專利名稱：高級合成結(jié)構(gòu)的制造方法和裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及采用可重復、可監(jiān)控、通用的和產(chǎn)品友好的方法和工藝對高級合成汽車結(jié)構(gòu)進行的可負擔得起的生產(chǎn)制造。
背景技術(shù)：
高級合成件的使用是本發(fā)明的中心，這里高級合成件定義為在一個熱固性或熱塑性樹脂的適當?shù)木酆匣w中、由碳、玻璃、或芳綸(aramidfibers)等組成的高度校直的加固架。使用高度校直的加固架的具體意圖是基于下列的理解鋼的模量是30,000,000lbs/in2，而鋁的模量為10,000,000lbs/in2。典型的、較高質(zhì)量的玻璃環(huán)氧預浸坯(glass epoxyprepreg)的模量大約為4,000,000lbs/in2。雖然材料的強度可以通過對構(gòu)件的制型提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性而得到一定程度的補償，但當前汽車工業(yè)使用的隨機加強件型合成材料的強度甚至更小，因而不能為其結(jié)構(gòu)性能方面顯著的改善提供潛力。
對于汽車設計方面需要開發(fā)的合成物，它們獨特的特征必須要用一定的方法把它和汽車的設計和產(chǎn)品方案結(jié)合起來，以使它們固有的優(yōu)勢能夠發(fā)揮出來。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明其他的特征和優(yōu)勢將在下面的說明中予以闡明，部分地可以從說明書中了解，或者可以通過實用本發(fā)明來獲知。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)勢將通過在所寫的說明書中和權(quán)利要求中以及附圖中特別指出的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)和獲得。
需要理解的是，所有前面的概要說明和下面的詳細說明都是示例性的和解釋性的，并且目的是用于提供要求權(quán)利的本發(fā)明的進一步的解釋。
另一方面，本發(fā)明提供了以某種方式獲得可重復的和可負擔得起的性能的方法和技術(shù)，這些技術(shù)和方法集合了帶有更高的高級合成材料性能的更大體積汽車結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)要求。本發(fā)明提供了校直的合成材料的連續(xù)的、特制的層壓結(jié)構(gòu)的處理方法，依此方法，所做的預成型和預強化的片材分別用于后續(xù)的浸漬成型或沖壓處理。該浸漬處理不同于那些已被廣泛使用的方法，諸如樹脂轉(zhuǎn)移成型(RTM)或真空輔助樹脂轉(zhuǎn)移成型(VARTM)。該沖壓處理不同于目前用于沖壓鋼制汽車結(jié)構(gòu)的方法。對于每一種方法，無論是液體浸漬還是固體狀態(tài)沖壓，部件設計必須依照處理方法制做以期達到性能和成本目標。此概念結(jié)合了幾方面的現(xiàn)成技術(shù)，包括纖維或帶的置放、拉斷和混合的纖維絲、膠粘預成型，熱加固和NC(數(shù)控)裁切和裝配。為本發(fā)明主旨的該處理方法，利用本發(fā)明的各處理步驟中固有的各種選擇，既可用于熱塑性也可用于或熱固性基體樹脂。
