制造弯曲热塑性复合部件的方法

专利名称：制造弯曲热塑性复合部件的方法
技术领域：
本发明一般涉及釆用塑性材料的制造过程，更具体地说，涉及制造弯曲 热塑性复合部件的新颖方法。
背景技术：
制造厚度恒定且长度方向平直的热塑性复合(TPC)层压件存在众多的 方法。除了非连续过程诸如压制、沖压和高压釜成形之外，还有连续过程诸 如挤压、拉挤成形、辊轧成形和压缩模制。虽然后者过程能生产长度连续的 部件，但是它们不能产生重量具有特别重要性的轻质航空结构或其他结构所 需的厚度可变的部件。此外，上述这些过程不能生产沿着其长度具有曲率的 部件。
因此，需要提供一种能在连续过程中制造定制厚度的弯曲TPC层压件 的方法。优选，这种方法应该是一种低成本方法，并且尽可能具有自动化设 备的优势。

发明内容
本发明提供一种能在连续过程中制造定制厚度或可变厚度的弯曲热塑 性复合层压件的新颖方法。该新颖过程采用自动化设备或手工铺设来校直部 件或元件，以形成多层叠置件。每个叠置件包括全部敷层，包括敷层堆积区 域，在适当位置粘结以保持取向和位置。固化工具包括全部必要部件特征， 并且与定制的多件2敷层叠置件协作，形成具有厚度不同于该多件敷层叠置 件的区域的单一整体复合层压件。
利用上述方法形成的复合部件可以用在广泛的领域，包括例如汽车和航 空领域。根据本发明形成的复合部件的示例理想地适合用作商用飞行器中的 结构强化构件。
根据本发明 一个方面，提供一种制造具有定制厚度或可变厚度的弯曲热 塑性层压部件的方法。该方法包括步骤形成厚度不均匀的多个热塑性材料
6敷层叠置件；从该叠置件切割弯曲坯料；将所述弯曲坯料沿着弯曲路径馈送，
经过实施结构，形成预成形部件；将所述预成形部件沿着弯曲路径馈送，经 过压力机；和给所述预成形部件施压，压紧所述敷层。叠置件中的敷层借助 热塑性树脂局部熔化而粘结在一起，以便敷层相对于彼此保持固定关系。可 以从每个材料叠置件切割多个部件坯料。每个坯料馈送通过实施结构，在层 压敷层被压紧之前，预成形所述部件的特定特征。部件的定制厚度和可变厚 度利用弯曲工具形成，该工具设置在预成形部件上并且随着部件一起馈送到 压力机中。在压力机中贴靠所述预成形部件挤压弯曲工具，随着敷层被压紧， 工具表面特征形成在部件上。
根据本发明的另 一方面，提供了 一种在连续过程中制造具有定制厚度和 可变厚度的弯曲热塑性层压部件的方法。该方法包括步骤沿着弯曲路径馈 送多层热塑性层压坯料，经过实施结构，形成弯曲预成形部件；沿着弯曲路 径馈送弯曲预成形部件，经过压力机；和挤压预成形部件，压紧敷层并将特 征形成在限定有定制厚度和可变厚度的部件上。该方法可以进一步包括步 骤形成厚度不均匀的多层热塑性材料叠置件，和从该多层叠置件切割弯曲 坯料。叠置件中的敷层粘结在一起，从而当层压坯料馈送经过实施结构时' 保持敷层相对于彼此的固定关系。弯曲的预成形部件加热到热塑性树脂基体 的熔点，然后移动以递进步骤经过压力机，以便好 之后压紧该部件的一部分。
根据本发明的另 一个方面，提供了 一种制造具有定制' 度特征的弯曲热塑性层压部件的方法。该方法包括步骤形成弯曲的多层热 塑性层压坯料；通过让该坯料的一部分变形而形成弯曲的预成形部件；让弯 曲工具与弯曲预成形部件接触；沿着弯曲路径馈送所述弯曲的预成形部件连 同弯曲工具，经过压紧压力机；和将弯曲工具和弯曲预成形部件挤压在一起，
成定制厚度和可变厚度。该方法可以进-
骤形成厚度不均匀的热塑性材料多层叠置件和从所述材料叠置件切割弯 曲坯料。钎焊烙铁等可以用来将敷层粘结在一起，从而将敷层相对于彼此保 同时将坯料变形为预成形部件。 参照附图和权利要求书阅读时，本发明的其他特征、好处和优势将从以 胡的说明中汰现出来。


图1是根据本发明优选实施方式形成的热塑性复合层压件的分解视图和
透视图2是用来形成定制多层叠置件的传送台的透视图； 图3是在图2中形成的定制多层叠置件的示例的透视图； 图4是用来形成图1所示热塑性复合层压件的固化结构的预成形区域和 固4匕区i或的浮见图5是图4所示固化结构的预成形区域的透视图6是根据图2-5用来形成图1所示热塑性复合层压件的优选方法的逻 辑流程图7a-7f是代表根据本发明的方法形成的弯曲热塑性复合层压部件的示 例的透视图8是定制的多层热塑性复合材料叠置件的透视图，从该叠置件切掉了 3个弯曲部件坯库十；
