从具有热塑性基体的复合材料板开始生产复合材料零件的压缩成型装置的制作方法

从具有热塑性基体的复合材料板开始生产复合材料零件的压缩成型装置
[0001]
相关申请的交叉引用
[0002]
本专利申请要求在2019年9月3日提交的申请号为102019000015509的意大利专利申请的优先权，其全部公开内容以引用的方式并入本文。
技术领域
[0003]
本发明涉及一种从具有热塑性基体的复合材料板开始生产复合材料零件的压缩成型装置(compression molding device)，复合材料零件特别用于航空应用。


背景技术：

[0004]
众所周知，复合材料用于各种工业领域，包括航空工业。特别地，通常称为“预浸料”的纤维增强复合材料是已知的，其通常由包括树脂基体和浸渍在该基体中的增强纤维的半成品构成。纤维可以根据不同的构造布置，例如沿单个方向、沿具有彼此不同的取向的两个或更多个方向布置，或者它们可以被布置为形成织物。基体用于将纤维固定在一起，并且在生产期间可能固定到其它部件。
[0005]
预浸料通常以条的形式制备并缠绕成卷；为了实现期望的机械特性，预浸料必须经历通过加热且通常还在压力下的固结过程。
[0006]
在航空工业中使用具有热塑性材料基体的预浸料是已知的。
[0007]
在这种类型的预浸料中，基体的树脂具有高分子量，因此，一方面它不需要经历聚合反应周期，另一方面它不具有粘着性。
[0008]
具有热塑性基体的预浸料可以被认为是由单个片材或板材在最终条件下形成的制品的第一近似。因此，为了形成层压板，其必须被加热，以便至少熔融与组成它的热塑性预浸料层接触的表面，在压力下将其压实，然后使其冷却。熔融所要达到的温度是非结晶热塑性塑料的玻璃化温度t
g
和半结晶热塑性塑料的熔融温度t
f
。
[0009]
在这些情况下，用于基于热塑性预浸料生产层压板的设备还应当供应热量以达到一定温度(该温度取决于材料可能过高)，以便熔融树脂并由此获得将组成层压板的不同层之间的粘合；而且，对于半结晶热塑性塑料，太快的冷却可能导致零件的非晶化，结果是性能特性的损失。
[0010]
具有热塑性基体的复合材料具有许多优点，例如如下：
[0011]-它们在室温下是稳定的；
[0012]-它们具有高回弹性；
[0013]-它们允许快速加工；
[0014]-它们不需要高压釜操作(autoclave operations)；并且
[0015]-它们是可回收的。
[0016]
为了实现具有热塑性树脂基体的复合材料零件或部件的期望构造，已知使用压缩成型装置，尤其是在航空领域中。
[0017]
特别地，这种成型装置通常包括预热站和成型站，在预热站中，对具有热塑性树脂基体的复合材料预固结平板进行加热操作，以便使其软化，在成型站中，对已经在预热站中预固结并随后加热的板进行压缩成型操作，以便获得期望零件或部件。
[0018]
成型站基本上包括：
[0019]-固定支撑结构；
[0020]-上半模，其设置有下轮廓表面，该下轮廓表面与待通过成型制造的复合材料零件的上表面的外形相对应；
[0021]-下半模，其设置有上轮廓表面，该上轮廓表面与待通过成型制造的复合材料零件的下表面的外形相对应；
[0022]-保持装置，其由支撑结构承载在固定位置，并且被构造为在整个成型操作期间将板保持在介于上半模与下半模之间的位置中；以及
[0023]-移动装置，用于使上半模和下半模中的至少一个沿横向于板本身的方向从板和朝向板移动。
[0024]
保持装置通常包括固定臂或弹簧，该固定臂或弹簧由支撑结构承载并在使用中接合相应通孔，该通孔在待经受成型的板的侧耳部上获得。特别地，待成型的板从预固结的复合材料的片材中切出，以便呈现期望数量的侧耳部，侧耳部随后必须被固定在成型装置的支撑结构的臂上或保持弹簧上。所述侧耳部被穿孔，以允许臂或保持弹簧的插入。
[0025]
在成型操作之后，然后去除耳部以获得期望的最终形状。
[0026]
显然，使用这种类型的成型装置导致形成相对大量的废料，这与复合材料的通常相当高的成本严重不相容。
[0027]
由于开始板是从较大的复合材料片材中切出的，因此为了尽可能减少废料，必须确保切出的形状相互贯通(待切出形状的“突起”必须“接合”相邻形状的“腔”)。然而，这并不总是可能的，并且即使在可能时，待在各个板上制作的耳部也构成了在试图减少浪费时考虑的额外复杂性。
[0028]
