專利名稱：桁骨復合材料制品及其流動介質(zhì)成型模具和成型方法
技術領域：
本發(fā)明涉及帶有增強骨架的復合材料制品及其成型模具和模塑成型方法，能夠廣 泛應用于船艇、汽車、列車、飛機、火箭、風力發(fā)電機扇葉、城市景觀或功能建筑等大型復合 材料制品的成型加工領域，尤其是將材料以流體形式灌注到型腔后經(jīng)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：
游艇船體、海洋工程建筑、高速火車頭和飛機艙體等絕大部分采用復合材料制造。 這類大型復合材料制品的成型加工制造技術，除了沿用已久的手糊工藝外，越來越多地采 用模壓成型和模塑成型方法。復合材料的手糊工藝存在著勞動強度大、生產(chǎn)效率低、成型質(zhì) 量不穩(wěn)定等諸多缺點。復合材料的模壓工藝采用浸膠布作為模壓料，而模塑工藝是采用片 狀、團狀、散狀的模壓料，首先將一定量的模壓料置于金屬對模中，而后在一定溫度和壓力 下成型制得所需的制品。模壓或模塑成型方法所制得的產(chǎn)品尺寸精確，表面光潔，可一次成 型，生產(chǎn)效率較高，且產(chǎn)品質(zhì)量較為穩(wěn)定，適合于大批量制作各種中小型復合材料制品。其 不足之處在于模具的設計和制造較為復雜，生產(chǎn)初期的投資較高，且制件受設備的限制較 為突出，對于大型復合材料制品的加工制造，特別是單件或小批量生產(chǎn)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(jié)構(gòu)的制造方法。該發(fā)明主要是 將泡沫材料切割成泡沫芯材或采用模具成型泡沫芯材，然后在泡沫芯材上涂布帶填料的玻 璃鋼樹脂。該方法可以解決模具制造成本高的問題，可用于沒有嚴格的形狀和尺寸精度要 求的制品(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 芯材的制作也比較復雜，而且成型制品內(nèi)部為泡沫芯材，外表面為自由面，不適用于強度要 求高和尺寸精度要求高的制品。美國專利(U. S. 4902215，U. S. 5052906)于1990年公開了 由SEEMANN發(fā)明的復合材料樹脂原位融合模塑料工藝，通過在模具內(nèi)鋪設干布骨架材料， 用硅膠真空袋將骨架材料套封在模腔內(nèi)，然后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(fā)被真空泵抽走，大氣壓將逐漸凝固的樹脂復合材料壓緊在模 腔表面，從而得到制品。該技術大大降低了手糊工藝的勞動強度，減小了溶劑揮發(fā)造成的環(huán) 境污染。該技術應用初期，常常還由于流動不暢通等原因造成充填不足，浸潤融合不充分等 缺陷，后來陸續(xù)改進并產(chǎn)生了一些列相關專利(到2000年底共申請專利10項)，從而使該 技術走向成熟并廣泛應用于游艇船體等領域。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復合材料中的利用率沒有得到提高。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在解決大型復合材料制品模具成本高，成型加工復雜，不能滿足現(xiàn)代制 造業(yè)產(chǎn)品造型個性化設計和升級換代日新月異的發(fā)展需求等問題，以流動的介質(zhì)自適應制 品表面構(gòu)成模具，取代現(xiàn)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(tǒng)的 模具制造方法，并將增強骨架材料設計成桁架或富勒結(jié)構(gòu)等建筑結(jié)構(gòu)直接支撐蒙皮材料構(gòu)成模具的型腔，使增強材料在整個結(jié)構(gòu)中充分發(fā)揮作用，減少材料浪費，從而創(chuàng)造一種無需 再加工模具型腔的桁骨復合材料制品模塑成型制造方法。
本發(fā)明桁骨復合材料制品由骨架增強材料、蒙皮材料和充填材料組成，骨架增強 材料由桿固定連接而成并具有了制品的輪廓，在骨架增強材料作為外輪廓的節(jié)點上貼合蒙 皮材料，填充材料嵌入在蒙皮材料內(nèi)骨架增強材料的桿間。
本發(fā)明桁骨復合材料制品的骨架增強材料由桿按照桁架、富勒結(jié)構(gòu)或其它穩(wěn)定的 力學結(jié)構(gòu)根據(jù)制品形狀特征編織而成，即“桁架型增強骨架”(簡稱“桁骨”)，本發(fā)明中的骨 架增強材料的桿采用高強度的金屬、非金屬或復合材料制成，桿可細如絲或粗如棒或管狀， 桿端可以有球節(jié)。
