一種可連續(xù)制備蜂窩芯材的模具和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型屬于復(fù)合材料制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可連續(xù)制備蜂窩芯材尤其 是具有Z向定向連續(xù)纖維增強(qiáng)的蜂窩芯材的模具及裝置，并進(jìn)一步公開了其使用方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 蜂窩本意即指蜂巢，是一種六角形排列而成的結(jié)構(gòu)（如圖1所示），它的一端是六 角形開口，另一端則是封閉的六角棱錐體的底，由三個相同的菱形組成，所以說蜂巢是嚴(yán)格 的六角柱形體。早在公元四世紀(jì)的古希臘，數(shù)學(xué)家佩波斯就提出：蜂窩的優(yōu)美形狀，是自然 界最有效勞動的代表。他猜想人們所見到的截面呈六邊形的蜂窩，是蜜蜂采用最少量的蜂 蠟建成的，他的這一猜想被稱為"蜂窩猜想"。而后的事實(shí)和理論均證明，蜜蜂所建造的蜂巢 的確采用了最少的蜂蠟，占有最大的空間面積，而結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性為最佳。而18世紀(jì)初，法國學(xué) 者馬拉爾奇曾經(jīng)專門測量過大量蜂巢的尺寸，令人十分驚訝的是，這些蜂巢組成底盤的菱 形的所有鈍角都是109° 28'，所有的銳角都是70° 32'。后來經(jīng)過法國數(shù)學(xué)家克尼格和 蘇格蘭數(shù)學(xué)家馬克洛林從理論上的計算，如果要消耗最少的材料，制成最大的菱形容器正 是這個角度。從這個意義上說，蜜蜂稱得上是"天才的數(shù)學(xué)家兼設(shè)計師"。
[0003] 受自然蜂巢的這種即堅(jiān)固又省料的結(jié)構(gòu)的啟迪，人類通過長期研宄和分析自然蜂 窩結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，創(chuàng)造性地實(shí)用新型了各種蜂窩復(fù)合結(jié)構(gòu)材料及其制品，它們有的用于新材 料和新產(chǎn)品的研發(fā)，有的用來改善現(xiàn)有產(chǎn)品的特性，有的用于解決結(jié)構(gòu)設(shè)計中面臨的難題 等等。
[0004] 在應(yīng)用材料領(lǐng)域，蜂窩復(fù)合材料類似于連續(xù)排列的工字鋼結(jié)構(gòu)，以其極佳的抗壓、 抗彎特性和超輕型結(jié)構(gòu)特征而聞名于世。與同類型的實(shí)心材料相比，蜂窩材料其強(qiáng)度重量 比和剛性重量比在已知材料中均是最高的。蜂窩結(jié)構(gòu)板材具有許多優(yōu)越的性能，從力學(xué)角 度分析，封閉的六角等邊蜂窩結(jié)構(gòu)相比其他結(jié)構(gòu)，能以最少的材料獲得最大的受力，而蜂窩 結(jié)構(gòu)板受垂直于板面的載荷時，它的彎曲剛度與同材料、同厚度的實(shí)心板相差無幾，甚至更 高，但其重量卻輕70~90%，而且不易變形，不易開裂和斷裂，并具有減震、隔音、隔熱、極 強(qiáng)的耐候性以及比強(qiáng)度高、比剛度高等優(yōu)勢。因此廣泛應(yīng)用于航空、航天、建筑、汽車、火車、 包裝與電子電器等行業(yè)領(lǐng)域。
[0005] 目前人們根據(jù)蜂窩的用途已經(jīng)成功研制了多種蜂窩結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，包括鋁合金蜂 窩、紙蜂窩、玻璃鋼蜂窩、芳綸蜂窩、塑料蜂窩和陶瓷蜂窩等，并得到廣泛的應(yīng)用。但是現(xiàn)有 蜂窩制品中，紙蜂窩材料一般只能用于包裝材料；鋁合金蜂窩的質(zhì)量相對較重，造價過高， 資源受到限制。相比其他蜂窩材料，塑料蜂窩材料因其具有良好的阻尼減振性能、良好的加 工工藝性能以及良好的性能可設(shè)計性及可回收性等優(yōu)勢，成為應(yīng)用最為廣泛的材料。但是 首先于制成所述塑料蜂窩的纖維材料的限制，使得其成品的平壓強(qiáng)度較低，在一些厚度方 向上承載要求較高的場合則不宜使用。
