專利名稱：用真空輔助樹脂傳遞模制法形成的大型復(fù)合型芯結(jié)構(gòu)的制作方法
本申請書是1996年3月7日提交的US專利申請書08／612251號的部分繼續(xù)，而US專利申請書08／612251是1995年6月7月提交的US專利申請書08／475849號的部分繼續(xù)，本文引用了上述兩個(gè)申請書的內(nèi)容。
真空輔助樹脂傳遞模制法(VA—RTM)已用于生成多種諸如大型的船之類的大型用纖維增強(qiáng)的復(fù)合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括諸如泡沫和輕木型芯(core)。所述型芯上覆蓋有用纖維增強(qiáng)的樹脂。在VA-RTM過程中，諸如織物或柵網(wǎng)之類的增強(qiáng)纖維依照預(yù)定的成品部件的形狀連同預(yù)定的型芯材料于干燥狀態(tài)下設(shè)置在單面模具內(nèi)。然后將敷層封裝進(jìn)真空袋內(nèi)并在真空狀態(tài)下用樹脂浸漬該材料。使所述樹脂固化。
業(yè)已使用多種方法來引入并增強(qiáng)樹脂在增強(qiáng)纖維上的分布。這些方法包括將一次性傳輸介質(zhì)放置到纖維的外層上并包括穿過型芯的開孔和／或開槽以使得樹脂從外側(cè)流至增強(qiáng)纖維的內(nèi)層。見例如US專利5316462和4560523號。在封閉的樹脂注模法中還用泡沫型芯上的供給槽來便于樹脂的流動(dòng)。見例如US專利5096651號。
本發(fā)明涉及利用真空輔助傳遞模制法(VA-RTM)在生產(chǎn)大型復(fù)合結(jié)構(gòu)過程中傳輸樹脂的方法以及用這種方法生產(chǎn)的復(fù)合結(jié)構(gòu)。所述復(fù)合結(jié)構(gòu)是由被纖維增強(qiáng)樹脂所包圍的內(nèi)部型芯構(gòu)成的。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，將樹脂直接提供進(jìn)由主進(jìn)料器凹槽構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，所述進(jìn)料器凹槽與形成在內(nèi)部型芯表面上的一系列較小的微槽相連。樹脂可相對上述進(jìn)料器凹槽和微槽從型芯向外流動(dòng)以進(jìn)入增強(qiáng)纖維。在本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例中，將獨(dú)立的傳輸介質(zhì)放置到內(nèi)部型芯與纖維增強(qiáng)物之間。所述樹脂被直接提供給型芯表面上的一個(gè)或多個(gè)主進(jìn)料器凹槽并通過傳輸介質(zhì)進(jìn)入增強(qiáng)纖維。還有，主進(jìn)料器凹槽可在型芯周圍延伸以形成一供給環(huán)路，從而浸漬橫向結(jié)構(gòu)部件。
在又一個(gè)實(shí)施例中，成整體的真空袋和模具是由有紋理的金屬板構(gòu)成。所說的紋理則是由金屬板一側(cè)上的密集的升高部分構(gòu)成的，所述升高部分與金屬板另一側(cè)上的凹陷部相對應(yīng)。所述密集的升高部分限定了它們之間的凹谷，這些凹谷構(gòu)成了樹脂分配網(wǎng)絡(luò)。主進(jìn)料器凹槽直接形成在金屬板上。所述有紋理的金屬板還可用作一模具，其它的工具是由該模具構(gòu)成的。
在還一個(gè)實(shí)施例中，所述結(jié)構(gòu)包括有型芯，這些型芯可以是中空的隔室并帶有由形成在表面和／或圓角上的小通道或凹槽構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，以便于樹脂的流動(dòng)。所述隔室是封閉的中空容器，它們例如通過吹模法由適當(dāng)?shù)乃芰喜牧现瞥?。多個(gè)型芯設(shè)置在一適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)內(nèi)以形成貼靠在模具組件的剛性模具表面上的預(yù)定結(jié)構(gòu)。所述型芯可由纖維增強(qiáng)物所包圍。所述模具組件包括一撓性部分，它通常是一真空袋并被放置在所述結(jié)構(gòu)上且?guī)в幸徽婵展埽斯芪挥谒鰮闲圆糠值倪吘壊⒏艚^于剛性模具表面。所述真空袋包括有形成在其上的一個(gè)或多個(gè)主進(jìn)料器導(dǎo)管。以成整體地形成在真空袋內(nèi)主進(jìn)料器導(dǎo)管并與主進(jìn)料器導(dǎo)管作流體通連的方式或者通過一位于真空袋與纖維增強(qiáng)袋之間的獨(dú)立傳輸介質(zhì)來提供由較小通道構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。在真空狀態(tài)下將樹脂引入真空袋內(nèi)的主進(jìn)料器通道，從而，樹脂會較快地進(jìn)入較小的通道并沿該通道行進(jìn)。樹脂會從較小的通道滲透進(jìn)型芯頂部上的纖維增強(qiáng)物，直至樹脂到達(dá)了型芯的表面。然后，樹脂會通過形成在型芯表面上的凹槽和／或所述圓角限定的空間沿型芯較快地流動(dòng)。如果存在有相鄰的型芯，樹脂就會由此進(jìn)入相鄰型芯之間區(qū)域內(nèi)的增強(qiáng)物以及型芯底部與剛性模具表面之間的增強(qiáng)物。在樹脂固化了之后，拆除真空袋，如果有獨(dú)立的傳輸介質(zhì)的話，還拆除該介質(zhì)，從而使成品部件與模具相分離。型芯會保留在所述成品部件內(nèi)。
