具有連續輥清潔的複合環成型的製作方法
2023-09-16 12:04:10
專利名稱：具有連續輥清潔的複合環成型的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於成型熱塑性環狀結構的方法及設備，尤其涉及在熱塑性環狀結構的卷繞和成型過程中進行清潔的方法及設備。
過去，大多數複合環狀結構用熱固性材料進行製造。當熱固性合成材料用於生產環狀結構時，整個環必須在高壓釜中於一定溫度進行固化，此溫度要適於使材料達到其最終的固化狀態。在高壓釜過程中，熱固性材料裡的纖維有松馳並失去結構中的排列的趨勢。纖維的松馳是不希望發生的事情，因為在現有技術中，眾所周知，纖維的排列對複合結構的強度和剛度的一致性有顯著影響。因此，熱塑性材料已被推薦作為熱固性材料的替代物。
製作環狀結構的熱塑性複合材料的工藝要求完全不同於熱固性材料所使用的機器和方法。從用熱塑性材料生產諸如圓筒環等結構中能獲得許多明顯的優點。特別是，當熱塑性複合材料帶在新帶被添加到環狀結構中的瞬間發生壓實和固化時，如在卷繞操作中那樣，熱塑性複合材料基體中的纖維被固定在壓實和固化時那些纖維所形成的任何形狀中。纖維的固定避免了上文提及的與纖維松馳有關的不利之處。因而，將複合材料基體中的纖維固定排列極大地提高了所形成的複合材料強度和剛度的一致性。
在用熱塑性複合材料製造環狀結構的領域中，已經完成的工作中的大部分集中在使用對流傳熱，以使熱塑性複合材料帶獲得一定溫度，在此溫度時，熱塑性複合材料能夠發生固化。對流傳熱幾年前被引入熱塑性環成型領域中，以提高環成型過程中所能獲得的速度。眾所周知，在現有技術中，通過輻射和傳導方式進行的熱傳導不能產生足夠的熱能給熱塑性複合材料產品，以使材料以比每秒1至2英寸更快的速度固化。該速度指的是當形成環狀結構時，新的熱塑性複合材料帶被添加到先前的熱塑性複合材料帶層上的速度。對流熱傳導是在正被成形的環狀結構的卷繞過程中，在新帶與前層開始接觸的點通過將熱氣吹到熱塑性複合材料帶上獲得的。熱氣的噴吹使得熱塑性複合材料熔融，於是新舊材料結合成一整體。
但是，對流熱傳導在很多方面是不好的，其中之一即效率極低。所產生的熱量中僅一小部分被實際用於加熱熱塑性複合材料帶。所產生熱量的大部分吹到了衝擊噴嘴附近，加熱了機器、軸承、心軸和其它相關結構。另一不利之處是對流傳熱不能加熱想要加熱的某個位置，此位置即添加的新熱塑性複合材料帶與卷繞在環上的前一層熱塑性複合材料帶之間的接觸點。該位置不能被加熱，是因為吹入的氣體停滯在導入帶與卷繞環之間的銳角位置。停滯的對流熱沒有速度因而不能傳熱。
當用熱塑性複合材料帶卷繞一個厚壁環狀結構時，還遭遇到另一個問題。為形成厚壁環狀結構，需要大量熱塑性複合材料帶。這可以通過將多個相對短的熱塑性複合材料帶接合在一起來獲得。但是，引入帶內的接頭給結構帶來了不連續性，降低了所形成產品的機械性能。一個替代方案是，單根特別長的熱塑性複合材料帶可用於卷繞厚壁環狀結構，它清除了最終產品中的接頭。這種技術的問題在於製造幾千英尺長且沒有接頭的熱塑性複合材料帶是極其昂貴的。一些其它的繁瑣方案已被發明，但全都帶有不利影響，它們或嘗試在空中拼接材料，或使用一種啟動並停止的固化技術。
熱塑性複合材料帶的原位固化是用於製造飛輪環結構的一種有效技術。該方法一般使用一加熱的壓輥，用於將熱塑性複合材料帶的表面壓到飛輪環的表面上以形成充分固化結構。該工藝過程中出現的一個問題是熱塑樹脂塗層有從熱塑複合材料帶粘附到加熱的壓輥上的趨勢。最佳處理溫度通常導致熱塑樹脂在輥上的快速集聚。該塗層引發了多個問題，包括從輥至環的熱導率的變化、熱塑性複合材料帶上導致產品密度變化的非均勻壓力、和導緻密度變化很大的非均勻表面的集聚材料往產品表面的隨機脫落。
