使用可再配置uv源安装元件制造弯曲夹层结构的方法
【专利摘要】一种用于制造包括微桁架结构的弯曲的车辆冲击夹层梁的方法。该方法包括将模具定位成与弯曲的底部面板接触使得所述模具和所述底部面板限定储存器。所述储存器填充有液体感光性聚合体树脂且掩模定位在所述储存器上。一组UV光源相对于所述掩模设置在安装构件上且所述安装构件被挠曲以符合所述底部面板的形状。来自UV源的光通过所述掩模中的孔照射以在所述储存器中固化并形成聚合撑条以限定形成至面板的微桁架结构。
【专利说明】
使用可再配置UV源安装元件制造弯曲夹层结构的方法
技术领域
[0001]本发明大体涉及用于制造弯曲的微桁架夹层结构的方法，以及更确切地指使用UV光源设在其上的可再配置安装元件来制造弯曲的微桁架夹层结构的方法。
【背景技术】
[0002]现代车辆装备有大量的冲击梁，其提供结构完整性来对抗与其它物体(例如其它车辆)的碰撞和冲击。更确切地，冲击梁传统地使用在车辆设计中来在车辆碰撞情形中通过形变吸收能量和将应用的动态负荷分配至车辆上的其它能量吸收子系统来保护拥有者防止前面的、侧面的和/或后面的冲击。例如，已知在车辆上的前部能量管理或减震器组件，后部能量管理或减震器组件以及侧面冲击组件中提供冲击梁。在车辆的前部和后部处的冲击梁通常称作缓冲梁，以及在车辆侧面上的冲击梁有时称作防入侵条。在所有情形中，需要提供具有轻质量、大的弯曲刚度和强度以及每单位质量具有大的能量吸收的冲击梁。轻质需求由于燃料经济标准和冲击梁位于非常靠近且非常远离车辆的质量中心两者的事实来预计到。如果梁是来免于低速碰撞没有损坏，且在贯穿高速冲击事件的持续期间传递冲击负荷，则最大化弯曲刚度和强度是必需的。此外，高水平的能量吸收转化成至车辆的拥有者的减小的负荷传递，由此增加安全性。
[0003]在一已知的车辆前部能量管理系统中，冲击梁由顶部和底部面板与内部结构芯结合构成用于以轻质和成本有效的方式提供高能量冲击阻力。典型地，用于此类系统的冲击梁包括挤出的、乳制成型等的铝、钢、碳纤维等层。坚硬的能量吸收层可以成型在大体具有外部筋膜装饰板的形状的冲击梁上。然后柔软的能量吸收层成型在坚硬的能量吸收层上，且然后在柔软的能量吸收层上方提供前部筋膜板。坚硬的能量吸收层与柔软的能量吸收层的结合提供了冲击梁与前部筋膜板之间的过渡，以便于允许系统与前部筋膜板的所需形状一致，该前部筋膜板可具有由于车辆式样所需要的大角度和形状。坚硬的能量吸收层和柔软的能量吸收层也提供筋膜板和冲击梁之间的过渡以有效地吸收低速冲击而不显著危及系统完整性。
[0004]在本领域中提供具有夹层结构的车辆冲击梁是已知的。这些现有技术的冲击梁能够大体归类成三种设计，即:以聚合体或金属泡沫完全或局部增强的中空梁，以蜂巢式蜂窝芯增强的单侧或双侧面板以及成型的复合材料冲击梁。对于以轻质泡沫芯完全或者局部增强的中空金属或聚合体基质复合材料管结构，使用于芯的材料能够是连结、机械附接或者过盈配合至管结构中的金属或者聚合体泡沫。芯的目的是来承载夹层结构中的剪切负荷，且在低速或高速冲击情形中吸收能量，其根据泡沫的密度和组成而具有区别。使用蜂巢或蜂巢式布置的蜂窝芯来提供对于一个或两个扁平面板的增强具有开放侧夹层设计，以及具有从冲击梁的前面向后朝车辆的乘客舱延伸的蜂巢、离散硬化的或者酒板条箱的结构。如果第二面板未包括在芯和乘客舱之间，则芯材料必须是相对密实的，因为其提供大多数的弯曲刚度给邻近剪切负荷传递的结构。
[0005]对于连续的或者不连续的纤维增强聚合体基质复合材料冲击梁，基质材料可以是经由树脂传递模塑、压缩模塑、吹塑或其它相似制造工艺注入的热塑性或者热固性聚合体。
[0006]在本领域中还已知来制造包括单个桁架或格子架构(后文中等同地称作微桁架或者微型格)的三维网状的感光性聚合体波导。例如，美国专利号7，653，279和7，382，959公开了用于制造此类微桁架结构的工艺。大体上，该工艺包括提供填充以一定体积的可固化单体的储存器或模具且覆盖以包括按策略定位的孔的掩模。UV光源相对于掩模被定位且暴露至穿过掩模孔的平行UV光形成一组相互连接的自传播感光性聚合体波导(此文中称作撑条(strut))以形成桁架或者格子架构。当感光性聚合体波导成型时，储存器中未暴露至UV光的未聚合的单体被清空。然后微桁架结构可经历后固化操作来增加感光性聚合体波导中的交联密度。此后固化可以通过热固化、额外的暴露至UV光以及等效方法或其的结合来完成。
【发明内容】
[0007]本公开内容描述了用于制造包括微桁架结构的弯曲夹层梁的工艺。该方法包括将模具定位成与弯曲底部面板接触使得模具和底部面板限定储存器。储存器填充液体感光性聚合体树脂且掩模定位在储存器上。一组UV光源相对于掩模设置在安装构件上且安装构件弯曲以符合底部面板的形状。来自UV源的光通过在掩模中的孔照射以在储存器中固化和形成聚合撑条来限定形成至面板的微桁架结构。
[0008]结合附图，本发明的额外技术特征从以下描述和所附权利要求将变得显而易见的。
[0009]根据本发明的实施例，其还存在以下技术方案:
1.一种用于制造微桁架夹层结构的方法，所述方法包括:
提供底部面板；
