用于制造复合管接头的方法和系统与流程

本PCT专利申请要求于2014年5月16日提交的标题为“METHOD AND SYSTEM FOR MANUFACTURlNG A COMPOSITE TUBE NODE(用于制造复合管接头的方法和系统)”、序列号为61/994,463的临时专利申请的权益，该申请的全部内容被视作本申请的内容的一部分并由此通过参引并入本文中。

技术领域

本发明涉及用于形成具有大致管状结构的框架的方法和系统。更具体地，本发明涉及用于形成用在包括自行车和摩托车的车辆应用中的复合接头和一体的复合管的方法和系统。

背景技术：

自行车和摩托车通常基于包括金属管状构件的框架构造而成，这些金属管状构件焊接在一起或利用凸缘或其它连接件来接合。框架可以包括各种其他元件，比如例如用于保持前叉并允许其枢转的头管和用于接纳座杆的座管等。框架附接有其他系统和组件，比如例如悬架系统、制动组件、电气系统、摩托车燃料箱等。此外，框架提供刚性、消除振动，并且在碰撞事故中保护其他系统等。

复合材料也被用在自行车和摩托车框架的构造中。管由纤维增强树脂材料制造而成并且通常利用模制的且与正被接合的管结合的连接件元件来接合在一起。作为几个具体且非限制性示例，可以使用铸铝或增强的塑料壳。不幸的是，这种组装方法缓慢且昂贵、需要额外的工具作业，并且会导致相对脆弱的连接，因为连接件元件通常必须被拆分开以越过管。此外，以这种方式连接管导致在所得到的接头中产生台阶，这是缺乏美感的。

在不同的方法中，整个复合框架可以被制造为单个部件。该方法包括通过下述方式来将管状结构构件接合在一起：通过如US 4,900,048中所描述的铺设若干层含碳纤维的环氧树脂带，或者如US 6,340,509中所描述的使用具有适当的内部加压囊状部的复杂模具以使预浸坯件成形为期望的形状。不幸的是，上述方法是劳力密集的，需要复杂且专业的工具作业，并且不适合于某些应用。

因此，克服至少一些上述限制和缺点将是有益的。

技术实现要素：

根据本发明的至少一个实施方式的方面，所公开的方法包括：将多部件型芯设置于限定在模具的相对的成形表面之间的型腔内，该多部件型芯中的每个部件包括第一部分和第二部分，其中，第一部分定尺寸成与模具的成形表面形成密封，第二部分定尺寸成在多部件型芯与模具的成形表面之间限定出一空间；在第一模制步骤中形成复合接头元件，包括在多部件型芯中的每个部件与模具的成形表面之间的空间内提供复合材料，以及在多部件型芯放置就位时使复合材料固化；将多部件型芯中的每个部件抽离已成形的接头元件，其中，将每个部件抽离致使该接头元件的开口露出；组装管框架，包括在接头元件位于模具内时将管骨架插入到该接头元件的开口中，每个管骨架包括泡沫芯，该泡沫芯对沿着该泡沫芯的长度延伸的含纤维织物的管状覆盖部进行支承；以及在第二模制步骤中在各管骨架中的每一者上形成复合管元件，包括将树脂材料注入到模具型腔中，使得该树脂材料经由开口渗透穿过含纤维织物并且渗透到接头元件的内部，从而将已成形的管元件连接至该接头元件。

根据本发明的至少一个实施方式的方面，所公开的方法包括：将型芯组件设置在由模具的成形表面界定的模具型腔内；闭合模具，使得型芯组件的第一部分相对于该模具的成形表面形成密封，并且使得在型芯的第二部分与该模具的成形表面之间限定出具有接头元件的形状的连续体积；将复合材料注入到模具型腔中以填充该连续体积；使注入的复合材料固化以形成接头元件；将型芯组件分段移除，其中，将每个型芯部段移除致使该接头元件的开口露出；将管骨架插入到接头元件的开口中，每个管骨架包括支承在泡沫芯上的玻璃织物材料或碳织物材料；以及将树脂材料注入到模具型腔中，使得该树脂材料经由开口渗透穿过玻璃织物材料或碳织物材料并且渗透到接头元件的内部；以及使注入的树脂材料固化，从而形成接合至接头元件的管元件。

