TW202138169A - 用於生產由複合材料構成之四角形殼件的方法及工具 - Google Patents

Abstract

本發明係關於一種用於生產一四角形殼件之方法，該四角形殼件包含五個面及該等面之間的不可展開的三面耦接部，該方法包含以下步驟： i. 切割包含連續纖維之板層（210，220），而覆蓋該殼件之在該等三面耦接區帶之外部的該五個面； ii. 獲得具有該等三面耦接部之形狀之四個固結耦接部件（320），各部件包含待插入於該等板層之間的一插入區帶（321）； iii. 定位及疊置在步驟i）中獲得之該等板層； iv. 藉由將插入區帶插入於兩個板層之間而將該四個固結部件（320）插入至該等三面耦接區帶中以獲得一預成型體； v. 將該預成型體置放於一工具（502，602）中，且藉由使在步驟iv）中所獲得之組件經受一預定壓力-溫度循環而進行纖維性板層之層壓板的固結。

Description

用於生產由複合材料構成之四角形殼件的方法及工具

本發明係關於一種用於實現由複合材料構成之四角形殼件之方法及工具。

本發明主要但非專用地應用於行李箱領域，以用於實現具有硬質殼件之手提箱或皮箱。

參看關於先前技術之圖1，手提箱或硬質皮箱通常包含具有相等或不同深度的兩個四角形殼件（100，僅此等殼體中之一者展示於圖1中），其包含5個面，由鉸鏈及封閉機構組裝。

每一殼件包括底部末端（101）及凸緣末端（102）。

根據具體實例，該等殼體係由熱塑性聚合物構成，該熱塑性聚合物根據該具體實例係用短纖維或連續纖維增強或不用短纖維或連續纖維增強。

所謂的連續纖維（110）自殼件之一邊緣延伸至另一邊緣。

當殼件係由用連續纖維增強之複合物構成時，複合物係例如藉由堆疊預浸漬有構成基質之聚合物之纖維性板層而獲得，該基質在後續步驟期間藉由熱壓方法而成形且形狀固結。

文件EP 2 694 277揭示用於藉由熱壓形成纖維性板層之堆疊之此方法的實例。

殼件之面之間的耦接區帶（121，122），特別是三面耦接區帶（121）或「皮箱拐角」係實施此方法的關鍵區帶，特別是在使用於成型溫度下具有很小或不具有可塑性的增強纖維時，或在其剛度防止其遵循此複雜輪廓時。

三面耦接部（121）通常呈現球體之部分中或橢球體之部分中的表面。

首先，在板層中不產生皺折/折痕的情況下難以匹配此等形狀，特別是關於不可展開區域的皮箱拐角（121）。

在不使用具有移動性或包含可充氣部分之衝頭的情況下難以在此等區帶中施加壓力，因此係複雜的工具。

難以藉由實施快速加熱及冷卻工具來確保此等區帶中的均勻加熱溫度，諸如文件EP 2 694 277中所描述。

即使當成功地防止皺折時，例如藉由在成形期間張緊纖維、藉由成功地提供均勻的加熱及足夠壓力以用於在該等區帶中固結，但亦可能發生纖維之間的聚合物之皺折現象，從而導致聚合物基質之局部之缺陷以及外表之外觀缺陷出現。

因此，儘管EP 2 694 277中所描述的裝置及方法對於製造具有淺凹部之殼體（諸如用於行動電話之保護性殼體）整體上令人滿意，但對用連續纖維增強且展現深凹部之殼體（諸如針對行李箱應用）實施此方法仍然非常昂貴。

本發明旨在解決先前技術之缺點且出於此目的係關於一種用於生產一四角形殼件之方法，該四角形殼件包含具有凸緣末端之五個面及該等面之間的不可展開的三面耦接部，該方法包含以下步驟： i. 切割包含連續纖維之板層，而覆蓋該殼件之在該等三面耦接區帶之外部的該五個面； ii. 獲得具有該等三面耦接部之形狀之四個固結耦接部件，各部件包含供插入於該等板層之間的一區帶； iii. 定位及堆疊在步驟i）中獲得之該等板層； iv. 藉由將該四個固結部件之插入區帶插入於兩個板層之間而將該四個固結部件插入至該等三面耦接區帶中以獲得一預成型體； v. 將該預成型體置放於一工具中，且藉由使在步驟iv）中所獲得之組件經受一預定壓力-溫度循環而進行纖維性板層之堆疊的固結。

