桁骨複合材料製品及其流動介質成型模具的製作方法

2023-10-22 21:01:22 1

專利名稱：桁骨複合材料製品及其流動介質成型模具的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及帶有增強骨架的複合材料製品及其成型模具，能夠廣泛應用於船
艇、汽車、列車、飛機、火箭、風力發電機扇葉、城市景觀或功能建築等大型複合材料製品的 成型加工領域，尤其是將材料以流體形式灌注到型腔後經過化學反應或冷卻固化而得到制 品的成型加工場合。
背景技術：
遊艇船體、海洋工程建築、高速火車頭和飛機艙體等絕大部分採用複合材料製造。 這類大型複合材料製品的成型加工製造技術，除了沿用已久的手糊工藝外，越來越多地採 用模壓成型和模塑成型方法。複合材料的手糊工藝存在著勞動強度大、生產效率低、成型質 量不穩定等諸多缺點。複合材料的模壓工藝採用浸膠布作為模壓料，而模塑工藝是採用片 狀、團狀、散狀的模壓料，首先將一定量的模壓料置於金屬對模中，而後在一定溫度和壓力 下成型製得所需的製品。模壓或模塑成型方法所製得的產品尺寸精確，表面光潔，可一次成 型，生產效率較高，且產品質量較為穩定，適合於大批量製作各種中小型複合材料製品。其 不足之處在於模具的設計和製造較為複雜，生產初期的投資較高，且製件受設備的限制較 為突出，對於大型複合材料製品的加工製造，特別是單件或小批量生產成本很高。針對這一 問題，專利200310106469. 5公開了一種澆注成型的玻璃鋼結構的製造方法。該發明主要是 將泡沫材料切割成泡沫芯材或採用模具成型泡沫芯材，然後在泡沫芯材上塗布帶填料的玻 璃鋼樹脂。該方法可以解決模具製造成本高的問題，可用於沒有嚴格的形狀和尺寸精度要 求的製品(如公園景觀等)的成型。該成型方法存在的主要問題是泡沫芯材強度低，泡沫 芯材的製作也比較複雜，而且成型製品內部為泡沫芯材，外表面為自由面，不適用於強度要 求高和尺寸精度要求高的製品。美國專利(U. S. 4902215， U. S. 5052906)於1990年公開了 由SEEMANN發明的複合材料樹脂原位融合模塑料工藝，通過在模具內鋪設幹布骨架材料， 用矽膠真空袋將骨架材料套封在模腔內，然後抽真空同時吸入樹脂溶液，在骨架材料中不 斷滲透、浸潤、融合，溶劑蒸發被真空泵抽走，大氣壓將逐漸凝固的樹脂複合材料壓緊在模 腔表面，從而得到製品。該技術大大降低了手糊工藝的勞動強度，減小了溶劑揮發造成的環 境汙染。該技術應用初期，常常還由於流動不暢通等原因造成充填不足，浸潤融合不充分等 缺陷，後來陸續改進並產生了一些列相關專利(到2000年底共申請專利10項)，從而使該 技術走向成熟並廣泛應用於遊艇船體等領域。但是，該技術所必需的成型模具成本沒有減 少，增強骨架材料在整個複合材料中的利用率沒有得到提高。