图9是根据本发明的方法，用来形成弯曲热塑性复合部件的工具的透视
图10是用来向弯曲热塑性复合部件形成特征的弯曲工具的透视图； 图ll是图IO所示工具的底视图12是示出了卡在工具两个部分之间的弯曲复合部件一部分的断裂截 面视图13是热塑性复合I形截面梁的分解截面图，示出与工具和用来压紧 层压敷层的机加工压力机处于操作关系；
图14是用在产生弯曲复合部件的方法中的实施结构和压紧压力机的一 部分的透视图15是类似于图14的视图，但是示出了实施结构和压力机的相对侧部； 图16是穿过压力机的截面图，示出了利用固化工具压紧预成形部件的 模具；
图17是压力机一部分的断裂示出，示出了弯曲模具和用来形成曲率恒 定的部件的工具衬套之间的关系；
图18是类似于图17的视图，但是示出了用来形成曲率不恒定的部件的
具体实施例方式
本发明提供一种以连续过程形成定制厚度和可变厚度热塑性复合 ("TPC")层压材料的新颖制造方法。本发明可以广泛应用于多种潜在场合， 包括例如航空领域。理想的情况下，本发明的优选方法适合用于形成飞行器 机身支撑框架中的热塑性复合强化构件。热塑性复合强化构件的可能示例包 括但不限于机身蒙皮、机翼蒙皮、控制表面、舱门面板和通道面板。加强构 件包括但不限于龙骨、地板梁和曱板梁。仅为了说明的目的，本发明首先参 照形成商用飞行器机身中的热塑性复合地板梁20来进行说明。而且，虽然
示出了 I形截面，但是其他强化构件几何形状诸如Z形截面、U形截面、T 形截面等也在在下文中叙述，包括那些沿着其长度方向存在弯曲的形状。
现在参照图1，热塑性复合层压件，这里是热塑性复合层压地板梁20， 具有定制厚度或可变厚度区域tl和t2,图中示出其具有腹板区域22，该腹 板区域在任一端耦接到各一对端盖区域24。腹板区域22和所述一对端盖区 域24通过固化一对厚度不均勻的粘结多层敷层板材叠置件76以及一对热塑 性复合填料衬块(nugget) 26以及一对厚度均匀的粘结多层数层板材叠置件 74而形成单一的整体层压结构。虽然板材叠置件76示为包括2个敷层，但 是应该理解板材叠置件74和76分别可以包括任意数目的敷层，取决于应用 场合。还应该明白，端盖区域24在图1中示出厚度均匀且具有一个敷层， 但是其可以类似地设置有厚度可变的区域和/或多个敷层。
在替代实施方式(未示出)中，热塑性复合层压件诸如地板梁20可以 替代地通过固化一件或多件均勻或非均匀粘结多层敷层板材74、 76与一个 或多个热塑性复合材料30制成的单一敷层(图2中示为32)、 一个或多个热 塑性材料30制成的局部敷层(图3中示为34),或者一个或多个厚度均匀或 非均匀的粘结多层叠置件74、 76或者它们的任意组合，借助文中所述的方 法来形成。此外， 一个或多个填料衬块26也可以与它们组合使用'形成另 一种形式的热塑性复合层压件20。形成热塑性复合地板梁20的方法在图1 中示出，以下将结合图2-6更为详细地i兌明。
用在敷层32、 34中的热塑性材料30包括热塑性基体聚合物(在图3中 示为40 )诸如聚醚醚S同("PEEK")、聚醚酮S同("PEKK")、聚笨硫醚("PPS，，)、 聚醚酰亚胺("PEI"),优选利用纤維部件(图3中示为38 )诸如玻璃纤维(s
9型或e型)或碳纤维加强。热塑性材料30的每个敷层32、 34内的纤维38 可以单向取向或者非均勻布置，取决于具体应用场合。本领域技术人员应该
明白，基体树脂40内的纤维相对类型、厚度和数量以及用在每个数层32、 34内的基体树脂类型可以根据多种因素而显著变化，这些因素包括热塑性复 合材料20的成本以及期望的最终物理和机械属性。此外， 一个敷层32、 34 中单向纤维相对于另一个敷层32、 34的相对取向也会影响热塑性复合层压 件20的机械属性。
衬块26优选用与热塑性材料20相容的热塑性材料借助挤压或其他已知 成形过程来形成。优选衬块26的基体树脂成分42与材料30的基体树脂成 分40相同。此外，填料衬块26可以利用类似于包含在热塑性材料30内的 纤维38的纤维44。
现在参照逻辑流程图(图6)和处理图(图2-5 )，形成图1所示TPC层 压地板梁20的方法从步骤150开始，提供热塑性材料26制成的预成形敷层 32、 34以及预成形填料衬块26，它们各自保持在辊子46或其他施压设备上。