将模具定位成与所述底部面板接触使得所述模具和所述底部面板限定储存器；
以液体感光性聚合体树脂填充所述储存器；
相对于所述模具定位包括紫外线(UV)透明区域和UV不透明区域的掩模；
将安装构件定位成离所述掩模预定距离，包括一个或更多个光学元件的所述安装构件提供紫外线(UV)光；以及
从所述一个或更多个光学元件照射光到所述掩模上，使得UV光通过所述UV透明区域照射进入聚合体，以便于固化所述聚合体且形成固定到所述底部面板的微桁架结构。
[0010]2.如技术方案I所述的方法，其中，提供底部面板包括提供扁平的底部面板，定位掩模包括将所述掩模定位在扁平构型中以及定位安装构件包括将安装构件定位在扁平构型中。
[0011]3.如技术方案I所述的方法，其中，提供底部面板包括提供弯曲的底部面板，定位掩模包括将所述掩模定位在弯曲构型中，以及定位安装构件包括定位可再配置安装构件和配置几何形状且将所述可再配置安装构件定位在弯曲构型中，使得所述微桁架结构以弯曲形式在面板上成型。
[0012]4.如技术方案I所述的方法，其中，提供底部面板包括提供弯曲的底部面板，定位掩模包括将掩模定位在弯曲构型中，以及定位安装构件包括将所述安装构件定位在扁平构型中。
[0013]5.如技术方案4所述的方法，其进一步包括定位在所述安装元件和所述掩模之间的透镜或反射镜阵列，所述透镜或反射镜阵列将来自所述一个或更多个光学元件的所述UV光重新引导至所述掩模。
[0014]6.如技术方案I所述的方法，其中，所述安装构件是轨道且至少一个光学元件安装台车上，所述台车可在轨道上移动。
[0015]7.如技术方案6所述的方法，其中，提供底部面板包括提供弯曲的底部面板，定位掩模包括将所述掩模定位在弯曲构型中，以及定位安装构件包括将所述安装构件定位在弯曲构型中，使得所述微桁架结构以弯曲形式在面板上成型。
[0016]8.如技术方案I所述的方法，其中，所述一个或更多个光学元件包括定位在所述可再配置安装元件上的多个间隔开的LED。
[0017]9.如技术方案I所述的方法，其中，所述一个或更多个光学元件包括一个或更多个透镜、棱镜和反射镜。
[0018]10.如技术方案I所述的方法，其中，所述底部面板选自包括下列的组:铝、铝合金、碳纤维、金属、热塑性聚合体和玻璃纤维。
[0019]11.如技术方案I所述的方法，其中，所述弯曲微桁架夹层结构是车辆结构。
[0020]12.如技术方案11所述的方法，其中，所述车辆结构是冲击梁。
[0021]13.一种制造用于车辆的弯曲微桁架夹层结构的方法，所述方法包括:
提供弯曲的底部面板；
将模具定位成与所述底部面板接触使得所述模具和所述底部面板限定储存器；
以液体感光性聚合体树脂填充所述储存器；
相对于所述模具定位包括紫外线(UV)透明区域和UV不透明区域的弯曲的掩模；将可再配置安装构件定位成离弯曲构型中的所述掩模预定距离，所述可再配置安装构件包括多个间隔开的紫外线(UV)光源；以及
从所述光源照射光到所述掩模上使得UV光通过所述UV透明区域照射进入所述聚合体，以便于固化所述聚合体且形成固定到所述底部面板的微桁架结构。
[0022]14.如技术方案13所述的方法，其中，所述可再配置安装构件是轨道且至少一个光学元件安装在台车上，所述台车可在轨道上移动。
[0023]15.如技术方案13所述的方法，其中，所述UV光源是LED。
[0024]16.如技术方案13所述的方法，其中，所述底部面板选自包括下列的组:铝、铝合金、碳纤维、金属、热塑性聚合体和玻璃纤维。
[0025]17.一种用于制造微桁架夹层结构的系统，所述系统包括:
用于提供底部面板的装置；
用于将模具定位成与所述底部面板接触使得所述模具和所述底部面板限定储存器的装置；
用于以液体感光性聚合体树脂填充所述储存器的装置；
用于相对于所述模具定位包括紫外线(UV)透明区域和UV不透明区域的掩模的装置；用于离所述掩模预定距离地定位和配置安装构件的几何形状的装置，所述安装构件包括提供紫外线(UV)光的一个或更多个光学元件；以及
用于从所述一个或更多个光学元件照射光到所述掩模上使得UV光通过所述UV透明区域照射进入所述聚合体以固化所述聚合体且形成固定到所述底部面板的微桁架结构的装置。
[0026]18.如技术方案17所述的系统，其中，用于提供底部面板的所述装置提供扁平的底部面板，用于定位掩模的所述装置将所述掩模定位在扁平构型中，以及用于定位和配置安装构件的所述几何形状的装置将所述安装构件定位和重塑在扁平构型中。
[0027]19.如技术方案17所述的系统，其中，用于提供底部面板的所述装置提供弯曲的底部面板，用于定位掩模的所述装置将所述掩模定位在弯曲构型中，以及用于定位和配置安装构件的所述几何形状的装置将所述安装构件定位和重塑在弯曲构型中，使得所述微桁架结构以弯曲形式在面板上成型。
[0028]20.如技术方案17所述的系统，其中，用于提供底部面板的所述装置提供弯曲的底部面板，用于定位掩模的所述装置将所述掩模定位在弯曲构型中，以及用于定位安装构件的装置将所述安装构件定位在扁平构型中。
【附图说明】
[0029]图1-4显示用于具有微桁架芯的弯曲夹层板的一组制造步骤；
