專利名稱：模制產品及其制造方法
技術領域：
本發明涉及模制產品的制造方法。
背景技術：
本方法特別地、但并不排他地用于制造結構產品。例如，這樣的產品可 以是用在汽車或其他產業中的結構部件。在該方法中利用的材料優選為碳纖 維，但其他合適的纖維也可以使用。碳纖維具有強度高且質量輕的優點。在
用于制造結構部件的已知方法中，制造了一種碳纖維底板(matt)。這種底板 包括大量的碳纖維，這些碳纖維沿部件最大強度預期所在的方向排列。該底 板可以是紡織的也可以是無紡的。在底板是紡織的情況下，綿線保持經排列 的纖維經線，而在底板是無紡的情況下，可通過纏繞在排列的纖維周圍的橫 向延伸的纖維將排列的纖維保持在適當位置。這樣制造的，或有時稱為"預 浸膠(pre-preg )"的碳纖維底板，被切割成希望的形狀，然后被置于模具中。 施加樹脂，隨后樹脂被凝固，從而制造出希望形狀的模制產品。制造底板以 及之后將底板切割到一定形狀的初始步驟，浪費時間、能量和材料。本發明 的目的是消除或減輕這些缺點。
發明內容
根據本發明的一方面，提供了一種模具產品的制造方法，該方法包括以 下步驟向機器輸送頭部供應纖維，在長度上切割/剪切纖維，將預先限定的 已變短長度的纖維輸送到模具，使得纖維被成沿所希望的方向和所需數量的 層排列(align),從而形成所設計的厚度和強度，向排列好的纖維施加樹脂， 并凝固樹脂，以形成所述產品。
根據本發明的另一方面，提供了一種模制產品，該模制產品包括被切割 成已變短長度的纖維，該已變短長度的纖維沿相同方向排列或實質上沿相同 方向排列，并涂布有凝固的樹脂。
在本發明的優選實施例中，連續長度的纖維被切割/剪切成較短的長度，并被樹脂覆蓋，或有利地被樹脂完全包住并粘結在一起。
已變短纖維的長度可在10mm到120mm之間變化。優選的已變短長度 是14mm、 28mm、 58mm和115mm。
單位面積施加的纖維量可在每平方米400克(gsm )到每平方米4000克 之間變化。優選的定額是每平方米1500克和每平方米2500克。這些優選的 纖維長度和堆積定額是基于當前的設備，但可被改變成以適合任意給定的應 用情況。
這便于完全自動化的制造過程，其減少了處理時間和部件成本。為了保 持已變短的纖維的排列或實質排列，模具的表面被部分地抽真空，以將纖維 保持在所希望的方向上。
可替代地，在纖維是碳纖維的情況下，奸維被充電成帶有靜電，且模具 表面接地，從而產生相互的吸引力。
在另一替代方式中，碳纖維可浸漬(impregnate)有或涂布有鐵粉，并 且模具表面被有效地(電)磁化。
在另一替代方式中，碳纖維可涂布有相容的結晶環氧樹脂粉末，而模具 表面被加熱，使得在堆積時，碳纖維被保持在表面處，并且在粘結樹脂被完 全施加和凝固之前開始制模處理。
在又一替代方式中，利用同一機器切割/剪切、分布和排列碳纖維，在堆 積的碳纖維的長度被已變短之前，施加一薄層的相容環氧樹脂。然后，纖維 被保持在表面上，并且在粘結樹脂被完全施加和凝固之前，開始進行制^f莫處 理。
為了可以更充分地理解本發明，現通過舉例和參考附圖來描述本發明。 在附圖中
圖1示意性地示出了汽車的底盤板(floorpan) /平臺； 圖2示出了在生產底盤板的方法期間產生的排列好的纖維的截面； 圖3示出了根據本發明設備的一種形式的截面的示意性側視圖。為了簡 明起見，僅示出了與機器頭部的運動處于恰當關系的一組出氣口噴射； 圖4是該設備的示意性仰視圖；以及 圖5是圖3和圖4中所示設備的局部的放大尺寸的透視圖。
具體實施例方式
下文中參考附圖，描述用于汽車的模制結構復合底盤板(floor pan)的 制造方法。在圖1中示出了這樣的底盤板，并且從圖中可看出，這種底盤板 具有復雜的形狀。在使用時，連續長度的碳纖維(未示出)被送到機器頭部， 在該機器頭部處，碳纖維被切割成/剪切成預定長度，并被排列和噴射到模具 中。
