發明之一實施例並搭配圖式進行說明如后。

請參閱第一圖，本發明之實施例所揭一種中空零件之製造方法係包含下列步驟：

步驟a：提供一呈T形之模具，以及得以容置於該模具之模穴內之一模仁，而該模仁之材質係為鉍錫合金。

步驟b：將以一由碳纖維複合材料所組成之預浸材包覆該模仁表面，並將完成包覆之該模仁置於該模具內。

步驟c：於40~130℃之溫度下加熱該該模仁及該模具，並使該模仁膨脹而頂壓該預浸材，使該預浸材於高溫高壓下固化成形為一複材件，再將該複材件自該模具中移出(如第一圖A)。

步驟d：裁切該複材件之至少一端，使其端緣形成一開口(如第一圖B)。

步驟e：將該複材件置於高於該模仁熔點之溫度下，至少約為138~139℃，使該模仁熔解並自該開口流出，以獲得一T形中空零件(如第一圖C)。

而為能使該中空零件具有表面光滑及厚度一致之內壁，須先製作出具光滑平整表現之模仁。而模仁之製作係依據其熱膨脹係數，以電腦軟體進行CAE(Computer Aided Engineering)分析，能夠計算出對應該模具之模仁內徑尺寸；而後將如鉍錫合金之低熔點金屬熔解後倒入該模具內，冷卻使之成形為模仁，其中，上述實施例中所採用之鉍錫合金的熱膨脹係數約為15.0x10-6K-1，不鏽鋼模具之13.0x10-6K-1，碳纖維複合材料之熱膨脹係數約為-0.5x10-6K-1。藉由模仁與模具間係具有熱膨脹係數之差異，並且，模仁之熱膨脹係數係大於模具之熱膨脹係數，使模仁之熱膨脹現象係大於模具之膨脹現象，因而於膨脹成形之過程中，模仁能產生向外頂壓之現象。

以下將透過不同分析方法及其結果說明本發明所揭中空零件之製造方法所能達成之功效。

首先，以電腦輔助分析套裝軟體ANSYS分析被預浸材包覆之該模仁置於該模具內後，進行加熱所產生之壓力變化，以檢測分析出本發明實施例中所使用之鉍錫合金的壓力，結果如下表一所示。

由表一之結果顯示，溫度越高可使鉍錫合金模仁於模具內產生越大之壓力，能使複合材料受到壓力推擠而更為緊密貼合模具內壁。換言之，於越高溫之環境下，所獲得之中空零件之表面能越平滑。

再者，分析上述T型中空零件、模具之加熱與時間間之關係，結果如第二圖至第六圖所示。由第二圖係顯示於該中空零件之T字圓角處產生最大應力為27.23MPa。由第三及四圖可知核仁內外所承受之壓力不同，並且隨著時間增加所承受之應力亦會增加，顯示核仁外部係與模具相互接觸，亦即該複合材料係緊密貼合模具內壁。由第五及六圖可知模具最大應力發生於轉角處，約為146.05MPa。

由第二圖至第六圖之分析結果可得知，鉍錫合金膨脹後所產生之壓力(27.23MPa)足以使該複合材料成形，並且，能使最大壓力集中於模具、模仁之彎折處，能使該處之複合材料更緊密貼合該模具，而能使所獲得之中空零件能夠完美成形，不會產生缺損。換言之，本發明所揭中空零件之製造方法係確實能夠用以製作出具有彎折之中空零件。

此外，如第七圖至第十一圖所示，隨著加熱時間之增加，模具與模仁間之溫差僅有1~2℃，顯示模仁與模具能夠同時被快速增溫，並且增加幅度一致，不會因為溫度上升差距而造成膨脹速度不一致，始能令成形之中空零件具有光滑平整之表面。

由上述說明可知，本發明所揭中空零件之製造方法確實能夠改善習知技術之缺失，並且，能以節省資源之方式製作出各式管狀之中空零件。又，藉由本發明所揭中空零件之製造方法製得之中空零件得依據使用需求進行表面處理或修飾，使之表面具有耐磨、防滑等構造，而能為更多面向之應用。

Claims (5)

1. 一種中空零件之製造方法，其包含有下列步驟：步驟a：提供具有一預定形狀之一模具以及一模仁，其中，該模具具有一模穴，該模仁之材質係為鉍錫合金，其熔點為138~139℃，得以容置於該模穴內；步驟b：將一複合材料包覆於該模仁表面，並將該模仁置於該模穴內；步驟c：於40~130℃下使該模仁膨脹，且該模具之熱膨脹係數係小於該模仁之熱膨脹係數，使該模仁之熱膨脹現象係大於該模具之膨脹現象，而於該模仁的膨脹過程中，該模仁能向外頂壓該複合材料，使該複合材料具有表面光滑及厚度一致之內壁，並於該複合材料固化成形後，移除該模具；其中，該模仁的熱膨脹係數為15.0x10-6K-1，該模具的熱膨脹係數為13.0x10-6K-1，該複合材料之熱膨脹係數為-0.5x10-6K-1；步驟d：將該已固化成形之複合材料置於138~139℃之環境下，移除熔解之該模仁，以獲得該中空零件。
2. 依據申請專利範圍第1項所述中空零件之製造方法，其中，該模具之形狀係呈直管、彎管或岐管。
3. 依據申請專利範圍第1項所述中空零件之製造方法，其中，該複合材料係為碳纖維複合材料。
4. 依據申請專利範圍第1項所述中空零件之製造方法，其中，該模仁之尺寸係依據模仁之熱膨脹係數進行分析而得者。
5. 依據申請專利範圍第1項所述中空零件之製造方法，其更包含一步驟c1，設於該步驟c與步驟d之間，其中：步驟c1：使該已固化成形之複合材料一端形成一開口，用以使熔融之該模仁流出。

Images