3D热塑性复合材料的拉挤系统及方法与流程

本发明涉及3d拉挤系统和方法。

背景技术：

近来，已使用cnc技术和3轴定位在热塑性3d打印方面取得进展。这些3d打印机允许仅利用cad制图生成各种各样的形状。即，它们具有不利用模具而创建复杂形状的优势。

技术实现要素：

本发明的一方面涉及一种基于3d/可变冲模系统的3d拉挤系统和方法，以连续生成具有变化截面几何形状和恒定表面轮廓、变化截面几何形状和变化表面轮廓以及恒定截面几何形状和变化表面轮廓中的至少一种的热塑性复合材料拉挤。

该3d拉挤系统和方法使得来自汽车、工业和航空航天的多数行业能够仅使用cad程序和cnc处理创建连续的、自动化的复杂形状，而不需要昂贵模具。

本发明的另一方面涉及一种3d热塑性拉挤系统。该拉挤系统包括：一组或多组3d热塑性成型机；以及cnc控制系统，控制该一组或多组3d热塑性成型机，以便使加热预浸料热塑性复合材料成形为3d热塑性复合拉挤件。

本发明的以上列举的方面的一个或多个实现方式包括以下中的一个或多个：3d热塑性复合拉挤件具有变化截面几何形状和恒定表面轮廓。3d热塑性复合拉挤件具有恒定截面几何形状和变化表面轮廓。3d热塑性复合拉挤件具有变化截面几何形状和变化表面轮廓。23.

3d热塑性复合拉挤件在拉挤方向以及与拉挤方向成90度的方向上都具有变化表面轮廓。3d热塑性复合拉挤未利用模具创建。一组或多组3d热塑性成型机包括多个cnc致动器以及通过cnc致动器可成形的柔性冷却带，以便使加热预浸料热塑性复合材料成形为热塑性复合拉挤件。旋转接头将多个cnc致动器连接至冷却带。cnc控制系统包括：计算机系统，具有被配置为存储可执行编程模块的计算机可读介质；处理器，与所述计算机可读介质通信耦接并被配置为执行存储在所述计算机可读介质中的编程模块；一个或多个计算机编程模块元素，存储在计算机可读介质中并且被配置为由处理器执行，其中，一个或多个计算机编程模块元素被配置为进行cnc致动器的延伸和缩回中的至少一个。cnc控制系统以+/-0.001英寸的精确度进行cnc致动器的延伸和缩回中的至少一个。cnc控制系统包括：计算机系统，具有被配置为存储可执行编程模块的计算机可读介质；处理器，与所述计算机可读介质通信耦接并被配置为执行存储在所述计算机可读介质中的编程模块；一个或多个计算机编程模块元素，存储在计算机可读介质中并且被配置为由处理器执行，其中，一个或多个计算机编程模块元素被配置为将多个致动器指令至具体位置以便使冷却带弯曲并用于构造轮廓。材料推进系统将热塑性复合拉挤件递增地推进一增量，并且cnc控制系统包括：计算机系统，具有被配置为存储可执行编程模块的计算机可读介质；处理器，与与所述计算机可读介质通信耦接并被配置为执行存储在所述计算机可读介质中的编程模块；一个或多个计算机编程模块元素，存储在计算机可读介质中并且被配置为由处理器执行，其中，一个或多个计算机编程模块元素被配置为控制3d热塑性成型机，使得冷却带将加热预浸料热塑性复合材料固化为用于每一增量的材料推进的具体形状。一组或多组3d热塑性成型机布置在加热预浸料热塑性复合材料以上和以下。3d热塑性拉挤系统连续生成如下至少一个：诸如车门和引擎罩的复杂车身板件、飞机机身面板、行李舱、飞机内部区段、空气动力学表面、复杂导管、管道系统以及目前需要较大模具的任意部件。加热预浸料热塑性复合材料包括纤维复合材料，该纤维复合材料包括第一夹层蒙皮、第二夹层蒙皮、内部芯以及从第一夹层蒙皮延伸至第二夹层蒙皮、将这些夹层蒙皮联接在一起的3dz轴纤维的不同组。柔性冷却带包括剥离材料。布置在加热预浸料热塑性复合材料以上和以下的3d热塑性成型机包括柔性冷却带。3d热塑性成型机包括与cnc致动器可操作耦接的伺服电机。3d热塑性成型机包括致动器所围绕旋转的枢轴点。3d热塑性成型机包括附接至致动器的推拉板。3d热塑性拉挤系统包括加热冲模，并且3d热塑性拉挤系统在加热冲模的下游。

本发明的额外方面涉及利用包括一组或多组3d热塑性成型机的3d热塑性拉挤系统来创建3d热塑性复合拉挤件的方法。该方法包括：提供包括一个或多个热塑性复合胶带的复合材料；利用加热机构加热包括一个或多个热塑性复合胶带的复合材料；以及利用cnc控制系统控制一组或多组3d热塑性成型机，以便使加热的包括一个或多个热塑性复合胶带的复合材料成形为3d热塑性复合拉挤件。

