[发明专利]用于压缩成型纤维增强的热塑性零件的方法和设备

说明书

相关申请的交叉引用

本申请与在2013年12月3日与此同时提交的共同未决美国专利申请序列号第14/095,531号(代理人案号：12-1660-US-NP)和在2013年12月3日与此同时提交的共同未决的美国专利申请序列号第14/095,693号(代理人案号：13-0764-US-NP)相关。

技术领域

本申请涉及压缩成型，更具体地，涉及用于压缩成型纤维增强的热塑性零件的方法和设备

背景技术

在飞行器及其他产业中，由复合材料或者复合材料与轻质金属的结合来制作各种零件和结构，这是因为复合材料与轻质金属具有相对高的强度重量比(strength-to-weight ratios)。在具有轮廓(contours)或者相对复杂的几何形状的零件的情况中，常常使用热固性的预浸带铺设技术和热压罐固化来制作零件。预浸带或者纤维束(tow)的带宽被并排铺设以形成多层层压制品。在零件需要装配在沿着该零件的负荷输入位置处的这些应用中，定制的金属配件(fitting)被单独加工并且然后被固定在复合材料层压零件上。根据零件的几何形状，有时被称作“面条(noodles)”的填充物必须安装在零件中的间隙或者腔中以增强接合处。

上述的复合材料层压制品的制作过程是耗时的、劳动密集的以及需要诸如自动纤维铺放机器的资本昂贵装备。此外，这些复合材料层压零件可能比预期的重，这是因为局部增强所需要的垫片必须逐渐形成，因此需要放置额外的板层材料。此外，复合材料层压零件可以在围绕层压制品中的开口处呈现切口敏感性(notch sensitivity)，诸如围绕在层压零件已经固化之后在层压零件中钻孔或者切割出的减重孔。

具有短纤维增强物的热塑性零件可以被成型成各种形状，然而由于熔融的热塑性树脂的高粘度限制树脂流动，使零件特征成为一个整体的能力受限制。在增强纤维相对较长，纤维含量高以及需要的流动距离长的情况下，使树脂流动的能力被特别地限制。并且，诸如注塑成型的成型技术可以具有损坏纤维的趋势，从而影响成型零件的强度。其他成型技术(诸如挤压成型)局限于生产具有相同的横截面形状的单个、直的零件。

因此，需要用于制作具有曲线、轮廓线或者复杂的几何形状的复合材料零件的方法和设备，其避免了对铺设薄层的需要并且减少涉及的劳动力以及资本昂贵的装备。还需要具有复杂几何形状的复合材料零件，其具有集成的特征和能够在高速率生产环境中快速地和经济地制作的配件。

发明内容

公开的实施方式提供了使用利用短纤维增强的热塑性树脂的压缩成型的用于生产复合材料零件的方法和设备。可以在无需真空装袋和压热器法的情况下制作具有轮廓线、曲线和/或复杂的几何图形的复合材料零件。配件可以一体化至零件中，从而减小或者消除了对分开制作和将配件附加至零件的需要。减小制作零件对接触工人的需要，并且可以降低总的零件重量。可以使用相对便宜的成型装备更加迅速地和经济地制作具有复杂的几何图形的零件。可以便宜地使具有高短纤维含量的增强热塑性零件成型，并且在成型过程期间基本上没有损坏纤维。可以实现长的树脂流动距离以允许在沿着零件的长度的任一点上成型复杂的零件特征。可以制成具有沿着他们的长度在几何形状上变化(包括在大小、厚度以及曲度上的变化)的横截面的伸长的增强热塑性零件。