頭部相對于模具腔室的位置和角度可根據需要進行改變，使得單獨的已 變短纖維被鋪設在模具腔室的所需位置處，并被鋪設成所需的密度和厚度。
優選的，纖維基本上是排列好的，盡管并非需要完全排列好才能實現很大的 強度。
然而，可通過為附加層噴射不同長度的已變短纖維或改變纖維的排列， 來優化模制產品的預期強度。
圖2示意性地示出了模具中纖維31的層30。
為了將纖維保持在模具中的恰當位置處，表面被部分抽真空(evacuate )。 機械方法利用長纖維，且纖維排列減少了纖維束尺寸效果(tow size effects )。 增強的對齊能夠減小堆積定額(rate),繼而節省了處理步驟和成本。
在將纖維堆積到模具中后，用一層可固化樹脂(優選環氧樹脂)將纖維 蓋上和完全包住。樹脂被充分地凝固，然后將完成的產品乂人^^莫具中移出。與 現有的制模方法相比，將單獨的纖維投到模具中之后將它們涂上樹脂的操作 具有許多優點。在傳統的制模方法中，首先制造由碳纖維制成的一片材料。 該材料可以是紡織的或者無紡的，但在每種情況下，都必須在將材料放到模 具中并將其配合在模具中之前通過利用現有的圖案來切割材料。首先制造一
片紡織/無紡材料，以及隨后將材料切割成希望形狀的這兩個步驟不^f叉浪費時 間和精力，還浪費材料。在本發明提供的方法中，所有這些步驟都被有效地 消除了。這可以使材料浪費的減少達到40%。
在上述的本發明方法中，切割/剪切纖維的長度可根據需要來改變。示例 性的纖維長度為115mm、 58mm、 28mm和14mm。表面的纖維密度也可根 據需要來選擇。示例性的纖維密度是1500gsm (克每立方米)和2500gsm。
盡管如上所述，未精確排列可能不會對強度產生很大影響，但方向性 (directionality)很重要。對方向性水平的限度可通過試驗來確定。方向性水平取決于處理速度，并且可為不同水平的方向性確定堆積定額。
可對根據以上處理制成的產品進行試驗，來確定 纖維長度的效果，和纖維長度的組合； 細絲(filamentisation)的歲文果； 纖維排列的效果；
相對于纖維長度最大可達到的方向性；
相對于單位面積的質量最大可達到的方向性； 相對于纖維長度的體積分數(Volume fraction); 相對于散絲的體積分數；
相對于單位面積的密度的體積分數(集聚(nesting)的效果)。
現在將參考圖3至圖5來描述用于排列纖維的設備。具體參考圖3和圖 4,為簡明起見圖3和圖4示出了處于最低豎直位置的輸送槽(delivery slot), 該設備包括外殼l。外殼1在側視圖中具有向下漸擴的形狀，并且其橫截面 為錠劑形狀(lozenge shape)(從圖4中可以看出)。外殼1的各部分有助于 已變短纖維的一致和平整地分布。橫截面為錠劑形狀的輸出/輸送槽(如圖4 所示)確定了已變短纖維在被堆積到模具中時已變短纖維的對齊的基本對齊 方式。錠劑形狀形狀包括兩個平行的側邊2和3，這兩個側邊在相反兩端處 分別通過半圓形部分4和5連接。切割/剪切頭6設置在外殼1內。頭6包括 兩個輥子7和8，這兩個輥子在它們之間限定出輥隙9。
輥子7是壓輥，并包括安裝在圓柱形支撐件11上的圓柱形胎(tyre) 10。 胎由橡膠或其他合適的材料制成。輥子8是刀片支架輥(blade housing roller )。 這種輥子包括圓柱形支架12。刀片凈皮保持在由諸如橡膠等的硬質但有彈性的 材料制成的刀片支架輥8中。兩個輥子7和8的直徑相同。支架12形成有 多個貫穿(through)的細長槽13,這些槽沿支架的圓柱體的軸向延伸，并 圍繞圓柱體外周間隔設置。支架12內設置了凸輪14，凸輪14通過花鍵(未 示出)安裝在凸輪軸15上。凸輪軸被設置成由步進馬達(未示出)以一定 速度范圍內的一個速度驅動。