根据本发明的至少一个实施方式的方面，所公开的系统包括：模具，该模具具有在该模具处于闭合状态时限定出模具型腔的相对的成形表面，所述相对的成形表面包括第一特征部和第二特征部，其中，第一特征部用于形成接头元件的外表面，第二特征部用于形成多个管元件中的每一者的外表面的第一部分；多部件型芯，该多部件型芯由弹性材料制造而成并且包括第一部分和第二部分，其中，所述第一部分定尺寸成用于相对于模具的成形表面的第二特征部形成密封，所述第二部分定尺寸成限定出位于多部件型芯与模具的成形表面的第一特征部之间的连续体积，该连续体积具有接头元件的形状；以及多个管骨架，所述多个管骨架中的每一者包括由含纤维织物材料包围的泡沫芯，并且每个管骨架至少在其一个端部处定尺寸成与多部件型芯的第二部分的尺寸基本相同。

根据本发明的至少一个实施方式的方面，所公开的系统包括：第一模具，所述第一模具具有在所述第一模具处于闭合状态时限定第一模具型腔的相对的成形表面，所述第一模具的所述相对的成形表面包括第一特征部和第二特征部，其中，所述第一特征部用于形成接头元件的外表面，所述第二特征部用于形成多个管元件中的每一者的外表面的第一部分；多部件型芯，该多部件型芯成形为限定出位于该多部件型芯与模具的成形表面的第一特征部之间的连续体积，该连续体积具有接头元件的形状；多个第二模具，每个第二模具能够以可释放的方式安装至第一模具并且具有包括第三特征部的相对的成形表面，所述第三特征部用于形成多个管元件中的相应一个管元件的外表面的第二部分；以及多个管骨架，每个管骨架定尺寸成接合接头元件的内表面以远离接头元件延伸出第一模具，并且延伸到多个第二模具中的相应的第二模具中，其中，多个管元件中的每个管元件的外表面的第一部分和第二部分在单个模制步骤中形成。

附图说明

现在将仅作为示例并参照附图来描述本发明，其中，贯穿若干视图，相同的附图标记表示相似的元件。应当理解的是，附图不一定按比例绘制。在某些情况下，已经省略了对于理解本公开不必要的或使其他细节难以理解的细节。

图1A是示出了位于第一模具的模具型腔内的多部件型芯的简化立体图。

图1B是沿图1A中的线A-A截取的截面图。

图2A是示出了所制造的复合接头元件的简化立体图，其中，图1A的多部件型芯放置就位。

图2B是沿图2A中的线B-B截取的截面图。

图3A是示出了在移除图1A的多部件型芯之后被插入到复合接头元件的开口中的多个管骨架的简化立体图。

图3B是沿图3A中的线C-C截取的截面图。

图4A是示出了以可释放的方式安装至图1A的第一模具的多个第二模具的简化立体图。

图4B是沿图4A中的线D-D截取的截面图。

图5A是示出了带有一体地形成的复合管部段的成品复合管接头的简化立体图。

图5B是沿图5A中的线E-E截取的截面图。

图6是根据本发明的实施方式的方法的简化流程图。

图7是根据本发明的实施方式的另一方法的简化流程图。

具体实施方式

提供以下描述以使本领域技术人员能够实现和使用本发明，并且以下描述是在特定应用及其要求的语境下提供的。对所公开的实施方式的各种改型对于本领域技术人员而言将是明显的，并且在不背离本发明的范围的情况下，本文所限定的一般原理可以应用于其他实施方式和应用。因此，本发明无意于局限于所公开的实施方式，而是能得到与本文公开的原理和特征一致的最宽范围。

图1A是示出了设置在第一模具102的模具型腔内的多部件型芯100的简化立体图，该模具型腔限定在上模具部件102A和下模具部件102B的相对的成形表面之间。在图1A中示出的具体且非限制性的示例中，多部件型芯100包括三个型芯部件或部段100A、100B和100C。模具102还包括外部工具定位特征部104，该外部工具定位特征部104用于使与模具102相邻的另外的模具(图1A中未示出)定位和固定，如在以下部分中更详细地论述的。此外，模具102包括用于在模制步骤期间使复合材料在模具内热固化的内部加热元件(未示出)。可选地，多部件型芯100的部件100A、100B和100C销接在一起或利用未示出的紧固件以其它方式暂时地接合，以便于将多部件型芯100放置到模具型腔中。

