專利名稱：復雜組合制品精確預成型的方法
技術領域：
本發明涉及樹脂傳遞模塑工藝中，生產復雜組合制品的多層纖維預型的制造方法。
生產組合制品中，通常把多個定位的干纖維層裝配到一個與制品的形狀相同的模型中。這種干纖維層的裝配稱作“預型”，通常是隨后將其安放在一個模具中，然后把樹脂注入模具，以滲入纖維之間，填充纖維之間的空間，從而生產組合部件。這種生產組合部件的工藝稱作“樹脂傳遞模塑”(RTM)工藝。
為制造預型，多個纖維薄片迭放并成型為制品的形狀。在把這些薄片裝配成堆迭的過程中，纖維相對于模具準確定位，從而使成品以及纖維在完成裝配和成型的各工序中保持這種定位是很關鍵的，因為最終產品的結構特性取決于這種纖維定位。
當前，布置纖維層和正確定位必須由人工進行，每迭放一層纖維都要用肉眼檢查。然而，這種裝配過程本身就可在調整上層纖維使之位于正確方位時引起低層移位。一般地，為了保證各部分的一致，需要把相鄰纖維薄片間的精確度保持在±3度之間。目前，很難達到這種精確度。另外，部件的形狀越來越復雜，從而更難在成型的工序中保持薄片的方位，因為這些薄片相應于各種造型會發生移位。例如，具有復雜曲面、突出凸緣和成角的邊緣，或者具有其它復雜結構的部件，要求薄片在成型過程中相互間可自由移動，這種成型還必須在一種受控方式下進行以防止纖維變形。現在很難制造這種零件預型。
本發明的一個目的是提供一種精確地把多個纖維薄片布置到裝配堆迭中的方法，從而能夠保證合適的纖維定位，而無需在堆迭中每放一層纖維薄片就進行檢測。
本發明的另一個目的是一種自動化的方法，以顯著地節約生產纖維預型所需的時間和帶動。
本發明還有一個目的是提供一種工具，便于在成型前保證各層間纖維正確定位的同時，自動地把纖維薄片裝配成基本上呈平面的形態。
本發明的這些目的以及其它目的是通過一種制造組合部件預型的方法實現的，這種方法包括以下幾步提供多個纖維薄片在每一薄片不包含在部件內的部分上開出定位孔，這些孔在所有的薄片上恬當地垂直對齊時對應共同的位置；提供一種與部件形狀相同的成型裝配模具；提供一個或多個輔助定位模具，以改變成型裝配模具。模擬一個基本上是平面的表面，輔助模具具有一個或多個從它伸出的定位銷，把多個薄片相繼安置在裝置工具和輔助工具之上，使薄片裝配或平的堆迭，薄片上的定位孔容納穿過其中的定位銷，切割相鄰于定位孔和定位銷的纖維薄片，移去輔助工具、定位銷和切下的纖維，把裝配工具上的薄片成型為部件形狀。
采用定位銷和輔助模具，使多個平面的薄片能被定位并裝配成一種堆迭，用銷保證這些薄片中每一片的精確定位，并在裝配過程中使它們保持在位。使用自動裝置可以方便地裝配這種平的堆迭，以免除操作者干預。選擇薄片上的孔位，以保證片與片之間恬當地對齊，這些模式可以由計算機產生。典型地，這些定位孔設置在廢料區，該區可以在堆迭裝配好后很容易地去掉。切割纖維薄片前，去掉邊緣纖維片、工具和銷釘時，可以壓住預型的一部分使薄片保持在位。然后把受壓區域以外的全部薄片層壓緊并壓進成型模具，除纖維薄片的允許變形處外，通常在遠離薄片定位圖案的區域，在沒有明顯的纖維薄片位移的條件下制成預型。這個工藝保證了部件造型的重復性。
圖1所示為纖維材料片，示出了可從材料片沖出的各種薄片的外形。
圖2為一個分解圖，表示依次安放到成型模具上的薄片。
圖3為一成型模具，具有4個裝配平薄片的輔助模具。
圖4為沿圖3A-A線的輔助模具的橫截面圖。
圖5表示移去輔助模具。
圖6為成品的等側圖。
