專利名稱：活性的結(jié)構(gòu)可變換的工具的制作方法
活性的結(jié)構(gòu)可變換的工具 對(duì)相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
該申請(qǐng)要求享受2004年3月12日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?60/552,677和2005年2月22日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?0/654,985的 權(quán)益，其全部?jī)?nèi)容在此引入作為參考。
背景技術(shù)：
鋁被用作至多100份的低容量生產(chǎn)的工具材料，而鋼被用 作容量超過約100件的工具材料。 一般使用石膏，隨后用木材、模塑 板和鋁來產(chǎn)生原始塑模。在航天工業(yè)上在某種程度上一直使用不脹鋼 (鐵鎳合金)，因?yàn)樗c石墨/環(huán)氧樹脂材料具有良好的熱膨脹系數(shù)的匹 配。然而，該工具材料昂貴并且加工需要大的前置時(shí)間。結(jié)果， 一直 在努力開發(fā)計(jì)算機(jī)輔助的設(shè)計(jì)軟件來減少工具設(shè)計(jì)需要的時(shí)間，從而 縮短整個(gè)原型或產(chǎn)品的制造周期。本發(fā)明致力于通過描述一類組合物而制造高成本的復(fù)合 結(jié)構(gòu)，該組合物可以被容易和廉價(jià)地制造成當(dāng)必須改變時(shí)容易結(jié)構(gòu)可 變換的加工工具。該工具被稱為"結(jié)構(gòu)可變換的工具"。該組合物、 其制造方法和由它們形成的加工工具全部在此描述。 一個(gè)實(shí)施方案 中，整個(gè)結(jié)構(gòu)可變換的工具包含可以完全由活性材料制造的活性元 件。由活性材料制得的結(jié)構(gòu)可變換的工具的合適實(shí)例是塑模、?？诨?塑模插入件、芯軸、球嚢等，或者包含至少一種前述工具的組合。該 工具可用于模塑操作等。在加熱時(shí)形狀記憶合金記得其高溫形態(tài)的溫度可以通過 改變合金的組成和通過熱處理而得以調(diào)節(jié)。例如，在鎳-鈦形狀記憶 合金中，溫度可以從高于約100°C到低于約-100。C之間變化。形狀 恢復(fù)工藝只在幾度范圍內(nèi)發(fā)生，轉(zhuǎn)變的起始或完成可以被控制在一度 或兩度的范圍內(nèi)，這依賴于想要的應(yīng)用和合金組成。就象形狀記憶合金一樣，當(dāng)形狀記憶聚合物用作結(jié)構(gòu)可變 換的工具中的活性元件時(shí)，可以利用如上列舉的各種幾何結(jié)構(gòu)形狀。 另外，可以使用各種活化信號(hào)。優(yōu)選的活化信號(hào)是由加熱提供的熱活 化信號(hào)，示范性的手段是導(dǎo)電性的、對(duì)流的、輻射的和電阻的或其組 合。合適的磁致流變流體包括分散在載體液體中的鐵磁性或 順磁性顆粒。適合的顆粒包括鐵；鐵合金，例如包括鋁、硅、鈷、 鎳、釩、鉬、鉻、鴒，錳和/或銅的鐵合金；鐵氧化物，包括Fe203 和Fes04;氮化鐵；碳化鐵；羰基鐵；鎳和鎳的合金；鈷和鈷的合金； 二氧化鉻；不銹鋼等；或至少一種包括上述顆粒的組合。合適的鐵顆 粒的實(shí)例包括純鐵粉、還原的鐵粉、氧化鐵粉/純鐵粉的混合物和氧 化鐵粉/還原鐵粉的混合物。優(yōu)選的磁響應(yīng)顆粒是羰基鐵，優(yōu)選還原 的羰基鐵。 EAP可以在高應(yīng)變下偏轉(zhuǎn)，附著于該聚合物的電極也應(yīng)當(dāng) 在不使機(jī)械或電性能受損的情況下偏轉(zhuǎn)。 一般地，適用的電極可以具 有任何形狀和材料，條件是它們能夠?yàn)镋AP供應(yīng)適合的電壓。電壓