利用這種方法，可在一般的乙烯酯或聚酯樹脂成膠體之前快速地形成需要有多個(gè)型芯的大型復(fù)合結(jié)構(gòu)，并可使所使用的樹脂量達(dá)到最少。通過將樹脂經(jīng)由真空袋直接提供進(jìn)進(jìn)料器凹槽，這種提供操作并不局限于工具內(nèi)的部件邊緣或入口。可經(jīng)由單個(gè)的樹脂入口提供給相鄰的型芯。樹脂分配網(wǎng)絡(luò)可保留在成品部件上，從而消除了對傳輸用材料的處置。在這種情況下，微槽中填充有固化后的樹脂，從而提高了層間抗剪強(qiáng)度和離層強(qiáng)度。在模制過程中，可直接將諸如抗剪帶、壓縮腹板或梁之類的結(jié)構(gòu)裝置包括在復(fù)合部件內(nèi)。
連同附圖可從以下的詳細(xì)說明中更完全地理解本發(fā)明，在附圖中

圖1是本發(fā)明第一實(shí)施例的復(fù)合結(jié)構(gòu)的型芯的透視圖；圖2是按本發(fā)明第一實(shí)施例構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)的概略剖面圖；圖3是按本發(fā)明構(gòu)成的另一復(fù)合結(jié)構(gòu)的概略透視圖；圖4是按本發(fā)明構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)的概略透視圖；圖5是本發(fā)明的復(fù)合結(jié)構(gòu)的另一型芯的透視圖；圖6是本發(fā)明第二實(shí)施例的復(fù)合結(jié)構(gòu)的型芯的透視圖；圖7是按本發(fā)明第一實(shí)施例構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)的概略剖面圖；圖8是用成整體的模具和真空結(jié)構(gòu)形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)的概略剖面圖；圖9是用于構(gòu)成復(fù)合結(jié)構(gòu)的剛性模具和撓性蓋的概略剖面圖；圖10是帶有多個(gè)主進(jìn)料器凹槽的復(fù)合結(jié)構(gòu)的型芯的透視圖；圖11是用于構(gòu)成本發(fā)明又一實(shí)施例的復(fù)合結(jié)構(gòu)的成整體的模具和真空袋的概略剖面圖；圖12是構(gòu)成圖11的成整體的模具和真空袋的有紋理材料板的一側(cè)的透視圖；圖13是圖12的有紋理板的另一側(cè)的透視圖；圖14是本發(fā)明再一實(shí)施例的復(fù)合結(jié)構(gòu)和模具組件的概略局部剖面圖；圖15是圖14的復(fù)合結(jié)構(gòu)中所使用的封閉隔室的透視圖；圖16A、16B、16C和16D說明了圖14的復(fù)合結(jié)構(gòu)中所使用的型芯的多種結(jié)構(gòu)；圖17A、17B、17C和17B說明了多種纖維卷繞結(jié)構(gòu)；圖18是本發(fā)明還一實(shí)施例的復(fù)合結(jié)構(gòu)和模具組件的概略局部剖面圖；圖19是沿圖18中A-A線的局部剖面圖；圖20是本發(fā)明復(fù)合結(jié)構(gòu)和模具組件的又一種結(jié)構(gòu)的概略局部剖面圖；圖21是本發(fā)明復(fù)合結(jié)構(gòu)和模具組件的再一種結(jié)構(gòu)的概略局部剖面圖。
按本發(fā)明制成的大型復(fù)合部件包括一型芯12，如圖1所示。該型芯是由能承受住真空壓力的材料制成的。通常的材料包括諸如聚亞氨酯或聚氯乙烯之類的泡沫或輕木。所述型芯可以是實(shí)心的，也可以是中空的，例如是吹制的聚乙烯。也可以使用混凝土。盡管如下所述那樣可以有其它的結(jié)構(gòu)，但將型芯顯示為了矩形塊。
在型芯的表面16上設(shè)置有一個(gè)或多個(gè)主進(jìn)料器凹槽或通道14。主進(jìn)料器凹槽外接于整個(gè)的型芯，從而構(gòu)成了一回路。一樹脂分配網(wǎng)絡(luò)設(shè)置成與型芯的表面相接觸以便與主進(jìn)料凹槽作液體通連，所述樹脂分配網(wǎng)絡(luò)包括截面面積比主進(jìn)料器凹槽小的通道。
在本發(fā)明的第一實(shí)施例中，設(shè)置有呈多個(gè)微槽18形式的樹脂分配網(wǎng)絡(luò)，它們以機(jī)加工的方式形成在型芯12的表面16上，如圖1所示。通常以與主進(jìn)料器凹槽14相垂直的方式設(shè)置微槽18。某些微槽可外接于整個(gè)型芯，以形成一樹脂流動(dòng)回路，該回路始于主進(jìn)料器凹槽并止于主進(jìn)料器凹槽。正如以下說明的那樣，微槽與主進(jìn)料器凹槽的實(shí)際關(guān)系取決于型芯的幾何形狀以及樹脂浸漬的最佳方式。
如圖2概略所示，帶有凹槽網(wǎng)絡(luò)的型芯14上覆蓋有一層或多層纖維材料20。該纖維材料可以是由玻璃纖維、碳纖維或其它適當(dāng)材料的纖維構(gòu)成的織物或柵網(wǎng)。根據(jù)預(yù)定成品部件中的結(jié)構(gòu)要求，所述型芯可完全被纖維材料所包圍，或者，型芯的一個(gè)或多個(gè)表面上沒有纖維材料。纖維材料可在型芯周圍包在一板片內(nèi)，或者，個(gè)別的纖維材料件可貼合于預(yù)定的型芯表面。還可將纖維提供成管狀形式，型芯可插在該管狀形式內(nèi)。
