专利名称：桁骨复合材料制品及其流动介质成型模具和成型方法
技术领域：
本发明涉及带有增强骨架的复合材料制品及其成型模具和模塑成型方法，能够广 泛应用于船艇、汽车、列车、飞机、火箭、风力发电机扇叶、城市景观或功能建筑等大型复合 材料制品的成型加工领域，尤其是将材料以流体形式灌注到型腔后经过化学反应或冷却固 化而得到制品的成型加工场合。
背景技术：
游艇船体、海洋工程建筑、高速火车头和飞机舱体等绝大部分采用复合材料制造。 这类大型复合材料制品的成型加工制造技术，除了沿用已久的手糊工艺外，越来越多地采 用模压成型和模塑成型方法。复合材料的手糊工艺存在着劳动强度大、生产效率低、成型质 量不稳定等诸多缺点。复合材料的模压工艺采用浸胶布作为模压料，而模塑工艺是采用片 状、团状、散状的模压料，首先将一定量的模压料置于金属对模中，而后在一定温度和压力 下成型制得所需的制品。模压或模塑成型方法所制得的产品尺寸精确，表面光洁，可一次成 型，生产效率较高，且产品质量较为稳定，适合于大批量制作各种中小型复合材料制品。其 不足之处在于模具的设计和制造较为复杂，生产初期的投资较高，且制件受设备的限制较 为突出，对于大型复合材料制品的加工制造，特别是单件或小批量生产成本很高。针对这一 问题，专利200310106469. 5公开了一种浇注成型的玻璃钢结构的制造方法。该发明主要是 将泡沫材料切割成泡沫芯材或采用模具成型泡沫芯材，然后在泡沫芯材上涂布带填料的玻 璃钢树脂。该方法可以解决模具制造成本高的问题，可用于没有严格的形状和尺寸精度要 求的制品(如公园景观等)的成型。该成型方法存在的主要问题是泡沫芯材强度低，泡沫 芯材的制作也比较复杂，而且成型制品内部为泡沫芯材，外表面为自由面，不适用于强度要 求高和尺寸精度要求高的制品。美国专利(U. S. 4902215，U. S. 5052906)于1990年公开了 由SEEMANN发明的复合材料树脂原位融合模塑料工艺，通过在模具内铺设干布骨架材料， 用硅胶真空袋将骨架材料套封在模腔内，然后抽真空同时吸入树脂溶液，在骨架材料中不 断渗透、浸润、融合，溶剂蒸发被真空泵抽走，大气压将逐渐凝固的树脂复合材料压紧在模 腔表面，从而得到制品。该技术大大降低了手糊工艺的劳动强度，减小了溶剂挥发造成的环 境污染。该技术应用初期，常常还由于流动不畅通等原因造成充填不足，浸润融合不充分等 缺陷，后来陆续改进并产生了一些列相关专利(到2000年底共申请专利10项)，从而使该 技术走向成熟并广泛应用于游艇船体等领域。但是，该技术所必需的成型模具成本没有减 少，增强骨架材料在整个复合材料中的利用率没有得到提高。发明内容
本发明旨在解决大型复合材料制品模具成本高，成型加工复杂，不能满足现代制 造业产品造型个性化设计和升级换代日新月异的发展需求等问题，以流动的介质自适应制 品表面构成模具，取代现有金属等固体材料通过雕刻切削等机加工或电火花加工等传统的 模具制造方法，并将增强骨架材料设计成桁架或富勒结构等建筑结构直接支撑蒙皮材料构成模具的型腔，使增强材料在整个结构中充分发挥作用，减少材料浪费，从而创造一种无需 再加工模具型腔的桁骨复合材料制品模塑成型制造方法。
本发明桁骨复合材料制品由骨架增强材料、蒙皮材料和充填材料组成，骨架增强 材料由杆固定连接而成并具有了制品的轮廓，在骨架增强材料作为外轮廓的节点上贴合蒙 皮材料，填充材料嵌入在蒙皮材料内骨架增强材料的杆间。
