连续超声波增材制造的制作方法

根据35u.s.c.§119的优先权要求

本专利申请要求2018年5月24日提交的题为“continuousultrasonicadditivemanufacturing”的临时申请62/676,191号的优先权，该临时申请已转让给本申请的受让人，并且其全部内容以引用方式并入本文。

背景技术：

诸如碳纤维增强聚合物等复合材料提供高强度或刚度与重量比，并且可以用于替代各种应用中的传统金属构件，例如汽车和航空航天应用。然而，在同一应用中，金属对于其它构件来说可能是优选的。因此，需要将复合构件结合至金属构件。

将复合构件结合至金属构件的传统方法使用粘合剂和机械结合技术的组合。例如，使用粘合剂将聚合物粘合至金属，然后驱动机械紧固件穿过复合构件和机械构件。这种传统方法可能破坏增强材料并产生比构件弱的接头。例如，在使用连续纤维材料的情况下，机械紧固件可能会破坏连续纤维，从而形成薄弱点。

鉴于前述内容，需要改进用于结合金属和连续纤维材料的技术。特别地，可能需要能够有效生产的技术。根据下面提供的内容，更多优点将变得显而易见。

技术实现要素：

提供本发明内容用于以简化形式介绍一系列构思，这些构思在下文的具体实施方式中进一步描述。本发明内容并非意图识别要求保护的主题的关键特征，也不意图用于辅助确定要求保护的主题的范围。

根据一个方面，本发明提供一种用于制造包括嵌入金属构件中的纤维线的过渡结构的系统。系统可以包括金属基片供应源。系统可以包括传送机，传送机支撑在多个辊上并且构造为沿生产方向移动金属基片。系统可以包括沿生产方向布置的多个级。每个级可以包括：通道形成装置，其构造为在金属基片中形成通道；纤维插入装置，其构造为将部分纤维材料插入通道中；以及一个或多个超声波焊接器，其构造为将金属箔层固结在纤维之上。

根据另一方面，本发明提供一种用于制造包括嵌入金属构件中的纤维线的过渡结构的方法。该方法可以包括在传送机处接收金属基层。该方法可以包括在金属基层中形成通道。该方法可以包括将部分纤维材料插入通道中。该方法可以包括沿传送机在多个超声波焊接头中的每一个处接收金属箔。该方法可以包括在多个超声波焊接头中的每一个处将金属箔超声波焊接至金属基层，以形成包封通道中的所述部分纤维材料的新金属基层。该方法可以包括沿传送机推进金属基层。

根据另一方面，本发明提供一种用于制造金属增强的构件的方法。该方法可以包括在传送机处接收基材。该方法可以包括沿传送机在多个超声波焊接头中的每一个处接收增强材料。该方法可以包括在多个超声波焊接头中的每一个处将增强材料超声波焊接至基材的增强部分。该方法可以包括沿传送机推进基材的增强部分。

在另一方面，过渡结构包括金属部分和多层纤维部分，多层纤维部分包括在不同层处嵌入金属部分并从形成织物的金属部分伸出的多个丝束。

附图说明

在权利要求书中列出被认为是本发明特质的新颖特征。在以下描述中，类似部件在整个说明书和附图中分别用相同的附图标记。附图不一定按比例绘制，并且为清楚和简洁起见，某些附图可以以放大或概略的形式示出。但是，当结合附图阅读时，通过参考的本发明的说明性方面的以下具体实施方式，可以最好地理解本发明本身及其优选使用方式、进一步的目的和发展，在附图中：

