本發(fā)明涉及一種復合材料壓縮模制方法及實現(xiàn)該方法的系統(tǒng)。

背景技術：

復合材料可分為熱固性復合材料和熱塑性復合材料?，F(xiàn)在，以熱固性樹脂為基體的增強復合材料，特別是纖維增強塑料，例如，片狀模塑料(英文為Sheet Molding Compound，以下簡稱為SMC)、團狀模塑料(英文為Bulk Molding Compound，以下簡稱為BMC)、高級模塑料(英文為Advanced Molding Compound，以下簡稱為AMC)由于其優(yōu)越的性能，在很多領域(例如汽車工業(yè)領域)都發(fā)揮著巨大作用，代替了傳統(tǒng)材料。這些材料主要包含熱固性樹脂基體、增強物和無機填料。SMC是一種片狀模壓料。市場上購買到的SMC通常是卷狀。通常采用壓縮模制工藝將SMC模壓制成制件，該工藝通常是直接將一層或多層SMC置入模具，在一定的溫度和壓力下SMC受熱軟化并充滿模腔，以獲得制件的形狀。BMC和AMC則通常采用注塑模制工藝制成制件。

近年來，由于碳纖維價格昂貴，市場上開始出現(xiàn)由回收碳纖維增強的SMC，可是這種SMC中碳纖維分布非常不均勻，導致表面密度即使在同一卷SMC的不同區(qū)域之間也有較大差異，不同卷的SMC之間更是如此。這帶來的問題是，在將SMC切割成小塊時，需要再次稱重以更準確地確定每一塊的質(zhì)量，這無疑加重了工人的工作。而且，由此制造出來的部件在機械性能方面往往難以滿足要求。另外，這種SMC在模腔中流動能力較差，導致可能難以充滿模腔，尤其是形狀復雜的模腔，從而影響成型效果。為了使其盡可能充滿模腔，裝 載的SMC必須覆蓋模腔表面的80％至95％，然而這么高的覆蓋率對于形狀復雜的模腔而言是非常難以達到的。這就導致產(chǎn)品設計自由度大大受限，例如那些厚度變化的部件就難以采用上述傳統(tǒng)的壓縮模制工藝進行制造，因為很難精確地控制不同區(qū)域處布置的材料量。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種新的壓縮模制方法，該方法不僅適用于普通纖維增強的復合材料，而且還特別適用于回收纖維增強的復合材料，該方法能夠克服上述不均勻性和差流動性帶來的問題，使獲得的最終部件具有各向同性更佳的機械性能，并且提高產(chǎn)品的設計自由度。

為此，本發(fā)明提供了一種復合材料壓縮模制方法，所述復合材料由樹脂基體和增強纖維構(gòu)成，包括以下步驟：

提供壓縮模制模具，所述模具包括凸模和凹模；

至少借助于復合材料噴射步驟將所述復合材料布置在所述模具的凸模和/或凹模的至少一部分上；

關閉所述模具，進行壓縮模制；

打開所述模具，取出模制出的最終部件。

由于上述方法采用噴射將復合材料布置到模具中，因此整個過程可以實現(xiàn)自動化，而不需要像傳統(tǒng)壓縮模制方法中那樣進行人工材料鋪設，這無疑提高了生產(chǎn)效率。另外，由于在噴射過程中，材料中的纖維被無優(yōu)先取向地噴射到模具中，各個方向的纖維最終交織在一起，這使得制成的最終部件具有各向同性更佳的機械性能。而且，采用噴射可以使材料覆蓋模腔的幾乎整個表面，達到更高的覆蓋率，這意味著模制時材料幾乎不需要流動或只要進行很少的流動，這樣也能消除或減少纖維沿特定方向取向，從而提高最終部件機械性能的各向 同性。此外，采用上述方法可以容易地制造形狀復雜的部件或有厚度變化的部件。

所述復合材料中的增強纖維可以是任何合適的纖維，例如常用的玻璃纖維或碳纖維。本發(fā)明對于包含長度在5mm和50mm之間尤其是在15mm和35mm之間短纖維的復合材料獲得了良好的結(jié)果。即使使用由回收碳纖維增強的復合材料也獲得了良好的結(jié)果。