過去，原位固化清洗設備要求停止成型工藝，以移開具有樹脂集聚的輥，並且將輥用清洗劑(即鋼絲棉、沙紙等)進行手工清洗。為了滿意地除去集聚在壓輥上的熱塑性樹脂，提出並執行另一先有技術。該技術包括物理刮擦(連續的和/或手工的)、被動刮刀、螺旋形鋼索和紅外加熱(局部且集中)。這些技術沒有一種被證明是成功的。刮刀由於與壓輥和集聚材料接觸而變熱，因而在長時間的成型工藝結束前就被磨損了。硬化的或陶瓷的刮刀對壓輥表面造成不可接受的損壞。最後，集中的紅外輻射不能「看見」熱塑性樹脂，因而未能將樹脂從輥表面燒掉。
原有的固化輥清洗技術中另一缺點是，在圓柱形產品如環被成型時，它們不能連續地執行。這很重要，由於熱塑性複合環的成形不能產生任何中斷，如果為了中途的輥清洗步驟而使工藝過程停止和起動，這種中斷就會發生。連續的輥清洗是需要的，因為它能在樹脂與新引入的熱塑性複合材料帶在固化點上接觸前就除去輥上的樹脂痕跡。因而連續的清洗有助於確保壓輥所施加的壓力在發生固化的帶的寬度上是一致的。
因而，一直需要一種新的改進的方法和設備，用於使用相對便宜的熱塑性材料卷繞環狀結構，它有一連續清潔的壓輥，並使用熱傳導實現熱塑性複合材料的固化。
根據本發明，提供了一種用於採用帶，最好是熱塑性複合材料帶製作近圓柱形結構的方法及設備，此方法和設備使用了連續清洗的輥。該方法包括繞軸旋轉心軸以形成用於製造圓柱形結構的旋轉成形面。一條或多條帶卷繞在心軸成形面上以形成近圓柱形結構。在卷繞過程中，帶通過一個或多個壓輥被壓實到心軸的成形表面上，該壓輥被設置成旋轉並將熱塑性材料壓到心軸的成形表面上。壓輥被燃燒器連續清洗以移走粘附於壓輥上的汙染物和帶殘留物。最後，帶子被加熱以固化帶材料，幾乎與此同時將新帶壓到所形成的近圓柱形結構的外層上。壓輥通過熱傳導使帶固化。
根據本發明的其它方面，燃燒器是一明火燃燒器。為了儘可能好地除去汙染物和殘留物，最好燃燒器有一可控的加熱級別。燃燒器充分加熱壓輥，使壓輥通過熱傳導固化帶材料。藉助於燃燒器對壓輥的連續清洗基本上從粘附於壓輥上的帶上除去了所有汙染物和樹脂成分。此外，熱塑性圓柱形結構使用全部自動化工藝進行生產。由於取消了壓輥的手工斷續清洗的需要，因而藉助於燃燒器對壓輥的連續清洗允許全部自動化。
根據本發明的其它方面，心軸繞軸旋轉形成用於製造圓柱形結構的旋轉成形面。當心軸旋轉時，帶被卷繞在心軸的成形面上，生成圓柱形結構。帶材料通過壓輥被壓實到心軸成形面上，而該壓輥被設置成旋轉並將帶壓到心軸的旋轉成形面上。壓輥用燃燒器連續清洗，以將粘附在壓輥上的汙染物和帶材料的樹脂成分除去。
根據本發明的再一方面，壓輥或者僅通過一個燃燒器或者通過與電加熱結合的燃燒器被加熱。最好，燃燒器是一個具有可控加熱級別的明火燃燒器。燃燒器充分加熱壓輥，以使輥通過熱傳導固化帶材料。通過燃燒器對壓輥進行的連續清洗基本上將粘附於壓輥上的全部汙染物和帶材料的樹脂成分除去。
根據本方法的另外一方面，帶由熱塑性複合材料構成。
從上文所述概要很容易理解，根據本發明構成的壓輥環形卷繞設備的連續清洗有許多優於上文所述先有技術中的方法和設備的益處。由於本發明優先使用熱傳導來同時壓實和固化所形成的環形結構，因而卷繞於心軸上的帶材料中的纖維被固定在排列中，提高了所形成結構的機械性能。帶材在心軸成形表面的卷繞以及由加熱的壓輥對多層帶進行的同時壓實/固化，使得圓柱形結構可以無接頭地被製造。最後，壓輥連續清洗的使用使如下幾方面最小(1)從輥到環的熱傳導率變化，(2)導致產品密度變化的帶上的不均勻壓力，以及(3)聚集材料往產品表面上的隨機脫落，這種脫落導致具有較大密度變化的非均勻表面。最終結果是全面出眾的部件質量。
當與