本发明的以上立即列举的方面的一个或多个实现方式包括以下中的一个或多个：该方法进一步包括：利用材料推进系统递增推进所成形的3d热塑性复合拉挤件。3d热塑性复合拉挤件具有变化截面几何形状和恒定表面轮廓。3d热塑性复合拉挤件具有恒定截面几何形状和变化表面轮廓。3d热塑性复合拉挤件具有变化截面几何形状和变化表面轮廓。3d热塑性复合拉挤件在拉挤方向以及与拉挤方向成90度的方向上都具有变化表面轮廓。3d热塑性复合拉挤件未利用模具创建。一组或多组3d热塑性成型机包括多个cnc致动器以及通过cnc致动器可成形的柔性冷却带，并且控制包括使柔性冷却带成形以便利用多个cnc致动器成形3d热塑性复合拉挤件。3d热塑性拉挤系统包括将多个cnc致动器连接至冷却带的旋转接头。cnc控制系统包括计算机系统，并且方法进一步包括利用计算机系统控制cnc致动器的延伸和缩回中的至少一个。cnc控制系统以+/-0.001英寸的精确度进行cnc致动器的延伸和缩回中的至少一个。cnc控制系统包括计算机系统，并且方法进一步包括利用计算机系统将多个致动器指令至具体位置以便使冷却带弯曲并用于构造轮廓。方法进一步包括利用材料推进系统递增推进所成形的3d热塑性复合拉挤件，并且其中，cnc控制系统包括计算机系统，并且方法进一步包括利用计算机系统控制3d热塑性成型机，使得冷却带将加热的复合材料固化为用于每一增量的材料推进的具体形状。方法进一步包括利用布置在加热复合材料以上和以下的一组或多组3d热塑性成型机来成形3d热塑性复合拉挤件。加热复合材料包括纤维复合材料，该纤维复合材料包括第一夹层蒙皮、第二夹层蒙皮、内部芯以及从第一夹层蒙皮延伸至第二夹层蒙皮、将夹层蒙皮联接在一起的3dz轴纤维的不同组。方法进一步包括将剥离材料(releasematerial，释放材料)添加至柔性冷却带。布置在加热复合材料以上和以下的3d热塑性成型机包括柔性冷却带。3d热塑性成型机包括cnc致动器与cnc致动器可操作耦接的伺服电机。3d热塑性成型机包括致动器所围绕旋转的枢轴点。3d热塑性成型机包括附接至致动器的推拉板。3d热塑性复合拉挤件是如下至少一个：诸如车门和引擎罩的复杂车身板件、飞机机身面板、行李舱、飞机内部、空气动力学表面、复杂导管、管道系统以及目前需要较大模具的任意部件。

本发明的另一方面涉及通过一处理制造的机翼。该处理包括：提供包括一个或多个热塑性复合胶带的复合材料；利用加热机构加热包括一个或多个热塑性复合胶带的复合材料；以及利用cnc控制系统控制一组或多组3d热塑性成型机，以便使包括一个或多个热塑性复合胶带的加热复合材料成形为机翼。

本发明的以上立即列举的方面的一个或多个实现方式包括以下中的一个或多个：该处理进一步包括：利用材料推进系统递增推进所成形的机翼。机翼具有变化截面几何形状和恒定表面轮廓。机翼具有恒定截面几何形状和变化表面轮廓。3d热塑性复合拉挤件具有变化截面几何形状和变化表面轮廓。机翼在拉挤方向上以及与拉挤方向成90度的方向上都具有变化表面轮廓。制造机翼的处理未利用模具执行。一组或多组3d热塑性成型机包括多个cnc致动器以及通过cnc致动器可成形的柔性冷却带，并且控制包括使柔性冷却带成形以便利用多个cnc致动器成形机翼。机翼进一步包括将多个cnc致动器连接至冷却带的旋转接头。cnc控制系统包括计算机系统，并且处理进一步包括利用计算机系统控制cnc致动器的延伸和缩回中的至少一个。cnc控制系统以+/-0.001英寸的精确度进行cnc致动器的延伸和缩回中的至少一个。cnc控制系统包括计算机系统，并且处理进一步包括利用计算机系统将多个致动器指令至具体位置以便使冷却带弯曲并用于构造轮廓。处理进一步包括：利用材料推进系统递增推进所成形的机翼，并且其中，cnc控制系统包括计算机系统，并且处理进一步包括利用计算机系统控制3d热塑性成型机，使得冷却带将加热的复合材料固化为用于每一增量的材料推进的具体形状。处理进一步包括利用布置在加热的复合材料以上和以下的一组或多组3d热塑性成型机来成形机翼。加热复合材料包括纤维复合材料，该纤维复合材料包括第一夹层蒙皮、第二夹层蒙皮、内部芯以及从第一夹层蒙皮延伸至第二夹层蒙皮、将夹层蒙皮联接在一起的3dz轴纤维的不同组。处理进一步包括将剥离材料添加至柔性冷却带。布置在加热复合材料以上和以下的3d热塑性成型机包括柔性冷却带。3d热塑性成型机包括cnc致动器与cnc致动器可操作耦接的伺服电机。3d热塑性成型机包括致动器所围绕旋转的枢轴点。3d热塑性成型机包括附接至致动器的推拉板。

附图说明

被并入并构成本说明书的一部分的附图示出本发明的实施方式，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1a是示例性热塑性复合胶带拉挤处理的实施方式的示图，其中，本发明的热塑性拉挤冲模系统和方法可结合在一个应用中。

图1b是热塑性拉挤冲模系统和方法的实施方式的冲模端部和模腔间隙(端部被限定为在人们从拉挤夹持器的位置观看冲模系统时的冲模的出口)的实施方式的侧视图。

图2是示出图1b所示的热塑性拉挤冲模系统和方法的实施方式如何以能一定预定测力元件读数操作稳定状态的图形，该操作稳定状态是对模腔间隙的开口的闭环控制和反馈并且与拉挤速度同步。

图3是类似于图2的图形，其中，是利用热塑性拉挤冲模系统和方法的另一可能实施方式。在该实施方式中，热塑性拉挤冲模系统和方法允许在高压缩力暂时施加至部件的同时，夹持器速度暂时停止。

图4是类似于图3的图形，除了在热塑性拉挤冲模系统和方法的该实施方式中，快速伺服控制以及模腔间隙的改变的高频率以这样的方式出现，即，不需要夹持器停止。

图5是类似于图3的图形，并且示出热塑性拉挤冲模系统和方法可如何对异常作出反应，诸如拼接、木芯中的结或引起过度冲模压力的其它破坏。

图6是类似于图1b的热塑性拉挤冲模系统和方法的替代实施方式的侧视图，其中，多个cnc类伺服致动器和测力元件安装在非常宽的冲模顶部、非常宽的板以及非常宽的强力背板上。

图7是类似于图6的热塑性拉挤冲模系统和方法的替代实施方式的侧视图，除了cnc电机和致动器已由伺服cnc液压缸替换以外，并且示出夹层板。

图8是类似于图7的热塑性拉挤冲模系统和方法的另一实施方式的侧视图，除了冲模的内部球形弯曲以外。

图9是菱形三十面体复合天线罩的实施方式的立体图。

图10a至图10e是在类似于如图8所示的小型球形冲模中处理的球形热塑性复合夹层板的不同阶段的立体图，并且使用图8的热塑性拉挤冲模系统沿着限定的球形路径使冲模离开至弯曲球形复合夹层板。

