专利名称：压铸模制法和由此模制的增强的热塑性零件的制作方法
技术领域：
本公开一般涉及压铸模制技术，并且更具体地涉及压铸模制纤维增强的热塑性零件的方法。
背景技术：
针对用更轻重量的模制材料代替机械加工的金属零件，进行了各种尝试。例如，在航空器工业中，一些金属零件已经被使用各种技术的任一种形成的塑料或复合材料零件代替。除了减轻重量，由聚合材料制造的零件可更经济地制造，部分原因是减少了加工时间和材料浪费。使用聚合材料制造相对高强度的零件的现有尝试包括压铸模制片材料模制(sheet-moulding)的化合物，和使用热固性材料铺层各种形式的复合层压材料。每个这些现有尝试可能具有缺点。例如，低粘度热固性材料已经限制了模制期间的流动距离，并且因此可能不能够生产更高复杂度的零件。使用片形式可能不适合制造小的复杂的或横截面几何形状有变化的零件。现有制造技术可能也需要相对复合的铺层(Iayup)和/或复杂的铸模，这对于一些应用而言可能不是成本有效的。最后，通过现有方法制造的聚合物零件可能不在所有方向显示基本上相同的机械性质。例如，层压的零件在层压材料的平面和穿过厚度方向可能不具有相同的机械强度。类似地，模制热固性树脂短切纤维零件在穿过厚度方向上可具有低的机械强度。因此，需要高流程压铸模制高强度、复杂的聚合物零件的方法，所述零件显示基本上各向同性或准各向同性的机械性质。也需要用复合材料替换机械加工的金属零件，以降低零件重量和制造成本。发明概述根据本公开的实施方式，高流程压铸模制纤维增强的热塑性树脂在模制过程期间减少了树脂与纤维的分离，从而减少了可能不期望的富树脂(resin-rich)和少树脂(resin-poor)区域。该模制方法生产至少接近纯形状(near net shape)的碳复合材料零件和配件，其具有复合几何形状和严格的尺寸公差。该公开的方法允许树脂和纤维混合物经过相对复杂的铸模通道的长流动长度，产生具有不同长度的纤维的三维布置，这促进零件中的各向同性性质。该公开的方法相对简单并且可通过优化纤维的形状消除对预成型的需要。该公开的方法用于压铸模制各种零件部件，包括但不限于镆斜角、棱(rib)、切口、半径、孔、U形夹和凸缘，仅举几例。压铸模制的热塑性零件的相对高强度和韧度允许金属插入物如凸缘和衬套并入零件。根据一种公开的实施方式，提供了制造复合材料零件的方法。该方法包括生产每个包含纤维的多个片。通过将片和热塑性树脂引入铸模，形成铸模装料(mold charge)。装料被压铸模制为零件。生产片可包括从纤维增强的预浸材料切割每个片。该方法可进一步包括混合至少两个不同形状的片，其中形成装料包括将两个不同形状的片引入铸模。压铸模制法可包括以导致铸模装料湍流经过铸模的速度，压铸所述铸模装料。该方法可进一步
4包括在模制零件中形成孔，和将金属硬件插入物安装入孔。根据另一种公开的实施方式，提供了模制纤维增强的复合材料零件的方法。该方法包括从用热塑性树脂预浸渍的单向纤维预成型材料切割多个片，和通过将预选择量的片引入铸模形成铸模装料。该方法包括以相对高的流动速率将铸模装料压铸模制入模腔，所述相对高的流动速率将纤维基本上均勻地分配穿过模腔，纤维定向基本上是随机的。切割片可包括从一条单向预浸带冲切片。片可是下列形状的一种或多种正方形、矩形、圆形、椭圆形、梯形、三角形、六边形或菱形。根据进一步实施方式，增强的复合材料零件包括压铸模制的热塑性树脂，其具有随机定向的不同长度的纤维，这提供多个方向的增强。纤维一般大体上遍布零件随机定向。零件可进一步包括至少一个孔和固定在孔中的金属硬件插入物。在一种实施方式中，孔可以是有螺纹的，并且硬件插入物可包括HeliCoil 。零件展示基本上准各向同性的性质。1.制造复合材料零件的方法，包括生产每个包含纤维的多个片；形成铸模装料，包括将片和热塑性树脂引入铸模；和将装料压铸模制为零件。