专利名称：模制产品及其制造方法
技术领域：
本发明涉及模制产品的制造方法。
背景技术：
本方法特别地、但并不排他地用于制造结构产品。例如，这样的产品可 以是用在汽车或其他产业中的结构部件。在该方法中利用的材料优选为碳纤 维，但其他合适的纤维也可以使用。碳纤维具有强度高且质量轻的优点。在
用于制造结构部件的已知方法中，制造了一种碳纤维底板(matt)。这种底板 包括大量的碳纤维，这些碳纤维沿部件最大强度预期所在的方向排列。该底 板可以是纺织的也可以是无纺的。在底板是纺织的情况下，绵线保持经排列 的纤维经线，而在底板是无纺的情况下，可通过缠绕在排列的纤维周围的横 向延伸的纤维将排列的纤维保持在适当位置。这样制造的，或有时称为"预 浸胶(pre-preg )"的碳纤维底板，被切割成希望的形状，然后被置于模具中。 施加树脂，随后树脂被凝固，从而制造出希望形状的模制产品。制造底板以 及之后将底板切割到一定形状的初始步骤，浪费时间、能量和材料。本发明 的目的是消除或减轻这些缺点。
发明内容
根据本发明的一方面，提供了一种模具产品的制造方法，该方法包括以 下步骤向机器输送头部供应纤维，在长度上切割/剪切纤维，将预先限定的 已变短长度的纤维输送到模具，使得纤维被成沿所希望的方向和所需数量的 层排列(align),从而形成所设计的厚度和强度，向排列好的纤维施加树脂， 并凝固树脂，以形成所述产品。
根据本发明的另一方面，提供了一种模制产品，该模制产品包括被切割 成已变短长度的纤维，该已变短长度的纤维沿相同方向排列或实质上沿相同 方向排列，并涂布有凝固的树脂。
在本发明的优选实施例中，连续长度的纤维被切割/剪切成较短的长度，并被树脂覆盖，或有利地被树脂完全包住并粘结在一起。
已变短纤维的长度可在10mm到120mm之间变化。优选的已变短长度 是14mm、 28mm、 58mm和115mm。
单位面积施加的纤维量可在每平方米400克(gsm )到每平方米4000克 之间变化。优选的定额是每平方米1500克和每平方米2500克。这些优选的 纤维长度和堆积定额是基于当前的设备，但可被改变成以适合任意给定的应 用情况。
这便于完全自动化的制造过程，其减少了处理时间和部件成本。为了保 持已变短的纤维的排列或实质排列，模具的表面被部分地抽真空，以将纤维 保持在所希望的方向上。
可替代地，在纤维是碳纤维的情况下，奸维被充电成带有静电，且模具 表面接地，从而产生相互的吸引力。
在另一替代方式中，碳纤维可浸渍(impregnate)有或涂布有铁粉，并 且模具表面被有效地(电)磁化。
在另一替代方式中，碳纤维可涂布有相容的结晶环氧树脂粉末，而模具 表面被加热，使得在堆积时，碳纤维被保持在表面处，并且在粘结树脂被完 全施加和凝固之前开始制模处理。
在又一替代方式中，利用同一机器切割/剪切、分布和排列碳纤维，在堆 积的碳纤维的长度被已变短之前，施加一薄层的相容环氧树脂。然后，纤维 被保持在表面上，并且在粘结树脂被完全施加和凝固之前，开始进行制^f莫处 理。
为了可以更充分地理解本发明，现通过举例和参考附图来描述本发明。 在附图中
图1示意性地示出了汽车的底盘板(floorpan) /平台； 图2示出了在生产底盘板的方法期间产生的排列好的纤维的截面； 图3示出了根据本发明设备的一种形式的截面的示意性侧视图。为了简 明起见，仅示出了与机器头部的运动处于恰当关系的一组出气口喷射； 图4是该设备的示意性仰视图；以及 图5是图3和图4中所示设备的局部的放大尺寸的透视图。
具体实施例方式
下文中参考附图，描述用于汽车的模制结构复合底盘板(floor pan)的 制造方法。在图1中示出了这样的底盘板，并且从图中可看出，这种底盘板 具有复杂的形状。在使用时，连续长度的碳纤维(未示出)被送到机器头部， 在该机器头部处，碳纤维被切割成/剪切成预定长度，并被排列和喷射到模具 中。