接着，在步骤160中，多个热塑性材料36制成的敷层32、 34叠置成期
望的配置，利用手工铺设或自动化过程形成厚度不均匀或厚度均匀的未粘结 多层敷层板材叠置件58或60。
在自动化过程中，如图2所示，多个热塑性材料30形成的敷层32或34 (图3 )从辊子46上解绕到传送台48上，形成校直的多层厚度不均匀或厚 度均匀的敷层叠置件58或60。辊子46可以位于传送台" 一端50或者沿着 其侧部52、 54设置，从而将各敷层32、 34相对于相邻敷层32、 34以特定 取向铺设。因此，例如，下层完整敷层32可以铺设成让单向纤维"在一个 方向延伸，而接下来的各完整上敷层32可以让单向纤维38铺设在另 一个方 向(例如，相对于下层敷层32成45度或90度)。位于传送台48上的激光 投射器56保证局部或部分敷层34和/或凹坑36相对于完整敷层32正确定位。
根据图2所示过程制作的未粘结、厚度不均勻的多层板材叠置件58的 示例在图3中示出，图3示出了各完整或部分敷层32、 34并另外示出了形 成在敷层32、 34之间的凹坑36。此外，图3示出了部分敷层62、 64，它们 具有相对于彼此呈90度取向铺设的单向纤维38，其中示出了部分敷层62 以第 一取向铺设(纤维38从前部66向背部68延伸)，而部分敷层64以不 同的取向铺设(纤维38从侧部70向侧部72延伸)。当然，虽然并未示出，但是敷层可以具有相对于彼此呈其他取向的纤维38,所述的其他取向范围从
彼此垂直(即，0/90布置)到彼此平行(即，0/0布置)以及介于两者之间的任意可行角度(包括例如，0/30取向，0/60、 0、 45、 90取向等)。
接着，在步骤170中，图2所示未粘结叠置件58、 60的各敷层32、 34全部或其中一些可以在各预定位置粘结在一起，形成厚度均匀或厚度不均匀的粘结多层敷层板材叠置件74、 76。优选，叠置件58、 60用钎焊烙铁或超声焊机(未示出)粘结在一起，形成各叠置件74、 76，当然也可以具体考虑本领域技术人员知道的其他用于将热塑性材料制成的各敷层32、 34耦接在一起的设备。敷层32、 34中粘结部的数量和位置取决于众多因素，包括但不限于各敷层32、 34和凹坑64的数量和位置。此外，粘结部的数量应该足够形成基本上整体粘结并可以作为单一部件运输的叠置件74、 76。
在步骤175中，粘结叠置件74、 76然后可以切割成较小的部件，或者备好用于形成热塑性复合层压件诸如图1所示的地板梁。
接着，在步骤180中，至少一个厚度均匀或不均匀的粘结叠置件74、 76，和厚度不均匀的粘结叠置件76或厚度均匀的粘结叠置件74或单一敷层32至少其中之一，以及任选的至少一个热塑性材料30、 37制成的填料衬块26的组合件在固化结构78中熔合在一起，形成单一的整体热塑性复合层压件，诸如地板梁20。 一种具体设计成形成图1所示的热塑性复合层压件地板梁20的优选固化结构78在下面的图4和5中示出。
现在参照图4和5，固化结构78可以包括预成形区域80和固化区域82。在预成形区域80,至少一个厚度均匀或不均匀的粘结叠置件74、 76，任选至少一个填料衬块26,以及厚度不均匀的粘结叠置件76或厚度均匀的粘结叠置件74或图2和3所示的热塑性材料制成的单一敷层32至少其中之一的组合件在连续过程中以适当取向装载，并在高温下形成期望形状，从而形成预成形部件84。预成形部件84然后离开预成形区域80并进入固化区域82,固化成单一的整体热塑性复合层压件诸如上面图1所示的地板梁川。用来预成形该部件的高温应该足够高，以便让粘结叠置件74、 76或者单一敷层32软化，从而这些层在预成形过程中可以弯曲。但是，该高温应该低于基体树脂40、 42的聚合物组分保持粘性液体一致性的温度。
现在参照图5，固化结构78的预成形区域80包括一对U形工具通道86，其具有被间隙90分开的中央部分88;和一对侧部工具板材构件92。板材构件92还可以称为型芯％。优选通道86和侧部工具构件92由诸如不锈钢等的材料形成，能重复处理高热循环。
