具有集成金屬配件的熱塑性復合零件及其制作方法

專利名稱：具有集成金屬配件的熱塑性復合零件及其制作方法
技術領域：
0001本公開一般涉及制造復合材料零件的工藝，并且更具體地涉
及使用連續(xù)零件成形工藝制造具有集成金屬配件的熱塑性復合零件的方法。
背景技術：
0002存在許多工藝用于制造熱塑性復合(TPC)層壓板(laminate)。
除了諸如壓制、沖壓和壓熱成形等不連續(xù)工藝外，存在諸如擠壓、拉 擠、軋制以及壓模等連續(xù)工藝。最近，已經發(fā)展出了使用連續(xù)壓模 (CCM)工藝生產連續(xù)長度的TPC零件的工藝，這些TPC零件具有 沿它們長度變化的厚度和/或曲率。
0003將金屬配件附連到層壓板結構的需求增加了對在連續(xù)工藝中 制造TPC層壓板結構和零件的挑戰(zhàn)。例如在航空工業(yè)中，金屬配件可 用于將層壓板結構附連到飛行器的其它零件，或增強需要額外剛度的 層壓板結構的區(qū)域。過去，金屬配件首先被形成為分離的特征，然后 使用緊固裝置接合為層壓板結構。這種將金屬配件附加到層壓板結構 和零件的方法一般不劃算、需要額外的時間和材料并且給飛行器增加 了重量。在TPC和金屬配件之間形成結合接頭的工藝是存在的，然而 這些結合接頭必須在烤箱或高壓鍋內加工，能被加工的零件長度由于 可買到的設備的容量大小而受到限制。
0004因此，存在對在連續(xù)工藝中生產具有集成金屬配件的TPC結 構和零件的方法的需求。本公開的實施例的目的是滿足這種需求。

發(fā)明內容
0005本公開的實施例提供使用連續(xù)制造工藝制造具有集成金屬配 件的熱塑性復合層壓板零件的方法。所述零件可具有定制的和/或變化 的厚度以及曲率。所述工藝利用自動設備或手動層疊以將零件或組件
6排列成多層堆疊(stack)。每個堆疊包含所有層壓板片層，這些片層(ply) 包括片層組合區(qū)域，這些片層在合適位置被粘附在一起以保持取向和 位置。提供固結模具(tooling)，所述固結模具包含所有必需的零件特 征并且與定制的多重片層堆疊協(xié)調以形成潛在地具有不同厚度的區(qū)域 的單一整體式復合層壓板。由上述方法形成的具有集成金屬配件的復
合零件可廣泛用于各種應用，例如汽車和航空航天應用。
0006根據(jù)本公開的實施例，提供用于制造具有集成金屬配件的熱 塑性復合層壓板結構的方法。所述方法包括以下步驟形成包括熱塑 性復合材料的多重片層堆疊和至少一個金屬配件的層疊；供應所述層 疊穿過壓力機；以及，使用所述壓力機固結所述片層和所述配件。在 所述金屬配件和一個所述片層之間引入熱塑性材料的薄膜以改善結 合。所述堆疊的所述片層可被粘附起來以便在制造工藝期間保持它們 的相對取向。在所述金屬配件和所述層壓板結構之間的接合件(joint) 可以采用各種形式，包括雙搭接頭、嵌接(scarf)、臺階搭接以及槽接
(rabbet)，僅舉幾個例子。包括所述金屬配件的所述層疊被放置在模 具之間，所述模具被連續(xù)移動通過預成型操作和固結操作。在所述預 成型操作中所述層疊被預成型為所述層壓板結構的所述近似形狀。預 成型后，所述片層和金屬配件在壓縮壓力機中被固結。
0007根據(jù)另一個實施例，提供用于在連續(xù)工藝中制造具有金屬配 件的熱塑性復合層壓板零件的方法。所述方法包括以下步驟排列熱 塑性復合材料的多重片層；提供用于所述零件的金屬配件；形成多個 層疊，每個層疊包括被排列的所述片層和至少一個所述金屬配件；將 每個所述層疊預成型為所述零件的近似形狀；以及，通過逐漸移動所 述層疊穿過連續(xù)壓模壓力機來固結所述片層和所述金屬配件。所述片 層被配置為在每個所述堆疊的所述金屬配件與層壓板片層之間形成所 選擇幾何形狀的結合件。包含所述金屬配件的所述層疊被放置在模具 之間，所述模具被配置為在所述固結工藝期間將特征賦予預成型的所 述層疊。在固結工藝期間預成型的所述層疊被至少加熱到所述片層材 料中的基體樹脂成分的自由流動溫度。所述金屬配件被清洗且隨后被 涂漆，接著施加樹脂薄膜到所述配件的涂漆表面，以便改善結合。
0008根據(jù)另一個實施例，通過連續(xù)制造工藝來生產熱塑性層壓板零件，每個零件具有至少一個集成金屬配件。所述工藝包括以下步驟: 形成多個層疊，每個層疊包括熱塑性復合材料的多重片層和至少一個 金屬配件的粘附堆疊；在每個所述層疊之上放置一組模具；連續(xù)移動
所述層疊穿過預成型工作臺；將預成型工作臺處的每個所述層疊預成 型為所述零件的近似形狀；連續(xù)移動帶有預成型的所述層疊的所述模 具穿過壓力機；以及，隨著所述模具移動穿過所述壓力機，通過壓縮 所述模具的接續(xù)部分來固結所述配件和所述層疊內的所述片層。可以 通過排列和粘附所述片層來形成所述層疊，使得所述片層彼此之間以 及與所述金屬配件之間保持固定關系。包含所述層疊的所述模具被逐 漸移動穿過所述壓力機，使得所述壓力機固結所述層疊的接續(xù)部分。0009當結合附圖和隨附的權利要求進行考慮時，所公開的實施例 的其它特征、好處和優(yōu)點在隨后的實施例描述中將會變得明顯。


0010圖1是根據(jù)本公開的實施例形成的熱塑性復合層壓板的組合
分解和透視圖。
0011圖2是用于形成定制的多層堆疊的傳送機臺的透視圖。0012圖3是圖2中形成的定制的多層堆疊的一個示例的透視圖。0013圖4描述了用于形成圖1中熱塑性復合層壓板的固結結構的 預成型區(qū)和固結區(qū)。