图11是可结合本文描述的各种实施方式使用的示例性计算机系统的框图。

图12a示出3d热塑性成型机的一个实施方式。

图12b示出图12a的3d热塑性成型机，其中，带缩回并且热塑性预浸料以略微拱形形状示出。

图13示出由3d热塑性复合拉挤件系统和方法得到的热塑性复合材料的一个实施方式的截面。

图14示出由3d热塑性复合拉挤件系统和方法得到的热塑性复合材料的另一实施方式的截面，其中，该热塑性复合材料不仅弯曲而且也具有扭曲。

图15示出通过本文描述的方法生成的表面或部分的结构夹层板或纤维复合材料壁的实施方式的截面图。

具体实施方式

参考图1至图8，在描述3d热塑性拉挤成型机/装置和方法的实施方式之前，将首先描述热塑性拉挤冲模系统(“系统”)300以及使用其进行处理的方法的实施方式。3d热塑性拉挤成型机/装置和方法是对系统300和方法的改进。

参考图1a，在描述系统300之前，将首先描述热塑性拉挤冲模系统300和方法可以是其一部分的示例性热塑性复合胶带拉挤处理组件310和方法的实施方式。

在热塑性复合胶带拉挤处理组件310中，拉挤处理从左向右移动。从左至右，组件310包括隧道炉315、热塑性拉挤冲模系统300、包括串联的一个或多个夹持器(例如，一个、两个、三个)309、311、313的拉挤夹持器机构。在图1中，示出相当短的热塑性拉挤冲模系统300，但是实际上，热塑性拉挤冲模系统300可在处理时向前延伸20英尺或更多，以便辅助加热多个胶带或多层热塑性胶带以在处理时实现更快线速度。

一个或多个夹持器309、311、313一次使用一个、两个或三个夹持器的组合，以双手交替方法通过夹持和拉动从热塑性拉挤冲模系统300中拉动固体部件302。在替代实施方式中，使用一个或多个夹持器以外的机械动力传输装置，诸如但不通过限制性方式，轧辊或履带驱动(caterpillardive)系统。

原材料304包括进入热塑性拉挤冲模系统300的含一个或多个热塑性复合胶带的复合材料。在原材料304进入热塑性拉挤冲模系统300之前，在热塑性拉挤冲模系统300的上游，热塑性复合胶带在预加热机构(例如，隧道炉)315中预加热，其可被加热至恰好在热塑性复合胶带的热塑性树脂的熔化温度以下的温度。

当拉挤胶带材料离开热塑性拉挤冲模系统300时，它被冷却并固化，如通过固体部件302表示的。从一系列单独热塑性复合胶带向固体部件302的过渡发生在热塑性拉挤冲模系统300中。

优选地，在热塑性拉挤冲模系统300的前方，热塑性拉挤冲模系统300包括使用一系列加热器和控制器335，通过台板330加热的加热机构(例如，加热器或热区)。恰好在拉挤胶带材料离开之前，在热塑性拉挤冲模系统300的端部处是由物理附接至热塑性拉挤冲模系统300的冷却台板(platen，压盘)340提供的冷却机构(例如，冷却器或冷却区)。台板340具有冷却水回路342，该冷却水回路设计为将诸如水的冷却液携带至散热系统，此处以风扇345示出。在替代实施方式中，替代加热机构和/或冷却机构可与热塑性拉挤冲模系统300一起使用。计算机系统338控制组件310的一个或多个部件中。

参考图1b，热塑性拉挤冲模系统300是冲模、台板和框架布置。在图1b中以高度示出热塑性拉挤冲模系统300，如同从拉挤夹持器309、311、313朝向热塑性拉挤冲模系统300的下游端观看的。

热塑性拉挤冲模系统300包括由模腔间隙47分开的冲模底部30(由下部支撑物18支撑)和冲模顶部31。冲模顶部31在螺栓孔45处栓接至冲模底部30。沿着冲模底部30和冲模顶部31的相对边缘，是细长的、窄的平坦硅胶密封条40。测力元件8由下部支撑物18支撑并测量热塑性拉挤冲模系统300中的各个位置处的负载压力。测力元件8经由滚珠螺杆6可操作地耦接至cnc伺服电机4。强力背板2和台板14随着滚珠螺杆(并且与冲模顶部31和/或冲模底部30相关联)的旋转移动以增大或减小模腔间隙47。

图1b示出具有硅胶密封条40的半模以及具有伺服电机4和测力元件8的滚珠螺杆6的组件，如人们在将冲模顶部31连接至硅胶密封条40之前以及在将台板14和强力背板2致动为与冲模顶部31紧密接触之前观看系统300。

图1b示出热塑性拉挤冲模系统300的出口端处的模腔间隙47。一旦冲模顶部31在冲模的左侧和右侧中的每一个所示的螺栓孔45处栓接至冲模底部30，则模腔间隙47将是封闭腔体，除了冲模的入口(未示出)处的开口以及出口处的开口(在图1b中示出为47)外。

系统300的重要方面是在系统300的两侧上示出为40的两个硅胶密封条材料。虽然硅胶密封条40示出为窄的、细长的硅胶材料条，但是在替代实施方式中，硅胶密封条40可以是任意形状/构造。例如并非通过限制的方式，硅胶密封条40可以是圆形的并且适配至冲模底部30和冲模顶部31的略微圆形的配合凸缘槽内。将冲模底部30和冲模顶部31保持到一起的螺栓将夹持硅胶密封条40。在所示实施方式中，螺纹布置在冲模底部30中并且在冲模顶部31中滑动配合。螺栓可被拧紧以给出最大模腔间隙位置并且不能更大。最小模腔位置通过致动台板14得到，该台板示出为升高到冲模顶部31以上但是将通过示出在热塑性拉挤冲模系统300的每侧上的致动滚珠螺杆6向下紧密接触。尽管在图1b中仅示出两个滚珠螺杆6，但是热塑性拉挤冲模系统300可包括4个或更多个致动滚珠螺杆6。

