CN103370186A - 制造复合材料产品的方法及用这种方法制造的产品 - Google Patents

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Abstract

制造复合材料产品（44；48；52）的方法，至少包括以下的操作步骤：包括至少一个嵌件（1；2）的至少一个塑料垫块（7）成型；包括至少所述的垫块（7）的至少一个复合材料产品（44；48；52）成型；所述的嵌件（1；2）中的至少一个（1）进行机械加工以形成在其中至少一个螺纹孔（45）。本发明还涉及用这种方法制造的产品。

Description

制造复合材料产品的方法及用这种方法制造的产品
技术领域
本发明涉及一种制造复合材料产品的方法，特别涉及机动车一体式车架的壳身和顶壳。本发明还涉及用这种方法制造的产品。
背景技术
现有的由复合材料，特别是碳纤维制成的一体式车架，一般通过由粘合剂和/或机械零件，比如螺栓、单独成型的复合材料零件互相固定来制造。这样现有的一体式车架的特点在于高成本，是由于整体结构没有打算利用复合材料的潜能，又有中等水平的重复性，大体上是由于在制造过程中大量采用人工操作。实际上，一体式车架由许多零件制成，均通过人工分层来单独成型，然后由人工或是通过胶合模板组装。因此这些零件先生产且随后组装，按照机动车行业特有的经典生产和组装的方法。这些零件一般通过用树脂预浸渍的碳纤维基板的成型方法来获得，被称为预浸渍坯，它们由人工分层并在高压容器中固化。这种方法需要长时间的人工操作和高价的材料，此外它不能确保与车辆其它部件相容的重复性。至今为止生产的一体式车架因此还不是很适合大批量生产。这种制造方法还需要非常精确缜密的***，在大多数情况下，导致为了制造一个单一的零件要有几十个模具需要准备。此外，不利的是这些产品必须在几天内完成，因为如果在固化周期前留在室温下材料会很大程度地分解，所以这样现有的方法很难应对生产的骤停并且包含生产次品的高风险。
现有的一体式车架因此十分昂贵并且由于低重复性的零件数量很多而很难大批量生产。这些部件主要由预浸渍的纤维制成，价格昂贵并且需要很大程度的熟练性。它们的制造方法的特点还在于生产和组装有明确的分界，使用过的模具具有有限的寿命，并且从单一的制造件来看它们在制造周期中供很多模具使用。
US5079055披露了一种用于复合材料产品的加强构件，这个构件设置有具有螺纹孔的嵌件。然而，在复合材料产品用加强构件成型过程中，不利的是这样的螺纹孔可能会充满树脂，是因为螺纹孔向外开。
为了克服这个缺陷，FR2783196披露了设置有带有由至少一个塞子封闭的螺纹孔的嵌件的垫块。在复合材料成型后用机械加工将塞子取出。然而，这种现有的方法更加高价，因为它需要用塞子并且要将塞子从螺纹孔取出，并且此外如果嵌件对于产品的相对位置不是完全正确的，它无法使螺纹孔相对于成型材料的位置精确。
发明内容
因此本发明的目的是提供不含所述的缺点的方法和产品。所述的目的通过一种方法和一种产品来达到，它们的主要特征相应地在权利要求1至19中披露，而其它的特征在其余的权利要求中披露。
根据本发明的方法和***不仅让成本降低，从而使复合材料产品大批量地使用，而且还确保了生产标准要求的重复性。
这种方法包括一个共固化的步骤，其中至少两个零件进行生产使得主零件作为次级零件的模具。然后这两个零件均通过中间基板一起固化，因此避免了粘合的步骤。这个过程可以通过在生产过程中承担不同功能的特定的模块化***来获得。
零件之间如果有公差，中间基板还允许补偿公差，以便最终产品具有精确的形状和尺寸。为了达到这个目的，主零件优选是在两个主模之间用树脂传递模塑方法成型，以便使它的内壁和它的外壁均具有精确形状和尺寸的表面。
本发明还涉及一体式车架，包括大体上与机动车舱一致的壳体和覆盖这个壳体的顶壳。这两个零件优选通过依据本发明的方法和***制造。这种方法的费用相对较低，是因为大量使用了与高压容器中的预浸料坯不同的生产技术，比如树脂传递模塑（树脂传递模塑）和编织方法。这两种方法都是基于模具内和随后注入的树脂上放置干的纤维。编制方法基于在芯模上以及在随后注入的树脂上的纤维自动编制，而树脂传递模塑方法基于干的织物的沉积和其后树脂的注入。基板的成形和它们随后在模具中的沉积可以是自动化的，因此使得用这些方法生产的部件重复性更强也更经济。