將被多個(gè)纖維包住的型芯設(shè)置成能形成預(yù)定的成品部件。盡管在圖2中示出了兩個(gè)型芯，但型芯的實(shí)際數(shù)量和結(jié)構(gòu)取決于預(yù)定的成品部件?？蓪⒁粚踊蚨鄬永w維材料包在多個(gè)型芯周圍以形成外皮22，如圖2概略所示。纖維材料的具體層數(shù)、類型和結(jié)構(gòu)取決于預(yù)定的成品部件并且可很容易地為本技術(shù)的專家所確定。通常設(shè)置有呈凸翼26形式的泄流器層，它從外部纖維層延伸至真空出口25。在本發(fā)明的處理過程中一般不需要表皮層，這些表皮層通常在先有技術(shù)的真空處理過程中是必需的。
包圍型芯并位于型芯之間的纖維材料24構(gòu)成了諸如抗剪條、壓縮腹板和梁之類的結(jié)構(gòu)部件。例如，參照圖4，用多個(gè)矩形型芯40構(gòu)成覆蓋板。相鄰矩形型芯之間的纖維材料構(gòu)成了斜的結(jié)構(gòu)部件41，該部件可承受住壓力和剪力。
在設(shè)置敷層期間，將諸如塑料或銅的丁字接頭之類的適當(dāng)配合件設(shè)置在主進(jìn)料器凹槽34內(nèi)，以便于在以后插入樹脂供給管28。可將一個(gè)或多個(gè)配合件設(shè)置在各個(gè)進(jìn)料器凹槽內(nèi)，以容納預(yù)定的樹脂流。所述敷層可放置成貼靠于模具29，并且，將真空袋30放置在包括塑料配合件在內(nèi)的敷層上并以本技術(shù)中周知的方式隔絕于模具，如圖2概略所示。然后，刺破真空袋，將供給管28經(jīng)由真空袋直接插進(jìn)其相應(yīng)的配合件26。供給管隔絕于真空袋以保持空真的完整性。利用這種方式，可通過使直接插進(jìn)凹槽內(nèi)的供給管進(jìn)入外部真空袋而直接將樹脂提供給主進(jìn)料器凹槽。參照圖8，真空袋和模具還可被合并進(jìn)一單體結(jié)構(gòu)80，該結(jié)構(gòu)有足以保持其與模具相同形狀的硬度但又有在加載真空時(shí)足以逆著該部件收縮的撓性。例如，成整體的結(jié)構(gòu)80可包括諸如0．25英寸或更薄的薄規(guī)格的鋼板。型芯82和纖維材料84、86如前所述那樣封裝在所述鋼板內(nèi)。穿鉆出經(jīng)由鋼板的開孔，以便存取所說的配合件。如上所述那樣進(jìn)行樹脂浸漬。所述成整體的結(jié)構(gòu)可由諸如橡膠或硅樹脂之類的其它適當(dāng)材料或者諸如用塑料分層的金屬之類的薄復(fù)合板材料構(gòu)成。
圖9說明了另一個(gè)模具實(shí)施例，其中，用一撓性蓋92封住剛性模具90，所述撓性蓋例如是由鋼或塑料材料制成的。如上所述包括型芯和纖維材料的部件設(shè)置在剛性模具所限定的凹進(jìn)部94內(nèi)。撓性蓋上的真空凹槽96包圍著上述部件。設(shè)置有穿過撓性蓋或模具的開孔，以便如上所述那樣為樹脂浸漬而存取配合件。在真空狀態(tài)下進(jìn)行樹脂浸漬的過程中，撓性蓋的真空凹槽的邊緣會彎曲，從而壓緊所說的部件。
諸如聚酯、乙烯酯、環(huán)氧樹脂、酚醛、丙烯酸或雙馬來酰亞胺之類的樹脂會較快地經(jīng)過主進(jìn)料器凹槽14進(jìn)入微槽18。所述樹脂會從這些微槽進(jìn)入纖維材料20、22。浸漬起因于在型芯表面16處開始并向外移至所述部件外部的浸漬物。如圖3和圖4所示，可通過相鄰型芯之一上的主進(jìn)料器凹槽來浸漬相鄰型芯表面上的纖維材料。
主進(jìn)料器凹槽的截面面積以及微槽的截面面積和間隔是最優(yōu)的，從而能提供適當(dāng)?shù)臅r(shí)間以使得樹脂在固化之前浸漬到所有的纖維材料而不會留下未受浸漬的區(qū)域。典型的主進(jìn)料器凹槽就0．25平方英寸的截面面積來說具有0．5英寸的深度和0．5英寸的寬度。典型的微槽就約0．016平方英寸的截面面積來說具有0．125英寸的深度和0．125英寸的寬度。微槽的中心間距為1．0英寸?？蓪@些尺寸進(jìn)行更改以容納不同類型和／或厚度的增強(qiáng)纖維材料。還有，如果所述部件特別大，則可以增加主進(jìn)料器凹槽的截面面積，以便使樹脂更快地傳輸?shù)皆摬考乃薪孛嫔稀Ｅc此相似，可在型芯12上設(shè)置多個(gè)主進(jìn)料器凹槽14，如圖10所示。
此外，可以減少主進(jìn)料器凹槽或微槽的截面面積，以便節(jié)流，從而增加預(yù)定區(qū)域內(nèi)的樹脂停留時(shí)間。還可通過將樹脂“熔斷器”放置到進(jìn)料器凹槽內(nèi)，以暫時(shí)阻礙樹脂流動(dòng)，從而增加樹脂停留時(shí)間。熔斷器在與樹脂接觸了一段周知的時(shí)間之后會熔解，所說的時(shí)間可利用熔斷器的長度來加以設(shè)置。例如，就乙烯酯樹脂而言，業(yè)已成功地使用了泡沫聚苯乙烯熔斷器。主進(jìn)料器凹槽還可終止成能使樹脂流改變方向。
主進(jìn)料器凹槽14能使得樹脂從一個(gè)型芯到達(dá)相鄰的型芯?？稍O(shè)置穿過型芯的開孔以便將主進(jìn)料器凹槽連接起來?？赏瑫r(shí)向各個(gè)主進(jìn)料器凹槽提供樹脂，以形成平行的回路，或接預(yù)定順序向各個(gè)主進(jìn)料器凹槽提供樹脂，以形成順序的回路，這取決于要浸漬的部件的幾何形狀和尺寸。另外，主進(jìn)料器凹槽可以是彼此獨(dú)立的，從而能形成獨(dú)立的回路。