头部相对于模具腔室的位置和角度可根据需要进行改变，使得单独的已 变短纤维被铺设在模具腔室的所需位置处，并被铺设成所需的密度和厚度。
优选的，纤维基本上是排列好的，尽管并非需要完全排列好才能实现很大的 强度。
然而，可通过为附加层喷射不同长度的已变短纤维或改变纤维的排列， 来优化模制产品的预期强度。
图2示意性地示出了模具中纤维31的层30。
为了将纤维保持在模具中的恰当位置处，表面被部分抽真空(evacuate )。 机械方法利用长纤维，且纤维排列减少了纤维束尺寸效果(tow size effects )。 增强的对齐能够减小堆积定额(rate),继而节省了处理步骤和成本。
在将纤维堆积到模具中后，用一层可固化树脂(优选环氧树脂)将纤维 盖上和完全包住。树脂被充分地凝固，然后将完成的产品乂人^^莫具中移出。与 现有的制模方法相比，将单独的纤维投到模具中之后将它们涂上树脂的操作 具有许多优点。在传统的制模方法中，首先制造由碳纤维制成的一片材料。 该材料可以是纺织的或者无纺的，但在每种情况下，都必须在将材料放到模 具中并将其配合在模具中之前通过利用现有的图案来切割材料。首先制造一
片纺织/无纺材料，以及随后将材料切割成希望形状的这两个步骤不^f叉浪费时 间和精力，还浪费材料。在本发明提供的方法中，所有这些步骤都被有效地 消除了。这可以使材料浪费的减少达到40%。
在上述的本发明方法中，切割/剪切纤维的长度可根据需要来改变。示例 性的纤维长度为115mm、 58mm、 28mm和14mm。表面的纤维密度也可根 据需要来选择。示例性的纤维密度是1500gsm (克每立方米)和2500gsm。
尽管如上所述，未精确排列可能不会对强度产生很大影响，但方向性 (directionality)很重要。对方向性水平的限度可通过试验来确定。方向性水平取决于处理速度，并且可为不同水平的方向性确定堆积定额。
可对根据以上处理制成的产品进行试验，来确定 纤维长度的效果，和纤维长度的组合； 细丝(filamentisation)的岁文果； 纤维排列的效果；
相对于纤维长度最大可达到的方向性；
相对于单位面积的质量最大可达到的方向性； 相对于纤维长度的体积分数(Volume fraction); 相对于散丝的体积分数；
相对于单位面积的密度的体积分数(集聚(nesting)的效果)。
现在将参考图3至图5来描述用于排列纤维的设备。具体参考图3和图 4,为简明起见图3和图4示出了处于最低竖直位置的输送槽(delivery slot), 该设备包括外壳l。外壳1在侧视图中具有向下渐扩的形状，并且其横截面 为锭剂形状(lozenge shape)(从图4中可以看出)。外壳1的各部分有助于 已变短纤维的一致和平整地分布。横截面为锭剂形状的输出/输送槽(如图4 所示)确定了已变短纤维在被堆积到模具中时已变短纤维的对齐的基本对齐 方式。锭剂形状形状包括两个平行的侧边2和3，这两个侧边在相反两端处 分别通过半圆形部分4和5连接。切割/剪切头6设置在外壳1内。头6包括 两个辊子7和8，这两个辊子在它们之间限定出辊隙9。
辊子7是压辊，并包括安装在圓柱形支撑件11上的圆柱形胎(tyre) 10。 胎由橡胶或其他合适的材料制成。辊子8是刀片支架辊(blade housing roller )。 这种辊子包括圆柱形支架12。刀片净皮保持在由诸如橡胶等的硬质但有弹性的 材料制成的刀片支架辊8中。两个辊子7和8的直径相同。支架12形成有 多个贯穿(through)的细长槽13,这些槽沿支架的圆柱体的轴向延伸，并 围绕圆柱体外周间隔设置。支架12内设置了凸轮14，凸轮14通过花键(未 示出)安装在凸轮轴15上。凸轮轴被设置成由步进马达(未示出)以一定 速度范围内的一个速度驱动。