图5是包括闭合侧的微桁架结构梁的截面类型视图；
图6-10显示用于具有微桁架芯的弯曲夹层板的一组制造步骤；
图11是包括安装元件的微桁架制造工艺的图示；
图12是显示安装元件在挠曲状态中的微桁架制造工艺的图示；
图13是显示UV源在固定至弯曲的安装元件的台车上的微桁架制造工艺的图示，该安装元件可以是固定的或者可再配置的；
图14是带有台车在弯曲的安装元件上的微桁架制造工艺的图示；
图15是显示直的安装元件和在弯曲构型中的掩模的微桁架制造工艺的图示；以及图16是显示在直的构型中的安装元件和在弯曲构型中的掩模且带有透镜在其间的微桁架制造工艺的图示。
【具体实施方式】
[0030]针对用于制造使用UV安装元件的弯曲冲击梁的技术的本发明的实施例的下列讨论在本质上仅仅是示例性的，且不以任何方式旨在来限制本发明或者其应用或使用。
[0031]如将在下面所详细讨论的，本发明提出了许多结构和相关方法用于提供带有夹层构造并入架构的芯材料(此文中称作微桁架结构或者微桁架芯)的梁，例如用于车辆的冲击梁。架构的芯材料由一组重复的按次序布置的三维聚合体波导构成。虽然在车辆冲击梁领域中已知夹层结构，但是本发明与其它设计的区别在于对于微桁架夹层芯的使用和其的成型工艺。如将讨论的，带有架构的微桁架芯的夹层结构使梁具有迄今为止使用已知方法不可能具有的能力和性能。
[0032]与可替代的随机夹层芯材料(例如金属或聚合体泡沫)相比，微桁架芯材料具有增加的刚度和强度，因为它使得能够精确控制材料分布和取向。与其它高强度和高硬度芯材料(例如金属或复合材料蜂巢)相比，微桁架芯材料能够以低得多的成本制造。因为微桁架芯就地成型且直接连结至弯曲表面、紧固件和有角度表面上，其省去了昂贵的对于与蜂巢芯相关的二次加工和多阶段连结操作的需要。微桁架制造工艺使得能够使用单一材料来进行功能分级和在整个三维方向上进行芯的物理和机械性质的空间控制，这是使用在芯中不同位置处具有均一的物理和机械性质的所有其它夹层芯形式不可能实现的。在梁中，能够使用功能分级来在梁的局部区域(例如附接点、梁中间跨接点或可能具有冲击负荷的位置)中提供增强的结构支撑。聚合体微桁架芯材料能够集成至包含铝、钢或碳纤维增强聚合体面板或者其的任意结合的夹层设计中，而没有对于抗腐蚀装置或涂层的需要。但是这并不适合于例如铝蜂巢或泡沫的芯材料，因为当其应用至钢或碳纤维增强聚合体时其需要阴极保护。前梁和后梁的表面通常覆盖以柔软的能量吸收层来防止在低速冲击状况下对行人的损伤。此能量吸收材料是在梁的制造之后添加，因此增加了部件计数和制造复杂性。相比之下，能够使用同一个微桁架工艺通过改变每层中的感光性聚合体波导的厚度、取向、密度和化学组分来形成柔软的能量吸收层和坚硬的能量吸收层两者。在夹层构造的制造期间在梁的外侧上形成完整的能量吸收层节省了时间、成本且减小了相关的部件计数。
[0033]夹层构造(尤其是一种带有微桁架芯的)的使用还打开了对于梁来形成对于单独的纤维增强聚合体复合材料使用整体式金属无法制造的几何形状的设计空间。夹层设计能够通过采用金属或复合面板材料的简单形状绕开对于挤出、拉挤、冲压和层压工艺的固有的限制，以产生复杂几何形状的夹层。
[0034]在夹层构造内，与现有技术的随机芯材料相比，微桁架芯的结构产生更大的刚度和强度。额外地，微桁架架构允许梁具有能被空间裁剪来满足预期负荷状态的性质。使微桁架芯的性能贯穿梁功能性地分级的能力确保了结构有效性的最高水平，即材料仅放置在需要其的地方且以其需要的取向放置。此文中呈现的制造方法也提供对于先前的夹层梁制造方法上的显著改进。与等同性质的蜂巢芯相比，由于其对于并入蜂巢结构需要劳动密集型加工和多阶段连结操作，微桁架的净成形成型产生更低成本的结构。此外，能够使用同一个微桁架制造工艺来集成额外的部件，例如在梁的结构中集成前部和后部能量吸收填料，由此减小了部件计数和制造时间。
[0035]梁可沿着长度方向具有非棱形截面，在此处截面可沿着长度通过改变面板的厚度、芯的厚度或者密度、芯的架构或者组分来变化，即功能分级。在本发明的一些实施例中，梁沿着一轴线具有弯曲部分，使得夹层截面的表面法向量沿着梁的长度不彼此平行。在额外的实施例中，梁可以是直的，使得所有的梁截面表面法线沿着梁的长度维度是平行的。在一个实施例中，梁的宽度维度对空气或流体流动是密封的，使得包括梁的外表面的两个面板形成闭合的周界。替代地，梁的截面能够是开放的，使得顶部和底部面板不连接且仅通过架构的芯来附接。
[0036]除了形成夹层梁的芯的架构的微桁架材料，其它微桁架材料也可并入梁的顶部面板表面处以用作能量吸收填料材料。这些能量吸收桁架层仅由面板支撑在一侧上，带有面向外的表面未受约束用于稍后附接至前部筋膜。典型地，这些能量吸收桁架材料由与用于梁夹层芯相比不同的聚合体化学物质构成，使得外部能量吸收材料比内部结构增强的芯多几个数量级的柔性。
[0037]在梁的设计中，可以添加机械附接件或支撑硬件特征部至梁来将其联结至周围的结构。特别地，微桁架芯可以直接围绕内部或外部带螺纹插件成型，该带螺纹插件提供用于穿过面板表面之一或两者的机械附接件的位置。也可添加牵引(tow lug)装置至夹层梁结构以提供用于牵引线附接的硬点。牵引装置可以使用前述的紧固件集成工艺紧固至梁，或者当夹层面板之一是金属时直接焊接至梁。