从已成型零件或部件去除耳部，除了产生另外的废料之外，还构成了在用于形成成品零件或部件的过程中待执行的额外操作。


技术实现要素：

[0029]
因此，本发明的目的是提供一种用于从具有热塑性基体的复合材料板开始生产复合材料零件的压缩成型装置，该压缩成型装置允许以简单且经济的方式消除与已知类型的和上面指定的成型装置有关的缺点。
[0030]
根据本发明，提供了一种根据权利要求1和从属于它的权利要求的用于生产复合热塑性材料的零件的压缩成型装置。
附图说明
[0031]
现在将参见附图描述本发明，附图例示了非限制性实施例的示例，附图中：
[0032]
图1为根据本发明的在从具有热塑性基体的复合材料板开始生产复合材料零件的第一示例期间的、压缩成型装置的示意性立体图，其中为了清楚起见而去除了零件；
[0033]
图2为图1的成型装置的一部分按比例放大的示意性立体图，其中为了清楚起见而
去除了零件；
[0034]
图3为待成型的板的支撑结构的一部分按比例放大的平面图，该支撑结构形成图2的成型装置的一部分；
[0035]
图4为图3的细节按比例放大的立体图；
[0036]
图5为图3的支撑结构和根据本发明的成型装置的致动器构件按比例缩小的立体图，该致动器构件被构造为与支撑结构本身相互作用；
[0037]
图6和图7为在与图5的致动器构件相互作用期间处于不同操作阶段的图4的细节按比例缩小的侧视图；以及
[0038]
图8a、图8b以及图8c是具有热塑性基体的复合材料零件的另外示例的侧视图，这些零件可以通过根据本发明的教导的成型装置来生产。
具体实施方式
[0039]
在图1和图2中，1整体上指示根据本发明的压缩成型装置的示例，该压缩成型装置被构造为从具有热塑性基体的复合材料平板3开始生产优选地用于航空领域的复合材料零件或部件2的第一示例，该复合材料平板尤其具有基于热塑性、半结晶或非结晶树脂的基体。
[0040]
在第一种情况下，半结晶热塑性树脂可以是例如聚醚醚酮或peek。可替代地，所述半结晶热塑性树脂可以是例如聚醚酮酮或pekk。非结晶热塑性树脂的示例由聚醚酰亚胺或pei代表。
[0041]
增强纤维可以布置在一个或多个单向层中，布置在具有彼此不同的取向的若干层中，或者作为织物布置。
[0042]
增强纤维优选由碳制成；可替代地，可以使用航空领域中已知的其它类型的增强纤维，例如玻璃纤维或玻璃纤维和碳纤维的组合。
[0043]
应当注意，用于执行成型操作的开始板3是预固结板，即，以已知方式在高温压机中经受初步固结操作。
[0044]
在所例示的情况下，用于生产复合材料零件2的开始板3具有平面矩形构造。
[0045]
待从板3开始通过成型生产的复合材料零件2具有(图1)：两个侧向相对的平面水平部分2a，其布置在同一放置平面上；以及中心部分2b，具有基本上v形的外形，该外形由两个倾斜部分形成，这两个倾斜部分从侧向相对部分2a开始朝向彼此会聚成共同边缘(即，v的顶点)，该边缘优选地成形为平面水平条。
[0046]
实际上，零件2具有在中心部分2b处凹入的上表面4、以及与上表面4相对且在中心部分2b本身处凸出的下表面5。
[0047]
成型装置1包括：预热站6，例如红外线烘箱，在该预热站中，对预固结的板3进行加热操作，以便使其软化；以及成型站8，在该成型站中，对预固结并随后在预热站6中加热的板3进行压缩成型操作，以便获得零件2。
[0048]
成型站8基本上包括：
[0049]-固定支撑结构9(在图2、图3、图5、图6以及图7中仅部分可见，限于关于已知技术的创新部分)；
[0050]-上半模10，其设置有下轮廓表面11，该下轮廓表面11与待通过成型制造的复合材
料零件2的上表面4的外形相对应；
[0051]-下半模12，其设置有上轮廓表面13，该上轮廓表面13与到通过成型制造的复合材料零件2的下表面5的外形相对应；
[0052]-保持装置15，其由支撑结构9承载在固定位置，并且被构造为将板3保持在介于上半模10与下半模12之间的位置中；以及
[0053]-移动装置，其本身已知且未例示，用于使上半模10和下半模12中的一个或两个沿横向于板3本身的方向a从板3和朝向板3移动。
[0054]
在所例示的情况下，上半模10的轮廓表面11具有：两个侧向相对的平面水平部分11a，其布置在同一放置平面上；以及中心部分11b，限定突起，该突起基本上具有v形的外形，即由两个倾斜部分形成，这两个倾斜部分从相对的侧向部分11a开始朝向彼此会聚成共同边缘(v的顶点)，该共同边缘优选地成形为平面水平条。
