專利名稱：在模中制作預型體的裝置和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及制作預型體的裝置和方法，特別是用于復合材料模制件的預型體，本發(fā)明還涉及復合材料模制件。該裝置和方法具體涉及利用聚合物材料制作結構預型體。
背景技術：
在許多應用中，高強度聚合物材料日益被用來替代傳統(tǒng)結構材料例如金屬。與金屬相比，聚合物材料具有重量更輕的優(yōu)點，并且通常較便宜且更耐用。但是聚合物材料在強度上比金屬低很多。除非聚合物材料以某種方式被增強，否則它們一般達不到替代金屬所需的強度要求。
因此，已經(jīng)開發(fā)了聚合物復合材料以滿足強度要求。這些復合材料的特征在于具有嵌入增強材料的連續(xù)聚合物基體，所述增強材料通常是相對剛性、高縱橫比的材料，如玻璃纖維。
這種復合材料通常模制成型為預定形狀，該形狀在多數(shù)情況下是不對稱的。為了將增強材料放入復合材料中，增強材料通常首先被置于模具中，接著閉合該模具，然后引入流體模塑樹脂。模塑樹脂填充模具，包括纖維之間的間隙，并且硬化(通過冷卻或固化)以形成所需的復合材料。作為選擇，模塑樹脂可以在模塑前涂覆到增強纖維上。然后將其上涂覆有樹脂的增強材料置于施加一定溫度和壓力的模具中，固化樹脂以制備所需的復合材料。
理想的是使增強材料均勻分布于整個復合材料中。否則，復合材料在缺乏增強物之處將具有弱點。因此，重要的是制備增強材料使得各個纖維均勻地分布于整個復合材料。另外，各個纖維應該保持在一定位置上，以阻止當模塑樹脂進入模具時隨著模塑樹脂一起流動，這將會破壞纖維分布。
由于這些原因，傳統(tǒng)上已經(jīng)將增強物在模具外部形成為氈片。然后將預成型氈片置于模具中或用樹脂浸漬以制作最終的復合材料制品，或者簡單地加熱和加壓以制作密度非常低的復合材料制品。通常通過將增強材料形成為與模具內(nèi)部相匹配的形狀并將粘合劑涂覆到纖維上而制備氈片。在一些情況下，預涂覆熱固性粘合劑，接著，在將纖維成型為氈片之后固化。
在其它的方法中，涂覆熱塑性粘合劑，使得在后續(xù)操作中可以加熱并軟化粘合劑，并隨后將氈片成型。這種粘合劑使各個纖維相互“粘合”，使得當將得到的氈片轉移到模具中以進一步加工時，所述氈片保持其形狀。粘合劑還有助于在將流體模塑樹脂引入到模具中時，使各個纖維保持其位置。在某些情況下，作為選擇，可以在模塑前將模塑樹脂涂覆到增強纖維上。將具有粘合劑和樹脂的纖維置于模具中，然后施加一定的溫度和壓力，固化樹脂以制備所需的復合材料。
一般使用的粘合劑主要有三種，每一種均具有各種缺點。最常用的粘合劑是溶劑型聚合物，即液體，例如環(huán)氧和聚酯樹脂。通常利用“空氣引導”法將溶劑型粘合劑噴射到氈片上，然后加熱氈片以使溶劑揮發(fā)并且根據(jù)需要固化粘合劑。這意味著粘合劑的施用是至少兩步過程，從經(jīng)濟的角度考慮這是不理想的。而且，溶劑的使用遇到環(huán)境、暴露和回收問題。處理這些問題潛在地顯著增加該方法的費用。由于整個氈片必須被加熱直至閃蒸溶劑和固化粘合劑，因此該程序還是耗能的。固化步驟還使得該方法耗時更長。
溶劑型粘合劑的使用是極為骯臟的。還存在與保持工作區(qū)和篩網(wǎng)清潔相關的高維護費用，其中在所述工作區(qū)和篩網(wǎng)上形成氈片。在這種情況下，當粘合劑可以是低粘度流體時，它將流過并覆蓋纖維的大部分表面。當隨后由用該方法制成的預型體來制備復合材料制品時，粘合劑通常妨礙纖維和連續(xù)聚合物相之間的粘合，從而損害最終復合材料的物理性能。
第二種形式的粘合劑是粉末粘合劑。這些粘合劑可以與纖維混合，然后將混合物形成為預型體形狀，加熱以原位固化粘合劑。作為選擇，可以噴射這些粘合劑以接觸纖維。但是，在空氣引導法中簡單替換粉末粘合劑產(chǎn)生問題。例如，不能涂覆粉末化粘合劑，除非首先將屏蔽物涂覆到篩網(wǎng)以防止粘合劑顆粒被抽吸穿過。而且，這增加了總成本并增加了加工步驟。根據(jù)使用的條件，氣載粉末還可以產(chǎn)生健康和爆炸危害。粉末粘合劑的使用還需要加熱步驟以在將粘合劑顆粒涂覆到纖維之后將其熔化。加熱使得該方法耗能。
第三種粘合劑是加熱熱塑性材料，可以將其熔化并作為粘合劑噴射。這些材料的使用使得任何后續(xù)加熱步驟變得不必要，這是由于粘合劑不需要熱來實現(xiàn)對纖維粘合的某些未定指施。該方法具有“放樣”(lofting)或預型體壓實不足的問題。放樣經(jīng)常發(fā)生，這是由于熱塑性材料通常被加熱到超出其熔點之上的任意溫度，導致它們的冷卻圖案和沿纖維表面的大面積遷移缺乏均勻性。這使得一些纖維在通過固化熱塑性材料而被定位之前發(fā)生“反彈”。這可以導致形成密度比所需密度更低的預型體、遍及預型體的密度梯度和纖維之間的不良粘合。
考慮到本文中所述的問題，通過應用并入本文的美國專利6,030,575中公開的一種現(xiàn)有技術方法將加熱的粘合劑涂覆到已經(jīng)負載在載體表面上的纖維上，同時在載體表面的另一面施加真空。通過這種方法，利用真空將纖維固定，同時利用噴涂裝置在高壓下涂覆粘合劑。所述涂覆對纖維施加壓力，由此形成固體增強結構。涂覆時，并且在來自真空的氣流輔助下，粘合劑冷卻并固化成為所需的預型體形狀。但是，真空涂覆需要充氣裝置形式的附加設備，并且還需要附加的控制功能和勞動，以恰當?shù)厥┯美w維和真空。因此，材料和操作成本增加。
考慮到這些現(xiàn)有技術方法，可能需要提供一種用于制作預型體的更簡單的裝置和方法，其中與利用溶劑型、粉末或熱塑性粘合劑相關的問題被最小化或被克服。還可能需要提供一種裝置和方法，其中避免預型體材料從高垂直或接近垂直的表面上下陷、滑塌和分離。還可能需要提供易于操作并由此更有利于自動控制的成本更低的方法。在更簡單的成型方法中，甚至可能不需要將預型體轉移到模塑工具中和/或不需要對成型表面施加真空。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個方面提供裝置和方法，其中可以有效并低成本制作高強度結構預型體和復合材料模制品。
本發(fā)明的另一方面提供制作預型體和/或復合材料模制品的裝置和方法，所述預型體和/或復合材料模制品不需要使用附加量的有機溶劑。
本發(fā)明的另一方面提供制作預型體和/或復合材料模制品的裝置和方法，該預型體和/或復合材料模制品可以呈現(xiàn)各種形狀，包括不對稱部件和部分部件。
本發(fā)明的另一方面提供使用更少組件和由此減少資金投入和運行生產(chǎn)成本的裝置和方法。
可容易地使本發(fā)明適合于自動生產(chǎn)和/或控制。
根據(jù)本發(fā)明的方法包括下列步驟提供增強材料、提供粘合劑材料、混合增強材料和粘合劑材料使得粘合劑材料粘附于增強材料、將混合物流涂覆到載體表面由此將混合物粘附于載體表面和使混合物固化以形成預型體。