2.根据权利要求1所述的方法，其中生产所述片包括从纤维增强的预浸材料切割每个片。3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括将分别具有不同长度纤维的至少两个不同形状的片混合，并且其中形成所述装料包括将两个不同形状的片引入模制化合物(moldingcompound)。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述压铸模制包括以导致所述铸模装料湍流经过所述铸模的速度压制所述铸模装料。5.根据权利要求1所述的方法，其中所述热塑性树脂是下列之一PEI、PPS、PES、PEEK、PEKK 和PEKK-FC。6.根据权利要求1所述的方法，其中生产所述片包括从干燥纤维预成型材料切割每个所述片，和将所述热塑性树脂弓I入所述铸模与将所述片弓I入所述铸模分开进行。7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在所模制的零件中形成孔，将硬件插入物装入所述孔。8.根据权利要求7所述的方法，其中所述孔通过钻孔形成，和插入所述硬件包括在所述零件中所述孔内刻出螺纹并使插入物旋入所述孔。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述纤维是用所述热塑性树脂预浸渍的。10.根据权利要求1所述的方法制造的复合材料零件。11.模制纤维增强的复合材料零件的方法，包括从用热塑性树脂预浸渍的单向纤维预成型材料切割多个片；通过将预选择量的片引入铸模形成铸模装料；和将铸模装料压铸模制入模腔。12.根据权利要求11所述的方法，其中切割所述片包括从一条单向预浸渍带冲切所述片。13.根据权利要求11所述的方法，其中至少某些片每个具有下列形状之一正方形、矩形、圆形、椭圆形、梯形、三角形、六边形和菱形。14.根据权利要求11所述的方法，其中至少某些片包括具有不同长度的纤维。15.根据权利要求11所述的方法，其中所述热塑性树脂是下列之一PEI、PPS、PES、PEEK、PEKK 禾口PEKK-FC。16.增强的复合材料零件，包括压铸模制的热塑性树脂，其具有随机定向的不同长度的纤维，提供多个方向的增强。17.根据权利要求16所述的增强的复合材料零件，其中所述热塑性树脂是下列之PEI、PPS、PES、PEEK、PEKK 禾口PEKK-FC。18.根据权利要求16所述的增强的复合材料零件，其中所述纤维是碳纤维并且大体上遍布所述树脂基本上均勻地分布。19.根据权利要求16所述的增强的复合材料零件，其中所述片具有至少下列形状之一正方形、矩形、圆形、椭圆形、梯形、六边形和三角形。20.根据权利要求16所述的增强的复合材料零件，其中所述片包括至少两个不同形状。21.根据权利要求16所述的增强的复合材料零件，进一步包括在压铸模制的热塑性树脂中的至少一个孔；和固定在所述孔中的金属硬件插入物。22.根据权利要求21所述的增强的复合材料零件，其中所述孔是有螺纹的，并且所述硬件插入物包括HeliCoil 。23.根据权利要求11所述的增强的复合材料零件，其中所述零件展示基本上准各向同性的性质。24.制造复合材料航空器零件的方法，包括从单向碳纤维热塑性预浸渍带切割多个第一片，每个所述第一片具有第一形状；从单向碳纤维热塑性预浸渍带切割多个第二片，每个所述第二片具有不同于所述第一形状的第二形状；将所述第一片和第二片引入具有基本上符合所述零件形状的模腔的铸模；和压铸模制装料，包括向所述装料施加热和压力，导致所述装料经过所述模腔的相对高的流速，以便所述装料的流速和粘度的结合使所述片中的纤维基本上均勻地遍布所述模腔，所述纤维基本上随机定向。25.显示基本上各向同性机械性质的碳纤维增强的复合材料航空器零件，包括其中具有至少一个孔的压铸模制的热塑性树脂；模制入模制的树脂的多个增强纤维，所述纤维遍布所述模制的树脂基本上均勻地分布并且具有基本上随机的定向，所述纤维具有不同的长度；和固定在所述孔中的至少一个金属硬件插入物。所公开的压铸模制方法和由此生产的纤维增强的热塑性零件满足了用于生产增强的热塑性零件的相对低成本制造技术的需要，所述增强的热塑性零件具有相对复杂的几何形状，显示基本上各向同性的或准各向同性的性质。附图简述