[0038]能够使用碳纤维增强聚合体基质复合材料来形成夹层梁的面板。然而，此处所述的微桁架制造工艺能够采用多种不同的材料，包括不连续的碳纤维复合材料、连续的或不连续的玻璃纤维复合材料、未增强聚合体、铝合金、结构钢或者其的任意结合。这意味着在梁中的两个面板可以由相同材料构成，或者其可以由不同材料构成。当确定材料选择的关键性质(例如刚度、质量、成本、可成型性等)对于两个面板不同时，后者的情形是非常有益的。然而，如果对于两个面板使用不同材料，则可需要开放的截面设计来阻止两个面板自身之间而不是与芯的电偶腐蚀或者相似材料能力问题。
[0039]在夹层梁中的微桁架芯结构由按次序布置的三维网状的自传播聚合体波导构成，其从感光性单体树脂通过使用受控制的暴露至以穿过掩模中多个孔的特定取向的平行UV光源生成。能够使用任何UV可固化感光性单体或者其的显示自传播现象的混合物来形成微桁架或者微格子架构。可替代地，微桁架可使用前述的感光性聚合技术成型且然后通过电镀或者化学镀(electro-less plating)、反向铸造、气相淀积、氧化、浸渍涂布、派射或其它合适工艺来转化或扩增入不同于初始感光性聚合体的中空或实心的金属、陶瓷或聚合体材料。在梁制造工艺的一些实施例中，微桁架芯直接在两个夹层面板之一上生成。然后第二面板使用应用至面板和/或微桁架的粘合剂材料连接至芯。此粘合剂可以由用于膜的连续板的单一或多部分浆体构成。可以添加额外的材料(例如玻璃、平纹棉麻织物、合成填充物)至粘合剂来保持连结线厚度的控制。
[0040]顶部和底部面板的制造是此文中所概述的梁的生产的第一步骤。在一个实施例中，这些面板由从拉挤型材生产的连续碳纤维增强热固性的或者聚合体复合材料构成。除了这些实施例，面板可以由不连续的碳纤维增强、连续的或不连续的玻璃纤维增强、热塑性聚合体基质、未增强聚合体、金属面板(例如钢、铝合金等)或者其的任意结合来生产。因此，可使用合适于每种材料类型的制造方法来生产面板，包括但不限于:热力塑形、喷雾、注塑模制、树脂传递模塑、吹塑、冲压、铸造、弯曲成型、乳制成型、拉伸成型、牵引等。
[0041]顶部和底部面板成型以便于获得开放的或者闭合的夹层剖面。额外地，根据梁设计和使用来使梁成型的制造工艺的能力，每个面板可沿着梁长度具有棱形的或非棱形的截面，即拉挤面板必须是棱形的。也可应用粘合促进剂或者转化涂层至面板与微桁架芯接触的表面，以便于形成高强度的粘合连结。
[0042]当梁设计沿着一个或更多个轴线包含弯曲部分时，引入弯曲部分的一种方法是以扁平面板材料开始，且在微桁架芯的成型之后使其成型为最终弯曲的形状。在此情形中，在芯的生成之前，底部面板不包含任何初始的弯曲部分。顶部面板预先成形来与微桁架芯的在其完全固化后的最终剖面匹配。在额外的实施例中，面板材料具有初始弯曲部分，即不成型为扁平的，且在微桁架制造工艺期间固定成扁平形状，并且然后允许其在从固定装置释放时恢复其的弯曲形状。
[0043]在梁制造方法中的下一个步骤是来在面板之一或两者上直接形成微桁架芯形状。微桁架成型工艺包括将感光性单体溶液放置在与面板之一接触的模具中，掩盖住模具的相对表面上的二维面积，使液体单体暴露至以特定取向穿过带图案的掩模的平行UV光源，且然后移除掩模、模具和过量的单体来产生连结至面板之一或两者的网状的三维聚合体结构。如果在夹层结构中的一个面板在使用来使微桁架成型的平行光的波长处是透明的，则整个夹层结构可通过将单体暴露至穿过透明面板的UV光源的单个操作来成型。随后，在此实施例中，微桁架成型且连结至与单体接触的两个面板表面上。如果两个面板在使用来使微桁架成型的平行光的波长处均不是透明的，则一个面板必须使用下面部分中所描述的二次工艺来附加至暴露的微桁架表面。
[0044]如果面板初始是弯曲的，则在微桁架的成型之前必须将面板之一固定在扁平构型中。相反地，如果面板初始是扁平的，则不需要额外的固定装置。如果夹层梁包含闭合截面设计，则在梁的闭合侧上不需要包含液体单体树脂的模具，但是如果这些截面是开放的，则仅在梁的端部点处需要模具。在微桁架成型工艺期间，内部或外部带有螺纹的紧固件插件可以插入液体单体中来在芯中形成就位连结(bonded-1n-place)的机械附接点。
[0045]且不论梁的弯曲部分、透明度和截面性质，在面板之一上的芯的成型之后，过量的单体树脂、模具和带图案的掩模被移除。然后模具和掩模被清洁用于再次使用，且可再循环和使用未聚合树脂来形成后来的梁的芯。然后三维网状聚合体微桁架结构使用另一次暴露至UV光来被后固化，以便于使结构完全聚合且将其固定在最终构型中。可替代地，后固化能够用热方法来完成，即以烤箱的方式或者使用IR源。在此后固化工艺之前，微桁架仍能够经历形变而不引入芯中的残余应力状态。因此，若梁设计成带有围绕一个或更多个轴线的弯曲部分且面板材料以扁平形式产生，则在芯的后固化之前可使用固定装置来给予面板和在面板顶部上生成的局部固化微桁架芯的结合以所需的形状。在后固化时，该结合从固定装置移除，且带有由硬的、后固化的微桁架芯和连结至微桁架芯的变形(例如弹性地)的面板保持的所给予的弯曲部分。顶部面板单独成形来与后固化构型中的微桁架芯的剖面相匹配且连结至后固化微桁架芯上。相反地，如果面板初始成型为弯曲形状，则后固化单独实施。