具體地，本方法涉及制作用于形成結構部件的預型體，其中提供纖維增強材料流，通過在文丘里管中將粘合劑材料提供至纖維增強材料流中以將顆?；蛞簯B(tài)或霧化的粘合劑材料粘附于增強材料，從而形成粘合混合物，并將增強材料和粘合劑材料的粘合混合物熱噴涂到載體表面，任選隨后通過將冷卻介質(zhì)施加到剛熱噴涂和沉積的粘合混合物上，使得混合物粘附于載體表面并固化成預型體。
根據(jù)本方法制作的預型體和復合材料模制品及其在本文中所描述的變體也包含在本發(fā)明之內(nèi)。
應該理解，本文所述的發(fā)明可以通過各種方式進行變化并且不受限于本文所描述的具體實施方案。本發(fā)明旨在一般性包括任意實施方案，其中在將纖維和粘合劑材料涂覆到表面之前先將它們結合，然后在該表面上使混合物固化為所需的形狀。


結合下列附圖更加詳細地描述本發(fā)明圖1是將材料沉積到表面上以制作根據(jù)本發(fā)明一個方面的預型體的末端執(zhí)行器的示意性透視圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明一個方面制作的預型體的示意性透視圖；圖2A是根據(jù)本發(fā)明方法所采用的一種成型表面的放大局部區(qū)段；圖2B是根據(jù)本發(fā)明方法所采用的另一種成型表面的放大局部區(qū)段；
圖2C是根據(jù)本發(fā)明方法所采用的另一種成型表面的放大局部區(qū)段；圖2D是通過根據(jù)本發(fā)明的方法制備的預型體放大局部區(qū)段；圖3是根據(jù)本發(fā)明方法的實施方案所采用的末端執(zhí)行器局部側視圖；圖4是圖3末端執(zhí)行器的局部透視圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明方法的實施方案所采用的末端執(zhí)行器局部側面透視圖；圖6是表示裝配用于涂覆冷卻介質(zhì)幕(curtain)的元件的末端執(zhí)行器的局部透視圖；圖7是用于提供冷卻介質(zhì)幕的末端執(zhí)行器和布置的局部端視圖；圖7A是一對文丘里管裝置的橫截面圖；圖8和8a以及圖8c和8d分別是安裝在圖6末端執(zhí)行器上的切碎機噴槍(choppergun)組件的局部視圖和從圖6末端執(zhí)行器分離的切碎機噴槍的局部視圖；圖9描繪了運行中的具有加熱器的末端執(zhí)行器，其產(chǎn)生加熱區(qū)并且增強纖維和粘合劑的混合物流經(jīng)該加熱區(qū)；圖10描繪了安裝在自動控制機械臂上的末端執(zhí)行器，用于制作船體預型體；圖11圖示了自動控制機械臂，該自動控制機械臂具有用于將纖維/粘合劑涂覆到涂有凝膠的模具的末端執(zhí)行器；圖12圖示了船體預型體，該預型體在完成了根據(jù)圖11的纖維/粘合劑涂覆之后在第一模具中獲得；圖13圖示了在第一模具中的船體預型體，其中該預型體被修整用于隨后制造最終復合材料模制品；圖14圖示了在引發(fā)樹脂傳遞成型以制造組合模制品之前，在具有配合第二模具的支撐第一模具中的修整船體預型體；和圖15說明在制作預型體中多個末端執(zhí)行器的使用。
優(yōu)選實施方式下面將結合預型體的成型來描述本發(fā)明，該預型體用于船舶業(yè)以構建玻璃纖維增強制品，例如船用發(fā)動機外殼、艙口蓋、甲板、甲板部件或船體。但是，應該理解，這僅是示例性實施方案，本方法可用于使用高強度結構部件的各種應用中。例如，根據(jù)本發(fā)明的公開實施方案制作的預型體可用于汽車、航空或建筑工業(yè)或作為家用商品如電氣用具的部件。此外，雖然本文提供了材料的具體實例，但是可以使用任意合適的材料。
由圖1可見，用于實施根據(jù)本發(fā)明方法的預型體制作組件10包括材料涂布器12，該涂布器將預型體材料混合物14涂覆到載體表面16以產(chǎn)生預型體18。本申請中術語“預型體”是指包括用作復合材料結構部件內(nèi)的增強插入物或結構載體的任意結構，其優(yōu)選但不必須為模制件?？梢栽谶@種預型體保留在模具中的同時使用該預型體。預型體18可在保留在其模具中的同時成型而且使用，或者可以將其置于閉模內(nèi)或開模上(例如托架或基底)以形成復合材料部件。作為替代方案，預型體18可用作具有粘附或模壓在其上的材料的基礎結構，由此作為骨架或托架并且消除對型基體(moldbase)或模塑工具的需求。預型體18可以是任意所需的形狀。在其最簡單的形式中，它類似成型的氈片。
圖1中的材料涂布器12包括具有將預型體材料混合物14輸送到載體表面16的末端執(zhí)行器22的自動控制機械臂20。可以通過任意已知的涂覆方法，利用末端執(zhí)行器22涂覆預型體材料混合物14，所述已知的涂覆方法包括例如噴涂、噴吹、流動、噴射、層壓或覆蓋。
從圖1可見，載體表面16可以是包括整個部件形狀或部分部件的任意表面。載體表面16可以包括沿任意平面取向的表面。該方法特別適合于將材料涂覆到垂直表面24。例如，圖2示出成型為整個船體的預型體18，其可以用作模塑期間的自立式結構基體。在這種情況下，涂覆到載體表面16的預型體材料混合物14包括由熱塑性粘合劑保留的隨機取向的碎玻璃纖維，參見圖2D。
可以理解，載體表面16可以由任意適當?shù)牟牧现瞥?，包括玻璃纖維、金屬或陶瓷，特別是用于模具的已知材料。如果需要還可以預處理表面。例如，如果僅通過壓縮和加熱預型體來使用預型體18而沒有另外的模塑步驟，則可能理想的是粉末涂裝(powder coat)載體表面16。而且，用于模塑的表面處理可以采用例如凝膠涂層、脫模劑、剝離殼或屏蔽物，可以單獨或以各種組合使用。很明顯，預型體18的預定用途可以指示載體表面16的精確構造。
圖2A-2C表示可用于根據(jù)本發(fā)明實施方案的方法的載體表面16的變體。載體表面16可以是具有孔28的多孔板狀部件26，參見圖2A，這使得在涂覆期間空氣能夠流經(jīng)部件26中的孔28。雖然，如下所述，在載體表面16處沒有受控的氣流，但是在涂覆期間在載體表面16和混合物14之間捕集的環(huán)境空氣可以通過孔28逸出，因此在涂覆混合物14期間提供更多控制以及更加密實的預型體18。
作為替代方案，載體表面16可以是剛性網(wǎng)狀物30，如圖2B所示。在該實施方案中，混合物14可以粘附于網(wǎng)狀物30并將網(wǎng)狀物30結合到預型體結構中，因此增加剛性。網(wǎng)狀物30還具有另外的優(yōu)點，即允許在涂覆混合物14期間使環(huán)境空氣流經(jīng)它的孔。網(wǎng)狀物30可以是任意適當?shù)牟牧希úＡЮw維、塑料、金屬、木料或其任意組合。網(wǎng)狀物30在隨后的模塑期間通過提供使隨后涂覆的樹脂可以流入并粘合的間隙而提供有利條件。
圖2C示出適合于本方法的第三類載體表面16。在這種情況下，載體表面16是固體板32。固體板表面32同樣示于圖1中，其中用于部件的預型體被成型?；旌衔?4在涂覆期間直接粘附于板32。當混合物14被壓到板32上時，這種變化可以得到壓實的預型體結構18。而且，在這種情況下，固化的混合物14可具有用于后續(xù)處理的光滑表面。