图1示出根据本发明一个方面的示例过渡结构。

图2示出根据本发明一个方面的用于连续制造过渡结构的示例系统。

图3示出根据本发明一个方面的用于连续制造过渡结构的另一示例系统。

图4a示出根据本发明一个方面的示例辊式砧座的侧视图。

图4b示出图4a的示例辊式砧座的前视图。

图5示出根据本发明一个方面的示例uam增强构件，其包括基底构件和金属增强件。

图6示出根据本发明一个方面的示例uam增强构件，其包括基底构件和多个金属增强件。

图7示出根据本发明一个方面的用于连续制造uam增强构件的示例系统。

图8示出图7的示例系统的顶视图。

图9示出根据本发明一个方面的用于连续制造过渡结构的示例方法的流程图。

图10示出根据本发明一个方面的用于连续制造uam增强构件的示例方法的流程图。

具体实施方式

以下包括本文中使用的选定术语的定义。定义包括术语范围内并且可以用于实施的构件的各种实例和/或形式。实例并非限定性的。

在本文中，“车辆”是指能够移动并由任意形式的能量提供动力的有人或无人驾驶结构。术语“车辆”包括但不限于：汽车、卡车、厢式货车、小货车、suv、自行车、摩托车、踏板摩托车、船、私人船艇、潜水艇、皮划艇、划艇、飞行器及航天器。在一些情况下，机动车辆包括一个或多个引擎。

一般而言，本发明提供用于在连续过程中执行超声波增材制造(uam)以提高大规模制造效率的系统和方法。示例产品包括uam过渡结构，其包括嵌入金属主体内并伸出金属主体的纤维材料。示例uam过渡结构在2017年4月5日提交的美国专利申请15/479,953号中描述，该专利申请以引用方式并入本文。另一示例产品包括uam增强构件，其中，将金属层超声波焊接至构件的增强部分。

参见附图，附图中用相似的附图标记表示相似构件。图1示出示例过渡结构100，其包括金属部分102和纤维复合部分104。金属部分102可以由兼容本文所述工艺的任意金属或金属组合形成。例如，金属部分102可以由钢、铝、镁、钛、钴、铍、镍、钶、钽、钨及其合金或其它结构合金形成。纤维复合部分104可以包括一层或多层纤维丝束(tows)或纤维片。例如，纤维丝束可以包括碳纤维束(bundles)、玻璃纤维束、芳族聚酰胺纤维束、其它高性能合成纤维束和/或天然或生物纤维束。纤维丝束可以被编织以形成垫或织物。在一个方面，纤维织物的边缘可以包括纤维丝束，纤维丝束沿纤维织物的边缘形成环。环可以嵌入金属部分102内，并且纤维织物的其余部分可以伸出金属部分102以形成纤维复合部分104。

在一个方面，金属部分102可以具有影响制造系统和方法的尺寸。金属部分102可以具有厚度110。厚度110可以与超声波焊接的金属箔的厚度和层数有关。金属部分102可以具有宽度120。在一个方面，超声波焊接设备可以具有限定最大宽度。例如，uam设备可以具有1英寸或约25mm的最大宽度，以将带固结在层中。在一个方面，金属部分102可以具有宽度120，宽度120限于uam设备的最大宽度。在另一方面，可以将多个uam头布置为固结平行带，以产生大于单个uam头的最大宽度的宽度120。在另一方面，位于第一uam头之前的单个卷轴可以沉积宽带(例如，50mm-100mm)，并且多个uam头可以将宽带固结至宽度大于单个uam头的金属部分102。可以通过沉积部分和固结部分之间的真空压力、磁场或机械夹具来固定带。金属部分102可以具有长度130。长度130可以基于过渡结构100的需要进行选择。

图2示出用于制造uam产品的示例系统200。系统200可以包括传送机210、基材222的供应源220和收集装置230。传送机210可以包括用于沿生产方向202移动产品的一个或多个装置。例如，如图所示，传送机210可以是传送带。传送带可以支撑在多个辊上。辊可以包括电磁辊212和/或钢辊214。电磁辊212可以沿生产方向推进传送机210。当对基材执行操作时，电磁辊212还可以吸引基材222并防止基材222移动。钢辊214可以为基材222提供机械支撑并且在进行中工作。在一个方面，辊212、214可以设置在对基材222执行操作的各个位置处。在一个方面，辊212、214可以具有扁平表面，以提供用于执行操作的支撑或压力。如下面进一步详细讨论的，传送机210在执行操作的位置处可以是不连续的。例如，超声波焊接装置可以从传送机的第一部分接收基材222并在传送机的第二部分上沉积增强材料。虽然图中示出传送带，但应当理解的是，传送机210可以包括用于移动基材的其它技术。例如，传送机210可以利用uam头或对基材执行操作的其它机器的机械动作移动基材。额外地，可以对先前完成的部分基材施加张力，以沿生产方向202拉动基材。相反地，可以通过基材供应源220向基材222施加压力，以沿生产方向202推动基材222。基材也可以磁性地移动或使用包含具有材料适用端部执行器的机械臂的拾取和放置技术移动。