[0046]当微桁架芯后固化成其最终形状时，且若两个面板均不是透明的，则夹层梁的组装是通过将顶部面板连结至微桁架芯，且若使用闭合截面设计，则还连结至底部面板。然而，在微桁架芯和底部面板之间的连结是在微桁架成型工艺期间直接形成，而在顶部面板和微桁架之间的连结需要二次操作。在一个实施例中，此二次操作涉及浸渍或滚动涂布粘合浆体的层至微桁架和底部面板的暴露的顶部表面上，且然后将顶部面板放置成与此粘合层接触。顶部和底部面板的连结表面可具有在此组装步骤之前涂覆的转化涂层、底层涂料或其它粘合促进剂。在额外的实施例中，可使用其它连结或连接操作来将顶部面板附加至微桁架芯和底部面板，操作包括但不限于:熔焊、超声波焊接、粘合膜连结、摩擦焊接、喷雾粘合连结、过盈配合、机械附接等。重要的是注意到应用至微桁架/顶部面板界面的连接方法不需要与应用至顶部面板/底部面板界面的连接方法相同。
[0047]在额外的实施例中，在顶部面板连结至梁之前，一个或更多个微桁架结构被添加至夹层结构的顶部面板。这些额外的微桁架结构用作坚硬的或柔软的能量吸收层，从车辆面向外来保护在动态事件期间可能与梁接触的行人。这些能量吸收层以与添加结构的微桁架芯至底部面板完全相同的方式被添加至顶部面板。
[0048]当顶部面板应用至梁时，应用修整操作来集成上述的潜在特征。例如，可实施削减加工操作来整理梁的截面，或者来提供用于从芯去湿排水的孔洞。额外地，可添加支撑支架或者机械附接来允许梁与周围的车辆部件相互作用且将负荷传递至其。若在梁设计中包括牵引，则其也在此阶段通过机械紧固件或者焊接附接至机械面板。
[0049]如此文中所讨论的，当微桁架结构在其上成型的面板是扁平时，当微桁架结构完全固化且两个面板均连结至其时，则使夹层微桁架结构成型产生结构硬化的工件。对于车辆板和其中在那时需要来使板成型为特定形状的其它设计，刚性微桁架结构的弯曲引起材料中的不期望的应力状态。例如，若刚性微桁架结构弯曲成弯曲形式，则由微桁架中的多个交叉的聚合体波导形成的节点的完整性会屈服、破裂或以其它方式危及结构。此外，完全固化的微桁架结构的弯曲和形变引起结构内的残余内部能量和应力，其会引起性能问题，例如完整性、寿命等。
[0050]在一个实施例中，本发明提出当微桁架结构仍处于生的、局部固化和可延展的状态中时使弯曲的微桁架夹层梁成型。图1图示对于此实施例的工艺步骤10，其显示微桁架结构在其中成型的模具12，在此处模具12限定其中包含有液体感光性单体树脂的围隔。薄的扁平底部面板16设置成与模具12相连，且其是微桁架结构将粘合至的层。底部面板16能够是合适于待制造的梁的任何材料，例如铝、钢、热塑性聚合体、碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料等。包括孔26的掩模14定位在模具12上方。来自光源18和20的平行紫外线(UV)光44 (例如汞弧灯)被引导至掩模14上，使得平行光束行进穿过孔26且照射在模具12中的单体树脂以形成微桁架结构24，该微桁架结构24以已知方式由多个相互连接的局部固化的自传播感光性聚合体波导28构成。控制光源18和20的曝光时间和强度使得微桁架结构24仅局部固化，以使其当还在模具12中时处于生的状态中可延展的且可弯曲的。
[0051]当在此状态中时，从模具12移除未固化的液体单体树脂，且现在包括局部固化微桁架结构24固定至其的扁平底部面板16从模具12分离。图2显示包括底部面板16和微桁架结构24的微桁架组件30。如所显而易见的，组件30已经成型为扁平构型。
[0052]因为面板16是薄的，其能够容易地弯曲和适应于所需形状。也因为面板16是薄的，且微桁架结构24是可延展的，面板16和局部固化微桁架结构24的结合能够容易地变形。图3显示描述弯曲固定装置34的下一个工艺步骤32，如所示出的，组件30定位在固定装置34上且弯曲来与固定装置34的工作表面一致。结构30能够以任何合适的方式成型成弯曲构型，例如通过抽吸、机械弯曲等，且能够通过例如夹具的任何合适的机械装置(未示出)保持在此位置。如果面板16由易延展的材料(例如钢)制成，则其在此步骤期间可塑地变形来使其与固定装置34的工作表面一致。当结构30保持在此位置时，来自光源36和38的UV光影响组件30来完全固化微桁架结构24至其的最终的刚性状态。因为微桁架结构24固化成弯曲构型，其将不具有内部应力，否则如果在微桁架结构24处于最终固化状态之后将其弯曲至所需的形状，则会发生内部应力。当微桁架结构24完全固化且配置成所需形状时，将其从固定装置34移除。
