增强设备外壳的制作方法

专利名称：增强设备外壳的制作方法
技术领域：
在此所公开的实施方式总体上涉及用于电子设备的外壳，更特别地，涉及由碳纤维增强塑料形成的外壳。
背景技术：
许多电子设备，包括便携式设备，都具有由塑料制成的外壳。塑料壳体趋向于相对便宜而且制造起来简单，但是可能比较脆而且在相对低的应力下可能破裂。其它电子设备具有金属外壳。金属壳体耐用，但是可能比相当尺寸的塑料壳体更重和/或制造起来更昂
虫
贝ο有些电子设备使用增强塑料外壳。例如，某些设备可能具有由碳纤维增强塑料 (CFRP)形成的外壳。标准的CFRP可以由多层制成，每一层一般都具有在塑料基体中排列的碳纤维，使得纤维全部都在该层内沿基本相同的方向延伸。碳纤维赋予了对抗对纤维长度横向施加的力以防止弯曲和断裂的抵抗力和结构强度。CFRP材料通常具有高强度重量比和重量刚度比。然而，CRFP如果被弯曲或者卷绕使得碳纤维沿其长度轴弯曲则可能破裂或者断裂。更一般地，CRFP每一层中的纤维通常抵抗形成呈现和/或维持具有复合曲线的形状的陡的角度(例如那些在有直角的角落处形成的角度)并且抵抗桥接过渡。更准确地说，纤维将抵抗形成尖角和具有复合曲线的形状，抵抗在相邻的层、空隙及其它的装饰物和结构性缺陷之间产生桥接过渡。因此，对于许多应用来说，CFRP可能不是合适材料的选择， 尤其是对于那些具有相当尖锐的角部的应用，例如电子设备的外壳。

发明内容
总的来说，在此所述的实施方式采取用于电子设备的外壳的形式。外壳可以由分层的CFRP材料或者其它基体中带纤维类型的材料制成。在一种示例实施方式中，由CFRP 制成的脊部或者框架可以支撑并且附接到CFRP表层(skin)。所述实施方式可以容纳电子设备或者几乎任何别的东西。由于用于形成框架和表层的相似材料，这两个部件可以鲁棒地彼此结合到一起，而且具有即使不是完全一样也相似的热膨胀系数。鲁棒结合与相似热膨胀系数的组合可以允许所述实施方式抵抗会损害到其它外壳的破裂。总的来说，表层是由一层叠到另一层上的多层CFRP形成的。每个相邻层中的碳纤维总的来说是沿不同方向延伸的。这可以允许表层沿多个方向弯曲，而不会造成延伸通过表层的所有层的破裂，这是因为某些层可能破裂，但其它层会弯曲。通过使框架的某些片段逐渐变细并且在表层的相邻部分中形成阶梯图样，机械应力可以散布在渐细片段上，而不是从表层传送到两个部件之间的单个边缘邻接部 (abutment)。由于应力跨较大的区域散布而不是集中在定义框架与表层之间连接的平面内，因此表层更不太可能在应力之下与框架分离。


图1绘出了示例实施方式的顶部立体图。图2绘出了图1的实施方式的背面的立体图。图3是沿图1中的线3-3所取的图1的实施方式的一部分的截面图。图4绘出了图1的实施方式的框架部分的顶部立体图。图5绘出了图4中所示的框架部分的背部立体图。图6是图1的实施方式的表层部分的顶部平面图。图7是沿图6中的线7-7所取的图6中所示的表层的截面图。图8是在所述实施方式制造过程中所示出的图1的实施方式的角部部分的顶部平面图。图9是图4中所示的框架的角部的底部的立体图。图10是沿图1中线10-10所取的所述实施方式的截面图。图11是阐述用于制造图1所示的实施方式的示例方法的流程图。