在浸漬之后，使樹脂有足夠的時(shí)間固化。一旦固化，微槽18就會填充有固體樹脂。這種樹脂能提供一橫向鎖定裝置，該裝置能改善纖維增強(qiáng)的復(fù)合件與型芯之間的粘合的層間抗剪強(qiáng)度。存留在凹槽網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的樹脂還可增加將纖維增強(qiáng)的表面剝離型芯所需的力。
型芯的實(shí)際結(jié)構(gòu)和形狀及數(shù)量取決于預(yù)定的成品部件。例如，矩形型芯如圖3所示。矩形型芯可帶有主進(jìn)料器凹槽42，它們設(shè)置在至少兩個(gè)表面上。中心矩形型芯44可帶有位于三個(gè)表面上的主進(jìn)料器凹槽。微槽可設(shè)置在如上所述的表面上。多個(gè)矩形型芯可例如設(shè)置成一排，從而構(gòu)成了一覆蓋板。在這一實(shí)例中，從中心型芯開始并逐漸朝向邊緣順序地注入經(jīng)由導(dǎo)管46提供的樹脂，如圖4中陰影區(qū)48所示。
圖5中示出了拱形型芯50。拱形型芯50可帶有位于一個(gè)表面上的主進(jìn)料器凹槽52以及由微槽54構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，微槽54相對進(jìn)料器凹槽延伸以便外接于型芯。拱形型芯可用于構(gòu)成諸如大型船或拱門之類的彎曲結(jié)構(gòu)。
在圖6和圖7所述的本發(fā)明另一個(gè)結(jié)構(gòu)中，型芯60配備有如前所述的主進(jìn)料器凹槽62。傳輸介質(zhì)64設(shè)置在與型芯表面相鄰的位置處。所述介、質(zhì)包括由開放的通路構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，所述通路是由能在加載真空時(shí)將通路保持為開放狀態(tài)的結(jié)構(gòu)構(gòu)成的。例如，所述介質(zhì)可包括相交叉的細(xì)絲，這些細(xì)絲被位于各細(xì)絲交叉點(diǎn)處的柱狀部件、由對齊的條狀件構(gòu)成的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)或開放的織物固定成與型芯表面相間隔。例如從US專利4902215號和5052906號中已知有適當(dāng)?shù)膫鬏斀橘|(zhì)，本文引用了上述兩個(gè)專利。然后，如前所述那樣將纖維材料66包在傳輸介質(zhì)上。將多個(gè)型芯設(shè)置成能構(gòu)成預(yù)定的成品部件，并將真空袋68放置在型芯與纖維材料上，如前所述。將從樹脂源延伸出來的樹脂供給管70經(jīng)由真空袋68和纖維材料66插至主進(jìn)料器凹槽62上的配合件72。供給管70以本技術(shù)中周知的方式隔絕于真空袋。將樹脂經(jīng)由供給管提供給主進(jìn)料器凹槽。樹脂會較快地穿過主進(jìn)料器凹槽進(jìn)入傳輸介質(zhì)。樹脂從傳輸介質(zhì)進(jìn)入纖維材料。提供適當(dāng)?shù)臅r(shí)間間隔以使樹脂固化。
與微槽相比，樹脂傳輸介質(zhì)會提供更均勻的樹脂流前緣。為此，樹脂傳輸介質(zhì)一般對較復(fù)雜的部件來說是最佳的，而微槽則最好是用于保留樹脂，因?yàn)橛休^少的樹脂流過微槽。
在圖11至圖13所示的又一個(gè)實(shí)施例中，真空袋和模具合并在一單體工具102內(nèi)，工具102是由諸如薄規(guī)格的鋼板之類的有紋理的金屬坂104構(gòu)成的。所述金屬板有足以保持其與模具相同形狀的硬度但又在樹脂浸漬過程中加載的真空狀態(tài)下有足以逆著所述部件收縮或被牽拉的撓性，如下所述。業(yè)已發(fā)現(xiàn)，板的厚度為0．25英寸或更少是適當(dāng)?shù)摹＿€可以使用形成為有紋理的板的諸如金屬和塑料層之類的塑料或復(fù)合材料。
最佳的是，所說的紋理是由形成在板104一側(cè)上的密集的升高部分108構(gòu)成的，所述升高部分與板另一側(cè)上的凹陷部相對應(yīng)。所述密集的升高部分108限定了它們之間的凹谷，這些凹谷構(gòu)成了樹脂分配網(wǎng)絡(luò)。例如，所述升高部分可具有通常為六邊形的形狀，該形狀的最長尺寸在3／8英寸與7／16英寸之間。業(yè)已發(fā)現(xiàn)，凹谷的深度約為千分之三十英寸是適當(dāng)?shù)?。上述有紋理的板可很容易形成并且可從新澤西州的ArdmoreTextured Metal of Edison公司買得到。另外，如果需要的話，可將所說的紋理設(shè)置在板的一側(cè)上，因此，升高部分不會在另一側(cè)上形成相應(yīng)的凹陷部。
可將板加工成模具112的預(yù)定形狀，模具112帶有一模腔118，板的升高部分構(gòu)成了模腔的內(nèi)壁，從而會朝向要浸漬的部件。主進(jìn)料器凹槽114直接形成在板104上的預(yù)定位置，而不是形成在上述型芯上。主進(jìn)料器凹槽具有如上所述的尺寸。真空出口通道116形成在所述工具的周邊。