載體表面16也不需要成型為最終所需形狀的預型體18。由于混合物14在涂覆的同時發(fā)粘或者具有粘性，因此通過控制涂覆的粘度，可在混合物14固化之前將其壓成不同于載體表面16的所需形狀。由于預型體18不受限于載體表面16的形狀，因此這允許在預型體形狀方面具有很大程度的靈活性。
可以使用任意適當?shù)牟牧蟻砩a(chǎn)預型體18。增強材料可以是適合用作增強物的任意材料。優(yōu)選增強材料是相對剛性、高縱橫比的材料。在優(yōu)選實施方案中，材料是碎纖維材料，例如玻璃纖維、芳族聚酰胺纖維(Kevlar牌纖維)、高分子量聚烯烴例如超高分子量聚乙烯(UHMWPE)，碳纖維、丙烯腈纖維、聚酯纖維或其任意組合?？梢蕴峁┣兴榈牟牧?，或可以在涂覆過程期間或僅在涂覆過程之前切碎材料。優(yōu)選的是，增強物提供具有間隙的表面，以便隨后涂覆的模塑材料可以與增強物緊密結合。
在各種所描述的實施方案中，可以優(yōu)選用于經(jīng)執(zhí)行器22沉積的充分切斷或切碎的纖維增強物。但是，應該理解的是，根據(jù)本發(fā)明也可以或額外實現(xiàn)連續(xù)纖維沉積。通過對自動機械臂的適當程序控制，合適的末端執(zhí)行器22可以以一定的型式(渦狀、環(huán)形或其它型式)在表面16上沉積連續(xù)纖維或在沉積期間對連續(xù)纖維取向，從而為預型體和由該預型體制成的復合材料模制品提供一定性能。例如，當制作船體預型體時，連續(xù)纖維結構可以從船頭鋪設到船尾，和/或可以橫跨船舷(左舷到右舷)鋪設。由此鋪設的纖維可以是連續(xù)的型式或者可以設計切碎機當末端執(zhí)行器22橫穿表面16而達到設計點時將纖維切斷。應該理解的是，原則上切碎機例如圖8a-d中所示的切碎機裝置44或切碎機噴槍可以是可編程的并且因此受控以允許在模制制作預型體時末端執(zhí)行器22從沉積切碎纖維/粘合劑混合物轉換到沉積連續(xù)纖維(纖維或纖加粘合劑)等。
粘合劑可以是市售顆粒粘合劑材料，包括熱塑性和熱固性聚合物、泡沫聚合物和非泡沫聚合物、玻璃、陶瓷、金屬或多組分反應體系。一種合適的粘合劑例如是熱塑性環(huán)氧樹脂混合物。優(yōu)選的是，粘合劑在使用期間在環(huán)境溫度下是真固體或過冷液體，使得揮發(fā)性有機物例如溶劑不會大量存在。由此，可以避免與溶劑有關的環(huán)境問題。此外，粘合劑優(yōu)選是不需要后熱處理來固化的材料，從而減少時間和能量的需求。具體材料可以是任意已知的粘合劑，優(yōu)選可以調(diào)節(jié)和/或熔融而不會顯著分解、冷卻時粘附增強材料以及在典型模塑溫度范圍內(nèi)耐久的材料?？梢耘渲普澈蟿┮园ㄏ鹉z態(tài)組分或者是橡膠態(tài)粘合劑，從而為預型體和由預型體制成的復合材料模制品提供韌性。還可以單獨從粘合劑和/或單獨從纖維加入橡膠態(tài)組分。適當橡膠態(tài)組分包括例如腈類、氨酯或熱塑性材料，優(yōu)選為適當尺寸的顆粒。雖然可以使用單一聚合物粘合劑，但是當沉積材料需要良好地粘附在長垂直或接近垂直的長表面上時，特別是當冷卻介質(zhì)幕穿過沉積材料(纖維和粘合劑混合物)時，優(yōu)選共混物粘合劑，這是由于粘合性得到改善。在各種所描述的實施方案中，有利的是粘合劑可以是粘合劑的混合物或組合物。市售聚酯型粘合劑例如044-8015級的Stypol牌聚酯(Cook Compositesand Polymers)在燃燒器加熱區(qū)加熱之后變得發(fā)粘并且可以對表面表現(xiàn)出良好的初始粘附。混合粘合劑例如環(huán)氧樹脂和聚酯粘合劑成分的共混物可以很快變得發(fā)粘，并且當沉積到表面之后經(jīng)受冷卻介質(zhì)時，意外地可表現(xiàn)出相對更快的固化、堅硬和剛性，從而當纖維/粘合劑混合物作為沉積材料涂覆到垂直或接近垂直的表面時將纖維保持在一定位置上。典型粘合劑共混物可以將具有相對高分子量和約75-80℃軟化點的環(huán)氧樹脂基熱塑性顆粒粉末(50-100目，＜35％細粉)與適當聚酯結合，或者將具有約90-95℃的更高軟化點的更低分子量(50-100目，＜35％細粉)的粉狀環(huán)氧樹脂與適當聚酯結合，后一種環(huán)氧樹脂比前一種環(huán)氧樹脂更易溶于溶劑中?？梢詮腄owChemical獲得合適的環(huán)氧樹脂。原則上，粘合劑組成的適當組合可根據(jù)在粉末涂料工業(yè)中已知的反應性、Tg等因素來選擇。在一個優(yōu)選實施方案中，使用相對于玻璃纖維(切斷、切碎等)的約10wt％的粘合劑。在一個優(yōu)選實施方案的另一方面，作為混合粘合劑的10wt％的粘合劑包含約3∶1的聚酯∶環(huán)氧樹脂的共混物。該比率可以調(diào)整以適合特定的應用要求。具體的粘合劑可根據(jù)預型體所需的特性及其最終預定用途來選擇。預型體的密度可以通過纖維碎片長度或所應用的纖維長度組合、粘合劑的量和所涂覆的纖維/粘合劑層、和/或根據(jù)預型體隨后是否被壓縮而控制。
應該理解的是，所描述的實施方案的變體也是本發(fā)明的一部分，其中末端執(zhí)行器22在表面16上沉積被稱為“預浸料”的材料，表面16可以是模塑工具中的模具表面。在該實施方案中，通過末端執(zhí)行器22沉積的纖維增強物和樹脂的量可包括更多量的粘合劑。例如，在預浸料型實施方案中，粘合劑的量可以是在表面16上沉積材料的約20-30％、甚至高達40％。纖維增強物可以大約構成剩余部分，但是當沉積為特定最終用途沉積時，優(yōu)選在更高放樣條件下沉積。更高放樣可以通過利用更長切斷或切碎的纖維長度或利用更高百分比的更長纖維增強物來實現(xiàn)。
原則上，在這些和其它的實施方案中，可以將其它材料引入末端執(zhí)行器以涂覆到載體表面16上。例如，可以通過將粉末金屬、碳粉或者甚至是導電性聚合物結合到增強物流、粘合劑流中或通過單獨的流來制備具有潛在導電性的預型體。例如，當形成預型體時可以施加阻燃劑材料。當涂覆到表面16時附加的任選材料可以結合到混合物中。當然，如果需要，除了施加到末端執(zhí)行器22的纖維/粘合劑之外，可以將其它材料單獨涂覆到表面16(例如模具的預制表面)。
典型的合適末端執(zhí)行器22在圖3和4中示出。末端執(zhí)行器22是可以輸送根據(jù)本文公開的方法及其變體的材料的任意部件。末端執(zhí)行器22優(yōu)選由自動機械臂20支撐，但很明顯可以以人工或其它方式來來承載。在本方法中，使用了雙熱元件結構。如圖3所示，平衡分離供應集管(balanced split supply header)33給兩個燃燒器34和36進料，優(yōu)選天然氣。平衡集管33將主集管分離以允許公共進料進入燃燒器34和36，從而保持處理過程中均勻和等量氣體混合物供應以及進口壓力條件。雖然沒有示出，但是末端執(zhí)行器22優(yōu)選包括歧管(有時被稱為幕產(chǎn)生和引導設備)，當末端執(zhí)行器22橫跨表面16時，該歧管能夠?qū)⒗鋮s介質(zhì)例如空氣或不可燃氣體的幕提供到沉積在表面16上的材料14。