具体实施例方式总的来说，在此所述的实施方式采取用于电子设备的外壳的形式。外壳可以由分层的基体内带纤维类型的材料(例如，CFRP)制成。在一种示例实施方式中，由CFRP制成的脊部可以支撑并附接到CFRP表层。CFRP脊部可以是赋予整个外壳强度和刚度的整体框架，而且还至少构成框架的一些角部。在有些实施方式中，脊部可以是矩形的。表层可以由一层叠到另一层上的多层CFRP 类型材料形成。在某些实施方式中，每一层都可以在一个或多个角部处被切割，以便暴露其下面的层的至少一部分。因此，表层可以具有整体上的十字形状，使得该十字的每个臂都可以围绕上面提到的矩形脊部的不同侧包绕。图1绘出了示例实施方式100的顶部立体图，而图2绘出了该实施方式的背面的立体图。实施方式100包括附接到表层110的框架105。如以上所提到的，框架和表层都可以由CFRP或者利用基本上排列好的纤维增强的另一种聚合物材料形成。随后关于图11讨论用于制造实施方式100的示例方法及其它可能的实施方式。在具有十字形状表层110的实施方式中，可以暴露框架105的角部。相应地，角部凸缘115可以形成为框架105的一部分或者以别的方式附接到框架。在形成实施方式100 时，这些凸缘总的来说构成与表层邻接的表面和框架的暴露部分。就象可以通过比较图1 和图2看到的，每个角部凸缘115的暴露表面通常是前面大于后面。换句话说，表层110覆盖每个角部凸缘115的后面比覆盖其前面更多些。应当指出，替代实施方式可以令凸缘前面被覆盖得比后面更多些，或者让表层覆盖前面和后面一样多。支柱或者壁在每对角部之间延伸。如在图1、3和4中最佳效果示出的，框架105或者脊部是具有圆形外边缘和基本平的内边缘的矩形件，其中圆形外边缘构成弧形片段。因此，在图3所示的截面中，框架105 看起来是圆的一部分。应当指出，图3是沿图1中的线2-2所取的实施方式100的截面。表层110围绕框架105并沿所述实施方式的基部在每个侧壁附近形成内唇300。通过粘到自身并形成内唇300，表层110总的来说提供了坚固结合并对表层与框架之间的整体粘性结合起作用。尽管框架105在图2的截面中示出为具有圆形外边缘和平的内边缘，但是，在替代实施方式中，框架表面的形状可以变化。例如，在某些实施方式中，框架的截面可以是C形的，在其它实施方式中是矩形的，等等。从实践上来讲，框架的形状可以依赖实施方式100 的应用、空间约束、热分布因子、实施方式上的负载等而变化。图4和5总体上绘出了框架105的顶部和底部立体图。框架105是由CFRP材料制成的，一般来说是通过混合切碎的碳纤维与用于形成表层110的各CFRP层所使用的相同的环氧树脂。相应地，在本实施方式中，框架与表层的成分是几乎完全相同的。其它实施方式可以由不同的基体内带纤维的材料形成。例如，材料可以采用诸如玻璃纤维、芳族聚酰胺(其一个例子是KEVLAR)、聚乙烯(包括DYNEEMA和SPECTRA)、聚丙烯及其它的增强纤维。材料可以使用其它基体成分，包括任何其它类型的热固材料(其例子是聚酯、乙烯基酯、酚醛塑料等)、包括尼龙或其它聚酰胺的热塑性塑料、聚丙烯、高密度聚乙烯、聚醚醚酮(Peek)及其它。当采用热塑性塑料构造所述实施方式时，脊部或者框架可以利用碳填充的尼龙注模，由此允许表层110由利用碳纤维增强的尼龙预浸层热成形。另夕卜，在这种实施方式中，框架105和表层110可以只利用热就彼此附接到一起；可能不需要压力。相应地，应当理解，以上提到的任何材料都可以代替所述实施方式中的CFRP单独地或者组合使用。因而，在此对“CFRP”的引用应当理解为仅仅是作为上述材料及组合的一个例子提供的。框架105包括多个壁405，每个壁都在中间有最大高度并且朝着框架的角部逐渐变细。渐细片段400定义在每个壁上在每个角部处。渐细片段400(在图8中也示为元件 805和810)总的来说从角部凸缘115的边缘延伸到角部半径的起点。图8是在图4的虚线框中所示的框架105的部分的放大视图。角部凸缘115在每个角部处提供了抵抗应力与震动的增强。通过从角部向外延伸凸缘，由于对角部的撞击所造成的应力可以跨较大的区域分布，由此减小当角部撞击表面时框架破裂的可能性。另外，沿较大表面(例如，凸缘)散布这种应力可以减小传送到实施方式100中所容纳电子部件的撞击或者振动，由此减小设备故障的可能性。转向图6和7，现在将讨论表层110。