[发明专利]多段式复合模具

说明书

用于模塑大型复合结构的多段式复合模具(10)。模具包括至少两个由准各向同性片材模塑混配物制备的模具节段(12，14)。将两个模具节段用嵌接塞(42)在模具表面接合在一起。嵌接塞由加固的准各向同性片材模塑混配物的特定取向层构成。嵌接塞由与制备模具节段的相同类型的准各向同性片材模塑混配物制备。

技术领域

本发明总地涉及用于将复合材料模塑成大型复合结构的设备和方法。更特别地，本发明涉及用于形成这种大型复合结构的多段式模具(multi-sectional tools)以及将这些模具连接在一起的方法。

背景技术

很多制造复合结构的方法利用型腔模具来得到所需的表面轮廓和形状。型腔模具在压热器法中是特别重要的，在该压热器法中将未固化树脂/纤维材料在型腔模具中在真空下加热到相对较高的固化温度(175℃及以上)，形成最终的复合部件或结构。

通常使用由钢合金制成的型腔模具例如INVAR36，因为它们极其牢固并且可易于承受用于压热器的升高的固化温度，以使复合材料固化。这些型腔模具通常也称为工具或模具。也可以机器加工钢合金模具以获得严密面轮廓度容限。另外，用于模塑大型结构的模具可以通过将钢合金模具的节段连接在一起并焊接接缝处来制备。可以将焊接的接缝处机器加工并抛光，以剔除型腔模具中的任何缺陷，产生无缝模具表面，该表面免于在部件固化的表面上有不期望的“划分线”。虽然钢合金非常适于制造多段式大模具，但是却有很多缺点。例如，钢合金模具往往较重且昂贵。而且，加热和然后冷却厚重的多段式钢合金模具所需的时间增加了模塑复合结构期间的循环时间。

由复合材料制备的模具已经作为用于压热器模塑复合部件的钢合金模具的替代物而被开发。复合模具已经流行，因为其通常比钢合金模具轻。复合模具通常使用高度精确的主模，其由钢合金或其它适宜的材料制成。

预浸渍的复合材料(预浸料)通常用于制备复合模具。预浸料是未固化树脂基质和纤维增强物的组合，随时可用于模塑和固化以形成复合模具。通过用树脂预浸渍纤维增强物，制造商可以小心控制浸渍到纤维网络的树脂的量和位置并确保树脂按需分布在网络中。

单向(UD)带是预浸料的常见形式。单向带中的纤维是彼此平行延伸的连续纤维。纤维的形式通常为众多单个纤维或单丝捆束，称为“丝束”。用小心控制量的未固化树脂浸渍单向纤维。通常将UD预浸料放在保护层之间形成UD带，将该带卷起以便储存或运输到生产设备。UD带的宽度通常为小于2cm)至30cm或更大。

单向带不适宜用于制备复合模具。当迫使UD带去拟合复杂工具的形状时，纤维在UD带中的平行取向和连续特性导致纤维聚束或桥联。而且，由UD带制备的复合模具无法在没有明显工具移动的情况下进行机器加工以获得复合模具所需的严密面轮廓度容限。

模塑混配物通常称为不连续纤维复合材料(DFC)模塑混配物，已经发现其适合用于制备复合模具。一种类型的DFC模塑混配物在本申请称为准各向同性片材模塑混配物，其将UD带和无规取向的短纤维的特性合并到单个模塑混配物中，该模塑混配物可以精确模塑并进行机器加工以形成复合模具。准各向同性片材模塑混配物由已经用热固性树脂浸渍的单向带的无规取向片段或薄片构成。准各向同性片材模塑混配物已经广泛用于制备复合模具。准各向同性片材模塑混配物以商业名称和购自HexcelCorporation(Dublin，CA)。已经利用或制备的复合型腔模具或模具的实例描述于美国专利8,257,631，其内容并入本申请以作参考。

准各向同性片材模塑混配物通常如下制备：将多丝丝束(纱线)彼此平行地铺置在适宜的背衬上，并用树脂浸渍该平行丝束，形成UD预浸料。然后将UD预浸料短切形成UD薄片，其通常为5mm至25mm宽和25mm至125mm长。然后形成准各向同性取向的UD薄片。将多个准各向同性取向的UD薄片的层组合在一起形成用于制备复合模具的板层状模塑材料。