多个刀片16(仅示出一个)与各自的槽13相关联，并被设置成在凸轮 通过步进电机驱动的凸轮轴15而在支架内旋转时，通过凸轮的动作使多个 刀片16按顺序伸出穿过其相应的槽13,从而切割/剪切通过辊子7和8之间 形成的辊隙的纤维。当凸轮已经过每个刀片时，支架8的橡胶的弹性使得刀片返回到其内缩非工作位置。在此特定例子中，十六个槽13以22.5度的间 隔围绕支架8的外周设置，并且十六个刀片与这些槽分别相关联。然而槽13 和刀片16的数目可以根据需要而改变。由凸轮14提供的凸轮升程约为2mm 至3mm，但这也可根据需要改变。辊子7和8的直径约为30mm，但这仍可 以根据需要改变。在此特定实例中，凸轮具有单个凸出部分，但如果需要更 短的纤维长度，也可利用多个凸出部分。
通常，纤维约lmm厚，因此切割刀片的凸轮升程必须足以切透纤维， 并且在压辊(7 )方面具有约0.2mm的适应范围(accommodation )。
辊子(7)和(8)的旋转中心可被调节成，使得在所选纤维直径上，辊 隙足以确保一致性，并满足上述的切割控制标准。
在操作中，辊子7和8被以与凸轮轴速度无关的同一速度驱动。辊子表 面的圆周速度确定了通过辊子供给纤维的供给速率。通过改变驱动凸轮轴15 的步进电机的相对于辊子7和8速度的速度，在辊子之间被供给并由凸轮推 动的刀片切割/剪切的纤维的精确长度被确定，其中该凸轮推动的刀片延伸穿 过该刀片对应的槽。在纤维被切割/剪切时，辊子7和8将长度已变短的纤维 投向输送槽。在所示的特定定向过程中，在槽位于比辊子7和8更低的位置 的情况下，重力将起到辅助作用。然而槽可高于辊子7和8。由切割/剪切辊 7和8产生的已变短纤维将在重力的作用下落向外壳的底部。纤维经过的路 线受从四个空气喷射孔放出的空气喷射的影响，该四个空气喷射孔延伸穿过 外壳1的壁体，布置成分别设置在外壳1的上部和下部的两对20和21。附 图中仅示出了每一对中的一个孔。孔20设置成稍低于纤维从辊子7和8之 间被投出的水平面。通过孔20的空气喷射被激活作为相对于机器头部运动 (movement of the robot head)的拖尾分量(trailing element), 且通过孑L 21 的空气喷射被激活作用在运动的前面(leading face )。通过孔20的空气喷射 的目的M开纤维的长度。这种展开动作是在纤维仍部分地受辊子的夹持时 且在纤维被切割和脱离辊隙以及被投向输送槽之前开始的。孔21设置在低 于孔20的水平面上。通过孔21的空气喷射的目的是使长度已变短的纤维旋 转到输出槽22的方向且排列在输出槽22之内，该输出槽22被限定在平行 的壁2和3之间。槽22的尺寸、辊子7和8与槽22之间的距离，以及通过 孔20和21的喷射的空气压力被调节成适应纤维的长度，以及优化预期纤维 分布。应理解，以上实施例仅仅是通过举例的方式进行描述，并且在本发明的 范围内可进行许多变动。可采用替代真空的替代方式来保持排列好或实质上 排列好的已变短纤维。例如，碳纤维可被充电成带静电，而模具的表面接地， 使得产生相互的吸引力。
在另一替代方式中，碳纤维可浸渍有或涂布有铁粉，而模具表面(电) 磁化。
在又一替代方式中，碳纤维可被涂布有相容的结晶环氧树脂粉末，而模 具表面被加热，使得在进行堆积时，碳纤维被保持在表面处，并且在粘结树
脂完全被施加和凝固之前就开始模型的整合(integration )。
在又一替代方式中，利用同一机器切割/剪切、分布和对齐碳纤维，在堆 积的碳纤维的长度被已变短之前，施加一薄层的相容环氧树脂。然后，并且 在粘结树脂被完全施加和凝固之前，纤维被保持到表面上，并开始进行制模 处理。
权利要求
1.一种模制产品的制造方法，包括以下步骤向机器输送头部供应纤维，在长度上切割/剪切被供应的纤维，将预先限定的已变短长度的纤维输送到模具，使得纤维被成沿所希望的方向和所需数量的层排列，从而实现所设计的厚度和强度，向排列好的纤维施加树脂，并凝固树脂，以形成所述产品。