0014圖5是圖4中固結結構的預成型區(qū)的透視圖。0015圖6是邏輯流程圖，該邏輯流程圖描述了根據(jù)圖2-圖5用于 形成圖1中熱塑性復合層壓板的優(yōu)選方法。
0016圖7a-圖7f是描述根據(jù)本公開的實施例形成的彎曲的熱塑性復 合層壓板零件的一個示例的透視圖。
0017圖8是熱塑性復合材料的定制的多層堆疊的透視圖，其中從 堆疊中切出三個彎曲零件坯體。
0018圖9是根據(jù)本公開的實施例用于形成彎曲熱塑性復合零件的 模具的透視圖。
0019圖IO是用于將特征賦予彎曲熱塑性復合零件的彎曲模具的透 視圖。0020圖11是圖10中示出的模具的仰視圖。
0021圖12是示出被接收在模具的兩部分之間的一部分彎曲復合零 件的斷片橫截面圖。
0022圖13是熱塑性復合I形截面梁的分解橫截面視圖，其示出與 用于壓緊層壓板片層的模具和機器壓模的操作關系。
0023圖14是在生產彎曲復合零件的方法中使用的預成型結構和一 部分緊致壓力機的透視圖。
0024圖15是類似于圖14的視圖，但示出了預成型結構和壓力機 的相對側。
0025圖16是通過壓力機所做的截面圖，示出了使用固結模具 (tooling)壓縮預成型零件的模(die)。
0026圖17是壓力機的一部分的斷片圖，示出了與用于生產具有常 曲率的零件的模具套筒相關的彎曲模子。
0027圖18是類似于圖17的視圖，但示出了用于生產具有非均勻 曲率的零件的模具套筒。
0028圖19-圖23是在熱塑性復合層壓板和金屬配件之間形成的不 同接合件的橫截面圖。
0029圖24是根據(jù)本公開的實施例用在制造具有集成金屬配件的熱 塑性復合層壓板的方法中的步驟的圖解視圖。
0030圖25是具有位于固結模具之間的集成金屬配件的層壓板結構 的橫截面圖。
0031圖26是示出了要供給連續(xù)壓模機的層疊和固結模具的透視圖。
具體實施例方式
0032本公開的實施例提供在連續(xù)工藝中形成具有一個或多個集成 金屬配件的熱塑性復合("TPC")層壓板結構或零件的新型制造方法。 TPC結構沿它們長度可具有變化的或定制的厚度和/或曲率。本實施例 廣泛適用于各種潛在應用，包括例如航天工業(yè)。優(yōu)選的實施例理想地 適于形成飛行器機身的支撐框架內的熱塑性復合加強構件。熱塑性復 合加強構件的潛在示例包括但不局限于機身蒙皮、機翼蒙皮、控制表 面、門板以及觀察板。加強構件包括但不局限于龍骨梁、橫梁以及甲板梁。
0033現(xiàn)在參考圖1，熱塑性復合層壓板(此處為具有定制的和變化
的厚度的區(qū)域tl和t2的熱塑性復合層壓板橫梁20)被描述為具有腹板 區(qū)域22，腹板區(qū)域22在每一端都被連接到各自成對的蓋區(qū)域24上。 通過將一對非均勻厚度的粘附的多層片層板堆疊76與一對熱塑性復合 填充物熔核26以及進一步與一對均勻厚度的粘附的多層片層板堆疊 74固結，腹板區(qū)域22和成對的蓋區(qū)域24被形成為單個集成的層壓板 結構。雖然板堆疊76被示為包括兩個片層，但應該理解的是，根據(jù)應 用，板堆疊74和76的每一個可包括任意數(shù)量的片層。還應該理解的 是，在圖1中被示為具有均勻厚度和一個片層的蓋區(qū)域24可類似地具 有變化厚度的區(qū)域和/或多個片層。
0034在可替代的版本中(未示出)，通過以類似與此處描述的方法 將一個或多個均勻或非均勻的粘附的多層片層板74、 76與熱塑性復合 材料30的任一個或多個單片層(在圖2和圖3中示為32)、熱塑性材 料30的一個或多個局部片層(在圖3中示為34)或一個或多個均勻或 非均勻厚度的粘附的多層堆疊74、 76及其任意結合固結起來，可以替 代性地形成諸如橫梁20的熱塑性復合層壓板。此外， 一個或多個填充 物熔核26也可以以其組合形式被用于形成熱塑性復合層壓板20的進 一步可選的版本，用于形成如圖1所示的熱塑性復合橫梁20的方法在 下面結合圖2-圖6更具體地來描述。
0035用于片層32、 34的熱塑性材料30包括熱塑性基體聚合物(在 圖3中示為40)，諸如聚醚醚酮("PEEK")、聚醚酮酮("PEKK")、聚 苯硫醚("PPS")、聚醚酰亞胺("PEI")，其優(yōu)選用諸如玻璃(s型或e 型)或碳素纖維的纖維成分(在圖3中示為38)進行加強。根據(jù)具體 應用，熱塑性材料30的每個片層32、 34內的纖維38可以是單向的或 非均勻排列的。如本領域技術人員所認識到的，基體樹脂40內纖維38 的相對類型、厚度、數(shù)量以及被用于每個片層32、 34的基體樹脂的類 型可根據(jù)許多因素極大地改變，這些因素包括熱塑性復合層壓板20的 成本以及最終所需的物理和機械特性。此外， 一個片層32、 34中的單 向纖維相對于另一個片層32、 34的相對取向也可影響熱塑性復合層壓 板20的機械特性。0036借助擠壓或其它熟知的成型工藝，可以優(yōu)選由與熱塑性材料
30兼容的熱塑性材料37形成熔核26。優(yōu)選地，熔核26的基體樹脂成 份42與材料30的基體樹脂成份40相同。此外，填充物熔核26可使 用與熱塑性材料30中包含的纖維38相似的纖維44。
0037現(xiàn)在參考邏輯流程圖(圖6)和工藝圖(圖2-5)，用于形成圖 1中的TPC層壓板橫梁20的方法從步驟150開始，該步驟提供熱塑性 材料36的預成型片層32、 34和預成型填充物熔核26，預成型片層32、 34和預成型填充物熔核26都被保留在滾筒46或其它保留裝置上。