[0055]
下半模12的轮廓表面13具有与上半模10的轮廓表面11互补的构造，并且包括：两个侧向相对的平面水平部分13a，其布置在同一放置平面上；以及中心部分13b，其限定腔，该腔具有基本上v形的外形，即由两个倾斜部分形成，这两个倾斜部分从侧向相对部分13a开始朝向彼此会聚成共同边缘(v的顶点)，该共同边缘优选地成形为平坦水平条。
[0056]
侧向部分11a、13a旨在形成零件2的侧向部分2a，而中心部分11b、13b旨在形成待通过成型制成的零件2的中心部分2b。
[0057]
显然，本文例示的零件2仅仅是可以通过根据本发明的成型装置生产的可能复合材料零件或部件的示例；如下文中将例示的，通过简单地改变上半模10和下半模12的轮廓表面11、13的构造，可以生产各种形状的复合材料零件。
[0058]
有利地，保持元件15包括相应的可释放夹具16，该夹具被构造为通过摩擦夹持板3的外围边缘18的不同部分，并且当板在成型操作期间被压缩在上半模10与下半模12之间时完全释放板3本身或允许板3本身的完全释放。
[0059]
实际上，夹具16被构造为在板3上施加固位力(retention force)，该固位力小于由板3本身在上半模10与下半模12之间的压缩期间接收的在从夹具16抽出的方向上的推力。
[0060]
这样，夹具16被构造为在使用中释放板3并且完全释放板3，更确切来说，当板3在成型操作期间被压缩在上半模10与下半模12之间时完全释放板3本身的外围边缘18。
[0061]
如图2、图3以及图5例示，支撑结构9包括框架元件20，该框架元件在该情况下具有矩形外形，具有多个附接区域21，这些附接区域用于选择性地固定与待成型的板3的构造和期望获得的板3本身上的固位力相关的期望数量的夹具16。
[0062]
在所例示的情况下，使用两个夹具16，固定在框架元件20的两个较短侧边中的每一个上，并且与板3的外围边缘18的侧向相对部分协作。
[0063]
如在图2、图3、图5、图6以及图7中可见的，夹具16通过长度可变或可扩展的支撑臂22而在内部被固定到框架元件20，以便能够适应待成型的板的不同外形。
[0064]
参见图2至图7，各个夹具16包括两个夹爪23、24，这两个夹爪围绕公共轴线b铰接在一起，该公共轴线b平行于夹具16本身被固定至的框架元件20的相关侧边(relative side)，并且这两个夹爪可在闭合构造(图4和图7)与打开构造(图6)之间移动。
[0065]
特别地，在打开构造中，各个夹具16的夹爪23、24通过摩擦保持板3的外围边缘18
的相关部分；另外，在打开构造中，各个夹具16的夹爪23和24相对于闭合构造彼此远离地移动，以允许板3的插入或去除。
[0066]
各个夹具16的夹爪23、24的铰接轴线b正交于方向a，并且平行于它们所作用的板3的外围边缘18的相关侧边。
[0067]
特别参见图4、图6以及图7所例示的解决方案，各个夹具16的夹爪23布置在夹爪24下方，并且固定到相关的支撑臂22，以便在相同的延伸方向上从相关的支撑臂朝向框架元件20的内部突出；夹爪23具有基本上平坦的前操作部分25，该前操作部分从与相关夹爪24铰接的区域延伸，并且限定用于板3的外围边缘18的相关部分的支撑件。
[0068]
各个夹具16的夹爪24具有前操作部分26，该前操作部分也从与相关夹爪23铰接的区域延伸，并且基本上为v形，v形的凹面面向夹爪23本身，以便沿着相关板3的线或条与相关板3协作。
[0069]
各个夹具16的夹爪23和24之间的铰接区域包括轴线b的销27、围绕销27缠绕并固定到夹爪23的一个或多个臂28以及也围绕销27缠绕并固定到夹爪24的一个或多个臂29。
[0070]
各个夹具16还包括致动器装置30，该致动器装置被构造为朝向闭合构造加载(load)相关夹爪23、24中的一个或两个，并且限定相关板3上的固位力。
[0071]
在所例示的情况下，各个夹具16的致动器装置30包括特别具有圆柱螺旋的弹簧31，该弹簧围绕相关销27缠绕并且通过相应的臂28、29作用在夹爪23、24上，以便将相同的夹爪23、24推向闭合构造。
[0072]