本发明桁骨复合材料制品的骨架增强材料由杆按照桁架、富勒结构或其它稳定的 力学结构根据制品形状特征编织而成，即“桁架型增强骨架”(简称“桁骨”)，本发明中的骨 架增强材料的杆采用高强度的金属、非金属或复合材料制成，杆可细如丝或粗如棒或管状， 杆端可以有球节。
本发明中的骨架增强材料的杆采用螺纹连接、焊接、铆接、粘接等连接方式制成桁 架等强度足够且受力稳定的骨架结构。
本发明中的蒙皮材料是透气型网状织物或无纺布，或者是气密性好的膜、片、板等 材料。该蒙皮材料成为最终制品的一部分，或者在成型完毕后将其剥离下来供再次成型时重复使用。
本发明中的充填材料为高分子树脂、水泥或其它可灌注到型腔中进行反应固化、 冷却固化或烧结固化的材料，是同一种类和微观结构形态的材料或多种类和微观结构形态 材料的混合物，包括密实材料或发泡材料等。
本发明制作桁骨复合材料制品的流动介质成型模具，包括容器、型腔、灌注装置和 流动介质，型腔由形成桁骨复合材料制品的骨架增强材料、蒙皮材料构成，骨架增强材料由 杆固定连接而形成并具有了预加工制品的轮廓，在骨架增强材料作为外轮廓的节点上贴合 蒙皮材料形成型腔，型腔放置于容器中，流动介质位于容器内，型腔浸入在流动介质中，型 腔的填充材料入口处连接有灌注装置，灌注装置用于充填材料的灌注，容器可以是敞口或 密闭的，密闭的容器中流动介质可以有压力，流动介质的压力均勻作用在型腔的蒙皮上，流 动介质可以承受预加工制品制作时型腔内充入的充填材料的膨胀力。
本发明桁骨复合材料制品的流动介质成型模具的流动介质是空气、氮气等气体， 水、油、水银等各种溶液或熔融态的流体，或者采用砂砾、玻璃微球、钢珠等具有一定流动性 的固体材料。根据成型压力大小，流动介质一般采用水、流沙等廉价易得、使用安全环保、可 反复使用的材料。
本发明利用流动介质成型模具制作桁骨复合材料制品的成型方法，首先采用杆按 照桁架、富勒结构或其它稳定的力学结构根据预加工制品的形状特征编织成具有线框骨架 形状的骨架增强材料，即“桁架型增强骨架”(简称“桁骨”)，骨架增强材料由杆固定连接而 形成并具有了预加工制品的轮廓；在骨架增强材料作为外轮廓的节点上贴合蒙皮材料形成 型腔；为了增加骨架增强材料、蒙皮材料与充填材料的结合强度，可在骨架增强材料、蒙皮 材料与充填材料接触的部位涂覆胶等处理；将型腔放入盛有流动介质的容器中，使型腔淹 没在流动介质中，流动介质紧密地接触在蒙皮材料的外表面上，从而在骨架材料的支撑下 由蒙皮材料构成一个连通的成型型腔；型腔、容器、灌注装置和流动介质构成流动介质成型 模具，型腔在蒙皮材料外侧流动介质的静压作用下可以承受一定的膨胀作用力；然后将填 充材料灌注到该型腔中；充填材料在型腔中固化，便得到带有骨架增强材料的复合材料制 品；将其从流动介质中取出，保留或去除蒙皮材料。
本发明中，在灌注充填材料时，根据需要在充填材料注入型腔过程中及至充填材 料固化前对模具或型腔施加外力摇摆或振动，以提高成型制品的密实性和去除蒙皮材料后 的制品的外观光顺性，摇摆或振动运动的产生通过人工、机械力或电磁力实现。
本发明适用于游艇船体、高速火车头和飞机舱体等大型复合材料制品的成型加 工，骨架增强材料与蒙皮材料构成模具的型腔，可免去模具的加工制造环节，大幅度降低制 造成本；充分发挥骨架材料的增强作用，制品的体积可以很大，不受传统加工设备的限制； 改变增强材料的杆的长度和数量，蒙皮材料和增强材料很容易形成新的型腔，因而加快了 产品更新换代的速度，在现代制造业中具有广阔的应用前景。
