热塑成形工艺及装置的制作方法

专利名称：热塑成形工艺及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种热塑成形工艺及装置，并且，特别涉及一种使用专有的带有动态模口(gated)的模具的热塑工艺及装置，其中，所述模具具有用于变化挤出材料厚度的可调节模口(gate)，所述材料在其从所述挤压模通过时被模制。
背景技术：
在过去，通常提供有多种模制系统，包括热塑性树脂或热塑性复合材料的零件的成形。在真空成形中，加热的热塑性材料板(slab)(厚度恒定的片(sheet))被放置在真空模具以及在模具与加热的塑性材料之间抽出的真空之上，其中，所述真空将塑性材料吸到模具上。类似地，在压缩成型中，预热材料的块(lump)或板被压在两个成形模之间，所述两个成形模将材料压塑成为期望的零件或形状。
以前的、使用材料热成形的美国专利可在四个Winstead专利中看到，即US 4,420,300，US 4,421,712，US 4,413,964和US 3,789,095。Winstead专利US 4,421,712和US 4,420,300是关于用于片料的连续热成形的装置，所述装置包括同拉伸装置和其上具有凹模的轮一起的挤出机(extruder)；以及多个助压模塞(plug-assist)，所述多个助压模塞被互连以形成具有助压模塞部件的轨道装置，其绕着轮表面的大致圆弧结合所述片料。Winstead专利US 4,413,964教导了这样一种装置，该装置用于从热塑性材料网连续挤出和形成模制产品，同时持续地将产品从所述网分离、堆叠和搬运产品，并再生所述网的织边以备进一步的挤出。该装置使用了呈转动的多边形构造的多模式型腔，在其外周表面上该双轴定向的网通过跟所述多边形接口连接的跟随辊(follower roller)以双轴定向装置持续地定位。Winstead美国专利US 3,789,095是持续挤出低密度形式的热塑性材料、并由所述材料来制造三维成形物件的集成方法。
Howell美国专利US 3,868,209是用于由一对热可熔的热塑片来制作中空塑料物体的双片热成形机，其中，所述一对热可熔的热塑片在共同的水平面内从加热站顺次移动至成形站处的模制装置。Held，Jr.的专利，即美国专利US 3,695,799是用于从两块热塑性材料片真空成形中空物件的装置，该成形操作是通过使材料片在隔开的关系下、并位于两个半模之间的时候通过加热区域来实现的。随着在每一片上拉出真空以导致所述片顺应其各自的模具的形状，所述半模被带到一起，从而模制出中空的物件。Budzynski等的美国专利US 5,551,860是用于制作瓶子的吹塑成形装置，该装置具有持续转动的转动模具，同时一次将一个模具跟挤压模柄(extrusion die handle)对齐以装载模具。Hujik的专利，即美国专利US3,915,608是多层鞋底的注射成形机，该注射成形机包括转台，该转台用于使多个模具转动通过多个工作站，以便持续地模制鞋底。Ludwig专利，即美国专利US 3,302,243是用于塑性材料鞋的注射成形的另一种装置。Lameris等的专利，即美国专利US 3,224,043教导了一种注射成形机，该注射成形机具有可被转动以跟塑性材料注射喷嘴对齐的至少两个模具。Vismara的专利，即美国专利US 4,698,001，是用于制造模制塑料摩托车头盔的机器，该机器使用了压塑型模具，在该压塑型模具中，一对半模在多个位置之间切换。Krumm的专利，即美国专利US 4,304,622是用于生产热塑性合成树脂厚板(slab)的装置，该装置包括一对挤出机，每一个挤出机将半板的股挤出到各自的辊组件(roller assembly)。所述辊组件具有最终辊，所述最终辊在其间形成了固结辊隙(nip)，所述两个半板在所述固结辊隙内被接合在一起。
复合材料和其他工艺复合材料(composite)是由两种或两种以上的成分组成的混合物形成的材料，所述两种或两种以上的成分产生了具有优于单个材料的特性或性能的材料。大部分复合材料包括两个部分，即基体成分和增强成分。基体成分是指将复合材料结合在一起的材料，它们通常不如增强成分那么硬。这些材料在升高的温度下、在压力下被塑造。所述基体将所述增强物封装在适当的位置，并在这些增强物之中分配载荷。由于增强物通常比基体材料更硬，因此增强物是复合材料内主要的承载成分。增强物可以有许多不同的形式，其范围可以从纤维到织物，到微粒或嵌入到形成复合材料的基体内的棒。
复合材料结构已经在自然界中存在了数百万年。对木材或贝壳的生物陶瓷的微观结构的检验揭示出自然中发现的复合材料的存在，并表明现代复合材料实质上已经发展为自然界中发现的模仿结构。复合材料的一个理想的例子是混凝土。通过不同形式的混凝土可以领会到增强物是如何发挥作用的。水泥充当基体，其将元素保持在一起，而同时，沙、砂砾和钢充当增强物。仅用沙和水泥制成的混凝土的强度远不如由水泥、沙和石头制成的混凝土，而由水泥、沙和石头制成的混凝土的强度又不及用钢、沙和石头来增强的混凝土。混凝土的基体材料和增强材料通常在成形结构中被混和、灌注并模制。在产生用其他复合材料制成的零件的过程中，复合结构或零件的形状取决于模具(mold)、铸模(die)或用来形成复合结构的其他工具的形状或几何形态。
存在许多种不同类型的复合材料，包括塑性复合材料。每一种塑性树脂具有其自己独特的性能，当其与不同的增强物混合时，会产生具有不同的机械和物理特性的复合材料。如果考虑当今现有的塑性聚合物的数量，并将这个数字乘以可用的增强物的数量，则可能的复合材料的数量是惊人的。塑性复合材料被分为两个主要的类别热固性复合材料和热塑性复合材料。
在热固性复合材料的情况中，在施加了热和压力之后，热固性树脂经历化学变化，所述化学变化交联该材料的分子结构。热固性零件一旦被固化就不能被重塑。热固性塑料相比大多数热塑性塑料而言，更耐高温并提供更高的尺寸稳定性，这是因为在热固性塑料中发现的紧密交联的结构。热塑性基体成分并不像热固性材料那样受限制，它可被循环利用和重塑以产生新的零件。
热塑性复合材料的常用基体成分包括聚丙烯(PP)，聚乙烯(PE)，聚醚醚酮(PEEK)和尼龙。用高强度高模量的纤维来增强、以形成热塑性复合材料的热塑性塑料在强度和刚度以及韧性和尺寸稳定性上都有显著的提高。
复合材料在许多行业的众多应用场合中被使用。典型地，复合材料被用来代替集合了加固件或其他连接件的由金属合金制成的产品或多成分金属结构。复合材料提供了足够的强度，同时降低了重量。这一点在像汽车和航空航天这样的行业内尤为重要，在这些行业中，复合材料的使用产生了更轻、更快、更节能和环保的飞行器和汽车。还可设计复合材料来取代木材、纤维玻璃和更多其他的传统材料。以下是可具有使用由热塑性复合材料制成的大型零件的应用场合的行业的部分列表航空航天、汽车、建筑、家用器具、航海、材料处理、医学、军事、电信、运输和废物管理。
一般而言，在热塑性复合材料的其他属性中，其可耐腐蚀并提供长的疲劳寿命，这使其对许多的制造商特别具有吸引力。疲劳寿命是指零件在表现出材料磨损或明显应力、并达到了损害零件达到规格工作的能力的程度之前所持续的时间。典型地，复合材料被用在需要减小具体零件的重量、同时提供现有零件的强度和其他需要的特性的应用场合。存在许多非常昂贵的、由热固性复合材料制成的零件。这些类型的零件通常被称作高级复合材料，并且，在军事和航空航天工业中用得最多。
产品开发工程师和生产工程师认为，热塑性复合材料将在现代技术发展中起到不断增加的作用。新型热塑性树脂被常规地开发，并且更多创新的制造方法被引入，以降低跟制造由复合材料制成的零件相关的费用。随着以热塑性复合材料制成的零件的制造成本的降低，热塑性复合材料的使用对于许多商业和工业应用场合而言，成为了更加可行的解决方法。
热塑性复合材料现有的成形方法大部分商业上可用的热塑性复合材料制造技术改造自用于加工热固性复合材料的方法。由于这些方法被设计成用于具有低得多的粘滞性和较长固化时间的树脂系统，某些低效因素和困难一直困扰着热塑制造工艺。存在几种现在被使用着的利用热塑性复合材料的制造方法，一些最常见的工艺包括压缩成形、注射成形和高压釜处理，这些方法都可被用于生产“近净成形”零件，即在模制后基本符合期望或设计形状的零件。不太常用的用于加工热塑性复合材料的方法包括拉挤成形、真空成形、膜压成形(diaphragm forming)和热压技术。
压缩成形压缩成形(compression molding)是迄今为止最普遍的、现在被用于在商业上制造结构热塑复合部件的方法。典型地，压缩成形使用玻璃纤维毡热塑(GMT)复合材料，该复合材料包括与连续的或斩断的、随机取向的玻璃纤维混和的聚丙烯或类似基体。GMT由第三方材料制造商制备，并以待成形的、标准或定制尺寸的扁坯的形式出售。使用这种预浸渍复合材料(或预浸料，在使用其热固性等同物时，更常用到这种叫法)，GMT的片在炉内被加热，然后被放置在模制工具上。该模制工具的两个对合半模在大的压力下被闭合，强迫树脂和纤维充满整个模具型腔。一旦零件被冷却，其在脱模机构的协助下从模具中被移出。
一般而言，用于GMT成形的对合模制工具由高强度钢经机加工而成，以经受高模制压力的持续施加而不发生质量下降。这些模具经常被主动加热并冷却，以加速周期时间并提高表面光洁度质量。GMT模制被认为是最高产的复合材料制造工艺之一，其周期时间在30到90秒之间。压缩成形并不需要高的资本投入，然而，为了购买高载荷压力机(2000-3000吨压力)和高压模，因此压缩成形仅对大生产量是有效的。在较小零件的较低产量的情况下，可用铝制模具在现有压力机上进行制造，以节省一些成本。该工艺的其他缺点包括，因粘滞性问题而导致的低纤维百分率(20％到30％)，以及只能获得中等质量的表面光洁度的能力。
注射成形注射成形是用于非增强热塑零件的最普遍的制造方法，并且更加常用于短纤维增强热塑性复合材料。利用这种方法，用短纤维浸渍热塑丸并在通常在15,000到30,000psi之间的注射压力下将其挤出到闭合的两箱式硬化钢制工具内。模具被加热以获得高的流动性，然后被瞬间冷却以最小化变形。利用流体动力学分析，可设计出这样的模具，其使纤维在不同位置产生具体的取向，但是从种属上来说，注射成形的零件是各向同性的。最终零件内的纤维通常长度不超过八分之一(1/8)”，且最大的纤维体积含量大约为40％。对这种方法稍作改动，则被称作树脂传递成形(resin transfermolding，RTM)。RTM制造利用了放置在模具内的编织状纤维(mattedfiber)，该模具随后在高压下被装满树脂。这种方法具有能够手动定向纤维并使用较长的纤维长度的优点。
注射成形是最快的热塑工艺，因此其一般用于大产量的应用场合，如汽车和消费品。周期时间在20到60秒之间。注射成形还可生产高度可重复的近净成形零件。另一个优点是在嵌入件、孔和芯部材料周围成形的能力。最后，注射成形和RTM一般提供所有工艺中最好的表面光洁度。
由于所需模具的尺寸和注射成形机的能力，上面所讨论的工艺存在这样的问题，对于可通过注射成形生产的零件的尺寸和重量存在实际的限制。因此，这种方法已经被专用于小型到中型尺寸生产零件。从结构增强的观点来看，最有问题的地方在于对于可被用在注射成形工艺中的增强纤维长度的限制。
高压釜处理高压釜处理(Autoclave processing)是该行业所使用的另一种热塑性复合材料制造工艺。热塑预浸料和单向纤维或编织织物被放置在单面工具上。若干层装袋料被放置在预浸料组件上，以便表面加工、防止粘着并使得在其被放入高压釜内时能够抽真空。在高压釜内，复合材料被加热并被置于压力下以固结并交联材料层。不同于压缩成形和注射成形，该工具是开模，并且因为涉及的压力要低得多，因此能够由铝或钢制成。
由于高压釜工艺慢得多且更为劳动密集，因此，它被主要用于非常大的、低产量的、需要高度准确性的零件，它不利于在生产线上进行。这种方法的显著优点包括高的纤维体积百分率，并且可为实现具体的材料性能而对纤维取向进行控制。该工艺对于制作原型特别有用，这是因为其工具相对便宜。
用于需要“长”纤维的热塑性复合材料的成形方法上述所有工艺中，没有一项能够生产用长纤维(即，大于大约1/2英寸)增强的热塑性复合材料，其中，所述长纤维在模制过程本身期间大部分保持不断，这一点对于生产大型的且更为复杂的零件尤为真实。历史上，一种三步工艺被用来模制这样的零件(1)预浸渍复合组成物的第三方配制；(2)在炉内预热预浸渍材料，以及(3)在模具内插入熔融材料以形成想要的零件。该工艺具有若干缺点，这些缺点限制了工业通用性，使其不便于生产结构充分增强的更为复杂的大型零件。
一个缺点是片材成形工艺不能生产具有变化厚度的零件，或要求热塑性复合材料的“深拉延”的零件。挤压片越厚，就越难以穿过其厚度均匀地重新熔化所述片、以避免跟最终零件的结构形成相关的问题。举例来说，具有从顶表面垂直突出的底脚的托盘是该托盘的深拉延部分，其不能用较厚的挤压片来模制，这是因为托盘底脚的形成需要材料在“垂直面”内的深拉延，并且，同样地，在挤压片的水平面上将不会是均匀的。跟具有均匀厚度的挤压片的几何限制相关的其他缺点是明显的，并将在下面结合本发明的描述被更详细地叙述。
本发明的目的在于一种模制系统，该模制系统使用真空或压缩模具生产热塑性复合零件的热塑性树脂，零件从挤压模被直接送入模具同时热塑板仍然保留在将树脂加热到流体状态时所使用的热量以便通过挤压模形成材料片。本发明涉及一种热塑成形工艺和装置，并且特别涉及一种使用热塑挤压模的热塑工艺和装置，该热塑挤压模具有可调节模口(gate)，所述可调节模口用于改变挤出材料的厚度，所述材料在从所述挤压模经过时被模制。
本发明进一步的目的在于一种连续热成形系统，该系统被喂入热塑性材料板，所述热塑性材料板从形成所述材料板的挤出机直接到达能在台与台之间转动的模具上。热塑性材料被挤压通过挤压模，该挤压模可被调节以提供从恒定厚度的塑性板到跨越塑性板表面的变化厚度的偏离。该变化的厚度可被调节以用于任何具体的成形运作或者可按需要被连续改变。这允许了连续模制或跨越挤出板和穿过模制零件具有不同厚度的热塑性材料，以控制模制零件的中间部分厚度，从而使模制零件在整个模制零件上可按需要具有厚或薄的部位。关于由该挤压成形工艺所制造的期望零件的尺寸、形状、组成、重量或强度，本发明并不受到限制。