每一個燃燒器34和36分別具有燃燒器點火元件38和40，點火元件能夠程序驅(qū)動點火或人工遙控。本文所描述的其它燃燒器可以類似地點火和控制。如下文所描述，雙燃燒器結構在由燃燒器34和36噴射的火焰中產(chǎn)生熱包層或區(qū)42。
例如，優(yōu)選燃燒器34(36)提供受控、可變和均勻溫度曲線，具有每線性英寸燃燒器約10000BTU的標稱能力。燃燒器34(36)可包括具有傳感器的供氣混合物控制室，該控制室連續(xù)監(jiān)測和校正火焰混合物的質(zhì)量和氧含量。因此，火焰質(zhì)量可以控制在預定限值內(nèi)。當規(guī)定的參數(shù)被超出或者當產(chǎn)生不安全混合物條件時，可提供自動關閉。從成本和效率角度考慮優(yōu)選使用天然氣，但也可使用任意的燃料。原則上，也可以使用低壓火焰或熱氣流。例如，火焰速度可以是約1000英尺/分鐘。當然，可以使用任意數(shù)量的燃燒器或其它合適的熱源，這取決于加熱區(qū)42的所需大小和結構。
增強材料由材料切碎裝置44提供。切碎裝置44可以根據(jù)待切碎材料的類型而變化。切碎裝置44可以完全與過程控制系統(tǒng)結合，以允許基于控制程序要求或來自過程監(jiān)測的工藝傳感器和控制系統(tǒng)信號的過程中起動、停止和進行參數(shù)調(diào)整。切碎裝置44也可以人工控制或由操作員輸入來改變。如果需要也可使用預切碎的材料或其它顆粒材料。在本文的這個或其它實施方案中，切碎裝置例如切碎噴槍可以提供大于一個長度的碎纖維材料，即一定數(shù)量的一定長度的碎纖維增強物和另一數(shù)量的更長或更短的碎纖維增強物。
切碎材料46通過材料成型管48被輸入。切碎材料46也稱為“碎塊”，可以被噴吹、滴落、噴射或以其它方式從管48中排出。管48設計為在制備中為材料加工提供離散控制區(qū)，用于將切碎材料46引入到材料流中。還可以為所需的任意材料調(diào)節(jié)介質(zhì)提供受控的體積。如圖3所示，切碎材料46被輸入到通向加熱區(qū)42的流中。在管48中提供空氣進口50以便當切碎材料46的流從管48中排出時輔助其成型或取向。
粘合劑引入部件52和54以流的形式向加熱區(qū)42沉積粘合劑56。部件52和54優(yōu)選設計成使來自計量分配裝置的氣載粘合劑被引入到材料流中。粘合劑56可以是顆粒狀或者是能夠與碎纖維46混合的任意常規(guī)形式，如上所示。在這種布置中，粘合劑56以雙流的形式存在，其在進入加熱區(qū)42之前散布在碎纖維46的流中。
圖5中示出替代末端執(zhí)行器裝配，其中末端執(zhí)行器60被安裝在自動機械臂20上。在這種裝置中，中心燃燒器元件62配制有單燃燒器點火元件64和燃燒器面66。一對增強材料切碎裝置68和70被安置在燃燒器元件62的兩側，并且分別通過輸送管72和74將碎纖維46的流輸送到加熱區(qū)42的焦點。在增強材料輸送管72、74附近提供有四個粘合劑引入口E(附圖標記76、76a、78和78a)以將粘合劑流輸送至焦點。由此，增強材料46和粘合劑56的流可以層合在一起而進入加熱區(qū)42，從而將材料混合并產(chǎn)生粘合混合物。雖然沒有示出，但是末端執(zhí)行器22優(yōu)選包括歧管(有時被稱為幕產(chǎn)生和引導設備)，當末端執(zhí)行器22被導向或穿越表面16時，該歧管能夠?qū)⒗鋮s介質(zhì)例如空氣或不可燃氣體的幕提供到沉積在表面16上的材料14。
作為替代方案，在將粘合劑56引入到增強材料46的流中之前，可以通過調(diào)節(jié)裝置例如加熱器來調(diào)節(jié)粘合劑56。在這種情況下，加熱區(qū)將不再必須，這將淘汰氣體控制室和控制器、獨立的計量粘合劑進料裝置、燃燒器供應集管以及點火和燃燒器元件。這種粘合劑加熱器可加熱處理材料，然后將空氣吹過表面以噴射加熱的粘合劑顆粒。
在操作中，假設增強材料46被輸送到可以混合加熱粘合劑56的區(qū)，具體的末端執(zhí)行器可以不同。混合使得材料粘合成為粘合混合物14。然后將粘合混合物14沉積到載體表面16上，在此，粘合混合物14固化為預型體18。使用不同的末端執(zhí)行器裝置允許實現(xiàn)不同的特征。使用不同數(shù)量的增強材料46和粘合劑的流或?qū)訉⑹沟米罱K預型體特征不同。同樣，在加熱粘合劑56之后、之前或加熱的同時來混合粘合劑56將使得預型體18的最終特征不同。
如圖6所示，另一個合適的末端執(zhí)行器22包括具有一般位于中心的口81的文丘里管80，增強物、碎纖維玻璃、碳纖維等通過口81被引入。粘合劑通過口100被輸送到文丘里管，可以通過文丘里管80涂覆增強物流并且與增強物一起以噴涂的方式通過噴嘴84由載氣排出文丘里管80。
如圖6和7所示，相對的燃燒器85和86優(yōu)選相互以微小的角度向內(nèi)傾斜。在操作中，來自燃燒器85和86的火焰優(yōu)選與排出噴嘴84的粘合劑和增強物流不平行，使得當所述流排出噴嘴時，其將經(jīng)過由來自燃燒器85和86的火焰所產(chǎn)生的加熱區(qū)。該區(qū)類似于區(qū)42(圖3和圖4)。這也在圖9中示出。
如上所述，優(yōu)選距離表面16(沒有示出)一定的距離運行末端執(zhí)行器22，以便在表面上實現(xiàn)粘合劑/增強物(沉積材料)的一致沉積。
對于包括相對垂直部分、垂直部分或具有復雜彎曲或弧形的部分的表面16，例如船體或車身部件的側面，材料14(來自粘合劑涂覆的纖維流)起初粘附在這種表面上。但是沉積材料14可以從這種垂直部分(有時稱為段或區(qū))下陷、塌落和脫落，例如船體或車輛部件的部分。冷卻幕可以克服上述問題。當末端執(zhí)行器22橫過表面16或橫過在表面上先前形成的層時，來自平衡歧管88和88a(圖6、7、8和9)的氣態(tài)冷卻介質(zhì)例如空氣幕被施加到沉積的纖維/粘合劑上。所提供的冷卻使得可以引起粘合劑更快固化、或至少更加完全地部分固化，這樣，沉積的材料可以在表面16的垂直部分、接近垂直部分或高度復雜彎曲部分上保持內(nèi)部剛性、形狀和位置。表面16的急劇傾斜部分也有利地接收沉積材料，隨后利用來自如上所述冷卻幕冷卻。如圖6和7所示，歧管88和88a可以包括導向元件89以幫助引導冷卻介質(zhì)至表面16，同時使得對由來自燃燒器85和86的火焰建立的加熱區(qū)的潛在干擾最小。導向元件89還有助于避免纖維和零散粘合劑的積累，從而防止在歧管88和88a上積累以及潛在阻塞歧管88和88a。歧管例如冷卻幕產(chǎn)生和輸送裝置提供氣態(tài)冷卻介質(zhì)，如果需要該冷卻介質(zhì)可以預冷卻或調(diào)節(jié)。氣態(tài)冷卻介質(zhì)可以是空氣或惰性、不可燃氣體例如氮氣。當空氣幕流向表面16時，空氣幕也可有利地帶走周圍大氣，從而增加施用的冷卻介質(zhì)的總體積。經(jīng)歧管88和88a施用的冷卻介質(zhì)優(yōu)選受過程控制，例如調(diào)節(jié)在冷卻介質(zhì)的供應或施用中的速率、量、壓力、持續(xù)時間和中斷。
