[发明专利]可机加工的复合模具

说明书

本发明申请是基于申请日为2006年7月11日，申请号为200680025518.4(国际申请号为PCT/US2006/027001)，发明名称为“可机加工的复合模具”的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明总体上涉及用于模制复合材料形成复合结构体的设备和方法。更具体地说，本发明涉及用于形成所述复合结构体的模具/工具。

背景技术

多个制造复合结构体的方法利用模具或工具来形成所需的表面轮廓和形状。在高压釜加工过程中，模具尤为重要，在该过程中，在真空下，未固化的树脂/纤维材料在模具中被加热至较高的固化温度（350℉和以上），以形成最终的复合部件或结构。

目前使用由钢合金，例如INVAR36制成的模具，因为它们非常坚固并且易于耐受复合材料固化高压釜中采用的固化高温。这些模具也通常被称作“工具”或“刀具”。钢合金模具可机加工以得到严格的表面轮廓公差。另外，可以对钢合金模具进行改进以形成不同的表面形状和/或通过简单的机加工和打磨模具表面对其进行修理。进一步的优势在于，钢合金模具在需要修理之前可以重复利用多个次（超过500个循环）。尽管钢合金模具非常适合于其目标领域，但在其应用中也有多个缺陷。例如，钢合金模具趋于笨重和高成本。另外，加热然后冷却大型钢合金模具所需要的时间使得模制复合结构体的周期时间延长。

已开发出由复合材料制得的模具作为钢合金模具的替代品。复合模具由于其通常较钢合金模具轻便且制造成本低而受到欢迎。复合模具通常是由钢合金或其它适合的材料制得的高精度主模形成。现有复合模具的实例在美国专利No.4851280、WO04/030906和WO04/030897中被提出。

双马来酰亚胺和聚酰亚胺树脂结合碳纤维被广泛地选择用做复合模具的材料。手工切为正方形片的织物碳纤维被应用于主模来形成多个独立的层。主模中的织物纤维片定向，以形成平滑的加工表面。树脂可以以多种方式引入到织物纤维片中。例如，树脂可以通过由材料制备者自动浸渍进行添加（预浸料）。作为选择，树脂可以在织物片在主模中时引入织物片。该步骤可以通过真空浸渍或简单手工涂布树脂来实现。

通常，将具有较低的面重量(aerial weight)的织物纤维用作复合模具的表面层和/或表面树脂凝胶涂层，以得到没有凹点的表面。表面纤维的面重量通常为约250克/平方米（gsm）。低面重量的织物纤维用于模具表面还趋于减少下层较高面重量（约650gsm）的织物纤维的较粗糙质地向模具表面转移或转录。较高面重量的纤维通常用于模具主体，以建立达到所需模具强度所需的叠层体积/厚度。

复合模具的一个问题在于其难于机加工或修理。另外，在不降低真空整体性和牺牲尺寸稳定性的情况下，在加工模具时难于获得严格的表面公差或适应模具表面外形的变化。这个问题的发生是因为模具表面的机加工使较重的织物材料露出且改变了叠层的准各向同性特性。不同重量的材料构成的层的迁移也使叠层不平衡，从而可变形和影响模具的尺寸完整性并牺牲真空整体性。另外，较重的材料因为材料的织物特性而趋于为多孔状。当机加工进入这些层时，多孔性影响真空整体性，并且真空泄漏会沿层间剪切平面发展，其中该平面是由于所述材料施用于主模作为层而形成的。因为用于该复合模具的树脂易碎，所以复合模具的机加工更加复杂。

发明内容

根据本发明，提供用于制造复合结构体的模具（也被称作“工具”），其中模具主体由准各向同性材料制成，该材料由多个浸渍了树脂的无规取向纤维束构成。发现应用浸渍了一种适当的树脂的无规取向纤维束或片状物，形成了可以机加工达到与金属模具相同的表面公差的复合模具。

根据本发明的模具旨在用于制造具有模制表面的复合结构体或部件。该复合模具包括具有加工表面(tool surface)的模具主体，成型该加工表面以提供复合结构体所需的模制表面。模具主体由至少一个由准各向同性材料构成的模具层构成，其中准各向同性材料由多个浸渍了树脂的无规取向纤维束或纤维片状物构成。模具层包括形成加工表面的至少一部分的表面。

作为本发明的一个方面，模具主体包括至少两个模具层，其中两个模具层都具有形成加工表面的至少一部分的表面。两个或更多个模具层上的加工表面是利用主模形成的，然后如果需要可以通过机加工进一步成型。