實用新型內容本實用新型旨在解決大型複合材料製品模具成本高，成型加工複雜，不能滿足現 代製造業產品造型個性化設計和升級換代日新月異的發展需求等問題，以流動的介質自適 應製品表面構成模具，取代現有金屬等固體材料通過雕刻切削等機加工或電火花加工等傳 統的模具製造方法，並將增強骨架材料設計成桁架或富勒結構等建築結構直接支撐蒙皮材料構成模具的型腔，使增強材料在整個結構中充分發揮作用，減少材料浪費，從而創造一種 無需再加工模具型腔的桁骨複合材料製品成型模具。 本實用新型桁骨複合材料製品由骨架增強材料、蒙皮材料和充填材料組成，骨架 增強材料由杆固定連接而成並具有了製品的輪廓，在骨架增強材料作為外輪廓的節點上貼 合蒙皮材料，充填材料嵌入在蒙皮材料內骨架增強材料的杆間。 本實用新型桁骨複合材料製品的骨架增強材料由杆按照桁架、富勒結構或其它穩 定的力學結構根據製品形狀特徵編織而成，即"桁架型增強骨架"(簡稱"桁骨")，本實用新 型中的骨架增強材料的杆採用高強度的金屬、非金屬或複合材料製成，杆可細如絲或粗如 棒或管狀，杆端可以有球節。 本實用新型中的骨架增強材料的杆採用螺紋連接、焊接、鉚接、粘接等連接方式制 成桁架等強度足夠且受力穩定的骨架結構。 本實用新型中的蒙皮材料是透氣型網狀織物或無紡布，或者是氣密性好的膜、片、 板等材料。該蒙皮材料成為最終製品的一部分，或者在成型完畢後將其剝離下來供再次成 型時重複使用。 本實用新型中的充填材料為高分子樹脂、水泥或其它可灌注到型腔中進行反應固 化、冷卻固化或燒結固化的材料，是同一種類和微觀結構形態的材料或多種類和微觀結構 形態材料的混合物，包括密實材料或發泡材料等。 本實用新型製作桁骨複合材料製品的流動介質成型模具，包括容器、型腔、灌注裝
置和流動介質，型腔由形成桁骨複合材料製品的骨架增強材料、蒙皮材料構成，骨架增強材
料由杆固定連接而形成並具有了預加工製品的輪廓，在骨架增強材料作為外輪廓的節點上
貼合蒙皮材料形成型腔，型腔放置於容器中，流動介質位於容器內，型腔浸入在流動介質
中，型腔的充填材料入口處連接有灌注裝置，灌注裝置用於充填材料的灌注，容器可以是敞
口或密閉的，密閉的容器中流動介質可以有壓力，流動介質的壓力均勻作用在型腔的蒙皮
上，流動介質可以承受預加工製品製作時型腔內充入的充填材料的膨脹力。 本實用新型桁骨複合材料製品的流動介質成型模具的流動介質是空氣、氮氣等氣
體，水、油、水銀等各種溶液或熔融態的流體，或者採用砂礫、玻璃微球、鋼珠等具有一定流
動性的固體材料。根據成型壓力大小，流動介質一般採用水、流沙等廉價易得、使用安全環
保、可反覆使用的材料。 採用流動介質成型模具製作桁骨複合材料製品的過程是，首先採用杆按照桁架、 富勒結構或其它穩定的力學結構根據預加工製品的形狀特徵編織成具有線框骨架形狀的 骨架增強材料，即"桁架型增強骨架"(簡稱"桁骨")，骨架增強材料由杆固定連接而形成並 具有了預加工製品的輪廓；在骨架增強材料作為外輪廓的節點上貼合蒙皮材料形成型腔； 為了增加骨架增強材料、蒙皮材料與充填材料的結合強度，可在骨架增強材料、蒙皮材料與 充填材料接觸的部位塗覆膠等處理；將型腔放入盛有流動介質的容器中，使型腔淹沒在流 動介質中，流動介質緊密地接觸在蒙皮材料的外表面上，從而在骨架材料的支撐下由蒙皮 材料構成一個連通的成型型腔；型腔、容器、灌注裝置和流動介質構成流動介質成型模具， 型腔在蒙皮材料外側流動介質的靜壓作用下可以承受一定的膨脹作用力；然後將充填材料 灌注到該型腔中；充填材料在型腔中固化，便得到帶有骨架增強材料的複合材料製品；將 其從流動介質中取出，保留或去除蒙皮材料。