2. 如权利要求1所述的模制产品的制造方法，其中，连续长度的纤维被 切割成较短的长度。
3. 如权利要求1或2所述的模制产品的制造方法，其中，所述树脂被施 加从而覆盖较短长度的纤维。
4. 如权利要求3所述的模制产品的制造方法，其中，树脂的覆盖操作是 将较短长度的纤维完全包住，并将该较短长度的纤维粘结在一起。
5. 如前述权利要求中任一项所述的模制产品的制造方法，其中，模具的 表面被部分地抽真空，以保持已变短纤维的排列或基本排列。
6. 如权利要求1至5中任一项所述的模制产品的制造方法，其中，所述 纤维是碳纤维，并且所述纤维和所述^f莫具的表面被充电成带有静电，从而在 它们之间产生吸引力。
7. 如权利要求1至5中任一项所述的模制产品的制造方法，其中，所述 纤维被浸渍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 料的纤维。
8. 如权利要求7所述的模制产品的制造方法，其中，所述磁性材料是铁粉。
9. 如权利要求1至5中任一项所述的模制产品的制造方法，其中，所述 纤维被涂布有环氧树脂粉末，并且所述模具表面被加热，使得在堆积时所述纤维被保持在所述模具上。
10. 如权利要求1至5中任一项所述的模制产品的制造方法，其中，一薄层环氧树脂被施加到已变短纤维上，使得所述纤维在接触到所述模具的表 面时被保持在所述模具的表面上。
11. 如前述权利要求中任一项所述的模制产品的制造方法，其中，所述已变短纤维的长度在10mm和120mm之间。
12. 如前述权利要求中任一项所述的模制产品的制造方法，其中，已变 短纤维的长度是14mm或28mm、或58mm或115mm，或以上长度的任意组 合。
13. 如前述权利要求中任一项所述的模制产品的制造方法，其中，施加 的纤维的量在每平方米400和4000克之间。
14. 如前述权利要求中任一项所述的模制产品的制造方法，其中，施加 的纤维的量是每平方米1500克或每平方米2500克。
15. —种模制产品，包括被切割成已变短长度的纤维，该已变短长度的 纤维沿相同方向排列或实质上沿相同方向排列，并涂布有^:固的树脂。
16. 如权利要求15所述的模制产品，其中，所述纤维完全被包在树脂中。
17. 如权利要求15或16所述的模制产品，其中，所述纤维的长度在 10mm和120mm之间。
18. 如权利要求15至17中任一项所述的模制产品，其中，所述纤维的 长度为14mm，或28mm,或58mm，或115mm，或其4壬意组合。
19.如权利要求15至18中任一项所述的模制产品，其中，施加的纤维量在每平方米400克和4000克之间。
20.如权利要求15至19中任一项所述的模制产品，其中，施加的纤维 量是每平方米1500克或每平方米2500克，或其任意组合。
全文摘要
一种模制产品的制造方法，其中，诸如碳纤维的纤维被施加到机器输送头部，纤维在此被切割成较短的长度，并沿所希望的朝向和希望数目的层被输送到模具，以实现希望的厚度和强度。然后，树脂被施加到排列的纤维，并被凝固以形成产品。可通过向模具施加真空，通过静电方式，或通过在将纤维施加到模具以前将纤维涂以树脂并加热模具的表面，或通过将纤维涂以或浸渍以铁粉并磁化模具，或通过在已变短纤维长度之前向纤维施加一薄层的环氧树脂，来使纤维保持的排列或实质排列。纤维长度和堆积定额可根据需要而改变。该方法便于完全自动化制造过程，从而减少处理时间和部件成本。本发明还包括相应的模制产品。
文档编号B29C70/30GK101588914SQ200780050135
公开日2009年11月25日 申请日期2007年11月16日 优先权日2006年11月18日
发明者安东尼·多德沃思 申请人:宾利汽车有限公司