如圖7A所示，文丘里管80可以包括引入粘合劑的口100、引入纖維(切碎或切斷至所需長度的切斷的玻璃纖維、碳纖維、聚酯纖維、丙烯腈纖維、芳族聚酰胺纖維(Kevlar牌纖維)和/或HMWPE)的纖維口81(本文中有時稱為進口)、引入壓力載氣的口102和噴嘴84。首先，在操作中，通過粘合劑進口100優(yōu)選在文丘里管80的中心通道收縮之前將粘合劑輸送到接近纖維流的中心。由于文丘里效應，文丘里管80可以將纖維增強物從纖維源例如有效連接至文丘里管80的切碎機噴槍引出，纖維和粘合劑在文丘里管80中混合，然后由載氣通過噴嘴84被推出(排出)。排出的材料經(jīng)過加熱區(qū)，從而在通向目標表面的路徑上被加熱，該表面可以是模具的預制表面。在該實施方案中，加熱區(qū)可以在扇形噴嘴84下游的來自燃燒器85和86的火焰噴射的某一區(qū)域中形成。纖維/粘合劑的粘合混合物經(jīng)過加熱區(qū)(圖9)?，F(xiàn)在，優(yōu)選施用獨立載氣流并通過口102將其引入。但是，文丘里管設計和操作的變體在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。例如，還可以利用壓力載氣例如環(huán)境空氣或其它合適的氣體通過口102將粘合劑引入到文丘里管80中，并且如果需要這種載體介質(zhì)可用作文丘里管80的載氣。還可以利用載體介質(zhì)例如空氣流從切碎機噴槍或纖維源推出或排出纖維從而進入纖維口81。在另一種情況下，載氣、其流速等優(yōu)選進行過程控制例如包括流控制器的計算機控制。末端執(zhí)行器22可具有一個或多個文丘里管80或另一結構的文丘里管80。文丘里管80是輸送纖維和粘合劑的粘合復合材料經(jīng)過加熱區(qū)、然后沉積到表面10的有效和高效裝置。
介質(zhì)經(jīng)文丘里管80流出噴嘴84的速率是影響纖維/粘合劑混合物(有時稱為混合物14)在加熱區(qū)42中滯留時間和由此影響預型體質(zhì)量的參數(shù)。因此，當末端執(zhí)行器在工作時，通過文丘里管80的氣流速度可以利用適當過程控制來監(jiān)測和控制，當然也可以人工設置流速，在這種情況下將測定流速并且基于通過加熱區(qū)的流速確定滯留時間。因此，如果粘合劑隨粘合劑載氣被引入到文丘里管80中，則可以切斷粘合劑供應并且允許粘合劑載氣流過文丘里管80。同樣，如果纖維增強物或任意其它材料被氣體推入文丘里管80中，則可以切斷纖維和所有其它材料的供應并且允許其載氣流過文丘里管80?？梢员O(jiān)測并測定所有“載氣”經(jīng)過文丘里管80的速度，由此可以計算或估計在加熱區(qū)中滯留的時間，并人工設置或者由過程控制器調(diào)整流速。在纖維/粘合劑混合物中，在加熱區(qū)42中滯留時間建立了適合于粘合劑的熱處理，這樣當沉積在表面16例如模具上時，纖維/粘合劑混合物至少更能夠保持它的形狀和位置，而不出現(xiàn)所不希望的下陷、塌落等。不充分的滯留時間可導致較差粘附的沉積材料以及由此得到較差的預型體。應該理解的是，原則上通過實施適當?shù)脑囼炦\行也可以確定具體工藝組合的參數(shù)。
圖8a-8d中示出圖6的末端執(zhí)行器，其中導向元件89未安裝有切碎噴槍組件。圖8a和8b描繪了與切碎機噴槍有效連接的末端執(zhí)行器22，圖8c和8d示出分離的末端執(zhí)行器和切碎機噴槍，以表示它們是如何連接的。
圖9中示出在自動機械臂20上的末端執(zhí)行器22，其中通過噴嘴84驅(qū)動的材料流流過由來自燃燒器85和86的火焰建立的加熱區(qū)。由扇形噴嘴64驅(qū)動的增強物和粘合劑的流過或穿過由燃燒器火焰建立的加熱區(qū)，然后沉積在表面16上(沒有示出)。
在自動機械臂20上的末端執(zhí)行器22可以如圖10所示受控以預定的方式涂覆(噴涂等)纖維/粘合劑。更具體而言，圖10表示具有末端執(zhí)行器22的自動機械臂20，該自動機械臂以受控的方式被用于在第一模具中形成預型體。箭頭表示對應于預先選擇橫跨表面的末端執(zhí)行器22的沉積材料的典型方式。自動機械臂優(yōu)選受過程控制器控制，例如計算機程序控制等。
圖11表示計算機控制的自動機械臂20、末端執(zhí)行器22(具有空氣幕)、第一模具90的凸緣92、第一模具90外部周圍的邊緣91。在該實施方案中，在噴涂纖維/粘合劑以形成所示的船體預型體95之前，第一模具90在模塑表面上可具有凝膠涂層，并任選地在凝膠涂層上涂覆阻隔涂層和/或增強層。
圖12和圖13分別表示在稍微過量噴涂材料(圖12)以伸出凸緣92(沒有示出)的纖維/粘合劑涂覆完成之后獲得的預型體95，以及在凸緣92經(jīng)清理的第一模具90(圖13)中的經(jīng)修整的預型體95a。在圖13中，保護性邊緣91已經(jīng)被移除從而示出第一模具90的部分載體結構96。
圖14示出具有載體結構96并且以開放關系匹配第二模具90a的第一模具90中的修整預型體95a。可以與第一模具90成有效模塑關系來閉合第二模具90a，例如夾緊或真空密封，從而限定含有預型體95a的模腔并且可以將樹脂引入到閉合模的腔中。示出具有升降能力的臺架或構架99支撐與模具90成開放、相對關系的模具90a。臺架或構架99可使模具90a低于模具90從而建立閉合模。應該理解的是，臺架或構架可具有用于模具90a的可延伸和可收縮(或甚至可旋轉)的電樞支架，從而更加容易地允許在形成閉合模具之前在模具90上進行空間調(diào)整。具有就地形成的預型體95a(船體)的模具90已經(jīng)在工作站之間移動。支撐結構96可包括或可有效地與運輸系統(tǒng)98連接，以便在工作站中制備預型體95a之后，它可以在保留在模具90中的同時被運輸?shù)焦S內(nèi)的其它工作站，并且以有效的方式定位以接受其它的處理，例如在這種情況下相對于模具90a定位。運輸系統(tǒng)98包括所示的軌道。應該理解的是，可以采用其它的合適裝置來在工廠內(nèi)不同工作站之間移動工件(模具等)，如圖15所示。對于較小的工件，可以采用人工可移動裝置來將具有預型體的模具從一個工作站運送到另一個工作站。原則上還可使臺架或構架99位于導軌上或者連接至其它適當?shù)倪\輸機械以允許在工廠內(nèi)移動。應該理解的是，也可以過程控制運輸系統(tǒng)或機械。
圖15示出第一模具90(沒有示出)的表面16和一對自動控制機械臂20和20a、末端執(zhí)行器22和滑架(示為滾柱)。每一個末端執(zhí)行器22可噴涂相同或不同的纖維/粘合劑混合物。優(yōu)選的是，每一末端執(zhí)行器22還受過程控制。各自動機械臂20和20a均可以很容易地橫跨表面16例如模具90，以將各自的末端執(zhí)行器22伸展至距離它們各自基底20b和20c的遠側，從而更容易地允許均勻沉積纖維/粘合劑到表面16如模具90的各自相對部分，尤其是如果這種相對部分具有復雜形狀或劇變部分。