4[0012] 本實用新型中，在灌注充填材料時，根據需要在充填材料注入型腔過程中及至充 填材料固化前對模具或型腔施加外力搖擺或振動，以提高成型製品的密實性和去除蒙皮材 料後的製品的外觀光順性，搖擺或振動運動的產生通過人工、機械力或電磁力實現。 本實用新型適用於遊艇船體、高速火車頭和飛機艙體等大型複合材料製品的成型 加工，骨架增強材料與蒙皮材料構成模具的型腔，可免去模具的加工製造環節，大幅度降低 製造成本；充分發揮骨架材料的增強作用，製品的體積可以很大，不受傳統加工設備的限 制；改變增強材料的杆的長度和數量，蒙皮材料和增強材料很容易形成新的型腔，因而加快 了產品更新換代的速度，在現代製造業中具有廣闊的應用前景。

圖1是本實用新型桁骨複合材料製品的一個實施例 一 遊艇船體橫斷面示意圖。 圖2是圖1所示的本實用新型桁骨複合材料製品一個實施例 一 遊艇船體的流動 介質模具示意圖。 圖中1-骨架材料，2-充填材料，3-蒙皮材料，4-外表面流動介質，5_內表面流動 介質，6-灌注裝置，7-真空抽吸管道。
具體實施方式根據製品造型設計，將杆通過固定連接方式構成穩定的骨架材料1。採用蒙皮材料 3貼合在骨架材料1的輪廓節點上，構成模具的型腔。在骨架增強材料、蒙皮材料與充填材 料接觸的部位塗覆膠等處理。將型腔沉浸或者淹埋在流動介質中，型腔、流動介質及容器構 成流動介質模具。當蒙皮材料3為氣密性材料時，為提高充填成型質量，通過與真空抽吸管 道7連接的抽真空裝置對型腔進行抽真空處理。充填材料2被灌注到型腔前，要根據充填 材料2的特性，選擇合適的外表面流動介質4和內表面流動介質5，以利於充填材料2優質 高效地充填，防止分層、脹模、氣泡等缺陷的產生。根據製品的需要，充填材料2可為有一定 倍率的閉式泡孔的材料或者是密實無氣泡的材料。對於反應固化類充填材料2，需要利用專 門的灌注裝置6，特別是聚氨酯類的材料，在充填時，常由兩種流體組分按照一定的混合比 例快速均勻混合後充填，在型腔中反應固化。 實施例遊艇船體的成型 遊艇船體由不鏽鋼絲作為骨架材料1，聚氨酯塗膠布為蒙皮材料3，玻璃鋼樹脂為 充填材料2。 上述遊艇船體的成型模具，由不鏽鋼絲連接成骨架材料l，聚氨酯塗膠布作為蒙 皮材料3貼合在不鏽鋼絲作為上述遊艇船體輪廓的節點上形成型腔，容器為敞口結構的水 池，型腔放置在容器中，型腔上側為遊艇船體的內側，型腔下側為遊艇船體的外側，遊艇船 體的內側和外側分別與內表面流動介質5和外表面流動介質4接觸，內表面流動介質5和 外表面流動介質4都為水，流動介質對蒙皮材料3產生一定的靜水壓力。 利用流動介質模具製作遊艇船體的過程為第1步根據遊艇船體的造型設計，利 用不鏽鋼絲連接成骨架材料l，骨架材料1採用一層或者多層，以構成設計外形並承受足夠 載荷為目標，本實用新型中骨架材料l作為輪廓的內外表面的不鏽鋼絲連接為四邊形，每 個節點與對面臨近的四個點由絲接連構成穩定的錐形結構，節點可採用球節，也可以直接焊接；第2步採用聚氨酯塗膠布作為蒙皮材料3貼合在骨架材料1作為輪廓的節點上，形 成密閉的型腔，在骨架增強材料、蒙皮材料與充填材料接觸的部位塗覆膠等處理，檢查型腔 氣密性，對有漏氣的地方進行補漏處理；第3步將沒有漏點的型腔放入水池中，型腔上側 為遊艇船體的內側，型腔下側為遊艇船體的外側，遊艇船體的內側和外側分別與內表面流 動介質5和外表面流動介質4接觸，內表面流動介質5和外表面流動介質4都為水；第4步 