[发明专利]成形复合载具蒙皮及用于其高速制造的方法

说明书

一种用于使用与热塑性聚合物丝混合以形成混合纤维的碳纤维丝来制造包括三维区段、蒙皮和面板的大型载具机身区段、蒙皮和面板的方法。第一步是使用混合纤维制造复合预成型件。由安装在机械臂上的纤维切碎器单元切碎混合纤维以产生短切混合纤维，短切混合纤维喷射在预成型件模具上并且在预成型件模具上定形以产生混合纤维预成型件。第二步是使用热和压力将混合纤维预成型件形成为复合层压件，以将混合纤维固结在加工表面上。所公开的方法可用于以高生产速率制造适合于轻型飞行器、汽车、eVTOL和其它面板应用的大型和成形的热塑性复合面板、蒙皮或区段。

相关申请的交叉引用

本申请根据35USC第119(e)节请求享有于2020年3月6日提交的共同待审的美国临时专利申请第62/986194号的优先权，其全部公开内容通过引用并入本文中。

技术领域

本发明大体上涉及成形复合层压件及用于其高速制造的方法。

背景技术

诸如汽车、飞机、直升机和电动垂直起降(eVTOL)城市运输飞行器的相对较小的载具要求外部机身壳结构来装下乘客和系统。存在许多用于制造此类载具外部壳结构的现有方法，诸如成型金属、塑料和复合材料。然而，每种此类方法都具有取决于载具要求的属性和缺点。而且，对于任何给定的应用，材料和制造工艺必须满足功能、成本和制造的要求。

例如，钢板金属是主要的汽车车身面板制造方法，因为其成本低、容易成型、高度耐用，并且制造方法满足汽车生产速率要求。然而，钢板金属重并且倾向于生锈。

作为另一个示例，铝是用于在小型飞行器和直升机机身的壳和蒙皮的制造中使用的主要材料，因为铝是轻量的，并且可容易地成型为机身面板形状。然而，铝机身面板必须铆接到支承架构，这既费时又费钱。而且，铝存在腐蚀和疲劳顾虑。

诸如碳纤维和环氧树脂的先进复合材料提供了轻量、结实、耐腐蚀和耐疲劳的结构，但是材料和制造工艺缓慢并且成本更高。

用于城市运输载具和飞行器(诸如eVTOL)的机身壳是重大的材料和工艺挑战，因为机身壳必须非常轻量、结实、成本低并且能够以高速制造。为了对于城市运输载具成本效益合算，期望能够以接近每小时一个单元的速率制造机身壳。

对于大批量生产城市运输载具和飞行器(诸如eVTOL和其它类似载具)的第二个目标是以尽可能少的节段制造机身壳结构以消除组装时间和成本。迄今为止，先进复合机身壳结构尚未以大尺寸且以适合于针对城市运输载具和飞行器(诸如eVTOL)所需的高速制造的成本和生产速率制造。

对诸如汽车、飞行器和城市机动性eVTOL飞行器的大批量生产的载具的要求组是广泛的。除了满足对于功能、强度、重量、成本和制造速率的基本要求外，现代产品还必须满足高标准的外观，并且优选在使用寿命结束时可回收。

热塑性基体先进复合材料对于小型载具(诸如汽车、飞机、直升机和eVTOL飞行器)的机身壳结构具有许多有吸引力的特征。碳纤维与诸如聚醚醚酮(PEEK)、聚芳醚酮(PAEK)、聚苯硫醚(PPS)和聚醚酰亚胺(PEI)的热塑性聚合物相组合可制成结实、轻量并且抗损坏的机身壳结构。热塑性材料还是可回收的。作为材料，热塑性复合材料潜在地不要求像对于热固性聚合物材料的长加工时间那样的长加工时间。

尽管热塑性复合材料为轻量载具机身壳提供了许多有吸引力的特征，但存在许多重大的加工挑战。例如，典型地要求高模制压力(200psi+)和高模制温度(500F+)以将碳纤维热塑性材料成型并且固结成适合于载具蒙皮面板的薄的高强度复合层压件。这些加工要求对于小部件来说不是问题。可使用液压机来产生模制模压力。存在多种用来对小部件加热和冷却工具的手段。