0038接下來，在步驟160，熱塑性材料36的多重片層32、 34以所 需構形被堆疊起來，以便使用手工層疊或自動工藝形成非均勻厚度或 均勻厚度的未粘附的多層片層板堆疊58或60。
0039在自動工藝中，如圖2所示，熱塑性材料的多個片層32或34 (圖3)從滾筒46上鋪展到傳送機臺48上以形成被排列的多層非均勻 厚度或均勻厚度的多層片層堆疊58或60。滾筒46可位于一端50或沿 傳送機臺48的側邊52、 54以便相對另一個鄰近片層32、 34以特定取 向放置相應的片層32、 34。因此，例如完整片層32的下層可被放置為 具有沿一個方向延伸的單向纖維38，而下一個相應的上完整片層32 可具有以另一個方向(例如，相對于下片層32成45度或90度)放置 的單向纖維38。位于傳送機臺48之上的激光投影儀56確保局部或部 分片層34和/或袋區(qū)(pocket) 36相對于完整片層32的正確定位。0040圖3中示出根據(jù)圖2的工藝制造的未粘附、非均勻厚度的多 層板堆疊58的示例，其示出了多種完整片層或部分片層32、 34并進 一步示出在片層32、 34之間生成的袋區(qū)36。此外，圖3示出了具有相 互之間以90度的相對取向放置的單向纖維38的部分片層62、 64，此 處示出了以第一個取向放置的部分片層62 (纖維38從前部66延伸到 后部6S)，而部分片層62以不同的取向(纖維38從側邊70延伸到側 邊72)放置。當然，雖然沒有示出，片層可具有相互之間處于其它相 對取向的纖維38，從相互垂直(也就是0/90布置)到相互平行(也就 是0/0布置)以及它們之間的每個可能角度(包括，例如0/30取向、 0/60、 0、 45、卯取向等等)。
0041接著，在步驟170，圖2中形成的未粘附的堆疊58、 56的各種片層32、 34中的一些或全部可在各種預定的位置粘附在一起以形成 均勻或非均勻厚度的粘附的多層片層板堆疊74、 76。優(yōu)選地，使用焊 鐵或超聲焊接機(未示出)來將堆疊58、 60粘附起來以便形成各自的 堆疊74、 76，雖然也特別預期本領域技術人員熟知的、用于將熱塑性 材料的各種片層32、 34耦合在一起的其它裝置。片層32、 34之間的 定位焊的數(shù)量和位置取決于許多因素，包括但不局限于各種片層32、 34以及袋區(qū)64的數(shù)量和位置。此外，定位焊的數(shù)量應足夠以形成基本 上集成的粘附堆疊74、 76，其可以作為單一部分被運輸。
0042在步驟175，粘附堆疊74、 76隨后可被切成小片，或準備好 用于形成諸如圖1的橫梁20的熱塑性復合層壓板。
0043接下來，在步驟180，至少一個均勻或非均勻厚度的粘附堆疊 74、 76和非均勻厚度的粘附堆疊76、均勻厚度的粘附堆疊74或單一 片層32中的至少一個，以及可選的熱塑性材料30、 37的至少一個填 充物熔核26的組合在固結結構78中被熔在一起以形成諸如橫梁20的 單一集成的熱塑性復合層壓板。特別被設計用于形成圖1的熱塑性復 合層壓板橫梁20的一個優(yōu)選的固結結構78在下面的圖4和圖5中被 描述。
0044現(xiàn)在參考圖4和圖5，固結結構78可包括預成型區(qū)80和固結 區(qū)82。在預成型區(qū)80，至少一個均勻或非均勻厚度的粘附堆疊74、 76、 可選的至少一個填充物熔核26以及非均勻厚度的粘附堆疊76、均勻厚 度的粘附堆疊74或圖2和圖3中熱塑性材料的單一片層32中的至少 一個的組合在連續(xù)工藝中以它們正確的方向被載入，且在高溫下被預 成型為期望的形狀以形成預成型零件84。預成型零件84隨后退出預成 型區(qū)80而且進入固結區(qū)82，其中預成型零件84被固結以形成諸如在 上面圖1中描述的橫梁20的單一集成的熱塑性復合層壓板。用于預成 型該零件的高溫應該足夠高以引起粘附堆疊74、 76或單一片層32的 軟化，使得這些層在預成型工藝中可以被彎曲。然而，該高溫必須低 于基體樹脂40、 42的聚合物成份具有粘性流體的粘稠度的溫度。
0045現(xiàn)在參考圖5，固結結構78的預成型區(qū)80包括一對U形的 模具通道86，模具通道86具有被間隙90和一對側邊模具板構件92 分開的中間部分88。板構件92也可被稱為芯棒92。優(yōu)選地，通道86和側邊模具板構件92由諸如不銹鋼等材料形成，這些材料能夠應對重 復的高熱循環(huán)。
0046粘附堆疊74或76的第一對94在各自的中心部分88之間被 引入并進入U形通道86的間隙90內。同時，可選的填充物熔核26以 及附加的粘附堆疊74或76或片層32沿第一對94的每個凸緣96被引 入并進入各自的側邊模具構件92內。為了在接下來的段落中根據(jù)圖4 和圖5的圖例進行說明，非均勻厚度的粘附堆疊76被示為引入到間隙 90內的第一對94。均勻厚度的粘附堆疊74被示為在U形通道86的外 部98和相應的側邊模具構件92之間的位置被引入。此外，片層32沒 有在本說明中被描述。盡管未示出，但U形通道86包括斜坡和其他特 征，設計斜坡和其他特征是為了匹配特定材料(此處指非均勻的粘附 堆疊76的第一對94)的層壓板的厚度變化(對應于圖1中的tl和t2)。