根據充填材料的流變參數、密度等物理性質的不同情況，為保障充填質量和充填效率，需要 採取相應的輔助充填措施，如對蒙皮材料內外流動介質施加壓強(氣壓或水壓等)，通過與 真空抽吸管道7連接的抽真空裝置對型腔進行抽真空；第5步將混有玻璃纖維的低溫反 應型玻璃鋼樹脂(或其它反應固化樹脂如聚氨酯等)灌注到型腔內；第6步觀察型腔內充 填材料2充填和固化情況，根據需要可以施加外力搖擺或震動，以利於成型製品的水密性 和外觀的光順性；第7步待型腔內材料固化完成後，抽乾船體內側的水，使船體浮出，剝離 蒙皮材料3 ;第8步將船體放入水中，檢查水密性，對有漏水的局部進行補漏處理，根據需 要可以對外表面噴塗一層密實材料並進行修飾處理。
權利要求桁骨複合材料製品，由骨架增強材料、蒙皮材料和充填材料組成，其特徵在於骨架增強材料由杆固定連接而成並具有了製品的輪廓，在骨架增強材料作為外輪廓的節點上貼合蒙皮材料，充填材料嵌入在蒙皮材料內骨架增強材料的杆間。
2. 根據權利要求1所述的桁骨複合材料製品，其特徵在於骨架增強材料的杆採用金屬、非金屬或複合材料製成，杆是絲、棒或管，杆端有球節。
3. 根據權利要求1所述的桁骨複合材料製品，其特徵在於蒙皮材料是透氣型網狀織物或無紡布，或者是具有氣密性的膜、片、板。
4. 根據權利要求1所述的桁骨複合材料製品，其特徵在於骨架增強材料的杆的固定連接採用螺紋連接、焊接、鉚接、粘接的連接方式。
5. 製作權利要求1所述的桁骨複合材料製品流動介質成型模具，其特徵在於主要包括容器、型腔、灌注裝置和流動介質，型腔由形成桁骨複合材料製品的骨架增強材料、蒙皮材料構成，骨架增強材料由杆固定連接而成並具有了預加工製品的輪廓，在骨架增強材料作為外輪廓的節點上貼合蒙皮材料形成型腔，型腔的充填材料入口處連接有灌注裝置，型腔放置於容器中，流動介質位於容器內，型腔浸入在流動介質中，容器是敞口的或密閉的，流動介質的壓力作用在型腔的蒙皮材料上。
6. 根據權利要求5所述的桁骨複合材料製品流動介質成型模具，其特徵在於流動介質是空氣、氮氣或水、油、水銀，或者是砂礫、玻璃微球、鋼珠。
7. 根據權利要求5所述的桁骨複合材料製品流動介質成型模具，其特徵在於在模具、和/或型腔上設置搖擺或振動裝置，搖擺或振動運動的產生是通過人工、機械裝置或電磁力裝置。
專利摘要本實用新型桁骨複合材料製品及其流動介質成型模具，桁骨複合材料製品由骨架增強材料、蒙皮材料和充填材料組成，骨架增強材料由杆固定連接而成並具有了製品的輪廓，在骨架增強材料作為外輪廓的節點上貼合蒙皮材料，充填材料嵌入在蒙皮材料內骨架增強材料的杆間，其流動介質成型模具包括容器、型腔、灌注裝置和流動介質，其成型方法是將充填材料灌注到型腔中，充填材料固化得到製品。本實用新型免去模具型腔的加工製造環節，可大幅度降低製造成本，並且充分發揮骨架材料的增強作用，製品的體積可以很大，不受傳統加工設備的限制，改變增強材料的杆的長度和數量，蒙皮材料和增強材料很容易形成新的型腔，因而加快了產品更新換代的速度。
文檔編號B63B5/24GK201538043SQ20092022259
公開日2010年8月4日 申請日期2009年9月29日 優先權日2009年9月29日
發明者楊衛民, 歐陽良峰, 閻華 申請人:青島科技大學;北京華夏英藍科技發展有限公司