在一種實施方式中，在復合材料噴射步驟中，將復合材料直接噴射到模具的凸模和/或凹模的至少一部分上。然后，關閉模具進行壓縮模制。這種實施方式的優(yōu)點在于操作步驟少，但是只有在材料噴射完成之后才能進行下一步的壓縮模制，而材料噴射過程是比較長的(尤其取決于需要噴射的材料量)，這就導致生產(chǎn)周期較長，生產(chǎn)效率低下。

作為上述實施方式的進一步改進，首先將復合材料噴射到反型上形成預成型件，所述反型的形狀與最終部件的形狀大致互補；然后，進行轉(zhuǎn)移步驟，即，將預成型件轉(zhuǎn)移到模具的凸模和/或凹模的至少一部分上。這樣，當在模具中進行當前部件的壓縮模制時，可以并行地在反型上噴射用于制造下一個部件的復合材料。當前部件的壓縮模制一旦完成，就可以將其取出并對模具進行必要的吹掃等操作。隨后，就可以將反型上承載的用于制造下一個部件的復合材料快速轉(zhuǎn)移到模具中，進行下一個部件的壓縮模制。這樣可以大大縮短生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率。

在一個有利的實施例中，反型上覆蓋有柔性膜，該柔性膜由相對于所述復合材料不粘黏的材料(例如硅酮)制成并且能夠貼合在反型的表面上。這樣，在將復合材料噴射到反型上之前，在柔性膜和反型之間抽真空，使得柔性膜貼合在反型上而因此也具有與最終部件大致互補的形狀。然后，將復合材料噴射到柔性膜上。噴射完成之后，在柔性膜和反型之間注入空氣，使得柔性膜離開反型，從而將由柔性 膜承載的復合材料以及柔性膜施加到模具的凸?；虬寄Ｉ?；然后在柔性膜和反型之間再次抽真空，以便將復合材料與柔性膜分開，同時將復合材料保持在模具的凸?；虬寄Ｉ?；最后移除反型和柔性膜以便進行模具的閉合，進入壓縮模制階段。上述過程可以借助于機械手臂快速地完成，因此不會因該額外的轉(zhuǎn)移步驟而太多地延長生產(chǎn)周期。

在根據(jù)本發(fā)明的方法中，所述復合材料噴射步驟可以借助于流體流實現(xiàn)，所述流體流可以是加熱流體化的樹脂流或者是氣體流，或者是這兩者的混合。有利地，所述樹脂流由不包含增強物的純樹脂構(gòu)成，優(yōu)選地由與所述復合材料中的樹脂相同的樹脂構(gòu)成。由于樹脂流的密度較大(相較于單純的氣體流)，可以產(chǎn)生的噴射力也會較強。另外，借助于樹脂流噴射復合材料還可以讓該復合材料具有更大的“粘性”，從而更好地附著并保持在接收其的載體(模具本身或者反型)上。

有利地，在復合材料噴射步驟之前，對復合材料進行預加熱以降低其粘度。該預加熱可以在噴射裝置的上游或該噴射裝置中進行，優(yōu)選地在這兩處都進行。這樣，該復合材料在噴射裝置上游及該噴射裝置中具有更好的流動性，更容易被切割成小碎塊，從而更利于進行噴射。

有利地，在復合材料布置步驟中，噴射的復合材料覆蓋模具的凸模或凹模的至少80％的表面，優(yōu)選地接近100％的表面。這樣，模制時材料幾乎不需要流動或只要進行很少的流動，因此能消除或減少纖維沿特定方向取向，從而提高最終部件機械性能的各向同性。