图1是本发明桁骨复合材料制品的一个实施例一游艇船体横断面示意图。
图2是图1所示的本发明桁骨复合材料制品一个实施例一游艇船体的流动介质 模具示意图。
图中1-骨架材料，2-充填材料，3-蒙皮材料，4-外表面流动介质，5-内表面流动 介质，6-灌注装置，7-真空抽吸管道。
具体实施方式
根据制品造型设计，将杆通过固定连接方式构成稳定的骨架材料1。采用蒙皮材料 3贴合在骨架材料1的轮廓节点上，构成模具的型腔。在骨架增强材料、蒙皮材料与充填材 料接触的部位涂覆胶等处理。将型腔沉浸或者淹埋在流动介质中，型腔、流动介质及容器构 成流动介质模具。当蒙皮材料3为气密性材料时，为提高充填成型质量，通过与真空抽吸管 道7连接的抽真空装置对型腔进行抽真空处理。充填材料2被灌注到型腔前，要根据充填 材料2的特性，选择合适的外表面流动介质4和内表面流动介质5，以利于充填材料2优质 高效地充填，防止分层、胀模、气泡等缺陷的产生。根据制品的需要，充填材料2可为有一定 倍率的闭式泡孔的材料或者是密实无气泡的材料。对于反应固化类填充材料2，需要利用专 门的灌注装置6，特别是聚氨酯类的材料，在充填时，常由两种流体组分按照一定的混合比 例快速均勻混合后充填，在型腔中反应固化。
实施例游艇船体的成型
游艇船体由不锈钢丝作为骨架材料1，聚氨酯涂胶布为蒙皮材料3，玻璃钢树脂为 充填材料2。
上述游艇船体的成型模具，由不锈钢丝连接成骨架材料1，聚氨酯涂胶布作为蒙 皮材料3贴合在不锈钢丝作为上述游艇船体轮廓的节点上形成型腔，容器为敞口结构的水 池，型腔放置在容器中，型腔上侧为游艇船体的内侧，型腔下侧为游艇船体的外侧，游艇船 体的内侧和外侧分别与内表面流动介质5和外表面流动介质4接触，内表面流动介质5和 外表面流动介质4都为水，流动介质对蒙皮材料3产生一定的静水压力。
利用流动介质模具制作游艇船体的方法为第1步根据游艇船体的造型设计，利 用不锈钢丝连接成骨架材料1，骨架材料1采用一层或者多层，以构成设计外形并承受足够 载荷为目标，本发明中骨架材料1作为轮廓的内外表面的不锈钢丝连接为四边形，每个节 点与对面临近的四个点由丝接连构成稳定的锥形结构，节点可采用球节，也可以直接焊接；第2步采用聚氨酯涂胶布作为蒙皮材料3贴合在骨架材料1作为轮廓的节点上，形成密 闭的型腔，在骨架增强材料、蒙皮材料与充填材料接触的部位涂覆胶等处理，检查型腔气密 性，对有漏气的地方进行补漏处理；第3步将没有漏点的型腔放入水池中，型腔上侧为游 艇船体的内侧，型腔下侧为游艇船体的外侧，游艇船体的内侧和外侧分别与内表面流动介 质5和外表面流动介质4接触，内表面流动介质5和外表面流动介质4都为水；第4步根 据充填材料的流变参数、密度等物理性质的不同情况，为保障充填质量和充填效率，需要采 取相应的辅助充填措施，如对蒙皮材料内外流动介质施加压强(气压或水压等)，通过与真 空抽吸管道7连接的抽真空装置对型腔进行抽真空；第5步将混有玻璃纤维的低温反应 型玻璃钢树脂(或其它反应固化树脂如聚氨酯等)灌注到型腔内；第6步观察型腔内充填 材料2充填和固化情况，根据需要可以施加外力摇摆或震动，以利于成型制品的水密性和 外观的光顺性；第7步待型腔内材料固化完成后，抽干船体内侧的水，使船体浮出，剥离蒙 皮材料3 ；第8步将船体放入水中，检查水密性，对有漏水的局部进行补漏处理，根据需要 可以对外表面喷涂一层密实材料并进行修饰处理。
权利要求