為了形成一復(fù)合部件而將纖維敷層放進(jìn)與所述工具的有紋理表面相鄰的模腔118，用本技術(shù)中周知的粘合帶或其它密封物封住所述工具。如果不將紋理保持在所述部件上，則可使用一表皮層。另外，如果要將紋理保持在所述部件的表面上，則可省略表皮層。將紋理形成在所述部件上可使該部件有某種更大的硬度并且為了美觀也應(yīng)該這樣做。纖維敷層可包括如前所述包有纖維材料的型芯。可經(jīng)由如前所述形成在板上的小孔將配合件插進(jìn)主進(jìn)料凹槽。將真空加載于所述工具的內(nèi)部，可在纖維敷層附近牽拉有紋理材料的板，因此，升高部分的頂部會與纖維敷層相接觸，但凹谷會保持開放以形成由樹脂能流過的狹窄互連通路所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。在真空狀態(tài)下，樹脂首先被吸進(jìn)主進(jìn)料器凹槽然后被吸進(jìn)凹谷。樹脂能從凹谷完全浸漬到纖維材料，從而最后在周邊流至真空出口通路。使樹脂有足夠的時(shí)間固化。固化之后，從上述工具中拆下所說的部件。在又一個(gè)實(shí)施例中，可連同通常的模具將有紋理的板用作一個(gè)蓋。纖維敷層放置成貼合于模具表面。有紋理的板放置在纖維敷層上并以適當(dāng)?shù)姆绞礁艚^于模具。在與通常模具表面相鄰的位置處需使用輔助樹脂傳輸介質(zhì)。如上所述那樣注入樹脂。
還可將有紋理的板用作母模，該母模用于用諸如陶瓷之類的其它材料來形成工具。然后，在樹脂浸漬過程中將所述工具用作模具。在這種情況下，有紋理的板包括所述工具的反面，即用板的帶有凹口的那一面來形成所說的工具。最終的工具具有由被凹谷所分隔的升高部分構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，所述升高部分則如前所述那樣構(gòu)成了樹脂傳輸介質(zhì)。陶瓷模具一般不能彎曲以便在真空狀態(tài)下逆著所述部分收縮。在這種情況下，如在本技術(shù)中周知的那樣，連同模具一道使用獨(dú)立的真空袋。
圖14至圖21說明了本發(fā)明的其它實(shí)施例，這些實(shí)施例特別適用于形成三明治式的結(jié)構(gòu)，如中空型芯或泡沫型芯面板等。所述結(jié)構(gòu)是由多個(gè)型芯132構(gòu)成的，這些型芯可以是按要形成的預(yù)定成品部件而設(shè)置的中空隔室(圖14)或泡沫塊(圖21)。一層或多層纖維材料134蓋住了所設(shè)置的型芯的頂部表面136和底部表面138，以形成所述結(jié)構(gòu)的表皮。纖維材料還可位于各型芯132之間的區(qū)域140內(nèi)，并且／或者，所述型芯可在其側(cè)面部分或全部地包有纖維材料135。通過這種方式，各個(gè)型芯均可部分或全部地覆蓋有纖維材料。纖維材料可以是由玻璃纖維、碳纖維、KEVLAR或其它適當(dāng)材料構(gòu)成的織物或柵網(wǎng)。纖維材料可在型芯周圍包在板片內(nèi)，或者，個(gè)別的纖維材料件可貼合于預(yù)定的型芯表面。還可將纖維提供成管狀形式，型芯可插在該管狀形式內(nèi)。如圖17A至17D所示，纖維包圍著型芯的側(cè)面并終止于頂部與底部、可終止于型芯的上方和／或下方的某一距離處、可少量地包在各型芯的頂部和／或底部或者完全包在各型芯的頂部和底部上。包圍型芯并位于型芯之間的纖維材料構(gòu)成了諸如抗剪條、壓縮腹板和梁之類的結(jié)構(gòu)部件。最佳的是，將纖維材料提供成諸如雙軸、三軸或四軸編織物之類的多軸編織物也即使得纖維沿多個(gè)方向延伸以承載沿不同方向延伸的應(yīng)力。編織纖維的方位可選定成符合成品部件的結(jié)構(gòu)要求。
圖15說明了中空型芯132，該型芯包括一封閉的容器或隔室，此容器或隔室的側(cè)面上成整體地形成有一個(gè)或多個(gè)凹槽142。最佳的是，各個(gè)中空型芯是由諸如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯(PVC)或尼龍之類的塑料材料構(gòu)成的。正如在本技術(shù)中周知的那樣，可用吹模法來形成所說的型芯。也可以使用諸如注模法、雙板真空成型法或轉(zhuǎn)模法之類的其它方法。就吹模成型的隔室而言，所述凹槽的截面一般呈V形，因?yàn)?，V形有助于從模具上拆下隔室。但是，也可以使用諸如U形之類的其它形狀。如前所述，凹槽142的尺寸便于樹脂沿凹槽的流動(dòng)。凹槽一般起微槽的作用。一般地說，型芯越大，凹槽的截面面積就越大。盡管在需要的情況下特別是在型芯較大的情況下設(shè)置在一個(gè)或多個(gè)進(jìn)料器凹槽，但主進(jìn)料器凹槽通常不必位于型芯的表面內(nèi)。可按諸如圖15所示的斜的結(jié)構(gòu)之類的任何適當(dāng)結(jié)構(gòu)來形成所述凹槽。斜的結(jié)構(gòu)可容易地從吹模裝置中釋放出來。最佳的是，所述凹槽外接于型芯以便于樹脂傳至型芯的所有側(cè)面。型芯的角還最好是圓的或者是斜的，這就會進(jìn)一步便于樹脂在型芯的側(cè)面周圍流動(dòng)。在某些情況下，特別是如果型芯較小例如側(cè)面為一或兩英寸，則在型芯表面上如圖18和19所示那樣沒有輔助凹槽的情況下，圓角本身足以便于樹脂的流動(dòng)。型芯可具有諸如矩形盒(圖15所示)、柱形或細(xì)長三角形或六角形之類的任何適當(dāng)形狀并且可設(shè)置成任何適當(dāng)?shù)膱D形，如圖16A至16D所示。