0047隨著粘附堆疊74、 76和熔核26穿過預成型區(qū)80移向固結區(qū) 82， U形通道86的任一邊上的非均勻厚度的粘附堆疊76的第一對94 的凸緣96在熱和壓力作用下遠離彼此并朝向U形通道86的各自外部 98向外彎曲。因此凸緣96抵頂均勻或非均勻厚度的粘附堆疊76的內 側而平直地耦連起來，其中熔核26位于凸緣96和均勻或非均勻厚度 的粘附堆疊76各自的內端之間。預成型區(qū)80內的熱量足夠高以允許 非均勻厚度的粘附堆疊76的凸緣96變形，但是低于一定的溫度，在 該溫度下各自的堆疊74、 76的基體樹脂40、 42的聚合物成份和熔核 26具有粘性流體的粘稠度。通過由諸如滾筒(未示出)的外部成型裝 置施加到凸緣96上的壓力來開始凸緣96的彎曲。側邊模具板構件92 擠壓粘附堆疊74向內抵頂邊緣96，引起施加到凸緣96上的附加壓力， 該附加壓力輔助彎曲凸緣96。預成型零件84隨后準備好移向固結區(qū) 82。
0048在圖4中最清晰地看到，預成型零件84進入分離的或連接的 固結結構102，固結結構102在引導滾筒105上的固結區(qū)82內。固結 結構102包括一般被標為104的多個標準化模具(tooling)或模(die), 這些模具分別與U形通道86的外表面和側邊模具板構件92匹配。模 具104的額外細節(jié)隨后將參考圖13和圖16進行討論。在固結結構102 的標準模104和通道86以及板構件92的外表面之間的表面的這種通用性消除了對部分專用的昂貴的匹配模具的需求，也消除了具有不同 片層配置的不同預成型零件之間的啟動時間。
0049固結結構102具有脈動結構106，脈動結構106在固結區(qū)82 內逐漸向前移動預成型零件84且遠離預成型區(qū)80。當零件84向前移 動時，該零件首先進入加熱區(qū)108，加熱區(qū)108加熱零件到一定溫度， 該溫度允許堆疊74、 76的基體樹脂40、 42的聚合物成份和熔核26的 自由流動。接下來，零件84向前移動到加壓區(qū)112，此時以預定的作 用力(壓力)全部或分別擊落標準模104，該預定的作用力(壓力)足 夠將粘附堆疊74、 76的各種片層32、 34以及熔核26固結(也就是允 許基體樹脂自由流動)成所需的形狀和厚度，這里形成橫梁20的腹板 區(qū)22和成對的蓋區(qū)24。每個模104被形成為具有帶有絕熱器的多個不 同溫度區(qū)。模104實際上不接觸零件84，但接觸與零件84相對的U 形通道86和側邊模具板構件92的外表面。因此，通道86、 92的各自 內表面壓縮抵頂零件84的一部分。壓縮可發(fā)生在所有的模104以獨立 且協(xié)調的步驟進行壓縮的情況下。模104被打開，零件84在固結區(qū)102 內前進并遠離預成型區(qū)80。然后模104被再次關上，允許零件84的一 部分在壓力作用下在不同溫度區(qū)內被壓縮。當零件84沿引導滾筒105 向冷卻區(qū)114逐漸推進時，針對模104的每個溫度區(qū)不斷重復工藝。
0050成型和定形的零件84隨后進入冷卻區(qū)114，冷卻區(qū)114與加 壓區(qū)112分離，其中溫度被降低到基體樹脂40、 42的自由流動溫度之 下，從而導致熔化的或固結的零件被硬化為最終受壓形狀116。受壓零 件116隨后退出固結結構102，其中側邊板構件92被作為廢料再次軋 到滾筒120上。
0051盡管沒有示出，但固結結構102可具有將形狀或特征引入受 壓形狀116的額外零件或裝置。
0052可利用的一種優(yōu)選的固結區(qū)結構102是所謂的連續(xù)壓模 ("CCM")工藝，此工藝在1993年9月30日公開的德國專利申請公 開4017978中被描述。然而，本公開特別預期本領域普通技術人員熟 知的其它成型工藝，包括但不局限于擠壓成型或滾軋成型。0053接下來，在步驟190，受壓零件116被修剪或后處理成期望的 最終形狀以形成熱塑性復合層壓板20。在步驟200，優(yōu)選使用超聲波無破壞檢測技術或通過其它手段從視覺上檢查層壓板20，以確保層壓
板20被正確成形且不包括任何視覺缺陷或其它。檢査后，在步驟210， 諸如熱塑性復合橫梁20的層壓板20可被安裝到它的組件。在橫梁20 的例子中，它被引入飛行器機身內。
0054雖然從形成基本具有I形梁形狀的熱塑性復合橫梁20的方面 描述了本公幵的實施例，但本公開特別預期其它潛在的形狀。這包括 具有L形、C形、T形或者平板形的熱塑性復合層壓板，其中厚度過 渡可發(fā)生在該零件的任意部分。通過將一個或多個均勻或非均勻粘附 的多層片層板74、 76與熱塑性復合材料30的一個或多個片層32、熱 塑性材料30的一個或多個局部片層34固結起來或一個或多個均勻或 非均勻粘附的多層粘附堆疊74、 76及其任意組合以類似與此處描述的 方法固結起來，可形成這些替代形狀的層壓板，或者其它形式的橫梁 20。此外， 一個或多個填充物熔核26也可用于形成熱塑性復合層壓板 20的附加可替換版本。為了完成這些可替換的優(yōu)選變體中的任意變體， 對于預成型區(qū)80內模具的修正是必須的，以便匹配TPC層壓板20的 期望厚度變化。例如，圖5的U形模具86專用于形成諸如圖1的橫梁 20的I形梁，具有間隙90的可替代成形模具86被用于形成C形層壓 板、L形層壓板或在各個片層間具有錐度的平面梁。與U形模具86類 似，這些可替換的模具包括不接觸堆疊74、 76的區(qū)域，堆疊74、 76 與固結區(qū)102內的標準模104相匹配。
0055雖然通過使用改良的單步固結區(qū)，本實施例理想地適用于形 成熱塑性復合層壓板，但也能形成熱固性層壓板復合物。在固結工藝 的改良版本中，加熱區(qū)和加壓區(qū)達到高于基體樹脂的反應或固化溫度 的溫度以形成熱固零件。相應地，在沒有隨后擠壓步驟的情況下，單 一加壓工藝實現(xiàn)具有其最終期望形狀的零件。