1.桁骨复合材料制品，由骨架增强材料、蒙皮材料和充填材料组成，其特征在于骨架 增强材料由杆固定连接而成并具有了制品的轮廓，在骨架增强材料作为外轮廓的节点上贴 合蒙皮材料，填充材料嵌入在蒙皮材料内骨架增强材料的杆间。
2.根据权利要求1所述的桁骨复合材料制品，其特征在于骨架增强材料的杆采用金 属、非金属或复合材料制成，杆是丝、棒或管，杆端有球节。
3.根据权利要求1所述的桁骨复合材料制品，其特征在于蒙皮材料是透气型网状织 物或无纺布，或者是具有气密性的膜、片、板。
4.根据权利要求1所述的桁骨复合材料制品，其特征在于充填材料为高分子树脂、水 泥或其它能够灌注到型腔中进行反应固化、冷却固化或烧结固化的材料，或是同一种类和 微观结构形态的材料或多种类和微观结构形态材料的混合物，包括密实材料或发泡材料。
5.制作权利要求1所述的桁骨复合材料制品流动介质成型模具，其特征在于主要包 括容器、型腔、灌注装置和流动介质，型腔由形成桁骨复合材料制品的骨架增强材料、蒙皮 材料构成，骨架增强材料由杆固定连接而成并具有了预加工制品的轮廓，在骨架增强材料 作为外轮廓的节点上贴合蒙皮材料形成型腔，型腔的填充材料入口处连接有灌注装置，型 腔放置于容器中，流动介质位于容器内，型腔浸入在流动介质中，容器是敞口的或密闭的， 流动介质的压力作用在型腔的蒙皮材料上。
6.根据权利要求5所述的桁骨复合材料制品流动介质成型模具，其特征在于流动介 质是空气、氮气、水、油、水银，或者是砂砾、玻璃微球、钢珠。
7.利用权利要求5所述的流动介质成型模具制作权力要求1所述的桁骨复合材料制 品成型方法，其特征在于首先，骨架增强材料由杆固定连接而成并具有了预加工制品的轮 廓；在骨架增强材料作为外轮廓的节点上贴合蒙皮材料形成型腔；在骨架增强材料、蒙皮 材料与充填材料接触的部位涂覆胶；将该型腔放入盛有流动介质的容器中，使型腔淹没在 流动介质中，流动介质紧密地接触在蒙皮材料的外表面上，在骨架材料的支撑下由蒙皮材 料构成一个连通的成型型腔，该型腔在蒙皮材料外侧流动介质的静压作用下可以承受一定 的膨胀作用力；型腔、容器、灌注装置和流动介质构成流动介质成型模具；然后将填充材料 通过灌注装置灌注到该型腔中；充填材料在型腔中固化，便得到带有骨架增强材料的复合 材料制品；将其从流动介质中取出，保留或去除蒙皮材料。
8.根据权利要求7所述的桁骨复合材料制品成型方法，其特征在于在充填材料注入 型腔过程中及至充填材料固化前对模具或型腔施加外力摇摆或震动，摇摆或振动运动的产 生是通过人工、机械力或电磁力实现。
全文摘要
本发明桁骨复合材料制品及其流动介质成型模具和成型方法，桁骨复合材料制品由骨架增强材料、蒙皮材料和充填材料组成，骨架增强材料由杆固定连接而成并具有了制品的轮廓，在骨架增强材料作为外轮廓的节点上贴合蒙皮材料，填充材料嵌入在蒙皮材料内骨架增强材料的杆间，其流动介质成型模具包括容器、型腔、灌注装置和流动介质，其成型方法是将充填材料灌注到型腔中，充填材料固化得到制品。本发明免去模具型腔的加工制造环节，可大幅度降低制造成本，并且充分发挥骨架材料的增强作用，制品的体积可以很大，不受传统加工设备的限制，改变增强材料的杆的长度和数量，蒙皮材料和增强材料很容易形成新的型腔，因而加快了产品更新换代的速度。
文档编号B29C70/54GK102029732SQ20091009337
公开日2011年4月27日 申请日期2009年9月29日 优先权日2009年9月29日
发明者杨卫民, 欧阳良峰, 阎华 申请人:北京华夏英蓝科技发展有限公司, 青岛科技大学