專利名稱：熱塑性材料成型方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱塑性材料成型方法和裝置，尤其涉及一種使用具有可調(diào)擠出口以改變擠出材料厚度的專利的動態(tài)擠出口模的熱塑性材料成型方法和裝置，材料在從擠出模經(jīng)過的時候成型。
背景技術(shù)：
過去，普遍地已經(jīng)能夠提供多種不同的成型系統(tǒng)，這些成型系統(tǒng)包括熱塑性樹脂或者熱塑性合成部件的成型。在真空成型中，加熱的熱塑性材料片(恒定厚度薄片)被設(shè)置在真空模具上，并且在模具和加熱的塑性材料之間進行真空抽吸，以將塑性材料抽吸到模具上。與之相似，在壓縮成型中，預(yù)加熱的材料塊或材料片在兩個模具之間受壓，以將材料壓成期望的部件或形狀。
相關(guān)專利使用材料熱塑成形的以前的美國專利可以在Winstead的四個專利中看到，分別是4420300、4421712、4413964和3789095。Winstead的4421712和4420300專利是用于對片材連續(xù)熱塑成形一種裝置，包括擠出器，拉伸裝置，上面具有陰模的輪子，以及多個互連的模塞輔助件，以便于形成一個軌道裝置，其模塞輔助件在輪子表面的一個大體上的圓弧附近與片材接合。Winstead的4413964專利公開了一種裝置，其用于由熱塑性材料卷連續(xù)擠出和形成成型產(chǎn)品，同時連續(xù)將產(chǎn)品與材料卷分離，并堆疊和處理產(chǎn)品，并且將材料卷的邊緣回收以進一步擠出。該裝置使用在旋轉(zhuǎn)的多邊形結(jié)構(gòu)中的多個模腔，雙軸定位的材料卷在多邊形結(jié)構(gòu)的外周表面上通過利用雙軸定位裝置而與多邊形相連的一個從動輥子來連續(xù)定位。Winstead的3789095專利是連續(xù)由低密度熱塑性材料連續(xù)擠出且利用擠出制造三維成型物體的綜合方法。
Howell的美國專利3868209是一個雙片熱塑成形器，用于由一對可熱熔的熱塑性材料片制造一個中空的塑性物體，材料片在一個公共水平面內(nèi)從加熱工位連續(xù)地移動到在成型工位的一個成型機構(gòu)。Held，Jr的專利3695799是一種通過將兩片熱塑性材料以隔開關(guān)系并在兩個半模之間通過一個加熱區(qū)從而真空成型出中空物體的裝置。半模隨著每個材料片被抽真空而合在一起，以使材料片與其各自的半模的形狀統(tǒng)一，以便于成型中空物體。Budzynski等人的專利5551860是用于制造瓶子的一個吹塑成型裝置，具有連續(xù)旋轉(zhuǎn)的的旋轉(zhuǎn)模具，每次將一個模具與用來給模具裝載的一個擠出模對齊。Hujik的專利3915608是用于多層鞋底的一個注射成型機，包括一個轉(zhuǎn)盤，用于通過多個工位來轉(zhuǎn)動多個模具，以連續(xù)成型鞋底。Ludwig的專利3302243是用于塑料鞋注射成型的另一種裝置。Lameris等人的專利3224043公開了具有至少兩個能夠旋轉(zhuǎn)以與塑料注塑嘴對齊的模具的一種注塑成型機。Vismara的專利4698001是用于制造成型的塑料摩托車頭盔的機器，使用一個壓縮型模具，在模具中一對半模在位置間轉(zhuǎn)換。Krumm的專利4304622是用于產(chǎn)生熱塑性合成樹脂厚片的裝置，包括一對擠出器，每個擠出器將一半厚片束擠出到各自的輥子組件上。輥子組件具有終端輥子，終端輥子之間形成凝固縫，兩個一半的厚片在凝固縫處被粘結(jié)在一起。
