热塑性复合母片和带以及方法与流程

本申请要求2017年8月28日提交的名称为“热塑性复合带、方法和装置”的美国临时专利申请第62/551,217号的利益，其全部内容通过引用包含于此。

本申请涉及生产热塑性复合母片材料，由所述母片材料形成的母卷，分切所述母片材料和/或母卷用于生产热塑性复合片材料的片、条和带，以及所获得的片、条和带。

背景技术：

热塑性复合材料技术的进步已对产品设计和工程以及最终制造产生了显著影响。早期的方法涉及手工叠置纤维垫和片材料，随后将叠置材料浸渍到熔融的热塑性塑料或粉末状的热塑性塑料中，然后对浸渍的纤维材料进行热成型。随后的技术发展要求手工叠置大量预浸渍的纤维片和垫材料，然后进行压缩成型和加热。这两种工艺都见证了这些热塑性复合材料和技术在很多，虽然有限，的领域和应用中被迅速采用和开发。在大多数情况下，由于可生产的热塑性复合片和垫材料的尺寸限制、热塑性复合片或垫需要进行缓慢地系统式地堆叠以使部件具有所需的强度和耐久性，以及伴随而来的完成此种工艺所需的极高劳动强度，使得这些工艺的采用和使用被限制在制造相对较小和/或较窄的零件上，并且要求的生产时间较长。尽管可以生产较大的零件，但其生产需要昂贵的大型设备，其成本通常超过了此类方法产生的优势，尤其是与使用热固性复合材料生产相同或相似零件相比。

热塑性复合材料和处理技术的进步导致了半连续或半自主的制造技术，其中纤维材料取向不同的大量堆叠的热塑性片或垫被建造，一个叠一个，以形成一个叠片板，然后在多个事先确定的位置将其进行点焊，以固定各个层，并形成整体式多层叠片板。然后这些多层叠片板可以被运输到生产现场并按原样使用，或者可以根据部件成型工艺的要求将其切割成更合适的尺寸。根据所制造的部件，可以将叠片板与一个或多个另外的叠片板和/或单层热塑性复合片和/或块状填料在加热和成型设备/压缩机中进行结合，以由此将其热成型。这些过程和进展例如示于rubin等人的美国专利申请us7,800,705和us8,795,457中。

最近的进展示于rubin等人的美国专利申请us8,435,708扩展了前述过程，更进一步允许更连续的工艺。在此处，rubin等人并非照原样使用点焊的多层叠片板，而是建议将多层叠片板分切并将切割成条的堆叠的热塑片端对端相连，以形成连续的片状材料，继而将其卷成母卷。虽然rubin等人没有提到，本领域的技术人员能很容易地意识到，该工艺要求在复合片材料的堆叠中有大量其他的定位焊接位置，以确保即使被切割成条后，每个条带的各层也可以进行牢固的定位焊接。此外，因为对叠片板的层数的限制，使用此工艺还有许多额外的限制条件。因为板越厚，尤其是具有两个或多个纤维取向的情况下，由于叠片板硬度的增加，越难将其进行分切和卷绕。另外，由于各层实际上并没有在它们的配对面上彼此熔合，因此在切割和卷绕过程中各层中存在运动，这与不能精确地对齐条带一起导致条带具有锯齿状的边缘并对卷绕材料产生新的和增加的应力和应变：应力和应变会影响最终生产出的部件的性能和强度。

在另一个版本中，rubin等人的专利申请‘708建议以不同角度切割一个单层常规热塑性复合片，然后将它们端对端地连接及熔合在一起，以形成连续取向的热塑性复合片，该复合材料具有的纤维不平行于片的纵轴。然后将所得片与另一个纤维平行于所述片的纵轴的常规热塑性复合片材料的连续片相配对及在不同预定位置上进行定位焊接。然后将如此形成的双层的偏角线层材料卷压以形成母卷。虽然rubin等人没有提及，现在认为，常规热塑性复合片材料的使用对于解决配对片材料之间的粘结或焊接的缺点是必要的。尽管这在手工铺叠操作中不是或没有那么重要，但是如果人们希望提供一种自动化的、连续的生产工艺，特别是旨在以商业上可行的速度运行，则这将是一个非常令人关注的问题。具体而言，高速处理过程随着材料被卷绕、解绕和/或被送入加热和成型设备，处理过程本身会对材料产生压力：过程越快，压力越大。如果出现中断，则必须关闭整个处理过程以纠正这种情况，并在必要时将供料管线重新供料。此外，与以前的替代方法一样，卷绕材料中仍然存在定位焊接的问题。

无论如何，在上述两种情况下，如此形成的母卷将通过热成型和压缩设备形成所需的热塑性复合制品。这些进步消除了对手工叠层的需要，并减少了对昂贵的叠层设备的需求，并减少了在成品部件制造中容纳多轴叠层操作所需的大制造空间。有了这一进步，就可以简单地将母卷沿着生产线的轴线排成一列，并以更具成本效益的方式制成多层/偏角线热塑性部件，如rubin等人专利申请的‘708中图7所示的。

尽管取得了这些进步，但是该方法仍然是耗时且昂贵的，特别是在生产母卷时，并且伴随着零件制造而产生大量浪费。例如，上述两种用于生产母卷的方法仅形成叠板和成角度的纤维条带都需要大量的设备，然后需要额外的设备和步骤以将层定位焊接在一起，以便可以将它们切割和/或卷绕并进行进一步处理。此外，由于用于将各层定位焊接在一起的条件小于形成最终部件所采用的条件，并且在空间上覆盖整个复合材料表面上焊接作业，因此，其熔合的程度、强度和/或程度亦同样非常有限，并且，如上所述，同时卷绕会对热塑性复合材料产生新的应力，这可能与其他因素一起，导致熔合的失败和/或影响层彼此的取向。

