在添加形成的聚合物基底上具有耐久金属表面的工艺装置以及形成此种工艺装置的方法与流程

本公开大体涉及在添加形成的聚合物基底层上具有耐久金属表面的工艺装置(tooling)以及形成此种工艺装置的方法。

背景技术：

对航空器的制造、装配、维护、改进和/或升级总是需要创造用于制作航空器部件的工具。该工艺装置经常由固体金属机械加工而成，以便确保表面质量、表面坚固性及其耐久性。然而，此种金属工艺装置的制备和构造可为昂贵和耗时的。添加制造的聚合物工艺装置可比由金属形成的工艺装置更加快速且更加便宜地制造，但基于聚合物的工艺装置的耐久性、表面质量和表面坚固性是个问题。

因此，需要一种更快速地形成工艺装置(如添加形成的聚合物工艺装置)的改进方法，并且该工艺装置也提供由金属工艺装置提供的表面质量、表面坚固性和耐久性。

技术实现要素：

在一方面，工具具有由聚合物材料以期望的工具形状添加形成的基底层。在基底层的外表面上形成密封剂层，密封剂为导电的。最后，在密封剂层上形成金属涂层。

密封剂可为低模量材料，诸如硅酮橡胶或弹性体。优选地，通过添加填料材料使密封剂导电，该填料材料被添加到密封剂。填料材料可为炭黑、碳纤维、石墨烯、碳纳米管、金属晶须中的一种，或其它导电材料以及由此的组合。金属涂层可为多层金属涂层。金属涂层可通过电镀或通过电沉积形成。

在另一方面，工具具有由聚合物材料以期望的工具形状添加地形成的基底层。在基底层的外表面上形成密封剂层，密封剂不为导电的。在密封剂层上形成导电层。最后，在导电层上形成金属涂层。

在第三方面，形成工具的方法。由聚合物材料以期望的工具形状添加形成基底层。在基底层的外表面上形成密封剂层，密封剂为导电的。最后，在导电层上形成金属涂层。

在第四方面，形成工具的方法。由聚合物材料以期望的工具形状添加形成基底层。在基底层的外表面上形成密封剂层，密封剂为低模量材料，该低模量材料包括硅酮橡胶或弹性体。在密封剂层上形成导电层。最后在导电层上形成金属涂层。

已经讨论过的特征、功能和优点可独立地在各种实施例中实现或者可在另外一些其它实施例中组合，参考以下描述和附图可见其进一步的细节。

附图说明

以下详细描述以示例的方式给出并且并非旨在将本公开唯一地局限于此，结合附图将最好地理解以下详细描述，其中：

图1为根据本公开的一方面的用于工具的添加制造的聚合物基底层的剖视图；

图2为根据本公开的一方面的在密封/处理之后带有添加制造的聚合物基底层的工具的剖视图；

图3为根据本公开的一方面的在施加导电层之后带有添加制造的聚合物基底层的工具的剖视图；

图4为根据本公开的一方面的在施加金属涂层之后带有添加制造的聚合物基底层的工具的剖视图；

图5为说明根据本公开的一方面形成工具的方法的流程图。

具体实施方式

在本公开中，贯穿说明本公开的各种示例性实施例的整个附图，相同的参考编号指代相同的元件。

现参考附图并且尤其参考图1，根据本公开的工具包括基底层110，其通过添加处理(例如，通过3d打印)以紧密的尺寸公差(根据期望的工具的需要)由聚合物以期望的工具形状形成。根据本公开，基底层110充当用于进一步处理的基底。本领域的普通技术人员将容易地认识到的是，在3d打印中，在计算机控制下形成连续的材料层以创造根据三维模型或其它电子数据源产生的对象。即使在由此形成之后需要聚合物形成的基底层110的一些中间的机械加工，通过该类型的添加处理产生用于本公开的工艺装置的基底层110也比通过金属机械加工产生工艺装置更加快且更加便宜。然而，因为用于该添加处理的聚合物可比完全由金属形成的工艺装置的坚固性和耐久性差，所以本公开的工艺装置包括金属涂层，以改善依照以下关于图2至图4所讨论的形成的最后工具的坚固性和耐久性。此外，金属涂层也能够改善最后工具的表面光洁度和表面质量。

在图2，将密封剂层120施加到基底层110的外(工具侧)表面以给予聚合物基底层110足够导电性以允许后续处理。密封剂120的应用可涉及低模量材料诸如硅酮橡胶或弹性体的应用，以减轻在成品工具的使用期间热应力在相邻材料之间的累积。在一个实施例中，通过使用填料诸如炭黑、碳纤维、石墨烯、碳纳米管、金属晶须等或者例如通过化学镀使密封剂120导电。

在图3中，可选地将导电层130施加到基底层110的外工具侧表面的密封剂层120上，以提供足够的导电性来将所得的后续金属工具表面加热至必要温度(例如，在100℃至250℃之间)。仅仅当密封剂层120不导电时该导电层130才是必要的，如上所述。如果弹性体的导电性不足以允许后续的电沉积，则可向弹性体表面添加官能团以提供金属可被分子附接的位点，诸如通过多巴胺到橡胶基板的氧化聚合或其它化学技术。也可在合成期间向弹性体添加掺杂剂，以帮助增加聚合物导电性。替代性地，聚合物诸如聚乙炔、聚吡咯、聚苯亚乙烯、聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺、聚苯硫醚等连同它们的共聚物可通过表面改性诸如膦羧化(phosphonylation)和接枝聚合或其它合适的方法附接到弹性体的表面。