本發(fā)明還涉及一種用于實施上述方法的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括壓縮模制模具，以及用于噴射復合材料的噴射頭，所述噴射頭包括復合材料噴射通道、通向所述復合材料噴射通道的流體流進入通道、以及至少一對位于所述流體流進入通道上游且面對面布置的驅(qū)動切割裝置(例如由帶有切口或帶有齒的輪構(gòu)成，或者由葉輪構(gòu)成)，所述驅(qū)動 切割裝置能夠捕捉恰好位于所述驅(qū)動切割裝置之前的復合材料、對所述復合材料進行切割并將其推向所述流體流進入通道的開口，以便被噴出所述噴射頭的出口。

在一個有利的實施例中，所述系統(tǒng)還包括帶有柔性膜的反型，所述柔性膜由相對于所述復合材料不粘黏的材料制成，所述反型的形狀與最終部件的形狀大致互補，所述柔性膜能夠貼合在所述反型的表面上。這樣，可以先將復合材料噴射到反型的柔性膜上形成預成型件，然后再將預成型件轉(zhuǎn)移到模具中。

所述反型可以包括至少一個吹吸通道，所述吹吸通道通向所述反型的與所述柔性膜接觸的表面。這樣，可以在反型與柔性膜之間抽真空或者注入空氣，來使柔性膜貼合在反型上或離開反型。

優(yōu)選地，所述柔性膜設有反拔模斜度，以便于將噴射在所述柔性膜上的復合材料在其轉(zhuǎn)移之前保持在所述柔性膜上。

附圖說明

下面將參照附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。本領域技術人員容易理解的是，這些附圖僅僅用于說明的目的，而并非意在對本發(fā)明的保護范圍構(gòu)成限制。圖中相同的附圖標記表示相同或相似的部件。為了說明的目的，這些圖并非完全按比例繪制。

圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的復合材料噴射裝置的軸向剖視圖；

圖2示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的方法的復合材料噴射步驟；

圖3示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的方法的復合材料轉(zhuǎn)移步驟；

圖4示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的方法的壓縮模制步驟。

具體實施方式

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的復合材料噴射裝置10。該裝置包括材料供應及定量裝置12以及位于其下游用于噴射復合材料的噴射頭14。噴射頭14包括復合材料噴射通道20、通向復合材料噴射通道20的流體流進入通道18、以及一對位于流體流進入通道18上游且面對面布置的驅(qū)動切割裝置16、16’，所述驅(qū)動切割裝置能夠捕捉恰好位于它們之前的復合材料、對所述復合材料進行切割并將其推向流體流進入通道18的開口，以便被噴出噴射頭14的出口22。應該理解的是，所述驅(qū)動切割裝置可以是兩對或更多對，可以由任何合適的材料制成，只要具備上述功能即可。所述驅(qū)動切割裝置可以具有任何合適的結(jié)構(gòu)，例如由帶有切口或帶有齒的輪構(gòu)成，或者由葉輪構(gòu)成。在圖1的實施例中，所述驅(qū)動切割裝置是一對葉輪。有利地，可以在材料供應及定量裝置12以及噴射頭14中設置加熱裝置，以便在復合材料噴射之前，對復合材料進行預加熱以降低其粘度。

在圖2和圖3中可以看到根據(jù)本發(fā)明一個實施例的反型30，該反型的形狀與最終部件的形狀(圖2中以虛線示出了最終部件的輪廓60)大致互補。應該理解的是，附圖中示出的反型的形狀和構(gòu)造僅為示例性的，應該取決于要制造的最終部件的形狀和構(gòu)造。在本實施例中，反型30上覆蓋有柔性膜40，該柔性膜在其周邊處密封地固定到反型30，使得在兩者之間能形成密封腔室36(圖3)。反型30還包括吹吸通道32，該吹吸通道通向反型30的與柔性膜40接觸的表面。這樣，可以在反型30與柔性膜40之間抽真空或者注入空氣，來使柔性膜40貼合在反型30上或離開反型。反型30由硬質(zhì)材料制成，例如不銹鋼。柔性膜40由相對于所噴射的復合材料不粘黏的材料(例如硅酮)制成并且能夠貼合在反型30的表面上。本領域技術人員能夠根據(jù)所使用的復合材料來選擇合適的柔性膜材料。在該實施例中，柔性膜40還設有反拔模斜度42，以便于將噴射在該柔性膜上的復合材料在其轉(zhuǎn)移之前良好地保持在該柔性膜上。