现在参照图1B，所示出的是沿图1A中的线A-A截取的截面图。型芯部件100A被示出为设置在模具型腔106内，该模具型腔106限定在上模具部件102A的成形表面108A与下模具部件102B的相对的成形表面108B之间。如图1B中所示，型芯部件100A具有第一部分110、第二部分112和第三部分116，其中，第一部分110定尺寸成用于将模具102的成形表面108A和108B密封；第二部分112定尺寸成在型芯部件100A与模具102B的成形表面108A和108B之间限定一空间114，第三部分116接合第一部分110和第二部分112。更具体地，第三部分116限定出位于第一部分110与第二部分112之间的渐缩型芯表面118。如将在以下部分中论述的，渐缩型芯表面118用于形成在接头元件的相应的开口处的内倾斜表面。

如图1A中所示，三个型芯部件100A、100B和100C中的每个型芯部件均包括第一部分、第二部分和第三部分(图1A中未标出)。限定在每个型芯部件100A、100B和100C的第二部分与模具的成形表面108A和108B之间的空间总体上限定了具有接头元件的形状的连续体积。在该简化的示例中，型芯部件100A、100B和100C中的每个型芯部件在与相应型芯部件的长度垂直的平面中具有圆形形状的横截面。因此，在型芯部件100A、100B和100C中的每个型芯部件的第二部分与模具102的成形表面108A和108B之间限定有大致环形的空间。可选地，至少一个型芯部件在与所述至少一个型芯部件的长度垂直的平面中具有非圆形形状的横截面。

图2A是示出了已经在模具102中制造出的复合接头元件200的简化立体图，其中，图1A的多部件型芯100放置就位。更具体地，复合材料放置在限定在型芯部件100A、100B和100C中的每一者的第二部分与模具102的成形表面108A和108B之间的连续体积内。复合材料基本充满多部件型芯100与模具102的成形表面之间的体积并且延伸至型芯部件100A、100B和100C中的每一者的渐缩型芯表面118。随后，利用模具102的内部加热元件(未示出)使复合材料热固化，从而形成接头元件200。

现在参照图2B，所示出的是沿图2A中的线B-B截取的截面图。接头元件200被示出为分别位于上模具部件102A和下模具部件102B与型芯部件100A之间。更具体地，接头元件200是围绕型芯部件100A模制的，使得型芯部件100A形成接头200的开口。此外，型芯部件100A的渐缩型芯表面118在接头200的开口处形成倾斜的内表面202。

作为具体且非限制性的示例，含有例如以玻璃纤维或碳纤维填充的聚氨酯或环氧树脂的复合材料经由树脂注入口(未示出)注入到体积中。该具体示例中的纤维相对较短，比如例如0.2mm至4mm。继续注入复合材料，直到体积被基本填满为止。在该示例中，多部件型芯100可选地由具有较高热膨胀系数的硅橡胶或另一材料制造而成。在热固化步骤期间，型芯材料膨胀并将复合材料压靠在模具102的成形表面上。替代性地，多部件型芯100由具有较低热膨胀系数的碳复合材料、钢、铝或其他适合的材料制造而成。在这种情况下，在足够高的压力下注入复合材料，以确保复合材料被压靠在模具102的成形表面上。

作为另一具体且非限制性的示例，在环氧树脂基体材料中包括玻璃纤维或碳纤维的预浸材料包绕在型芯部件100A、100B和100C的第二部分周围。当多部件型芯100放置在模具102中并且模具102闭合时，预浸材料将具有接头元件的形状的体积基本填满。在该示例中，多部件型芯100由具有较高的热膨胀系数的硅橡胶或另一材料制成。在热固化步骤期间，型芯材料膨胀并将预浸材料压靠在模具102的成形表面上。

在执行热固化步骤之后，并且在已成形的接头元件200仍然位于模具102中的情况下，将型芯部件100A、100B和100C抽离已成形的接头元件200。移除型芯部件100A、100B和100C使接头元件200的相应开口露出，接头元件200的相应开口经由接头元件200的开放内部结构彼此连通。图3A是示出了在移除图1A的多部件型芯100之后被插入到复合接头元件200的开口中的多个管骨架300A、300B和300C的简化立体图。