0056本公開的實施例提供新型方法以在連續(xù)工藝中制造具有定制 的和變化厚度的復雜熱塑性復合層壓板。該新型方法使用自動化設備 或手工層疊以便將零件或組件排列成多層堆疊。每個堆疊包含所有片 層，這些片層包括片層組合區(qū)域，這些片層在合適位置被粘附以保持 取向和位置。固結結構使用二階段方法來從多層堆疊形成復合層壓板， 并且包含所有必需的零件特征以達到這個結果。模具(諸如在預成型區(qū)80內的U形模具86)被生成具有合適的形狀以便在形成的TPC層 壓板20內產生所需的厚度變化，且進一步設計用于匹配具有固結區(qū)82 的標準模。
0057由上述方法形成的復合部件可適用于一系列廣泛的應用，包 括例如汽車和航空航天應用。根據(jù)本公幵形成的復合部件的一個示例 理想地適合用作商用飛行器內的結構加強構件，包括熱塑性復合層壓 板橫梁20。
0058現(xiàn)在參考圖7-圖15，可替換的實施例可被用于制造熱塑性層 壓板零件，該熱塑性層壓板零件都是彎曲的并且沿它們長度具有定制 的和/或變化的厚度?？梢陨a出沿層壓板部件的長度曲率不變(圓形 的)或變化的彎曲層壓板。就之前描述的實施例而言，彎曲的熱塑性 層壓板零件可包括定制區(qū)域或通過附加部分片層或局部片層而實現(xiàn)的 厚度變化的區(qū)域，或者包含袋區(qū)的區(qū)域。"定制的"或"定制"涉及零 件表面的輪廓，其中在緊致工藝中片層被固結后，選擇性增加或減少 零件的特定區(qū)域內的片層可用于實現(xiàn)期望的表面輪廓。由該方法的這 一實施例生產的彎曲部件可用于各種應用，諸如框架、環(huán)、成形器和 結構飛行器加強構件或機身蒙皮、翼蒙皮、門板和檢修面板、龍骨、 橫梁以及甲板梁。彎曲部件能生產成具有諸如圖7a-圖7f所示的各種橫 截面。具有I形截面的制成零件212在圖7a中示出，具有U形截面的 零件214在圖7b中示出。L形截面零件216在圖7C中示出，T形截 面零件在圖7d中示出。具有Z形截面的零件220在圖7e中示出，具 有簡單矩形截面的零件222在圖7f中示出。圖7a-圖7f中示出的零件 可具有前述不變或變化的曲率，并且可包括在沿它們長度的一點或多 點上變化的或定制的厚度的區(qū)域。
0059根據(jù)本方法的這一實施例制造彎曲熱塑性層壓板零件的首要 步驟類似于之前描述的那些步驟。多個熱塑性材料片層被放置在傳送 機臺上以形成被排列的、多層非均勻厚度或均勻厚度的多片層堆疊， 如前面結合圖2所述。生成的多層堆疊因此類似于圖3中所示的堆疊 58，該堆疊58包括完整片層和局部片層32、 34以及在片層32、 34之 間生成的袋區(qū)36。也可包括局部片層62、 64，該局部片層62、 64具 有單向纖維38，該單向纖維38相對于纖維取向的方向以交替的角度排列。如前所述，使用焊鐵或其它加熱裝置(未示出)將多層堆疊58內 的板粘附在一起，使得片層相互之間保持為固定關系。由前述方法生
產的被排列的粘附堆疊224在圖8中示出。
0060本方法用于生產彎曲復合零件的下一步包括從被排列的堆疊 224中切割出單個零件片層堆疊或零件毛坯226。例如，可通過在計算 機控制下操作噴水切割器(未示出)來執(zhí)行這一切割操作，該操作生 產出具有大致對應于期望零件曲率的外輪廓的被切割毛坯226。如前所 示，該曲率沿零件毛坯226的長度可以不變或變化。
0061零件毛坯226連同后面描述的一組固結模具235 —起以類似 于前述關于生產非彎曲復合物零件的方式被供應給預成型工作臺275
(圖14和圖15)。然而，就當前實施例而言，當固結模具235和毛坯 226被供應給預成型工作臺275時，它們移動經過彎曲的路徑。
0062固結模具235在圖9中示出并且包括彎曲的內外模具套筒228、 230以及上下模具套筒232、 234。上下模具套筒232、 234都具有與毛 坯226的曲率相對應的曲率，而內外模具套筒228、 230可以是類似彎 曲的或柔性的以便在預成型工藝中符合零件毛坯226的曲率。在圖9、 圖14和圖15所示的示例中，模具套筒228-234被配置為生產圖7e所 示的Z形截面零件220。雖然在附圖中沒有特別地示出，模具套筒 228-234的零件-側邊表面包括在零件內生產鏡像特征的模具特征，諸 如變厚度、變曲率、袋區(qū)等等。
0063現(xiàn)在特別參考圖14和圖15，在將毛坯以彎曲路徑280供應給 包括多個成型裝置268和一組引導裝置270的預成型工作臺275之前， 上下模具套筒232、 234被裝配成圍繞零件毛坯226?？梢钥闯隽慵?坯226包括平坦的粘附堆疊262，堆疊262包括Z形截面零件220的腹 板220a和蓋220b (圖7e)，以及形成梁腹板220a的局部加強的一組組 合片層264。
0064當包含零件毛坯226和工具套筒232、 234的夾層組件被供應 給預成型工作臺275時，內外模具套筒228、 230被供應與該夾層組件 接觸。成型裝置268使毛坯226的邊緣部分變形抵頂工具套筒232、234 上的凸緣265，從而預成型Z形截面零件220的蓋220b。同時，附加 的蓋加強片層266被供應到成型裝置268和模具凸緣265之間。引導裝置270使得內外模具套筒228、 230與毛坯226的邊緣接觸，毛坯226 的這些邊緣形成蓋220b。預成型毛坯226與模具套筒235 —起繼續(xù)在 彎曲路徑280內移動穿過諸如CCM機的彎曲壓力機284，彎曲壓力機 284包含在固結模具235上施加作用力的模。此作用力導致預成型零件 的片層的緊致和固結。雖然沒有在附圖中具體示出，但根據(jù)需要可提 供加熱器或烤箱以將零件毛坯226加熱到一定溫度，該溫度下零件毛 坯226內的基體樹脂的聚合物成份具有粘性流體的粘稠度。以這種方 式對零件毛坯226的加熱有利于片層的固結。某些情況下，也可能需 要對零件毛坯226預熱以便利預成型工藝。對零件毛坯226的預熱的 需求取決于許多因素，諸如片層的數(shù)量、片層取向、材料類型、要預 成型的形狀等。