[0006] 中國專利CN101386210A公開了一種玄武巖纖維增強(qiáng)預(yù)織造多層蜂窩復(fù)合材料復(fù) 合方法，其采用玄武巖連續(xù)長絲作為織造原料，試圖提高其承重性能，但是該方法采用的是 先織成多層整體織造蜂窩立體布作為框架的方式，在常溫常壓條件下采用環(huán)氧樹脂/酚醛 胺環(huán)氧固化成型，制得多層立體框架蜂窩復(fù)合材料。一方面需要先壓模成型所述的蜂窩立 體布，使得該蜂窩復(fù)合材料織造工藝比較復(fù)雜；同時在制備所述蜂窩立體布框架時，也會在 一定程度上破壞所述長絲纖維的縱向強(qiáng)度，使其Z相上的定向承重能力受到影響。
[0007] 中國專利CN101797822A公開了一種新型纖維增強(qiáng)蜂窩板，該蜂窩板由兩側(cè)面板 與棱錐形結(jié)構(gòu)蜂窩芯構(gòu)成，棱錐形蜂窩芯是由散亂狀短切纖維棉/氈經(jīng)注入環(huán)氧樹脂基體 或用IOmm至30_高強(qiáng)散亂狀短切纖維預(yù)浸環(huán)氧樹脂基體成預(yù)混模壓料，并經(jīng)加熱加壓模 制而成。但是一方面該蜂窩芯是一系列凸凹交錯的棱錐臺體組成，并非真正意義上的蜂窩； 而且成型的芯材受限于壓機(jī)臺面大小的影響，只能做到有限的長度和寬度，成型效率也較 低，并且難于實(shí)現(xiàn)連續(xù)化的生產(chǎn)；更重要的是，該方法采用散亂狀短切纖維棉/氈制成，使 得其在Z相即厚度方向上的承重能力相對較差，依然不適用于對Z相定向要求較高的場合 應(yīng)用。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0008] 為此，本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題在于針對現(xiàn)有技術(shù)中制備蜂窩復(fù)合材料的 工藝較為復(fù)雜且難于實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)的問題，提供一種可連續(xù)制備蜂窩芯材的模具及裝 置。
[0009] 本實(shí)用新型所要解決的第二個技術(shù)問題是公開上述模具及裝置的使用方法，及利 用所述模具及裝置制備具有Z向定向連續(xù)纖維增強(qiáng)的蜂窩芯材的應(yīng)用。
[0010] 為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型所述的可連續(xù)制備蜂窩芯材的模具，包括相互 配合的前模和后模；
[0011] 所述后模包括若干呈線性交錯排列的正六棱柱，相鄰所述正六棱柱的側(cè)壁相平行 且正對設(shè)置，所述側(cè)壁之間具有形成所述蜂窩芯材側(cè)壁厚度的間隙；
[0012] 所述前模具有與所述后模的相鄰所述正六棱柱的排列形狀形成的凹陷部相對應(yīng) 適配以形成蜂窩芯材結(jié)構(gòu)的形狀；
[0013] 所述前模和所述后模相配合后，所述后模的所述正六棱柱的側(cè)壁與所述前模之間 可形成一定的間隙，所述間隙即為形成的所述蜂窩芯材側(cè)壁的厚度。
[0014] 進(jìn)一步的，所述后模的任一所述正六棱柱有且僅有兩個不相鄰的側(cè)壁與相鄰所述 六棱柱的側(cè)壁相對應(yīng)貼近；且從所述后模的一端計，位于奇數(shù)位置的所述正六棱柱的中心 點(diǎn)的連線與位于偶數(shù)位置的所述正六棱柱的中心點(diǎn)的連線相平行；
[0015] 所述前模與所述后模相配合的部分為波浪形線性結(jié)構(gòu)，其波峰和波谷具有與所述 后模的所述正六棱柱的排列形狀相對應(yīng)適配的形狀。
[0016] 優(yōu)選的，所述前模為一體成型的波浪形線性形狀，或者是由若干與所述正六棱柱 的側(cè)壁長度相等的活動片在拐點(diǎn)處通過連接軸連接而成，可成任意角度轉(zhuǎn)動。
[0017] 所述后模還設(shè)有與所述正六棱柱的頂面相固定連接的頂板，所述頂板上選擇性的 設(shè)置有與所述正六棱柱相對應(yīng)的卡槽，通過所述卡槽可以調(diào)整所述正六棱柱之間的距離和 間隙。
[0018] 所述蜂窩芯材側(cè)壁的厚度為0. 5~5mm。
[0019] 本實(shí)用新型還公開了上述模具用于制備具有Z向定向連續(xù)纖維增強(qiáng)的蜂窩芯材 的用途。
[0020] 本實(shí)用新型還公開了上述模具的使用方法，包括如下步驟：