发明内容
一种热塑模制系统，包括用于热塑板挤出的热塑挤压模，该热塑板由可调节模口部件、即动态模设置形成其轮廓，所述可调节模口部件用于改变在挤出板的不同部分挤出材料的厚度。所述热塑挤压模具有切边机，所述切边机用于切裁来自所述热塑挤压模的挤出热塑板。可以是真空模具或压缩模具的多个热塑模具，被各自安装在活动平台、如转动平台上，该活动平台用于将模具一次一个地移动到从热塑挤压模接收被切裁的热塑板的位置。模制零件由加热的热塑性材料板形成为具有变化的厚度，其中，所述热塑性材料板在还在热着的状态下从挤压模被喂入。多个模具被安装到平台上，该平台将一个模具送到用于从挤压模接收热塑板的装载位置，并将第二模具送入用于将已成形的零件从模具移出的释放位置。该平台可以是梭动或转动平台，并允许每一个模制零件在另一个模制零件接收热塑板的时候被冷却。提供了热塑成形工艺，该工艺包括以下步骤依据调节热塑挤压模的装置选择热塑挤压模设置，以改变通过挤压模的挤出材料在挤出板不同部分的厚度。热塑性材料被加热到流体状态，并通过选定的热塑模被挤出，该选定的热塑模已被调节以便改变在挤出板的不同部分挤出材料的厚度，将具有变化厚度的挤出热塑板切裁成预定的尺寸，并将每一个加热热塑性材料的切裁板引导到热成形模具上，并且在该模具内模制预定的零件，从而，由在材料挤出期间被加热的材料板形成了具有变化厚度的模制零件。
“该挤出-成形”工艺还利于用长纤维(大于大约1/2英寸)增强的热塑复合结构的形成，这是因为，挤出机通过动态模来分配熔融的热塑性复合材料，将所述材料直接沉降到下模上，该下模可相对于动态模的位置移动。如此处所用到的，术语“下模”是指热塑性材料被引入其中的对合模的下半模。类似地，术语“上模”是指对合模的上半模，当上、下半模被结合、即闭合时，在对合模内形成期望的热塑零件。该下模可通过台车来移动，以便用变化量的热塑性复合材料填充该模具的型腔。举例来说，如果由上、下模所限定的型腔在特定水平范围内较大的话，则会减慢下模以在该区域接收更多的熔融热塑性复合材料。所述动态模使用流控制元件，所述流控制元件改变或调节熔融的挤出热塑性复合材料的流，以从各个流控制元件输送出不同量的材料，从而在垂直于下模运动方向的方向上、跨越下模的宽度方向选择性地沉积材料。热塑性复合材料可与按重量计算含量为至少百分之十(10％)到百分之五十到六十(50％-60％)之多的长纤维(大于大约1/2英寸)一起模制，并具有较低的纤维断裂率。在熔融的挤出热塑性复合材料沉降到下模上之后，所述台车被自动输送到压力机内，该压力机将上模闭合到下模上以形成复合零件。
依据本发明原理的一个实施例包括一种由热塑性材料和纤维形成物件的系统和方法。该方法包括加热热塑性材料以形成熔融的热塑性材料，同时与纤维混和在一起。熔融的热塑性材料和纤维混和在一起以形成按重量和/或体积计算、具有期望纤维浓度的熔融复合材料。然后，该熔融复合材料被挤压通过动态模以形成指定的复合材料流，并被沉降到用于形成物件的模的下面部分。下模在接收复合材料流的同时，可在空间和时间上以变化的速度被不连续地移动，以在其上沉积精确符合下模的模具型腔内所需要的材料量的、预定量的熔融复合材料(composite material)。模具的上部可被压向所述预定量的熔融复合材料并在该模具的下面部分上闭合以形成所述物件。
在本发明的另一个实施例中提供了模制热塑物件。该物件包括嵌入热塑性树脂基体内的纤维材料，并通过低剪切工艺制备。模制前的纤维长度为大约0.5-3英寸长，而模制物件内的纤维的长度大于其预模制长度的约60％。纤维材料包括了复合的混合物的总重量的5-55％。在模制热塑物件内，纤维材料中少于20％的纤维具有相同的取向，且该模制物件在x、y和z平面内的机械性能在彼此的20％以内。该物件的机械性能基本为各向异性。
在本发明的另一个方面里提供了用于制备模制热塑物件的工艺。所述用于制备模制热塑物件的工艺通常包括以下步骤a)利用低剪切单螺钉熔融混合热塑性树脂、纤维材料和任何任选的添加剂的混合物；b)利用低剪切挤出，将该混合物通过片挤压模挤出；c)将挤出的混合物以该物件的大致形状沉积到水平可动的对合模的第一半模内；以及
d)利用该对合模的第二半模对沉积的混合物进行压缩成形，从而只需要100-1,000psi范围内的压力和基本很少的熔融混合物的运动来完成热塑物件的固结和模制。因此，本发明可显著区别于真空成形工艺和片材成形工艺。