0065壓力機284基本類似于前面關于圖4所述的壓力機。然而和 圖4中示出的壓力機不同，在壓力機284中使用的模將包括一定的曲 率以適應彎曲的預成型零件226。 一個這種模286在圖17中示出，從 中可以看出模286的內表面296具有一定的曲率，該曲率與上模具套 筒232上的凸緣265的曲率相匹配。模286沿箭頭288的方向向內移 動，在緊致工藝期間接觸凸緣265，并且與另一個彎曲模(未示出)相 對，該彎曲模移動接觸內模具套筒228。壓力機284中使用的模的曲率 大小部分地取決于要生產的彎曲零件的形狀和加工零件的特征所必需 的模具套筒的形狀。模286的外表面298可以如圖17所示是彎曲的， 或者可以是平坦的。預成型零件在彎曲路徑280內移動，逐漸穿過壓 力機284。當零件的移動在每個遞增步驟暫停時，壓力機模在模具套筒 235上施加熱和壓力，導致位于模下面的片層的一部分的固結。
0066如前所示，層壓零件沿它的長度方向可具有變化的而不是不 變的曲率，并且在這一方面可以參見圖18。用于壓緊彎曲預成型零件 292的模286具有不變的彎曲內表面296，彎曲內表面296銜接模具套 筒2卯的外表面300。模具套筒290的外表面300具有與模286的內表 面296的曲率相匹配的不變的曲率，但是具有以一定半徑彎曲的內表 面302，此半徑與模具套筒290的外表面300的半徑不同，導致零件 292具有非恒定的外半徑。
0067彎曲的熱塑性層壓板零件236的另一個示例在圖10和圖11中示出，其中該零件具有沿其長度的彎曲且具有橫截面為u形的本體 238。本體238具有一對傾斜的斜坡240，斜坡240形成本體238的厚 度過渡，使得零件236沿它的長度具有三個不同厚度的部分。另外， 本體238的正面具有袋區(qū)或凹陷242，該袋區(qū)或凹陷242表示零件236 內厚度減小的區(qū)域。本體238的不同厚度由tl、 t2、 t3表示，而袋區(qū) 244的厚度由t4表示。雖然零件236具有不變的內外曲率，應該理解 該曲率可沿零件236的長度變化。
0068圖12示出了保持在模具套筒246、 280內用于固結零件片層 的一部分零件236?？梢钥闯隽慵瑢?36具有片層組合區(qū)域252，該 片層組合區(qū)域252有效地增加了本體238的厚度，并產生斜坡240。模 具套筒包括釋放涂覆金屬墊片246和具有用于形成斜坡240的坡道的 外固結模具部分248。如圖12所示，模具套筒248的上側是平坦的， 以便可以與通用模銜接，通用模諸如圖13所示的模256中的任一個。
0069圖13示出了根據(jù)公開的實施例制造的彎曲零件212的另一個 示例。零件212包括具有I形橫截面的彎曲梁。常規(guī)加工模256可以被 用于固結沿它們的長度具有曲率和變化厚度的零件。在這一示例中， 模具套筒包括一對金屬平板或墊片260和橫截面大致為U形的一對模 具套筒258。平板260輔助形成零件212的蓋，而套筒258起到形成零 件212的蓋部分和腹板的作用。面對零件212的套筒258的表面可具 有諸如凸起區(qū)域或斜坡的模具特征，這些模具特征將鏡像特征賦予零 件212。雖然在圖13中未被特定示出，但板260和模具套筒258沿它 們長度可以是彎曲的，以便形成也是彎曲的零件212。
0070在某些情況下，可能期望將一個或多個金屬配件集成到任意 上述TPC層壓板結構中，包括沿長度具有曲率和/或定制或變化的層壓 板厚度的層壓板結構。具有集成金屬配件的TPC層壓板結構的潛在應 用包括梁、柱、框架、環(huán)、成型器、蒙皮以及其它結構加強構件。根 據(jù)本公開的實施例，作為用于制造前述結構的連續(xù)工藝的一部分，可 以將金屬配件集成到前述TPC層壓板結構中。
0071現(xiàn)在參考圖19-圖23，根據(jù)下面將更詳細討論的方法可以使諸 如圖19示出的金屬配件304的金屬零件或配件和TPC層壓板結構306 鍵合并整體成型。結構306內的TPC復合材料可包括，例如但不局限于，AS4D/PEKK。根據(jù)應用，金屬配件304可由任意合適的材料構成， 例如但不局限于鋁或鈦。根據(jù)配件304的應用和目的，金屬配件304 可具有任意不同的幾何形狀和特征。在圖19示出的應用情況中，金屬 配件304起到"加倍器(doubler)"的作用，其加強了 TPC層壓板結 構306的位置部分。
0072圖20描述了在兩個TPC層壓板312、314之間的雙搭接頭316。 一對金屬配件308、 310被整體鍵合到層壓板312、 314的相對面，覆 蓋搭接頭316。
0073圖21描述了 TPC層壓板320和金屬配件318之間的嵌接頭 322的用法。
0074圖22描述了金屬配件324和TPC層壓板326之間的臺階搭接 頭328。金屬配件324包括沿其一個邊緣的一系列對稱臺階325，臺階 325互補地容納層壓板326的一個或多個獨立層327。
0075圖23描述了在金屬配件330和TPC層壓板332之間形成的槽 接頭334。