如图6和7中所讨论的，表层110可以由多个单独的层600、605、610、615、620、625、630、635形成，这些层是按照一层叠到另一层上或者彼此并排堆叠的。尽管表层110示出为具有八个层，但是应当认识到，其它实施方式可以采用更多或者更少的层。每个层600、605. . . 635是单个的CFRP片。在本实施方式中，相邻的层定向为使得相邻层的纤维不沿相同的方向延伸。例如，层600中的纤维可以从图6的顶部向底部延伸， 而层605中的纤维偏移45度角，而层610中的纤维关于图6从左向右延伸。尽管常常采用 45或者90度的偏移，但是相邻层纤维之间的精确偏移可以变化。层可以通过多种方式中的任何一种彼此结合，包括化学粘合剂、热密封(热成形)、超声波粘合、层之间的化学反应，等等。一般来说，形成表层110的浸渍层被共同固化以便附接相邻的层。如在图6中最佳效果示出的，每个层600、605. . . 635在角部处关于其下面的层被底切，使得最上面的层的边缘被切割成具有最深的角部(例如，最接近表层110中心线的角部)。尽管表层示为每一层的角部沿水平与垂直轴都被底切，但是，在替代实施方式中，这种底切可以只沿两个轴中的一个发生。在还有其它实施方式中，只有某些角部可以被底切或者没有角部可以被底切。应当指出，为了抵挡表层110分离成构成部分，每一层都结合到相邻的层。图7从端视图，具体而言是沿图6的线7-7，示出了表层110的各个层600、 605. . . 635。当从这个角度看时，可以看到，层600、605. . . 635在作为一个整体时构成阶梯图样。这种底切图样总体上与框架105的角部部分相互作用，以赋予表层110抵抗从框架撕扯、断开或者剥离的附加抵抗力，如现在将参考图7和图8所讨论的。图8绘出了所述实施方式制造过程中框架105的一部分，具体而言是具有第一渐细部分805和第二渐细部分810的角部800。渐细部分805、810经角部凸缘815彼此接合。 在图8的视图中，表层110还没有附接到框架105，但是它为了附接已经正确地排列好了。 以这种方式，可以看到表层下面框架的部分。图9是角部800的底部的立体图，还示出了角部凸缘815。渐细部分805、810总的来说沿从角部800到框架105的直的心轴片段820、825的过渡变窄。心轴部分与渐细部分的截面都是实心的，但是替代实施方式也可以是中空的。 总的来说，在角部800的边缘处渐细部分的厚度等于心轴片段的厚度加上表层110所有层的厚度，因为表层围绕该心轴片段按圆周包绕。即，当实施方式100完全组装好时，任何侧壁的厚度都只有很少或者没有显著变化，这是因为表层110添加的尺寸补偿了角部800、渐细部分805、810以及心轴片段820、825的厚度之间的差异。另外，表层110的单个层600、 605. . . 635构成了总体上补偿渐细部分的变薄/渐细的阶梯图样。当表层围绕框架包绕时， 角部凸缘815的一部分被表层覆盖。总的来说，角部凸缘815在每个角部的两个渐细部分 805,810之间延伸。图10以截面图示出了围绕框架105的一个长度包绕的表层110的一个例子。特别地，图10示出了表层的阶梯状底切层600、605. . . 630与框架的渐细部分810和心轴部分 825之间的关系。图10是沿图1中线10-10所取的、所述实施方式的截面图。如可以在图10中看到的，除当框架105朝每个心轴部分820、825的中间延伸时它有逐渐增加的厚度之外，实施方式100的整体高度基本上是不变的。表层110的各个层 600,605. . . 630补偿了渐细片段810和心轴部分825减小的高度/截面。当渐细片段810 的尺寸减小时，附加的层给所述实施方式的整体形状添加了厚度和/或高度。应当指出，某些实施方式可以逐步减小渐细片段810的尺寸，而不是为其提供相对平滑、锥形的侧壁。