第 一对94粘结叠置件74或76引入各中央部分88之间并位于U形通道86的间隙90内。与此同时，任选的填料衬块26以及额外粘结叠置件74或76或敷层32沿着第一对94的每一个法兰96引入并位于各侧部工具构件92内。为了叙述，以下段落针对图4和5，厚度不均匀的粘结叠置件76表示为引入间隙90的第一对94。厚度均匀的粘结叠置件74表示为引入U形通道86外侧部分98和各侧部工具构件92之间的位置。此外，敷层32未在该图中示出。虽然未示出，但是U形通道86包括斜坡以及其他设计成匹配特定村料(这里是第一对94厚度不均匀的粘结叠置件76)制成的层压件的厚度变化(对应于图1中的tl和t2 )的特征。
当粘结叠置件74、 76和衬块26移动通过预成形区域80向固化区域82移动时，第一对94厚度不均匀的粘结叠置件76位于U形通道86任一侧上的法兰96在热量和压力作用下向外弯曲，向着U形通道86各外侧部分98彼此分开。因此，法兰96贴靠着厚度均匀或厚度不均匀的粘结叠置件76的内侧平坦耦接，使得衬块26置于法兰96和厚度均匀或不均匀的粘结叠置件76的各内端之间。预成形区域80内的热量升高，足以允许厚度不均匀的粘结叠置件76的法兰96变形，但是低于各叠置件74、 76以及衬块26的基体树脂40、 24的聚合物成分保持粘性液体一致性的温度。利用外部成形设备诸如辊子(未示出)向法兰96施加压力，由此开始弯折法兰96。侧部工具板材构件92向内贴靠法兰96挤压粘结叠置件74，导致额外的压力施加在法兰96上，协助弯折法兰96。然后预成形部件84备好，移动到固化区域82。
如图4最佳示出，预成形部件84在导向辊子105上进入固化区域82内单独或相连的固化结构102。固化结构102包括多个标准化的工具模具，一般以104指代，它们分别与U形通道和侧部工具板材构件92的外表面配合。工具模具！04的其他细节将在以下参照图13和16讨论。固化结构102的标准化模具104与通道86和板材构件82外表面之间的表面的这种共用性使得不再需要部件专用的昂贵匹配模具，并且消除了敷层配置不同的预成形部件之间的启动时间。
固化结构102具有脉动结构106，其在固化区域82内向前递进地移动预成形部件84并将之从预成形区域80移走，所述部件首先进入加热区域108，
12将该部件加热到允许叠置件74、 76的基体树脂40、 42和衬块26的聚合物 成分能自由流动的温度。接着，部件84向前移动到施压区域112,在此以足 够将粘结叠置件74、 76的各敷层32、 34以及衬块26固化(即，允许基体 树脂自由流动)为期望形状和厚度，即形成地板梁20的腹板区域22和一对 端盖区域24的预定力(压力)将标准化模具104集体或单独向下压。每个 模具104形成具有隔离件的多个不同温度区域。模具104并不实际接触部件 84，而是接触U形通道84和侧部工具板材构件92相对着部件84的外表面。 因此，通道86、 92的各内表面4齐压部件84的部分。这种4齐压可以由全部才莫 具104在一个单独而且协作的步骤中进行。打开模具104，并且部件84在固 化区域102内移动，离开预成形区域80。然后再次闭合模具104,允许部件 84的一部分在压力下在不同的温度区域进行挤压。在部件84沿着导向辊子 105向冷却区域114前进的过程中，该处理过程对于模具104的每个温度区 域重复进行。
成形并塑形后的部件84然后进入冷却区域114，该冷却区域从施压区域 112分开，其中的温度低于基体树脂40、 42的自由流动溫度，从而导致熔合 或固化后的部件硬化，形成最后压制形状116。压制部件116然后离开固化 结构102，侧部板材构件92作为废料重新滚巻到辊子120上。
虽然未示出，但是固化结构102可以具有向压制形状116引入造型和特 征的额外部件或设备。
一种可以采用的优选固化区域结构102是所谓的连续挤压模制 ("CCM")过程，正如德国专利申请公开No. 4017978所述'该文件于1993 年9月30日公开，通过引用方式包含在本文中。但是，本领域技术人员知 道的其他模制过程也纳入了本发明考虑范围，包括但不限于拉挤成形 (pultrusion )或寿昆寿L成形。
接着，在步骤190中，压制部件116经过修边或其他后处理，形成期望 的最终形状，得到热塑性复合层压件20。在步骤加0中'对层压件川进行 视觉检查，优选采用超声无损检测技术，或者利用其他方式来确认层压件塑 形正确并且不包含任何视觉缺陷或其他缺陷。检查之后，在步骤210中，层 压件20诸如热塑性复合地板梁20可以安装到其组件上。就地板梁20而言， 其引入飞行器机身中。