多個刀片16(僅示出一個)與各自的槽13相關聯，并被設置成在凸輪 通過步進電機驅動的凸輪軸15而在支架內旋轉時，通過凸輪的動作使多個 刀片16按順序伸出穿過其相應的槽13,從而切割/剪切通過輥子7和8之間 形成的輥隙的纖維。當凸輪已經過每個刀片時，支架8的橡膠的彈性使得刀片返回到其內縮非工作位置。在此特定例子中，十六個槽13以22.5度的間 隔圍繞支架8的外周設置，并且十六個刀片與這些槽分別相關聯。然而槽13 和刀片16的數目可以根據需要而改變。由凸輪14提供的凸輪升程約為2mm 至3mm，但這也可根據需要改變。輥子7和8的直徑約為30mm，但這仍可 以根據需要改變。在此特定實例中，凸輪具有單個凸出部分，但如果需要更 短的纖維長度，也可利用多個凸出部分。
通常，纖維約lmm厚，因此切割刀片的凸輪升程必須足以切透纖維， 并且在壓輥(7 )方面具有約0.2mm的適應范圍(accommodation )。
輥子(7)和(8)的旋轉中心可被調節成，使得在所選纖維直徑上，輥 隙足以確保一致性，并滿足上述的切割控制標準。
在操作中，輥子7和8被以與凸輪軸速度無關的同一速度驅動。輥子表 面的圓周速度確定了通過輥子供給纖維的供給速率。通過改變驅動凸輪軸15 的步進電機的相對于輥子7和8速度的速度，在輥子之間被供給并由凸輪推 動的刀片切割/剪切的纖維的精確長度被確定，其中該凸輪推動的刀片延伸穿 過該刀片對應的槽。在纖維被切割/剪切時，輥子7和8將長度已變短的纖維 投向輸送槽。在所示的特定定向過程中，在槽位于比輥子7和8更低的位置 的情況下，重力將起到輔助作用。然而槽可高于輥子7和8。由切割/剪切輥 7和8產生的已變短纖維將在重力的作用下落向外殼的底部。纖維經過的路 線受從四個空氣噴射孔放出的空氣噴射的影響，該四個空氣噴射孔延伸穿過 外殼1的壁體，布置成分別設置在外殼1的上部和下部的兩對20和21。附 圖中僅示出了每一對中的一個孔。孔20設置成稍低于纖維從輥子7和8之 間被投出的水平面。通過孔20的空氣噴射被激活作為相對于機器頭部運動 (movement of the robot head)的拖尾分量(trailing element), 且通過孑L 21 的空氣噴射被激活作用在運動的前面(leading face )。通過孔20的空氣噴射 的目的M開纖維的長度。這種展開動作是在纖維仍部分地受輥子的夾持時 且在纖維被切割和脫離輥隙以及被投向輸送槽之前開始的。孔21設置在低 于孔20的水平面上。通過孔21的空氣噴射的目的是使長度已變短的纖維旋 轉到輸出槽22的方向且排列在輸出槽22之內，該輸出槽22被限定在平行 的壁2和3之間。槽22的尺寸、輥子7和8與槽22之間的距離，以及通過 孔20和21的噴射的空氣壓力被調節成適應纖維的長度，以及優化預期纖維 分布。應理解，以上實施例僅僅是通過舉例的方式進行描述，并且在本發明的 范圍內可進行許多變動。可采用替代真空的替代方式來保持排列好或實質上 排列好的已變短纖維。例如，碳纖維可被充電成帶靜電，而模具的表面接地， 使得產生相互的吸引力。
在另一替代方式中，碳纖維可浸漬有或涂布有鐵粉，而模具表面(電) 磁化。
在又一替代方式中，碳纖維可被涂布有相容的結晶環氧樹脂粉末，而模 具表面被加熱，使得在進行堆積時，碳纖維被保持在表面處，并且在粘結樹
脂完全被施加和凝固之前就開始模型的整合(integration )。
在又一替代方式中，利用同一機器切割/剪切、分布和對齊碳纖維，在堆 積的碳纖維的長度被已變短之前，施加一薄層的相容環氧樹脂。然后，并且 在粘結樹脂被完全施加和凝固之前，纖維被保持到表面上，并開始進行制模 處理。
權利要求
1.一種模制產品的制造方法，包括以下步驟向機器輸送頭部供應纖維，在長度上切割/剪切被供應的纖維，將預先限定的已變短長度的纖維輸送到模具，使得纖維被成沿所希望的方向和所需數量的層排列，從而實現所設計的厚度和強度，向排列好的纖維施加樹脂，并凝固樹脂，以形成所述產品。