现在参照图3B，所示出的是沿图3A中的线C-C截取的截面图。图3B中的被视作管骨架300A、300B和300C的代表的管骨架300A包括对编织的或非织造的碳织物材料或玻璃织物材料304进行支承的泡沫芯302。泡沫芯302具有第一部分306、第二部分308和第三部分310，其中，第一部分306的尺寸大于第二部分308的尺寸，第三部分310接合第一部分306和第二部分308并限定出渐缩型芯表面312。当管骨架300A插入到接头元件200的开口中时，如图3B中所示，织物材料304占据泡沫芯302与接头元件200的内表面之间或泡沫芯302与模具102的成形表面108A和108B之间的空间。泡沫芯302的渐缩型芯表面312与接头元件200的开口处的内倾斜表面202互补。如将对本领域普通技术人员而言明显的，渐缩型芯表面312和内倾斜表面202有利于使管元件与接头元件接合并且在接缝处没有材料台阶。

图4A是示出了以可释放的方式安装至图1A的第一模具102的多个第二模具400A、400B和400C的简化立体图。特别地，每个第二模具400A、400B和400C包括用于与模具102的工具定位特征部104之一互锁的工具定位特征部(未标出)。每个第二模具400具有限定在其相对的成形表面之间的模具型腔，当处于图4A中示出的组装状态时，每个第二模具400A、400B和400C的模具型腔与模具102的模具型腔106的一部分对准。图4A中还示出了多个管骨架300A、300B和300C，管骨架300A、300B和300C中的每一者均延伸出模具102的模具型腔106并延伸到第二模具400A、400B和400C中的相邻一者的模具型腔中。在第一模制步骤中形成接头元件200之后，利用图4A中示出的模具组件在第二模制步骤中形成复合管元件。

第二模制步骤包括经由第二模具400A的树脂注入口402注入树脂。树脂在足以使树脂渗透穿过支承在管骨架300A的泡沫芯302上的织物材料304的压力下注入。树脂继续渗透穿过织物材料304，穿过接头元件200的内部，随后渗透穿过由管骨架300B和300C中的每一者的泡沫芯302支承的织物材料304。第二模具400B和400C的真空/通气口404有助于使所注入的树脂移动穿过模具组件。例如，经由真空/通气口404施加真空，以便将树脂抽吸穿过织物材料304并将树脂抽出第二模具400B和400C。所注入的树脂随后被热固化并与接头元件200结合，从而形成一体的接头/管组件。

参照图4B，所示出的是沿图4A中的线D-D截取的截面图。具体地，图4B示出了已渗透穿过织物材料304并且仅渗透至竖向虚线的所注入的树脂材料406。树脂材料406已经前进经过接头元件202的开口处的内斜面202，并且已经进入到接头元件200的内部。当经由树脂源402注入额外的树脂材料406时，树脂材料406将继续渗透穿过织物材料304，进一步前进穿过接头元件200的内部并最终被抽吸穿过第二模具400B和400C。如上所述，所注入的树脂材料随后被热固化以形成一体的接头/管组件。

图5A示出了在已从图4A的模具组件中移出的一体的接头/管组件500。图5B是沿图5A中的线E-E截取的截面图。如图5B中最清楚地示出的，复合管元件502A和接头元件200通过无台阶接缝504接合，并且复合管元件502A延伸穿过接头元件200的开口并延伸到接头元件200的内部。在如图5B中所示的具体且非限制性示例中，在第二模制步骤之后，泡沫芯302保留在复合管元件502A内。可选地，例如通过利用适合的溶剂液体将泡沫芯302移除。

参照图1A至图5A和图1B至图5B描述的系统和方法利用第一模具形成接头元件200以及复合管元件502A、502B和502C中的每一者的一部分。这种方法减少了所需的工具作业，产生了更坚固的部件并减少了后处理步骤(即，不需要粘合剂、允许更少的边缘修整及减少了配合问题等)。以可释放的方式安装的第二模具的使用允许在不需要多个工具套件、配件等的情况下制造大且复杂的管/接头组件。