下面結(jié)合圖1至圖4介紹采用上述噴射裝置實現(xiàn)的根據(jù)本發(fā)明一個優(yōu)選實施例的復合材料壓縮模制方法。該方法包括如下步驟：

1、將作為原材料的復合材料(本例中使用的是由回收碳纖維增強的復合材料，例如由回收碳纖維增強的BMC或AMC，纖維長度包含在5mm和50mm之間)沿著箭頭A(圖1)供給到材料供應及定量裝置12中，該裝置12將處在高壓(至少100巴)之下的復合材料段(優(yōu)選地已受熱流體化)逐漸向驅(qū)動切割裝置16、16’釋放。在復合材料離開裝置12、即將到達裝置16、16’時，它的壓力減小到接近大氣壓的水平，由此在負壓的作用下被裝置16、16’捕捉并拽入它們之間。沿箭頭C1和C2方向高速旋轉(zhuǎn)的裝置16、16’將這些復合材料段切割成更小的小碎塊，隨后將這些小碎塊推向流體流進入通道18的開口處。用于噴射復合材料的高壓流體流經(jīng)由通道18到達該開口處，與待噴射的復合材料會合，隨后將其高速噴出噴射頭14的出口22。這里使用的流體流是與所述復合材料中的樹脂相同的不含增強物的樹脂流。當然也可以使用其它合適的流體流。

2、如圖2所示，在柔性膜40和反型30之間抽真空，即，將密封腔室36中的空氣經(jīng)由吹吸通道32抽出(箭頭D1)，使得柔性膜40貼合在反型30上而因此也具有與最終部件大致互補的形狀。然后固定在機械手臂(未示出)端部的反型30將從出口22噴出的復合材料50接收在其柔性膜40上。事實上，噴射頭14根據(jù)預設程序?qū)θ嵝阅?0的表面的不同區(qū)域進行不同時長的噴射，以在不同區(qū)域沉積不同量的復合材料(例如，對應于最終部件較厚處的區(qū)域需要較多的材料)。

3、如圖3所示，噴射完成之后(本例中，噴射的復合材料幾乎覆蓋柔性膜的整個表面)，機械手臂(未示出)將承載有復合材料預成型件的反型30放置到壓縮模制模具的凸模70上(當然，也可以放置到凹模80上)。然后，在柔性膜40和反型30之間的密封腔室36中注入空氣(箭頭D2)，使得柔性膜40離開與反型30接觸的表面，從而將由柔性膜40承載的復合材料50以及柔性膜40施加到凸模70上。

4、然后，在柔性膜40和反型30之間再次抽真空，以便將復合材料50與柔性膜40分開，同時將復合材料50保持在凸模70上。最后快速地移除反型30和柔性膜40以便進行模具的閉合，進入壓縮模制階段(圖4)。

上述方法允許在模具中進行當前部件的壓縮模制的同時，并行地在反型上噴射用于制造下一個部件的復合材料。當前部件的壓縮模制一旦完成，就可以將其取出并對模具進行必要的吹掃等操作。隨后，就可以將反型上承載的用于制造下一個部件的復合材料快速轉(zhuǎn)移到模具中，進行下一個部件的壓縮模制。這樣可以大大縮短生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率。

在根據(jù)本發(fā)明的另一個未示出的實施例中，將復合材料直接噴射到模具的凸模和/或凹模的至少一部分上，而沒有借助反型進行的預成型和轉(zhuǎn)移步驟。

附圖和以上說明描述了本發(fā)明的非限制性特定實施例。為了教導發(fā)明原理，已簡化或省略了一些常規(guī)方面。本領域技術人員應該理解源自這些實施例的變型落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。本領域技術人員應該理解上述特征能夠以各種方式結(jié)合以形成本發(fā)明的多個變型。由此，本發(fā)明并不局限于上述特定實施例，而僅由權(quán)利要求和它們的等同物限定。