基材222的供应源220可以是基材222的任意分配器或形成因素。在一个方面，基材222是金属片，其可以作为卷、带、箔、单个片、棒料或挤出产品提供。基材供应源220可以将基材作为连续片材或作为周期性离散片材分配到传送机210上。

收集装置230可以是用于收集完成产品232的任意装置。在一个方面，收集装置230可以是收集包括添加的uam过渡或uam增强的基材222的卷轴。在另一方面，完成产品232可以在传送机210的端部附近分离并封装在容器中或转移至另一传送机。

系统200可以包括对行进的基材222或uam产品执行操作的各种机器。机器可以组织成级240、250、260，这些级可以包括执行相似操作的重复机器。例如，第一级240可以包括通道形成装置242。在一个方面，通道形成装置242可以包括在基材222中形成通道的辊。通道形成装置242还可以包括切割器、激光器或其它通道形成装置。第一级240还可以包括纤维插入装置244。例如，纤维插入装置244可以是将纤维供应传递至基材222，尤其是传递至形成于基材222中的通道的辊。第一级240还可以包括一个或多个超声波焊接装置246。每个超声波焊接装置246可以将金属箔248的带固结至基材222。在一个方面，当基材222在传送机210上的超声波焊接装置246下方通过时，超声波焊接装置246可以保持静止。超声波焊接装置246可以以高频振动以将金属箔248的带焊接至金属基材222。如图所示，多个超声波焊接装置246可以顺序布置在级内以构建金属箔248的层，同时沿生产方向202移动基材222。

对于图1所示的过渡结构100，系统200可以包括三个级240、250、260。每个级240、250、260可以与级240相似，并且包括通道形成装置242、纤维插入装置244和一个或多个超声波焊接装置246。因此，示例系统200可以产生包括三个嵌入纤维层的示例过渡结构100。

系统200可以包括用于在过渡结构100上执行其它操作的附加机器。例如，系统200可以包括用于加工通道或其它特征的一个或多个计算机数控(cnc)机器、形成用于在固结材料或原料(stockmaterial)中创建特征的系统、切割或消除元件、激光器、加热和/或冷却装置、粘合掩膜、施加、和清洁系统、涂层掩膜、施加、和清洁系统、真空抽吸器、鼓风机、电和/或磁场发生器、附加焊接或结合系统、以及用于连续或不连续原料的馈送机构。

额外地，连续uam过程可以包括周期性或中断的移动。例如，传送机210可以沿生产方向202推进基材222，在执行一个或多个操作时暂停，然后沿生产方向进一步推进基材222。

在一个方面，某些机器对于连续制造可能存在困难。例如，传统超声波焊接装置可以包括基板，基板保持正被超声波焊接的工件。基板可以在超声波发生器(sonotrode)下方来回移动，以在期望位置处焊接多层箔。连续操作可以利用多个超声波焊接头提高层被焊接的速度，并且通过消除工件相对于需要多层的超声波发生器向后移动的需求来增加同时制造的工件数量。然而，在连续操作期间将工件定位在基板中可能是困难的。此外，如果不注意隔离工件，超声波焊接可能会将工件熔合至传送系统。因此，系统的一个或多个部件可以适用于连续制造。

在一个实例中，如图3所示，双焊机340可以包括位于工件的第一侧上(例如，与金属箔248接触)的第一超声波焊接装置342和位于工件的第二侧上与第一超声波焊接装置342直接相对(例如，与基材222接触)的第二超声波焊接装置344。基材222(例如，输入坯料)可以在第一超声波焊接装置342和第二超声波焊接装置344之间连续馈送。例如，如图3所示，传送机210可以将输入坯料移动至双焊机346，并且双焊机346可以将工件运送至第二传送机。在一个方面，超声波焊接装置342、344可以异相驱动(振幅方面)。异相驱动各个超声波焊接装置342、344可以潜在地使用每个焊接头的更小功率。双焊机340可以包括多组第一超声波焊接装置342和第二超声波焊接装置344，例如，以产生更宽或更厚的层。