本發(fā)明的優(yōu)點在于它涉及在一種可負擔得起的高性能和高體積的高級合成汽車結(jié)構(gòu)上的突出的進展變成現(xiàn)實時所需的基本元件。本發(fā)明所成功地涉及的問題是1)在部件設計和接近完成的部件之間最少接觸的需求；2)高度的可重復、可特制、通用的和可控制的處理過程，3)在制造過程中廢料的最少化；4)上線工藝過程的監(jiān)視和控制(以便盡可能減少崗位-檢查和報廢成品件)；5)通過校直的“連續(xù)”型纖維加強件對“高級合成物”性能的提供；6)對采用同一設備進行多層結(jié)構(gòu)的結(jié)層進行處理的能力以及為了一定范圍內(nèi)模型變化而在現(xiàn)成可以處理的結(jié)層與均衡生產(chǎn)水平之間進行轉(zhuǎn)換的能力問題；和7)提供其他材料和增值功能性，例如在其他利益當中的抑制聲音和震動，無漆上色和磨光，整體修飾表面的在線方法。
因此，本發(fā)明旨向于一種高級合成結(jié)構(gòu)的制造方法和裝置。
本發(fā)明的一個目的是生產(chǎn)易于裝配的大型校直的碳加強件部件。
本發(fā)明的另一個目的是提高每年生產(chǎn)速度和效率。
本發(fā)明的另一個目的是在質(zhì)量、性能、規(guī)模、配合和功能方面開創(chuàng)一種可重復的和一致的處理方法。
本發(fā)明的另一個目的是去除了常規(guī)的上漆。
本發(fā)明的另一個目的是以生產(chǎn)率和生產(chǎn)量來均衡資金的投資。
本發(fā)明的另一個目的是獲得一種對于材料處理和存貨的邏輯方法。
本發(fā)明的另一個目的是尋找一種盡可能減少廢料的解決方案。
本發(fā)明的另一個目的是用盡可能接近于原材料的材料開工。
本發(fā)明的另一個目的是盡可能的實現(xiàn)自動化。
本發(fā)明的另一個目的是保持一個安全，清潔和易于管理的生產(chǎn)環(huán)境。
本發(fā)明的另一個目的是結(jié)合了校直的碳加強件物。
本發(fā)明的另一個目的是控制壓層結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的另一個目的是將部件設計按照予以考慮的制造方法的各個獨特方面進行制作。
本發(fā)明的另一個目的是考慮在各處使用同一結(jié)層、厚度和材料的各種極端情況。
本發(fā)明的另一個目的是利用在風險、起始材料和所獲得的質(zhì)量方面的靈活性。


包含的附圖可以進一步幫助理解本發(fā)明，它被并入且構(gòu)成本說明書的一部分，圖示了本發(fā)明的各實施例，并且和說明書一起來解釋本發(fā)明的原理。在附圖中圖1是按本發(fā)明所做的一結(jié)構(gòu)的一優(yōu)選實施方案的等比圖。
圖2是按本發(fā)明所做的該結(jié)構(gòu)的各部件分解等比圖。
圖3是本發(fā)明的材料放置步驟的優(yōu)選實施方案的示意圖。
圖4是本發(fā)明的處理方法中的其他步驟的優(yōu)選實施方案的示意圖。
圖5是本發(fā)明的處理方法中的其他步驟的優(yōu)選實施方案的示意圖。
圖6是本發(fā)明的一材料放置站的一優(yōu)選實施方案的示意圖。
圖7是按本發(fā)明所做的一個頭部件的放大的等比示意圖。
圖8是按照本發(fā)明所做的一個頭部件的一優(yōu)選實施方案的底部視圖。
優(yōu)選實施例的詳細說明現(xiàn)在將對本發(fā)明的各優(yōu)選實施方案進行詳細的說明，各優(yōu)選實施方案的例子被圖示在附圖中。
圖1表示按照本發(fā)明所做的一主體結(jié)構(gòu)100的等比圖。
如圖2所示，該主體結(jié)構(gòu)最好被分為多個部件。這些部件的各個邊界最好選擇得要便于制造。便于制造各部件的一種方法是創(chuàng)制一種被稱之為“球形平面”的部件，意思是它們的整體形狀要盡可能的平。復雜的全面幾何形狀可以通過結(jié)合多個簡單的幾何部件來獲得，如圖2所示。這樣的部件可更易于按照這里所描述的處理方法來控制，因為各坯體須變形很小來符合所需的部件形狀。球形平面部件也需要較簡單的加工。