此外，对于所有优点而言，这些工艺会导致另一个问题，这在将纤维或织物或垫放置在模具中并将聚合物注入到织物中，或者甚至将预先浸渍好的垫放在模具中的手工叠置工艺中是一个不存在或至少无关紧要的问题。具体而言，尽管手工叠置有很多问题，但它仍然可以定制织物和/或预先浸渍的垫的裁剪和大小；然而，由于与这些较新的工艺和母卷的生产相关的成本和时间的限制，商业上仅限于生产标准宽度尺寸的母卷。在这方面，从成本的角度来看，所需的时间成本、材料和设备成本、设置以及系统的重新装备和/或重新配置等等因素导致提供和设置生产无数宽度所需的设备变得不可行。

依赖或受限于标准宽度的母卷的后果是多元的。首先，在设计生产中，工程师所能使用的复合材料的宽度限制了他们在如何设计和计划给定零件的生产方面的能力和多功能性。其次，由于这些限制，很明显，某些零件根本无法由可用的母卷制成，尤其是那些原本需要非常窄宽度的复合片材料的零件。第三，即使可以制造零件，因为要制造的零件不是标准宽度，会产生很多浪费，因为多余的必须被修整。另外，虽然某些宽度对于给定的零件可能恰好合适，但是通常由于母卷的边缘不平整(即锯齿状边缘)而需要使用较宽的宽度材料，这是由于切割和难以在任一替代工艺中将偏角线层进行精确校准而造成的。

在要制造的零件很小并且热塑性复合材料的单个宽度(其中锯齿状的边缘被从最终部件上修剪掉)就足够的情况下，具有锯齿状边缘的热塑性复合材料片的问题就不重要了。然而，当制造大型零件和/或需要多层热塑性复合片时，锯齿状边缘由于其被结合到零件而成为关切的问题。具体而言，在制造如此大的部件时，无论是堆叠的复合材料还是偏角线材料或两者，每层的片都必须并排放置，并且最通常地，将一层或多层放置在其上。其结果是，由于一层片的锯齿状边缘与另一张纸的锯齿状边缘邻接，因此无论给定层片放置的精度如何，在给定层中，相邻的片之间都会有空隙或间隙。尽管这些间隙或空隙在低技术含量的制造物品(例如储物箱盖、汽车引擎盖等)中可能不会成为问题，但在需要精密制造(例如高科技航空航天以及飞机零件制造)的情况下，这是一个重大问题。在后者中，任何间隙或空隙都表示潜在的故障部位或故障的传播部位。因此，这种高科技制造需要极高的精度和精确的匹配性，其中要求片材料须边到边放置，以及复合结构中聚合物树脂的绝对连续性。

因此，尽管已经取得了所有的进步，但是工业上仍然需要一种更简单、更少的资金投入、更少的空间需求，以及更低廉的方法和设备来生产取向热塑性复合片材料的母卷并且用于生产以及其在生产热塑性复合制品中的用途。

接下来，需要一种用于生产热塑性复合制品的更具成本效益的方法，该方法避免浪费或使浪费最小化。

另外，需要一种经济有效的方法，该方法允许生产所有纤维取向的定制宽度的热塑性复合片和带，从而零件生产不再取决于这种材料的标准宽度。在这方面，需要一种方法，该方法允许零件的设计和制造决定使用何种宽度的复合片材料，而不是材料的可用宽度控制是否制作零件以及如何制作零件。这样的结果不仅使零件设计和工程更加容易，而且极大地扩展了可以使用热塑性复合材料的最终用途。

特别地，需要具有制造不同纤维取向的热塑性复合带(宽度为几英寸或更小，甚至一英寸或更小)的能力，以解决目前只能通过热固性复合狭带解决的特定高科技应用。

另外，需要一种生产具有精确宽度的热塑性复合片材料和带材的方法，其中，如某些高科技航空航天和飞机生产工艺所要求的那样，沿着给定的热塑性复合材料带的长度的宽度变化为几分之一英寸、甚至百分之一或几千之一英寸。

此外，需要一种生产具有精确直边(特别是没有纤维磨损)的热塑性复合片材料和带材料的方法，使得可以并排铺设而没有间隙和空隙。

最后，需要这样一种以商业上可行的、具有成本效益的方式实现上述任一和全部的方法，而没有显著增加(如果不能避免的话)生产成本，和/或在没有大量的资本投资的情况下和/或没有在不损害或牺牲生产率和质量(最好同时提高生产率和质量)的情况下可以实施。

技术实现要素：

根据本发明教导的第一方面，提供了一种制造取向的热塑性复合片的母片材料的方法，所述方法包括：a)将其纤维与所述片材料的纵轴平行的热塑性复合片材料切割成多个所期望长度的节段，所得节段具有切割端和侧边缘，切口相对于所述热塑性复合片材料的纵轴成角度；b)将彼此相邻的节段边缘对边缘地或略有重叠地对齐，优选以每个节段的纤维平行于其他节段的纤维的方式对齐；c)熔合或焊接所述侧边缘或重叠体以形成具有上表面和下表面的热塑性复合材料节段的连续片(该片也被称为取向热塑性复合片)；d)将如此形成的热塑性复合材料节段的连续片的上表面或下表面中的至少一个配合到载体片材料的配合表面上，所述载体片材料的配合表面具有施加在其上的粘合剂或粘性材料；以及e)i)将所得的取向片材料卷绕在芯轴(mandrel)、线轴(spool)、轮轴(axel)等上以形成母卷，或ii)将如此形成的取向母片材料进料到进一步处理。在母卷的情况下，然后母卷可被运输或存储用于进一步处理。

尽管形成切割节段的切割角度可以是任何角度，但优选的角度是30°、45°、60°、90°、-60°、-45°和-30°。尽管如下所述，出于优选的预期目的，优选的是节段的长度足以形成宽度为约0.1米至约3米或更大，优选约0.3米至约2.5米，更优选约0.5米至约2米的母卷，但切割节段的长度可以是任何长度。优选的载体片材料是聚合物膜，其中，膜形式的聚合物材料是柔性的，但没有伸长率或具有优选不大于10％，优选不大于5％的最小伸长率。其他合适的载体片材料包括聚合物无纺布、纸和其他纤维素片材料。粘合剂优选是粘性粘合剂、压敏粘合剂或在暴露于某些条件(例如温度)下变粘的粘合剂。最优选地，选择粘合剂以在将载体与热塑性复合片材料分开时具有粘合性而不是内聚失效，并且与热塑性复合片材料相比更大的对载体的粘合性。