模具的模块化不仅包括模具数量的减少，还包括每件产品的模具数量的减少；比如至今为止生产的一体式车架，是在单一的成型步骤中生产的。几何的复杂性和子件的数量使得制造单一的一个零件需要几十个模具。然而根据本发明的方法和***，存在着相反的情况，正是由于***的模块化，很少的模具生产大量的部件。
该方法和***另一个优点在于模块化模具的组合，已生产的部件成为随后生产的部件的模具，并且大规模使用的这种方法的腐蚀性比预浸渍低，使得模具的寿命预计可以制造400件主模和800件次级模具，鉴于至今为止使用的传统模具的寿命大约为150件。
设备成本的降低因此不仅包含模具数量的减少，还减少了在模具使用中与模具相关联的维护和再生。
该方法和***的另一个优点在于同时进行几个生产步骤的可能性。至今为止生产的一体式车架在极少几个非常复杂的成型步骤中很容易面临生成次品的风险。单一的复杂的项目比另一个由大量简单的并且特别是相互无关联的步骤组成的项目相比，更容易出错和出现缺陷。同时进行的各样步骤容许处理一些部件可能有的重制和可能有的生产停止。
特有的垫块不仅让一体式车架抗性截面的转动惯量增加，因此给予一体式车架高的结构刚性，又获得了空间用于容纳与机动车其它部件进行结构连接的金属嵌件。这些垫块优选放置于属于一体式车架不同部分的基板之间，但它们也可以放置于在一些零件的层面之间。
通过嵌件在垫块的指定位置成型，该方法有利地进行了简化，所以这些嵌件不是在复合材料零件的两层基板间成型，因此降低了基板操作的复杂性。除此以外，嵌件在生产过程的最后进行操作，比如通过螺纹孔，以简化这个过程并且还可以获得精确地操作的成品，是因为螺纹孔的位置不取决于嵌件的位置，而是通过将成品的位置作为绝对的参照来确定的。因此，利用这种方案，成品中嵌件可能有的不精确的安放得到了弥补。
主零件，也就是说一体式车架壳体的内壁，优选用树脂传递模塑方法生产，特别是根据意大利专利申请书MI2010A001072的树脂传递模塑方法，通过层面中间的主模和外壳，七个垫块优选设置有金属嵌件，装在填充有环氧泡沫的辅助模具中，固化以呈现垫块的最终形状。这些嵌件可能还包括由复合材料制成的元件，特别是碳纤维。
特有的垫块安放于主零件和次级零件之间，也就是说在一体式车架壳体的内壁和外壁之间，可以一直用同样的方法同时进行生产，也就是说通过创造包含嵌件的、留空的或是填充有环氧泡沫的中空复合材料结构。
附图说明
对于本领域技术人员来说，从下面的其一些具体实施例的详细的非限制性的描述以及参考附图，根据本发明的垫块、产品和方法的进一步的优点和特征将变得明显的，其中：
图1示出了该方法第一个步骤中辅助模具的放大剖视图。
图2示出了该方法第二个步骤中图1中的辅助模具的放大剖视图。
图3示出了通过图1的辅助模具获得的垫块。
图4示出了该方法第三个步骤中主模的立体图。
图5示出了该方法第四个步骤中图4中的主模的立体图。
图6示出了图5中的主模的局部放大剖视图。
图7示出了该方法第五个步骤中图6的剖视图。
图8示出了该方法第五个步骤中图4中的主模的立体图。
图9至图12示出了该方法第六个步骤中次级模具的立体图。
图13至图16示出了该方法第七个步骤中图9中的次级模具的立体图。
图17示出了该方法第八个步骤中模具和零件的立体图。
图18示出了该方法第九个步骤中模具的立体图。
图19示出了图18中的模具的局部放大剖视图。
图20示出了该方法第十个步骤中图19的剖视图。
图21示出了通过该方法制造的壳体的立体图。
图22示出了图21中的壳体的俯视图。
图23示出了图22的XXIII-XXIII的剖视图。
图24示出了图23的XXIV的详细视图。
图25示出了图22的XXV-XXV的剖视图。
图26示出了图25的XXVI的详细视图。
图27示出了通过该方法制造的顶壳的立体图；以及
图28示出了包括图21的壳体和图27的顶壳的一体式车架。