在另一方面，辊式砧座350可以与超声波焊接装置352相对设置。超声波焊接装置352的辊式砧座和/或超声波发生器上可以施加涂层，以防止工件粘附(例如，变成焊接)至辊式砧座350。较厚的材料，例如相对于箔来说更厚的基板，将允许更大的超声能量通过体(bulk)剪切应力消散，这意味着焊接至砧座的可能性小于焊接至超声波发生器的可能性。较大的砧座表面面积也可以使焊接至砧座的可能性小于焊接至超声波发生器的可能性。例如，如果复合工件的底部是铝并且增强材料是钢，则未涂覆钢辊砧座可能不会焊接至工件的底部，但是钢变幅杆(horn)/超声波发生器可能需要涂层以防止焊接至钢增强件。

涂层可以是表面处理，该表面处理包括与超声波焊接装置352的超声波发生器不同的材料。涂层可以是厚度在5微米-500微米之间的固体层。涂层可以通过物理气相沉积、化学气相沉积、热喷涂、冷喷涂、溅射、电沉积或其它方法施加。涂层可以包括陶瓷、金属、金属陶瓷或金属基质复合物，其含有硬质材料，例如立方氮化硼、碳化钨、金刚石、tin、tialn、ticn、crn或对于被结合材料具有低亲和力的其它合适硬质材料。作为替代方案，超声波发生器可以通过渗碳或氮化来硬化。

示例辊式砧座350在图4a和4b中示出。辊式砧座350可以包括：中心面354，其抵靠超声波焊接装置352的超声波发生器(变幅杆)支撑基材；以及侧面约束部356，其约束基底原料横向于生产方向(进入图4b页面的方向)的移动。应当理解的是，系统200可以包括传送带、双焊机和辊式砧座的任意组合。

图5示出示例uam增强构件500，其包括基底构件502和金属增强件504。基底构件502和金属增强件504均可以由与本文公开的技术相容的任意金属或金属组合形成，例如钢、铝、镁、钛、钴、铍、镍、钶、钽、钨及其合金，或其它结构合金。在所示实例中，基底构件302可以是待在增强后加工为更具体构件的金属坯料。然而，uam增强可以用于其它构件，例如具有扁平金属表面的构件。

金属增强件504可以具有影响制造系统和方法的尺寸。金属增强件504可以具有厚度510。厚度510可以与超声波焊接的金属箔的厚度和层数有关。金属增强件504可以具有宽度520。在一个方面，金属增强件504可以具有宽度520，宽度520限于uam设备的最大宽度。在另一方面，金属增强件504可以使用多个uam头，多个uam头布置为固结平行带以产生大于单个uam头的最大宽度的宽度520。金属增强件504可以具有长度530。长度530可以基于uam增强构件500的需要进行选择。

图6示出另一示例uam增强构件600。uam增强构件600可以包括基底构件602和两个及以上金属增强件604、606。如下文中进一步详细讨论的，多个金属增强件604、606可以通过沿生产方向平行或交错布置的多个uam头生产。

图7示出用于制造uam产品，如uam增强构件500、600的示例系统700。系统700可以包括传送机710，用于沿生产方向702推进基材。系统700还可以包括基材供应源720和收集装置730。传送机710可以与传送机210类似，并且包括多个辊712，多个辊712包括电磁辊和/或钢辊。基材供应源720可以与基材供应源220类似，并且可以供应基底构件502。例如，基材供应源720可以将基底构件502设置在传送机710上。收集装置730可以与收集装置230类似，并且可以收集完成的uam增强构件500、600。与系统200相似，系统700可以包括布置为级740、750、760的机器，用于在基底构件502、602上执行操作。例如，如图所示，第一级740可以包括多个uam头746，用于将金属箔带固结至基底构件502、602。

