用于压缩成型纤维增强的热塑性零件的方法和设备的制造方法
【专利说明】用于压缩成型纤维增强的热塑性零件的方法和设备
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请与在2013年12月3日与此同时提交的共同未决美国专利申请序列号第14/095, 531号(代理人案号:12-1660-US-NP)和在2013年12月3日与此同时提交的共同未决的美国专利申请序列号第14/095，693号(代理人案号:13-0764-US-NP)相关。
技术领域
[0003]本申请涉及压缩成型，更具体地，涉及用于压缩成型纤维增强的热塑性零件的方法和设备
【背景技术】
[0004]在飞行器及其他产业中，由复合材料或者复合材料与轻质金属的结合来制作各种零件和结构，这是因为复合材料与轻质金属具有相对高的强度重量比(strength-to-weight rat1s)。在具有轮廓(contours)或者相对复杂的几何形状的零件的情况中，常常使用热固性的预浸带铺设技术和热压罐固化来制作零件。预浸带或者纤维束(tow)的带宽被并排铺设以形成多层层压制品。在零件需要装配在沿着该零件的负荷输入位置处的这些应用中，定制的金属配件(fitting)被单独加工并且然后被固定在复合材料层压零件上。根据零件的几何形状，有时被称作“面条(noodles) ”的填充物必须安装在零件中的间隙或者腔中以增强接合处。
[0005]上述的复合材料层压制品的制作过程是耗时的、劳动密集的以及需要诸如自动纤维铺放机器的资本昂贵装备。此外，这些复合材料层压零件可能比预期的重，这是因为局部增强所需要的垫片必须逐渐形成，因此需要放置额外的板层材料。此外，复合材料层压零件可以在围绕层压制品中的开口处呈现切口敏感性(notch sensitivity),诸如围绕在层压零件已经固化之后在层压零件中钻孔或者切割出的减重孔。
[0006]具有短纤维增强物的热塑性零件可以被成型成各种形状，然而由于熔融的热塑性树脂的高粘度限制树脂流动，使零件特征成为一个整体的能力受限制。在增强纤维相对较长，纤维含量高以及需要的流动距离长的情况下，使树脂流动的能力被特别地限制。并且，诸如注塑成型的成型技术可以具有损坏纤维的趋势，从而影响成型零件的强度。其他成型技术(诸如挤压成型)局限于生产具有相同的横截面形状的单个、直的零件。
[0007]因此，需要用于制作具有曲线、轮廓线或者复杂的几何形状的复合材料零件的方法和设备，其避免了对铺设薄层的需要并且减少涉及的劳动力以及资本昂贵的装备。还需要具有复杂几何形状的复合材料零件，其具有集成的特征和能够在高速率生产环境中快速地和经济地制作的配件。
【发明内容】
[0008]公开的实施方式提供了使用利用短纤维增强的热塑性树脂的压缩成型的用于生产复合材料零件的方法和设备。可以在无需真空装袋和压热器法的情况下制作具有轮廓线、曲线和/或复杂的几何图形的复合材料零件。配件可以一体化至零件中，从而减小或者消除了对分开制作和将配件附加至零件的需要。减小制作零件对接触工人的需要，并且可以降低总的零件重量。可以使用相对便宜的成型装备更加迅速地和经济地制作具有复杂的几何图形的零件。可以便宜地使具有高短纤维含量的增强热塑性零件成型，并且在成型过程期间基本上没有损坏纤维。可以实现长的树脂流动距离以允许在沿着零件的长度的任一点上成型复杂的零件特征。可以制成具有沿着他们的长度在几何形状上变化(包括在大小、厚度以及曲度上的变化)的横截面的伸长的增强热塑性零件。
[0009]根据一个公开的实施方式，提供了压缩成型伸长的纤维增强的热塑性零件的方法。方法包括装填模具装料(mold charge)，包括装填大量的纤维增强的热塑性树脂薄片(flake)，并且加热模具装料直至模具装料是可流动的。可以通过将大量的纤维增强的热塑性树脂薄片装填至汽缸中来执行装填模具装料。加热模具装料包括加热纤维增强的热塑性树脂薄片至树脂的熔化温度。方法还包括对模具进行加热，并且将模具装料成型为零件。通过将可流动的模具装料注入加热的模具内使模具装料成型为零件。方法还包括冷却模具直至模具装料能够保持其形状，接着可以从模具移除成型的模具装料。通过将模具冷却至薄片中的树脂的玻璃转化温度以下的温度来实现冷却。将模具装料加热至薄片中的树脂的熔化温度使模具装料变得是可流动的。模具装料可以预固化(pre-consolidated)并且装填至汽缸中，汽缸被加热并且用于将可流动的模具装料注入到加热的模具内。模具装料可以被预固化成可以储存直至可供使用的棒条(slug)。装填模具装料包括装填棒条。可以通过将大量的纤维增强的树脂薄片放置到腔内，将纤维增强的薄片加热至纤维增强的薄片中的树脂的熔化温度直至在压缩它们时它们粘附至彼此，然后将棒条冷却直至薄片形成可以被处理和储存的期望的形状来实现预固化。当准备好使用时，预固化的棒条被装填这装料汽缸中并且重新加热到树脂的熔化温度。