可以理解，在隨后利用樹脂傳遞模塑(RTM)、VARTM(真空輔助樹脂傳遞模塑)、壓縮模塑法、結構反應注塑(S-RIM)的加工中或者在真空注入法中，可利用預型體18或95a來制作復合材料模制品。
當然，可以使用任意合適的末端執(zhí)行器22，只要可以實現(xiàn)適當混合和熱控制即可。從上文中可理解，可以通過例如控制加熱區(qū)、粘合劑、增強物的溫度、增強纖維被切碎或切斷的程度以及末端執(zhí)行器22和載體表面16之間的距離來制作具有不同特性的預型體18或95a。例如，材料14或如圖9中的纖維/粘合劑混合物可以被控制成使得當混合物涂覆到表面16時具有足夠的粘性并且快速固化。作為替代方案，可以控制混合物使得涂覆(碰撞)到表面16的混合物足夠粘從而粘附到表面16，但保持可模塑以使其可以壓縮或進一步成型。
如本文所述，各種元件和參數(shù)的控制可以是人工或自動的。如果自動控制，則可以利用已知程序控制技術在控制器或加工裝置例如微處理器中提供系統(tǒng)。通過自動控制信號、工藝傳感器反饋信號、工藝材料控制、材料選擇和預設置規(guī)格可以實現(xiàn)過程控制、尤其是自動控制。這些以及其它概念也包含在計算機控制術語等中。程序包可從市場購得，這些程序包可用來對用于自動機械臂20或切碎機噴槍的控制器編程。利用自動控制機械臂的過程控制有助于保證末端執(zhí)行器22的正確定向，在表面16或其它表面上獲得最佳濃度的纖維，材料沉積在這些表面上具有最小偏差和類似制作的預型體之間的最小偏差。
雖然在別處提及，但是影響預型體制作的參數(shù)包括熱源或火焰的控制水平、火焰、粘合劑和切碎物引入的速度、這些要素之間的比例以及末端執(zhí)行器22離載體表面16的距離，載體表面可以是模具90或90a的預制表面，這視情況而定。例如，如果需要較小粘性的混合物，可以選擇當被加熱到較高溫度時粘性較小的粘合劑。通過這種方法，可以控制粘合混合物的涂覆。粘合混合物也不需要在高的速度和壓力下涂覆。由于粘合混合物例如混合物14粘附于表面16，因此它可以覆蓋在表面16上(或模具90)以在預型體18或預型體95a中獲得不同品質(zhì)。
當例如由于在混合操作期間的調(diào)節(jié)導致混合物14可粘附于載體表面16時，不必需固定增強材料46的附加方法。這消除了對模上方的真空或增壓組件的需求。此外，由于使用低壓火焰速度，因此不存在將增強材料從載體表面16吹落或吹到載體表面16上不同的位置的問題。另外，由于可以精密地控制混合物14，因此可以實現(xiàn)不同形狀和厚度的預型體18。但是，如本文中所述，粘合混合物有利地接受氣體冷卻幕的冷卻，特別是當表面16是或具有長垂直或接近垂直部分時，例如大船體的干舷。
因此，可以看出，根據(jù)本發(fā)明的裝置、方法和它們的變體使得容易直接在成型表面例如模具上模制復雜的形狀，由此簡化了制作預型體18或95a的方法以及使用預型體18或95a的最終模塑方法。而且，可以利用該預型體來形成甚至是大形狀的一件預型體，例如船體，而不需要首先將該預型體從其模具中移除。這減少了勞動力成本以及生產(chǎn)時間并且可得到更堅固的復合材料部件。
根據(jù)上述任意實施方案形成的預型體18或95a可在模塑加工中用于制作復合材料結構部件。例如，預型體18或95a可用于真空模塑加工中，其中在真空的輔助下將樹脂涂覆到預型體18或95a，然后固化該復合材料結構。作為替代方案，可以將模塑材料例如樹脂涂覆到預型體18或95a，然后可以施加熱和/或壓力從而形成復合材料部件。而且，可以簡單地對預型體18或95a施加熱和/或壓力以壓縮混合物14并形成部件。壓力可以包括在真空裝袋裝置中減壓。復合材料的直接形成特別適合于預浸處理的實施方案?？梢栽诤教旌头敲裼妙I域中發(fā)現(xiàn)預浸處理的實施方案的具體應用。
本發(fā)明提供制作復合材料部件并具有成本優(yōu)勢的方法，該方法直接將纖維增強材料涂覆到具有凝膠涂層的模具中以制作預型體，不需要將預型體該預型體從其連接的模具中移除，從而制作最終復合材料模制品。應該理解的是，預型體可具有對應于成品復合材料模制品的所需成型表面的成型表面。
例如，根據(jù)本發(fā)明制作的預型體可用于包括下列步驟的模塑加工中。在預型體固化后，預型體保留在其模中(或被置于適當模中)并涂覆模塑材料例如樹脂。如果需要，在將預型體置于模中之前可以首先在模中形成凝膠涂層等。?？梢允情_?；蜷]模。在后一種情況下，在將樹脂引入模腔之前模具通常是閉合的。在模被完全填滿之后，固化樹脂。然后可以將制品從模中移除并且在這種狀態(tài)下被使用或者被進一步處理或成型以適合制造工藝。在引入模塑材料之前，在預型體完全固化前還可以使預型體成型、切斷或加熱并成型以滿足所需的模塑條件。另外，在模塑前各個預型體可以一起用于形成結構基體。
更具體而言，在制造實施方案中，船體、船甲板或其它組合部件可以如下制作。制備第一模具。制備第一模具的模表面可包括清潔以及需要時提供脫模劑涂層?？梢阅z涂覆所制備的模具。例如，如果由第一模具形成的成品復合材料部件的表面需要裝飾性或保護性涂層，可以將所謂的粉末涂層涂覆到制備的第一模具的模塑表面上。或者如果需要，這種表面可以是預先準備好的(primed)。如果在預型體或最終復合材料上不需要特定的表面涂層，則可以省略凝膠涂層或粉末涂層。如果涂覆凝膠涂層，它優(yōu)選能夠固化。如果需要，可以在凝膠涂層上涂覆屏蔽涂層。如果第一模具具有緊密半徑(tight radius)或復雜曲率的部分、面積或區(qū)域，則可以根據(jù)需要將纖維線材或空氣蓬松纖維線材或任意其它增強物條置于緊密半徑中或復雜彎曲上的任意涂層(凝膠涂層或屏蔽層)上，以在后續(xù)工藝步驟中使纖維橋接最小。還可以利用末端執(zhí)行器22將更短的纖維涂覆到這些緊密角落或復雜彎曲處以使纖維橋接最小。安置第一模具及其載體(如果提供載體)并直接涂覆纖維/粘合劑以在固化凝膠涂層上形成沉積材料的氈片，優(yōu)選利用至少一個裝配有末端執(zhí)行器22的自動控制裝置來實施。自動控制裝置優(yōu)選有效地配置具有文丘里管80和冷卻幕裝置88和/或88a的末端執(zhí)行器22。如圖9所示的纖維/粘合劑混合物或混合物14可以根據(jù)所選的方式(例如圖10中所示)被涂覆作為沉積材料并且可以被涂覆以在纖維/粘合劑的氈片中形成層。氈片優(yōu)選在纖維之間或纖維中具有開口間隙。自動涂覆材料優(yōu)選受計算機控制以保證特定預型體設計的快速、可重復制作。例如，纖維切碎、粘合劑進料、噴涂圖案、層疊、火焰溫度、冷卻空氣(冷卻幕)和距基底的距離等特征均可以計算機控制。但是，應該理解的是，可以通過人工控制末端執(zhí)行器22來涂覆纖維/粘合劑，但這將引起工藝變化并導致在工藝和在成品復合材料結構中一致性降低。應該理解的是，可以由末端執(zhí)行器22或多個末端執(zhí)行器22涂覆不同的纖維材料，從而形成具有不同復合材料特征的預型體的不同層或區(qū)域。例如，在多層預型體中，不同的層原則上可具有不同纖維增強物或不同纖維取向。