本发明的其他目的、特征和优点从书面描述和附图中将显而易见，在附图中图1是依照本发明所述的模制系统的顶视图；图2是图1中的成形装置的侧视图；图3A-3E是图1和2中的模具在本发明所述工艺的不同步骤中的平面视图；图4是图1和2中的挤出机的侧视图；图5是图4中的挤出机的后视图；图6A是依照图1的挤出-模制系统的示例性示意图，该挤出-模制系统可被操作以形成结构零件；图6B是图6A中的挤出-模制系统600a的另一个示例性方块图；图7是图6A中的动态模在由台车支持的下模上沉积挤出复合材料的示例性分解视图；图8A是描述挤出-成形工艺的示例性流程图，该挤出-成形工艺可被用来通过使用两轴或三轴控制以将复合材料沉积到图6A的下模上、从而形成物件或结构零件；图8B是用图6A中的挤出-模制系统、通过三轴控制挤出-成形工艺生产结构零件的另一个示例性流程图；图9是图6A中的控制器的示例性方块图，该控制器与在图6A中的挤出-模制系统的部件内操作的控制器接口连接；图10是图6A中的控制器的更为详细的示例性方块图；图11是操作图10中的控制器的处理器所执行的软件的示例性方块图；图12是依据图6A中的挤出-模制系统、沉积挤出复合材料的流控制元件和下模的被分割成栅格的示例性示意图；图13是被对准以将复合材料沉积到图6A中的下模上的流控制元件的顶视图；图14是由图6A中的挤出-模制系统生产的托盘(pallet)的拐角的示例性透视顶部视图；图15A和15B分别是由图6A中的挤出-模制系统形成的、具有隐藏肋的平台的示例性透视底部和顶部视图；图16A和16B是由图6A中的挤出-模制系统形成的、具有嵌入件(insert)的示例性结构零件；以及图17是示例性流程图，描述了使用图6A中的挤出-模制系统，将嵌入件，如紧固件、支持件或其他元件插入如图16A和16B中所示的那些结构零件内的操作。
具体实施例方式
多年来，在复合材料制造工业中存在着这样的差距，其不能够提供一种大规模生产大型热塑性复合结构或零件的工艺，这种工艺以压塑或注射成形的速度和劳动效率来生产，并具备高压釜成形的准确性和低压。本发明的原理提供了弥合该差距并生产这样的热塑性复合零件的工艺过程。上述工艺过程适用于中到高产量的零件生产，并且可在低的成形压力下生产具有高增强纤维浓度的大型零件和结构。
参考附图中的图1和2，用于由热塑性树脂或由热塑性复合材料热成形零件的热成形装置10被图示出具有挤出机11、模具交换台12和压缩模具台13。挤出机具有安装在顶部的给料斗14，给料斗14用于将热塑性树脂或复合材料喂入推进器(auger)15内，在此处加热器加热热塑性材料使其成为流体材料，同时，推进器沿着挤出机路径的长度方向将所述材料喂入在其端部处的挤压模16。被喂入通过挤出机并离开挤压模的材料被安装在模16端部处的切边机17切割。所述材料以通常为平板的板(slab)(未示出)被挤出，并在其离开挤压模16时在预定点处被切边机17切边。支持平台18会将移动半模19支持在挤压模16的直接下方，以便接收热塑性材料板。移动半模19具有轮20，轮20允许半模19从平台18被移动到转动平台21上(表示为半模19’)，其中，转动平台21被安装在中心转轴22上，以便像图1中的双向箭头21’所示的那样转动。转动平台21在其上将具有第二半模23，在半模19位于平台18上的同时，第二半模23能够被送入压缩成形台13内(显示为半模23’)。半模23’可被支持在压塑站内的静止平台24上、直接位于安装到活动台板(platen)26上的普通姿态固定的半模25之下，在此处发生成形操作。因而，半模19和23能够前后穿梭往返，从而使一个模能够在另一个半模成形零件的同时捕获热塑板。移动半模19、23中的每一个都具有电机27，电机27用于将半模从转动平台21驱动到平台18上或静止平台24上。为了控制移动半模的速度，可在平台18上安装线性传感器(linear transducer)28。
应当注意到这一点，挤出机11将仍然包含热能的加热挤出板产生到移动半模上，所述挤出板在移动半模上被输送到压塑模13并被模制成零件、而无须重新加热热塑性材料片。在后文中结合图4和5也将注意到，热塑板在其整个宽度上可具有变化的厚度，以增强从模具制得的热成形零件。
转向图3A到3E，依照本发明，热塑成形装置10被图示出在压力机操作中的一系列位置上具有半模19、19’和23、23’。每张图上都有挤出机11，挤出机11具有给料斗14，给料斗14将热塑性树脂或复合材料喂入推进器16，在此处热塑性树脂或复合材料在被挤出之前被加热。在图3A中，半模23’是空的，且半模19充满了直接来自挤出机11的热熔融物。在图3B中，模载体移动转动转台21上的半模19和23’。在图3C中，转动转台21在用于将板装载到一个半模23上的台与用于将装载完毕的半模19’载入压缩或真空成形机13的站台之间的中心轴线轴22(未示出)上转动。在图3D中，半模19’移动进入压力机13，同时空的半模23移动到挤压模16下方，以便装载热塑性材料板。在图3E中，半模19’被压冷却且零件被脱模，与此同时，随着半模23被其载体在挤压模16下方移动，其被装入热熔融物直到完全装满。
转向图4和5，挤压模30被图示出具有模主体31，模主体31具有通道32，通道32用于利用图1和2所示的推进器15送进流体热塑性材料贯穿挤出通道33，以从机嘴34产生热塑挤出材料的片或板。模30具有多个模口板(gated plate)35，每一个模口板35被连接到由模口驱动器电动机37驱动的螺纹轴36，其中，模口驱动器电动机37可以是液压或气动电动机，而如图所示为电动步进电动机，该电动步进电动机具有送入到远程控制器40的控制线路38，远程控制器40能够按步步进控制电动机37，以将板35移进和移出、从而改变通过通道部分41的热塑板的厚度。在图5中可以看到，多个任意数量的电机37驱动多个板，其中，每一个板紧靠着下一个板被安装，且每一个板被独立控制，从而可在通道41内以多种模式改变板35，以便从输出部分34产生出厚度可在横过挤出板宽度上变化的板。还可以清楚地看到，能够通过个别地旋入或旋出各个模口来手动地控制模口35以调整挤压模任意部分的厚度，并且，可选地，模口35能够按需要在远程控制下由控制器40来控制，其中，控制器40可以是用来改变挤出板任意部分的厚度的计算机程序。
提供了一种热塑成形工艺，该工艺包括为热塑板的挤出选择热塑挤压模16或30，所述挤压模具有可调节模具模口部件，所述可调节模具模口部件用于改变在挤出板的不同部分的挤出材料的厚度。该工艺包括为通过其中的挤出材料在挤出板不同部分的多种厚度而调节热塑挤压模，并随后将热塑性材料加热至流体，以及将流体热塑性材料板挤压通过选定并调节好的热塑挤压模。该热塑板随后被切边，并被引导到加热的热塑性材料上进入到热成形模19或23，并在成形装置13内被模制以形成零件，在该零件内厚度是变化的。
此时应该清楚地看到，已经提供了一种热塑成形工艺和装置，所述热塑成形工艺和装置允许利用挤压模热成形具有变化厚度的零件，其中，所述挤压模可被连续控制以改变被模制的挤出板的不同部分的厚度，并且，在热塑板还是热着的同时完成该模制过程，以利用来自挤出过程的热能。但是，还应该清楚地看到，不应认为本发明被限定于所示出的形式，这些形式应被认为是说明性的而非限制性的。例如，尽管挤出材料有时被描述为大致为平板形的板，挤出材料还被描述成如下(i)当被输送到压塑模13时，包含热能以避免重新加热，(ii)在整个宽度上具有变化的厚度，(iii)当从挤出机11被装入半模19时，是热的熔融物，(iv)使用多个模口板35以改变横过挤出材料宽度和在挤出材料不同部分的厚度，以及最后(v)将熔融热塑性材料挤压通过选定并调节好的挤压模，以在形成的部分内实现变化的厚度。因而，挤出机一般提供通过动态模的热塑性复合材料的熔融流，该熔融流在垂直面内、并横过模具上的两个水平方向以变化的量沉降到所述半模或下模上。
上述“挤出-成形”工艺对于制造中到大型的热塑性复合结构是理想的，所述热塑性复合结构利用例如玻璃、碳、金属或有机纤维来增强。所述挤出-成形工艺包括计算机控制的挤压系统，所述挤压系统集成并自动化基体成分和增强成分的材料混和或混合，以分配成形的一定量的熔融复合材料，所述熔融复合材料沉降到对合模的下半部分内，所述对合模下半部分在接收所述材料时其运动受到控制；以及压缩成形台，所述压缩成形台用于接收所述模的下半部分，以便将所述模的上半部分压靠在下半部分上，从而形成需要的结构或部分。所述对合模的下半部分以变化的速度在空间和时间上不连续地移动，以使材料能够在低速下沉积得较厚，并且在较快的速度下沉积得较薄。上述的热塑装置10是用于实施该挤出-成形工艺的一个实施例。未加工树脂(可以是任何形式的再磨研(regrind)或丸化热塑性或可选地热固性环氧树脂)是基体成分，其与长度大于约1/2英寸(1/2”)的增强纤维一起被喂入挤出机的进料器或给料斗。复合材料可被挤出机11混和和/或混合，并通过利用模口35控制挤出机11的输出以及控制下半模19相对于挤出机11的位置的运动而被“智能地”沉积到下半模19上，如同下面将利用图6A和6B中所示的实施例所描述的那样。在这些实施例中，所述对合模的下面部分被固定在台车上，该台车在动态模下方不连续地移动。所述对合模的下面部分接收精确数量的挤出复合材料，并随后被移动进入压缩成形台。
如本领域内所了解的那样，可在该挤出-成形工艺中使用以形成复合材料的热塑性基体材料包括热塑性树脂。依据本发明的原理、可使用的热塑性树脂可包括能够被挤出机11熔化并混和的任何热塑性树脂。在表1中提供了这样的热塑性树脂的例子，同时需要了解，这些例子并不该是一个完整的列表，并且，在利用该挤出-模制系统制造结构零件时，可使用其他的热塑性树脂和材料。另外，表1中的热塑性树脂可以被单独使用，或者，也可以任意的组合形式来使用。
表1