0076圖19-圖23中描述的接合或接頭僅僅代表可用于實施本公開 的實施例的眾多接合結構和幾何形狀。
0077現(xiàn)在參考圖24-圖26，連續(xù)制造具有集成金屬配件的TPC層 壓板結構或零件的方法開始于原始材料和零件的供應，在圖24中示為
"步驟A"。這些材料包括帶有作為基體樹脂(或其他TPC復合材料) 的PEKK (聚醚酮酮)的纖維增強復合材料338、 PEKK薄膜340以及 金屬配件336。增強復合材料338可以是單向的或織物預浸的形式。金 屬配件336可由鈦或其它合適的金屬加工而成。配件336被清洗并且 高溫粘結底漆被施加到配件336的鍵合表面上。附加組件(未示出) 諸如用于制造圖1所示的I形梁的填充物熔核26 (圖5)被擠壓或模鑄 為離散的長度。
0078接下來，在"步驟B"，準備層疊345，其包括金屬配件342、 343、 350、多重TPC片層346以及PEEK薄膜層344、 348。 PEKK薄 膜層340被施加到金屬配件342、 343以及350的涂漆鍵合表面。根據(jù) 接合類型和具體應用，可使用自動工藝或手工層疊來生成定制的堆疊， 該堆疊包括來源于材料338的加強復合材料的多重片層346，多重片層346可以是線圈狀。前述自動工藝產生用于各種層疊構形的多個零件或 組件的材料毛坯?？梢允褂们笆龅募訜峄虺暫附友b置將堆疊內的片
層336在多個位置粘附在一起。在圖24所示的特定實施例中，使用圖 20-23中示出的任意接合件(或其它接合形式)將配件342、 343接合 到片層346的堆疊的末端上，并且金屬配件350被定位在片層346的 頂上而且在成品零件中起到加倍器的作用。
0079如圖24中"步驟C"所示，層疊345被定位在前述類型的固 結模具352之間。固結模具352可包括表面特征，這些表面特征被轉 移到層壓板片層346以便生成厚度剪裁、厚度變化以及曲率或其它零 件特征。這些零件特征包括可能包括袋區(qū)以容納配件342、 343和350 的特征，以及片層組合斜坡、零件曲率等。與CCM機368匹配的模具 352的側邊具有恒定的大小和形狀以便與CCM機368上的標準模匹配。 模具352上的特征的位置與片層346的堆疊的特征相一致。之前所示 類型的薄鋼板(未示出)可用在層疊346的非模具側。
0080圖24中的"步驟D"和圖25更好地描述了模具352和層疊 345之間的關系。固結模具352包括與層疊345的相對側銜接的模具構 件358、 360。模具構件358、 360通過壓盤354、 356銜接起來，壓盤 354、 356擠壓模具構件358、 360以固結層疊345的片層346。模具358 中的一個包括袋區(qū)，該袋區(qū)具有與加倍器配件350的形狀相匹配的形 狀。第二個模具構件360的兩個相對面是光滑的。
0081如圖26所示，層疊345與模具構件358、 360沿箭頭347的 方向供應給CCM機368。雖然在圖26沒有具體示出，層疊345與固 結模具構件358、 360可穿過諸如圖5示出的預成型工作臺，在那里層 疊345預成型為最終零件366的近似形狀。
0082CCM機368將包括配件342、 343、 350的層疊345固結為結 實的單片零件。層疊345和固結模具352連續(xù)地移動，逐漸穿過CCM 機368，使得當層疊345被移動每個遞進步時，壓盤354、 356將壓力 施加到模具352的接續(xù)部分。應該注意可以使用其它固結工藝，諸如 那些使用熱壓機的工藝(未示出)。
0083如圖24所示，在"步驟E"，固結后，從固結零件366中移除 模具352并且修剪零件366。在步驟"F"，使用無損傷檢測技術檢測零件366。在"步驟G"示出的最終零件366是單片的、完全固結的結構， 其中金屬配件342、343以及350與TPC層壓板的固結片層346形成為 整體。
0084雖然結合某些示例性實施例描述了本公開的實施例，但應該 理解的是，這些具體的實施例的目的是為了描述而不是加以限制，因 為本領域技術人員容易想到其他的變體。
權利要求
1、一種制造具有至少一個集成金屬配件的熱塑性復合層壓板的方法，其包括以下步驟(A)形成層疊，該層疊包括熱塑性復合材料的多重片層堆疊和至少一個金屬配件；(B)穿過壓力機供應所述層疊；以及(C)使用所述壓力機固結所述片層和所述金屬配件。
2、 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中步驟(A)包括在所述金屬配件和所述片層的一個片層之間弓I入熱塑性薄膜。
3、 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中步驟(A)包括在所述金屬配件和所述堆疊內的片層之間形成接合件。
4、 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中步驟(A)包括將所述片層 粘附起來。
5、 根據(jù)權利要求1所述的方法，其進一步包括以下步驟(D) 將所述層疊預成型為所述層壓板的近似形狀。
6、 根據(jù)權利要求1所述的方法，其進一步包括以下步驟(D)在至少兩個模具之間放置所述層疊，且其中通過將所述模具和所述層疊供應到所述壓力機內來執(zhí)行步驟(B)。
7、 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述熱塑性復合材料包括具有自由流動溫度的基體樹脂成份，而且所述方法進一步包括以下步驟(D) 將所述層疊預成型為所述層壓板的所述近似形狀；以及(E) 在執(zhí)行步驟(C)之前將預成型的所述層疊至少加熱到所述 熱塑性復合材料的所述基體樹脂成份的所述自由流動溫度。