[0053]图4显示最终的弯曲夹层梁40，其包括底部面板16、固化的微桁架结构24和顶部面板42，该顶部面板42通过合适的连结工艺(典型地通过将撑条28的端部处的节点粘结至顶部面板42的底部表面)与底部面板16相对地固定至微桁架结构24。与底部面板16 —样，顶部面板42能够是合适于待制造夹层梁的任何薄材料，例如铝、钢、热塑性聚合体、复合材料层、碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料等。注意到顶部面板42能够具有与底部面板16不同的材料，这对于一些夹层结构(例如冲击梁)可以是期望的。
[0054]在其中微桁架结构24的侧面或边缘未由板或片封闭的梁40是开放端结构。图5显示其中微桁架结构的端部由薄片封闭的夹层梁50。特别地，梁50包括闭合的底部面板52，该底部面板52包括限定腔体的侧壁54和56，在其中微桁架结构58例如通过上述工艺成型。虽然显示梁50在扁平构型中，但是注意到梁50能够由上述工艺来成型，在此处当微桁架结构58处于其生的且局部固化状态中时，底部面板52在固定装置34上方被弯曲。当底部面板52和微桁架结构58在其最终的形状中且微桁架结构58固化时，然后顶部面板60以上述方式固定至微桁架结构58的顶部表面，且能够连结至从侧壁54和56延伸的多个凸缘。可替代地，可将微桁架结构58连结至顶部面板60且侧壁54和56的多个凸缘焊接至顶部面板60的相对应的边缘。注意到通过在面板60上生成微桁架结构58能够获得同样的终止结果，然后其在固定装置上方的弯曲且稍后连结/焊接预先成形的通道截面。
[0055]能够根据本发明的另一实施例来更改用于使弯曲夹层微桁架梁成型的上述工艺。在此实施例中，用于夹层梁的底部面板开始于弯曲形式，如图6中的底部面板70所示。然后弯曲面板70放置在扁平固定装置72上且通过任何合适技术(例如抽吸)使得与固定装置72 —致，迫使其形成扁平构型，如图7中所示。重要的是注意到面板70的材料和几何形状的选择使得由于此阶段的结果其不经历显著的永久性形变。
[0056]图8是工艺步骤76，其显示固定至扁平固定装置72的底部面板70，且显示布置在面板70上的模具78，在此处模具78限定用于保持液体感光性单体树脂的围隔以与上述模具12相同的方式形成微桁架结构。包括孔82的合适的掩模80定位在模具78的顶部上，且如上的，UV光源84和86 (例如汞弧灯)照射平行UV光94穿过掩模80中的孔82进入未固化的树脂以形成微桁架结构90，该微桁架结构90由一组自传播感光性聚合体波导92构成。而且如上述的，来自光源84和86的光94仅部分地固化树脂使得微桁架结构90处于生的和可延展的状态，在此处其能够容易地弯曲而不影响结构90的结构完整性。
[0057]当局部固化的微桁架结构90成型时，现在粘合至面板70的微桁架结构90被清洁出任何未使用的单体，且从模具78和固定装置72移除。当微桁架结构90从固定装置72移除时，面板70将返回或弹回至图6中所示的弯曲形状，其引起局部固化微桁架结构90来相应地弯曲。如所讨论的，由于微桁架结构90处于局部固化状态，其容易地与面板70的弯曲构型一致，而不引起结构中明显的残余或内部应力。
[0058]图9是工艺步骤100的图示，其显示微桁架结构90和底部面板70处于弯曲构型中，且在此处来自源102和104的UV光提供微桁架结构90的最终的固化以提供所需的刚性。当微桁架结构90完全固化时，预先成形的顶部面板106与底部面板70相对地固定至微桁架结构90的顶部表面以形成如图10所示的最终的微桁架夹层梁108。如上述的，弯曲底部面板70或弯曲顶部面板106能够包括侧壁来形成如图5中所示的闭合结构。
[0059]在可替代实施例中，底部面板(例如面板16 )可以是碳纤维层或者一些其它可固化材料，其首先成型为局部固化或可延展的B阶段状态，且然后固化(典型地通过热方法)来给其最终的刚性。对于底部面板的那些类型，当如图1所示的面板16在工艺步骤10中时，面板16可以在它的局部固化状态，在此处它还是柔软的且可容易弯曲的。当微桁架结构24成型至面板16形成图2中所示的结构30时，且然后如图3所示的弯曲至固定装置34上，微桁架结构24和底部面板16两者均能够来经受固化步骤以提供其最终的刚性。虽然在图3中的实施例显示微桁架结构24通过UV光源36和38固化，但是在可替代实施例中，微桁架结构24可以被热固化，例如以烤箱的方式，在此处微桁架结构24和面板16两者均同时固化。替代地，对于热固化，可需要固化面板16的第二步骤。面板16的最终固化可与顶部板42的最终固化一起发生，形成如图4所示的结构40。
[0060]上述讨论包括在将微桁架结构从模具已经移除之后使其固化至它的最终的刚性状态，以便于在它完全固化之前允许它成型为所需的弯曲形状。然而，在一些制造工艺中，期望的可以是当微桁架结构在它的初始扁平构型且可能还在模具中时来使其完全固化。根据本发明的另一实施例，在底部面板上成型的微桁架结构使用常规的微桁架结构制造技术来完全固化在扁平构型中。如果树脂具有适当的热固性材料且底部面板具有适当类型的材料，对于特定材料以高于已知转化温度Tg加热微桁架结构和底部面板引起那些材料变得易弯曲的，在此处然后当保持在转化温度上时其能够在合适的固定装置上模制至所需的弯曲部分。当微桁架结构在所需的弯曲形状时，然后能够降低温度至转化温度Tg以下，在此处然后它将返回至它的刚性固化状态。于是，已经成形至所需构型的顶部面板能够以上述的方式固定至微桁架结构。在微桁架结构已经完全固化之后来允许它与所需形状一致的加热其的此工艺可具有优于上述涉及的那些具有后固化微桁架结构工艺的优点，因为其将允许重复的形状改变以更好地符合夹层微桁架结构梁的加工需要。