因此，該等纖維性板層僅覆蓋可展開區帶且容易地安裝於工具中或上，而不會產生任何皺折。皮箱拐角在固結之後完美地整合，而無任何外觀缺陷。

本發明根據下文中所揭示之具體實例及替代方案而實施，該等具體實例及替代方案將被個別地考慮或根據任何技術上可操作組合加以考慮。

根據一具體實例，該等耦接部件係由一熱塑性聚合物構成且藉由射出成型獲得。此方法在所獲得形狀方面係低成本的且可再生的。

替代地，該等耦接部件係藉由熱壓製造。

有利地，構成該等耦接部件之該聚合物係用短纖維增強。因此，此等部件之機械阻力得以改良。

有利地，選擇構成該等耦接部件之該聚合物使得在步驟v）期間應用至該組件的最大固結溫度大於該聚合物之玻璃轉化溫度但小於該聚合物之熔化溫度。因此，在該固結步驟期間，該三面耦接部件之形狀適應於該殼件之形狀。

根據一具體實例，該等耦接部件在該所成型殼件的該等凸緣末端之間延伸。此具體實例使得有可能簡化該等板層之切割。

根據一具體實例，在包含一成對的一衝頭及模具之一工具中進行步驟v），在步驟vi）中所獲得之該組件在步驟v）期間包含於該衝頭與該模具之間。

根據另一具體實例，步驟v）包含用一密封油布（sealed tarpaulin）覆蓋在步驟iv）中所獲得之該組件且對該油布與該工具之間的空間抽真空。

圖2，根據一具體實例，實施本發明之方法及裝置以用於實現與圖1所展示之四角形殼件相似的四角形殼件，其由包含用連續纖維（290）增強之熱塑性聚合物基質之複合材料構成。

然而，本發明不限於此具體實例且可使用預浸漬有熱固性聚合物或預浸漬有未用纖維增強之熱塑性坯料的板層來實施。

出於此目的，預成型係藉由包含連續纖維（290）之層壓纖維性板層（210，220）來進行。

作為非限制性實例，該等纖維性板層包含玻璃纖維、碳纖維、諸如亞麻（flax）纖維、竹（bamboo）纖維或劍麻（sisal）纖維之天然纖維，或塗佈有熱塑性聚合物、與熱塑性聚合物混合或塗有熱塑性聚合物膜的呈編織品或非編織品之形式的聚合物纖維。

預切割該等纖維性板層使得其並不在殼件之面之間的耦接區帶中延伸。

因此，根據一具體實例，圖2A，切割該等板層以使得不覆蓋殼件之未來面之間的整個耦接區帶（222）。

根據另一具體實例，圖2B，僅在所謂的皮箱拐角之三面耦接區帶（221）處切割板層。

此等具體實例並不為限制性的。因此，例如在圖2A之狀況下，藉由交替地疊置大尺寸沿著Y軸延伸的矩形板層與大尺寸根據X軸延伸的矩形板層來獲得相同程度之結果，此舉係為了簡化切口。

原理同樣適用於圖2B之組態。

無論具體實例如何，切口（222，221）適應於最終部件之皮箱拐角處，尤其是面之間的耦合半徑處的耦接區帶之形狀。

因此，儘管尤其在圖2A中所展示之板層的狀況下之切口（221）被展示為圓形切口，但若最終殼件上之皮箱拐角處之目標之耦接部具有除球形之外的形狀，切口亦可具有橢圓形或甚至三葉形形狀（trilobe shape）。

歸因於此等切口之存在，板層並不覆蓋最終部件之不可展開區帶，且藉由根據摺線（215，225）將板層摺疊以使得實現凸緣末端，容易地將該等不可展開區帶施加於待實現該部件之形狀的工具上或工具中。