图8示出用于生产uam增强构件600的示例系统700的顶视图。每个uam头746可以包括变幅杆770及一个或多个换能器772。变幅杆770可以接触金属带以将金属带固结至基底构件602。换能器772可以从变幅杆横向延伸。因此，当uam增强构件600包括多个金属增强件604、606时，uam头746可以沿生产方向702在每个级740、750、760内交错布置。类似地，当uam过渡结构100的宽度120大于uam头746的最大宽度时，uam头可以交错布置以利用相邻金属带产生更宽的过渡结构。

图9是制造过渡结构的示例方法900的流程图。方法900可以由系统200执行。

在块910中，方法900可以包括在传送机处接收金属基层。在一个方面，例如，传送机210可以从基材供应源220接收基材222。

在块920中，方法900可以包括在金属基层中形成通道。在一方面，例如，通道形成装置242可以在基材222中形成通道。形成通道可以包括切割、机加工、成型或烧蚀基材222以形成通道。例如，切割或机加工通道可以用立铣刀和cnc加工头完成。如果通道尺寸很小和/或具有需要cnc头不在传送系统的方向上的横向运动的几何特征，这可能是最慢的操作。作为另一实例，形成通道可以用模具完成，该模具具有加工为与期望通道形状相反的形状。模具可以是圆柱形，从而允许其沿工件的表面滚动，在工件在传送机上移动时连续地压印通道几何形状。该方法可以非常快，其优点是不会产生任何碎屑或废金属屑，并且可以引起零件的冷加工，从而提高其强度。成型可能不适合某些较硬或强度较高的基材。作为另一实例，可以使用激光沿规划路径熔化或升华基材，从而烧蚀工件以形成通道。这可能是列出的方法中最快的，并且对几何特征有些不敏感。烧蚀的主要挑战在于形成宽通道而不会过深地切割材料。

在块930中，方法900可以包括将部分纤维材料插入通道中。在一个方面，例如，纤维插入装置244可以将部分纤维材料插入通道中。

在块940中，方法900可以包括沿传送机在多个超声波焊接头中的每一个处接收金属箔。在一方面，例如，多个超声波焊接装置246中的每一个可以接收金属箔248。例如，金属箔248可以经由卷轴馈送至超声波焊接头。

在块950中,方法900可以包括在多个超声波焊接头中的每一个处将金属箔超声波焊接至金属基层，以形成包封通道中的所述部分纤维材料的新金属基层。在一个方面，例如，当基材222沿传送机210移动时，多个超声波焊接装置246中的每一个可以将相应的金属箔248超声波焊接至基材222，从而将所述部分纤维材料包封在通道中。

在块960中，方法900可以包括沿传送机推进金属基层。在一个方面，例如，传送机210可以沿传送机210推进基材222。

图10是制造uam增强构件(例如，uam增强构件500、600)的示例方法1000的流程图。方法1000可以由系统700执行。

在块1010中，方法1000可以包括在传送机处接收基材。在一个方面，例如，传送机710可以从基材供应源720接收基材(例如，基底构件502、602)。

在块1020中，方法1000可以包括沿传送机在多个超声波焊接头中的每一个处接收增强材料。在一个方面，例如，每个uam头746可以接收增强材料。增强材料可以是，例如，金属、金属纤维复合物，或可以用uam工艺焊接的任意其它高强度材料。在一个方面，可以为不同超声波焊接头提供不同增强材料。可以将不同增强材料施加至不同增强部分，或者可以将不同增强材料固结在相同增强部分的不同层中。

在块1030处，方法1000可以包括在多个超声波焊接头中的每一个处将增强材料超声波焊接至部分基材以形成增强部分。在一个方面，例如，每个uam头746可以将增强材料超声波焊接至部分基材以形成增强部分。

在块1040处，方法1000可以包括沿传送机推进基材的增强部分。在一个方面，例如，传送机710可以沿传送机推进基材的增强部分。

应当理解的是，上述各种实施方式及其它特征和功能或其替代或变型可以根据需要组合至多个其它系统或应用中。同样地，本领域技术人员可能随后做出目前无法预见或未曾预料的各种替代、修改、变型或改进，这些也应包含在权利要求书中。