碳纖維可以涂覆到e-玻璃層的頂上以完全或部分取代工程纖維，該工程纖維可以在制作預型體的過程中以其它方式置于模具中。當然，碳纖維、另一種纖維、e-玻璃(玻璃纖維等)的單獨涂覆或者它們的任意組合涂覆也在本發(fā)明的考慮范圍。根據(jù)待生產(chǎn)的復合材料結構，在涂覆纖維/粘合劑之前、期間或之后，可以根據(jù)需要涂覆其它工程纖維。應該理解的是，在制造某些船體或其它船用復合材料中，在形成預型體時或形成之后，附加結構元件例如縱梁、艙壁、地板支架等可以引入到第一模中。這種附加結構元件可用于限定存儲面積或例如限定船用發(fā)動機或燃料箱安裝的隔室?？梢允褂每v梁、艙壁、其它結構元件等，如在美國專利5,664,518中所公開，該專利全部公開內(nèi)容通過引用并入本文。明顯的是，可以使預型體制作方法適應制作預先涂覆玻璃的(pre-glassed)結構元件本身?？梢蕴钊敕忾]單元成型泡沫或其它結構材料以提供附加預型體結構例如艙壁、縱梁等，即使沒有預先涂覆玻璃或預先起絨(pre-fleeced)，優(yōu)選在纖維/粘合劑完全固化之前實施。泡沫或其它結構材料可具有利用與預型體中沉積材料相容的膠粘劑或粘合劑制備的表面。纖維/粘合劑涂覆可以中斷以允許安裝附加結構元件，在這種情況下，纖維/粘合劑可以根據(jù)需要重新開始以提供沉積在附加結構元件上的層，從而使其成為預型體的完整和相對無縫部件。在表面上沉積材料之后，特別是如果表面具有急劇傾斜或長垂直部分，具有歧管88和/或88a(例如至少一個冷卻幕裝置)的末端執(zhí)行器22(圖6和7)將氣體冷卻介質(zhì)幕施加到剛沉積的材料上以避免沉積的纖維/粘合劑從表面或從沉積在表面上的其它中間層下陷、塌落、剝落或其它的分離。在纖維/粘合劑涂覆完成并固化之后，根據(jù)需要修整獲得的預型體并根據(jù)需要清潔第一模具的凸緣等。在優(yōu)選的實施方案中，使用閉模系統(tǒng)，該閉模系統(tǒng)具有作為陰模的第一模具和作為相匹配陽模的第二模具，其中第一和第二模之一或二者可相互閉合，從而在其間限定模腔。根據(jù)模塑工藝，在后續(xù)步驟中，樹脂可以注射或灌注到模腔中。在制造船時，可以使用任意常規(guī)樹脂，包括熱塑性樹脂。樹脂固化，打開模并移除由此產(chǎn)生的復合物(該實施例中的船體)。
應該理解的是，復合材料結構例如船體可以制成具有精制外暴露的船體表面和精制內(nèi)部(甲板、駕駛艙等)暴露的表面。在該實施方案中，一般程序可以與上文中一樣但是被改進，使得第二模的模塑表面在與第一模具閉合之前涂覆脫模劑、凝膠涂層或面漆，并將樹脂引入到由閉合模具限定的腔中。第二?？梢跃哂刑囟ㄝ喞螤?，使得成品復合材料可具有所需的內(nèi)表面。原則上，可以進一步改進一般程序，以制作由第一模中預型體和第二模中預型體形成的復合物。當匹配的第一和第二模閉合時，注入或灌注的樹脂將兩個預型體粘合在一起。在該實施方案和其它實施方案中，原則上樹脂是可發(fā)泡的，從而用于閉或開模應用中。
根據(jù)本發(fā)明的末端執(zhí)行器22的使用可以結合所謂零注射壓力樹脂轉移模塑(“ZIP RTM模塑”)。后一種模塑法在Composite Fabrication，24-28頁(March 2003)中被一般性描述，該文獻的全部公開內(nèi)容通過引用并入本文。例如，末端執(zhí)行器22可用于形成纖維/粘合劑層以替代手工鋪設纖維氈和粘合劑，優(yōu)選具有冷卻介質(zhì)幕并用文丘里管來涂覆纖維和粘合劑的末端執(zhí)行器22。雖然在ZIP RTM模塑工藝中可以對構架施加真空，但是在本發(fā)明實施方案中沒有要求。例如，可以使用根據(jù)ZIPRTM模塑工藝的更低模具來作為該實施方案中的第一模，這是由于它類似于開模，但有利的是，更輕的模具變?yōu)榭赡堋?br> 應該理解的是，可以制備復合材料結構，其中作為凝膠涂層的替代，可以首先在第一模中形成表層，并任選地可在表層的暴露表面上形成一個或多個屏蔽層(固體和/或泡沫化)，利用根據(jù)本發(fā)明的末端執(zhí)行器可以將纖維/粘合劑層涂覆到屏蔽層上。剩下的程序可以按照上文所描述來實施。在該實施方案和其它實施方案的另外變體中，引入到閉合模中的全部或部分樹脂可以是可發(fā)泡樹脂。
應該理解的是，可以選擇性地控制歧管88和/或88a從而根據(jù)需要提供更溫暖或熱空氣幕，或者一個可提供溫暖或熱空氣幕并且另一個可提供冷卻空氣幕。在該變體中，可以適當工藝控制每一個歧管，使得可以施加所選溫度的空氣幕。
如上所述，可以制作各種部件，這些部件可用于船舶工業(yè)或其它利用玻璃纖維增強制品的工業(yè)中。例如部分船體、全部或部分船甲板、艙口蓋、覆蓋物、發(fā)動機罩、船附屬物等可以利用根據(jù)本發(fā)明制作的預型體來制造。同樣，其它船舶例如個人船艇可以利用根據(jù)本方法制作的部件來制造，例如包括發(fā)動機罩、全部或部分船甲板、艙口蓋等。根據(jù)本方法制作的部件也可用于汽車工業(yè)，以制作車輛的內(nèi)部和外部元件或車體部件，這種部件的用途不限于車輛，這是由于這種部件可用于任意結構制品，例如儲存容器或構造元件。
應該理解的是，本發(fā)明的實質(zhì)不限于本文所描述的具體實施方案，而是延伸至由所附權利要求可包括的其它實施方案和改進。
權利要求
1.一種在模具中制作預型體的方法，調(diào)整所述模具使得所述預型體在后續(xù)加工成復合材料模制品期間保留在模中，所述方法包括提供增強材料；提供粘合劑共混材料；在文丘里混合器中混合增強材料和粘合劑共混材料，使得粘合劑材料粘附于增強材料；使來自文丘里混合器的混合物流經(jīng)過加熱區(qū)而涂覆至模具的預制表面，所述涂覆沒有利用增壓系統(tǒng)來實施；將氣體冷卻介質(zhì)流或幕涂覆至所述預制表面上的材料上；和使混合物充分固化以在所述模具中形成所述預型體，其中所述預型體在后續(xù)加工成復合材料模制品期間保留在所述模中。
2.權利要求1的方法，其中涂覆混合物流的步驟包括將混合物噴涂至所述預制表面上。
3.權利要求1的方法，其中提供增強材料的步驟包括提供碎纖維。
4.權利要求3的方法，其中提供碎纖維步驟包括提供碎玻璃纖維。
5.權利要求1的方法，其中提供增強材料的步驟包括將碎纖維流排入所述文丘里混合器中。
6.權利要求1的方法，其中提供粘合劑的步驟包括將粘合劑顆粒流排入所述文丘里混合器中。
7.權利要求1的方法，其中提供粘合劑的步驟包括在將粘合劑與增強材料混合之前調(diào)節(jié)粘合劑。
8.權利要求7的方法，其中調(diào)節(jié)粘合劑包括加熱粘合劑。
9.權利要求1的方法，其中混合增強材料和粘合劑的步驟包括增強材料流和粘合劑流以及在文丘里混合器中混合這些流。
10.權利要求9的方法，其中使增強材料和粘合劑的混合流從所述文丘里混合器排出，并且其中涂覆所述混合物以在所述預制表面上形成多個層。
11.權利要求1的方法，其中所述加熱區(qū)包括通過形成受控加熱區(qū)并驅(qū)使增強材料和粘合劑的混合物通過加熱區(qū)來施加熱。