具体实施方式
参阅图1可以看出，在该方法第一个步骤中，至少一个第一嵌件1，2设置于至少一个辅助模具3，4中，特别是与这些模具的至少一个功能性表面接触。第一嵌件1，2优选是金属制成的，特别是复合材料铝的或轻质合金，特别是碳纤维，或是这些材料的组合，比如在第一步通过金属嵌件在至少两层纤维基板中成型。辅助模具3，4优选是复合材料制成的，特别是碳纤维。辅助模具3和/或4优选设置有突起物5和/或座6使第一嵌件1，2保持在指定位置。为了达到这个目的，第一嵌件1，2具有和所述的突起物5和/或座6相互补的形状。特别地，突起物5是销，适合于***第一嵌件1形成的相应的孔内，优选用一对摩擦耦合，所以即使辅助模具3，4翻转，嵌件1保持在原位。同样地，用一对摩擦耦合嵌件2可以设置于座6内。
参阅图2可以看出，该方法的第二个步骤中，塑料材料7通过进口和出口8注入进辅助模具3，4中，其后它通过在80摄氏度到150摄氏度之间的温度在炉中在加热辅助模具3，4来固化。辅助模具3，4优选在它们的加热过程中旋转用以均匀分配它们中的塑料材料7。塑料材料7优选是一种固化时会膨胀的材料，特别是环氧泡沫。
参阅图3可以看出，环氧泡沫固化后，辅助模具3，4冷却至小于50摄氏度的温度，打开后与产品7分开，形成了用于复合材料产品的特有的第一垫块。垫块7因此包括固化的环氧泡沫，至少部分包含第一嵌件1，2，它们从第一垫块7向外伸出或者在第一垫块7外具有一个显见面。于是嵌件1中用于放置销5的孔9向外开口。
参阅图4至图6可以看出，该方法的第三个步骤中，至少一层，特别是两层第一纤维主基板10，特别是碳纤维，优选是干的，也就是说加上0～10%重量的树脂，优选是5%，设置于第一主模11的至少一个功能性表面上。至少一个第一垫块，特别是具有至少一个按上述制造的第一嵌件1，2的至少一个第一垫块7，可以设置于与第一主基板10和/或第一主模11接触。至少一层，特别是两层纤维第二主基板12，特别是碳纤维，优选是干的，接着设置于第一主基板10和/或在第一主模11和/或在第一垫块7上。第一垫块7的至少一部分优选设置于第一主基板10和第二主基板12之间。至少一个第二主模13与第一主模11对准，比如通过相互补的销和孔，并且固定于第一主模11，比如通过机械固定装置，特别是通过锁扣和/或螺钉，以便第一主基板10，第一垫块7和第二主基板12设置于主模11，13的功能性表面之间。主模，特别是第二主模13，可以设置有可移动的壁14和/或块15以相应地形成成型产品中的倒扣部分和/或深腔，图4中主基板10，12为简单起见用一个矩形来表示，然而每层主基板10，12可以被分成几个具有不同形状、尺寸、厚度和/或纬线的部分，这些部分优选通过数控机床切割。此外第一垫块7的形状和/或尺寸可能和图4所示的不同。
该方法的第四个操作步骤中，用于复合材料的树脂16在0.5巴到3.5巴之间的压强注入，特别是在1.5巴到2.5之间，通过主模11，13之间的至少一个进口17，优选排空到低于0.5巴的压强，特别是包含0.001巴到0.02巴之间，通过至少一个进口，以便使主基板10，12用树脂16浸渍。然后通过在炉中加热主模11，13使树脂16固化以使至少一个主零件成型。主模11和/或主模13优选在它们注入树脂16之前进行加热，特别是在包括25摄氏度到70摄氏度之间的温度。主模11和/或13优选由复合材料制成，特别地它们由复数层纤维基板制成，特别是碳纤维，用在第一步骤固化的树脂预浸渍以获得完成的模11和/或13。第一主模11具有大体上凸起的功能性表面，而第二主模13具有大体上凹形的功能性表面。特别地，第一主模11有一个具有两个由一条凹型通道分割的凸起部分的功能性表面，而第二主模13有一个具有两个由一条凸起通道分割的凹形部分的功能性表面。凸起部分和/或第一主模11的凹形通道和/或凹形部分和/或第二主模13的凸起通道的横截面大体上为矩形或梯形。