可以是恒定的或隨時(shí)間而變化的。在一個(gè)實(shí)施方案中，電極粘附到聚 合物的表面。粘附到聚合物的電極優(yōu)選是柔性的并且符合改變中的聚 合物的形狀。相應(yīng)地，本公開可以包括那些符合粘附電極的電活性聚 合物的形狀的柔性電極。該電極可以僅僅被應(yīng)用到電活性聚合物的一 部分，并根據(jù)他們的幾何結(jié)構(gòu)限定有效面積。各種類型的適用于本公 開的電極包括結(jié)構(gòu)化電極，其包括金屬跡線和電荷分布層，紋理化的電極，其包括不同的平面外的尺寸、導(dǎo)電性潤(rùn)脂油如碳潤(rùn)脂油或銀潤(rùn) 脂油、膠懸體、高縱橫比的導(dǎo)電性材料如碳細(xì)纖維和碳納米管以及離 子導(dǎo)電性材料的混合物。用于電極的材料可以變化。適合在電極中使用的材料可以 包括石墨、炭黑、膠懸體、包括銀和金的薄金屬、銀填充和碳填充的 凝膠和聚合物以及離子或電子導(dǎo)電性聚合物。可以理解，某些電極材 料可能適用于特定的聚合物，而對(duì)其它可能不適用。例如，碳細(xì)纖維 與適用于丙烯酸系彈性體聚合物，但是不適用于硅酮聚合物。用于結(jié)構(gòu)可變換的工具的活性元件也可以包括壓電材 料。同時(shí)，在某些實(shí)施方案中，壓電材料可以被構(gòu)造以提供快速的結(jié) 構(gòu)可變換的。在這里使用的術(shù)語"壓電介質(zhì)"用來描述一種材料，當(dāng) 施加電壓時(shí)，該材料機(jī)械變形(改變形狀)，或反過來，當(dāng)機(jī)械變形時(shí) 產(chǎn)生電荷。優(yōu)選地，壓電材料被布置在柔性金屬板的條帶上。該帶條 可以是單壓電晶片或雙壓電晶片。優(yōu)選地，該帶條是雙壓電晶片，因 為雙壓電晶片 一般顯示出相比單壓電晶片更多的位移。現(xiàn)在參考附圖
，結(jié)構(gòu)可變換的工具10可以是包括芯12 和外層可膨脹皮膚14的芯軸。外層可膨脹皮膚14可以是涂層。該芯 軸可以被用于模塑操作中。外層可膨脹皮膚14是活性元件并且包括 形狀記憶合金。芯12可以是固體或空心的，并可以用金屬、陶瓷或 聚合物制造，也就是說用棒料、管料、梁料等形式。在模塑操作(未 顯示)過程中，外層可膨脹皮膚12在預(yù)成形和模塑操作過程中處于膨 脹的構(gòu)型(第一形狀)中，而在將芯軸從成品除去的過程中處于收縮構(gòu)型(第二形狀)中。在一個(gè)實(shí)施方案中，在模塑和冷卻操作過程中，包括形狀 記憶聚合物的芯軸將會(huì)是硬的。在模塑的組件獲得想要的硬度之后， 可以加熱芯軸由此損失硬度，這允許該芯軸容易地從模塑的組件中除 去。在另一個(gè)實(shí)施方案中，包括活性材料的結(jié)構(gòu)可變換的工具 能夠在模塑操作中被用作為"球嚢"的替換物。如上所述，這些結(jié)構(gòu) 可變換的工具可以被有利地使用，其中將要被模塑的部件中的開口比 在該同一部件中包含的空腔小。在此情況下，在模塑操作之前，結(jié)構(gòu) 可變換的工具以其收縮的構(gòu)型被引入塑模中。然后，在將塑模關(guān)閉而 產(chǎn)生想要的空腔之后，將該結(jié)構(gòu)可變換的工具活化到它的膨脹狀態(tài)。 在模塑操作完成之后，再次將結(jié)構(gòu)可變換的工具還原為它的收縮構(gòu) 型，并從模塑的組件中除去。以這樣的方式使用結(jié)構(gòu)可變換的工具容 許在模塑的組件中發(fā)展緊密的公差。也容許在模塑的組件中有與使用 傳統(tǒng)的球嚢模塑的組件相比更好的厚度控制和表面光潔度。在另一個(gè)實(shí)施方案中，包括利用電致流變流體或磁致流變 流體，由撓性材料制得的空心結(jié)構(gòu)可變換的工具可以在將熔融的聚合 物樹脂、金屬或陶瓷傾倒到塑模中之前被插入該塑模中。此類空心的 結(jié)構(gòu)可變換的工具的實(shí)例是空心的芯軸或球嚢。傾倒之前或過程中， 磁致流變或電致流變流體4皮泵入或傾入該空心結(jié)構(gòu)可變換的工具 中。將氣泡和氣袋從工具中除去。合適的電場(chǎng)和/或磁場(chǎng)可以在發(fā)生 熔體傾倒之前、過程中或之后立即被施加于該結(jié)構(gòu)可變換的工具。電它的熔體。隨后除去電場(chǎng)和/或磁場(chǎng)，磁致流變和/或電致流變流體的 粘度降低，并從結(jié)構(gòu)可變換的工具中除去。然后可以除去該空心的結(jié) 構(gòu)可變換的工具。