用纖維材料135包住的型芯132設(shè)置成貼合于模具組件的剛性表面144。圖14說明了這樣的實(shí)施例，在該實(shí)施例中，用纖維材料包住型芯的所有側(cè)面。圖18和19說明了這樣的實(shí)施例，在該實(shí)施例中，不用纖維材料包住型芯132，或者，型芯132不配備有凹槽，從而，樹脂可通過型芯上的圓角133從上表面流至下表面。模具組件包括一撓性部分，它通常是一真空袋146，此真空袋放置在所述結(jié)構(gòu)上并用周邊周圍的密封件149與模具表面相連。真空袋包括一個(gè)或多個(gè)主進(jìn)料器通道148，它們與真空袋成整體(圖14)或獨(dú)立于真空袋(圖21)。可設(shè)置由小的相交叉的通道150構(gòu)成的樹脂分配網(wǎng)絡(luò)，以便與主進(jìn)料器通道148作液體通道。正如US專利5439635和5316462號所示，較小的通道可與真空袋成整體(如圖20所示)，本文引用了上述兩個(gè)專利。還可如上述以及US專利50952906和4902215號所述那樣，由獨(dú)立的傳輸介質(zhì)來提供較小通道(如圖21所示)。如果需要的話，可使用表皮層151(圖21所示)。還可在所述結(jié)構(gòu)周圍設(shè)置與真空源(未示出)相連的真空通道152或泄流器153。
樹脂源(未示出)直接連進(jìn)真空袋146中的主進(jìn)料器通道148?？赏ㄟ^真空通道152來抽成真空，真空通道152可從纖維材料中的小孔中抽出空氣。樹脂源是開放的，從而，樹脂可因真空而被較快地吸進(jìn)主進(jìn)料器通道148并經(jīng)過真空袋或獨(dú)立傳輸介質(zhì)的較小通道150。樹脂會進(jìn)入覆蓋在型芯132的上表面136上的纖維材料134并到達(dá)型芯的表面。樹脂會再次沿型芯132的凹槽142較快地行進(jìn)，從而在相鄰型芯之間以及型芯與模具144之間的區(qū)域140內(nèi)進(jìn)入纖維材料135?？墒褂玫驼吵矶鹊臉渲?，這還有助于沿微槽快速行進(jìn)并進(jìn)入纖維材料。當(dāng)型芯是在大氣壓力下形成的中空隔室時(shí)，型芯會在真空狀態(tài)下彼此向外推壓并推壓纖維材料。這就會使得纖維材料中的小孔間隔達(dá)到最小并確保使用最少量的樹脂。
最終的復(fù)合結(jié)構(gòu)相當(dāng)堅(jiān)固。對具有4和5英尺跨度且有約8英寸深度的各種覆蓋板結(jié)構(gòu)加載負(fù)荷直至出現(xiàn)問題，覆蓋板會在31至92千磅的負(fù)載下出現(xiàn)問題。住于型芯之間的區(qū)域140上的腹板基本上是連續(xù)的。也就是說，沿一個(gè)方向延伸的腹板在物理上并不穿過沿另一個(gè)方向延伸的腹板，但是，這些腹板的應(yīng)力卻如腹板在兩個(gè)方向上都是連續(xù)的那樣起作用。這就能使得剪力負(fù)載傳給相鄰腹板。此外，按這種方式形成的面板會比例如在結(jié)構(gòu)上等價(jià)的鋼結(jié)構(gòu)薄，因?yàn)椋氐谝环较蜓由斓腎形鋼梁實(shí)際上不穿過沿另一方向延伸的I形梁。還有，型芯會保持在所述結(jié)構(gòu)內(nèi)并會對結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度產(chǎn)生影響。此外，樹脂在固化后存留在微槽內(nèi)，從而提高了層間抗剪強(qiáng)度及離層強(qiáng)度并還可抗彎曲。
如果需要的話，本發(fā)明的型芯可設(shè)置成大于一個(gè)型芯的深度。在這種情況下，纖維材料設(shè)置在該心層之間。這種結(jié)構(gòu)可最佳地提供防火硬度和抗地震性。就防火硬度而言，如果一層燒毀，另一層仍留在原位。就抗地震性而言，可通過多層型芯來提供額外的強(qiáng)度。
若非后附權(quán)利要求所述，本發(fā)明并不局限于業(yè)已具體顯示與說明的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種用于形成復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括提供多個(gè)型芯，每個(gè)型芯均具有邊緣表面，所述型芯設(shè)置成一層以提供一上表面和一下表面；用纖維材料至少蓋住所述型芯陣列的上表面；提供由通道構(gòu)成的樹脂分配網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)設(shè)置成能使未固化的樹脂分布在整個(gè)纖維材料和型芯之間的空間內(nèi)；提供一進(jìn)料器通道，它與上述樹脂分配網(wǎng)絡(luò)作液體通連，所述進(jìn)料器通道具有比樹脂分配網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)通道大的截面面積；用樹脂分配網(wǎng)絡(luò)和進(jìn)料器通道將型芯和纖維材料封在一成型結(jié)構(gòu)內(nèi)，該成型結(jié)構(gòu)的至少第一部分包括一模具表面，并且，該成型結(jié)構(gòu)的至少另一部分包括一撓性部分，它可在真空狀態(tài)下靠著型芯和纖維材料的相鄰部分收縮(collapsible)；通過上述撓性部分將未固化的樹脂源連接于進(jìn)料器通道；將所述成型結(jié)構(gòu)的內(nèi)部連接于一真空出口；使在真空狀態(tài)下穿過進(jìn)料器通道和樹脂分配網(wǎng)絡(luò)的未固化的樹脂填充上述成型結(jié)構(gòu)，以便用樹脂浸漬纖維材料以及型芯之間的空間；以及使樹脂固化以形成復(fù)合結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述樹脂分配網(wǎng)絡(luò)包括由各型芯的邊緣表面構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，以便提供位于相鄰型芯之間從上表面到下表面的流動(dòng)通路。