圖1結合時，本發明的上述方面及諸多伴隨優點將通過參見下面的詳細描述變得更易於理解，其中圖1是據本發明的複合材料環卷繞器的側視圖。
圖1描述了根據本發明構造的輥環卷繞器10的一個優選實施例，用於將由熱塑性複合材料製成的一條或多條帶30製成近圓柱形結構14，它使用一個或多個壓輥40通過熱傳導來固化熱塑性複合材料。所述的輥環卷繞器10包括一個繞軸24旋轉的心軸20，它通過一個電機或其它旋轉動力源(未顯示)來驅動。心軸20的外圓周提供了一旋轉成形面，在製造圓柱形層狀結構14時使用。隨心軸的旋轉，一個或多個熱塑性複合材料帶卷繞到心軸上。當其被卷繞時，每條引入的熱塑性複合材料帶30經熱傳導幾乎同時被各自的加熱的壓輥40壓實和固化。為便於圖示，圖1中僅顯示了一個壓輥。壓輥被一機械裝置所支承，該機械裝置將壓輥壓在卷繞在心軸20上的帶的外層上。該支承機械裝置在現有技術中是眾所周知的，示意性地用一彈簧42表示，該彈簧壓靠在安裝有壓輥的軸44上。支承機械裝置在外帶卷上產生一連續的壓力。根據本發明，壓輥40用一燃燒器50進行連續清洗，其明火54指向輥40上遠離接觸點的表面，它將粘附於壓輥40上的汙染物和其它熱塑性複合帶30的樹脂成分除去。
驅動心軸20的旋轉軸24最好基本位於水平面內。這個旋轉方向是優選的，因為熱塑性複合材料帶30被壓輥40加熱到一固化溫度，從而使熱塑性複合材料帶內的樹脂處於粘稠的半熔融狀態。如果驅動心軸20的旋轉軸24被定位在基本垂直的面內，粘稠的熔融樹脂會由於重力作用而有向所形成的圓柱形結構底端的沿軸向流動的趨勢，形成畸形的最終產品。
再參見圖1，引入的熱塑性複合材料帶30最好由一材料供應軸(未顯示但現有技術中公知)供給。此外，在正常的壓實和固化過程中，當帶30到達壓輥40時處於拉緊狀態是有利的。張力減少了最終產品上的缺陷，諸如起皺及其它擠壓缺陷。為產生繃緊的輸入熱塑性複合材料帶30，最好使用牽力輥(未顯示但在現有技術中是公知的)。當帶離開供應軸之後而在帶30到達壓輥40之前，牽力輥將帶30限制在一點上。一種眾所周知的摩擦限制技術包括在一對並置的牽力輥之間引導熱塑性複合材料帶30。
熱塑性複合材料帶30被加熱的壓輥40壓靠到心軸20的成形面上，這如圖1所示和上述討論的那樣，壓輥40設置成旋轉並將熱塑性複合帶30壓靠在成形於心軸20表面的近圓柱形結構14上。熱塑性複合材料帶30通過與加熱的壓輥40接觸而導致的熱傳導加熱到一定溫度(高於材料的玻璃態轉化溫度)，該溫度足以固化形成帶30的熱塑性複合材料，幾乎與此同時，壓實並將引入的熱塑性複合材料帶30添加到成形的圓柱形層狀結構14中。
雖然本發明主要討論的涉及由熱塑性複合材料帶30製作的近圓柱形結構14的成型，但是本發明也可以用於產生使用其它類型材料的結構。例如，熱固性材料壓實工藝也可以使用帶明火54的燃燒器50以除去壓輥40上的殘留物和/或汙染物。更明確地，根據本發明，採用壓輥的金屬、合金、混合物或其它化合物的壓實工藝也可以用燃燒器50除去壓輥40上的殘留物和汙染物。
如圖1所示，輥40將引入的熱塑性複合材料帶30擠壓到近圓柱形結構14上，該結構14通過將引入帶壓靠到從動心軸20的圓周成形面上而形成。如前所述，壓輥40被加熱，該輥通過與帶30之間的可傳熱接觸將熱塑性複合材料帶30加熱。該熱量足以在幾乎與將引入帶壓實到所形成結構的外周上的同時，固化帶中的樹脂。先前使用的加熱壓輥使用諸如內部電線圈的機構來產生必要的固化溫度(通常高於熱塑性樹脂的玻璃態轉化溫度)。如上所述，根據本發明，最好燃燒器50在連續清洗循環過程中充分加熱壓輥40以消除對附加加熱機構的需求。如此，本發明降低了設備10的成本和複雜性，同時提高了生產方法的效率。本發明的可替換實施例(或用於特殊類型的具有高固化溫度的材料)可以採用與燃燒器50產生的對壓輥的加熱相結合的內部電線圈或其它加熱機制(圖中由線圈58示意性表示)。電線圈可被用於在啟動時預熱壓輥。甚至在這些實施例中，燃燒器50至少提供一些加熱壓輥至適當的溫度所需的熱量。因此，甚至在這些實施例中，本發明減少了所需的能量並相當大地節約了成本。