参阅图7和图8可以看出，在该方法的第五个步骤中，主模11，13冷却，在40摄氏度到70摄氏度之间的温度打开，然后与包括主基板的主零件18分开，主基板用树脂16固化以相应地形成至少一个内壁10和/或至少一个外壁12，主零件18中至少一个第一垫块7设置于壁10，12之间。该方法另一可选步骤中，主零件18保持在第一主模11上，以便于内壁10与第一主模11的功能性表面保持接触。
参阅图9至图12可以看出，该方法的第六个步骤，它可以在上述步骤进行之前，进行时或进行后完成，至少一层，特别是两层纤维次级基板19，20，21，22，特别是碳纤维，优选进行过预浸渍（预浸渍坯），也就是说加上重量超过10%的树脂，相应地设置于至少一个第一次级模具23、至少一个第二次级模具24、至少一个第三次级模具25、至少一个第四次级模具26的至少一个功能性表面上。至少一个第二嵌件27，28，29，30，优选是金属的，特别是铝或轻质合金和/或复合材料的板片，可以设置于两块次级基板之间或是次级基板和次级模具之间或次级基板外，然后设置于第二嵌件和次级模具之间。在图9和图12中，第二嵌件27，30相应地设置于两层次级基板19或22之间，而在图10和图11中第二嵌件28，29相应地设置于次级基板20，21和第二次级模具24或第三次级模具25之间。在图9至图12中，为简单起见次级基板19，20，21，22用矩形表示，然而每层次级基板19，20，21，22可以分为复数个具有不同形状、尺寸、厚度和/或者纬线的部分。此外第二嵌件27，28，29，30可能与图9至图12所示形状不同和/或尺寸不同。
具有次级基板19，20，21，22和第二嵌件27，28，29，30的次级模具23，24，25，26插进真空袋中，加热至高于120摄氏度的温度并且设置于压强大于5巴的高压容器中，以便使次级基板19，20，21，22的树脂在固化时次级基板19，20，21，22和第二嵌件27，28，29，30被压至次级模具23，24，25，26上。
参阅图13至16可以看出，该方法的第七步骤中，树脂固化以后，次级基板19，20，21，22形成次级零件19，20，21，22，具有至少一个表面与次级模具23，24，25，26的至少一个功能性表面相对应。次级零件19，20，21，22可以与次级模具23，24，25，26分开或是留在它们上。次级模具23，24，25，26具有大体上凹形的功能性表面。
参阅图17可以看出，该方法的第八个步骤中，主零件18设置于至少一个进一步的的第一主模31上，它具有至少一个功能性表面大体上与第一主模11的功能性表面等同，或者，作为另一种选择，主零件18留在第一主模11上。至少一个，特别是三个第二垫块32，33，34，优选由至少一层粘合剂层覆盖，设置于主零件18上。优选至少一层粘合剂层施加在主零件18未被第二垫块32，33，34覆盖的部分，其后至少一层，特别是两层纤维中间基板（图中未示出），特别是碳纤维，用树脂预浸渍（预浸渍坯），设置于第二垫块32，33，34上和/或置于第一主模11或31的主零件18上。
主零件18和/或第二垫块32，33，34上的中间基板在沉积过程中，中间基板可以覆盖有至少一层防粘薄板，并且次级零件19，20，21，22可以暂时放在中间基板上用以检验第二垫块32，33，34的正确位置，优选通过将次级模具23，24，25，26放置于次级零件19，20，21，22上，其后次级零件19，20，21，22和防粘薄板移走。
然后通过真空袋中间基板被压在主零件18上，其后至少一层粘合剂层优选设置于中间基板上。接着通过进一步的次级模具35，36，37，38，次级零件19，20，21，22相应地设置于中间基板和/或第二垫块32，33，34和/或主零件18上，它们具有至少一个功能性表面大体上与次级模具23，24，25，26等同。作为进一步的次级模具35，36，37，38的另一种选择，次级零件19，20，21，22留在次级模具23，24，25，26上。
主模11，13和/或31和次级模具23，24，25，26和/或35，36，37，38适当地设置有具有形状和/或元件的表面，比如销和孔，用以实现具有相应形状和/或元件的机械耦合，比如孔和销，至少一个主模11，13，31和/或至少一个次级模具23，24，25，26，35，36，37，38和/或至少一个进一步的次级模具39的功能性表面大体上与第二主模13的功能性表面的至少一部分等同。