3.如權(quán)利要求2的方法，其特征在于，所述邊緣表面結(jié)構(gòu)包括通道，這些通道成整體的地形成在型芯的邊緣表面上。
4.如權(quán)利要求3的方法，其特征在于，所述通道外接于各個(gè)型芯。
5.如權(quán)利要求2的方法，其特征在于，所述邊緣表面結(jié)構(gòu)包括各型芯的圓邊。
6.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述樹脂分配網(wǎng)絡(luò)包括一獨(dú)立的樹脂傳輸介質(zhì)，該介質(zhì)設(shè)置在型芯和纖維材料的撓性部分與相鄰部分之間。
7.如權(quán)利要求6的方法，其特征在于，所述獨(dú)立的樹脂分配介質(zhì)包括相交叉的細(xì)絲(filaments)，這些細(xì)絲被位于各細(xì)絲交叉點(diǎn)處的柱狀部件、由對齊的條狀件構(gòu)成的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)或開放的織物固定成與纖維材料相間隔。
8.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述樹脂分配網(wǎng)絡(luò)包括相交叉的通道，這些通道成整體地形成在前述撓性部分的表面上。
9.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述撓性部分包括一真空袋。
10.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述進(jìn)料器通道和樹脂分配網(wǎng)絡(luò)在尺寸上設(shè)置成能使樹脂在固化前完全填滿包圍型芯的纖維材料。
11.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于，各個(gè)型芯均包括一具有中空內(nèi)部的封閉隔室。
12.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于，該方法還包括將各個(gè)型芯的至少一部分包進(jìn)另一纖維材料內(nèi)。
13.如權(quán)利要求12的方法，其特征在于，所述另一種纖維材料包圍著各個(gè)型芯的側(cè)面。
14.如權(quán)利要求12的方法，其特征在于，所述另一種纖維材料在前述型芯的上表面的上方及前述型芯的下表面的下方延伸。
15.如權(quán)利要求12的方法，其特征在于，所述另一種纖維材料包圍著各個(gè)型芯的側(cè)面以及所述型芯的頂表的至少一部分和底面的至少一部分。
16.如權(quán)利要求11的方法，其特征在于，所述樹脂分配網(wǎng)絡(luò)包括V形通道，這些通道成整體地形成在各個(gè)隔室的邊緣表面。
17.如權(quán)利要求11的方法，其特征在于，所述封閉隔室是盒形的。
18.如權(quán)利要求11的方法，其特征在于，所述封閉隔室是柱形的。
19.如權(quán)利要求11的方法，其特征在于，所述封閉隔室呈細(xì)長三角形形狀。
20.如權(quán)利要求11的方法，其特征在于，所述封閉隔室呈細(xì)長六角形形狀。
21.如權(quán)利要求11的方法，其特征在于，該方法還包括用吹模法、用注模法、用真空成型法或用轉(zhuǎn)模法來形成由塑料材料構(gòu)成的封閉隔室。
22.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述型芯設(shè)置成多層，并且，所述纖維材料設(shè)置在所說的層之間。
23.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述型芯是由泡沫材料制成的。
24.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述進(jìn)料器通道包括成整體地形成在上述成型結(jié)構(gòu)的撓性部分上的通道。
25.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述進(jìn)料器通道包括一穿孔導(dǎo)管，它設(shè)置在上述成型結(jié)構(gòu)的撓性部分的內(nèi)表面的下方。
26.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述進(jìn)料器通道包括成整體地形成在至少一個(gè)型芯的邊緣表面上的通道。