有利地，板層之尺寸根據其在疊層中之位置係可變的，以使得考量面之間的耦合半徑根據待實現之殼件之厚度的變化。

板層（210，220）以起伏形式疊置於衝頭類型之工具上或作為中空件疊置於模具類型之工具上，在該兩種狀況下皆處於殼件之形狀。

取決於構成複合材料之基質的聚合物之性質，將複合材料基質以塗層、層狀膜或混合纖維之形式整合於板層中，且根據殼件之面之間的耦合半徑，板層之摺疊係藉由在摺疊區帶中局部加熱板層來進行，例如藉助於烙鐵或任何其他合適構件。

有利地，在疊置期間，藉由焊接點或線將板層焊接在一起以使得組件穩定且有助於其處置。

圖3，在工具（300）（此處為包含處於殼件之形狀之印記的模具）中藉由耦接部件（320）進行耦接區帶（221，222）中之板層（210，220）之間的耦接。

該等耦接部件（320）具有在殼件之面之間的該等耦接區帶（221，222）中之耦接表面之形狀，且包含能夠在層壓板中之板層（210，220）之間整合的錨定部分（321）。

圖4，根據一具體實例，耦接部件（320）包含彼此組裝或成一體之2個部分（421，422）。此兩個部分中之一者（421）對應於三面耦接區帶且另一者（422）對應於在各面之間實質上可展開的耦接區帶。

錨定部分（321）在此處被展示為簡單的，但根據具體實例包含起伏以改良板層之間的夾緊。

根據一具體實例（圖中未示），該等耦接部件包含用於安裝支撐腳輪之殼體的配置或用於使可伸縮把手之臂通過的配置。

耦接部件具有任何性質，特定言之，由塑膠、金屬或複合材料構成。

根據一有利具體實例，耦接部件係由熱塑性聚合物構成且藉由射出成型或藉由熱壓而獲得。

根據此具體實例之替代例，耦接部件係由用短纖維增強之熱塑性聚合物構成。

根據一有利具體實例，構成耦接部件之聚合物之熔化溫度大於浸漬殼件之其餘部分之板層的聚合物之熔化溫度（在熱塑性聚合物之狀況下）或固化溫度（在熱固性聚合物之狀況下）。

有利地，構成耦接部件之聚合物之玻璃轉化溫度小於浸漬殼件之其餘部分之板層的聚合物之熔化溫度或固化溫度。因此，在組件之固結或固化期間，耦接部件具有一定的可塑性，該可塑性允許形狀適應於鑄模。

根據第一具體實例，包含層壓板及耦接部件的組件之固結係在包含成對的衝頭（501）及模具（502）之鑄模中進行。

衝頭及模具經設置，一個在平台上且另一個在壓力機之移動部件上。

衝頭及/或模具有利地包含加熱系統，該加熱系統包含電感器（510），該等電感器在分別在衝頭中及在模具中產生之空腔中行進，且以使得在該等電感器在包含於10 KHz與100 KHz之間的頻率下被供應AC電流時，獲得預成型體之均勻加熱溫度的方式分佈。