台板14附接至强力背板2的底部，其允许在通过伺服电机4向下致动滚珠螺杆6时，向下力在热塑性拉挤冲模系统300的顶部上稳定且良好分布。伺服电机4由通过复杂运动控制(包括但不限于命令加速、减速以及扭矩和方向的软反转)来命令给定位置的cnc控制系统控制。当台板14的向下力压下硅胶密封条40时，存在热塑性胶带材料的额外阻力，为了清楚，该额外阻力在图1b中未示出，但是将存在于整个模腔间隙47中。因为硅胶密封条40被设计为用于高温并且在压缩之后具有良好恢复性，所以模腔间隙47通过从最大间隙到最小间隙的整个致动循环而保持密封在侧面上。硅胶密封条40可拉伸或压缩至高达800％，而不失去它的/它们的弹性。

尽管最大模腔间隙47可通过螺栓(在螺栓保持件45中)设置，但是更优选的方法是在滚珠螺杆6的端部使用测力元件8以给出校准冲模压力的测量。如果冲模顶部31的重量较大，则在一些情况下，可能必须将冲模顶部31附接至台板14和强力背板2。以此方式，在滚珠螺杆6向上致动时，可实现绝对最小的材料压力。目标将是将模腔间隙47调节至适当高度以实现热塑性复合层压件的连续拉挤，并且当情况需要时，系统300可在拉挤与循环模腔间隙47之间主动交替，如以下更详细描述的。

尽管下部支撑物18示出为固定并且固定至地面/不可偏转，但是在一个或多个替代实施方式中，支撑物18类似于台板14和强力背板2。因此，在一个或多个实施方式中，系统300可包括上部可移动冲模顶部/台板/强力背板和/或下部可移动冲模顶部/台板/强力背板。

图1b中故意未示出的是加热和冷却系统(它们可总体在图1a中看到)，其包括中心的加热区以及系统300的顶部和底部的大致向前部分、并且具有朝向后面的冷却部分或者冲模的顶部和底部的排出端。多种协同控制可用于控制系统300。如果例如图1b的系统300具有含四个伺服电机4的四个滚珠螺杆6，则系统300将包括4轴运动控制。有了三个拉挤夹持器的添加(参见图1a)，系统300将包括最小7轴cnc系统和处理过程。以下将相对于(以下相对于图11描述的)示例性计算机系统550总体描述与该系统300交互的计算机硬件和/或软件。

一旦图1a的实施方式提供作为具有cnc运动控制的系统300，则可实现图2、图3、图4、图5的控制方案。有理由考虑每个因素，这些因素将取决于参数，诸如但不限于层压板厚度、层压密度、所需的表面光洁度、添加包括各种芯材料(诸如但不限于，夹层板结构中可找到的木材、混凝土、石膏、蜂窝、泡沫以及其他异物/芯)的其他材料(除了热塑性胶带)。

图2示出用于系统300的最简单控制方案。示出相对于时间的三个不同示图。时间单位可以是作为拉挤处理处理的部分的任一个。如图2所示，夹持器309、311、313示出为在其100％设计速度与0％速度(停止)之间的某处，以稳定速度130运行。模腔间隙47示出为在一些最大规格间隙与一些最小规格间隙134之间。测力元件读数138经由恒定测力元件读数示出有效内部压力。这类似于与厚部件(厚度为0.303英寸并且32层的多聚(polystrand)热塑性胶带)行进一致的热塑性胶带拉挤。在这种情况下，被机械加工的冲模厚度是完美的。然而，如果它不完美，则摩擦力将过高或者固化将过低。在冲模未被完全设置为正确模腔间隙的情况下，本发明的系统300和方法可校正这种问题。

在薄层压件的情况下，模腔间隙的调整可以是强制性的以实现完美拉挤。图2模拟了将模腔间隙设置为如通过许多标准判断的理想厚度，好比固体冲模被完美制造。本发明的系统300关键在于降低制造成本以及制造完美冲模时的反复试验。因此，图2表示复制完美模腔间隙并且具有重要的其他益处的系统。在启动时，有必要稍微打开腔体，使得易于在开始时将材料串接起来。另外，如果诸如在拉挤运行结束时需要拼接，则拉挤冲模系统300可暂时略微打开。如果出现异常，则控制系统将获知问题(诸如，在入口处胶带折断并且突然具有更小容积)。在该情况下，冲模顶部31上的测力元件8将得到固化压力的降低。

图3示出可设置有相对于图1描述的相同系统的软件控制的变型。利用薄层压件，有时必须防止离轴胶带的脱落，诸如+/-30度、+/-45度或90度。该脱落由密封模腔间隙、最小材料和高摩擦力引起。图3的图形类似于图2。术语“拉伸-压缩(pull-pression)”是创造出用于指代拉挤和压缩(模铸)的组合。应注意，以竖线70和75示出时间轴上的两个不同时刻。

图3中的线70示出夹持器309、311、313以100％设计速度(由80表示)拉动的时间点。此处，模腔间隙47大部分打开或松弛，如通过曲线84中的峰值表示的。正好读取冲模压力的测力元件8将在其最低点88处。

当夹持器309、311、313以一个循环移动时，新的原材料304被拉至拉挤冲模系统300的入口，并且完成的复合部件302从拉挤冲模系统300的出口拉动。在离散单位时间之后，夹持器309、311、313突然停止，并且这在伺服致动器向冲模顶部31施加命令向下力并且部件有效经历压缩时出现。在该点处81，夹持器309、311、313以0％速度停止，并且模腔在循环点85处压缩，并且测力元件(多个测力元件)8表示最大压缩89。

在该点处，循环重复。不时地，材料处于松弛状况并且被拉伸至拉挤冲模系统300，随后无速度地压缩，并且随后以100％速度松弛，并且该过程重复。拉挤冲模系统300在前方开始冷却(或者在热塑性基体的熔点以下部分加热)。当材料沿着拉挤冲模系统300移动时，它遇到被设计为完全熔化并且在压力下固化部件的热区，并且然后向下朝向冲模出口进一步移动，材料被冷却或冷却，并且作为完成部分，它利用其固化完成并且最终离开冷却冲模。

图4类似于图3。应注意，在图4中，存在与大多数压缩冲模位置95相关联的峰值测力元件读数99。同样，存在与冲模间隙上的松弛位置94相对应的最小测力元件读数98。图4所示的是伺服控制的非常高的循环交替致动以实现该快速移动，并且数量可达到每秒若干个，其中，致动系统和滚珠螺杆行程受限。在该情况下，一小部分时间允许拉挤速度保持恒定并且遵循稳定拉挤速度。使用系统300和方法，反复试验可用于确定最佳控制顺序。

