感應(yīng)加熱壓制系統(tǒng)和壓制方法
【專利說明】
【背景技術(shù)】
[0001]復(fù)合產(chǎn)品可以由預(yù)浸漬(預(yù)浸)材料層片制成。預(yù)浸材料包括由基質(zhì)材料例如熱固性或熱塑性樹脂或者陶瓷基質(zhì)包圍的纖維。用以在堆積中共同形成復(fù)合壓層的各個獨立片層的固結(jié)對最終復(fù)合產(chǎn)品的質(zhì)量通常是至關(guān)重要的。層壓期間，在壓層看起來由固化工藝或按壓或其它手段附加固結(jié)之前，如果壓層內(nèi)沒有壓制，可能會導(dǎo)致壓層內(nèi)纖維起皺，從而降低機械性能并影響最終產(chǎn)品的尺寸特性。固結(jié)期間，通常對預(yù)浸材料層片施加熱量以加熱基質(zhì)材料，使層片在固結(jié)期間更順應(yīng)。加熱和固結(jié)復(fù)合材料的典型方法包括:在復(fù)合材料被輥壓和壓制之前使用激光束加熱材料、使用熱氣體傾注到壓制元件前面的區(qū)域、以及使用紅外熱溫暖壓制元件前面的材料。這些方法的每一種均需要為它們的加熱源分配空間以及為它們的壓制元件分配空間。這些系統(tǒng)多數(shù)是能源和時間密集型的，或當(dāng)操作者緊密靠近時具有固有的安全問題。
[0002]由于上述原因和下述的其它原因，本領(lǐng)域中需要一種安全、有效且高效的系統(tǒng)來固結(jié)預(yù)浸材料層片，下述的其它原因?qū)τ诒绢I(lǐng)域技術(shù)人員而言在閱讀和理解本說明書時將變得明顯。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]當(dāng)前系統(tǒng)的上述問題由本發(fā)明的實施例解決，并將通過閱讀和研宄以下的說明書來理解。下面的概要是以舉例的方式而不是通過限制的方式做出的。其僅僅提供來幫助讀者理解本發(fā)明的一些方面。
[0004]在一個實施例中，提供一種感應(yīng)加熱壓制系統(tǒng)，其包括感應(yīng)加熱系統(tǒng)和壓制元件。感應(yīng)加熱元件構(gòu)造成以選定頻率產(chǎn)生電磁場。該選定頻率使得預(yù)浸材料中的纖維和基質(zhì)的至少一者變熱。壓制元件構(gòu)造和布置成在壓制預(yù)浸材料時從預(yù)浸材料提取熱量。
[0005]在另一個實施例中，提供另一種感應(yīng)加熱壓制系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括壓制元件、感應(yīng)加熱元件和冷卻組件。壓制元件構(gòu)造和布置成壓制預(yù)浸材料片層。感應(yīng)加熱元件被接收在壓制元件內(nèi)。感應(yīng)加熱元件構(gòu)造成以選定頻率產(chǎn)生電磁場。該選定頻率使得預(yù)浸材料中的纖維和基質(zhì)的至少一者變熱。壓制元件的至少一部分由可透過感應(yīng)加熱元件產(chǎn)生的選定頻率的電磁場的材料制成，使得感應(yīng)場能夠被引導(dǎo)在要固化的復(fù)合預(yù)浸材料處同時不使壓制裝置變熱。冷卻組件構(gòu)造和布置成在原位壓制堆積工藝期間，從預(yù)浸材料提取熱量以固化處于壓制構(gòu)造中的預(yù)浸材料片層。
[0006]在另一個實施例中，提供一種固結(jié)預(yù)浸材料片層的方法。該方法包括:感應(yīng)加熱至少一個第一預(yù)浸材料片層中的纖維和基質(zhì)中的至少一者的區(qū)域，以軟化被加熱區(qū)域中的基質(zhì)；并且在將所述至少一個第一預(yù)浸材料片層在第二預(yù)浸材料片層上鋪設(shè)期間，壓制所述至少一個第一預(yù)浸材料片層的被加熱區(qū)域。
【附圖說明】
[0007]結(jié)合具體描述和以下的附圖，本發(fā)明可以更容易地理解，進一步的優(yōu)點及其用途將更加明顯，其中:
[0008]圖1是本發(fā)明一個實施例的感應(yīng)加熱壓制系統(tǒng)的框圖；
[0009]圖2是本發(fā)明一個實施例的另一感應(yīng)加熱壓制系統(tǒng)的框圖；
[0010]圖3是本發(fā)明一個實施例的原位壓制堆積工藝流程圖；
[0011]圖4A是本發(fā)明一個實施例的感應(yīng)加熱壓制系統(tǒng)的側(cè)透視圖；
[0012]圖4B是圖4A的感應(yīng)加熱壓制系統(tǒng)的一部分的側(cè)視圖；
[0013]圖5A是本發(fā)明一個實施例的另一感應(yīng)加熱壓制系統(tǒng)的側(cè)透視圖；
[0014]圖5B是圖5A的感應(yīng)加熱壓制系統(tǒng)的側(cè)透視圖；
[0015]圖5C是圖5A的感應(yīng)加熱壓制系統(tǒng)的側(cè)透視圖；
[0016]圖6A是在圖4A的感應(yīng)加熱壓制系統(tǒng)中使用的感應(yīng)加熱壓制輥的前視圖；
[0017]圖6B是圖6A的感應(yīng)加熱壓制輥的前透視圖；
[0018]圖6C是圖6A的感應(yīng)加熱壓制輥的前分解透視圖；
[0019]圖7A是在圖5的感應(yīng)加熱壓制系統(tǒng)中使用的感應(yīng)加熱壓制腳(compact1n foot)的側(cè)透視圖；和
[0020]圖7B是圖7A的感應(yīng)加熱壓制腳的側(cè)分解透視圖。
[0021]根據(jù)一般慣例，所描述的各個特征不是按比例繪制的，而是繪制成突出與本發(fā)明有關(guān)的特定特征。在整個附圖和文字中，參考字符表示相同的元件。
【具體實施方式】
[0022]在下面的詳細描述中，參考附圖，這些附圖形成詳細描述的一部分，并且其中通過說明的方式顯示了本發(fā)明可以實施的特定實施例。這些實施例足夠詳細地描述以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明，并且應(yīng)當(dāng)理解，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以利用其它實施例，并可以進行改變。因此，下面的詳細描述不具有限制性意義，本發(fā)明的范圍僅由權(quán)利要求及其等同限定。
[0023]本發(fā)明的一些實施例的一個好處是，這些實施例提供了一種感應(yīng)加熱壓制系統(tǒng)，該系統(tǒng)相對緊湊以節(jié)省空間，并更容易包裝。更緊密的包裝在自動化系統(tǒng)內(nèi)允許更多輪廓性能(more contour capability)。在本發(fā)明的實施例中，使用感應(yīng)加熱在預(yù)浸材料中加熱導(dǎo)電纖維，導(dǎo)電纖維轉(zhuǎn)而熔化或軟化周圍基質(zhì)，以允許將一個層片緊緊地嵌套或固結(jié)到之前鋪設(shè)的片層，一般稱為“即時”或“原位”工藝。在預(yù)浸材料中使用的導(dǎo)電性纖維的示例類型為碳纖維。由于碳纖維是導(dǎo)電的，當(dāng)受到由感應(yīng)加熱器組件提供的給定頻率的交變電磁場作用時，碳纖維變熱。除了導(dǎo)電纖維，還可以使用涂覆金屬的非導(dǎo)電纖維。在其它實施例中，基質(zhì)被配制成直接對感應(yīng)加熱作出反應(yīng)。在這些實施例中，基質(zhì)可以裝載有導(dǎo)電顆粒。這些導(dǎo)電顆?？梢允墙饘?、碳納米纖維、納米填料等?；|(zhì)的導(dǎo)電組分將吸收感應(yīng)加熱并軟化預(yù)浸體。在又一實施例中，纖維和基質(zhì)兩者都可以對感應(yīng)加熱作出反應(yīng)。