在图4中，使用例如电镀或电沉积将金属涂层140，优选多层金属涂层，施加到基底层110的外工具侧表面的导电层130上(或当密封剂层120导电时在密封剂层120上)，以形成最终工具(endtool)所需尺寸的工具表面。金属涂层能够包括不同等级的钢或铝，或金属与较硬的外层和较低模量内层的组合。例如，层状结构可具有钢基外层和铜内层或黄铜内层。许多其它组合是可能的。因为添加处理用于形成期望的最终工具的基底层110，所以最终工具形状的复杂程度仅仅受聚合物基底层以期望的形状形成、可选地被机械加工(如果必要的话)以及保持期望的最终工具的最后形状的能力的限制。金属涂层140的内含物完全不受期望的最终工具的形状或复杂性的限制。

现参考图5，流程图示出了涉及产生根据本公开的工具的步骤。首先，如以上所讨论的，工具基底层110添加地形成为期望的最终工具的形状(步骤501)。接下来，将密封剂层120施加到基底层110的外工具侧表面(步骤502)。在一个实施例中，在步骤502中施加的密封剂为不导电的，并且单独的导电层是必要的(步骤503)。在另一个实施例中，在步骤502中施加的密封剂为导电的，并且单独的导电层不是必要的。进一步，当被施加以形成密封剂层120的密封剂不导电时，可选地将导电层130施加到基底层110的外工具侧表面的密封剂层120上(步骤503)。最后，将金属涂层140施加到基底层110的外工具侧表面的导电层130上(步骤504)(或者在省略单独的导电层130的实施例中在密封剂层120上)。

本公开的工艺装置包括金属外部涂层，该金属外部涂层以防止此种外部涂层在工艺装置的使用期间剥离、剥落或裂开的方式坚固地附接到下面的基板(如上所述)。特别地，本文所述的工艺装置形成允许在金属外部涂层与底层基板之间创造非常强的结合。此外，在底层基板与金属外部涂层之间添加低模量材料消除这些异质材料在热膨胀系数(cte)上的不匹配，当在高温下使用工艺装置时，诸如在热固性复合材料的固化期间，经常发生该不匹配。因此，在底层基板与金属外部涂层之间添加低模量材料也有助于防止金属外部涂层在高温下(例如，高温固化)使用工艺装置期间剥离、剥落或裂开。

进一步，本公开包括根据以下实施例的实施例：

实施例1.一种工具，其包括：

由聚合物材料以期望的工具形状添加形成的基底层；

在基底层的外表面上形成的密封剂层，密封剂为导电的；以及

在密封剂层上形成的金属涂层。

实施例2.根据实施例1所述的工具，其中密封剂为低模量材料。

实施例3.根据实施例2所述的工具，其中低模量材料为硅酮橡胶。

实施例4.根据实施例2所述的工具，其中低模量材料为弹性体。

实施例5.根据实施例1所述的工具，其中通过添加填料材料使密封剂导电，该填料材料被添加到密封剂。

实施例6.根据实施例5所述的工具，其中填料材料为炭黑、碳纤维、石墨烯、碳纳米管和金属晶须中的一种。

实施例7.根据实施例1所述的工具，其中金属涂层为多层金属涂层。

实施例8.根据实施例1所述的工具，其中金属涂层通过电镀形成。

实施例9.根据实施例1所述的工具，其中金属涂层通过电沉积形成。

实施例10.一种工具，其包括：

由聚合物材料以期望的工具形状添加形成的基底层；

在基底层的外表面上形成的密封剂层；

在密封剂层上形成的导电层，以及

在导电层上形成的金属涂层。

实施例11.根据实施例10所述的工具，其中密封剂为低模量材料。

实施例12.根据实施例11所述的工具，其中低模量材料为硅酮橡胶。

实施例13.根据实施例11所述的工具，其中低模量材料为弹性体。

实施例14.根据实施例10所述的工具，其中金属涂层为多层金属涂层。

实施例15.根据实施例10所述的工具，其中金属涂层通过电镀形成。

实施例16.根据实施例10所述的工具，其中金属涂层通过电沉积形成。

实施例17.一种形成工具的方法，其包括以下步骤：

由聚合物材料以期望的工具形状添加形成基底层；

在基底层的外表面上形成密封剂层，密封剂为导电的；以及

在导电层上形成金属涂层。

实施例18.根据实施例17所述的方法，其中密封剂为低模量材料，该低模量材料包括硅酮橡胶或弹性体。

实施例19.根据实施例18所述的方法，其中通过添加填料材料使密封剂导电，该填料材料被添加到密封剂，填料材料为炭黑、碳纤维、石墨烯、碳纳米管和金属晶须中的一种。

实施例20.一种形成工具的方法，其包括以下步骤：

由聚合物材料以期望的工具形状添加形成基底层；

在基底层的外表面上形成密封剂层，密封剂为低模量材料，该低模量材料包括硅酮橡胶或弹性体；

在密封剂层上形成导电层；以及

在导电层上形成金属涂层。

虽然已经参考优选实施例及其各方面具体示出和描述了本公开，但是本领域的普通技术人员将明白的是，在不违背本公开的精神和范围的情况下可做出各种改变和修改。所附权利要求旨在被解释为包括本文所述的实施例、以上提及的替代性方案及其所有等同物。