在前述方法中，可以结合另外的步骤，其中，在将其与载体片材料配合之前或之后，将至少一种另外的热塑性复合片材料与所述取向的热塑性复合片材料纵向配合并且熔合、定位焊或点焊到所述取向的热塑性复合片材料。如果是在此之前，则应当理解，另外的热塑性复合片材料或取向的热塑性复合片材料将被粘附到载体片材料的配合表面。然而，最优选地，取向的热塑性复合片材料将被直接配合到并粘附到载体片材料的配合表面。

根据本发明教导的第二方面，提供了一种制造取向的热塑性复合片的母片材料的方法，所述方法包括：a)使i)单层取向热塑性复合片材料与ii)载体片材料的配合表面沿它们的纵轴对齐并且配合，所述单层取向热塑性复合片材料的纤维相对于所述片材料的纵轴成角度，所述载体片材料的配合表面具有施加在其上的粘合剂或粘性材料；并且b)i)将所得的取向片材料卷绕在芯轴、线轴、轮轴等上以形成母卷，或ii)将如此形成的取向母片材料进料到进一步处理中。在母卷的情况下，然后母卷可被运输或存储用于进一步处理。在本发明教导的这种迭代中，本教导的第一方面的步骤(a)至(c)被绕过，并被取向热塑性复合片的预成型卷代替。

与本教导的第一方面一样，在该方法的替代迭代中，可以结合另外的步骤到其中，其中，在其配合到载体片材料之前或之后，将至少一种另外的热塑性复合片材料与取向的热塑性复合片材料沿它们的纵轴配合并且熔合、定位焊或点焊。或者，预成型的取向热塑性复合片可以是具有至少一层取向热塑性复合片的多层复合片。在两种情况下，特别优选的是将取向热塑性复合片层直接配合并且粘附到载体片材料。

根据本发明教导的第三方面，提供了一种制造热塑性复合片材料的母片材料的方法，该方法包括：a)使i)两个热塑性复合片材料与ii)载体片材料沿着它们的纵轴对齐和配合，由此所述载体片材料介于或夹在所述两种热塑性复合片材料之间，所述载体片材料具有施加在其两个表面上的粘合剂或粘性材料；并且b)i)将所得的取向片材料卷绕在芯轴、线轴、轮轴等上以形成母卷，或ii)将如此形成的取向母片材料进料到进一步处理中。在母卷的情况下，然后母卷可被运输或存储用于进一步处理。在该迭代中，热塑性复合片材料可以是单层或多层的；或者热塑性复合片材料中的一个可以是单层的，而另一个是多层的。最优选地，两个热塑性复合片材料中的至少一中、优选两个都是，或者在多层热塑性复合片材料的情况下包括纤维相对于所述片的纵轴成角度的取向热塑性复合片。

根据本发明教导的第四方面，提供了一种形成热塑性复合材料的连续片、条或带的方法，所述方法包括通过具有一个或多个刀、刀片或切刀的分切设备送入母片材料，尤其是根据本发明教导的第一、第二和第三方面中的任何一种制造的母片材料，所述分切设备的刀、刀片或切刀被配置成将热塑性复合片材料分切成预定宽度的片、条和/或带。然后，可以将如此形成的片、条或带卷绕在线轴、轮轴、卷筒(reel)、主轴(spindle)等上，或者继续进行进一步处理，包括直接进行零件制造。无论采取哪一个上述步骤，载体材料都可以在切割之后，在卷绕之前或随后对其进行处理之前被除去；但在任何情况下，如果直接在零件制造中使用分切材料，则载体材料被除去。优选地，在该方法中使用的热塑性复合片材料是或包括单层取向热塑性复合片材料，其中纤维不平行于被分切的热塑性复合片材料的纵轴。

如所指出的，第四方面涉及通过分切机送入母片材料。最典型地，该方法是将母片材料从母片材料的母卷送入分切机的单独方法。或者，分切可以是形成母片材料的方法中的另一步骤，其中，母片材料的直接进料一旦形成(例如在第一，第二和第三方面的任何一个中形成)就被送入分切机。这里，绕过了母片材料的母卷的卷绕步骤。

根据本发明教导的第五方面，提供了一种热塑性复合片材料的新型母卷，包括：热塑性复合片材料，其纤维或在多层材料的情况下至少一层的纤维相对于片材料的纵轴成角度；和粘结到其上的载体片材料，所述母卷的特征在于，能够被附接的载体片材料分切，而同时保持产品的完整性和公差。具体而言，提供了母卷，其中，连续卷绕的热塑性复合片材料被粘合到其上的载体片材料分隔。

根据本发明教导的第六方面，提供了热塑性复合片材料的新型母卷，包括：两个热塑性复合片材料，一个粘附到载体片材料的每个表面，由此载体片材料被夹在热塑性复合片之间，并且连续的卷绕具有覆盖在另一个上的一层热塑性复合片材料。如前所述，这些母卷的特征在于能够被附接的载体片材料分切，而同时保持产品的完整性和公差。

在如上所述的第五和第六方面中，热塑性复合片材料可以是单层或多层的，或者在第六方面的情况下，可以是每样一种。尽管母卷可以由纤维平行于片材料的纵轴的热塑性复合片材料形成，但是，优选的是，热塑性复合片母卷为或包括至少一个层，其为纤维与片的纵轴成一定角度的取向热塑性复合片。