在这种实施方式中，渐细片段的每个“梯级”或者部分的长度可以近似地是表层110的相邻层之间的对应偏移的距离。从而，当在制造过程中表层围绕框架包绕时(如以下关于图11所描述的)，每个层与关于渐细部分810的圆周形成的一个梯级相邻。除了在角部800和心轴部分825之间提供一致的过渡之外，通过表层110的偏移层形成的阶梯状部分还可以用来增强表层与框架105之间的结合。通过跨渐细部分810逐步展开每个层600、605. . . 630的过渡与边缘，置于实施方式100上的应力可以跨渐细部分散布，而不是集中到表层与框架之间的连接点。相应地，表层的阶梯结构与框架的渐细部分相结合可以减小由于机械和/或热应力造成的形成破裂或者表层与框架分离的可能性。应当指出，其它实施方式可以颠倒心轴部分825与渐细部分810的位置，及在表层边缘的中间部分在表层110中形成阶梯图样，而不是在角部处。图11是示出用于形成实施方式100或者类似实施方式的一种示例方法的流程图。 应当理解，某些操作可以按照除这里所示的那些次序之外的次序执行。例如，表层110可以在压缩模制框架105之前产生。相应地，该示例方法的变体对本领域普通技术人员来说将是很容易明白的。此类变体是本文档预期并包括的。另外，这里所示的操作的次序仅仅是为了方便，而且不应当解释为，为了制造，必需任何特定的次序。在操作1100中，压缩模制框架105。一般来说，在二或三块模具中形成框架。将混合物(一般是环氧树脂与切碎的碳纤维的粉末、粒状混合或者异质组合)放到模具基体内。 应当指出，如果不是完全一样，这种环氧树脂/碳纤维混合物也类似于表层110的成分。相同或相似的环氧树脂用在两个元件中，而且每个都具有悬置于其中的碳纤维。将模具的顶板下降到模具基体中，并把粉末分布到由顶板和模具基体构成的空区中。总的来说，这个空区呈现最终完成的框架105的形状。将模具加热，同时以模具压缩粉末。随着混合物发热，环氧树脂熔化并流动从而填充空区，由此把切碎的碳纤维分布到遍及该空间。当环氧树脂冷却时，它变硬成围绕碳纤维的基体。当环氧树脂固定后，形成框架105而且可以从模具除去(或者，在相同的模具在操作1120至1135中使用的情况下，可以留在那里)。在操作1105中，切割表层110的每个层600、605. . . 630。特别地，由层组合产生的阶梯配置被切割到每个层中。在操作1110中，将层放置成一层在另一层上而且彼此结合。 这种结合可以只在各个层的中部发生，留下不粘的离型纸覆盖该阶梯配置。应当指出，某些实施方式可以结合这些层来形成表层110，然后切去单个层的部分，来形成以上提到的阶梯配置。在操作1115中，将表层110放置到用于产生所述实施方式最终形式的模具中。即， 该模具把表层110附接到框架105。在操作1120中，在除去不粘的离型纸之后，将粘合剂 (一般来说是薄膜粘合剂)涂到框架105的外部，和/或涂到表层110在模制过程中将与框架接触的那些部分。一旦涂了粘合剂，在操作1125中，就可以将框架放到模具中在表层之上。在表层与框架要通过热焊接、超声波焊接等彼此结合的情况下，可以省略粘合剂或者跳过操作1120。把这两块都放在模具中，表层110的边缘可以围绕框架105或者在其之上包绕。总的来说，这是以这样一种方式进行的，即，使得表层的阶梯部分与框架的渐细片段对准。当部件适当地对准时，可以闭合模具，而且对表层与框架应用拔模斜度(draft)。该拔模斜度通常在模具闭合、加热和加压时把这些部件保持在适当的位置，并允许模具在闭合时产生水平和垂直的压力。在足够的热与压力之下，表层与框架彼此固化并粘合到一起，其中热与压力的精确的量可以随CFRP的成分、表层和/或框架的尺寸等变化。应当指出，对适当的热和/或压力的确定是在本领域普通技术人员的理解能力之内的。