[0061]上述讨论还包括当微桁架结构在其上制造的底部面板在扁平构型中时制造微桁架结构，同时微桁架结构在其上生成。本发明的其它实施例包括制造用于夹层梁且同时面板是弯曲的微桁架结构。图11是微桁架制造工艺的图示110，其包括安装元件112，在其上安装有多个UV源114。包括UV不透明区域118和UV透明区域120的掩模116相对于安装元件112设置在区域122上方。区域22是要代表形成围隔的所有的底部面板和模具，在该围隔中液体感光性单体树脂沉积来限定如上所述的微桁架结构。如上所讨论的，从每个UV源114射出的平行光束124被引导通过UV透明区域120，使得UV光的光束124传播通过掩模116来在区域122中形成微桁架结构的聚合撑条。注意到代表UV源114的点旨在代表任意构型的UV光源，例如灯、透镜、反射镜和其它光学元件。光束124的交叉限定描述微桁架结构的构型的格128。线126限定与安装元件112正交的方向，且线130限定与区域122的表面正交的方向。
[0062]图12是与图示110相似的微桁架制造工艺的图示140，其中相似的元件以相同的附图标记指示。在图示140中，安装元件112以弯曲或挠曲构型示出以具有合适于待成型的微桁架夹层梁的弯曲形状的预定形状。如显而易见的，微桁架格128与掩模116中的UV透明区域120—致。掩模116的不透明部分118和透明部分120是交替的，使得引导现在被改变的光束124通过透明部分120。
[0063]安装元件112的形状和/或弯曲部分可不同于待成型的微桁架结构的形状和/或弯曲部分。而且，UV源114能够是透镜、棱镜、反射镜等的结合，其将分散和引导光束124进入所需的方向。此外，代替柔性的安装元件，可使用可再配置的安装元件(即，允许几何形状、形状或取向中的改变)，例如分段表面(其的部段能够相对于相邻部段旋转或锁定)，例如布线轨道。合适的示例包括柔性构件，分段链式元件(其中单独的元件可以通过摩擦或者其它锁定机构保持在它们的相对的位置)或者由形状记忆材料(例如形状记忆聚合体)制成的构件(其中该构件可加热至转变温度，形变至所需的形状，且当它冷却时通过将该构件保持此形状来使其锁定至该形状)。穿过元件112的与源114相关的光束更改元件可以是不相同的在于在光束124的角度、光束124的数量、光束124的强度等可存在差异。
[0064]图13是另一个微桁架制造工艺的图示150，其中与图示110相似的元件以相同的附图标记显示。在此实施例中，以轨道152替换安装元件112，在该轨道152上安装有可沿着轨道152选择性地移动的台车154，其中轨道152可以是固定的或者可再配置的。一组一个或更多个光源156安装在台车154上，且产生被引导穿过掩模116中的UV透明区域120的平行光束124。随着台车154沿着轨道152移动时，将控制光源156来在合适的方向上产生光束124。在台车154上能够采用合适于特定微桁架结构的任意数量或构型的光源156。基于此设计，能够减少需要来制造整个微桁架结构的光源156的数量，其中微桁架结构被分段制造。而且，如上述的，光源156旨在是来提供平行UV光束的任意合适构型的光学元件。
[0065]图14是对于弯曲微桁架结构的微桁架制造工艺的图示160，其显示轨道152弯曲来与微桁架夹层梁的所需形状一致。在图示160中，掩模116弯曲以与轨道152的弯曲部分的形状和微桁架结构的所需形状一致，使得光束124与UV透明区域120对齐。如上的，不透明部分118和掩模116的长度改变使得由于再配置轨道152的结果透明部分120与光束124对齐。
[0066]注意到轨道152是可再配置的，而不是固定的。此外，轨道152的形状可以不与待制造的微桁架结构的形状相同。弯曲微桁架结构的不同部分可以由不同的台车限定，例如可使用4X4源台车来迅速覆盖结构的大多数扁平部分，然而可使用1X1源台车用于具有大的弯曲部分的微桁架结构的部分。可以同时或按顺序地方式操作多个台车。在台车154上的UV源库、轨道152和掩模116的结合产生微桁架几何形状。可使用一个元件来校正另外的元件的一些限制，例如可使用掩模116来校正台车154和轨道152结合的限制。代替采用轨道152，UV源库可附接至机器人(未示出)的端部效应器，该机器人被编程来跟踪特定的路径或运动。代替机器人，源库可附接至有规律或可调节机构，例如联接、基于凸轮的机构等。此外，代替保持树脂储存器固定且与UV源库一起相对于储存器运动来限定所需的微桁架图案，UV源库可以是固定的且储存器可以相对于其运动来达到同样的目的。