虽然本发明针对形成具有基本上I形梁截面的热塑性复合地板梁20进行了说明，但是本发明也具体考虑了其他可能的形状。这些形状包括具有L 形、C形、T形甚至平板形的热塑性复合层压件，在平板形层压件中，厚度 过渡可以发生在部件的任何截面上。这些替代形状的层压件，甚至其他形式
的地板梁20通过以类似于文中所述的方法固化一个或多个均匀或不均勻的 粘结多层敷层板材74、 76与一个或多个热塑性复合材料30敷层32或一个 或多个热塑性材料30敷层34或一个或多个厚度均匀或不均匀的粘结多层叠 置件74、 76以及它们的任意组合来形成。此外， 一个或多个填料衬块26也 可以用来形成额外替代形式的热塑形复合层压件20。为了实现这些替代的优 选变形方案，需要对预成形区域80内的工具进行改动，从而匹配TPC层压 件20的厚度变化。例如，图5中的U形工具86专用于形成I形梁，诸如图 1所示的地板梁20,而具有间隙90的替代塑形工具86用于形成C形层压件、 L形层压件或各敷层之间具备渐缩部的平板梁。类似于U形工具86,这些 替代工具包括不与叠置件74、 76接触的区域，它们匹配固化区域102内的 标准化模具104。
虽然本发明在理想状态下，利用改动的单一阶段固化区域，适合形成热 塑性复合层压件，但是也可以用来形成热固性层压复合件。在这种改型的固 化过程中，加热和施压区域实现了高于基体树脂反应或固结温度的温度，从 而形成热固性部件。因此，单一压制过程实现了具有最终期望形状的部件' 而不需要后续的施压步骤。
本发明提供了 一种新颖的方法，在连续过程中来制造定制厚度或可变厚 度的复杂热塑性复合层压件。该新颖过程采用了自动化设备或手工铺设来校 直部分或部件，形成多层叠置件。每个叠置件包含全部敷层，包括敷层堆积 区域，在适当位置粘结以保持取向和位置。固化结构采用两阶段方法利用多
层叠置件形成复合层压件并包含实现该结果的全部必要部件特征。工具，诸 如预成形区域80内的U形工具86构造有适当的形状，用来在形成的TPC 层压件20上形成期望的厚度变化，并且进一步设计成与固化区域82内的标
准化模具配合。
利用上述方法形成的复合部件可以用于该广泛的应用场合中，包括例如 汽车和航空领域。根据本发明形成的复合部件示例在理想地情况下适合用作 结构强化构件，包括商用飞行器中的热塑性复合层压地板梁20。
现在参照图7-15，本发明的一种替代实施方式可以用来制造弯曲并且沿着长度方向厚度定制和/或厚度可变的热塑性层压部件。弯曲层压件可以制造 成曲率沿着层压部件长度不变(圆形)或可变。就前述实施方式而言，弯曲 热塑性层压部件可以通过增加部分或局部敷层而实现厚度定制区域或厚度 可变区域，或者包含凹坑的区域。"定制的，，或"定制"表示部件表面的轮 廓，其中有选择地增加或减少部件上具体区域内的敷层，在所述敷层经过压 紧过程而固化之后，可以实现希望的表面轮廓。利用该方法实施方式实现的 弯曲部件可以用在广泛的场合中，诸如框架、环圈、翼肋和结构化飞行器强 化构件或者机身蒙皮、机翼蒙皮、抢门蒙皮和通道蒙皮、龙骨、地板梁和曱
板梁。弯曲部件可以制造成具有各种截面，诸如图7a-7f所示的截面。制造 的具有I形截面的部件212在图7a中示出，而具有U形截面的部件214在 图7b中示出。L形截面部件216在图7c中示出，而T形截面部件在图7d 中示出。具有Z形截面的部件220在图7e中示出，而具有简单矩形截面的 部件222在图7f中示出。在图7a-7f中示出的部件可以如前所述那样具有恒 定和可变的曲率，并且可以沿着其长度在一个或多个点上具有厚度可变或厚 度定制的区域。
根据所述方法实施方式制造弯曲热塑性层压部件的预先步骤类似于前 述内容。多个热塑性材料制成的敷层铺设在传送台上'形成校直的多层厚度 不均匀或均匀的多层叠置件，与前面参照图2所述一样。产生的多层叠置件 因此类似于图3所示的叠置件58,包括完整和部分敷层32、 34以及形成在 敷层32、 34之间的凹坑36。部分敷层62、 64也可以包括在内，它们具有相 对于纤维取向方向以交错角度布置的单向纤维38。如前所述，多层叠置件 58的板材利用钎焊烙铁或其他加热设备(未示出)粘结在一起'以使敷层相 对于彼此保持固定关系。利用前述方法形成的校直、粘结后的叠置件224在 图8中示出。