图1是压铸模制方法的方框图的图解，包括由此模制的增强的热塑性零件的透视图。图2是显示切割用于增强图1所示的热塑性零件的纤维片的方法的图的图解。图3是显示片的典型形状的图解。
图3A是显示不同纤维长度的存在的纤维片的图解。图4是压铸模制纤维增强的热塑性零件——任选地具有硬件插入物——的方法的流程图的图解。图5、6、7和8是通过公开的模制方法生产的典型纤维增强的热塑性零件透视图的图解。图9是压铸模制零件截面图的图解，显示零件的复杂纤维微观结构。图10是显示在准备模制零件时用预浸材料纤维片装填开口压铸模的图的图解。图11是显示图10的铸模已经被关闭以模制装料的截面图的图解。图12是显示铸模装料经过模腔部分的流动的截面图的图解。图13是压铸模制的热塑性零件的分解正交视图的图解，其具有用于接收 HeliCoil 插入物的螺纹孔和螺栓。图14是航空器生产和保养方法的流程图的图解。图15是航空器的方框图的图解。发明详述首先参看图1，公开的实施方式涉及使用压铸模制机22高流程压铸模制纤维增强的热塑性零件20的方法。模制机22包括铸模22a，其具有引入铸模装料60的模腔22b。 铸模装料60包括随机定向的纤维片M。如本文所使用，“高流程”模制指铸模装料60经过相对长距离通过模腔22b的流动，其中“长距离”指单个片M最大长度尺寸的数倍的距离。 而且，如本文所使用，“片(flakes)”和“纤维片(fiber flakes) ”指含适合增强零件20的纤维的单个件(pieces)、片段、切片(slices)、层或块(masses)。如稍后更详细描述的，在一种实施方式中，铸模装料60可仅仅包括纤维片M，其由用热塑性树脂预浸渍的单向纤维形成。在该实施方式中，形成该零件20的热塑性树脂的来源仅来自包含在片M中的树脂。可选地，在另一实施方式中，可能使用增黏的可不用树脂预浸渍的干燥纤维片对，在该情况下预先测量数量的热塑性树脂26可添加至装料60。片M具有一种或多种特定形状，当纤维和热塑性树脂的熔融混合物流动经过模腔22b中的各种部件、收敛管道(constrictions)和末端(都未显示)时，其帮助维持增强纤维33在树脂和增强纤维的熔融混合物中基本上均勻的分布和随机定向(见图3和4)。 片M的特定形状也有助于通过在混合物中并入各种长度的纤维增强，赋予零件20准各向同性机械性质。形成片M的部分或添加至干燥片M的热塑性树脂，可包括相对高粘度的热塑性树脂比如但不限于PEI (聚醚酰亚胺)、PPS(聚苯硫)、PES(聚醚砜)、PEEK (聚醚醚酮)、PEKK(聚醚酮酮)和PEKK-FC(聚醚酮酮-fc级)，仅举几例。片M中的增强纤维可以是各种高强度纤维的任一种，例如但不限于碳纤维、金属纤维、陶瓷纤维和/或玻璃纤维。 通过向铸模装料60添加金属的和/或陶瓷颗粒或“晶须(whiskers) ”也可能增强零件20。如下面所讨论，铸模装料60在压铸模制机22中经受热和压力，其导致熔融的树脂和纤维混合物相对快的流动速度，所述速度至少在模腔22b的一些部分中可获得或实现湍流(turbulence)，尤其当结合铸型壁效应时。任选地，零件22可具有由任何各种金属形成的硬件插入物42，其可作为模制方法的一部分被模制入零件20，或在零件20被模制之后安装。参考图2，片M可以例如但不限于使用切割冲模四通过从具有背衬2 的单向预浸渍带25的卷27冲切单个片M形成。