12.權利要求12的方法，其中施加熱包括產(chǎn)生火焰。
13.權利要求1的方法，其中以相對于所述模具成有效、可移動的關系來提供末端執(zhí)行器裝置，所述末端執(zhí)行器裝置加熱元件施加熱以形成加熱區(qū)，所述末端執(zhí)行器裝置具有文丘里管，增強材料和混合粘合劑的混合物從該文丘里管被驅(qū)動通過所述加熱區(qū)而到達所述預制表面，并且元件形成并施加至少一個氣體冷卻介質(zhì)幕至所述預制表面。
14.權利要求1的方法，其中將混合物涂覆至預制表面的步驟包括將混合物涂覆到至少垂直取向的預制表面。
15.權利要求1的方法，其中將混合物涂覆至預制表面的步驟包括將混合物涂覆至固體預制表面。
16.權利要求1的方法，其中將混合物涂覆至預制表面的步驟包括在環(huán)境空氣條件下將混合物涂覆至表面。
17.權利要求1的方法，其中將混合物涂覆至預制表面的步驟包括將混合物涂覆至其中具有孔的表面。
18.權利要求1的方法，還包括在涂覆到預制表面之后和固化之前使混合物成型。
19.權利要求1的方法，其中固化混合物的步驟包括冷卻混合物以使其與載體表面的形狀相符。
20.權利要求1的方法，還包括將可模塑材料涂覆到預型體以形成復合材料并且固化該復合材料以形成部件。
21.權利要求20的方法，還包括在部件固化之前對復合材料施加真空。
22.權利要求1的方法，還包括對預型體施加熱和壓力的至少之一以形成模制部件。
23.權利要求1的方法，還包括在對預型體施加熱和壓力的至少之一之前將樹脂加入預型體。
24.根據(jù)權利要求1的方法形成的預型體。
25.一種制作用于形成結構部件的預型體的方法，包括提供纖維增強材料流；通過在文丘里管中將粘合劑材料流和纖維增強材料流混合，以使顆粒粘合劑材料粘附于增強材料，從而形成粘合混合物；和使來自所述文丘里管的增強材料和粘合劑材料的粘合混合物通過加熱區(qū)并涂覆到載體表面，任選將氣體冷卻介質(zhì)流施加至噴涂于所述表面上的材料上，使得混合物粘附于載體表面；并固化形成預型體。
26.權利要求25的方法，其中所述涂覆所述粘合混合物包括噴涂，并且所述方法包括通過移動冷卻空氣幕而將所述氣體冷卻介質(zhì)流施加到噴涂在載體表面上的粘合混合物上。
27.權利要求26的方法，其中在沒有在載體表面周圍或沒有對載體表面施加增壓系統(tǒng)的情況下進行所述噴涂和所述冷卻。
28.權利要求25的方法，其中將粘合劑材料粘附到增強材料包括利用熱來調(diào)整粘合劑材料并迫使經(jīng)調(diào)節(jié)的粘合劑材料進入增強材料流中。
29.權利要求26的方法，其中所述噴涂包括產(chǎn)生加熱區(qū)和使粘合混合物通過加熱區(qū)。
30.權利要求28的方法，其中提供纖維材料流包括噴吹碎玻璃纖維。
31.權利要求26的方法，其中噴涂粘合混合物包括將混合物噴涂到垂直載體表面上。
32.權利要求26的方法，其中噴涂粘合混合物包括將混合物噴涂到固體表面上。
33.權利要求26的方法，其中噴涂粘合混合物包括將混合物噴涂到多孔表面上。
34.權利要求26的方法，其中噴涂粘合混合物包括在環(huán)境空氣條件下將混合物噴涂到載體表面上。
35.根據(jù)權利要求25的方法形成的預型體。
36.一種模制復合材料結構，其由根據(jù)權利要求25的方法形成的預型體獲得。
37.一種適合于連接至自動機械臂的末端執(zhí)行器，用于將粘合劑和增強纖維的熱粘合混合物涂覆到表面，所述執(zhí)行器包含機架載體；安裝在機架上各自產(chǎn)生火焰的至少兩個間隔的燃燒器，兩個火焰被定向為加熱位于其間的區(qū)域；噴嘴裝置，用于將粘合劑和增強纖維的混合流分散到加熱區(qū)從而加熱混合物；與各個燃燒器相連并具有用于連接至冷卻介質(zhì)的進口的各個歧管；和置于每個歧管和相關燃燒器之間的各個屏蔽部件，用于使冷卻介質(zhì)流和加熱區(qū)之間的相互作用最小。
38.連接至自動機械臂的根據(jù)權利要求37的末端執(zhí)行器。
39.根據(jù)權利要求37的末端執(zhí)行器，其中至少兩個燃燒器是伸長的、對稱地安置在機架上、相互平行延伸并且向內(nèi)傾斜。
40.根據(jù)權利要求39的末端執(zhí)行器，其中歧管是伸長的、對稱地安置在機架上，相互平行延伸并且沿著相關燃燒器的長度延伸，以產(chǎn)生冷卻介質(zhì)幕。
41.根據(jù)權利要求40的末端執(zhí)行器，其中屏蔽是伸長的、對稱地安置在機架上并且相互平行延伸。
42.根據(jù)權利要求41的末端執(zhí)行器，其中噴嘴裝置包括安裝在兩個燃燒器之間的機架上的文丘里管，所述文丘里管具有位于一端的接收增強材料的進口和位于另一端的用于混合流的噴射式出口噴嘴、延伸進入文丘里管內(nèi)部用于引入液體粘合劑的接入端口和進入文丘里管內(nèi)部用于引入載氣的空氣進口。
43.根據(jù)權利要求42的末端執(zhí)行器，其中出口噴嘴具有平行于燃燒器延伸方向而延伸的伸長形狀。
44.根據(jù)權利要求43的末端執(zhí)行器，其中一對所述文丘里管裝配有輸出噴嘴，該噴嘴在燃燒器的延伸方向上軸向排列。
45.根據(jù)權利要求37的末端執(zhí)行器，其中噴嘴裝置包括安裝在兩個燃燒器之間的機架上的至少一個文丘里管，所述文丘里管具有位于一端的接收增強材料的進口和位于另一端的用于混合流的噴射式出口噴嘴、延伸進入文丘里管內(nèi)部用于引入液體粘合劑的接入端口和進入文丘里管內(nèi)部用于引入載氣的空氣進口。
46.根據(jù)權利要求45的末端執(zhí)行器，其中至少兩個燃燒器是伸長的、對稱地安置在機架上、相互平行延伸并且向內(nèi)傾斜；并且出口噴嘴具有平行于燃燒器伸展方向而延伸的伸長形狀。
47.根據(jù)權利要求46的末端執(zhí)行器，其中一對所述文丘里管裝配有輸出噴嘴，該噴嘴在燃燒器的延伸方向上軸向排列。
全文摘要
制備纖維預型體的裝置和方法，將纖維和粘合劑分散在成型載體表面上，使得材料達到規(guī)定要求然后涂覆到該復合材料固化的表面上。將增強材料例如纖維與粘合劑例如熱塑性或熱固性材料混合，使得材料粘結。然后，以受控的預定重量比將粘合混合物分散到載體表面上，冷卻并固化，其中混合物粘附在載體表面上。沉積的混合物可以是在纖維之間具有間隙的開口氈片。在完全固化之前，沉積的混合物還可以進一步成型為最終所需的形狀。該方法消除了對溶劑的需求及其相關的問題。該方法不需要真空或增壓系統(tǒng)以使增強材料固定就位。預型體可以制作為任意形狀，包括部件或不對稱構型，并在保留在模中的同時被進一步加工為復合材料模制品。
文檔編號B29C35/02GK1871106SQ200480031604
公開日2006年11月29日 申請日期2004年9月24日 優(yōu)先權日2003年9月26日
發(fā)明者斯科特·A·拉默斯, 喬納森·W·沙赫爾, 克里斯蒂安·S·安德森, 史蒂夫·H·奧爾森 申請人:布倫斯維克公司