形成弯曲复合部件的方法的下 一 个步骤包括从校直的叠置件224切割具 体部件敷层叠置件或部件坯料226。这种切割操作例如可以借助在计算机控 制下进行操作的射流切割件(未示出)来实施，该切割件产生的切割坯料226 具有基本上对应于期望部件曲率的外部轮廓。如前所述，该曲率沿着部件坯 料226的长度可以保持恒定，或者可以变化。
部件坯料226连同下文中说明的 一组固化工具235以基本上类似于上文 针对形成不弯曲的复合部件所述的方式馈送到预成形站点275(图14和15)。但是，在当前实施方式中，固化工具235以及坯料226馈送到预成形站点275 时，经过弯曲路径。
图9所示的固化工具235包括弯曲的内外工具衬套228、 230以及上下 工具衬套232、 234。上下工具衬套232、 234各自具有对应于坯料226的曲 率，而内外工具衬套228、 230可以类似地弯曲，或者具有挠性，从而在预 成形过程中遵循部件坯料226的曲率。在图9、 14和15所示的示例中，工 具衬套228-234配置成产生如图7e所示的Z形截面部件220。虽然图中未具 体示出，但是工具衬套228-234的部件侧表面包含在部件上产生镜像特征的 工具特征，诸如可变的厚度、可变的曲率、凹坑等。
现在特別参照图14和15，在部件坯料沿着弯曲路径280馈送到预成形 站点275之前，上下工具衬套232、 234组装在部件坯沖+ 226周围，成形站 点包括多个成形设备268和一组导向件270。可以看出部件坯料226包括平 坦粘结地叠置件262，该叠置件包括Z形截面部件220的腹板220a和端盖 220b (图7e);和形成梁腹板220a局部加强部的一组堆积敷层264。
随着包括部件坯料226和工具衬套232、 234的夹置组件馈送到预成形 站点275，内外工具衬套228、 230馈入，与夹置组件接触。成形设备268 用来使坯料226的边缘部分贴靠工具衬套232、 234上的法兰265发生变形' 从而预成形Z形截面部件220的端盖220b。与此同时，额外的端盖加强敷 层266馈送到成形设备268和工具法兰265之间。导向件270将内外工具衬 套228、 230带入，与形成端盖220b的坯料226边缘接触。预成形坯料226 连同工具衬套235继续沿着弯曲路径280移动，通过弯曲压力机284，诸如 CCM机器，该机器包含向固化工具235施加力的模具。该力导致压紧和固 化预成形部件的敷层。虽然图中未具体示出，但是根据需要设置了加热器或 炉具，将部件坯料226加热到部件坯料226的基体树脂中聚合物成分保持粘 性液体一致性的温度。以这种方式加热部件坯料有利于预成形过程。预加热 部件坯料226的需求取决于多种因素，诸如敷层数目、敷层取向、材料类型、 预成形的形状等。
压力机284基本上类似于上文参照图4所述。但是，与图4所示压力机 不同的是，用在压力机284内的模具包括一定度数的曲率，以适应弯曲的预 成形部件226。 一件这种模具286在图17中示出，可以看出模具S86内面部 296具有符合上工具衬套232的法兰264曲率的曲率。模具286沿着箭头28S方向向内移动，在压紧过程中与法兰265接触，并且相对着另一个弯曲模具
(未示出)，该另一个弯曲模具移动到与内工具衬套228接触。用在压力机 284内的模具曲率大小部分地取决于所形成的弯曲部件的形状以及在部件上 制作特征所需的工具衬套形状。模具286的外面部298可以如图17所示那 样弯曲，或者可以为平坦的。预成形部件沿着弯曲路径280移动，递进地通 过压力机284。当部件在每个递进步骤暂停时，压力机冲莫具在工具衬套235 上施加热量和压力，导致该模具以下的敷层部分固化。
如前所示，层压部件可以具有沿着其长度可变的曲率而非恒定的曲率， 并且在这方面应该注意图18。用来压紧弯曲预成形部件292的模具286具有 曲率恒定内面部296，其啮合工具衬套290的外面部300。工具衬套290的 外面部300具有恒定曲率，符合模具286内面部296的曲率，但是该衬套内 面部302以不同于工具衬套290外面部300半径的半径弯曲，形成外半径非 恒定的部件292。
弯曲热塑性层压部件236的另一个示例在图lO和ll中示出，该部件在 其长度范围内具有曲率并且具有截面为U形的主体238。主体238具有一对 斜坡240，其形成主体238的厚度过渡部，以便于部件236沿着其长度具有