具体的热塑性材料包括聚丙烯、聚乙烯、聚醚醚酮、聚酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、尼龙、聚甲基(polymethyl)、聚甲基丙烯酸酯、丙烯酸类树脂、聚氨酯及其混合物，所述热塑性材料尤其适用于挤出模制工艺。
为热塑性复合材料充当增强成分的纤维一般包括那些可被用来增强热塑性树脂的材料。根据本发明的原理、适用的纤维材料不受限制地包括玻璃、碳、金属和天然材料(如亚麻、棉花)，这些纤维材料可单独使用或组合使用。如本领域内所了解的那样，没有被列出的其他纤维也可被使用。尽管一般并不限定纤维的直径，但是用于模制较大结构零件的纤维直径一般在1与20μm之间的范围内。然而，应当了解，纤维的直径依赖于一些因素而可能更大，这些因素包括期望的结构零件强度、期望的纤维密度、结构零件的尺寸，等等。特别是，利用直径为大约一(1)到大约九(9)μm的纤维时，机械性能的改善效果显著。
在纤维内成束的单纤维(filament)的数量一般也不作限制。但是，出于对操作的考虑，由10,000到20,000根单纤维或单丝组成的纤维束一般比较理想。在通过硅烷或其他偶合剂进行过表面处理之后，这些增强纤维的粗纱可被使用。为了改善与热塑性树脂的界面接合，例如，在聚酯树脂的情况中，表面处理可通过热塑成膜聚合物(thermoplastic film formingpolymer)、偶合剂、纤维润滑剂等来进行。这样的表面处理可在使用处理过的增强纤维之前进行，或者，所述表面处理可恰在增强纤维被喂入挤出机之前进行，以便进行产生熔融热塑性复合材料的挤出工序而不被打断。因为可根据最终使用目的采用任何的组成比例来产生热塑性复合材料以及成形的零件，故对于热塑性树脂与纤维之间的比例并不作具体限制。但是，如同本领域内所了解的那样，为了给结构零件提供足够的结构支持，纤维的含量按重量计算一般为百分之五(5％)到百分之五十(50％)。已经确定，纤维含量按重量计算一般为百分之十(10)到七十(70)，并且按重量计算优选为百分之四十(40％)，以获得较大物件生产所期望的机械性能。
这些纤维的平均纤维长度大于大约二分之一英寸(1/2”)。然而，由挤压-模制系统600a生产的典型结构零件其使用的纤维长度大于大约一英寸。应当注意，当平均纤维长度小于一英寸时，难以获得期望的大物件机械性能。这些纤维在热塑性复合材料中的分布一般是均匀的，从而使纤维和热塑性树脂不会在熔化和压塑时分离。这些纤维的分布或分配包括这样的过程，通过该过程，纤维从单丝的级别分散到多丝的级别(即，几十根纤维组成的束)。在一个实施例中，大约五根纤维组成的束被分散以提供效率和结构性能。此外，“梳理程度(degree of combing)”可通过用显微镜观察该结构的一个截面并确定呈十根或更多根组成的束的增强纤维的数量在1000或更多可观察到的增强纤维全体中的比例(十或更多束中的增强纤维的总数/增强纤维的总数×100)(百分比)来评价。由本发明的原理产生的典型值，结果不超过大约百分之六十(60％)，并且一般低于百分之三十五(35％)。
图6A是挤出-模制系统600a的示例性示意图，挤出-模制系统600a可被操作以形成结构零件。挤出-模制系统600a由若干分立的部件组成，这些部件被集成为一个整体，以由复合材料形成结构零件。这些部件包括材料接收单元602，加热器618，挤出机604，动态模606，台车608，压缩压力机610和控制器612。其他辅助部件也可被包括进来以形成挤出-模制系统600a。
材料接收单元602可包括一个或更多的给料斗或进料器614和615，进料器614和615用于分别接收材料M1和M2，材料M1和M2将被挤出以形成热塑性复合材料。应当了解，可使用附加的进料器来接收附加的材料或添加剂来配制不同的混合物。在当前的例子中，材料M1和M2代表起始材料，即优选呈丸状的增强热塑性材料。M1和M2可以是相同或不同的增强热塑性材料。如本领域内所了解的那样，热塑性材料可以用纤维来增强，如玻璃或碳纤维。应进一步了解，根据本发明的原理，可以使用非热塑性材料。
加热器618预热热塑性材料M1和M2。挤出机604被连结到进料器通道616，并且，挤出机604可被操作以通过推进器620混合加热的热塑性材料M1和M2。挤出机604进一步熔化热塑性材料。推进器620可以是螺旋形的，或能够被操作从而混合复合材料并使复合材料流动通过挤出机604的任何其他形状。挤出机输出通道622被连结到挤出机604，并被用来将复合材料承载到动态模606。
动态模606包括多个流控制元件624a-624n(总称为624)。流控制元件624可以是单独的模口(gate)、阀或其他机构，这些机构能够操作以控制来自动态模606的挤出复合材料625，其中，在动态模606，挤出复合材料625a-625n(总称为625)变化横过在流控制元件624处或其下的平面P的体积流速。不同的体积流速输出大致在零到3000磅/小时之间的范围内。更为优选的体积流速范围在大约2500和3000磅/小时之间变化。在一个实施例中，流控制元件624是由单独的致动器单独地或一体地升高和降低的模口，所述致动器可以是例如电机(比如步进电机)、液压致动器、气动致动器或可被操作以改变来自可调节流控制元件624的复合材料流的其他致动器。流控制元件624可以构造成相邻的，以提供连续的分开相邻流控制元件624。可选地，流控制元件624可以单独地构造，从而使流自相邻流控制元件624的复合材料保持分离直至复合材料在模具上展开。应当了解，流控制元件624可适当地作为切边机17来操作。在本发明的实施例中，熔融复合材料可被输送到放置在挤出机604与动态模606之间的积聚器(accumulator)中，利用柱塞或其他致动机构，所述复合材料可从其被输送到下模内。
台车608可在动态模606下面移动，以便挤出材料625沉降到或沉积在下模626上，其中，下模626以预定的垂直距离，即“下降距离”(d)，在动态模606下方经过。下模626限定了用来形成结构零件的型腔630。挤出复合材料625被沉积在下模626上，以填充由下模626和上模632内的型腔630限定的体积，从而形成复合零件。在两轴控制工艺中，基于不连续的运动和变化的速度，复合材料625a可以以从动态模606或横过垂直面(P)基本恒定的体积流速被沉积在下模626上，以形成沿垂直面(P)具有基本相同的厚度或体积的复合材料层628，从而填充下模626和上模632内的型腔630。在三轴控制工艺中，复合材料可以以从动态模606横过垂直面(P)不同的体积流速被沉积在下模626上以形成沿垂直面(P)具有不同的厚度或体积的复合材料层628，从而填充下模626和上模632内的型腔630。应当了解，两轴控制工艺可用来将复合材料沉积到具有在垂直面内深度基本恒定的型腔630的模具，且三轴控制工艺可用来将复合材料沉积到具有深度变化的型腔630的模具。
台车608可进一步包括轮634，轮634提供沿轨道636的平动。轨道636使台车608能够在动态模606下面滚动并进入压力机610。压力机610操作以将上模632压入下模626。虽然相比传统的热塑成形过程而言，因复合材料层628被直接从动态模606沉积到下模626，故本发明的原理使成形过程的力得以减小，但是如果任由轮634跟导轨636接触的话，则由压力机610所施加的力仍然足以损坏轮634。因此，可选择性地令轮634跟压力机610的基部640的上表面638接合和脱离接合。在一个实施例中，台车608被连结到其上的可充气管道(tube)(未示出)升高，从而，当上述管道被充气时，轮634结合轨道636以便台车608可以从模606下面移动到压力机610。当上述管道被放气时，轮634被脱离接合，从而使台车608的主体坐落于压力机610的基部640的上表面638上。应当注意，其他驱动结构部件可被用来接合轮634以及使轮634从对台车608的支持中脱离接合，但是接合和脱离接合轮634的功能性在大体上是相同的。例如，压力机610的基部640的上表面638可以被升高以接触台车608的基板642。
控制器612被电连接到形成挤出-模制系统600的不同部件。控制器612是基于处理器的单元，其操作以协调结构零件的成形。部分地，控制器612操作以便通过控制复合材料的温度、挤出复合材料625的体积流速以及通过台车608控制下模626的定位和运动速率以接收挤出复合材料625，从而控制被沉积在下模626上的复合材料。控制器612可进一步被操作以控制加热器618加热热塑性材料。控制器612可控制推进器620的速率以维持通过挤出机604和进入动态模606的基本恒定的复合材料流。可选地，控制器612可改变推进器620的速度，从而改变来自挤出机604的复合材料的体积流速。控制器可进一步控制挤出机604和动态模606内的加热器(未示出)。基于被形成的结构零件，可为动态模606建立一组预定的参数，以将挤出复合材料625施加到下模626。这些参数可被限定成使得流控制元件624可被选择性地设置，从而依据限定被生产的结构零件的型腔630，令台车608的运动在位置上跟复合材料的体积流速(volumetric flow rate)同步。
台车608可进一步包括由控制器612控制的加热器(未示出)，并且该加热器可被操作以将挤出复合材料625保持在加热或熔融的状态。在挤出复合材料625被施加到下模626的过程中，该控制器可通过改变台车的要求速度来控制台车608。在完成了将挤出复合材料625施加到下模626时，控制器612驱动台车608进入到压力机610内。控制器随后以信号通知机构(未示出)从而使轮634像上面描述的那样从轨道636脱离接合，以便压力机610能够相对下模626对上模632施力而不损坏轮634。
图6B是图6A所示的挤出-模制系统600a的另一个示例性方块图。挤出-模制系统600b被构造成支持两个压力机610a和610b以形成结构零件，其中压力机610a和610b可被操作以接收支持下模626的台车608。应当了解，两个台车608可被轨径或轨道636支持，以备用单个挤出机604和动态模606形成多个结构部件。尽管在一个实施例中轮634和轨道636可被用来为台车608提供运动，应当了解，其他的运动机构也可被用来控制台车608的运动。例如，输送装置、悬吊装置或履带传动系统可被用来控制用于的台车608的运动。
控制器612可被构造成支持多种结构零件，以便挤出-模制系统600b可以通过不同的压力机610a和610b同时形成不同的结构零件。因为控制器612能够存储可被操作以形成多种结构零件的参数，故控制器612可通过利用通用软件程序中的参数来简单地改变对动态模606以及台车608a和608b的控制，从而以备使用单个挤出机604和动态模606来形成两个不同的结构零件。应当了解，附加的压力机610和台车608可被用来通过单个挤出机604和动态模606大致同时地生产更多的结构零件。
图7是动态模606将挤出复合材料625沉积到由台车608支持的下模626上的示例性分解视图。如所示，动态模606包括多个流控制元件624a-624i。应当了解，流控制元件624的数量可依赖于所形成的结构零件的分辨率(resolution)或细节而增加或减少。如所示，流控制元件624被定位在不同的高度处，以便提供跟每一个流控制元件624关联的、较大或较小的挤出复合材料625的体积流速。例如，流控制元件624a被完全关闭，从而防止复合材料通过动态模606的那一部分。因此，跟关闭的流控制元件624a关联的体积流速fa为零。流控制元件624b被打开以形成高度为h1的孔口，从而提供挤出复合材料625b的体积流速fb。类似地，流控制元件624c被打开以形成较大的开口，以令挤出复合材料625c以更高的体积流速fc输出到下模626上。
如跟每一个流控制元件624关联的挤出复合材料625的阴影变化所表示的那样，流控制元件624可基于通过下模626和上模632形成的结构零件而被动态地调节。相应地，基于所形成的结构零件(如，在某个区域上的深拉延)，流控制元件624可被调节以改变挤出复合材料625在下、上模626的有限区域上的体积流速。换言之，基于由下模626和上模632所限定的型腔630，复合材料层628在厚度上可变化。例如，复合材料层区域628a比复合材料层区域628b薄，复合材料层区域628b更厚以便充分地填充型腔630a，其中，型腔630a比下模626内的型腔630的其他位置具有更深的拔模斜度(draft)。换言之，被挤出的复合材料层628基于由模626和632所限定的型腔630的深度而被动态地改变。在能够在挤出-模制系统600a上执行的两轴和三轴控制工艺中，被挤出的复合材料层628在厚度上可基于挤出复合材料625的体积流速和台车608的行进速度而被动态地改变。
依赖于所生产的结构零件，将挤出复合材料沉积到下模上可通过控制挤出复合材料沿两根轴线或三根轴线沉积的量来执行。对于两轴控制，可沿着运动轴线控制台车的运动，以将挤出复合材料以不同的量沿沉积轴线沉积。对于三轴控制，挤出机的输出可使用包括流控制元件的动态模，从而提供沿着垂直于运动轴线的轴线、被同时沉积到下模上的不同的体积流速。应当了解，其他的实施例可提供离轴(off-axis)或无轴(non-axis)控制，以将挤出复合材料沉积在下模上特定的位置内。
通过提供对台车和施加到下模上的复合材料的控制，从厚的连续层到圆或椭圆的薄轮廓的任何图案，均可以在下模上形成，能够通过离散数学来描述的任意二维形状都能够用材料来描绘(trace)。另外，由于存在对沉积在给定区域上的复合材料量的控制，故可创造三维图案以提供要生产的如具有深拔模斜度(deep draft)和/或隐藏肋的结构部件。一旦结构零件被冷却，可使用脱模器(ejector)以将固结的材料推离模具。本发明的原理可被设计成使得两个或更多的独特的零件可被同时生产，从而通过使用几乎连续的复合材料流最大程度地提高了生产效率。
所述挤出-成形工艺的增值收益利用该挤出-模制系统，可以用很低的加工成本以及以串联(in-line)的方式来生产大的长纤维增强塑性零件。该挤出系统的特征提供了这样的增强塑性部件生产线，该生产线提供(i)材料的灵活性，(ii)沉积工艺，(iii)低压，以及(iv)加工效率。材料灵活性使得能够从生产线式的混合上同时节省材料和机器成本，并且进一步提供材料性能的灵活性。沉积工艺增加了材料沉积过程的价值，其允许了更复杂的形状(如，大的拔模斜度和肋)，更好的材料流和在模具中包括大的嵌入件的容易性。低压旨在降低成形压力，这将同时减轻在模具和机器上的磨损，并且仅将极少的应力锁定在结构零件中。加工效率提供了一次使用两个或更多完全不同的模具的能力，以提高挤出系统的效率，从而降低了运行生产操作所需机器的数量。另外，依据本发明原理的材料输送系统可与许多现有的机器集成在一起。
材料灵活性该挤出-成形工艺允许采用若干种不同类型的树脂和纤维来混合定制的复合混和物。该挤出系统可利用如上所述的若干种树脂来生产零件。采用传统的压缩成形方法，需从热塑片生产商购买将树脂跟纤维和想要的添加剂结合在一起的预先制备的热塑片，也就是通常所说的毛坯(blank)。然而，这些毛坯因其已经过了若干中间人而价格昂贵，并且通常只以预定混合物的形式出售。通过使用依据本发明原理的挤出-成形工艺，这些费用通过串联(in-line)的混合工艺(compounding process)过程可以被降低，该混合工艺过程使用原材料来生产结构零件而无须购买预制的片。人工和机器成本也得到了显著的降低，这是因为该挤出-模制系统并不需要炉子来预热材料，且不需要操作者将加热了的片移动到模具。由于操作者按照需要控制混合比例，因此给该工艺加入了几乎无限的灵活性，包括例如在模制时改变性能的能力，或创造出颜色上的逐渐变化的能力。而且，不同于片材成形，该挤出-模制系统并不要求材料具有熔体强度，这给系统赋予了增加的灵活性。在一个实施例中，该挤出-模制系统可利用热固性树脂来生产结构零件。该挤出-模制系统还可将多种纤维材料，包括如上所述的碳纤维、玻璃纤维和其他纤维用于增强作用，所述增强作用具有可实现的超过50％的纤维体积百分数以及1到4英寸或更长的纤维长度，同时85％或更高比例的纤维长度从原材料被保持到了完成的零件。
沉积工艺依据本发明的原理，该挤出系统允许可变的复合材料敷设(lay-down)，例如，在模具因深拔模斜度(draft)或隐藏肋而要使用更多材料的区域内，从而最大程度地减小了在成形和压制过程中使用的力。跟典型的压缩成形工艺相比，可变复合材料的敷设产生更高的准确性、更为充满的模、以及更少的“欠注(short-shot)”，如同本领域内所了解的那样。可变敷设还允许大的特征在结构零件的两侧上被模制，同时允许将嵌入件或型芯放入结构零件内。最后，由于材料以熔融状态被沉积到模具上时，其粘滞性相对很低(相对于被预先混合成片并随后被压入模具内)，故纤维能够容易地进入肋并覆盖大尺寸区域，而不会被集结或按照不期望的方式取向。