参阅图18可以看出，该方法的第九个步骤中第一主模11和/或31和次级模具23，24，25，26，35，36，37，38和/或39用机械固定装置互相固定，特别是锁扣和/或螺钉，以形成模块化的成型组装40。第一主模11和/或31优选安装在承重装置上（图中未示出），它装有闭锁装置，允许模具和承重装置间的相互运动，以便能够轻易地移动成型组装40。
参阅图19可以看出，主零件18和设置有第二嵌件28的次级零件20设置于一个第一主模，比如进一步的第一主模31和一个次级模具，比如进一步的第二次级模具36之间。第二垫块33设置于主零件18和次级零件20之间，而中间基板41设置于第二垫块33和次级零件20之间。第二垫块32，33和/或34优选由复合材料制成，特别是碳纤维，优选是干的，并且通过树脂传递模塑或编制方法在第一步骤成型以便于形成中空体42，它具有可以被留空或是填充有塑料材料特别是环氧泡沫的空腔43。然后成型组装40被加热，特别是在炉中加热至至少130摄氏度和/或至少3小时，以便使中间基板41的树脂固化，固化后形成具有主零件18、次级零件19，20，21，22和/或第二垫块32，33，34的单个的物体。成型组装40中的中间基板41的树脂在固化过程中，进一步的主零件可以通过主模11，13成型和/或至少一个进一步的次级零件可以通过次级模具23，24，25，26成型。
参阅图20可以看出，该方法第十个步骤中，成型组装40打开，包括通过固化中间基板41与次级零件19，20，21，22连接的主零件18的最终产品44与主模31和次级模具35，36，37，38，39分开。最终产品44接着放置于一个支撑物上并且进行机械加工，优选通过五坐标数控机床，用以在最终产品44中以及特别是在最终产品44包含的嵌件中形成螺纹孔45和/或非螺纹孔46和/或凹部47和/或开口，比如在第一嵌件1和在第二嵌件28中，以便将元件和/或结构固定于最终产品44。金属嵌件具有至少一个朝外的表面，比如第二嵌件28，还可以重新修面以获得具有精确尺寸和位置的参考面。
参阅图21至图26可以看出，一体式车架的壳体48可以包括所述的最终产品44，也就是说它可以通过根据本发明的方法和/或模具制成。于是壳体48设置有至少一个包括主零件18的内部结构，这个内部结构与包括次级零件19，20，21，22的外部结构连接。壳体48侧面的底部与一体式车架的门槛相对应，包括第二垫块32，34，它们优选大体上为管形和/或中空的和/或用编织技术制成。至少一个嵌件49可以设置于第二垫块32，34中。壳体48后方的底部与一体式车架中座椅后的横座相对应，包括第二垫块33，它优选是中空的和/或由树脂传递模塑方法制成的。壳体48前部的上方与一体式车架挡风玻璃的底部对应，包括至少一对大体上楔形的空腔50，51，它们通过第二主模13的块15获得。
参阅图27和图28可以看出，一体式车架的顶壳52可以包括上述的最终产品44，也就是说它可以由根据本发明的方法和/或模具制成。顶壳52具有至少一对突出部分53，54，它们在挡风玻璃框架下方向下伸出，并且形状大体上和空腔50，51的形状互补，也就是说大体上是楔形的，以便在最终的组装步骤中通过将突出部分53，54固定于空腔50，51使顶壳52可以固定在壳体48上，优选通过粘合物质，以形成一体式车架55。顶壳52还可以通过机械固定元件与壳体48固定。
可以由本领域技术人员对上述披露并图示的具体实施例作出可能的修改和/或增加，而保留在下面的权利要求的范围内。特别地，本发明的进一步的具体实施例可以包括下列权利要求之一的技术特征和增加披露在文中和/或图中显示的一个或多个技术特征，单独地或任何相互组合。

Claims (20)

1.一种制造复合材料产品（44；48；52）的方法，其特征在于，包含有至少以下的操作步骤：
包含至少一个嵌件（1；2）的至少一个塑料材料的垫块（7）成型；
包括至少所述的垫块的至少一个复合材料产品（44；48；52）成型；