图5类似于图3，除了在图5中，当一些干扰(例如，更厚核心或蒙皮材料)进入拉挤冲模系统300时，控制中断压缩事件121，并且现在当测力元件读数向控制系统警报最大冲模压力已在压缩周期早期出现时，不能够实现模腔的完全压缩位置115。在该情况下，致动器将直到负载返回至可接受水平，才完成压缩。

在许多大的拉挤冲模系统中，连续生成面板并且达14英尺宽，难以压缩材料并且将冲模表面保持为拉挤冲模系统300的中间的间隙与边缘的间隙相同。在该情况下，如图6所示，线50是折线并且表示比所示的更宽的冲模。示出附属滚珠螺杆206、测力元件208和伺服电动机204的示例。这被示出在已放置在强力背板2和板14中的孔214内部。对于非常宽的拉挤冲模系统300，可在拉挤冲模系统300的宽度上每隔1、2、3或4英尺(或其他距离)放置若干个，并且这些是为了实现与图6的元件4、6和8相同的目的。这些多个致动器可允许控制宽的、平坦的冲模的中心的模腔间隙，其中，由于环向应力，任何压力都将要略微打开间隙。存在在整个面板宽度上对模腔间隙47进行主动cnc控制的需要，并且这将对由本文描述的胶带制造的薄且宽的热塑性复合材料尤其重要。

图7是类似于图6的热塑性拉挤冲模系统和方法的替代实施方式的侧视图，除了cnc电机和致动器已由伺服cnc液压缸705替换以外。另外示出的是压缩状态的夹层板，其中，蒙皮815和核心810处于压缩状态，全部设计压力都通过气缸705施加。

伺服控制的液压缸705可交替封闭和打开模腔。在封闭时，模腔可移动至给定压力施加至复合材料的位置，如果例如需要100psi压力并且如果气缸(多个气缸)705合并至中央相等(centers-of-equal)区域，则需要100psi一平方英尺或144平方英寸将意味着，4英寸直径气缸705将以1146.5psi操作压力操作。换言之，单个4英寸气缸705具有12.56平方英寸面积，并且以1146.5psi的压力将递送14400lbs.，其精确地是一平方英尺上的100psi的层压冲模压力。进一步到图7，液压缸705旨在在中央相等区域中提供力。如上所述，强力背板2支撑上台板14，其中，下台板814具有压在其上并且通过地面210产生作用的液压缸705。冲模顶部31和冲模底部30示出为压缩状态，并且如示出的，不需要将螺栓45附接至冲模上部和冲模下部。

图8是类似于图7的热塑性拉挤冲模系统900和方法的替代实施方式的侧视图。图8中的热塑性拉挤冲模系统900的视图是冲模系统900的出口的视图，但是侧视图将示出相同球形形状(即，冲模系统900在冲模系统900的纵向和横向方向上都具有内部球形曲线，如在图8的情况下仅在球形冲模的一个边缘处，其自身看起来是弧线)，并且因此，看起来类似于图8所示的。热塑性拉挤冲模系统和方法相对于图1至图7的以上描述和附图结合在本文中，并且相同元件以相同参考标号示出。

在所示实施方式中，热塑性拉挤冲模系统900和方法用于从平坦热塑性复合夹层板材料的处理冲模的输入依次形成离开处理冲模的100％球形弯曲夹层板904，该夹层板被组装到一起以形成诸如图9所示的菱形三十面体复合天线罩906，以保护包括军事雷达的大量雷达装置。平坦夹层板包括具有顶部蒙皮和底部蒙皮的泡沫芯，并且作为一个选项，3d纤维通过泡沫从一个蒙皮过渡至另一个蒙皮。在替代实施方式或实现方式中，热塑性拉挤冲模系统900和方法用于将模具夹层板用于其他应用，包括不同球形直径、不同圆柱形状以及复杂曲率的面板。

热塑性拉挤冲模系统900包括以菱形三十面体天线罩面板906的限定球形直径的形状的球形弯曲冲模910。冲模910包括具有弯曲、球形、凹顶面935的冲模底部930，以及具有弯曲、球形、凸底面945的冲模顶部940。冲模底部930的弯曲、凹顶面935与冲模顶部940的弯曲、凸底面945一起形成弯曲球形冲模腔间隙947。

如图10a至图10d所示，在有效同线(in-line)热塑性拉挤方法过程中，平坦夹层复合板被处理为连续弯曲的、球形夹层复合板部件904。离开冲模系统900的弯曲夹层复合板部件904根据所形成的曲率上升。在所示实施方式中，弯曲夹层复合板部件904为相同长度、大小和曲率，并且组装在一起以使得天线罩906保护军事雷达。在替代实施方式中，期望的是制造弯曲构造/结构，其中，一个或多个弯曲面板具有不同曲率、长度和/或大小。在又一实施方式中，凸表面和凹表面与冲模构件颠倒，使得离开冲模构件的球形合成面板在向下方向上弯曲。

参考图9，菱形三十面体复合天线罩906是a型夹层种类的夹层板天线罩，其中，每个侧面上的薄蒙皮是具有封装泡沫芯的玻璃的热塑性树脂基体，并且薄蒙皮与泡沫芯的组合是射频(rf)透过的，并且大小为被保护军事雷达的雷达频率的波长的大约1/4。天线罩906由球形面板904制成，并且直径大约为30英尺至60英尺，但是明显的尺寸可以是从5英尺至200英尺的任意直径。因为天线罩906是菱形三十面体天线罩，所以仅有一个尺寸的面板来制作球体，除了附接至安装环或基底的截顶面板908，并且每个所述截顶面板从较大的前述一个尺寸的面板制成。

疏水膜或涂层/油漆可在组装之前施加至天线罩夹层部件904的外部以抵御风化，并且保持天线罩906清洁且无水滴，以影响雷达的优越传输能力。

为了容纳天线罩906，在天线罩906的高度/直径的大约85％处存在圆顶的截断，其中，安装环908定位并且天线罩906螺接或固定至安装环908以用于结构刚度和刚性，并且此处存在一组不同成形面板，但是每个面板由相同的基础单面板904形成以创建球形天线罩906。在替代实施方式中，天线罩906由具有多种测地学设计的几个不同构造的面板904制成，包括天线罩形状、五角形、六边形、天线罩形状、橘皮(oranger-peel)形状等。