本發(fā)明中的骨架增強材料的桿采用螺紋連接、焊接、鉚接、粘接等連接方式制成桁 架等強度足夠且受力穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明中的蒙皮材料是透氣型網(wǎng)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制品的一部分，或者在成型完畢后將其剝離下來供再次成型時重復使用。
本發(fā)明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(jié)固化的材料，是同一種類和微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)的材料或多種類和微觀結(jié)構(gòu)形態(tài) 材料的混合物，包括密實材料或發(fā)泡材料等。
本發(fā)明制作桁骨復合材料制品的流動介質(zhì)成型模具，包括容器、型腔、灌注裝置和 流動介質(zhì)，型腔由形成桁骨復合材料制品的骨架增強材料、蒙皮材料構(gòu)成，骨架增強材料由 桿固定連接而形成并具有了預加工制品的輪廓，在骨架增強材料作為外輪廓的節(jié)點上貼合 蒙皮材料形成型腔，型腔放置于容器中，流動介質(zhì)位于容器內(nèi)，型腔浸入在流動介質(zhì)中，型 腔的填充材料入口處連接有灌注裝置，灌注裝置用于充填材料的灌注，容器可以是敞口或 密閉的，密閉的容器中流動介質(zhì)可以有壓力，流動介質(zhì)的壓力均勻作用在型腔的蒙皮上，流 動介質(zhì)可以承受預加工制品制作時型腔內(nèi)充入的充填材料的膨脹力。
本發(fā)明桁骨復合材料制品的流動介質(zhì)成型模具的流動介質(zhì)是空氣、氮氣等氣體， 水、油、水銀等各種溶液或熔融態(tài)的流體，或者采用砂礫、玻璃微球、鋼珠等具有一定流動性 的固體材料。根據(jù)成型壓力大小，流動介質(zhì)一般采用水、流沙等廉價易得、使用安全環(huán)保、可 反復使用的材料。
本發(fā)明利用流動介質(zhì)成型模具制作桁骨復合材料制品的成型方法，首先采用桿按 照桁架、富勒結(jié)構(gòu)或其它穩(wěn)定的力學結(jié)構(gòu)根據(jù)預加工制品的形狀特征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”)，骨架增強材料由桿固定連接而 形成并具有了預加工制品的輪廓；在骨架增強材料作為外輪廓的節(jié)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(jié)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涂覆膠等處理；將型腔放入盛有流動介質(zhì)的容器中，使型腔淹 沒在流動介質(zhì)中，流動介質(zhì)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(gòu)成一個連通的成型型腔；型腔、容器、灌注裝置和流動介質(zhì)構(gòu)成流動介質(zhì)成型 模具，型腔在蒙皮材料外側(cè)流動介質(zhì)的靜壓作用下可以承受一定的膨脹作用力；然后將填 充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復合材料制 品；將其從流動介質(zhì)中取出，保留或去除蒙皮材料。
本發(fā)明中，在灌注充填材料時，根據(jù)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，以提高成型制品的密實性和去除蒙皮材料后 的制品的外觀光順性，搖擺或振動運動的產(chǎn)生通過人工、機械力或電磁力實現(xiàn)。
本發(fā)明適用于游艇船體、高速火車頭和飛機艙體等大型復合材料制品的成型加 工，骨架增強材料與蒙皮材料構(gòu)成模具的型腔，可免去模具的加工制造環(huán)節(jié)，大幅度降低制 造成本；充分發(fā)揮骨架材料的增強作用，制品的體積可以很大，不受傳統(tǒng)加工設備的限制； 改變增強材料的桿的長度和數(shù)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(chǎn)品更新?lián)Q代的速度，在現(xiàn)代制造業(yè)中具有廣闊的應用前景。