圖7為沿圖5中B-B線作的橫截面圖。
圖8為成型裝配模具和輔助模具的截面圖，其上面有薄片。
圖1示出了一纖維材料片1。該片由片狀的編織或非編織的纖維構成。片上有數個表示要從該片上切下成為數個部件薄片的外形2。可以使用各種方法把材料切成各個預定形狀和圖案的薄片。例如，可以用在材料片2上方垂直移動的、由計算機操縱的數控切割機，還可以使用臨時的或永久的沖模或者選型機切割薄片。
在確定各個薄片的具體形狀時，因材料成本原因，要考慮在纖維片上切制的薄片最多，以減少邊角料。使用石墨纖維片時尤其是這樣。但是還是能得到足夠的余地來包含呈小片狀的廢料區域，安排在每一個薄片旁，用于準確地完成裝配薄片堆迭。
這些小片用于圖示目的，不是必須采用這種明確的形狀，所示的方形的小片只是為了便于說明。所必須的只是要設置廢料區域部分以包含定位孔15，然后在設置的區域開出一個孔以便于薄片裝配。
一般而言，最終制品部件的形狀決定了各個薄片構件，使用市售計算機軟件可從它的三維構形“展開”。這種軟件能夠把零件分解成所需要的薄片構件，并把它們展平形成平面薄片圖案。
產生平面圖案的同時，對部件外形進行修改以實現薄片在小片或相似的設置區域對齊，選出孔15從而便于裝配定位的纖維薄片。一旦確定了如圖1所示的平面圖案，就在材料片上切出各種薄片。
參照圖2，所示為要被裝配的切出的薄片，薄片4裝配成一個亞單元，然后安放到成型模具5上，如圖3所示。之后裝配各個薄片或者由一些相同形狀的薄片組成的亞單元，如亞單元6、7和8，它們是以裝配預型所必需的適當順序安裝到模具上的。
模具5具有與最終部件形狀相應的表面，但是另外包括多個可以拆卸的定位塊，9a、b、c、d、e具有可塞入模具下部區域的部分，與定位塊共同在模具上提供一個平表面以便于薄片裝配。這在圖8中表現得最清楚。這些定位塊含有定位銷釘10，配合在各個薄片的定位孔中。這樣，裝配工作的進行就有可靠的層間定位保證。圖3所示為安裝好定位塊的模具，圖4為模具的截面，表示了定位塊在撤掉以前怎樣讓平面薄片得以裝配。
定位塊的設計可以通過把塊設置在部件的最高點附近或者首先要成型的區域附近進行優化。這就可以使薄片疊放成平面的圖形，如圖8所示，在裝配好的堆迭12的最高點11用構件13夾住，或用其它方法配合把薄片保持在一起，然后沿毗鄰固定銷的線14切除廢料區域，卸去定位塊。這使模具的復雜表面暴露出來，使得裝配好的薄片能被壓在模具的復雜形狀上，并包在其上成型。
當然，一旦被夾住，纖維就保持其片間定位，只是進行所必需量的移動以符合模具的形狀。
參照圖5，定位塊已經被卸去，薄片被裝在了一起并且形成模具的形狀。圖6所示為成型后的部件，圖7為帶有已造形為模具形狀的薄片的模具的橫截面。
本發明的優點之一是，定位塊可以用作支持薄片的平面層，起造型區域上方的橋梁作用。只有在使用按壓或者其它方法把薄片固定在位以后才卸下定位塊，易于在成型模具上使薄片成型的同時基本上保持所必需的層間關系。
本發明的另一優點是易于自動化，因為定位銷和定位孔保證了已裝配薄片的正確方位，可以用機器切割、分撿并把不同的薄片布置在成型模具上。然后夾持步驟、卸去輔助模具以及成型工序均以自動的方式進行，同時所需操作者的干預大大減少。當然可以希望結合各種檢測技術來保證恬當的裝置和定位，但本發明方法本身就保證了精確性，從而這種可供選用的工序能夠減到很小，用時用工很少。