图11是可结合本文描述的各种实施方式使用的示例性计算机系统550的框图。例如，计算机系统550可结合计算机系统(多个计算机系统)、计算机(多个计算机)、控制装置(多个控制装置)、控制器(多个控制器)、控制系统(例如，软件和/或硬件)使用。然而，如本领域技术人员将清楚的是，可使用其他计算机系统和/或架构。

优选地，计算机系统550包括一个或多个处理器，诸如处理器552。可提供额外处理器，诸如管理输入/输出的辅助处理器、执行浮动点数学运算的辅助处理器、具有适合于快速执行信号处理算法的架构的专用微处理器(例如，数字信号处理器)、隶属于主处理系统的从处理器(例如，后端处理器)、用于两个或多个处理器系统的额外微处理器或控制器、或者协同处理器。这些辅助处理器可以是离散处理器或者可与处理器552集成。

优选地，处理器552连接至通信总线554。通信总线554可包括用于促进计算机系统550的存储部件与其他外围部件之间的信息传输的数据信道。通信总线554进一步可提供用于与处理器552通信的一组信号，包括数据总线、地址总线和控制总线(未示出)。通信总线554可包括任意标准或非标准总线架构，诸如例如符合如下标准的总线架构：工业标准架构(“isa”)、扩展工业标准架构(“eisa”)、微通道架构(“mca”)、外围设备互连(“pci”)局部总线或者由电气与电子工程师协会(“ieee”)公布的标准，包括ieee488通用接口总线(“gpib”)、ieee696/s-100等。

优选地，计算机系统550包括主存储器556并且也可包括辅助存储器558。主存储器556提供用于在处理器552上执行的程序的指令和数据的存储。主存储器556通常是基于半导体的存储器，诸如动态随机存取存储器(“dram”)和/或静态随机存取存储器(“sram”)。其他基于半导体的存储器类型包括例如，同步动态随机存取存储器(“sdram”)、rambus动态随机存取存储器(“rdram”)、铁电随机存取存储器(“fram”)等，包括只读存储器(“rom”)。

可选地，辅助存储器558可包括硬盘驱动器560和/或可移动存储驱动器562，例如软盘驱动、磁带驱动、光盘(“cd”)驱动、数字通用光盘(“dvd”)驱动等。可移动存储驱动器562从公知方式从可移动存储介质564读取和/或向可移动存储介质写入。可移动存储介质564可以是例如，软盘、磁带、cd、dvd等。

优选地，可移动存储介质564是具有存储其上的计算机可执行代码(即，软件)和/或数据的计算机可读介质。存储在可移动存储介质564上的计算机软件或数据被读取至计算机系统550作为电通信信号578。

在替代实施方式中，辅助存储器558可包括用于允许计算机程序或其他数据或指令被加载至计算机系统550的其他类似装置。这些装置可包括例如，外部存储介质572和接口570。外部存储介质572的实例可包括外部硬盘驱动器或外部光学驱动器和/或外部磁光驱动器。

辅助存储器558的其他实例可包括基于半导体的存储器，诸如可编程只读存储器(“prom”)、可擦除可编程只读存储器(“eprom”)、电可擦除只读存储器(“eeprom”)或闪存(类似于eeprom的区块导向内存)。另外包括的是任意其他可移动存储单元572和接口570，其允许软件和数据从可移动存储单元572传输至计算机系统550。

计算机系统550也可包括通信接口574。通信接口574允许软件和数据在计算机系统550与外部设备(例如，打印机)、网络或信息源之间传输。例如，计算机软件或可执行代码可经由通信接口574从网络服务器传输至计算机系统550。通信接口574的实例包括调制解调器、网络接口卡(“nic”)、通信端口、pcmcia插槽和卡、红外接口以及ieee1394火线，仅举几例。

优选地，通信接口574实现行业公布的协议标准，诸如以太网ieee802标准、光纤信道、数字用户线路(“dsl”)、异步数字用户线路(“adsl”)、帧中继、异步传输模式(“atm”)、综合业务数字网(“isdn”)、个人通信服务(“pcs”)、传输控制协议/互联网协议(“tcp/ip”)、串行线路互联网协议/点到点协议(“slip/ppp”)等，但是也可实现定制或非标准接口协议。

经由通信接口574传输的软件和数据总体上为电通信信号578的形式。优选地，这些信号578经由通信信道576提供至通信接口574。通信信道576携带信号578并且可使用各种有线或无线通信装置实现，包括配线或电缆、光纤、传统电话线、蜂窝电话链路、无线数据通信链路、射频(rf)链路或红外链路，仅举几例。

计算机可执行代码(即，计算机程序或软件)存储在主存储器556和/或辅助存储器558中。计算机程序也可经由通信接口574接收并存储在主存储器556和/或辅助存储器558中。这些计算机程序在被执行时，使计算机系统550能够执行如先前描述的本发明的各种功能。

在该描述中，术语“计算机可读介质”用于指代用于向计算机系统550提供计算机可执行代码的任何介质(例如，软件和计算机程序)。这些介质的实例包括主存储器556、辅助存储器558(包括硬盘驱动器560、可移动存储介质564和外部存储介质572)，以及与通信接口574通信耦接的任何外围设备(包括网络信息服务器或其他网络设备)。这些计算机可读介质是用于向计算机系统550提供可执行代码、编程指令和软件的装置。

在使用软件实现的实施方式中，软件可存储在计算机可读介质上并且通过可移动存储驱动器562、接口570或通信接口574加载至计算机系统550。在这种实施方式中，软件以电通信信号578的形式加载至计算机系统550。优选地，软件在由处理器552执行时，使得处理器552执行本文先前描述的发明特征和功能。

各种实施方式也可例如使用诸如专用集成电路(“asic”)或现场可编程门阵列(“fpga”)的部件，主要实现在硬件中。能够执行本文描述的功能的硬件状态机的实现方式将对于本领域技术人员来说也是显而易见的。各种实施方式也可使用硬件和软件的组合实现。