[0024]然后，作為原位壓制堆積工藝的一部分，使用壓制元件壓制同時仍然溫/熱的層片。這些實施例的壓制元件在將片材或壓層于固結(jié)或固化狀態(tài)下壓制時從預(yù)浸材料中提取熱量。在一些實施例中，對于更高溫度的材料，或為允許更快的處理速度，壓制元件被有源地冷卻。在實施例中，壓制元件的多個部分，特別是在“視界”中的多個部分，也可以說，朝著復(fù)合材料引導(dǎo)的感應(yīng)場的多個部分，由不受用于加熱復(fù)合預(yù)浸材料的選定頻率的電磁場影響的材料制成。因此，在一些實施例中，壓制元件的至少一部分由可透過感應(yīng)加熱元件產(chǎn)生的該選定頻率的電磁場的材料制成。此外，在一些實施例中，壓制元件的不可透過該選定頻率的電磁場的至少一些部分被屏蔽而不受感應(yīng)場影響。
[0025]圖1示出了一個實施例的感應(yīng)加熱壓制系統(tǒng)100的框圖。感應(yīng)加熱壓制系統(tǒng)100包括聯(lián)接至壓制元件110的定位組件106。定位組件106構(gòu)造成相對于預(yù)浸材料(在下面進一步討論)定位壓制元件110。定位組件106由控制器102控制?？刂破?02控制感應(yīng)加熱壓制系統(tǒng)100的功能?？刂破?02接收來自用戶輸入104的指令。壓制元件110被設(shè)置成固結(jié)預(yù)浸材料層片(在下面進一步討論)。在該實施例中，壓制元件110包括加熱元件112和冷卻組件111。也就是說，該實施例的壓制元件110具有位于其組件內(nèi)的加熱元件112和冷卻元件111。通過在壓制元件110內(nèi)放置加熱元件112和冷卻元件111，提供了緊湊的組件。如上所述，在實施例中，加熱元件112是產(chǎn)生給定頻率的電磁場的感應(yīng)加熱元件，該電磁場使預(yù)浸材料中的纖維和/或基質(zhì)變熱。加熱元件112與電源108電連通，電源108為加熱元件112運行提供能量源。在一個實施例中，控制器102控制來自電源108的能量的功率水平和時間。如上所述，壓制元件110還包括冷卻組件111。冷卻組件111可以是無源的(其中，其不需要外部能源)，例如但不限于冷卻通道和散熱材料，或者可以是有源冷卻組件，例如但不限于風(fēng)扇驅(qū)動系統(tǒng)或冷卻劑泵送系統(tǒng)。如果冷卻系統(tǒng)是有源的，在一個實施例中，控制器102與冷卻源109連通，冷卻源109轉(zhuǎn)而調(diào)節(jié)冷卻元件111中的冷卻水平。下面進一步描述示例的冷卻系統(tǒng)。圖2示出了另一感應(yīng)加熱壓制系統(tǒng)200。該系統(tǒng)200類似于關(guān)于圖1所描述的系統(tǒng)100。但是，在圖2的實施例中，加熱元件122靠近壓制元件120定位，而不是定位在壓制元件120內(nèi)。該實施例還示出了第二冷卻元件121的使用，該第二冷卻元件可以靠近壓制元件120定位，但不定位在壓制元件120內(nèi)。在實施例中，控制器102激活冷卻源109，以為冷卻元件111和121提供冷卻介質(zhì)。在實施例中，冷卻元件111和121和/或加熱元件112和122包括一個或多個溫度傳感器，溫度傳感器由控制器102使用來至少部分地控制由加熱元件112和122產(chǎn)生的熱量以及由冷卻元件111和121提供的冷卻量。
[0026]參照圖3，示出了原位壓制堆積工藝流程圖300，其描述了一實施例的實施系統(tǒng)的方法。該工藝通過首先在工具表面上或者在鋪設(shè)于工具上的預(yù)浸材料的至少一個其它層片或多個其他層片上放置(302) —層或多層預(yù)浸材料而開始。在實施例中，根據(jù)應(yīng)用場合和所期望的結(jié)果，這些層可以一次一層或一次多層地彼此壓制。隨后，將壓制元件120相對于該預(yù)浸材料定位(304)。一旦壓制元件120處于用以開始壓制的正確位置，就啟動(306)感應(yīng)加熱元件112。感應(yīng)加熱元件112使