此外，在如上所述的第五和第六方面中，载体片材料a)分别具有一个或两个配合表面，在其上存在粘性、压敏或粘性形成粘合剂，用于将载体粘合到热塑性复合片材料；并且b)是柔性的，但没有伸长率或伸长率很小。最优选地，载体片材料是聚合物膜或无纺布，最特别是聚合物膜，其能够在分切过程中在没有撕裂、没有形成纤丝并且不会与热塑性复合片材料分离的情况下分切。类似地，在本发明教导的第四方面中，该方法可以包括另外的步骤，由此在被卷绕或继续进行进一步处理之前，将载体片从分切的复合片材料中移除。在载体片的两面都具有热塑性复合片的情况下，分切的材料可以原样卷绕，或者，如果要在卷绕之前移除载体，分切的材料将被卷绕在分开的卷筒、线轴、主轴等上。

本发明教导的这些和其他方面、细节和益处将在以下说明书和附图中进行更充分的描述，并且变得显而易见。

附图说明

构成说明书一部分的附图应与说明书结合进行阅读。在各个视图中，采用相同的附图标记表示相同的零件。

图1a是解绕的常规单层热塑性复合片材料的卷的透视图。

图1b是将解绕的片材料切成节段的透视图。

图1c示出了取向热塑性复合片的组件，其中，图1b的切割节段被对齐、边对边配合并且焊接或熔合在一起，以形成连续片。

图1d是卷绕图1c中形成的取向热塑性复合片的方法的示意性侧视图。

图1e是图1c中形成的取向热塑性复合片被送入随后的处理步骤的替代方法的示意性侧视图。

图2a是取向热塑性复合片与载体片材料配合的方法的示意性侧视图。

图2b是两个热塑性复合片与载体片材料配合的方法的示意性侧视图。

图3是取向热塑性复合片与载体片材料配合的替代方法的示意性侧视图。

图4a是图2a中形成的取向母片材料的截面图。

图4b是图2b中形成的母片材料的截面图。

图5是用于生产取向热塑性复合片的自动化方法的示意性透视图。

图6是图5的自动化方法的示意性侧视图。

图7是将取向片材料分切成较窄的条和带的方法的示意性侧视图。

图8是构造成将取向片材料分切成宽和窄的条或带的分切设备的示意性侧视图。

图9是图8的设备的示意性俯视图。

具体实施方式

以下定义尽管仅提及单数，但应被理解为适用于单数以及复数。

为了避免在说明书和所附权利要求书中提及哪种热塑性复合材料造成混淆，以下术语应具有以下所表示的含义：

术语“热塑性复合片”在没有任何其他改性剂的情况下，尤其是如下文所述的，是指混入有多种单向或基本单向的纤维材料的热塑性聚合物的连续单层片材料；

术语“常规热塑性复合片”是指纤维平行于所述片的纵轴(即长度)的热塑性复合片；

术语“多层热塑性复合片材料”是指通过将两个或更多个热塑性复合片彼此沿其纵轴叠置并熔合、定位焊或点焊而形成的结构，条件是层数不会使得多层热塑性复合片材料的厚度难以分切或卷绕；

术语“取向热塑性复合片”是指至少一层的纤维不是平行于所述片的纵轴的热塑性复合片或多层热塑性复合片；

术语“母片材料”是指包括在其至少一个表面上粘附有热塑性复合片和/或多层热塑性复合片的载体片材料的结构；和

术语“取向母片材料”是指如下母片材料，其中粘附到载体片上的热塑性复合片和/或多层热塑性复合片中的至少一个是或包括取向热塑性片。

如本文和所附权利要求书中所使用的，术语“连续”，当涉及任何前述热塑性复合片和含有材料的热塑性复合片时，是指长度长的这种材料，由此这些材料可以被卷绕用于存储和/或运输。尽管可以根据本文提出的教导来生产和处理长度较短的材料，但是从成本和自动化、连续制造的角度来看，这种长度较短的材料在商业上是不切实际的。通常，对于母片材料，这些连续材料的长度为至少约10米，更通常约25米，高达为约100米，更优选高达1000米或更多；并且对于分切材料而言，这些连续材料的长度为几千或几万米。在母片材料和母卷的情况下，宽度将为约0.5米至约3米或更大，优选为约0.75米至约2.5米，更优选地为约1米至约2米。在分切的取向片材料的情况下，宽度将为约0.005米至约2米，优选为约0.01米至约1米，并且根据需要，可以根据所需的最终用途应用而被制成更小或更大的宽度。

如上所述，热塑性复合片是众所周知的并且在文献中有描述。通常而言，它们的特征在于包括用纤维材料(通常为多根纤维)增强的热塑性基质聚合物。可以通过包括拉挤成型、灌注等的许多已知公认的方法来生产。示例性热塑性聚合物包括：聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚苯硫醚(pps)、聚醚酰亚胺(pei)、聚醚醚酮(peek)、聚醚酮酮(pekk)等，以及它们的共聚物和/或共混物。

关于本发明教导的关键方面，热塑性复合片或在多层热塑性复合片材料的情况下各个层的纤维优选是单向的。取决于热塑性复合片材料的生产，纤维可以是共面的或基本共面的、交错的、堆叠的、混合的等：使得热塑性复合片的横截面以设定或随机模式示出纤维的端部。纤维材料可以是纤维、细丝、线束、纱线等，尽管为了方便起见，将根据纤维的使用来讨论这些教导。该纤维最典型地是碳纤维，尽管也可以使用其他纤维，包括玻璃纤维，如e型和s型玻璃纤维。尽管有前述规定，但在涉及多层复合片材料的那些方法和片材料的情况下，应当理解的是，另外的复合片材料可以纤维被切碎或包括随机排列的切碎纤维的那种材料。

如本领域普通技术人员将理解的，纤维的相对类型、厚度、数量等以及热塑性聚合物的选择和复合片材料的总厚度变化很大，并且部分地根据多种因素(包括成本)进行选择，以及所要生产的热塑性复合结构或制品的最终所需物理和机械性能及其最终用途。通常而言，单层热塑性复合片的厚度将为约0.01mm至约4mm，优选为约0.02mm至约0.5mm：尽管也可以使用更厚或更薄的单层，条件是它们仍具有足够的柔韧性以卷绕成母卷或分切的片、条和/或带。