[0021] (1)將所述后模固定于臺面上，并調(diào)整相鄰所述正六棱柱的側(cè)壁之間的距離為待 制備蜂窩的壁厚，控制熱塑性樹脂顆粒處于熔融狀態(tài)，將所述纖維材料與熔融態(tài)的樹脂于 擠出機(jī)模口處浸潤復(fù)合，備用；
[0022] (2)控制混有熔融樹脂流體的纖維材料沿著后?？拷銮澳７较虻那皞?cè)表面做 幾字形往復(fù)運(yùn)動，在所述后模的一側(cè)堆積出半個蜂窩結(jié)構(gòu)；
[0023] (3)此時推動前模與后模相配合，并控制所述前模與后模的配合間隙為所述蜂窩 的壁厚，所述熱塑性樹脂冷卻定型即形成了半個蜂窩單元；
[0024] (4)將所述前模向后退出，并將其移至所述后模的后側(cè)表面，在所述后模的后側(cè)表 面重復(fù)上述步驟和，以形成整個的蜂窩單元；
[0025] (5)依次在所述后模的后側(cè)表面重復(fù)上述步驟（2)和（3)，以制備下一組蜂窩單 元，直至形成整個的蜂窩結(jié)構(gòu)芯材。
[0026] 為了制備所述具有Z向定向連續(xù)纖維增強(qiáng)性能的蜂窩芯材，本實(shí)用新型所述長纖 維材料可選擇任何有增強(qiáng)作用的長纖維材料，包括但不限于玻璃纖維、玄武巖纖維、芳綸纖 維或碳纖維、棉纖維、竹纖維、尼龍纖維、錦綸、滌綸中的至少一種或幾種混雜纖維。
[0027] 所述熱塑性樹脂選自聚乙烯、聚丙烯、熱塑性聚酯樹脂、熱塑性聚氨酯、熱塑性聚 碳酸酯或聚酰胺中的至少一種。
[0028] 并且進(jìn)一步優(yōu)選，以所述長纖維材料與樹脂的總量計，所述長纖維材料的質(zhì)量含 量為 10-50%。
[0029] 本實(shí)用新型還公開了一種可連續(xù)制備蜂窩芯材的裝置，包括上述的模具、用于投 加料形成所述蜂窩芯材的物料的擠出機(jī)及紗架，以及控制所述前模1和/或后模2移動的 計算機(jī)控制系統(tǒng)。
[0030] 本實(shí)用新型所述模具采用分體式的活動前模和后模相配合以制備出蜂窩狀結(jié)構(gòu) 的芯材，所述前模和后模通過正六棱柱的規(guī)則排列，形成蜂窩狀的結(jié)構(gòu)，可利用前模和/或 后模的移動實(shí)現(xiàn)連續(xù)的蜂窩結(jié)構(gòu)芯材的生產(chǎn)。相對于現(xiàn)有技術(shù)中先制備蜂窩框架再浸潤樹 脂固化的方案相比，其實(shí)現(xiàn)了更多方向及更大尺寸的蜂窩的延展性生產(chǎn)，使得制備的蜂窩 結(jié)構(gòu)在長度、寬度、厚度方向上不受尺寸限制，可以制備大型的蜂窩結(jié)構(gòu)。同時本實(shí)用新型 所述模具省去了以往費(fèi)事耗力的制備蜂窩框架的步驟，可實(shí)現(xiàn)任意所需蜂窩形狀產(chǎn)品的在 線連續(xù)生產(chǎn)，不僅工藝簡單且節(jié)約模具成本。
[0031] 更重要的是，本實(shí)用新型所述模具可以直接以長纖維為原料輔以熱塑性樹脂生產(chǎn) 所述蜂窩芯材，相較于以往為了制備所述蜂窩框架必須將長纖維切散的工藝，本實(shí)用新型 所述模具可以實(shí)現(xiàn)直接以長纖維制備蜂窩芯材，進(jìn)一步提高了其在Z向的連續(xù)纖維的增強(qiáng) 能力，制備的蜂窩結(jié)構(gòu)芯材其Z向結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和承載能力大幅度提高，應(yīng)用領(lǐng)域大幅度拓寬。
【附圖說明】
[0032] 為了使本實(shí)用新型的內(nèi)容更容易被清楚的理解，下面根據(jù)本實(shí)用新型的具體實(shí)施 例并結(jié)合附圖，對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說明，其中
[0033] 圖1為蜂窩的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034] 圖2為本實(shí)用新型所述前模的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035] 圖3為本實(shí)用新型所述后模的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036] 圖4為本實(shí)用新型所述后模的側(cè)面圖；
[0037] 圖中附圖標(biāo)記表不為：1_前模，2-后模，3-頂板，4-正六棱柱，5-凹陷部，6-波峰， 7_波谷，8-活動片，9-拐點(diǎn)。