[0072在另一個(gè)實(shí)施方案中，EAP、壓電陶瓷和磁致流變彈性體 可以被用于結(jié)構(gòu)可變換的工具。EAP、壓電陶瓷和磁致流變彈性體都 可以通過施加電或磁場(chǎng)而活^匕。響應(yīng)于合適刺激的施加，全部三種刺 激可以顯示出在幾何結(jié)構(gòu)和/或尺寸方面的可逆的可測(cè)量的改變。這
憶合金，作為實(shí)施可逆的結(jié)構(gòu)可變換的工具的元素。
0073在一個(gè)實(shí)施方案中，用于制造制品的彈性體模具可以含有 活性材料。在將熔體傾倒到塑模中之后，可以通過使用外界刺激將活 性材料活化，而賦予制品以某種特定的效果，例如凹痕等。外界刺激 可以促進(jìn)包含于彈性體塑模中的活性材料取向的改變，從而賦予特定 效果。
[00741雖然參考示范性實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，本領(lǐng)域技 術(shù)人員可以理解，進(jìn)行各種改變及其元素的同等替換均不脫離本發(fā)明 的范圍。此外，本發(fā)明教導(dǎo)的許多改性可以適用于特殊的情形或材 料，而不脫離其主要范圍。因此，本發(fā)明不局限于特殊的實(shí)施方案， 實(shí)施方案作為最佳方式僅用于解釋本發(fā)明，本發(fā)明包括落入所附的權(quán) 利要求書范圍內(nèi)的全部實(shí)施方案。
2權(quán)利要求
1. 一種用于塑模中的結(jié)構(gòu)可變換的工具，包括含有活性材料的活性元件，其中活化時(shí)活性元件處于操作狀態(tài)以容許從所述塑?；蚰Ｋ艿牟考拈_口插入或除去所述的結(jié)構(gòu)可變換的工具。
2. 權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)可變換的工具，其中所述的活性材料 是形狀記憶合金、電活性聚合物、壓電介質(zhì)、壓電陶瓷、鐵磁性形狀 記憶合金、形狀記憶聚合物、磁致伸縮材料、電致流變流體、磁致流 變流體、磁致流變彈性體或包括至少一種上述活性材料的組合，其中 活性材料的活化受電、磁、熱能、輻射、化學(xué)能或包括至少一種上述 刺激的組合的促進(jìn)。
3. 權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)可變換的工具，包括塑模、芯軸、球 嚢、?？诨蛩苣２迦爰?，或包括上述至少一種的組合。
4. 權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)可變換的工具，其中活性元件是布置 在芯上的涂層。
5. 權(quán)利要求4所述的結(jié)構(gòu)可變換的工具，其中所述芯是固體， 并且其中所述芯包括棒料、梁料或其組合。
6. 權(quán)利要求4所述的結(jié)構(gòu)可變換的工具，其中所述芯是空心 的，并且其中所述芯包括管料。
7. 權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)可變換的工具，其中活性元件被布置 在撓性殼內(nèi)。
8. 權(quán)利要求7所述的結(jié)構(gòu)可變換的工具，其中撓性殼包括熱塑 性聚合物樹脂、熱固性聚合物樹脂或其組合。
9. 權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)可變換的工具，其中所述的活化促進(jìn) 由第一形狀到第二形狀的變化、至少一種尺寸的變化或由第一彈性模 量到第二彈性模量的變化。
10. 權(quán)利要求9所述的結(jié)構(gòu)可變換的工具，其中第一彈性模量大 于第二彈性模量。
11. 權(quán)利要求9所述的結(jié)構(gòu)可變換的工具，其中第二彈性模量大 于第一彈性模量。