本發明可以用石墨、丙烯酸酯酰胺、玻璃等任何種類的纖維材料，采取任何想采取的編織和纖維取向。纖維材料薄片可以是干的，就是說，沒有預先浸入的樹脂，從而裝配件可以用于樹脂傳遞模塑工藝，當然可以采用任意適用的樹脂，如環氧樹脂、bismalmide(比斯摩爾酰胺)、苯乙烯、聚亞胺脂等等。
可以采用任何常規模具，典型地由鋁制成，但也可使用鋼模具，可使用鎳鐵合金和鋼制成的銷。可以按部件的構形選擇定位孔數目和大小。一般地，定位孔的直徑為1/4英寸至1英寸，依制造部件以及薄片的數目而定。這只是選擇的問題。采用本模具工藝時，裝配的薄片數目沒有限制，采用本方法已經成功地裝配達18個薄片。
雖然這里圖示并說明了本發明的特殊實施例，本領域的技術人員不難理解，本方法可以進行不同的改變和改進而不偏離本發明范圍。
權利要求
1.一種生產組合部件預型的方法，工序包括制備多個纖維薄片，在每一薄片上的不包含在部件中的區域中制備一個或多個定位孔，這些定位孔在所有薄片垂直對齊時處于共同位置。提供一種具有與部件形狀相匹配的成型裝配模具。提供一個或多個輔助定位模具，以改變成型裝置來模擬一個大體呈平面的板，輔助模具具有一個或多個由其上伸出的定位銷。把多個薄片依次布置在裝配模具和輔助模具之上，裝配成平面堆迭，薄片上的定位孔容納由其中穿過的定位銷。切除與定位孔和定位銷相鄰的纖維薄片，移去輔助模具、銷，并取走切掉的纖維，然后在裝配模具上使薄片成型為部件的形狀。
2.根據權利要求1所述的方法，還包括壓擠纖維層的一部分，以在切割前把薄片保持在位。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征為，不包含在部件以內的區域為小片形狀。
4.根據權利要求1所示的方法，其特征為，輔助模具為填充在成型裝配模具較低區域的塊。
5.根據權利要求1的方法，其特征為受壓的部位為部件的高點。
6.根據權利要求1的方法，還包括通過把部件的形狀由其三維構形展開產生平面的薄層圖案，并選擇用于保證纖維的恬當定位的定位孔位置。
7.根據權利要求1的方法，其特征為，纖維薄片的多個亞單元布置于成型模具上，每個亞單元具有一或多個定位孔與相應的定位銷配合。
8.制造組合部件預型模具，包括有與部件相應形狀的成型模具，以及一個或多個用于改變裝配形態以模擬平面板的輔助定位模具，輔助定位模具具有一或多個從其上伸出的定位銷，從而使多個薄片可以依次在成型模具和輔助模具上裝配成平面堆迭，輔助模具可以卸下，從而使薄片能依成型模具造形。
9.根據權利要求8的模具，其特征為，輔助模具為填充到成型模具較低區域的制成一定形狀的塊。
10.根據權利要求8的模具，還包括將多個裝配好的薄片的一部分保持在成型模具上的裝置。
11.根據權利要求8的模具，其特征為，至少有一個輔助模具安放在成型模具最高表面毗鄰處。
全文摘要
為纖維預型的裝配提供一種裝置和方法,用一個具有目標部件形狀的成型模具和一個或多個輔助定位模具,放置在成型模具上,模擬一個平面形狀。定位模具有多個向上伸出的定位銷,使數個薄片裝配成一個垂直的堆迭,用定位銷保證片間精確定位。裝配后,薄片被聯接到裝配件的指定部分且固定在位,撤下輔助模具,薄片在模具表面上成型。在自動化工藝中該裝置和方法在裝配及成型過程中把薄片保持在位,保證再生產。
文檔編號B29C70/54GK1198701SQ9619736
公開日1998年11月11日 申請日期1996年9月17日 優先權日1995年10月3日
發明者約翰尼·保羅·讓德羅 申請人:道氏聯合技術組合制品公司