圖2中所示的所有部件都可以按照本發(fā)明來制造。然而，為了清楚的目的，此處的公開內(nèi)容僅針對一部件202的制造過程。再次，應謹記，圖2中所示每一個部件和任何其他適合的部件都可以按照本發(fā)明來制造。
本方法最好開始于選取那些計劃用于制造合成部件的材料。起初的材料包括帶有處理膠粘劑的、非連續(xù)的校直的碳纖維束。該種材料典型地會供應在線軸架上或線軸上以用于分發(fā)。其他的纖維類型(例如玻璃或芳綸)和形式(例如連續(xù)的)也可采用。對于液體浸入制造方法而言，本發(fā)明主題的方法是，采用可以與預定基體樹脂相適合的膠粘劑，利用連續(xù)的纖維束加強物或不連續(xù)的纖維束加強件物。對于固體狀態(tài)制造方法而言，本發(fā)明主題的方法是，利用事先由預定基體樹脂浸漬后的連續(xù)的纖維束加強件或不連續(xù)的纖維束加強件，或是事先浸漬后的、包括有連續(xù)的或非連續(xù)的纖維束加強件的帶件以及預定基體樹脂。材料的選擇將與預定最終部件的設計和復雜度，與不連續(xù)的纖維束加強件，乃至對于精細的幾何形狀的需求相互依賴。對于熱固性和熱塑性的基體樹脂，在每一方式中的浸漬可以用熱熔劑、溶劑的形式，對于熱塑性的基體樹脂可以用混合形式。
對于加強件材料形式，選項包括不連續(xù)的預浸漬的碳帶；帶有熱塑物質(zhì)的不連續(xù)的預浸漬的碳纖維束；含膠粘劑的不連續(xù)的碳纖維束；和連續(xù)的碳纖維束。
對于基體材料，選項包括大部分的熱塑物質(zhì)和一些熱固物資，是為了應付汽車的需求，例如環(huán)境穩(wěn)定性(溫度，濕度，腐蝕性，等)、費用、表面質(zhì)量、韌性和再循環(huán)性。
在起始的材料，或原料被選擇之后，材料之間相互結(jié)合并且進行裝配，如圖3-5所示意的方式，該組圖顯示了按照本發(fā)明的方法的優(yōu)選實施方案中使用的優(yōu)選的步驟。該方法最好是實現(xiàn)完全自動的，用程序制做成預期完成的部件并直接連接到三維部件設計軟件和數(shù)據(jù)庫(例如在汽車和航空工業(yè)常用的)上。各步驟將分別說明，并且并行的討論表示了本發(fā)明中的多功能性的潛在的方法變化。
圖3顯示了該方法的一個早期的步驟，材料放置步驟302。如圖3所示，該步驟最好包括至少一個材料放置站306，最好有多于一個的材料放置站被使用。在本發(fā)明的一個典型實施例中，有六個材料放置站306，308，310，312，314和316被使用。
參照圖6，每一個材料放置站可以在方向602上移動，此方向這不同于傳送帶304的運動604的方向。為了清楚，圖6只表示了一個放置站306。應當記住的是，其他的放置站308，310，312，314和316也以和放置站306相同的方式運動。在本發(fā)明的一個典型實施例中，放置站在方向602上運動，該方向與傳送帶304的運動604方向垂直。
材料放置站306最好包括一組頭部件606。頭部件606最好被布置在和運動方向602相同的方向上。
參照圖7，各頭部件606中的每一個都包括一個旋轉(zhuǎn)部分702。這可以使頭部件606在相對于頭部件606的各個方向上分送材料704。圖8顯示一個頭部件606的底部視圖和旋轉(zhuǎn)部分702。材料704的相應的方向可以參照旋轉(zhuǎn)部分702來看。
按此設置，材料放置站306能夠分發(fā)許多材料704。當材料被放置站306置放時，這許多材料呈一薄片狀。通過選擇性地旋轉(zhuǎn)頭部件606和移動放置站306，該材料可以向各個方向分發(fā)。本發(fā)明也考慮到不同的放置站，例如，站306和308(見圖3)將向彼此不同的方向上分發(fā)。