低压在挤出-成形的过程中被沉积的热塑性复合材料相对于来自加热的预混合片的热塑性复合材料，其流动性要好得多，从而使热塑性复合材料流入模具变得容易得多。沉积到模具上的复合材料的流动性导致模制压力要求相比大部分其他的模制工艺有了显著的降低。用于该工艺的压力机，相比用于压缩成形的1,000磅/平方英寸的压力而言，一般在100磅/平方英寸的范围内操作。较低的压力转化为较少的磨损，从而减少了对模和压力机的维护。由于压力较低，可使用能够经受300,000个循环的铝制模具，制造这种模具仅用花费$40,000，而无需可花费超过$200,000的钢制工具。较为便宜的工具还意味着对未来的设计变化更多的灵活性。由于热塑性树脂在较低的压力下在模具的表面上被重新定位和成形，故锁入材料的应力较少，从而导致更好的尺寸公差和较少的翘曲(warpage)。
加工效率由于该挤出-成形工艺可用到在同一时间运行的两个或更多模具，因此降低了每个零件的平均周期时间，从而，因第一个模具装置可在第二个模具被填充和加压的同时被冷却并移出而提高了生产能力。而且，该挤出-模制系统利用了最少的冗余部件。在一个实施例中，该挤出系统为每一个模具使用了单独的压力机，但是其他的设备可被合并、并在多套模具之间共享，而且可容易地在软件内作出改动以适应其他的模具。挤出和输送系统600a可进一步被集成到目前的制造设备中，并且，现有的压缩模具和压力机可被结合起来。
图8A是示例性流程图，描述了可被采用以通过使用两轴或三轴控制形成物件或结构零件的挤出-成形工艺，其中，所述两轴或三轴控制用于将复合材料沉积到下模626上。该挤出-成形工艺从步骤802开始。在步骤804，热塑性材料被加热以形成熔融的热塑性材料，并在步骤802跟纤维混和以形成复合材料。在步骤708，熔融的复合材料被输送通过动态模以沉降到下模626上。对于两轴挤出沉积工艺，可使用来自模的固定输出。在两轴工艺中，台车的运动被保持在恒定的速度。在三轴挤出控制工艺中，动态模606可被使用，并跟改变台车或模具的速度相结合。对于两轴和三轴挤出控制工艺这两者而言，在步骤810中，下模626可在接收复合材料的同时、在空间和时间上移动，以遵循由下模626和上模632限定的型腔630所要求的复合材料量。在步骤812中，上模632被压向下模626以将复合材料压入下模626和上模632内。该工艺过程结束于步骤814。
图8B是利用图6A的挤出-模制系统600a通过三轴控制挤出-成形工艺来生产结构零件的示例性流程图。该结构零件的生产过程从步骤816开始。在步骤818，热塑性材料被接收。在步骤822，热塑性材料被加热。在一个实施例中，热塑性材料被加热至熔化或熔融状态。在步骤820，具有预定纤维长度的纤维被接收。在步骤822，纤维跟加热的热塑性材料混和以形成复合材料。所述纤维可以是用来形成大的结构零件的由玻璃或其他刚性材料形成的长股纤维。举例来说，在结构零件的形成中，可使用长度为1/2英寸(1/2”)到4英寸(4”)或更长的纤维长度。
复合材料在步骤826中被挤出。在挤出过程中，用来挤出复合材料的推进器620或其他机构被构造成能够基本避免对纤维的损坏，从而使初始的纤维长度被基本保持下来(如，85％或更高)。举例来说，在使用螺旋型推进器620的情况下，螺纹间距(thread spacing)被选定为大于纤维的长度，从而基本避免了对纤维的损坏。
在步骤828，挤出复合材料625可以横过平面以不同的体积流速被动态地输出，从而提供了对将挤出复合材料625沉积到下模626上的控制。在步骤830，下模626可以在位置上被同步，以相对于横过平面P不同的体积流速来接收挤出复合材料625。在一个实施例中，模具626的位置同步根据位于台车608上方高度d处的流控制元件624来进行，台车608可以以基本恒定或可调节的速率平移。举例来说，为了沉积恒定或平的挤出复合材料层628，台车608以基本恒定的速率被移动，但是为了增加或减少挤出复合材料层628的体积，台车608可以分别以较慢或较快的速率被移动。在步骤832，形成为挤出复合材料层628的挤出复合材料625被压入模626以形成热塑结构零件。该结构零件的形成过程结束于步骤834。
图9是控制器612的示例性方块图900，控制器612被构造成能够与在图6A的挤出系统600a的部件内操作的控制器进行通信。如本领域内所了解的那样，为了实现双向通信，控制器612利用数字和/或模拟通信信道与不同的控制器进行通信。在部件内操作的控制器可以是本领域内所了解的基于处理器操作的开环或闭环控制软件，并且可作为控制器612的伺服计算机来操作。可选地，这些控制器可以是不基于处理器的控制器，如模拟或数字电路，其作为控制器612的伺服单元(slave unit)来操作。
进料器614可包括速度和温度控制器902，速度和温度控制器902可被操作以控制用于混合复合材料M1和纤维材料M2的进料器614的速度和温度。进料器速度和温度控制器902可由单个或多个控制器形成以控制电机和加热器。控制器612可被操作以对进料器614的速度或速率以及温度进行指定或下达指令，同时进料器614的速度和温度控制器802可被操作以执行控制器812所接收的指令。举例来说，基于被挤压通过动态模606的复合材料量，控制器612可以提高材料M1和M2喂入挤出机606的速率。
控制器612进一步跟加热器控制器904进行通信。控制器612可基于从加热器控制器904接收到的反馈数据，将控制数据传送到加热器控制器904。例如，如果加热器控制器904的温度在喂料操作期间降低，则控制器612可通过控制数据1018向加热器控制器904发出指令，以提高加热器618的温度。可选地，加热器控制器904可利用本领域内所了解的反馈调节环将温度调节至由控制器612所给定的温度，并出于监控的目的而简单地将温度报告给控制器612。
控制器612进一步跟挤出机速度和温度控制器906进行通信，挤出机速度和温度控制器906提供对推进器620的速度和挤出机604的温度的控制。挤出机速度和温度控制器906可被操作以控制挤出机604的区域内的多个加热器、并将每一个加热器的温度传达给控制器612。应当了解，挤出机速度和温度控制器906可由多个控制器构成。
控制器612进一步跟动态模控制器908进行通信，动态模控制器908控制动态模606的流控制元件624。动态模控制器908可操作以总体地或单独地控制每一个流控制元件624。可选地，每一个流控制元件624可被分离的控制器单独控制。相应地，控制器612可在开环方式下操作以向动态模控制器908发出指令，以便为每一个流控制元件624设定位置。举例来说，步进电机可在开环方式中使用。每一个流控制元件624的实际位置可通过反馈数据1022被传送回控制器612，以便控制器612在对流控制元件624的位置进行控制的过程中使用。
控制器612进一步跟台车控制器910进行通信，台车控制器910被连接到台车608，并可被操作以控制台车608的位置和下模626的温度。控制器612可向台车控制器910提供控制信号1018，其中，台车控制器910作为将台车608驱动至由控制器612给定的位置的伺服装置来操作，其中，在将挤出复合材料625沉积到下模626上的情况下，控制器612相应地对下模626进行定位。尽管，被沉积到下模626上的挤出复合材料层628在沉积时是熔融态的，但是先沉积的挤出复合材料层628趋于在后来的挤出复合材料625被沉积的时候冷却。因此，控制器612可向台车控制器910传送控制数据1018，以保持挤出复合材料层628的温度，或者基于挤出复合材料625的沉积时间，将其保持在基本恒定的温度，和/或基于其他的因素、如热塑性材料M1的熔融态温度要求。反馈数据1022可提供台车608的当前温度及位置和速度状态、以及下模626的温度，从而使控制器612可执行管理和监控功能。
控制器612进一步跟加热/冷却控制器912进行通信，加热/冷却控制器912可被操作，以便为挤出-模制系统600a控制加热器和/或冷却器的温度。加热/冷却控制器912可从控制器612接收控制数据1018，控制器612基于若干因素，如热塑性材料M1、环境温度、所生产的结构零件的特性、生产率等，命令加热/冷却控制器912在具体或可变的温度下操作。加热/冷却控制器912可控制系统级的加热器和冷却器，或部件级的加热器和冷却器。反馈数据1022可提供加热器和冷却器的当前温度和状态，从而使控制器612可执行管理和监控功能。
控制器612进一步跟压力机控制器914进行通信，压力机控制器914可被操作以控制压力机操作和上模632的温度。压力机控制器914可以是跟压力机610一起、由压力机610的制造商提供的标准控制器。类似地，压力机控制器914可包括控制上模932温度的温度控制器。可选地，温度控制器可以不与由压力机910的制造商提供的压力机控制器914关联。反馈数据612可提供压力机当前的位置和力、以及上模632的温度，从而使控制器612可执行管理和监控功能。
控制器612进一步跟拔模(extraction)工具控制器916进行通信，拔模工具控制器916可被操作以控制对模制的结构部件的拔模操作。对控制器612从压力机控制器914接到压力机610已经完成了压制操作的通知作出响应，控制器612可向拔模工具控制器916发出控制信号1018，以启动模制完成的结构部件的拔模操作。相应地，反馈数据1022可被用来指示拔模工具的当前操作。如果反馈数据1022指出拔模工具在拔出模制完成的结构部件时有困难，则挤出-模制系统600a的操作者可以得到通知，拔模工具、下或上模626和632、压力机610、上或下模626和632的加热器或冷却器、或挤出-模制系统600a的其他部件或功能出现了问题。
应当了解，尽管控制器612可被构造成对于挤出-模制系统600a的每一个部件而言的主控制器，控制器612可被构造成以更为分布式控制器的形式来管理部件。换言之，部件的控制器可作为利用所生产的结构零件的参数来计算操作和控制参数的、更为智能的控制器来操作，而较少地作为被控制器612下达指令以执行功能的伺服装置。应进一步了解，控制器612可被编程以适应挤出-模制系统600a的不同机械构造。举例来说，如果挤出-模制系统600a被构造成使得挤出机606的输出相对于可连结到或没有连结到台车608的静止下模626平移或移动，则控制器612可被编程以控制挤出机606输出的运动而不是台车608的运动。
图10是图6A的控制器612的示例性方块图。控制器612包括连接到存储器1004的处理器1002和用户接口1006。用户接口1006可以是触摸屏、电子显示装置和键盘、笔控型接口、或本领域内所了解的任何其他的用户接口。处理器1002被进一步连结到输入/输出(I/O)单元和在数据库或文件1012a-1012n(总称为1012)中存储信息的存储单元1010。数据库1012可被用来存储控制挤出-模制系统600a的控制参数，例如与下模626和上模632关联的数据。另外，数据库1012还可被用来存储在挤出系统600a操作期间从挤出系统600a反馈回来的数据。
处理器1002可被操作以执行被用来控制挤出-模制系统600a的不同部件、并管理数据库1012的软件1014。在控制挤出-模制系统600a的过程中，软件1014通过I/O单元1008和控制总线1016与挤出-模制系统600a进行通信。控制数据1018通过数据包和/或模拟控制信号穿越控制总线1016被传送至挤出-模制系统600a。应当了解，控制总线1016可以由多个控制总线构成，由此，每一个控制总线跟挤出-模制系统600a的不同部件相关联。应进一步了解，控制总线1016可利用串行或并行协议来操作。
在操作过程中，可以是单总线结构或多总线结构的反馈总线1020可被操作以从挤出-模制系统600a反馈数据1022。反馈数据1022可以是传感数据，如温度、位置、速度、水平(level)、压力或由挤出-模制系统600a测得的任何其他的传感信息。相应地，I/O单元1008可被操作以从挤出-模制系统600a接收反馈数据1022，并将反馈数据1022传送到处理器1002以供软件1014使用。软件1014可在数据库1012中存储反馈数据、并利用反馈数据1022控制挤出-模制系统600a的部件。例如，在由加热器控制器904反馈回控制器612的加热器温度的情况中，如果加热器618的温度变得过低，则控制器612可通过控制数据1018向加热器618发出指令，以提高加热器618的温度。控制器612或部件(如，加热器)可包括本领域内所了解的自动控制系统，该自动控制系统用于执行对部件的控制和调节。
在操作过程中，控制器612可存储用于用挤出-模制系统600a生产一个或多个结构零件的控制参数。举例来说，跟模626和632的参数关联的数据，如型腔630的尺寸，可以被存储在数据库1012中。通过存储用于不同结构零件的多组参数，挤出-模制系统600a可被用来基本同时地形成这些结构零件。处理器1002可并行地利用不同组的参数执行软件1014，以基本同时地形成所述结构零件。即，当一个结构零件被压制时，可以由动态模606通过将挤出复合材料625施加到下模626上而形成另一个结构零件。
图11是软件1014的示例性方块图，软件1014由处理器1002执行。系统管理器1100可被操作以管理控制器612的各方面。系统管理器1100跟操作者接口1102、系统驱动器1104和数据库管理器1106接口连接。
操作者接口1102被用来为挤出-模制系统600a的操作者提供接口，以手动控制挤出-模制系统600a或建立程序和/或轮廓图(profile)，以便生产结构零件。操作者接口1102与程序选择器1108通信，程序选择器1108在被预先编程时，允许操作者为生产结构零件而选择程序。举例来说，被建立以生产托盘(pallet)的程序可通过操作者接口1102被操作者选定，以便控制挤出-模制系统600a依据下模626和上模632按照托盘设计者的限定来生产托盘。在一个实施例中，程序选择器1108仅选择通用程序(generic program)，该通用程序通过相应地利用用于控制部件的具体参数组对挤出-模制系统600a进行控制，从而生产具体的结构零件。程序选择器1108可跟参数选择器/编辑器1110通信，参数选择器/编辑器1110允许操作者选择一组具体参数以形成具体的结构零件，和/或，编辑这些参数以改变形成该结构零件的工艺过程。参数选择器/编辑器1110可与数据库管理器1106接口连接，以便从许多不同的参数数据文件当中选择一组具体参数，其中，上述许多不同的参数数据文件可被控制器612用来驱动挤出-模制系统600a的部件以形成不同的结构零件。举例来说，数据管理器1106可访问用于生产托盘、I-形梁、底板(backboard)等的参数组。应当了解，挤出-模制系统600a的每一个部件可被通用驱动器控制，并且，被选定用来生产结构零件的参数可相应地改变挤出-模制系统600a的每一个部件的行为。
如本领域内所了解的那样，系统驱动器1104可被用来跟挤出-模制系统600a的部件集成为一体。举例来说，单独的系统驱动器1104可被用来控制进料器614、加热器618、挤出机604、动态模606、台车608和压力机610。系统驱动器1104可由挤出-模制系统600a的操作者来定制，或者可以是由具体部件、如挤出机610的制造商提供的通用驱动器。在挤出-模制系统600a生产结构零件的操作过程中，系统驱动器1104可利用被选定以生产结构零件的参数来驱动挤出-模制系统600a的部件。
在控制挤出-模制系统600a的部件的过程中，数据库1012和状态警报反馈管理器1114被用来为挤出-模制系统600a的每一个部件提供反馈控制。举例来说，加热器618可通过温度传感器(未示出)来反馈实际温度。基于加热器618的测得温度，被用来控制加热器618的系统驱动器1104根据实际的温度测量可提高或降低加热器618的温度。相应地，其他传感器可被用来反馈挤出-模制系统600a内的每一个部件和/或复合材料的温度、压力、速度、重量、位置等。在部件致命故障的情况下，告警信号可被反馈到控制器612并被状态警报反馈管理器1114检测到。如果告警信号被认为是严重故障，则系统驱动器1104可关闭挤出-模制系统600a的一个或多个部件以阻止对硬件的损坏或对操作者的人身伤害。对应于这样的告警信号，系统管理器1100可触发操作者接口1102显示该故障，并提供关于纠正措施或其他内容的通知。
图12是流控制元件624a-624f和下模626的示例性示意图，其被切分成栅格1202。栅格间隔由沿y轴的流控制元件624(被识别为间隔1-5)限定以及由沿着x轴的间隔a-e限定。应当了解，通过利用更多的沿y轴的流控制元件624和定义更小的沿x轴的间隔，可获得更高的栅格分辨率(resolution)。依赖于所形成的具体结构零件，可能需要更高或更低的分辨率，并且由操作者建立以定义更高或更低的分辨率的参数可通过数据库管理器1106被存储在控制器612中，以便在生产结构零件的过程中使用。
表2-10是用来控制挤出-模制系统600a的部件的示例性数据表。具体而言，这些表提供了用于控制部件的控制数据1018和由控制器612从部件接收到的反馈数据1022。表2提供了对进料器614的控制，进料器614用来喂入形成结构零件的热塑性复合材料M1、纤维材料M2和任何其他材料(如颜料)。如所示，控制数据1018包括每一个进料器614向挤出-模制系统600a输送材料的速率，并且，反馈数据1022包括当前在每一个进料器614内的材料水平。在挤出-模制系统600a操作期间，从进料器614输送的材料的速率被控制，并且，进料器614内的材料水平被测量，对进料器614内的材料到达最小量作出响应，可通知操作者材料的水平，从而操作者可向进料器614施放附加的材料。
表2