在很大程度上，本发明教导的以下讨论将根据取向热塑性复合片和取向热塑性复合片为单层的取向母片材料的生产和使用进行讨论和解决。然而，应当理解的是，这些教导同样适用于前述的多层形式，以及更一般而言，适用于单层和/或多层材料形式的热塑性复合片材料以及由其制成的母片材料。如所指出的，多层热塑性复合片材料包括两个或更多个，优选不超过5个，更优选不超过4个，最优选两个或三个单层。这些多层热塑性复合片材料是以下方式而形成：沿其纵轴依次叠置多个热塑性复合片，多个热塑性复合片可以是也可以不是单层取向热塑性片材料；并且将每个连续层彼此熔合、定位焊或点焊。另外，在本文所述的用于生产母片材料的每个方法中，应当理解的是，待对齐和配合的片的宽度将相同或基本相同。

如上面的背景技术部分中所讨论的，由于不能充分地将每一层固定到下一层以进行分切和卷绕以及随后的处理，因此不希望或不太希望使用这种多层热塑性复合片材料。当要形成的分切的片、条和/或带具有窄宽度，例如几英寸或更小，最特别是一英寸或更小时，这尤其成问题。无论如何，在rubin等人us8,435,708(其全部内容通过引用而并入本文)中教导了由常规热塑性复合片和单层取向热塑性复合片形成的示例性多层热塑性复合片材料。

根据本发明教导的第一方面，提供了一种制造取向热塑性复合片的母片材料的方法，所述方法包括：a)将纤维与所述片材料的纵轴平行的常规热塑性复合片切割成多个所期望长度的节段，所得节段具有切割端和侧边缘，切口相对于所述复合片的纵轴成角度；b)将彼此相邻的节段边缘对边缘地或略有重叠地对齐，优选以每个节段的纤维平行于其他节段的纤维的方式对齐；c)熔合或焊接所述侧边缘或重叠体以形成具有上表面和下表面的热塑性复合材料节段的连续片；d)将如此形成的热塑性复合材料节段的连续片的上表面或下表面中的至少一者配合到载体片材料的配合表面，所述载体片材料的配合表面具有施加在其上的粘合剂或粘性材料；以及e)i)将所得的结构卷绕卷筒、线轴、轮轴等上以形成母卷，或ii)将如此形成的取向母片材料进料到进一步处理。

在制造取向热塑性复合片时，切割的角度可以是任何角度；然而，从实用和当前的产品设计和制造的角度来看，这些角度优选为30°、45°、60°、90°、-60°、-45°和-30°。类似地，尽管如下所述，出于优选的预期目的，优选的是节段的长度足以形成宽度为0.5米至约3米或更大，优选约0.75米至约2.5米，更优选约1米至约2米的母卷，但切割节段的长度可以是任何长度，当然要受实际限制。

取向热塑性复合片材料所粘合的载体片材料可以是任何合适的片材料或膜材料，其具有足够的柔韧性以使其能够滚动或卷绕而不会破裂或撕裂，并且没有或基本上没有伸长率，在室温下优选不超过约10％，更优选不超过约5％。最特别地，在本教导的取向片材料被分切和卷绕的条件下，载体材料没有或基本上没有伸长或拉伸。在任一情况下，最优选地，再次在本方法的条件下，任何伸长率均无屈服并且具有完全的弹性回复。示例性的载体材料包括：聚合物膜、聚合无纺布、纸和其他纤维素片材料，最特别是聚合物膜。可用作载体片材料的示例性聚合物膜包括：聚乙烯、聚丙烯、双轴取向的聚丙烯、聚氯乙烯、abs、evoh、甲基纤维素、聚酯等。

如所指出的，载体片材料已经在其至少一个表面上施用有粘合剂或粘合材料，用于将载体膜粘合到取向热塑性复合片上，或者，如果载体片材料的两个表面都是配合面，则粘合到至少一个是取向热塑性复合片的热塑性复合片上。粘合剂优选是粘性粘合剂、压敏粘合剂或在暴露于某些条件(例如温度)下变粘的粘合剂。粘性胶粘剂是衬里将胶粘剂覆盖在载体片材料上直到将载体与取向热塑性复合片材料配合的一种胶粘剂。这样的粘合剂材料是众所周知的，并将部分地基于将载体片材料粘合到取向热塑性复合材料、基体聚合物、载体膜材料等上所采用的方法进行选择；所有这些对于本领域技术人员，特别是热塑性和热塑性塑料粘合领域的技术人员而言是众所周知的。最优选地，选择粘合剂以在将载体片材料与热塑性复合片材料分开时具有粘合性而不是内聚失效，并且与热塑性复合片材料相比更大的对载体片材料的粘合性。可以进行简单的反复试验来确定给定材料组的最佳粘合剂。

转到图1a至图1d，作为逐步方法，提出了一种用于生产取向热塑性复合片的母卷的方法。如图1a所示，将包括热塑性基质聚合物2和平行纤维3的常规热塑性复合片材料4的母卷1解绕，如图1b所示，将其切割成多个节段6。如上所述的，切口可以相对于纵轴或热塑性复合片成任何角度，但优选的是，切口的角度为30°、45°、60°、90°、-60°、-45°和-30°的角度。如图1c所示，然后旋转这些节段，以使切开的节段的边缘彼此对齐并平行，最好(但不一定)使每个节段的纤维与每个其他节段的纤维平行并且彼此配合。然后将这些节段边对边地或略微重叠地配合以形成接缝8，然后将接缝8焊接或熔合以形成连续的取向热塑性复合片9。最后，将连续取向热塑性复合片材料卷绕(图1d)到母卷10中以进行进一步使用和处理，或者横向移动至随后的处理设备12以进行进一步处理(图1e)。