一般来说，当模具闭合时，表层110围绕框架105的外侧包绕，沿框架的内边缘延伸并覆盖自身的一部分。表层这种对自己的覆盖形成了在图3中最佳效果示出的内唇300，而且便于产生围绕框架并将其关于表层锁定到适当的位置的坚固结合。因为，如果不是完全一样，表层110和框架105也是由相似的成分制成的，所以部件相对高效和坚固地彼此结合到一起。本质上讲，由于构成框架和脊部的材料的相似性，实施方式100变成整体或者近乎整体的结构。另外，因为表层与框架是由相似或完全相同的材料制成的，所以两个元件的热膨胀系数相匹配或者近似地相匹配。相应地，热负载在表层与框架之间的界面只产生最小的应力，并且由此框架和/或表层的破裂或分离可以减少。在固化后，实施方式100可以从模具中除去。所述实施方式可以容纳任何数量的电子部件。例如，某些实施方式可以用于形成移动电话、膝上型或者笔记本计算机、平板计算设备、台式计算机、电视机、立体声接收器或者实际上任何其它电子设备的外表面。所述实施方式可以形成电子外壳的基本上全部或者只是其一部分，例如背部壳体和侧壁。备选实施方式可能根本不是电子设备外壳，而是可以形成一般由金属或塑料制成的任何数量的物体。例如，某些实施方式可以象在此所述的那样形成，以便产生服务用具或者器皿。其它实施方式可以产生箱体或者存储容器。应当指出，很多种物体都可以根据这里所述的方法和实施方式形成。例如，基体内带纤维的框架和基体内带纤维的表层可以用于构成高尔夫球棒的头。可以如上所述地形成球棒头形状中的三维框架，而且表层围绕该框架包绕并附接到该框架。可以使用单个表层， 或者多个表层可以形成球棒头的外部(例如，头的每个侧面有一个表层)。同样，在某些实施方式中，可以采用多于一个框架。继续高尔夫球棒头的例子，可以形成两个框架——一个在上面而另一个在下面，然后在应用表层之前将它们彼此相连。替代实施方式可以采取以下形式涡轮叶片(例如，用于风车或者涡轮)；推进器；机翼、机翅或机尾结构；诸如曲柄臂和车座杆的自行车零件；集装箱；滑雪橇和滑雪板；等等。应当指出，可以利用在此所公开的实施方式产生复杂、封闭的三维形状；不需要所产生的形状有任何部分打开或暴露。因而，框架可以成形为使得框架的一个片段沿要形成的物体的X轴延伸，第二个片段沿物体的Y轴延伸，而第三个片段沿物体的Z轴延伸。例如， 方形盒子可以具有从盒子的每个角部沿三个单独的轴延伸的框架。在其它实施方式中，框架片段可以定义三个或者更多个在每组两个片段之间延伸的唯一平面，由此定义结构的三维结构或者部分。以上总体上关于特定实施方式与制造方法进行了描述。对本领域普通技术人员来说，很显然，在不背离本公开内容主旨或范围的情况下可以进行某些修改。例如，除碳之外的纤维可以用作强化或硬化元素。作为一个例子，可以代替使用某些金属，或者可以使用另一种类型的塑料。相应地，本公开内容的正确范围是在以下权利要求中阐述的。
权利要求
1.一种外壳，包括由第一材料形成的框架；由所述第一材料与所述框架分开形成的表层，并且该表层结合到所述框架；其中所述表层是由多层所述第一材料形成的；及所述表层的一部分至少覆盖所述框架的壁。
2.如权利要求1所述的外壳，其中，所述第一材料是至少纤维和悬置该纤维的基体的合成物。
3.如权利要求2所述的外壳，其中，所述第一材料是碳纤维增强塑料。
4.如权利要求2所述的外壳，其中所述多层中的每一层的外边缘构成至少一个阶梯图样； 所述框架定义了渐细片段；及所述多层与所述渐细片段相邻。
5.如权利要求4所述的外壳，其中 所述框架的截面是实心的；及所述多层中的每一层的至少一部分与所述渐细片段的特定部分相邻放置。
6.如权利要求4所述的外壳，其中，所述阶梯图样的至少一部分环绕所述渐细片段的至少一部分。
7.如权利要求2所述的外壳，其中所述框架定义了从至少一个角部延伸的至少一个角部凸缘；及所述表层的一部分上覆所述角部凸缘的一部分。