12. —種在模塑操作中使用結(jié)構(gòu)可變換的工具的方法，包括將 熔融的聚合物樹脂、金屬、陶瓷或包括熔融的聚合物樹脂、金屬或陶 瓷的組合傾倒在含有結(jié)構(gòu)可變換的工具的塑模中，其中該結(jié)構(gòu)可變換的工具包括活性元件，該元素在施加外界刺激時(shí)被活化；和 活化該活性元件。
13. 權(quán)利要求12所述的方法，其中活化該活性元件被用來賦予所模塑的組件以想要的特征。
14. 權(quán)利要求12所述的方法，其中活化活性元件被用來促進(jìn)將結(jié)構(gòu)可變換的工具從塑模中除去。
15. 權(quán)利要求12所述的方法，其中活性材料是形狀記憶合金、 電活性聚合物、壓電介質(zhì)、壓電陶覺、鐵磁性形狀記憶合金、形狀記 憶聚合物、磁致伸縮材料、電致流變流體、磁致流變流體、磁致流變 彈性體或包括至少一種上述活性材料的組合，其中活性材料的活化受 電、磁、熱能、輻射、化學(xué)能或包括至少一種上述外界刺激的組合的 促進(jìn)。
16. 權(quán)利要求12所述的方法，其中活性元件的活化發(fā)生在將熔 融的聚合物樹脂、金屬、陶瓷或包括熔融的聚合物樹脂、金屬或陶瓷 的組合傾倒在該塑模中之前、過程中或之后。
17. 權(quán)利要求12所述的方法，其中所述的活化促進(jìn)了所述結(jié)構(gòu) 可變換的工具的硬度改變、形狀改變和/或尺寸改變。
18. 權(quán)利要求12所述的方法，其中所述的活化增加了所述工具 的硬度。
19. 權(quán)利要求12所述的方法，進(jìn)一步包括將所述的結(jié)構(gòu)可變換 的工具減活。
20. 權(quán)利要求19所述的方法，進(jìn)一步包括將所述的結(jié)構(gòu)可變換 的工具從模塑的部件中除去。
21. 權(quán)利要求19所述的方法，其中所述的減活減少了結(jié)構(gòu)可變 換的工具的硬度。
22. —種方法，包括將空心的結(jié)構(gòu)可變換的工具插入到第一塑模中，該工具包括活性 元件并且具有第一形狀和/或第一套尺寸； 活化所述的活性元件； 使所述的結(jié)構(gòu)可變換的工具膨脹；將所述的結(jié)構(gòu)可變換的工具中的活性元件減活以鎖定第二形狀 和/或第二套尺寸以形成新的結(jié)構(gòu)可變換的工具；將該新的結(jié)構(gòu)可變換的工具減壓；和 從所述的第一塑模中除去該新的結(jié)構(gòu)可變換的工具。
23. 權(quán)利要求22所述的方法，進(jìn)一步包括在第二塑模中使用所述新的結(jié)構(gòu)可變換的工具以模塑具有想要形狀的物件。
24. 權(quán)利要求22所述的方法，進(jìn)一步包括活化所述的活性元件以將所述新的結(jié)構(gòu)可變換的工具恢復(fù)到第一形狀和/或第一套尺寸。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于塑模中的結(jié)構(gòu)可變換的工具，包括含有活性材料的活性元件，其中活化時(shí)所述活性元件處于操作狀態(tài)以容許從所述的塑模或模塑的部件的開口插入或除去所述的結(jié)構(gòu)可變換的工具。本發(fā)明還公開了在模塑操作中使用結(jié)構(gòu)可變換的工具的方法，包括將熔融的聚合物樹脂、金屬、陶瓷或包括熔融的聚合物樹脂、金屬或陶瓷的組合傾倒在含有結(jié)構(gòu)可變換的工具的塑模中，其中該結(jié)構(gòu)可變換的工具包括活性元件，該元素在施加外界刺激時(shí)可以被活化；和活化該活性元件。
文檔編號(hào)B29C33/30GK101426629SQ200580013656
公開日2009年5月6日 申請(qǐng)日期2005年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月12日
發(fā)明者A·L·布勞內(nèi), N·L·約翰遜 申請(qǐng)人:通用汽車公司