表3是示例性表，提供对挤出机604内的加热器的温度控制。在挤出机604被限定为具有7个温度区域1-n的情况下，每一个区域的温度可由挤出机温度控制来设定，挤出机温度控制被限定成被设定成加热或冷却，开或关，和/或具体的温度(未示出)。反馈数据1022可包括挤出机604每一个区域的实际温度。相应地，温度传感器被集成到挤出机604的每一个区域内，且传感到的温度经由反馈总线1020被反馈到控制器612以便进行反馈控制。
表3

表4是示例性表，提供对驱动在挤出机604内操作的推进器620的电动机(未示出)的速度控制。控制数据1018包括驱动电动机的速度控制设置。电动机的实际速度和负载通过反馈数据1022被反馈到系统驱动器1104，系统驱动器1104被用来通过控制数据1018控制挤出机604的推进器620的速率。
表4

表5定义了对动态模606内的加热器的温度控制。控制数据1018可由动态模606内的区域1-n限定。类似于对挤出机604的温度控制，加热器618可包括加热与冷却控制和/或开关设置，用于控制和/或调节动态模606内不同区域的温度。相应地，反馈数据1022可包括动态模606内每一个区域的实际温度，以便对其进行控制。
表5

表6是用于对动态模606的流控制元件624进行控制的示例性表。如所示，控制数据包括流控制元件1-n和每一个流控制元件624的位置，其中，流控制元件624的位置在1-m的范围内变动。应当了解，流控制元件624可具有几乎无穷多个位置。但是，出于实际的目的，流控制元件的位置通常被设置成具有某些预定的位置，举例来说，如从零到六英寸范围内每四分之一英寸的位置。在对流控制元件624的位置进行控制的过程中，可使用步进电机或其他类型的电机。相应地，流控制元件624的反馈数据1022包括了流控制元件624的当前位置，从而，如本领域内所了解的那样，与由控制器612传送到动态模606的控制数据1018之间的任何位置偏差可通过反馈数据1022由反馈环来校正。
表6

表7是提供对下模626的温度控制的示例性表。应当了解，类似的表可被用来控制上模632的温度。如所示，下模626可被分割成为若干区域1-n，在这些区域，加热器和/或冷却器可被应用到每一个区域，以按照控制数据1018所下达的指令加热和冷却下模626。相应地，反馈数据1022可提供用于下模626的实际温度，以便可由控制器612来执行反馈控制，从而调节下模626的温度。举例来说，随着挤出复合材料625被施加到下模626上，下模626的温度可在所有这些区域上被调节，从而可在复合材料被沉积到下模626上时、直到结构零件从模626和632中移出时，基于时间和其他因素来调节挤出复合材料层628的温度。
表7

表8是提供用于控制台车608的示例性控制参数的示例性表。如所示，控制数据1018包括对台车608的位置、速度和升高控制。应当了解，附加的控制数据1018可被包括在内，以控制台车608的运动。举例来说，加速度、转动或角度位置，或其他动态控制数据可被用来移动或同步台车608，从而相对于被沉积或沉降到下模626上的挤出复合材料625的施加来适当地调整下模626。台车608的反馈数据1022可包括台车608的实际位置和当前速度。升高控制数据可被用来分别在将挤出复合材料625沉积到下模626期间以及通过压力机610将挤出复合材料层628压入模626和632期间接合和脱离接合台车608的轮634。升高的实际位置可被反馈以便保证压力机610直到轮634通过升高机构(如气管)被脱离接合时才被启动。
表8

表9是提供对压力机610的控制的示例性表。控制数据1018可包括锁定控制数据和周期挤压时间。反馈数据1022可包括台车608在压力机610内的位置以及压力机台板(platen)的位置。其他控制和反馈参数可被另外包括在内，以控制压力机。举例来说，上模632的温度控制、压力机610的力等等也可被包括在内。
表9

表10提供了控制拔模工具(未示出)的示例性表，其中，所述拔模工具用于在形成结构零件的过程中，在完成压制过程以及可选地、完成冷却过程之后，从模626和632中拔出已经形成的结构零件。控制数据1018可包括开始拔模周期，且反馈数据1022可包括单个拔模(extraction)工具的位置。应当了解，可使用多个拔模工具或拔模工具的元件，且其他传感反馈数据可被传感并反馈到控制器612。
表10

图13是流控制元件624a-624i的顶视图，流控制元件624a-624i被对准成将复合材料沉积在图6A的下模626上。如所示，流控制元件624沿着y轴设置，这提供了将挤出复合材料625沉积到下模626上的三轴控制。相应地，沉积挤出复合材料625的x轴控制可通过控制台车608以不同的速度在流控制元件624下方运动来提供，沉积挤出复合材料625的y轴控制可通过调节流控制元件624来提供，且沉积挤出复合材料625的z轴控制可由沿x轴和y轴控制挤出复合材料625的沉积而产生。
对于沿x、y和z轴沉积挤出复合材料625的控制可使用多种技术来进行，包括(1)通过推进器620的转速来控制来自挤出机604的复合材料的体积流速；(2)控制台车608在单个轴线上的运动速率；(3)控制挤出机604的输出孔口，其中，挤出机604具有单个流控制元件624或一致操作的多个流控制元件624；(4)单独控制多个流控制元件624；以及(5)控制台车608在多个轴线上的运动。这些技术中的每一项都假定其他的变量保持恒定。举例来说，技术(1)假定挤出机604的输出孔口是固定的，并且台车608在输出孔口下方以恒定的速率移动。技术(2)假定来自挤出机604的复合材料的体积流速是恒定的，并且挤出机604的输出孔口是固定的。然而，应当了解，如参考图6A所讨论的那样，这些技术可以被结合起来以提供对于将挤出复合材料625放置在下模626上的附加控制，在图6A中，技术(1)、(2)和(4)被结合起来。技术(5)包括不仅仅提供对下模626的x轴和y轴控制，还提供z轴控制和围绕任意数量的轴的转动控制。通过使用技术(5)对下模626提供这样的控制，可形成在其他情况下可能无法实现的多种结构零件。总而言之，对该创造性工艺的不同元件的整体计算机控制在协调挤压工艺和期望零件的生产以及该工艺的整体可操作性中起到了关键作用。
最后，使用来自挤压机604的移动输出孔口，挤出复合材料625可被沉积到静止或移动的下模626上，而不用控制下模626的运动。举例来说，可控制沿着轨道或其他机械机构移动的输出孔口，以将复合材料沉积在下模626上的特定位置。这样的机构的一个类比机构是激光喷墨式打印机。
再次参考图13，示出了在下模626经过动态模606下方时相对于下模626的流控制元件624，并且，右侧的数字以英寸为单位对应于台车608在其经过动态模606下方时的位置。下模626从台车608进去10英寸开始，这是因为下模626比台车608小。表11-12是示例性的表，提供了用于速度和流控制元件624的模口控制的参数。这些参数可被用来使用挤出-模制系统600a生产托盘。
表11