例如藉助於有限元計算之熱模擬來判定模具中或衝頭中之電感器之空間分佈。

衝頭及/或模具較佳係由具有良好熱導率及高吸熱係數之材料構成，諸如鋁合金或銅合金。

此特性實現熱自鑄模之快速加熱及快速傳輸至預成型體，而且有助於遍及在固結期間與預成型體接觸的衝頭或模具之表面獲得均勻的溫度。

為此目的，如圖5之詳細視圖中所展示，空腔之壁包含由易於感應加熱之材料構成之層（515），諸如鐵磁性鋼或鎳合金，而此等實例並非限制性的。

此層（515）之厚度約為一毫米。

根據一具體實例，易於感應加熱之材料層（515）並不覆蓋空腔之整個表面，而是僅覆蓋朝向鑄模之與預成型體接觸之表面所定向的空腔之區段之部分。

此特性使得有可能朝向預成型體定向加熱且在不加熱整個鑄模塊體的情況下獲得預成型體之加熱溫度之均勻分佈。

根據另一具體實例，鑄模完全由在目標之成型溫度下係鐵磁性的鋼構成。

當用交流電向電感器（510）供電時，經受感應加熱之層（515）在溫度上升高，且將其熱量傳輸至模具或衝頭，模具或衝頭將此熱量傳達至預成型體。

鑄模亦包含呈管道之形式之冷卻構件（520），在該等管道中熱傳遞流體循環，諸如水、油或氣體。

該冷卻迴路使得有可能快速地冷卻鑄模及固結之預成型體且因此減少生產循環之持續時間。

根據一具體實例，衝頭（501）包含可充氣氣囊（530）及用於充氣該氣囊之構件（535）。

鑄模進一步包含用於在該鑄模封閉時，亦即在衝頭藉助於按壓而接近於模具時，在衝頭（501）與模具（502）之間產生密封的構件（540）。

因此，當鑄模封閉時，預成型體包含於在衝頭（501）與模具（502）之間定界的密封空腔中。

根據較佳適於其中板層（210，220）包含熱塑性聚合物之狀況的具體實例，將與耦接部件（320）整合之預成型體置放於模具（502）中或衝頭（501）上。

預先，藉由將板層（210，220）及耦接部件（320）直接地疊置於工具、衝頭或模具中之一者上或單獨的工具上來組裝預成型體。

板層被熱塑性聚合物預浸漬，該等板層以及與耦接部件藉由焊接點或焊接線維持在一起。

預成型體之此初始組裝係手動地或由機器人進行。

使模具較接近於衝頭以便產生其中包含預成型體的密封空腔。

根據一具體實例，該空腔係由合適構件（圖中未示）抽真空。

並行地，電感器（510）被AC電流供電，因此將預成型體加熱至至少等於浸漬板層之熱塑性聚合物之熔化溫度的溫度。

取決於其構造，耦接部件（320）在此溫度下保留其完整性，但有利地，根據一具體實例，當該等耦接部件由射出成型聚合物構成或藉由熱壓縮形成時，構成耦接部件（320）之聚合物之玻璃轉化溫度小於浸漬板層之聚合物之熔化溫度。

藉由將衝頭朝向模具位移及/或藉由對衝頭之氣囊（530）充氣而將附加壓力施加於預成型體上。

施加此壓力使得有可能校準部件之最終厚度且確保在此厚度下聚合物之均勻分佈。

耦接部件（320）在其由聚合物構成時係相對有延展性的，當施加此附加壓力時，該壓力使得該等耦接部件匹配鑄模之形狀且因此確保板層與該等耦接部件之間的美學上完美的耦接。

停止電感器之電源供應器，且將熱傳遞流體發送至管道（520），以便冷卻鑄模及預成型體，同時仍維持該預成型體上之壓力。

當預成型體之溫度小於浸漬板層之聚合物之玻璃轉化溫度時，可敞開鑄模且使部件脫模。

循環接著以新的預成型體繼續。

使用經由感應之加熱及強制冷卻使得有可能在不到5分鐘之持續時間內實現循環。

圖6，根據一具體實例，用於實施本發明之方法之工具包含：形狀-凸模或凹模（602），在其上或其中安裝有包含耦接部件之預成型體；油布（630）及用以密封該油布（630）與工具（602）之間的空間之構件（640）。

當預成型體被安裝於工具中或工具上時，工具被含有在該工具與油布（630）之間的密封空腔中。

此具體實例較佳地適應於（但非獨占式地）預成型體之板層用熱固性聚合物浸漬之狀況。

與在前述具體實例中一樣，工具包含感應加熱構件及冷卻構件。

構件（圖中未示）使得能夠對包含於油布（630）與工具（602）之壁之間的空間（預成型體位於其中的空間）抽真空。

由可壓縮材料構成的中間部件（650）在耦接部件之位置處被置放於油布（630）與預成型體之間。

因此，藉由存在耦接部件及中間部件（650），預成型體具有不可展開的區帶（更特定言之在耦接區帶中），油布（630）中折痕之形成被限制至此等不可展開區帶中，在該等區帶中，折痕之形成並不影響最終部件之品質。此特性亦使得有可能減少製造油布（630）之成本。