頭部件606也能夠提供不連續(xù)的材料放置。換言之，材料通過頭部件606可以按照需要開和關以分發(fā)材料。
返回圖3，當不同的放置站306，308，310，312，314和316分發(fā)材料時，可以觀察到具有不同纖維或材料方向的不同的層片。
一旦一個部件的帶有這個生產(chǎn)方法的設計構(gòu)思完成，所要的最終部件的層壓結(jié)構(gòu)和平板布圖(展開的坯體)就可以被送到一個預處理軟件程序。該程序產(chǎn)生一個用于制做坯體機器NC機械程序，此為本發(fā)明的一個主題。
移動臺和頭部件系列(堆垛中每一疊層都會需要幾個)的組合結(jié)果是連續(xù)地生產(chǎn)出層壓薄片，而該層壓薄片是在為特殊薄片置放的程序控制下的特定成層狀態(tài)，它既可以是1)在一個施加仔細控制的壓力的熱滾筒和一系列滾筒下和加熱區(qū)中，制造用于固態(tài)沖壓生產(chǎn)方法的幾乎完全固結(jié)的層壓薄片的固結(jié)狀態(tài)，或是2)用于液體浸漬制造方法的一種干燥的膠粘層壓薄片。材料放置頭可使材料起始和停止以進行對諸如門或窗戶等的裁切，這樣可減少可造成巨大成本來源的材料的廢棄。一種帶件布置頭的潛在的、可以提供更大成本效益的變型，是使用“切斷槍”來置放高度校直的、移動臺上的層片，其每一支槍可像放置頭一樣疊放一單獨的有角層片。此槍可潛在地用于放置本文章節(jié)中所述的所有材料形狀。
有些選項和改進皆可用于此材料放置步驟。在層片階段上，放置選項包括1)放置頭從相對于其安裝的一滾筒中放出帶件，在帶件通過放置頭時對帶加熱，且由一加熱的放置滾筒在操作點對其進行進一步加熱，并將其放置在傳動帶上的NC程序位置；2)放置頭在到達操作點前校直排列許多預浸漬的纖維束以形成一條“帶件”，并將其放置在傳動帶上的NC程序位置；3)放置頭預浸漬許多條膠粘纖維束，在到達操作點前將它們校直排列以形成一條帶，并將其放置在傳動帶上的NC程序位置4)；放置頭從一滾筒中放出織物帶，在放置頭中對其加熱，且由一加熱的放置滾筒對其操作點進行進一步加熱，并將其放置在傳動帶上的NC程序位置；5)放置頭校直排列許多條膠粘纖維束，在到達操作點前加熱它們以形成一條膠粘帶，并將其放置在傳動帶上的NC程序位置；6)放置頭在空中切斷碳纖維束，并以一校直排列的方式放置不連續(xù)的碳纖維束于移動臺之上。在選項6)中，膠粘粉被均勻地分布當位于空中或一旦層片被完全放下之時。
在層壓階段，需要有多重放置站，每一放置站都使用一個完全相同的放置頭技術(shù)。放置站的個數(shù)由所希望的生產(chǎn)效率、層片數(shù)量、角度和一些特別的細節(jié)以及所選擇的初始材料的形狀決定。每一個放置頭每一NC程序?qū)⒉牧习凑找粋€給定的角度放下一張單張層片。一旦傳送帶上一個給定的點通過所有的已啟動的放置站，就形成了一個由數(shù)個層片及各自角度按所需組合而成的薄片，該薄片包括上襯墊和一些特別的加強件。整個加工過程由NC控制并且可以轉(zhuǎn)換到一不同的運送裝置的變型，如產(chǎn)品拖拽系統(tǒng)托管件。
固結(jié)臺402包括一系列加熱的固結(jié)滾筒，其可將薄片堆垛擠壓成所需程度的固結(jié)和厚度。此方法的一個變型是將膠粘后的纖維束按預定角度置成一高度校直排列的干燥纖維帶。膠粘粉(一種其化學性質(zhì)可與預定的基體樹脂相容的樹脂粉)可以在需要時被放置在層片之間。在最后的層片被放下后，一個熱壓緊步驟將先于后續(xù)加工步驟而被用于將纖維束緊固于合適的位置上。如果用于液體浸漬制造方法，則合成的薄片接下來就可以裁切和裝配了。如果材料被用于沖壓加工，就還需一個非常類似于拉擠成型工藝或擠壓工藝的液體浸漬與固結(jié)的步驟，該步驟將先于裁切和裝配步驟而被用于完全地浸漬和固結(jié)薄片。然后，此裝配就可以被用于固態(tài)沖壓制造加工中了。如果需要固結(jié)處理，其將會在層壓加工結(jié)束時由一系列可加熱和冷卻的滾筒來完成。這一步驟將會根據(jù)前面部分所討論的預計的最后制造方法來確定。