图5和图6示出了用于生产取向母片材料的另一种方法和示意性设备。在此，使用输送机台50，其在一端具有由载体片20材料制成的母卷14，并且在一侧具有机器人设备(未示出)，其保持传统的热塑性复合片4的母卷1。如图5中的箭头所示的，载体片材料20以其配合面朝上的方式通过传送台50而沿着传送台的整个长度前进。然后，机器人设备将传统的热塑性复合片材料4的条横过载体片材料的配合表面，从载体片材料的远边缘处开始，并在近边缘处终止：远边缘和近边缘是相对于机器人设备的放置而言。机器人被构造成使得被放置的条带并排或略微重叠并且垂直于或以其他角度倾斜于载体片材料的纵轴和输送台的运动。所述机器人设备包括：用于在近边缘处切割热塑性复合片的切割器元件，以及焊接或熔合设备，使得它在热塑性复合材料顺序条的边缘相遇或重叠处熔接或焊接接缝52。如此形成的取向片材料被轧制成母卷以用于随后的处理，或者输送机台可以直接送入到另一个处理步骤，包括分切机设备。

取决于所期望的设置，传送器设备50可以在放置热塑性复合片的每个条之后或放置多个这样的片之后前进。在前者中，机器人设备相对于输送机设备的近边缘是固定的，而在后者中，机器人设备能够沿输送机设备的近边缘横向移动。

虽然前面对图5和图6的设备的讨论已集中于取向母片材料的形成，但是本领域技术人员将容易地意识到，它也可以很容易地被重新构造以生产取向热塑性复合片。具体而言，该设备将不具有载体片材料的母卷；而是，该设备和方法将简单地使用输送机台和机器人设备，除了这里，不是使机器人设备将热塑性复合片材料4放置在载体片材料上，而是将其直接放置在输送机台表面上。热塑性复合材料片4的条将在传送台的整个表面上延伸任何距离，以使取向热塑性复合材料片具有所需宽度。然后，可以将如此形成的取向热塑性复合片材料卷绕成母卷以用于随后的用途，例如，用于与载体片材料配合，或者将其与载体片材料直接送入配合工艺，以形成取向片材料的母卷，或者它可以直接将其与载体片接送入配合工艺。

无论如何形成，然后将取向热塑性复合片材料与载体片材料配合，以形成取向的母片材料。接下来，图2a示出了一种如下方法，其中，热塑性复合片9的母卷10包括：单个取向热塑性复合材料片或其中至少一个是取向热塑性复合材料片的多个热塑性复合材料片，其彼此熔合、定位焊或点焊以与也由母卷14供应的载体片材料20配合。然后将如此形成的取向母片材料16卷绕到母卷18中以用于后续处理。如图4a所示，取向母片材料包括通过粘合剂21粘合到载体片22的热塑性复合片9。在热塑性复合片材料9是多层片材料的情况下，它优选包括2-4个层，其中至少一层是取向热塑性复合片。例如，非取向热塑性复合片可以与单个取向热塑性复合片配合，或者可以将它夹在两个取向热塑性复合片之间。或者，该多层热塑性复合片可以具有两个取向热塑性复合片材料，其中一个片中的纤维的取向相对于另一片材料的取向是交叉的，或者该片材料可以是交错的，以使每个片材料的接合线不重叠或彼此隔开。

根据本发明教导的第二方面，提供了一种制造取向热塑性复合片的母片材料的方法，所述方法包括：a)使i)单层取向热塑性复合片材料与ii)载体片材料的配合表面沿它们的纵轴对齐且配合，所述单层取向热塑性复合片材料的纤维相对于所述片材料的纵轴成角度，所述载体片材料的配合表面具有施加在其上的粘合剂或粘性材料；以及b)i)将所得的取向片材料卷绕在芯轴、线轴、轮轴等上以形成母卷，或ii)将如此形成的取向母片材料进料到进一步处理中。在母卷的情况下，然后取向片材料的母卷可被运输或存储用于进一步处理。在本发明教导的这种迭代中，本教导的第一方面的步骤(a)至(c)被绕过，并被取向热塑性复合片的预成型卷代替。在所有其他方面，通过使用相同的材料，第一和第二方面相同。与本教导的第一方面一样，在该方法的替代迭代中，可以结合另外的步骤到其中，其中，在其配合到载体片材料之前或之后，将至少一种另外的热塑性复合片材料和取向热塑性复合片材料沿着它们的纵轴配合并且熔合、定位焊或点焊到取向热塑性复合片材料。或者，预成型的取向热塑性复合片可以是具有至少一层取向热塑性复合片的多层复合片。在两种情况下，特别优选的是将取向热塑性复合片层直接配合并且粘附到载体片材料上。

在图2a中示出了该第二方面，其中，热塑性复合片9的母卷10包括：单个取向热塑性复合材料片或其中至少一个是取向热塑性复合材料片的多个热塑性复合材料片，其彼此熔合、定位焊或点焊以与来自母卷14的载体片材料20配合11。然后将如此形成的取向母片材料16卷绕以形成取向母片材料的母卷18以用于进一步处理。

根据本发明教导的第三方面，提供了一种制造热塑性复合片的母片材料的方法，该方法包括：a)使i)两个热塑性复合片与ii)载体片材料沿着它们的纵轴对齐和配合，借此所述载体片材料介于或夹在所述两个热塑性复合片之间，所述载体片材料具有施加在其两个表面上的粘合剂或粘性材料；并且b)i)将所得的取向片材料卷绕在芯轴、线轴、轮轴等上以形成母卷，或ii)将如此形成的取向母片材料进料到进一步处理中。在母卷的情况下，然后母卷可被运输或存储用于进一步处理。在该迭代中，热塑性复合片材料可以是单层或多层热塑性复合片；或者所述热塑性复合片中之一可以是单层的，而另一个是多层的。最优选地，两个热塑性复合片中的至少一个，优选两个都是或者包括取向热塑性复合片，其中，纤维相对于片的纵轴成角度；尽管其中之一或两者也可以是常规热塑性复合片材料。