2. 如權利要求1所述的模制產品的制造方法，其中，連續長度的纖維被 切割成較短的長度。
3. 如權利要求1或2所述的模制產品的制造方法，其中，所述樹脂被施 加從而覆蓋較短長度的纖維。
4. 如權利要求3所述的模制產品的制造方法，其中，樹脂的覆蓋操作是 將較短長度的纖維完全包住，并將該較短長度的纖維粘結在一起。
5. 如前述權利要求中任一項所述的模制產品的制造方法，其中，模具的 表面被部分地抽真空，以保持已變短纖維的排列或基本排列。
6. 如權利要求1至5中任一項所述的模制產品的制造方法，其中，所述 纖維是碳纖維，并且所述纖維和所述^f莫具的表面被充電成帶有靜電，從而在 它們之間產生吸引力。
7. 如權利要求1至5中任一項所述的模制產品的制造方法，其中，所述 纖維被浸漬有或涂布有磁性材料，并且所述模具被磁化以吸引涂布有磁性材 料的纖維。
8. 如權利要求7所述的模制產品的制造方法，其中，所述磁性材料是鐵粉。
9. 如權利要求1至5中任一項所述的模制產品的制造方法，其中，所述 纖維被涂布有環氧樹脂粉末，并且所述模具表面被加熱，使得在堆積時所述纖維被保持在所述模具上。
10. 如權利要求1至5中任一項所述的模制產品的制造方法，其中，一薄層環氧樹脂被施加到已變短纖維上，使得所述纖維在接觸到所述模具的表 面時被保持在所述模具的表面上。
11. 如前述權利要求中任一項所述的模制產品的制造方法，其中，所述已變短纖維的長度在10mm和120mm之間。
12. 如前述權利要求中任一項所述的模制產品的制造方法，其中，已變 短纖維的長度是14mm或28mm、或58mm或115mm，或以上長度的任意組 合。
13. 如前述權利要求中任一項所述的模制產品的制造方法，其中，施加 的纖維的量在每平方米400和4000克之間。
14. 如前述權利要求中任一項所述的模制產品的制造方法，其中，施加 的纖維的量是每平方米1500克或每平方米2500克。
15. —種模制產品，包括被切割成已變短長度的纖維，該已變短長度的 纖維沿相同方向排列或實質上沿相同方向排列，并涂布有^:固的樹脂。
16. 如權利要求15所述的模制產品，其中，所述纖維完全被包在樹脂中。
17. 如權利要求15或16所述的模制產品，其中，所述纖維的長度在 10mm和120mm之間。
18. 如權利要求15至17中任一項所述的模制產品，其中，所述纖維的 長度為14mm，或28mm,或58mm，或115mm，或其4壬意組合。
19.如權利要求15至18中任一項所述的模制產品，其中，施加的纖維量在每平方米400克和4000克之間。
20.如權利要求15至19中任一項所述的模制產品，其中，施加的纖維 量是每平方米1500克或每平方米2500克，或其任意組合。
全文摘要
一種模制產品的制造方法，其中，諸如碳纖維的纖維被施加到機器輸送頭部，纖維在此被切割成較短的長度，并沿所希望的朝向和希望數目的層被輸送到模具，以實現希望的厚度和強度。然后，樹脂被施加到排列的纖維，并被凝固以形成產品。可通過向模具施加真空，通過靜電方式，或通過在將纖維施加到模具以前將纖維涂以樹脂并加熱模具的表面，或通過將纖維涂以或浸漬以鐵粉并磁化模具，或通過在已變短纖維長度之前向纖維施加一薄層的環氧樹脂，來使纖維保持的排列或實質排列。纖維長度和堆積定額可根據需要而改變。該方法便于完全自動化制造過程，從而減少處理時間和部件成本。本發明還包括相應的模制產品。
文檔編號B29C70/30GK101588914SQ200780050135
公開日2009年11月25日 申請日期2007年11月16日 優先權日2006年11月18日
發明者安東尼·多德沃思 申請人:賓利汽車有限公司