可选地，如之前所提到的，可能从增黏的干燥纤维预成型材料(未显示)形成片对，如通过冲切或其他技术。切割冲模四可包括支撑带25的固定部分四⑴而匹配的往复冲模构件29b从带25切割片M。背衬2 可卷在第二卷(未显示)上。可选地，片M可从单向预浸渍片(未显示)切割。也可能使用其他制造方法形成片24。片对可基本上是平的并且可具有各种轮廓形状的任一种。例如，如在图3中所示， 片M可具有下列形状正方形Ma、矩形Mb、圆形Mc、等边三角形Md、梯形Me、六边形 24f或其他多边形(未显示)、椭圆形24g或菱形Mh。其他形状是可能的。在一些实施方式中，具有两种或多种形状Ma_24h的片M可与热塑性模制化合物沈一起混合，以提供具有不同长度的纤维33的混合物。混合物中具有不同长度的纤维33的存在帮助实现片M在零件20中更均勻的分布，同时促进各向同性机械性质和/或增强零件20。具有诸如圆形Mc、三角形Md、六边形Mf、椭圆形24g和菱形24h形状的片M，可尤其用于改善零件20的各向同性机械性质， 因为这些形状产生具有不同纤维长度的每个片M的事实。例如，如在图3A中所示，靠近片 24g顶部和底部的纤维31的长度L1比靠近片24g中间的纤维33的长度L2明显更短。长纤维33在特定方向上可提供高强度，而更短长度纤维31允许片M更容易形成复杂的三维布置。因此，单个片M中长纤维长度和短纤维长度的结合或混合是尤其期望的。一般而言， 可选择片M的大小和形状以优化零件20的流动、强度和完成质量。现参看图4，上述零件20可使用方法的一种实施方式——始于步骤观提供单向纤维预浸材料的带或片——来制造，或在其他实施方式中提供增黏的干燥纤维预成型材料来制造。在步骤30中，片对可从带或片切割至期望的轮廓形状。在步骤32中，铸模装料 60 (图1)通过测量，典型地通过称重一定数量的将形成具体零件20的装料60的片M而形成。在那些片M由增黏的预成型材料制作的情况下，也称量一定数量的将形成装料60的部分的热塑性树脂26。由预测量数量的片24 (和任选地，预测量的热塑性树脂)组成的铸模装料60被装入铸模22a，这样片M的纤维定向基本上是随机的。在纤维片M源自增粘的干燥纤维预成型材料并且有必要分别添加热塑性树脂沈至装料60的那些实施方式中，可期望在铸模60 中以多重交互层来布置片M和树脂26，以在模制过程期间帮助混合树脂沈与干燥纤维片 M。在步骤36中，铸模装料60被压铸模制以产生装料穿过模腔22b的相对高的流动速度 (图1)。铸模装料60经过模腔22b的流动速度依赖于模制过程期间施加的热和压力的量， 而该量又可由具体应用决定。在零件20包括硬件插入物42的那些情况下，可进行另外组的步骤37、39和41。 在步骤37，通过模制孔至零件20中或通过机械加工方法，比如在零件已经从铸模2 移除后钻孔零件20，在模制零件20中形成一个或多个孔(图1)。在硬件插入物42可包括螺纹的那些情况下，孔在39接着被刻螺纹，其后在步骤41可安装硬件插入物42。图5、6、7和8图解了可使用公开的模制方法压铸模制的具有相对复杂特征的典型零件。图5图解配件20a，其具有整体模制的升高的凸起部(raised bosses) 38和套筒插入物(busing inSertS)42。图6图解水平二倍器20b，其具有模制在内(moled-in)的沉头螺孔40和螺母板插入物(nut plate inserts) 44。图7图解枢轴配件20c，其具有逐渐变窄的末端39和模制在内的沉头螺孔40。图8图解负荷转移杆20d，其具有模制在内的套筒 42。图9以放大的比例图解了由公开的压铸模制法制造的零件20的相对复杂的纤维微观结构，其产生于使用相对高粘度热塑性树脂并且铸模装料60流经的延伸的距离(图 1)，造成纤维31、33分开。