8、 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述方法進一步包括以下步驟(D)將所述層疊預成型為所述層壓板的所述近似形狀；以及 其中步驟(c)包括將模具壓向預成型的所述層疊以便將所述模具的特征賦予預成型的所述層疊。
9、 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中通過逐漸移動所述層疊穿過 所述壓力機來執(zhí)行步驟(B)。
10、 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中步驟(B)包括將所述層疊預成型為所述層壓板的所述近似形狀，以及逐漸移動預成型的所述層疊穿過所述壓力機，以及步驟(c)包括每次所述層疊被逐漸移動時將壓力施加到預成型的所述層疊。
11、 根據(jù)權利要求1所述的方法制造的熱塑性復合層壓板結構。
12、 一種在連續(xù)工藝中制造具有金屬配件的復合層壓板的方法， 其包括以下步驟(A) 排列熱塑性復合材料的多重片層；(B) 提供用于所述層壓板的金屬配件；(C) 形成多個層疊，每個層疊包括被排列的所述片層和至少一個 所述金屬配件；(D) 將在步驟(C)形成的每個所述層疊預成型為所述層壓板的 所述近似形狀；以及(E) 通過逐漸移動所述層疊穿過連續(xù)壓模壓力機來固結所述層疊 內的所述片層和所述金屬配件。
13、 根據(jù)權利要求12所述的方法，其中步驟(A)包括在每個所 述金屬配件和所述片層之間引入為熱塑性薄膜的薄膜。
14、根據(jù)權利要求12所述的方法，其中所述方法進一步包括:(F)包括將所述片層粘附起來以形成多個粘附的堆疊，其中每個 堆疊內的所述片層和所述金屬配件彼此之間保持固定關系。
15、 根據(jù)權利要求12所述的方法，其中步驟(C)包括在每個所 述堆疊內的所述金屬配件和所述片層之間形成接合件。
16、 根據(jù)權利要求12所述的方法，其進一步包括以下步驟(E)在至少兩個模具之間放置每個所述層疊。
17、 根據(jù)權利要求12所述的方法，其中所述熱塑性復合材料包括 具有自由流動溫度的基體樹脂成份，以及所述方法進一步包括以下步驟(E) 在執(zhí)行步驟(E)之前將每個預成型的所述層疊至少加熱到所述熱塑性復合材料的所述基體樹脂成份的所述自由流動溫度。
18、 根據(jù)權利要求12所述的方法，其中步驟(E)包括將模具壓 向預成型的所述層疊以便將所述模具的特征賦予預成型的所述層疊。
19、 根據(jù)權利要求12所述的方法，其中步驟(C)到步驟(E)被 連續(xù)執(zhí)行。
20、 根據(jù)權利要求12所述的方法，其進一步包括以下步驟(F) 清潔所述金屬配件的所述表面；以及(G) 施加結合底漆到所述配件的被清潔的所述表面。
21、 根據(jù)權利要求20所述的方法，其進一步包括以下步驟 (G)施加樹脂薄膜到所述配件的涂漆表面。
22、 一種具有至少一個集成金屬配件的熱塑性層壓板零件，所述 熱塑性層壓板零件由包括以下步驟的方法生產(A)形成多個層疊，每個所述層疊包括熱塑性材料的多重片層和 至少一個金屬配件的粘附堆疊；(B) 在每個所述層疊上放置一組模具；(C) 連續(xù)移動所述層疊穿過預成型工作臺；(D) 在所述預成型工作臺將每個所述層疊預成型為所述零件的所 述近似形狀；(E) 連續(xù)移動帶有預成型的所述層疊的所述模具穿過壓力機，以及(F) 隨著所述模具穿過所述壓力機，通過壓縮所述模具的接續(xù)部 分固結所述配件和所述層疊內的所述片層。
23、 根據(jù)權利要求22所述的方法，其中步驟(A)包括將所述片 層粘附起來，使得所述片層彼此之間以及與所述金屬配件之間保持固 定關系。
24、 根據(jù)權利要求22所述的方法，其中步驟(B)包括將所述模 具和所述層疊供應到所述預成型工作臺內。
25、 根據(jù)權利要求22所述的方法，其進一步包括以下步驟(G) 在完成步驟(F)之前將所述層疊加熱到所述片層的基體樹 脂成份的所述自由流動溫度。
26、 根據(jù)權利要求22所述的方法，其中步驟(E)包括將帶有預 成型的所述層疊的所述模具逐漸移動穿過所述壓力機。
全文摘要
使用連續(xù)壓模工藝制造具有集成金屬配件(342、343、350)的熱塑性復合零件。自動設備或手工層疊被用于將復合材料片層和金屬配件排列成多層堆疊。每個堆疊包含所有片層，這些片層包括片層組合區(qū)域，這些片層在適當位置粘附在一起以保持取向和位置。多重層疊可從每個堆疊中被切出。層疊(345)被放置到包含零件特征的模具內且通過預成型工作臺被連續(xù)供應，該層疊在預成型工作臺被預成型為成品零件的近似形狀。預成型之后，模具被逐漸移動穿過固結工作臺，壓縮壓力機(354、356)在固結工作臺擠壓模具的連續(xù)部分以形成具有集成金屬配件的單一整體式熱塑性復合層壓板零件，該單一整體式熱塑性復合層壓板零件可包括具有不同厚度的區(qū)域。
文檔編號B29C70/86GK101583479SQ200780050194
公開日2009年11月18日 申請日期2007年10月17日 優(yōu)先權日2007年1月29日
發(fā)明者A·M·魯賓, J·R·?？怂? R·D·威爾克爾松 申請人:波音公司