在這一步驟中其他可被利用的選項包括1)堆垛薄片被運送通過過一系列不斷增加壓力的加熱滾筒而完全強化。
2)堆垛薄片被運送通過一包括有加熱區(qū)和溫和壓緊滾筒的穩(wěn)定作用區(qū)，該穩(wěn)定作用區(qū)通過簡單地運用統(tǒng)一的厚度溫度將所有的層片接合在一起以便裝配薄片的后續(xù)處理。該堆垛必須足夠穩(wěn)定地通過一個干燥的成型加工(如果需要更復雜的幾何形狀的話)，以便在后續(xù)的生產(chǎn)成品部件的液體浸漬加工步驟中仍保持足夠的適當?shù)臉渲鲃印?br> 裁切臺404和裝配臺406包括一NC控制的超聲波裁切機(或相似技術(shù))，它裁切移動帶上的每一預定的坯件并將坯件送至一制造單元或腳手架區(qū)域。此裁切臺類似于被廣泛應用于航空工業(yè)的NC超聲波裁切站。
無論是在結(jié)尾使用、液體浸漬成型、固態(tài)沖壓中，或其他，薄片堆垛可被裁切和裝配至預定箱中，以便傳送至最后加工單元。最后部件的附加元件，如粘合劑薄片，染色貼紙，或配件等，可以在預定箱傳送至最后加工單元前被附加入該箱。
噴墨鑒別技術(shù)完全可以和本發(fā)明部分主題所描述的加工方法相兼容，它們可以用于沿預定坯件機器長度上的任意一點上以及在整個加工過程中的裁切和裝配部分中，以提供材料和零部件信息，以及制造成品的最后生產(chǎn)過程中的制造指令。
此過程可采用超聲波NC控制的裁切和裝配每一“預定坯件”從移動帶上裁切下來并與一整套機體組件所需的其他薄片裝配，然后被送到制造單元轉(zhuǎn)變成最后部件。其他的裁切技術(shù)也可以被運用到其中。
部件制造步驟(用于附圖5所描述的固態(tài)制造方法)其包括一個預加工和成型站。一個預熱梭件502將被用于將薄片堆垛加熱至所需溫度，然后快速地在沖壓機沖壓器具之間移動堆垛薄片。第二站是一個單獨的臺式加熱沖模機504，它可夾持疊壓薄片的外圍并且沖壓成部件。沖壓完成后，沖壓頭迅速地從220℃降低至玻璃的熔點以下，然后脫模。
從裝配平面的預定坯件的一個箱體開始，通過使用墨跡噴出和/或條形碼跟蹤技術(shù)適當確認，最后的制造過程分為部件的外形和最終的處理和/或固結(jié)。制造單元的排列布置如前所述。隨著影響成本和效率的關鍵單元參數(shù)，每一單元確定了依次序下一單元的加工步驟。制造步驟包括了既對固態(tài)沖壓也對液體浸漬的最佳工業(yè)實際作法，其加工參數(shù)按最適于本發(fā)明利用的參數(shù)設定。
預加工選項包括1)使用一預熱梭件將堆垛薄片加熱至期望的溫度并且快速地在沖模機之間移動堆垛薄片；及2)采用一個簡單的類似于壓力機(但壓力機沒有如此精確且使用壓力極小)的、能將膠粘薄片形成一個近乎網(wǎng)狀的形狀的加熱成型工具進行一預成型加工；隨后進行浸漬加工。另外，一些部件可能需要一些嵌入硬點或其他的預置零件。
加工選項包括固態(tài)和液體浸漬方法。對于固態(tài)，一個單獨的臺式可加熱沖模機，其可夾持堆垛薄片的外圍并且沖壓成部件。對于液體浸漬，膠粘薄片直接進入加熱浸漬機，此機為封閉的，它迫使堆垛形成封閉的空腔的形狀，并將基體樹脂注入其中。
對于固結(jié)/處理，該工具始終保持一溫度直到部件做熱固處理。如果是熱塑性物質(zhì)，此機將迅速地冷卻至玻璃熔點以下，然后脫模。