热塑性模制树脂的高粘度趋于携带增强纤维31、33与树脂一起流经模腔22b(图1)并可使片保持基本上均勻地分布，而不会使得片在任何具体区域中的浓度过高或过低。纤维31、33在完成的零件20中相对均勻的分布部分源于下列事实片对中的树脂融掉之前，在其预浸渍状态中的纤维33初始均勻地分布。图9中显示的相对复杂的纤维微观结构——其中纤维31、33以基本上随机的纤维定向基本上均勻地分布——导致零件20展示基本上各向同性或准各向同性的机械性质和相对复杂的故障模式。图10和11图解用于执行显示在图4中的步骤32、34和36的装置。压缩铸模52 包括第一铸模部分5 和第二铸模部分52b，其分别具有对应于期望零件20 (图1)的形状的铸模表面56a、56b。铸模52包括至少部分由铸模表面56a、56b形成的模腔58。铸模52 可包括加热元件M，用于加热铸模52至期望的温度。如在图10中所显示，铸模52打开，预测量数量的预浸渍片M可从储器48引入铸模部分52a。预测量的片M载入模腔58，以使其随机定向。如在图11中所显示，通过压头62施加力F至铸模部分52b，使铸模部分52a、52b 压在一起，从而在模腔58中压铸模制装料60。当它们初始放置在铸模2 中时，纤维M可仅仅随机分布在两个面上，但是，一旦片M中的树脂熔融物熔化，释放纤维31、33，由于障碍物、弯曲、对铸模22a的摩擦等引起，模腔22b中长的流动距离“促使(encourages)，，纤维33(图3A)将它们本身分布为复杂的、三维的、联锁布置。施加至装料60的压力和热的组合，导致熔融的树脂和个体纤维31、33的混合物流过相对长的距离经过模腔58。随着树脂流过模腔58，片31、33与树脂一起被携带，以便遍布模腔58基本上均勻地分布，并且基本上随机定向。最终冷却铸模52导致热塑性树脂的固结，留下源于片M的不同长度的纤维 33 (图3A)随机定向地集成在固结的树脂中。图12图解装料60围绕具有变窄的末端66的模腔58的角特征64的流动。流动可包括湍流组分68，其有助于保持纤维31、33在流动树脂中基本上均勻的混合和分布，以便避免完成的零件20中的树脂或纤维富集区域、或树脂或纤维缺乏区域。图13图解将HeliCoil 插入物70安装进根据公开的实施方式制造的典型的热塑性零件20。孔71形成在零件20中，如通过钻孔或模制。孔71接着被刻螺纹以在孔71中形成一组热塑性、内螺纹72。接下来，包括螺旋形状金属圈74的HeliCoil 插入物70旋转进入孔71中的热塑性螺纹72。一旦安装在孔71中并且位于热塑性内螺纹72中，金属圈 74在孔71中提供了一组金属、阴(内)螺纹75，其可螺旋接收另一个零件(未显示)或紧固件如螺栓79的阳(外)螺纹77。本公开的实施方式可发现用于各种潜在的应用，尤其用于运输工业，包括例如航空、航海和汽车应用。因此，现参看图14和15，本公开的实施方式可用于如在图14中所显示的航空器制造和保养方法76和如在图15中所显示的航空器78的情况中。在预生产期间，示例性方法76可包括航空器78的说明和设计80和材料获取82，其中本公开的零件20 可尤其用于航空器78的组件和部件。在生产期间，进行航空器78的组件和部件制造84和系统集成86。公开的压铸模制法可用于生产在方法84、86期间组装的零件和组件。其后， 航空器78可经历认证和交付88，以进行使用90。当被客户使用时，航空器78按预定进行常规维修和保养92 (其也可包括改进、重新配置、整修等等)。本公开的方法可用于在维修和保养92期间安装的零件20。可通过系统整合者、第三方和/或操作者(例如用户)实施或执行方法76的每个过程。对本说明书的目的，系统整合者可以非限制性地包括诸多航空器制造商和主要系统转包商；第三方可以非限制性地包括诸多销售商、转包商和供应商；以及操作者可以是航空公司、租赁公司、军事实体、服务组织等。