[0010]根据另一实施方式，提供了压缩成型具有至少一个一体化的配件的热塑性复合材料零件的方法。预固化纤维增强的热塑性树脂薄片的装料(charge)，并且将装料放置在汽缸中。汽缸与具有零件腔(part cavity)和至少一个配件腔(fitting cavity)的模具工具(mold tool)相耦接。在汽缸内加热预固化装料以形成热塑性树脂和增强纤维的可流动的混合物。通过在汽缸内压缩可流动的混合物使可流动的混合物流动到零件腔和配件腔内。可以通过在管道中放置大量纤维增强的热塑性树脂薄片；并且加热纤维增强的热塑性薄片直至它们软化并粘附至彼此；以及将加热的纤维增强的热塑性薄片压缩成棒条来实现装料的预固化。将棒条放置到汽缸中并且通过汽缸中的活塞压缩以使树脂和纤维的可流动的混合物注入到模具工具内。可选地，具有配件腔的模具模块可以附接至模具工具以将配件与零件一体成型。
[0011]根据又一个实施方式，提供了用于压缩成型纤维增强塑料树脂零件的设备。设备包括:具有零件腔的模具工具；以及与零件腔耦接并且适配于包含纤维增强的热塑性树脂薄片的预固化装料的汽缸。设备还包括用于将预固化的装料加热为树脂和增强纤维的可流动的混合物的加热器；以及处于汽缸中的活塞。与活塞耦接的致动器推动活塞压缩可流动的混合物并且将可流动的混合物推动到零件腔内。模具工具可以包括模具模块，该模具模块具有用于使配件与零件一体成型的模具配件腔。模具模块可以从模具工具移除。零件腔可以延伸并且包括纵轴(longitudinal axis),并且汽缸可以包括与零件腔的纵轴总体上轴向对准的纵轴。加热器包括围绕汽缸的用于加热汽缸的多个加热带。设备还可以包括用于将装料预固化成总体上是圆柱形棒条的工具。工具包括管道，大量纤维增强的热塑性树脂薄片可以被引入该管道。一种或多种带式加热器套在管道上用于加热管道。可以将重物引入管道中，用于在作用于重物(mass)上的重力下压缩纤维增强的热塑性树脂薄片。
[0012]可在本发明的各种实施方式中独立地获得或可结合其他的实施方式获得特征、功能和优势，可参考下述【具体实施方式】和附图看出其另外的细节。
【附图说明】
[0013]在所附权利要求中阐述了被认为是新颖性特征的示例性实施方式的特性。然而，通过参照结合附图阅读时对本公开的示例性实施方式的以下详细描述中，将充分地理解示例性实施方式以及所使用的优选的方式、其他目的和优点，在附图中:
[0014]图1是用于压缩成型纤维增强的热塑性零件的设备的侧视图的图解示图。
[0015]图2是在图1中被指定为“图2”的区域的示图。
[0016]图3是放置在图2中示出的设备中的模具装料中的薄片中的一个的示图。
[0017]图4是具有可替换形状的薄片的示图。
[0018]图5是具有一体的端部配件的纤维增强的、热塑性I形梁的立体图的示图。
[0019]图6是具有一体的配件的纤维增强的、热塑性空心梁的立体图的示图。
[0020]图7是纤维增强的、热塑性T形框架的端部的立体图的示图。
[0021]图8是纤维增强的、热塑性帽子桁梁的端部的立体图的示图。
[0022]图9是用于压缩成型纤维增强的热塑性零件、局部分解以显示模具插入件的模块化的模具工具、断裂成段以更好地示出装料汽缸的带式加热器中的一个的零件的设备的立体图的示图。
[0023]图10是在图9中示出的设备中使用的预固化热塑性棒条的立体图的示图。
[0024]图11是形成图9中示出的设备的零件的模具工具的立体、分解图的示图。
[0025]图12是用于压缩成型纤维增强的热塑性零件的设备的可替换实施方式的图解视图的示图。
[0026]图12A是用于压缩成型纤维增强的热塑性零件的设备的另一个可替换实施方式的图解视图的示图。
[0027]图13是用于生产图10中示出的棒条的设备的等距视图的示图。
[0028]图14是用于压缩成型纤维增强的塑料零件的方法的流程图的示图。
[0029]图15是飞行器制造及服务方法的流程图的示图。
[0030]图16是飞行器的框图的示图。
【具体实施方式】
[0031]参