根据未例示的可能替代方案，致动器装置30可以包括液压或电动致动器，该致动器具有对作用在各个夹具16的夹爪23、24上的闭合力的自动调节。
[0073]
各个夹具16还包括由夹爪23、24中的一个承载的致动部分32，该致动部分相对于相关操作部分25、26从铰接区域b向后延伸，并且可从外部致动以使夹具本身进入打开构造。
[0074]
在所例示的情况下，致动部分32由板构成，该板在其本身的端部32a处于接近铰接区域处固定到夹爪24，并且以悬臂方式从夹爪24本身向后突出。更详细地，各个夹具16的致动部分32在后部(posteriorly)延伸到夹爪23，以便从铰接区域开始从夹爪展开，并且具有与端部32a相对并且朝向夹爪23本身稍微弯曲的自由端部32b。
[0075]
特别参见图5、图6以及图7，成型装置1还包括另外的致动器装置33，该致动器装置作用在夹具16的致动部分32上，以将夹具16本身移动成打开构造。
[0076]
在所例示的情况下，致动器装置33包括另外的框架元件34，该框架元件34优选地具有矩形外形，可从承载夹具16的框架元件20和朝向该框架元件20移，并且设置有推动部35以同时作用在夹具16本身的致动部分32上。
[0077]
特别地，推动部35由优选圆柱形元件构成，该圆柱形元件以悬臂方式与方向a平行地从框架元件34正交地突出，定位在夹具16的致动部分32处，并且适于在框架元件34朝向框架元件20的移动期间抵抗相应弹簧31的作用而同时作用于所有的致动部分32上，以便使夹爪24远离相应夹爪23移动并且将夹具16布置成打开构造。
[0078]
根据未例示的可能替代方案，致动器装置33还可以包括多个例如流体类型的致动器构件，这些致动器构件分别作用在相应夹具16的致动部分32上。
[0079]
图8a、图8b以及8c例示了可以从具有热塑性基体的复合材料板开始通过根据本发
明的成型装置生产的复合材料零件或部件的其它可能示例，分别用附图标记2’、2”、2
”’
指示。显然，为了获得零件2’、2”、2
”’
，必须修改半模10、12的轮廓表面11、13的构造，并且可能需要从具有与板3的外形和比例不同的外形和比例的板开始。
[0080]
图8a的零件2'具有基本上s轮廓的外形；图8b的零件2”具有基本上u轮廓的外形；最后，图8c的零件2
”’
具有基本上u轮廓的外形，该外形具有从u的自由端沿彼此相反的方向延伸的相对的平坦的侧向突起。
[0081]
下面参考从具有平坦矩形构造的相应预固结板3开始的单个零件2的生产来描述成型装置1的操作。
[0082]
特别地，首先在预热站6中对板3进行初步加热操作，以便软化构成它的材料。
[0083]
随后，使预热的板3进入成型站8中并在上半模10与下半模12之间的期望位置中将其固定到夹具16。更准确来说，通过沿着方向a朝向框架元件20降低框架元件34，推动部35通过推动来与固定到框架元件20本身的夹具16的致动部分32协作(图6)。同时朝向相应的夹爪23降低夹爪24的致动部分32，由此使得夹爪24相对于相应的夹爪23围绕销27旋转，直到达到打开构造为止。
[0084]
在这种情况下，插入板3，其外围边缘18靠在夹爪23的前部25上；随后，通过再次向上移动框架元件34，使夹爪24的致动部分32自由，由此允许夹爪24围绕销27旋转，直到达到闭合构造为止(图2、图3、图4、图5、图7)。
[0085]
一旦结束将板3在支撑结构9上定位在介于上半模10与下半模12之间的位置中，就可以通过仅使半模10、12本身中的一个或两个朝向板3移动来进行实际的成型操作。
[0086]
板3一被压缩在半模10、12的轮廓表面11、13之间，由后者在板3上施加的力就使得板3本身从夹具16完全释放。
[0087]
在打开半模10、12之后，可以移除成品零件2。
[0088]
通过检查根据本发明制造的成型装置1的特性，其允许获得的优点是明显的。
[0089]
特别地，由于开始板3直接在其外围边缘上被夹持在夹具16之间，并且随后当其在两个半模10、12之间被压缩时被夹具16本身释放，因此成品零件2不再具有最初提供且在成型操作之后移除的固定耳部。这允许在从预固结复合材料的片材切出开始板时显著减少废料，因为不需要切出固定耳部，并且允许在成型之后显著减少废料，因为不需要从成型零件去除材料。
[0090]
最后，清楚的是，在不脱离由权利要求限定的保护范围的情况下，可以对本文描述和例示的成型装置1进行修改和变更。