如在图15中所显示，由示例性方法76生产的航空器78可包括具有多个系统96 的机体94和内部98。本公开的方法可用于生产零件20，其形成机体94的部分或可安装在机体94上。高水平系统96的例子包括一种或多种推进系统100、电力系统102、液压系统 104、和环境系统106。可以包括许多其它系统。尽管显示了航空实例，但是本发明的原理可以应用于其它工业，如航海和汽车工业。所公开的模制方法在生产和保养方法76的任何一个或多个阶段期间可被用于模制零件。例如，对应于生产过程84的组件或部件可并入使用本公开的模制方法生产的复合材料零件。同样，例如，通过显著加速航空器78的组装或减少航空器78的成本，在生产阶段84和86可以使用一种或多种方法实施方式或其组合。尽管本公开的实施方式已就某些示例性实施方式进行了描述，但是应当理解，具体实施方式
是用于阐述目的并且是非限制性的，因为本领域技术人员可以想到其它变化。
权利要求
1.制造复合材料零件的方法，包括生产每个包含纤维的多个片；形成铸模装料，包括将所述片和热塑性树脂引入铸模；和将所述装料压铸模制为零件。
2.根据权利要求1所述的方法，其中生产所述片包括从纤维增强的预浸材料切割每个所述片。
3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括将分别具有不同长度纤维的至少两个不同形状的片混合，并且其中形成所述装料包括将所述两个不同形状的片引入模制化合物。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述压铸模制包括以导致所述铸模装料湍流经过所述铸模的速度压铸所述铸模装料。
5.根据权利要求1所述的方法，其中生产所述片包括从干燥纤维预成型材料切割每个所述片，和将所述热塑性树脂弓I入所述铸模与将所述片弓I入所述铸模分开进行。
6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在所模制的零件中形成孔，将硬件插入物装入所述孔。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述孔通过钻孔形成，和插入所述硬件包括在所述零件中所述孔内刻出螺纹并使插入物旋入所述孔。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述纤维是用所述热塑性树脂预浸渍的。
9.增强的复合材料零件，包括压铸模制的热塑性树脂，其具有随机定向的不同长度的纤维，提供多个方向的增强。
10.根据权利要求9所述的增强的复合材料零件，其中所述热塑性树脂是下列之一PEI、PPS、PES、PEEK、PEKK 禾口PEKK-FC。
11.根据权利要求9所述的增强的复合材料零件，其中所述纤维是碳纤维并且大体上遍布所述树脂基本上均勻地分布。
12.根据权利要求9所述的增强的复合材料零件，其中所述片具有至少下列形状之一正方形、矩形、圆形、椭圆形、梯形、六边形和三角形。
13.根据权利要求9所述的增强的复合材料零件，其中所述片包括至少两种不同形状。
14.根据权利要求9所述的增强的复合材料零件，进一步包括所述压铸模制的热塑性树脂中的至少一个孔；和固定在所述孔中的金属硬件插入物。
15.根据权利要求14所述的增强的复合材料零件，其中所述孔是有螺纹的，和所述硬件插入物包括HeliCoil 。
全文摘要
纤维增强的零件由压铸模制的热塑性树脂形成，用随机定向的大体上遍布零件的不同长度的单个纤维增强。
文档编号B29C70/12GK102596545SQ201080049363
公开日2012年7月18日 申请日期2010年9月7日 优先权日2009年11月6日
发明者D·E·吉迪恩, J·E·M·菲舍尔 申请人:波音公司