厚度不同的3个部分。此外，主体238的顶侧设置有凹坑或凹陷242,表示 部件236厚度减小的区域。主体238的不同厚度由tl、 t2、 t3表示，而凹坑 244的厚度由t4表示。虽然部件236具有恒定的内外曲率，但是应该理解， 该曲率可以沿着部件23 6的长度发生变化。
图12示出了保持在固化部件敷层的工具衬套246、 280内的部件236的 一部分。可以看出部件敷层236具有敷层堆积区域252,其有效地增大了主 体238的厚度，并且形成斜坡240。工具衬套包括释放剂涂覆的金属垫片2* 和外固化工具部分248，该外固化工具部分具有用来形成斜坡240的斜度。 从图12可以看出，工具衬套248的顶侧平坦，从而可以与通用模具啮合， 诸如图13所示的任何模具256。
图13示出了根据本发明的方法制造的弯曲部件212的另一个示例。部 件212包括具有I形截面的弯曲梁。传统机加工模具256可以用来固化沿着 其长度具有曲率和可变厚度的部件。在本例中'工具衬套包括一对平坦金属 板或垫片260和一对截面基本上为U形的工具衬套258。平坦板材260协助 形成部件212的端盖，而衬套258用来形成端盖部分以及部件212的腹板。衬套258面对部件212的面部可以具有工具特征，诸如抬升的区域或斜坡， 从而在部件212上形成镜像特征。虽然未在图13中具体示出，板材260和 工具衬套258可以沿着其长度弯曲，从而形成同样弯曲的部件212。
虽然本发明针对优选实施方式进行了说明，但是应该理解，本发明当然 不限制于文中所述的实施方式，因为本领域技术人员，特别在参照前述教导 的情况下，可以制作各种改型。
权利要求
1.一种制造热塑性层压部件的方法，包括步骤(A)形成厚度不均匀的多个热塑性材料敷层叠置件；(B)从步骤(A)中形成的该叠置件切割弯曲坯料；(C)将所述弯曲坯料沿着弯曲路径馈送，经过实施结构，形成预成形部件；(D)将所述预成形部件沿着弯曲路径馈送，经过压力机；和(E)给所述预成形部件施压，压紧所述敷层。
2. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，步骤(A)包括将所述叠置 件中的敷层粘结在一起，形成粘结叠置件，其中的敷层彼此保持固定关系。
3. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述粘结操作通过熔化所 述叠置件中的所述敷层的相对部分来实施。
4. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，步骤(C)包括使所述弯曲 坯料的至少一部分发生变形，同时沿着所述弯曲路径移动所述坯料。
5. 如权利要求l所述的方法，进一步包括步骤(F) 贴靠所述坯料放置工具；和(G) 将所述工具连同所述弯曲坯料沿着所述弯曲路径馈送，经过实施结构。
6. 如权利要求5所述的方法，进一步包括步骤(H)将所述工具连同所述弯曲坯料沿着所述弯曲路径馈送'经过所述 压力机。
7. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热塑性材料包括具有 自由流动温度的基体树脂成分，且所述方法进一步包括步骤(F)在实施所述步骤(E)之前，将所述预成形部件加热到至少所述热 塑性材料的基体树脂成分的所述自由流动温度。
8. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，步骤(E)包括 将弯曲工具与所述预成形部件接触；和贴靠所述预成形部件挤压所述弯曲工具，将所述工具的特征形成在所述 预成形部件上。
9. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(B)至步骤(E)在连续过程中进行。
10. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，步骤(D)包括沿着所述弯曲路径移动所述预成形部件，以递进步骤经过所述压力才几；和在所述预成形部件经过其中一个步骤时，每次都实施步骤(E)。
11. 一种利用权利要求1所述的方法制造的热塑性层压部件。
12. —种在连续过程中制造热塑性层压部件的方法，包括步骤(A) 沿着弯曲路径馈送多层热塑性层压坯料，经过实施结构，形成弯 曲预成形部件；(B) 沿着弯曲路径馈送弯曲预成形部件，经过压力机；和(C) 挤压预成形部件，压紧敷层并将特征形成在所述部件上。