在本發明的另一可替換實施例中，壓輥40被主要用於(或僅用於)將熱塑性複合材料帶30壓至已成形的圓柱形結構14的外周上，並不用於通過熱傳導進行固化。在本發明的這些實施例中，使用了將熱塑性複合材料帶30加熱到固化溫度(諸如對流，紅外加熱等)的其它方法。由於壓輥40仍易受來自熱塑性複合材料帶30的樹脂或其它殘留物及其它汙染物的覆蓋，這些實施例使用了本發明中的燃燒器50，以提供壓輥所需的連續清洗。因而，通過本發明的燃燒器50對壓輥40的連續清洗是有作用的和有益的，而不管將熱塑性複合材料帶30加熱到固化溫度使用的是哪種傳熱方法。
根據本發明構造的燃燒器50最好在輥40有機會轉一整圈並將汙染物和樹脂成分擠壓到所製造的近圓柱形結構14的新成形面上之前，優先將粘附於壓輥40上的全部熱塑性材料和其它汙染物除去。最好是，燃燒器50使用明火。且最好是，燃燒器產生的熱或明火54的級別或速度可以由一適當的控制器60控制。燃燒器50的控制允許燃燒器溫度級別和加熱速度被設置成達到不同類型材料的殘留物和其它汙染物完全去除所需的級別。因而，本發明允許通過燃燒器50獲得所需的明火54和加熱級別，同時獲得在低級別熱量或明火可接受的情況下的成本效益。
另一優點是，根據本發明所形成的連續清洗壓輥的環狀卷繞器10允許近圓柱形結構14的成型完全自動化。通過撤銷用於刮除壓輥40上的汙染物和殘留物的全職工人，本發明提供了比手工刮除更優的進一步的成本節約。
本發明已針對優選方法和優選設備進行了描述。在閱讀了前述說明書之後，普通技術人員能夠在不偏離所公開的觀點的情況下作出不同的其它變化、更改和替代或其它相應修改。因而應知道在所附權利要求的範圍內，除此處具體說明以外本發明也能被實施。
權利要求
1. 一種用熱塑性複合材料帶製作近圓柱形結構的方法，包括(a)繞一個軸旋轉一個心軸，以產生一旋轉成形面；(b)繞心軸的成形面卷繞至少一條熱塑性複合材料帶以形成一近圓柱形結構；(c)用至少一個壓輥將至少一條熱塑性複合材料帶壓靠到心軸的成形面上，該壓輥被設置成旋轉並將熱塑性複合材料壓到心軸成形面上；(d)用一個燃燒器連續清潔所述至少一個壓輥，以將粘附於所述至少一個壓輥上的汙染物和熱塑性複合材料的樹脂成分除去；(e)加熱所述至少一條熱塑性複合材料帶，以固化所述至少一條熱塑性複合材料帶，並基本上同時將熱塑性複合材料壓靠到所形成的近圓柱形結構上。
2.根據權利要求1的方法，其中，燃燒器包括一個明火燃燒器。
3.根據權利要求1的方法，其中，燃燒器有一個可控的加熱級別。
4.根據權利要求1的方法，其中，燃燒器充分加熱所述至少一個壓輥，以便至少一個壓輥通過熱傳導固化熱塑性複合材料。
5.根據權利要求1所述的方法，其中，通過燃燒器對至少一個壓輥進行的連續清潔基本上將粘附於至少一個壓輥上的全部汙染物和熱塑性複合材料樹脂成分除去。
6.一種製作近圓柱形結構的方法，包括(a)繞一個水平軸旋轉一個心軸，以產生一個旋轉成形面；(b)繞心軸成形面卷繞材料以形成一個圓柱形結構；(c)用至少一個壓輥將該材料壓靠到心軸成形面上，該壓輥被設置成旋轉並將該材料壓到心軸成形面上；以及(d)用一燃燒器連續清潔至少一個壓輥，以將粘附於壓輥上的汙染物和材料殘留物除去。
7.根據權利要求6的方法，其中，該材料是熱塑性複合材料。
8.根據權利要求6的方法，其中，所述至少一個壓輥被加熱。