表12


表11和12提供流控制元件624和台车608的运动之间的位置同步。通过协调两个部件(即动态模606和台车608)之间的运动，挤出复合材料625可被沉积在按照下模626和上模632所限定的型腔630的体积所指定的、沿着下模626的位置处。换言之，挤出复合材料625被沉积到下模626上，以形成挤出复合材料层628，挤出复合材料层628具有足够的厚度来填满下模626和上模632所限定的型腔630，从而提供了在结构零件的某些位置形成深拔模斜度和隐藏肋的能力。
图14是由图6A所示的挤出-模制系统600a所生产的托盘1400的拐角的示例性的透视顶部视图。如所示，托盘1400的基部1402的拔模斜度或深度d1比托盘1400的底脚1404的深度d2浅。通过利用本发明所述的原理控制挤出复合材料625在下模626上的沉积，具有如底脚1404这样在结构零件的特定区域内具有较深拔模斜度d2的特征的大型结构零件可用加强材料M2(如长股纤维)来形成。
图15A和15B分别是具有隐藏肋1502a-1502e(总称为1502)的平台1500的示例性透视底部和顶部视图。如所示，隐藏肋1502在高度上是变化的，但是在一个或多个区域上具有确定的体积。因此，通过将较多的挤出复合材料625沉积在具有隐藏肋1502的区域上而将较少的挤出复合材料625沉积在没有隐藏肋1502的区域上。因为，平台1500利用挤出-模制系统600a形成为单个的模制的复合结构，故相比由多个零件构成的平台而言，平台1500在结构中具有较少的缺陷。
嵌入技术(Insertion Techniques)除了用其中混和有在形成大型零件时提供强度的纤维的复合材料来形成结构零件以外，一些结构零件通过具有嵌入或插入某些区域的其他部件，如附着件(attachments)、紧固件和/或加强件，从而在结构上进一步被改进。举例来说，要提供互连接性的结构零件可使用从复合材料延伸的金属零件来提供坚固可靠的相互连接。一个这样的结构零件是溜冰场用的地面覆盖层1600的一部分，如图16A所示。地面覆盖层1600包括热塑性材料1602和紧固件1604，其中，热塑性材料1602可由热塑性材料M1和纤维M2形成，而紧固件1604可由金属形成。
在形成地面覆盖层1600时，紧固件1604被定位或构造在下模608内，从而使挤出复合材料层628用紧固件1604形成接合层1606，以保持其位置。为了进一步将紧固件1604固定到地面覆盖层1600，可在紧固件1604内包括孔(未示出)以允许挤出复合材料层628填充所述孔。在成形过程中，可在下模626内构造致动器(actuator)，以在挤压-成形过程中保持紧固件1604的位置，并且，在挤出复合材料层628还处于熔融形式的时候通过控制器612松开所述致动器。应当了解，可选地，紧固件1604可被配置在上模632内。
图16B是护理人员经常使用的底板(backboard)1610的示例性部分。底板1610由复合材料1612形成，并包括封装在复合材料1612内的嵌入件1614。嵌入件1614可以是碳纤维管，从而底板1610可以是加强的、轻型的、并且是x射线可透过的。在封装该嵌入件的过程中，下模626可在挤出复合材料层628与嵌入件1614形成接合层1616的同时，令致动器或简单的销将嵌入件1614保持在适当的位置。再次地，在挤出复合材料层628处于熔融状态时，所述致动器和/或销可被松开，从而使挤出复合材料层628填充由致动器或销留下的任何空间。应当了解，基于具体的应用场合或所形成的结构零件，所述嵌入件1614基本上可以是任何材料。
图17是示例性流程图1700，描述了利用图6A的挤出-模制系统600a将嵌入件，如紧固件、支持件或其它元件插入或嵌入结构零件内的操作。该插入过程在步骤1702处开始。在步骤1704，嵌入件被构造在下模626或上模632内。在步骤1706，熔融的挤出复合材料625被沉积在下模626上。在步骤1708，挤出复合材料形成在所述嵌入件的至少一部分的周围，以将所述嵌入件固定到正在形成的结构零件内。在一个实施例中，该嵌入件被封装或完全地嵌入挤出复合材料625内(例如，见图16B)。可选地，该嵌入件只有一部分被插入挤出复合材料625内，从而使一部分从该结构零件伸出。
在步骤1710，如果任何支持件被用来在下模626或上模632内设置嵌入件，则这些支持件被移出。这些支持件可能是驱动器控制的简单机械销或者能够在挤出复合材料625沉积到下模626上的过程中支持所述嵌入件的其他机构，在挤出复合材料层628在步骤1712中被硬化之前，这些支持件被移出。在挤压、真空处理或形成结构零件的其他操作期间，挤出复合材料层628可通过自然或强制冷却而硬化。通过在挤出复合材料层628硬化之前移出这些支持件，由这些支持件产生的间隙可被填满，从而不会在结构零件内留下支持件的痕迹或疵点。在步骤1714，带有至少部分嵌入其中的嵌入件的结构零件从模具626和632中移出。嵌入工艺过程在步骤1716处结束。
在本发明的另一个实施例中，通过权利要求所述发明的工艺来封装嵌入件。利用权利要求所述的挤出-模制系统，嵌入件，如紧固件、支持件或其他元件，可以以与图17中所描述的工艺过程类似的方式、用挤出热塑性材料来封装。在本发明的其他实施例中，利用权利要求所述的挤出-模制系统，厚度变化的多层材料可以一层在另一层之上的方式被沉积。特别地，第一层热塑性材料被挤出到下模内，接着第二层相同或不同的热塑性材料层覆在第一层之上。在本发明的某些实施例中，可在用第二挤出层层覆第一挤出层之前，或不用第二挤出层层覆第一挤出层的情况下，将嵌入件放置在第一挤出层之上。这种形式的“层覆(layering)”有利于形成具有组成相同或不同的多层热塑性材料和不同嵌入材料层的结构。
本发明有利地允许模制具有实心突出(raised)的三维特征的物件。这些突出特征的非限定列表包括了盲肋、柱、安装柱以及片(tabs)。
这些物件可以可选地具有内部增强嵌入件以提供附加的稳定性和强度。尽管任何种类的内部支持结构均可被用来提供增强作用，增强嵌入件的例子有管、棒以及网状物(mesh)。这些增强嵌入件可具有任何类型的几何形态或结构。例如，所述增强嵌入件的截面外形可以是圆形、半球形、星形或方形，不受到任何的限制。所述增强嵌入件也可由任何种类的材料形成，如碳、金属、合成物、塑料或有机物质如木材。
利用本发明可获得大型物品，例如在z、y以及z平面中的至少一个内长于0.5英尺的物品。在特定的实施例中，可获得尺寸长于1英尺、2英尺和3英尺的大型物件。这些大型物件也可以较重，且其重量可以大于10磅(lbs)。在具体的实施例中，可制备重量大于20磅或25磅的物件。
本发明的附加实施例从下面提供的示例中将显而易见。
示例1在本发明的一个实施例中，用单螺旋、直径41/2”的挤出机(配备有六个加热区域和标准PET螺旋)将来自General Polymers的聚丙烯树脂(COP3541)与来自Johns-Manville的1/2”长的纤维玻璃纤维(740DS)混合。该树脂/玻璃混合物由70％的聚丙烯和30％的玻璃组成。挤出机区域被电加热并被控制在以下温度区域1@350F；区域2@375F；区域3@400F；区域4@450F；区域5@475F；区域6@505F。偶合剂(聚硫橡胶粘合剂)以2％的水平被加入到玻璃树脂混合物，以增强玻璃纤维到树脂基体的接合。
加热混合物通过畅通的输送管被传送到加热的、具有多个模口的、水平安装的片挤压模，所述片挤压模带有独立控制的模口，这些模口能够改变通过各个模口被挤出的聚合物熔融物的厚度。在整个挤出过程中，该熔融混合物在带模口的模内被保持在505。该熔融树脂/玻璃挤出物被重力沉积到可水平移动并被加热的对合模的半模上。通过水平安装的片模上的模口的打开和关闭的组合、并结合水平安装的对合模的半模的受控制的运动，来控制熔融混合物的沉积。在挤出过程期间，模上的模口的打开和关闭以及对合模半模的运动利用计算机程序和电动控制来实现，从而协调沉积在可动模具的表面上每一点处的熔融材料的精确宽度、长度和深度。这样做时，最后得到的沉积到模具内的熔融材料代表了期望的最终模制产品的熔融“近净成形”敷设。
在完成了对树脂/玻璃混合物的“近净成形”熔融沉积时，用台车系统将充满的对合模半模机械输送到压缩压力机，以进行模制零件的最后固结。由于该模具充满的半模表示最终模制零件的“近净成形”，故利用对合模的另一个半模的最终压缩成形步骤可以在非常低的压力(＜2000psi)下、利用熔融树脂/玻璃混合物最小限度的运动来完成。相应地，矩形对合模的阴模部分充满了上述呈“近净成形”敷设的熔融态聚丙烯/玻璃混合物，其中，所述阴模部分带有尺寸为12”宽、24”长、1/4”深的内部型腔。所述模具的充满的阴模部分被机械输送到配备有8’×9’的台板(platen)和气袋囊(air bag bladder)的300吨White气动压塑压力机。在最后的模制步骤中，对合模的阳半模被压到充满的对合模的阴半模之上。保持该模具直到其被冷却到200F以下。最后得到的模制板测得大致为12”×24”，×1/4”。该模制零件表现出以下特性抗拉强度(103) 拉伸模量(106) 抗弯强度(103)轴向 6.63 0.71 12.53横向 6.73 0.67 11.56注意每一个是在多(3)块独立的板上进行的多(5)次测量的平均值。
因此，模制板在机器及横向方向上的表现出的机械性能在彼此的20％以内，因此几乎是各向异性的。
将树脂从模制板烧除并分析残余的玻璃纤维，揭示出模制板内的平均纤维长度为0.43”，与此相对的输入长度为0.5”。这表示了最终的模制产品内保留了初始纤维长度的85％。
示例2预先混合的ABS(丙烯腈/丁二烯/苯乙烯)树脂参照示例1采用以下的挤出机区域和模温被挤出，其中，所述树脂按重量计算包含30％的来自LNP的1/2”长的玻璃纤维区域1@375F；区域2@400F；区域3@425F；区域4@475F；区域5@515F；区域6@515F；模温@515F。采用跟示例1相同的模具制备了大致为12”×24”×1/4”的试样板，该试样板表现出以下特性抗拉 抗弯强度(103) 模量(106) 强度(103) 模量(106)轴向 7.02 0.95 12.96 0.71横向 7.53 0.77 10.96 0.60注意每一个是多(3)次测量的平均值。
该模制板表现出的机械性能在机器及横向方向上在彼此的20％以内，因此，其机械性能接近各向异性。
将树脂从该模制板烧除并分析残余的玻璃纤维，揭示出该模制板内的平均纤维长度为0.30”或初始纤维长度的60％。
示例3根据示例1，用木制对合模来加工聚丙烯和1/2”长纤维玻璃纤维的混合物(按重量计算，88％树脂/12％玻璃纤维)，以生产刚性的、带有实心肋的天线罩盖(radome cover)，该天线罩盖的尺寸为长12’×宽8’×厚1”，重120磅。
示例4根据示例1，用实心铝制对合金属模来加工聚丙烯和1/2”长的纤维玻璃纤维的混合物(按重量计算，70％树脂/30％玻璃纤维)，以生产高7”×宽4”×长8’的梁，该梁带有实心对角增强肋，重22磅。
示例5根据示例1，使用挤出机区域及在该树脂的玻璃态转化温度的至少100℃以上的模温来加工来自General Polymers的Nylon6和1/2”长的玻璃纤维的混合物(按重量计算，70％树脂/30％玻璃纤维)，以生产12”×24”×1/4”的板。
示例6根据示例1，使用挤出机区域及在该树脂的玻璃态转化温度的至少100℃以上的模温来加工聚醚醚酮(polyetheretherketone；PEEK)和1”长的碳纤维的混合物(按重量计算，70％树脂/30％碳纤维)，以生产12’×24”×1/4”的板。
示例7根据示例1，使用挤出机区域及在该树脂的玻璃态转化温度的至少100℃以上的模温来加工聚醚醚酮(PEEK)和1/2”Kevlar纤维的混合物(按重量计算，70％树脂/30％Kevlar纤维)，以生产12”×24”×1/4”的板。