最后的步驟是一采用常規(guī)型低馬力高速鏤銑機的機器人。鉆頭應為高速低進給型以減少后側(cè)穿透。對于鉆頭和鏤銑機都將注水以利于纖維控制和冷卻。機器人揀拾和放置技術(shù)508將被用于連接真空夾具和固定裝置以保持其速度和可重復性。
最后整理加工506涉及在真空卡盤夾具中的高速鏤銑，如同高性能高級合成結(jié)構(gòu)的最佳工業(yè)實踐作法。機器人整理站使用的是傳統(tǒng)的低馬力高速鏤銑機。鉆頭應為高速低進給型以減少后側(cè)穿透。對于鉆頭和鏤銑機都將注水以利于纖維控制和冷卻。
上述本發(fā)明的具體實施方式
僅僅是為了描述和說明本發(fā)明的目的，其并不是為了使本發(fā)明毫無遺漏或是用所述的具體實施方式
限定本發(fā)明的形式。許多該具體實施方式
中所描述的變化體和所作改進，顯然只是上述公開技術(shù)范圍內(nèi)的一種普通技術(shù)。本發(fā)明的保護范圍僅由所附的權(quán)利要求和其等同物限定。
權(quán)利要求
1.一種用于制造合成部件的方法，該方法包括下列步驟以一個第一角度，將一第一組纖維分配并聯(lián)結(jié)到一傳送帶上；以一個第二角度，將一第二組纖維分配和聯(lián)結(jié)到該傳送帶上；其中，該第一角度與該第二角度不同。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的傳送帶以一個第一方向移動并在連續(xù)不斷的運動中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的第一組纖維是間歇地分配的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的第二組纖維是間歇地分配的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的第一組纖維是在該合成部件內(nèi)間歇地分配的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的第二組纖維是在該合成部件內(nèi)間歇地分布的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的第一組纖維可以被導向于另一個不同于第一角度的角度。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述的第一組纖維是通過一個頭部件分配的，該頭部件可在一個不同于第一方向的方向上移動。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種縱向合成材料的連續(xù)的、預定的層壓結(jié)構(gòu)的處理方法，依此方法，所做的預成型和預強化的片分別用于后續(xù)的浸漬成型或沖壓加工處理方法中。該方法包括的步驟有材料放置，固結(jié)/穩(wěn)定性處理，裁切和裝配，制造，及最后修建。一個定制坯件加工機(306)也被描述。該坯件加工機包括一系列沿一個單獨的放置臺以線性或連續(xù)性方式排列布置地材料放置頭(606)，其中每一頭在傳送帶(304)以一個恒定的速度經(jīng)過其下方時，會以一單獨的角度放置后續(xù)所述的層壓疊片于傳動帶上，其中該角度是與放置頭相對傳動帶速度的橫向移動速度成比例的。
文檔編號D04H3/00GK1447746SQ01813478
公開日2003年10月8日 申請日期2001年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月28日
發(fā)明者大衛(wèi)·泰格特 申請人:海博卡有限公司