在图2b中描绘了该第三方面的一个迭代，其中，载体片材料30a的母卷30被粘结到源自各自母卷31、32的两个热塑性复合片31a、32a。优选地，热塑性复合片31a、32a中的至少一个，最优选两个都是取向热塑性复合片。然后将所得的母片材料36卷绕以形成母卷40。如图4b所示，如此形成的母片材料36包括：载体片材料30a，其本身包括聚合物膜35，该聚合物膜35在其每个表面上具有夹在两个热塑性复合片31a、32a之间的粘合剂33。

在第一、第二和第三方面的每一个中，在使载体片材料与热塑性复合片配合的同时或之后，可对层状材料进行压制或压辊处理以确保在载体片与热塑性复合片的配合表面之间的良好接触，优选全表面接触。另外，如果粘合剂是粘性粘合剂，则该方法和设备将包括多个辊和卷绕线轴或主轴，以在与热塑性复合带配合之前且在剥离衬里从载体片材料上移除时将它们收起。在活化粘合剂的情况下，该方法和设备将包括在载体片材料的母卷14和配合点11之间的必要设备，以活化粘合剂。例如，如果粘合剂在加热时被热活化或发粘，则在母卷14与配合点11之间将存在加热器元件。

根据本发明教导的第四方面，提供了一种形成热塑性复合材料的连续片、条或带的方法，所述方法包括通过具有一个或多个刀、刀片或切刀的分切设备送入母片材料，尤其是根据本发明教导的第一、第二和第三方面中的任何一种制造的母片材料，最特别是取向母片材料，所述分切设备的刀、刀片或切刀被配置成将热塑性复合片材料分切成预定宽度的片、条和/或带。母片材料的进料可以来自母片材料的母料卷，也可以来自形成母片材料的方法的直接进料：从而消除了对卷绕母片材料的需要。然后，可以将如此形成的片、条或带卷在线轴、轮轴、卷筒(reel)、主轴(spindle)等上，或者继续进行进一步处理，包括直接进行零件制造。如上所述，优选地，在该方法中使用的热塑性复合片材料是或具有单层取向热塑性复合片材料，其中纤维不平行于被分切的热塑性复合片材料的纵轴。另外，如果需要，可以在分切之后并且在卷绕之前移除载体；但是，如果母片材料包括夹在两个热塑性复合片材料之间的载体材料，则分切材料的每个束将随后卷绕在分开的线轴、主轴或类似元件上。当然，也可以将两个束分别卷绕，一个具有载体，而另一个没有载体。

图7描述了母片材料的进料来自母卷的方法。具体而言，如图所示，使取向片状材料的母卷18解绕，并且解绕的母片材料16通过分切机24以将母片材料分切成多个较窄的片、条或带28。合适的分切机在复合技术领域中是众所周知的，因为它们目前用于将热固性预浸料分切成分切带。在此，相同的分切机可重新用于分切本文所述的热塑性复合片材料的母片材料。一般而言，分切机包括一个或多个，优选三个或更多个，最优选多于五十个或更多个刀、刀片或切刀，其被配置为将热塑性复合片材料分切成预定宽度的片、条和/或带，其可以全部宽度相同。优选地，分切机将具有至少三个刀、刀片或切刀，以解决在取向热塑性复合片材料的生产中可能出现的锯齿状边缘的问题：这里，使用两个最外侧的刀片、刀或切刀来除去窄边条，然后丢弃。最优选地，分切机将具有根据需要数量的刀，以基于母片材料的宽度从热塑性母片材料上切出最大数目的所期望宽度的热塑性复合片、条和/或带。然后，可以将如此形成的取向片材料的片、条或带卷在线轴、轮轴、卷筒、主轴等上，以进行存储和/或运输，或者继续进行进一步处理，包括直接进行零件制造。

图3示出了替代方法，其中，热塑性复合片材料9，例如，如图1e中形成的取向热塑性片材料，与从母卷14供应的载体片材料20配合以形成母片材料16，并且如此形成的母片材料直接送入分切机24。再一次，将如此形成的母片材料的片、条和/或带28卷绕或送去进行进一步处理。同样，尽管本方法和设备适用于任何母片材料，但特别适用于取向母片材料。

本发明教导的第四方面的方法和设备可以包括另外的步骤和相关的设备，由此在切割之后但在卷绕或进一步处理之前从片、条或带中除去载体片材料。在将热塑性复合片材料固定在载体片材料的两面的情况下，各自将分别卷绕。优选地，尤其是在热塑性片材料是或包括取向热塑性片材料的情况下，载体片材料用片、条和/或带卷绕。尽管载体片材料在确保取向片材料(尤其是其中的焊接或熔合)的完整性方面已发挥了关键作用，但在分切方法中，载体片材料的持续存在将解决在整合到最后部分之前的卷绕和随后解卷期间的任何薄弱点。

最后，呈现图8和图9是为了提供将母片材料，特别是取向母片材料的母卷分切并卷绕的整体方法和设备的更清晰的感觉和细节。图8和图9示出了设备51的俯视图和侧视图，包括四个关键站，解绕站53、接合站54、分切站55和卷绕站56，卷绕站56包括线轴卷绕节段57和主轴卷绕节段58。每个站和节段将在下面进行更详细的描述：尽管绝对的细节不是必需的，因为大多数所有元素都是众所周知的并且可商购的。

如图8和图9所示，解绕站53包括支撑结构73，其具有彼此间隔开一定距离的相对的侧壁74，该距离将容纳在侧壁之间首尾相接的取向片材料的母卷71。每个侧壁74包括托架或类似结构75，适于接收并允许轴72在其中旋转，绕着该轮轴72卷绕有取向片材料71，或者在该轴72上安装了取向片材料所卷绕的芯轴或芯元件。优选地，并且如图所示，该轮轴被直接或间接地附接到驱动马达76或与驱动马达76啮合，驱动马达76使轮轴72绕其轴旋转，以利于从母卷上解绕取向片材料。