27.一種復(fù)合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括型芯，每個(gè)型芯均具有邊緣表面，所述型芯設(shè)置成帶有上表面和下表面的一層，每個(gè)邊緣表面均有具有這樣的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能提供位于相鄰型芯之間從上述上表面到下表面的通道，這些通道構(gòu)成了一樹脂分配網(wǎng)絡(luò)。纖維材料，它構(gòu)成了型芯層上的上表皮和下表皮；以及固化的樹脂，它可浸漬上述纖維材料和通道網(wǎng)絡(luò)。
28.如權(quán)利要求27的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其特征在于，各個(gè)型芯均是封閉的中空隔室。
29.如權(quán)利要求27的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其特征在于，各個(gè)型芯均是用吹模法制成的容器。
30.如權(quán)利要求27的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其特征在于，各個(gè)型芯均是由聚乙烯材料、聚丙烯材料、聚氯乙烯材料或尼龍材料制成的。
31.如權(quán)利要求27的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其特征在于，另一種纖維材料將各型芯包圍在上述上表面與下表面之間。
32.如權(quán)利要求27的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述包圍各型芯的另一種纖維材料是多軸編織物。
33.如權(quán)利要求27的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其特征在于，各個(gè)型芯均具有圓邊。
34.如權(quán)利要求27的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述各型芯的邊緣表面的結(jié)構(gòu)構(gòu)成了至少一個(gè)通道，該通道外接于所述型芯。
35.如權(quán)利要求34的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述通道呈V形。
36.如權(quán)利要求27的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其特征在于，各個(gè)型芯均為盒形。
37.如權(quán)利要求27的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其特征在于，各個(gè)型芯均為圓柱形。
38.如權(quán)利要求27的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其特征在于，各個(gè)型芯呈細(xì)長三角形形狀。
39.如權(quán)利要求27的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其特征在于，各個(gè)型芯呈細(xì)長六角形形狀。
全文摘要
利用真空輔助傳遞模制法生產(chǎn)大型復(fù)合結(jié)構(gòu)。所述復(fù)合結(jié)構(gòu)包括型芯(12),這些型芯是中空隔室或泡沫塊。將多個(gè)型芯(12)在模具(29)上設(shè)置成一層,將纖維材料(20、22、24)設(shè)置成構(gòu)成了表皮,可用纖維材料(20、22、24)包住所述各個(gè)型芯。用真空袋(30)將所述組件隔絕于模具(29)的表面。將一個(gè)或多個(gè)主進(jìn)料器導(dǎo)管(14)設(shè)置成與由較小通道構(gòu)成的樹脂分配網(wǎng)絡(luò)相通連。這就有助于使未固化的樹脂流進(jìn)和流過纖維材料(20、22、24)。所述樹脂傳輸網(wǎng)經(jīng)包括由形成在型芯(12)表面和/或型芯(12)圓角上的凹槽(14)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。上述由較小通道構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)還可以在真空袋(30)上成整體的方式或通過一獨(dú)立的傳輸介質(zhì)設(shè)置在真空袋(30)與纖維材料(20、22、24)之間。在真空下輸入的樹脂較快地經(jīng)過主進(jìn)料器通道(14)和由較小通道構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。在進(jìn)入纖維材料(20、22、24)到達(dá)型芯(12)表面之后,樹脂會再次通過型芯(12)上的凹槽(4)或圓角所提供的空間沿型芯(12)較快地行進(jìn),從而進(jìn)入型芯(12)之間以及型芯(12)與模具(29)之間的纖維材料(20、22、24)。
文檔編號B29C43/36GK1278762SQ98811073
公開日2001年1月3日 申請日期1998年7月23日 優(yōu)先權(quán)日1997年7月25日
發(fā)明者史蒂文·J·溫克勒, 喬治·C·圖尼斯三世 申請人:Tpi技術(shù)公司, 史蒂文·J·溫克勒