此外，本领域技术人员将了解，结合本文公开的上述图和实施方式描述的各种说明性逻辑块、模块、电路和方法步骤可通常实现为电子硬件、计算机软件或两者的组合。为了清楚说明硬件和软件的这种可互换性，以上已在其功能性方面总体描述了各种说明性部件、框、模块、电路以及步骤。这样的功能性被实现为硬件还是软件取决于特定应用以及施加于整个系统的设计限制。技术人员可以以用于每种特定应用的变化方式实现所描述的功能，但是这些实现决定不应解释为导致偏离本发明的范围。此外，模块、框、电路或步骤内的功能的分组是为了便于描述。在不偏离本发明的情况下，具体功能或步骤可从一个模块、框或电路移动至另一个。

此外，结合本文公开的实施方式描述的各种说明性逻辑块、模块和方法可利用如下实现或执行：通用处理器、数字信号处理器(“dsp”)、asic、fpga或其他可编程逻辑设备、离散栅极或晶体管逻辑、离散硬件部件或者被设计为执行本文描述的功能的其任意组合。通用处理器可以是微处理器，但是在替代方案中，处理器可以是任意处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可实现为计算设备的组合，例如，dsp与微处理器、多个微处理器、结合dsp核心的一个或多个微处理器的组合或者任意其他这种配置。

此外，结合本发明公开的实施方式描述的方法或算法的步骤可直接体现为硬件、由处理器执行的软件模块或两个的组合。软件模块可驻留在ram存储器、闪存、rom存储器、eprom存储器、eeprom存储器、寄存器、硬盘、移动盘、cd-rom或者包括网络存储介质的任意其他形式的存储介质中。示例性存储介质可耦接至处理器，使得处理器可从存储介质读取信息并且将信息写入至存储介质。在替代方案中，存储介质可与处理器一体化。处理器和存储介质也可驻留在asic中。

参考图12a至图14，将描述3d热塑性拉挤成型机/装置和方法的实施方式。

热塑性复合处理可通过如下连续完成：在部件不移动通过机器时，在预成形和预浸料材料上递增施加冲模压力，随后在冲模表面的释放与移动以打开冲模表面(movement-to-open-die-surfaces)之间依次改变，随后以控制方式向前移动一增量，接下来再次施加零线速度和夹持力。

这可通过检查图3看到，图3示出在连续处理进行时，夹持和线速度交替。部件随后从预定温度的加热冲模移动至也以预定温度的冷却冲模，并且然后在离开冷却冲模时，部件被完全固化。

利用如参考图8示出和描述的球形或圆柱形冲模来替换如参考图1b、图6和图7示出和描述的初始平坦的冲模，人们可连续制造弯曲形状。具有在上述处理系统中制造的热塑性夹层面板的32英寸直径天线罩被成功制造并安装。

申请人认识到，存在制造具有变化轮廓的复杂形状的需要，诸如用于小型飞机的螺旋桨。这不是平坦面板、球形面板或纯粹圆柱形面板，并且螺旋桨的形状是现有技术将指示的模具要生成的复杂曲率表面，并且材料为真空袋制造的或者匹配生成的模具等。申请人也认识到，存在从申请人已开发的连续系统生成复杂形状的需要。

类似于本文示出和以上描述的实施方式(其中，在部件被向前拉动时，热塑性复合预浸料等依次以“熔化”温度固化)，3d热塑性拉挤系统和方法包括在部件被向前拉动时，依次以“熔化”温度固化的热塑性复合预浸料等，但是在冲模的加热部分的出口处，当进入冷却部分时，冲模的冷却部分由新的cnc致动带替换，在该致动带离开整个冲模时改变部件的横向轮廊。该非常小且递增的冲模形状的顶部和底部可通过计算机系统(例如，图11所示的计算机系统550)实现的计算机代码改变，该计算机系统命令致动器逐渐且递增地改变这些冷却按压带的形状。

参考图12a至图14，现在将更详细地描述3d热塑性拉挤系统和方法的实施方式。3d热塑性拉挤系统和方法允许连续生成任意复杂形状而不需要昂贵冲模和净成形模具(net-shape-mold)，在汽车行业中，连续制造诸如车门和引擎罩的复杂车身板件将是可能的；在航空航天行业中，人们可制造飞机机身面板、行李舱和飞机内部；并且在工业市场上，人们可现在制造目前需要较大冲模的任意部件，包括复杂导管和管道系统。

3d热塑性拉挤系统和方法可包括图1a所示的系统，其中，加热出现在前部并且冷却出现在后部，但是3d热塑性拉挤系统和方法仅加热并且添加cnc设备的如图12a所示的仅放置并定位在加热冲模下游的新部件。热塑性复合部分已彻底固化、操作并按压，并且现在准备好冷却为最终形状。当该形状进入图12a的设备时，发生以下步骤：

cnc致动器和电机利用运动控制程序定位以便以+/-0.001英寸的精确度延伸或缩回致动器；

这些致动器通过旋转接头连接至冷却带；

在多个致动器被指令至具体位置时，带具有弯曲和构造出轮廊的能力；

冷却带可将热的预浸料热塑性复合材料固化为用于每一小增量的材料推进的具体形状；

在预浸料复合材料以下是类似组的运动控制电机和致动器以及类似冷却带；

现在内外形状可被限定，并且冷却带可采用该形状，并且此外，压力可从致动器施加，使得复合材料被冷却并固化在上部带与下部带之间。

该处理的进一步描述将在图12a、图12b、图13和图14的简要描述之后进行。

在图12a中，示出3d热塑性成型机。上部冷却成形带1040和下部冷却成形带1042示出为从热塑性预浸料1044缩回。尽管未示出，但是在带与复合材料之间，可存在硅胶剥离材料以促进剥离并且避免热塑性塑料粘结至带材料。上部冷却成形带1040和下部冷却成形带1042都是柔性的。即，它们是刚性的且柔性的，并且可根据由致动器1020、1021、1022、1023、1024和1025提供的力弯曲。命令位置来自计算机并且运动控制程序通过计算机系统(例如，图11所示的计算机系统550)实现，使得伺服电机1010、1011、1012、1013、1014和1015移动附接至致动器且标识为1050、1051、1052、1053、1054和1055的推拉板。