现在参照图6，所示出的是根据本发明的实施方式的方法的简化流程图。在600处，在模具腔体内设置多部件型芯，该模具型腔限定在模具的相对的成形表面之间。如在前面的段落中所论述的，多部件型芯的每个部件均包括第一部分和第二部分，其中，第一部分定尺寸成与模具的成形表面形成密封，第二部分定尺寸成在多部件型芯与模具的成形表面之间限定一空间。多部件型芯的各个部件可选地销接在一起以防止在将多部件型芯被放置到模具型腔中时各个部件发生分离。可选地，多部件型芯由具有相对较高的热膨胀系数的材料(例如硅橡胶)或由具有相对较低的热膨胀系数的材料(例如碳复合材料)制造而成。

在602处，在第一模制步骤中，在多部件型芯的各部件与模具的成形表面之间的空间内形成复合接头元件。更具体地，在多部件型芯放置就位时，在空间内提供复合材料并且施加热量和压力以固化复合材料。可选地，复合材料以被注入到空间中的填充有玻璃或碳的聚氨酯或环氧树脂的形式提供，在这种情况下，玻璃纤维或碳纤维相对较短(例如0.1mm至4mm)。替代性地，复合材料以预浸材料的形式提供，在将多部件型芯设置在模具型腔中之前该预浸材料被包绕在多部件型芯周围，在这种情况下，玻璃纤维或碳纤维相对较长(大于4mm)。当以预浸材料的形式提供复合材料时，则型芯应当由在加热时膨胀的量足以使预浸材料压靠在模具的成形表面上的硅橡胶或另一材料来制造。

在604处，将多部件型芯的每个部件抽离已成形的接头元件，从而使接头元件的开口露出。接头元件的开口经由该接头元件的开放内部结构彼此连通，这是在第一模制步骤期间型芯存在于模具型腔内的结果。在606处，组装管框架，包括：在接头元件仍在模具内时将管骨架插入到接头元件的开口中。特别地，每个管骨架包括泡沫芯，该泡沫芯对沿着泡沫芯的长度延伸的含纤维织物的管状覆盖部进行支承。在608处，在第二模制步骤中，在管骨架中的每个管骨架上形成复合管元件，包括：将树脂材料注入到模具型腔中，使得树脂材料经由开口渗透穿过含纤维织物并且渗透到接头元件的内部。注入的树脂材料被热固化，从而将已成形的管元件接合至接头元件以形成一体的接头/管组件。

现在参照图7，所示出的是根据本发明的实施方式的方法的简化流程图。在700处，在由模具的成形表面界定的模具型腔内设置型芯组件。特别地，型芯组件是多部件型芯。型芯组件包括第一部分和第二部分，其中，第一部分定尺寸成与模具的成形表面形成密封，第二部分定尺寸成在多部件型芯与模具的成形表面之间限定一空间。多部件型芯的各个部分可选地销接在一起以防止它们在多部件型芯被放置到模具型腔中时发生分离。可选地，多部件型芯由具有相对较高的热膨胀系数的材料(例如硅橡胶)或由具有相对较低的热膨胀系数的材料(例如碳)制造而成。

在702处，将模具闭合，使得型芯组件的第一部分相对于模具的成形表面形成密封，并且使得在型芯的第二部分与模具的成形表面之间限定有具有接头元件的形状的连续体积。在704处，将复合材料注入到模具型腔中以填充连续体积。例如，复合材料是填充有玻璃纤维或碳纤维的聚氨酯或环氧树脂。在706处，使注入的复合材料固化，从而形成接头元件。在708处，将型芯组件分段地移除，其中，每个型芯部段的移除使得接头元件的开口露出。在710处，将管骨架插入到接头元件的开口中，每个管骨架包括支承在泡沫芯上的玻璃织物材料或碳织物材料。在712处，树脂材料被注入到模具型腔中，使得树脂材料经由开口渗透穿过玻璃织物材料或碳织物材料并且渗透到接头元件的内部。在714处，使注入的树脂材料固化，从而形成接合至接头元件的管元件。

尽管以上描述构成了本发明的多个实施方式，但是应当领会的是，在不脱离所附权利要求的公正含义的情况下，易于对本发明做出进一步的修改和改变。