包括接合器54a的接合站54跟随在解绕站之后，并且通常是该解绕站的一部分或与该解绕站结合。接合站通常包括加热和压缩元件(未示出)，以促进一个母卷的尾端接合至另一母卷的引导端。接合站可以且优选地也包括用于切过取向片材料的宽度的切割或分切装置或元件。后者可能对母卷的尾端和/或引导端进行整齐切割而言是必要的，以切除母卷以替换新母卷，或插入空白卷以对系统进行底涂。

当不进行接合操作时，接合站仅是直通站，接合站的结构只不过是在取向片材料进入分切站55时帮助其正确对齐。具体而言，与接合操作或方法本身相关联的接合台的那些元件通常从取向片材料的路径中撤回或拉回，并且仅在要进行接合时才前进以与取向片材料接触。接合技术及其相关元件和设备是众所周知的，并且可以从多种来源商购获得。

接合站(如果有的话)的后面是分切站55。分切站包括：具有分切或切割元件55b的分切机55a(在图9中以虚线示出)，并且通常而言用于将取向片材料移动到、通过和/或经过分切和切割元件的多个元件和组件(未示出)。分切站的所有组件都是众所周知的并且可商购的。在该特定实施方式中，分切元件和切割元件被构造成将取向的片材料分切成具有至少两个不同宽度的多个分切带束，其中一个宽度宽到足以使得可以在线轴或卷轴上实现其卷绕，而另一个宽度是如此窄宽度，以至于将其卷绕在主轴式线轴绕线机上：前者将连续层直接叠放在另一层上，而后者提供横向卷绕。然而，应当理解的是，类似的分切设备可以仅用于分切窄带或仅用于分切宽带。合适的分切元件在本领域中是众所周知的，并且包括精密高强度的刀片、冷激光、微刀等。

用这种设备制造的取向片材料的条和带能够用于飞机生产，其中，分切条和带的宽度在其规格范围内变化的公差极低，约为百分之几英寸，最好是千分之几英寸，也许是千分之三英寸或千分之五英寸(分别为0.003英寸(0.076mm)和0.005英寸(0.127mm))。

图8和9图的设备的最终站是卷绕站56。该站包括两个不同的部分，用于取向片材料的宽片或带78的线轴卷绕部分57和用于取向片材料的窄片或带79的主轴卷绕部分58。线轴卷绕部分57包括支撑结构83，且具有彼此间隔开一定距离的相对的侧壁84，该距离将容纳具有或能够具有位于其上的多个线轴80的轮轴82。该轮轴直接或间接地连接到驱动马达76，以使该轮轴绕其轴线旋转以允许线轴收紧取向片材料的宽片或条。

卷绕站56的第二部分是主轴卷绕部分58，其包括多个主轴卷绕器60，主轴卷绕器60安装在支撑结构63上用于卷绕取向片材料的窄条或带79。每个主轴卷绕器包括主轴轮轴62，其直接或间接地附接到驱动马达64或与之啮合，以使该轮轴绕其轴线旋转。每个马达可以与一个或多个轮轴关联；但无论如何都必须协调一致以同时运行，尽管不一定以相同的速度运行。具体而言，除非更换主轴并同时卷绕，否则每个主轴轮轴的卷绕速率必须独立，以便基于已经卷绕在主轴上的材料量允许不同的旋转速率。通常，最好每个主轴卷绕机都有自己的驱动马达，如图9所示。

像线轴轮轴马达76一样，与主轴绕线机相关的主轴轮轴驱动马达64优选是被动的，这意味着它们在所卷绕的材料上保持适度的张力，但实际上并没有将材料拉过设备。而是，该系统将进一步包括多个驱动辊，其还帮助分切材料从分切机到卷绕机的穿过设备的拉动和移动。同样，如上所述，系统的总速度通常由取向片材料通过分切站的速度所决定。

尽管未示出，但是本领域技术人员将容易地意识到分切站和卷绕站的设备还将包括多个辊和引导元件，以促进取向片材料穿过分切器，这种促进包括：通过的速度、片相对于刀片或切割元件的对齐，和分切材料在卷绕时的稳定/定位，以及分切材料进行正确的横向卷绕的定位。

本发明教导提供了许多相对于现有技术的益处。具体而言，载体片的存在为取向热塑性复合片材料的束提供了额外的完整性和强度，由此显著减少了(如果不能消除的话)特别是在高速横向移动、卷绕和/或分切中取向热塑性复合片中焊缝失效的担忧。载体片的存在改善了工艺的完整性和性能，特别是通过增加的产量和更高的处理速度或移动速度得到证实。最特别地，载体片材料的存在通过进一步消除在接缝上的分切操作的应力，尤其是由于接缝的角度而在接缝处的分切的不均匀应力，而增强了分切。在这方面，应当理解，由于多个分切机的对齐垂直于束并且与接缝成角度的，因此每个分切机元件在与其他部件不同的时间与接缝啮合；因此，当分切机与接缝啮合时，增加高应力点。当然，应力在具有两层或多层取向热塑性复合材料片的多层母片材料中成倍增加。此外，在母片材料在载体材料的每个表面上具有热塑性复合片材料的分切工艺中，人们能够使产量翻倍，或更重要的是，同时分切两种不同的材料。总而言之，本发明教导提供了热塑性复合母片材料，特别是取向热塑性复合母片材料，以及前述的分切的片、条和带的更快、更有效且更具成本效益的生产方法。

尽管已经针对特定实施方式和附图描述了本说明书的方法和设备，但是应当理解的是，本教导不限于此，并且在不脱离本发明的范围的情况下，可以意图和构想利用本文所表达的概念的其他实施方式。因此，本教导的真实范围由所要求保护的元素以及落入本文阐述的基本原理的精神和范围内的任何和所有修改、变化或等同形式所限定。