示例8根据示例1，加工聚丙烯和3”长的纤维玻璃纤维的混合物(按重量计算，80％树脂/20％玻璃纤维)，以生产12”×24”×1/4”的板。
示例9根据示例1，加工聚丙烯和1/2”长的纤维玻璃纤维的混合物(按重量计算，45％树脂/55％玻璃纤维)，以生产12”×24”×1/4”的板。
示例10根据示例1，加工聚丙烯和1/2’长的纤维玻璃纤维的混合物(按重量计算，80％树脂/20％玻璃纤维)，以生产材料搬运托盘的两半，这两半随后被结合以产生材料搬运托盘，该材料搬运托盘的尺寸为长48”×宽40”×高6”，重63磅。
示例11根据示例1，加工聚丙烯和1/2”长的纤维玻璃纤维的混合物(按重量计算，70％树脂/30％玻璃纤维)，以生产支承梁，该支承梁包含有沿其长度方向插入的、包含1”平方I.D.钢管，并且，该梁的尺寸为长20’×高12”×宽6”，重180磅。所述钢管在熔融树脂/玻璃的模具填充步骤期间并在梁的最终压缩成形之前被插入到模具中。
示例12根据示例1，使用挤出机区域及在该树脂的玻璃态转化温度的至少100℃以上的模温来加工聚乙烯和1”长的木/纤维素干纤维的混合物(80％树脂/20％木纤维)，以生产12”×24”×1/4”的板。
示例13根据示例1，使用挤出机区域及在该树脂的玻璃态转化温度的至少100℃以上的模温加工SMA(苯乙烯/顺丁烯二酸酐)树脂和1/2”长的纤维玻璃纤维的混合物(按重量计算，82％树脂/18％玻璃纤维)，以生产12”×24”×1/4”的板。
示例14根据示例1，使用挤出机区域及在该树脂的玻璃态转化温度的至少100℃以上的模温加工PPS(polyphenylenesulfide，聚苯硫醚)和1/2”长的纤维玻璃纤维的混合物(按重量计算，70％树脂/30％玻璃纤维)，以生产12”×24”×1/4”的板。
示例15根据示例1，使用挤出机区域及在该树脂的玻璃态转化温度的至少100℃以上的模温加工PC(polycarbonate，聚碳酸酯)和1/2”长的纤维玻璃纤维的混合物(按重量计算，80％树脂/20％玻璃纤维)，以生产12”×24”×1/4”的板。
相比本行业内使用的典型成形工艺而言，依照本发明进行的成形工艺，在基本较低的压塑压力下进行。这些低压有利地允许使用非金属模具，如木制模具，这样的模具一般不能够承受本行业内所使用的高压。
任何类型的纤维材料均可被用在本发明中。例如，纤维材料可以是玻璃纤维，纤维玻璃，碳纤维，合成纤维，金属纤维，天然纤维，纤维素或木材。
任何一种热塑性树脂可以用于制备根据本发明的物件。适合的热塑性树脂的实例是聚烯烃、聚卤代烯烃、聚芳烃、聚(链烯基芳烃)、聚苯乙烯、丙烯腈/丁二烯/苯乙烯树脂、聚酰胺、尼龙、聚羧酸、聚胺、聚醚、聚缩醛、聚砜、聚(有机硫化物)、聚(有机氧化物)、聚酯、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚氨酯、聚醚醚酮树脂、苯乙烯/马来酸酐树脂及其混合物。
热塑性树脂可以是单一聚合物，或两种或两种以上的聚合物的混合物。在具体实施方案中，热塑性树脂可以包含均聚物、共聚物、无规共聚物、交替共聚物、嵌段共聚物、接枝共聚物、液晶聚合物或这些聚合物的混合物。
热塑性树脂可以是纯树脂、再生树脂或者纯树脂和再生树脂的任何比例的混合物。热塑性树脂可以可选地包括偶合剂，偶合剂增强纤维材料与树脂的接合。
依据权利要求所述的发明，如托盘、梁、门、天线罩(radomes)、结构产品如墙板和模块化部件、管、柱以及桩材(piling)这样的物件均可被成功地制备。
前面的描述是关于用于实现本发明的优选实施例的，并且，本发明的范围不应被该说明书所限定。本发明的范围是由以下的权利要求来限定的。
权利要求
1.一种被模制的热塑物件，包括嵌入热塑树脂基体内的纤维材料，所述物件通过低剪切工艺制备，包括步骤a)利用低剪切单螺旋熔融混合热塑性树脂、纤维材料和任何任选的添加剂的混合物，其中，所述纤维材料的纤维长度在模制之前为大约0.5-3英寸长，并且，所述纤维材料包含了被混合的混合物的总重量的5-55％；b)利用低剪切挤压，将该混合物通过片挤压模来进行挤压；c)将挤出的混合物以大致所述物件的通常形状沉积到水平可移动的对合模的第一半模内；以及d)利用所述对合模的第二半模对沉积的混合物进行压缩成形，从而只需要100-1,000psi范围内的压力和熔融混合物的大体较小的运动来完成所述热塑物件的固化和模制，其中在所述模制物件中，所述纤维材料的纤维长度大于其预模制的长度的大约60％；在所述模制热塑物件中、所述纤维材料中少于大约20％的纤维被定向在相同的方向上；和所述模制物件在x、y和z平面内的机械性能在彼此的20％以内。
2.如权利要求1所述的物件，其中，所述工艺基本在低剪切条件下进行。
3.如权利要求1所述的物件，其中，所述挤压通过多模口的、水平安装的片挤压模来进行，其中，所述片挤压模带有独立控制的模口，所述模口能够改变被挤压通过各模口的混合物的厚度。
4.如权利要求1所述的物件，其中，所述树脂/纤维材料混合物在步骤c)中以所述模制物件的熔融态近净成形敷设而被重力沉降在所述模具内。
5.如权利要求1所述的物件，进一步包括在挤压前通过输送管输送树脂/纤维材料混合物。
6.如权利要求1所述的物件，其中所述纤维材料选自玻璃纤维、玻璃丝、碳纤维、合成纤维、金属纤维、天然纤维、纤维素和木材。
7.如权利要求1所述的物件，其中所述热塑性树脂选自聚烯烃、聚卤代烯烃、聚芳烃、聚(链烯基芳烃)、聚苯乙烯、丙烯腈/丁二烯/苯乙烯树脂、聚酰胺、尼龙、聚羧酸、聚胺、聚醚、聚缩醛、聚砜、聚(有机硫化物)、聚(有机氧化物)、聚酯、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚氨酯、聚醚醚酮树脂、苯乙烯/马来酸酐树脂及其混合物。
8.如权利要求1所述的物件，其中所述热塑性树脂是均聚物、共聚物、无规共聚物、交替共聚物、嵌段共聚物、接枝共聚物、液晶聚合物或其混合物。
9.如权利要求1所述的物件，其中，所述热塑性树脂为纯树脂、再生树脂或其混合物。
10.如权利要求1所述的物件，其中，所述挤压操作在300-700范围内的温度下进行。
11.如权利要求1所述的物件，其中，所述可选的添加剂为偶合剂，所述偶合剂增强将所述纤维材料接合到所述热塑性树脂。
12.如权利要求1所述的物件，其中，所述模具为金属模、非金属模、陶瓷模或木制模。
13.如权利要求1所述的物件，其中，所述物件在轴向和横向方向上的抗拉强度、拉伸模量和抗弯强度在彼此的20％以内。
14.如权利要求1所述的物件，其中，在所述模制物件中、所述纤维材料的纤维长度大于其预模制长度的大约70％。
15.如权利要求1所述的物件，其中，在所述模制物件中、所述纤维材料的纤维长度大于其预模制长度的大约80％。
16.如权利要求1所述的物件，其中，在所述模制物件中、所述纤维材料的纤维长度大于其预模制长度的大约90％。
17.如权利要求1所述的物件，其中，所述物件的机械性能基本为大体上各向异性。
18.如权利要求1所述的物件，其中，所述物件的长度在z、y、和z平面中的至少一个内大于约0.5英尺。
19.如权利要求1所述的物件，其中，所述物件的长度在z、y、和z平面中的至少一个内大于约1.0英尺。
20.如权利要求1所述的物件，其中，所述物件的长度在z、y、和z平面中的至少一个内大于约2.0英尺。
21.如权利要求1所述的物件，其中，所述物件的长度在z、y、和z平面中的至少一个内大于约3.0英尺。
22.如权利要求1所述的物件，其中，所述物件的重量大于约10lbs。
23.如权利要求1所述的物件，其中，所述物件的重量大于约20lbs。
24.如权利要求1所述的物件，其中，所述物件的重量大于约25lbs。
25.如权利要求1所述的物件，其中，所述工艺为嵌入成形工艺。
26.一种模制热塑物件，包括嵌入热塑性树脂基体内的纤维材料，其中
所述纤维材料的纤维长度在模制前为大约0.5-3英寸长，且所述纤维材料包含了混合完毕的混合物总重量的5-55％；
在所述模制物件中、所述纤维材料的纤维长度大于其预模制长度的约60％；
在所述模制热塑物件中、所述纤维材料中少于约20％的纤维被定向在相同的方向上；以及
所述模制物件在x、y和z平面内的机械性能在彼此的20％以内。
27.如权利要求26所述的物件，其中所述纤维材料选自玻璃纤维、玻璃丝、碳纤维、合成纤维、金属纤维、天然纤维、纤维素和木材。
28.如权利要求26所述的物件，其中所述热塑性树脂选自聚烯烃、聚卤代烯烃、聚芳烃、聚(链烯基芳烃)、聚苯乙烯、丙烯腈/丁二烯/苯乙烯树脂、聚酰胺、尼龙、聚羧酸、聚胺、聚醚、聚缩醛、聚砜、聚(有机硫化物)、聚(有机氧化物)、聚酯、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚氨酯、聚醚醚酮树脂、苯乙烯/马来酸酐树脂及其混合物。
29.如权利要求26所述的物件，其中所述热塑性树脂是均聚物、共聚物、无规共聚物、交替共聚物、嵌段共聚物、接枝共聚物、液晶聚合物或其混合物。
30.如权利要求26所述的物件，其中，所述热塑性树脂为纯树脂、再生树脂或二者的混合物。
31.如权利要求26所述的物件，其中，所述树脂包括偶合剂，所述偶合剂增强将所述纤维材料接合到所述热塑性树脂。
32.如权利要求26所述的物件，其中，所述物件在轴向和横向方向上的抗拉强度、拉伸模量和抗弯强度在彼此的20％以内。
33.如权利要求26所述的物件，其中，在所述模制物件中，所述纤维材料的纤维长度大于其预模制的长度的大约70％。
34.如权利要求26所述的物件，其中，在所述模制物件中，所述纤维材料的纤维长度大于其预模制的长度的大约80％。
35.如权利要求26所述的物件，其中，在所述模制物件中，所述纤维材料的纤维长度大于其预模制的长度的大约90％。
36.如权利要求26所述的物件，其中，所述物件的机械性能大体上为各向异性的。
37.如权利要求26所述的物件，其中，所述物件的长度在z、y、和z平面中的至少一个内大于约0.5英尺。
38.如权利要求26所述的物件，其中，所述物件的长度在z、y、和z平面中的至少一个内大于约1.0英尺。
39.如权利要求26所述的物件，其中，所述物件的长度在z、y、和z平面中的至少一个内大于约2.0英尺。
40.如权利要求26所述的物件，其中，所述物件的长度在z、y、和z平面中的至少一个内大于约3.0英尺。
41.如权利要求26所述的物件，其中，所述物件的重量大于约10lbs。
42.如权利要求26所述的物件，其中，所述物件的重量大于约20lbs。
43.如权利要求26所述的物件，其中，所述物件的重量大于约25lbs。
44.如权利要求26所述的物件，进一步包括一个或多个可选的增强嵌入件。
45.如权利要求44所述的物件，其中，所述增强嵌入件选自由管、棒、网状物及其组合所构成的组。
46.如权利要求26所述的物件，其中，所述物件具有一个或更多个实心突出三维特征。
47.如权利要求46所述的物件，其中，所述一个或更多个实心突出三维特征为盲肋、柱、安装柱或片。
全文摘要
一种用于由热塑性材料和纤维形成物件的系统和方法。所述方法包括加热热塑性材料以形成熔融的热塑性材料以便与纤维混和在一起。所述熔融热塑性材料跟所述纤维混和以形成具有按重量计算的纤维浓度的熔融复合材料。所述熔融复合材料可随后被挤压通过输送不连续的被控材料的动态模，所述不连续的被控材料被沉积到模具的下部上。所述模具的下面部分在接收复合材料流的同时，可在空间和时间上移动，以在其上沉积预定量的熔融复合材料，其中，所述预定量的熔融复合材料顺应所述模具的下部和上部所限定的模具型腔。所述模具的上部可被压向所述预定量的熔融复合材料，并在所述模具的下部上闭合以形成所述物件。
文档编号B29C33/34GK1938142SQ200580010301
公开日2007年3月28日 申请日期2005年3月8日 优先权日2004年3月31日
发明者小戴纳·E·波尔克, 大戴纳·E·波尔克 申请人:Lrm工业有限公司