根據此具體實例，將預成型體置放於工具上或工具中，且安裝油布，在油布與工具之間且預成型體位於其中的空間被抽真空，同時用AC電流向電感器供電以使預成型體達到浸漬預成型體之板層的聚合物之固化溫度（或在熱塑性聚合物之狀況下的熔化溫度）。

油布提供遍及預成型體該所有板層之均勻的壓力。

在固化循環期間維持壓力及溫度，接著在斷開真空且將由此製造之部件脫模之前使用冷卻構件來冷卻鑄模及該部件。

熟習此項技術者將理解，圖5中所展示之工具亦可用於固化包含用熱固性聚合物浸漬之板層的預成型體，且圖6中所展示之工具亦可用於固結包含用熱塑性聚合物浸漬之板層的預成型體。

上文之描述以及具體實例展示：本發明達成預期目的，且使得有可能使用用熱塑性或熱固性聚合物預浸漬的纖維性板層來獲得用連續纖維增強之複合部件，該複合部件呈具有深凹部之四角形殼件之形式，而不依靠複雜的疊置或印模技術。

本發明之方法因此適於大批量製造用於諸如行李箱產品之常見消費品的此類部件。

無

本發明在下文中根據其較佳具體實例加以揭示，該等具體實例不受任何限制且參考圖1至圖6，在該等圖中：

[圖1] 圖1（關於先前技術）展示根據透視圖的根據本發明之方法之部件的實例；

[圖2] 圖2展示作為俯視圖實例的用於藉由本發明之方法生產諸如圖1所展示之部件的摺疊切割；

[圖3] 圖3展示根據部分橫截面圖的藉由本發明之方法在工具中進行之預成型體之安裝的實例；

[圖4] 圖4展示根據透視圖的用於實施本發明之方法之耦接部件的具體實例；

[圖5] 圖5展示根據橫截面圖的用於實施本發明之方法之工具的實例；

[圖6] 以及圖6展示根據橫截面圖的用於實施本發明之方法目標之工具的另一實例。

Claims (10)

1. 一種用於生產一四角形殼件之方法，該四角形殼件包含具有凸緣末端（102）之五個面及該等面之間的不可展開的三面耦接部，該方法包含以下步驟： i. 切割包含連續纖維之板層（210，220），而覆蓋該殼件之在該等三面耦接區帶之外部的該五個面； ii. 獲得具有該等三面耦接部之形狀之四個固結耦接部件（320），各部件包含待插入於板層之間的一插入區帶（321）； iii. 定位及層壓在步驟i）中獲得之該等板層； iv. 藉由將該四個固結部件（320）之插入區帶插入於兩個板層之間而將該四個固結部件插入至該等三面耦接區帶中以獲得一預成型體； v. 將該預成型體置放於一工具（502，602）中，且藉由使在步驟iv）中所獲得之組件經受一預定壓力-溫度循環而進行纖維性板層之層壓板的固結。
2. 如請求項1之方法，其中該等耦接部件（320）係由一熱塑性聚合物構成。
3. 如請求項2之方法，其中構成該等耦接部件（320）之該聚合物係用短纖維增強。
4. 如請求項2或請求項3之方法，其中該等耦接部件係藉由射出成型獲得。
5. 如請求項2或請求項3之方法，其中該等耦接部件係藉由熱壓獲得。
6. 如請求項2之方法，其中選擇構成該等耦接部件之該聚合物使得在步驟v）期間應用至該組件的最大固結溫度大於該聚合物之玻璃轉化溫度但小於該聚合物之熔化溫度。
7. 如請求項1之方法，其中該等耦接部件（320）在該所成型殼件之該等凸緣末端之間延伸。
8. 如請求項1之方法，其中在包含成對的一衝頭（501）及模具（502）之一工具中進行步驟v），在步驟vi）中所獲得之該組件在步驟v）期間包含於該衝頭與該模具之間。
9. 如請求項1之方法，其中步驟v）包含用一密封油布（630）覆蓋在步驟iv）中所獲得之該組件且對該油布與該工具之間的空間抽真空。
10. 一種藉由如請求項1之方法所獲得的適於一行李箱元件的殼件，其包含三面耦接部，該等三面耦接部包含用於安裝支撐腳輪之一殼體的配置或用於使一可伸縮把手之臂通過的配置。

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