圖1是本發(fā)明桁骨復合材料制品的一個實施例一游艇船體橫斷面示意圖。
圖2是圖1所示的本發(fā)明桁骨復合材料制品一個實施例一游艇船體的流動介質(zhì) 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(zhì)，5-內(nèi)表面流動 介質(zhì)，6-灌注裝置，7-真空抽吸管道。
具體實施方式
根據(jù)制品造型設計，將桿通過固定連接方式構(gòu)成穩(wěn)定的骨架材料1。采用蒙皮材料 3貼合在骨架材料1的輪廓節(jié)點上，構(gòu)成模具的型腔。在骨架增強材料、蒙皮材料與充填材 料接觸的部位涂覆膠等處理。將型腔沉浸或者淹埋在流動介質(zhì)中，型腔、流動介質(zhì)及容器構(gòu) 成流動介質(zhì)模具。當蒙皮材料3為氣密性材料時，為提高充填成型質(zhì)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(jù)充填 材料2的特性，選擇合適的外表面流動介質(zhì)4和內(nèi)表面流動介質(zhì)5，以利于充填材料2優(yōu)質(zhì) 高效地充填，防止分層、脹模、氣泡等缺陷的產(chǎn)生。根據(jù)制品的需要，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。對于反應固化類填充材料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 例快速均勻混合后充填，在型腔中反應固化。
實施例游艇船體的成型
游艇船體由不銹鋼絲作為骨架材料1，聚氨酯涂膠布為蒙皮材料3，玻璃鋼樹脂為 充填材料2。
上述游艇船體的成型模具，由不銹鋼絲連接成骨架材料1，聚氨酯涂膠布作為蒙 皮材料3貼合在不銹鋼絲作為上述游艇船體輪廓的節(jié)點上形成型腔，容器為敞口結(jié)構(gòu)的水 池，型腔放置在容器中，型腔上側(cè)為游艇船體的內(nèi)側(cè)，型腔下側(cè)為游艇船體的外側(cè)，游艇船 體的內(nèi)側(cè)和外側(cè)分別與內(nèi)表面流動介質(zhì)5和外表面流動介質(zhì)4接觸，內(nèi)表面流動介質(zhì)5和 外表面流動介質(zhì)4都為水，流動介質(zhì)對蒙皮材料3產(chǎn)生一定的靜水壓力。
利用流動介質(zhì)模具制作游艇船體的方法為第1步根據(jù)游艇船體的造型設計，利 用不銹鋼絲連接成骨架材料1，骨架材料1采用一層或者多層，以構(gòu)成設計外形并承受足夠 載荷為目標，本發(fā)明中骨架材料1作為輪廓的內(nèi)外表面的不銹鋼絲連接為四邊形，每個節(jié) 點與對面臨近的四個點由絲接連構(gòu)成穩(wěn)定的錐形結(jié)構(gòu)，節(jié)點可采用球節(jié)，也可以直接焊接；第2步采用聚氨酯涂膠布作為蒙皮材料3貼合在骨架材料1作為輪廓的節(jié)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涂覆膠等處理，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(cè)為游 艇船體的內(nèi)側(cè)，型腔下側(cè)為游艇船體的外側(cè)，游艇船體的內(nèi)側(cè)和外側(cè)分別與內(nèi)表面流動介 質(zhì)5和外表面流動介質(zhì)4接觸，內(nèi)表面流動介質(zhì)5和外表面流動介質(zhì)4都為水；第4步根 據(jù)充填材料的流變參數(shù)、密度等物理性質(zhì)的不同情況，為保障充填質(zhì)量和充填效率，需要采 取相應的輔助充填措施，如對蒙皮材料內(nèi)外流動介質(zhì)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(nèi)；第6步觀察型腔內(nèi)充填 材料2充填和固化情況，根據(jù)需要可以施加外力搖擺或震動，以利于成型制品的水密性和 外觀的光順性；第7步待型腔內(nèi)材料固化完成后，抽干船體內(nèi)側(cè)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(jù)需要 可以對外表面噴涂一層密實材料并進行修飾處理。
權利要求