13. 如权利要求12所述的方法，进一步包括步骤(D) 形成厚度不均匀的多层热塑性材料叠置件； (l三)从步骤(D)形成的叠置件切割弯曲坯料。
14. 如权利要求13所述的方法，其特征在于，步骤(D)包括将所述叠 置件中的敷层粘结在一起，形成粘结叠置件，其中的敷层相对于彼此保持固 定关系。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述粘结操作通过熔化 所述叠置件中的所述敷层的相对部分来进行。
16. 如权利要求12所述的方法，其特征在于，步骤(A)包括使所述弯 曲坯料的至少一部分变形，同时移动所述坯料经过所述弯曲路径。
17. 如权利要求12所述的方法，进一步包括步骤(D) 贴靠所述坯料放置工具；和(E) 将所述工具连同所述弯曲坯料沿着所述弯曲路径馈送，经过实施结构。
18. 如权利要求17所述的方法，进一步包括步骤(F) 将所述工具连同所述预成形部件沿着所述弯曲路径馈送，经过所 述压力才几。
19. 如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述热塑性层压坯料包 括具有自由流动温度的基体树脂成分，且所述方法进一步包括步骤(D)在实施所述步骤(C)之前，将所述预成形部件加热到至少所述热塑性材料的基体树脂成分的所述自由流动温度。
20. 如权利要求12所述的方法，其特征在于，步骤(C)包括将弯曲工具与所述预成形部件接触；和贴靠所述预成形部件挤压所述弯曲工具，将所述工具的特征形成在所述 预成形部件上。
21. 如权利要求12所述的方法，其特征在于，步骤(B)包括沿着所述弯曲路径移动所述预成形部件，以递进步骤经 过所述压力4几；和在所述预成形部件经过其中一个步骤时，每次都实施步骤(C)。
22. —种利用权利要求]2所述方法制造的热塑性层压部件。
23. —种制造热塑性层压部件的方法，包括步骤(A) 形成弯曲的多层热塑性层压坯料；(B) 通过让该坯料的一部分变形而形成弯曲的预成形部件；(C) 让弯曲工具与弯曲预成形部件接触；(D) 沿着弯曲路径馈送所述弯曲的预成形部件连同弯曲工具，经过压 紧压力机；和(E) 将弯曲工具和弯曲预成形部件挤压在一起，压紧所述层压敷层。
24. 如权利要求23所述的方法，进一步包括步骤(F) 形成厚度不均匀的热塑性材料多层叠置件；和(G) 从步骤(F)形成的所述叠置件切割弯曲坯料。
25. 如权利要求24所述的方法，其特征在于，步骤(F)包括将所述叠置件中的敷层粘结在一起，形成粘结叠置件， 其中的敷层相对于彼此保持固定关系。
26. 如权利要求23所述的方法，其特征在于，步骤(B)通过让所述弯曲坯料沿着弯曲路径经过实施结构来进行。
27. 如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述热塑性层压坯料包 括具有自由流动温度的基体树脂成分，且所述方法进一步包括步骤(F)在实施所述步骤(E)之前，将所述预成形部件加热到至少所述热 塑性材料的基体树脂成分的所述自由流动温度。
28. 如权利要求23所述的方法，其特征在于，步骤(D)包括沿着所述弯曲路径移动所述预成形部件，以递进步骤经过所述压力才几；和在所述预成形部件经过其中一个步骤时，每次都实施步骤(E)。
29. —种利用权利要求23所述方法制造的热塑性层压部件。
全文摘要
一种在连续过程中形成定制厚度和可变厚度的弯曲热塑性复合层压部件的制造方法和一种由该方法获得的弯曲热塑性层压部件。自动化设备或手工铺设可以用来校直部件或元件，形成多层叠置件(226)。每个叠置件包括全部敷层，包括敷层堆积区域，在适当位置粘结以保持取向和位置。敷层固化工具(275、284)包含部件全部必要特征，并且与定制的多个敷层叠置件协作，形成单一整体热塑性复合层压件，该层压件具有厚度不同于所述多个敷层叠置件的区域。
文档编号B29C70/50GK101528446SQ200780038489
公开日2009年9月9日 申请日期2007年8月22日 优先权日2006年10月20日
发明者亚历山大·M·鲁宾, 兰德尔·D·威尔克森, 詹姆斯·R·福克斯 申请人:波音公司