8.—种制造物体的方法，包括 由基体内带纤维的材料形成框架；由至少第一层和第二层所述基体内带纤维的材料形成表层； 关于所述框架的至少一部分包绕所述表层的至少一部分；及把所述表层结合到所述框架。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述第一层包括基体中基本对准的第一多根纤维； 所述第二层包括基体中基本对准的第二多根纤维； 所述第一多根纤维沿第一轴延伸；及所述第二多根纤维沿与所述第一轴不同的第二轴延伸。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述基体内带纤维的材料是碳纤维增强塑料。
11.如权利要求9所述的方法，还包括在关于所述框架的所述至少一部分包绕所述表层的所述至少一部分之前除去所述第二层的至少一部分。
12.如权利要求9所述的方法，其中，由基体内带纤维的材料形成框架的操作包括在模具中放置粒状的基体内带纤维的材料，该粒状的基体内带纤维的材料包括纤维和基体；闭合所述模具；加热所述模具，直到基体熔化；及关于纤维固化所述基体，以形成所述框架。
13.如权利要求12所述的方法，其中形成表层的操作包括 把所述第一层切割成第一十字形状；把所述第二层切割成第二十字形状；及把所述第一层结合到所述第二层，使得所述第二十字形状暴露所述第一十字形状的一部分，由此在所述表层上产生阶梯图样。
14.如权利要求13所述的方法，其中，由基体内带纤维的材料形成框架的操作还包括在至少所述框架的片段上形成渐细部。
15.如权利要求14所述的方法，其中，关于所述框架的至少一部分包绕所述表层的至少一部分的操作包括关于所述渐细部包绕所述表层上的阶梯图样。
16.如权利要求8所述的方法，其中所述框架定义了三维物体的至少第一边缘、第二边缘和第三边缘； 所述第一边缘和第二边缘定义了在其间延伸的第一平面； 所述第二边缘和第三边缘定义了在其间延伸的第二平面； 所述第一边缘和第三边缘定义了在其间延伸的第三平面；及所述第一边缘、第二边缘和第三平面不平行或交叠。
17.一种物体，包括定义了四个角部和四个支柱的框架，每个支柱在两个角部之间延伸，由此形成矩形形状；以及包括多层的十字形状的表层，所述多层中的每一层都具有比其下面的层更小的表面积，所述十字形状的表层至少部分地邻近并结合于至少所述框架的片段；其中所述十字形状的表层包围所述四个支柱； 所述四个角部被暴露；及所述框架和所述十字形状的表层是由基体内带纤维的材料形成的。
18.如权利要求17所述的物体，其中，所述表层构成了所述物体的底部表面。
19.如权利要求18所述的物体，其中，所述框架和所述十字形状的表层是由所述基体内带纤维的材料分开地形成的。
20.如权利要求19所述的物体，其中，所述四个角部中的每一个都包括与所述底部表面基本上平行的向内延伸的凸缘。
全文摘要
一种用于电子设备或者其它物体的、由基体内带纤维的材料形成的外壳。可以使用分层的基体内带纤维类型的材料，例如CFRP。由CFRP制成的脊部可以支撑并附接到CFRP表层。CFRP脊部可以是赋予整个外壳强度与刚度的整体框架，并且还至少构成框架的一些角部。在有些实施方式中，脊部可以是矩形的。表层可以由一层叠到另一层之上的多层CFRP类型的材料形成。每一层都可以在一个或多个角部处被切割，以便暴露其下面的层的至少一部分。因此，表层可以具有整体上的十字形状，使得该十字的每个臂都可以围绕以上提到的矩形脊部的不同侧包绕。
文档编号H04M1/02GK102461352SQ201080027585
公开日2012年5月16日 申请日期2010年4月30日 优先权日2009年5月18日
发明者K·M·肯尼伊 申请人:苹果公司