1.桁骨復合材料制品，由骨架增強材料、蒙皮材料和充填材料組成，其特征在于骨架 增強材料由桿固定連接而成并具有了制品的輪廓，在骨架增強材料作為外輪廓的節(jié)點上貼 合蒙皮材料，填充材料嵌入在蒙皮材料內(nèi)骨架增強材料的桿間。
2.根據(jù)權利要求1所述的桁骨復合材料制品，其特征在于骨架增強材料的桿采用金 屬、非金屬或復合材料制成，桿是絲、棒或管，桿端有球節(jié)。
3.根據(jù)權利要求1所述的桁骨復合材料制品，其特征在于蒙皮材料是透氣型網(wǎng)狀織 物或無紡布，或者是具有氣密性的膜、片、板。
4.根據(jù)權利要求1所述的桁骨復合材料制品，其特征在于充填材料為高分子樹脂、水 泥或其它能夠灌注到型腔中進行反應固化、冷卻固化或燒結(jié)固化的材料，或是同一種類和 微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)的材料或多種類和微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)材料的混合物，包括密實材料或發(fā)泡材料。
5.制作權利要求1所述的桁骨復合材料制品流動介質(zhì)成型模具，其特征在于主要包 括容器、型腔、灌注裝置和流動介質(zhì)，型腔由形成桁骨復合材料制品的骨架增強材料、蒙皮 材料構(gòu)成，骨架增強材料由桿固定連接而成并具有了預加工制品的輪廓，在骨架增強材料 作為外輪廓的節(jié)點上貼合蒙皮材料形成型腔，型腔的填充材料入口處連接有灌注裝置，型 腔放置于容器中，流動介質(zhì)位于容器內(nèi)，型腔浸入在流動介質(zhì)中，容器是敞口的或密閉的， 流動介質(zhì)的壓力作用在型腔的蒙皮材料上。
6.根據(jù)權利要求5所述的桁骨復合材料制品流動介質(zhì)成型模具，其特征在于流動介 質(zhì)是空氣、氮氣、水、油、水銀，或者是砂礫、玻璃微球、鋼珠。
7.利用權利要求5所述的流動介質(zhì)成型模具制作權力要求1所述的桁骨復合材料制 品成型方法，其特征在于首先，骨架增強材料由桿固定連接而成并具有了預加工制品的輪 廓；在骨架增強材料作為外輪廓的節(jié)點上貼合蒙皮材料形成型腔；在骨架增強材料、蒙皮 材料與充填材料接觸的部位涂覆膠；將該型腔放入盛有流動介質(zhì)的容器中，使型腔淹沒在 流動介質(zhì)中，流動介質(zhì)緊密地接觸在蒙皮材料的外表面上，在骨架材料的支撐下由蒙皮材 料構(gòu)成一個連通的成型型腔，該型腔在蒙皮材料外側(cè)流動介質(zhì)的靜壓作用下可以承受一定 的膨脹作用力；型腔、容器、灌注裝置和流動介質(zhì)構(gòu)成流動介質(zhì)成型模具；然后將填充材料 通過灌注裝置灌注到該型腔中；充填材料在型腔中固化，便得到帶有骨架增強材料的復合 材料制品；將其從流動介質(zhì)中取出，保留或去除蒙皮材料。
8.根據(jù)權利要求7所述的桁骨復合材料制品成型方法，其特征在于在充填材料注入 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震動，搖擺或振動運動的產(chǎn) 生是通過人工、機械力或電磁力實現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明桁骨復合材料制品及其流動介質(zhì)成型模具和成型方法，桁骨復合材料制品由骨架增強材料、蒙皮材料和充填材料組成，骨架增強材料由桿固定連接而成并具有了制品的輪廓，在骨架增強材料作為外輪廓的節(jié)點上貼合蒙皮材料，填充材料嵌入在蒙皮材料內(nèi)骨架增強材料的桿間，其流動介質(zhì)成型模具包括容器、型腔、灌注裝置和流動介質(zhì)，其成型方法是將充填材料灌注到型腔中，充填材料固化得到制品。本發(fā)明免去模具型腔的加工制造環(huán)節(jié)，可大幅度降低制造成本，并且充分發(fā)揮骨架材料的增強作用，制品的體積可以很大，不受傳統(tǒng)加工設備的限制，改變增強材料的桿的長度和數(shù)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(chǎn)品更新?lián)Q代的速度。
文檔編號B29C70/54GK102029732SQ20091009337
公開日2011年4月27日 申請日期2009年9月29日 優(yōu)先權日2009年9月29日
發(fā)明者楊衛(wèi)民, 歐陽良峰, 閻華 申請人:北京華夏英藍科技發(fā)展有限公司, 青島科技大學