附接至这些推拉板的是附接至冷却带的枢轴连杆。上部冷却带1040具有枢柚1060、1061和1062，并且下部冷却带1042具有枢柚1063、1064和1065。

当冷却带用于由cnc程序命令的较大弯曲表面时，允许致动器1020、1021、1022、1023、1024和1025旋转的辅助枢轴可能是必需的。这通过示出为1030、1031、1032、1033、1034和1035的轴承等完成。在图12a中，冷却带示出为缩回位置。另外，为了清楚，未示出用于冷却带的源，无论是流体冷却和转移还是空气流动。但是存在可用于从带中恒定移除热量并维持冷却温度的许多系统(在热塑性塑料中，“冷却”温度可高达180华氏度，该温度在热塑性技术中是“冷却”)。

图12b示出缩回的带1040和1042，但是注意到，热塑性预浸料现在处于如由cnc程序限定的略微拱形形状。注意，如同枢柚1063和1065，枢柚1060和1062已旋转。另外，致动器轴承示出致动器1030和1032以及1033和1035的旋转。中央致动器1021和1024不枢转，因为它们保持在材料圆弧上的中间位置。

图12b中示出的是预浸料复合材料的、标识为1046的拱形。在观看图13时，可认识到这一点的意义。应注意，图12a中的热塑性复合材料1044的直线段在图13中示出为1044，并且图12b中的弯曲热塑性复合材料1046在图13中示出为1046。

假设图13中的复合部件为12英寸宽、48英寸长。应注意，图13的冷却复合材料从1044处的平坦部分逐渐弯曲为1046处的弯曲部分。该机器递增成形该复合材料。如示出的并且相对于图1a描述的，材料通过夹持器拉动非常短的距离，并且处理递增停止以允许该cnc致动。该推进可以是非常小的增量(低至0.005英寸或更小)。增量越细，材料越光滑。事实上，冷却带可以以小的配线替代，以便在非常短的长度上固化并冷却热塑性塑料。以此方式，处理创建以小增量连续改变的真正3d冲模形状。

因为通过冷却带的瞬时冷却定义y方向(沿着带以及与拉挤方向成90度的方向)上的表面轮廊，所以通过在拉挤方向上改变用于每个递增拉动的cnc代码，而在x方向或拉挤方向上出现变化轮廊；该变化表面轮廊是在两个方向上，形成“复合”形状。

现在内外形状可被限定，并且冷却带可采用该形状，并且此外，压力可从致动器施加，使得复合材料被冷却并固化在上部带与下部带之间。在相对于图12a至图14的本公开中，部件实际上是成形的夹层板，并且图13所示的轮廊是作为公共领域机翼(naca系列65翼型，其已多年来被完全定义和彻底测试)的压力侧的空气动力学表面。在该情况下，存在成形动态成形的夹层板的核心和两个蒙皮。应注意，图18所示的申请人的3d纤维技术，其中，3d纤维将核心绑至蒙皮可用于图13的该空气动力学表面。如图18所示，表面是结构夹层板或纤维复合材料壁。每个壁包括第一夹层蒙皮131、第二夹层蒙皮133、内部泡沫芯135以及从第一夹层蒙皮131延伸至第二夹层蒙皮133、将夹层蒙皮131、135联接在一起的3dz轴纤维的不同组137。

重要的是，应注意，图13的弯曲表面和复合形状利用该新的机器和馈送至运动控制程序的cad程序创建，并且最明显地，不存在制造该具体形状的模具。利用该机器，可制成无数形状，并且不需要模具。此外，在另一方面中，相对于图1至图8示出和描述的加热冲模以类似于冷却带1040和1042的方式操作的可变曲率冲模。

3d热塑性拉挤系统和方法对于美国工业是显著重要的。汽车车门可以以快速方式制成，并且工具可最小化。在飞机行业中，现在人们可通过仅编程机器而由热塑性复合材料制造螺旋桨。应注意，图14示出不仅弯曲而且也具有扭曲的热塑性复合材料。一旦成形，螺旋桨可沿着图14所示的1110机械加工，并且利用非常少的后期处理，该螺旋桨完成为成品复合螺旋桨。应注意，这可不利用模具完成。

相对于图11示出和描述的示例性计算机系统550提供此处针对3d热塑性拉挤系统和方法描述的计算机控制。

以上图可描述用于本发明的示例性配置，其被进行以辅助理解可被包括在本发明中的特征和功能。本发明不限于所示出的架构或构造，但是可使用各种替代架构或构造来实现。此外，尽管以上以各种示例性实施方式和实现方式的方面描述了本发明，但是应理解，代替地，在各种特征和功能被描述的一个或多个单独实施方式中描述的各种特征和功能可单独地或者以一些组合应用至本发明的其他实施方式中的一个或多个，无论这些实施方式是否被描述并且无论这些特征是否呈现为所描述实施方式的一部分。因此，本发明的广度和范围，特别是在以下权利要求中，应由上述示例性实施方式中的任一个限制。

与限制性相反，除非另外明确地陈述，否则在本文中使用的术语和短语及其变体应解释为开放式的。作为上述的实例：术语“包括”应被视为意味着“包括，在没有限制的情况下”等；术语“实例”用于提供所讨论的项的示例性实例，并非详尽的或者其限制列表；以及对于所给时间周期或对于所给时间的可获得的项目，诸如“常规的”、“传统的”、“标准的”、“已知的”的形容词和相似意思的术语不应被解释为限制所描述的项目，而是应被视为包含可为可获得或已知的现在或将来任何时间的常规的、传统的、正常的或标准的技术。同样，除非明确声明，否则与连接词“以及”连接的项目的群组不应当作需要每个和那些存在于本群组的项目中的每一个，而是应当作“和/或”。类似地，除非另外明确声明，否则与连接词“或者”连接的项目的群组不应当作在其群组中需要相互排外，而是也应当作“和/或”。此外，尽管本公开的项目、元件或部件可以单数形式描述或要求保护，复数形式在其范围内是可预期的，除非明确声明限制为单数形式。诸如“一种或多种”、“至少”、“但不限于此”或在一些情况下的其他相同词组的扩展词语和词组的存在，不应当作意味着在扩展词语缺少的情况下想要或需要缩小。