所述的嵌件（1；2）中的至少一个（1）进行机械加工用以形成其中的至少一个螺纹孔（45）。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，嵌件（1；2）用垫块（7）在至少一个辅助模具（3；4）中成型。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，垫块（7）在成型过程中，嵌件（1；2）与辅助模具（3；4）的至少一个功能性表面接触。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，在垫块（7）成型的过程中，辅助模具（3；4）进行旋转。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述的辅助模具（3；4）设置有突起物（5）和/或座（6）用以使嵌件（1；2）保持在指定位置。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，嵌件（1，2）通过摩擦力保持在突起物（5）和/或座（6）上的指定位置。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述的突起物（5）为销，适合于***嵌件（1）形成的相应的孔（9）内。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，嵌件（1；2）进行机械加工用以形成其中的至少一个非螺纹孔（46）和/或凹穴（47）和/或开口。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，复合材料产品（44）进行机械加工用以在同样的产品（44）中和在产品（44）包括的至少一个嵌件（1；28）中形成至少一个螺纹孔（45）和/或非螺纹孔（46）和/或凹穴（47）和/或开口。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，复合材料产品（44）包含设置有螺纹孔（45）的嵌件（1）。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，复合材料产品（44）的壁（10）覆盖设置有螺纹孔（45）的嵌件（1）。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，在所述的嵌件（1）的机械加工过程中，复合材料产品（44）的壁（10）打孔以形成其中的螺纹孔（45）。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，复合材料产品（44）的壁（10）形成的孔与嵌件（1）的螺纹孔（45）对准。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，复合材料产品（44）的壁（10）形成的孔与嵌件（1）的螺纹孔（45）的直径相同。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的方法，其特征在于，所述的塑料材料是在固化时膨胀的材料。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述的塑料材料为环氧泡沫。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的方法，其特征在于，嵌件（1；2）从垫块（7）向外伸出。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的方法，其特征在于，嵌件（1；2）在垫块（7）外具有一个显见面。
19.一种复合材料产品（44；48；52），其特征在于，它通过权利要求1至18中任一项所述的方法制造。
20.一种一体式车架的壳体（48）或顶壳（52），其特征在于，它包括根据权利要求19所述的产品。
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