[0067]图15是图示170，其显示用于制造与图示110类似的微桁架结构的工艺，其中相似的元件以相同的附图标记指示。在此实施例中，安装元件112保持在扁平或直的构型中，但是待成型的微桁架结构将具有如由区域122所示的弯曲构型。在此构型中，更改掩模116使得不透明区域118和透明区域120允许UV光束124穿过透明区域120。如所示的，由线130所示的单元格法线不与弯曲表面正交。可在安装元件112中采用使入射光束改变方向和分散成多个光束的光束更改元件(例如透镜、棱镜、反射镜等)，而不是采用嵌入安装元件112的UV源。UV源114和与掩模116相联的任何其它光学元件的结合产生微桁架几何形状。
[0068]图16是图示190，其显示与图示170相似的用于制造弯曲微桁架结构的工艺，在此处相似的元件以相同的附图标记指示。该图示包括扁平安装元件112和弯曲掩模116。透镜192定位在元件112和掩模116之间来改变光束的方向通过掩模116中的UV透明区域，以在与微桁架结构的弯曲部分一致的方向中形成微桁架撑条。通过使用透镜192，线130现在与掩模116正交。使用透镜192来绘制从扁平微桁架梁至弯曲微桁架梁的梁图案。UV源114、透镜192和掩模116的结合产生微桁架几何形状，在此处可使用一个元件来校正另一个的一些限制，例如可使用掩模来校正透镜或UV源的限制。可使用可复位反射镜阵列来代替透镜192，其中反射镜的位置可以是可设计的。
[0069]前述讨论仅公开和描述本发明的示例性实施例。本领域技术人员将从此讨论和从附图以及权利要求容易地意识到在其中能够产生各种改变、更改和变型，而不违背如下列权利要求所限定的本发明的精神和范围。
【主权项】
1.一种用于制造微桁架夹层结构的方法，所述方法包括: 提供底部面板； 将模具定位成与所述底部面板接触使得所述模具和所述底部面板限定储存器； 以液体感光性聚合体树脂填充所述储存器； 相对于所述模具定位包括紫外线(UV)透明区域和UV不透明区域的掩模； 将安装构件定位成离所述掩模预定距离，包括一个或更多个光学元件的所述安装构件提供紫外线(UV)光；以及 从所述一个或更多个光学元件照射光到所述掩模上，使得UV光通过所述UV透明区域照射进入聚合体，以便于固化所述聚合体且形成固定到所述底部面板的微桁架结构。2.如权利要求1所述的方法，其中，提供底部面板包括提供扁平的底部面板，定位掩模包括将所述掩模定位在扁平构型中以及定位安装构件包括将安装构件定位在扁平构型中。3.如权利要求1所述的方法，其中，提供底部面板包括提供弯曲的底部面板，定位掩模包括将所述掩模定位在弯曲构型中，以及定位安装构件包括定位可再配置安装构件和配置几何形状且将所述可再配置安装构件定位在弯曲构型中，使得所述微桁架结构以弯曲形式在面板上成型。4.如权利要求1所述的方法，其中，提供底部面板包括提供弯曲的底部面板，定位掩模包括将掩模定位在弯曲构型中，以及定位安装构件包括将所述安装构件定位在扁平构型中。5.如权利要求4所述的方法，其进一步包括定位在所述安装元件和所述掩模之间的透镜或反射镜阵列，所述透镜或反射镜阵列将来自所述一个或更多个光学元件的所述UV光重新引导至所述掩模。6.如权利要求1所述的方法，其中，所述安装构件是轨道且至少一个光学元件安装台车上，所述台车可在轨道上移动。7.如权利要求6所述的方法，其中，提供底部面板包括提供弯曲的底部面板，定位掩模包括将所述掩模定位在弯曲构型中，以及定位安装构件包括将所述安装构件定位在弯曲构型中，使得所述微桁架结构以弯曲形式在面板上成型。8.如权利要求1所述的方法，其中，所述一个或更多个光学元件包括定位在所述可再配置安装元件上的多个间隔开的LED。9.一种制造用于车辆的弯曲微桁架夹层结构的方法，所述方法包括: 提供弯曲的底部面板； 将模具定位成与所述底部面板接触使得所述模具和所述底部面板限定储存器； 以液体感光性聚合体树脂填充所述储存器； 相对于所述模具定位包括紫外线(UV)透明区域和UV不透明区域的弯曲的掩模；将可再配置安装构件定位成离弯曲构型中的所述掩模预定距离，所述可再配置安装构件包括多个间隔开的紫外线(UV)光源；以及 从所述光源照射光到所述掩模上使得UV光通过所述UV透明区域照射进入所述聚合体，以便于固化所述聚合体且形成固定到所述底部面板的微桁架结构。10.一种用于制造微桁架夹层结构的系统，所述系统包括: 用于提供底部面板的装置； 用于将模具定位成与所述底部面板接触使得所述模具和所述底部面板限定储存器的装置； 用于以液体感光性聚合体树脂填充所述储存器的装置； 用于相对于所述模具定位包括紫外线(UV)透明区域和UV不透明区域的掩模的装置；用于离所述掩模预定距离地定位和配置安装构件的几何形状的装置，所述安装构件包括提供紫外线(UV)光的一个或更多个光学元件；以及 用于从所述一个或更多个光学元件照射光到所述掩模上使得UV光通过所述UV透明区域照射进入所述聚合体以固化所述聚合体且形成固定到所述底部面板的微桁架结构的装置。
【文档编号】B32B37/15GK106042607SQ201510182897
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2015年4月17日
【发明人】N.D.曼凯姆, E.J.伯格
【申请人】通用汽车环球科技运作有限责任公司