9.根據權利要求8的方法，其中，所述至少一個壓輥僅被該燃燒器加熱。
10.根據權利要求8的方法，其中，所述至少一個壓輥被電加熱。
11.根據權利要求6或7的方法，其中，燃燒器充分加熱所述至少一個壓輥，以使所述至少一個壓輥通過熱傳導固化熱塑性複合材料。
12.根據權利要求6或7的方法，其中，通過燃燒器對所述至少一個壓輥進行的連續清洗基本上將粘附於所述至少一個壓輥上的全部汙染物和熱塑性複合材料樹脂成分除去。
13.根據權利要求6的方法，其中，該燃燒器包括一明火燃燒器。
14.根據權利要求6的方法，其中，燃燒器有一可控的加熱級別。
15.一種由熱塑性複合材料帶製作近圓柱形結構的設備，包括(a)一個用於接受熱塑性複合材料帶的帶有一旋轉軸和一成形面的心軸，該熱塑性複合材料帶卷繞於心軸成形面上以形成近圓柱形結構；(b)設置成旋轉並可調地將熱塑性複合材料帶壓靠到心軸成形面上的至少一個壓輥，其中，所述至少一個壓輥在熱塑性複合材料與壓輥的接觸點附近將熱塑性複合材料帶固化，從而固化並壓實該近圓柱形結構；以及(c)一個燃燒器，該燃燒器通過除去粘附於壓輥上的汙染物和熱塑性複合材料殘留物對所述至少一個壓輥進行連續清潔。
16.根據權利要求15的設備，其中，燃燒器包括一個明火燃燒器。
17.根據權利要求15的設備，包括一個用於控制燃燒器加熱級別的控制器。
18.根據權利要求15的設備，其中，燃燒器充分加熱所述至少一個壓輥，以使所述至少一個壓輥通過熱傳導固化熱塑性複合材料帶。
19.根據權利要求15的設備，其中，通過燃燒器對至少一個壓輥進行的連續清潔基本上將粘附於至少一個壓輥上的全部汙染物和熱塑性複合帶的樹脂成分除去。
20.一種用於製作近圓柱形結構的設備，包括(a)一個帶有一旋轉軸和一成形面的心軸，該心軸用於接受卷繞於心軸成形面上以形成圓柱形結構的材料；(b)設置成旋轉並可調地將該材料壓靠到心軸成形面上的至少一個壓輥；及(c)一個燃燒器，該燃燒器通過從粘附於壓輥上的材料上去除汙染物和殘留物而對所述至少一個壓輥進行連續清潔。
21.根據權利要求20的設備，其中，該材料是熱塑性複合材料。
22.根據權利要求21的設備，其中，壓輥被加熱。
23.根據權利要求22的設備，其中，壓輥僅被燃燒器加熱。
24.根據權利要求22的設備，其中，壓輥被電加熱。
25.根據權利要求20的設備，其中，燃燒器充分加熱所述至少一個壓輥，以使至少一個壓輥通過熱傳導固化熱塑性複合材料。
26.根據權利要求25的設備，其中，所述至少一個壓輥在熱塑性複合材料帶與壓輥的接觸點附近將熱塑性複合材料帶固化，從而固化並壓實該近圓柱形結構。
27.根據權利要求20的設備，其中，通過燃燒器對至少一個壓輥進行的連續清洗基本上從粘附於至少一個壓輥上的材料上去除了全部汙染物和樹脂成分。
28.根據權利要求20的設備，其中，燃燒器包括一個明火燃燒器。
29.根據權利要求20的設備，包括一個用於控制燃燒器加熱級別的控制器。
全文摘要
一種用熱塑性複合材料帶(30)製作近圓柱形結構的方法和設備,使用至少一個壓輥(40)以通過熱傳導固化熱塑性複合材料帶。成形設備包括由電動機或其它旋轉動力機械驅動而繞軸(24)旋轉的心軸(20)。心軸的旋轉面提供了用於製造圓柱形結構的成形面。引入的熱塑性複合材料帶同時被加熱的壓輥通過熱傳導壓實和固化。壓輥用燃燒器(50)進行連續清洗,燃燒器的明火火焰指到壓輥上,以去除粘附其上的汙染物和熱塑性複合材料殘留物。
文檔編號B29K105/06GK1326851SQ0112209
公開日2001年12月19日 申請日期2001年5月16日 優先權日2000年5月16日
發明者派屈克·加拉格爾 申請人:波音公司