合成以及其它過程合成材料是由兩種或更多成分混合而形成的材料，這種混合產(chǎn)生的材料具有優(yōu)于那些單獨的材料的性質(zhì)和特征。大多數(shù)合成材料包括兩部分，也就是基體成分和強化成分。基體成分是將合成材料連結(jié)在一起的材料，并且它們通常比強化成分的硬度低。這些材料在升高的溫度下受壓成形。基體材料將強化材料封閉就位，并且在強化材料之間分配負載。因為強化材料通常比基體材料硬，所以它們是合成材料內(nèi)的主要承載成分。強化材料可以來自很多不同的形式，從纖維到織物，到嵌入形成合成材料的基體內(nèi)的粒子或桿。
合成結(jié)構(gòu)在自然界已經(jīng)存在了數(shù)百萬年。檢查一下木材的微觀結(jié)構(gòu)或者海貝殼的生物陶瓷，就會發(fā)現(xiàn)自然界里出現(xiàn)的合成材料，并且表明現(xiàn)代的合成材料已經(jīng)實質(zhì)上是自然界發(fā)現(xiàn)的仿生結(jié)構(gòu)的進化。合成材料的一個理想的例子是混凝土?；炷恋牟煌问侥軌蚴谷死斫鈴娀锶绾纹鹱饔?。水泥起到基體的作用，將各成分保持在一起，而沙子、礫石和鋼筋起到強化物的作用。僅僅由沙子和水泥制成的混凝土幾乎不能提供由水泥、沙子和石頭制成的混凝土同樣的強度，反過來，由水泥、沙子和石頭制成的混凝土也不能提供由鋼筋、沙子和石頭強化的混凝土一樣的強度?；炷恋幕w和強化材料通常在一個成形結(jié)構(gòu)中被混合、灌注和成型。在由其它合成材料制成部件的過程中，合成結(jié)構(gòu)或部件的形狀由用來形成合成結(jié)構(gòu)的模具、模或其它工具的形狀或幾何尺寸確定。
有很多種不同類型的合成材料，包括塑性合成材料。每種塑性樹脂都具有其獨特的特性，當與不同的強化物結(jié)合的時候會生成具有不同機械和物理性能的合成材料。如果考慮到現(xiàn)今存在的塑性樹脂的數(shù)量并將這個數(shù)量乘以可得到的強化物的數(shù)量，那么可能的合成材料的數(shù)量將是驚人的。塑性合成材料主要分為兩類熱固性合成材料和熱塑性合成材料。
如果是熱固性合成材料，在加熱和加壓以后，熱固性樹脂經(jīng)歷化學(xué)變化，將材料的分子結(jié)構(gòu)交聯(lián)。一旦固化以后，熱固性部件部件就不能再成型。因為在熱固塑料中形成了緊密的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，熱固性塑料耐高溫并比大多數(shù)熱塑性塑料具有更大的尺寸穩(wěn)定性。熱塑性塑料基體成分不像熱固性材料那樣受限，而且可以再利用和再成形以產(chǎn)生新的部件。用于熱塑性合成材料的通常的基體成分包括聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚醚醚酮(PEEK)和尼龍。被高強度高模數(shù)纖維強化以形成熱塑塑料合成材料的熱塑塑料在強度和硬度以及韌性和尺寸穩(wěn)定性上急劇增加。
合成材料在工業(yè)的很寬范圍都有很多應(yīng)用。通常，合成材料用于替代由金屬合金或由緊固件或其它連接件組裝的多元件金屬結(jié)構(gòu)制成的產(chǎn)品。合成材料提供了足夠的強度，同時重量減輕。這在像汽車和航空業(yè)特別重要，在這些行業(yè)，合成材料的使用導(dǎo)致了更輕、更快、燃料更加有效以及合乎環(huán)境要求的堅固的飛機和汽車。合成材料也可以設(shè)計用來替代木材、玻璃纖維和其它傳統(tǒng)材料。下面是可以應(yīng)用由熱塑性合成材料制成的大部件的工業(yè)的部分列表航空、汽車、建筑、家具、海運、原料處理、醫(yī)藥、軍隊、電訊、運輸和廢物管理。
總的來講，除了其它貢獻，熱塑性合成材料能抵抗腐蝕且提供長的疲勞壽命，這對于很多制造業(yè)來講具有特別的吸引力。疲勞壽命是指一個部件在展現(xiàn)出材料磨損或顯著應(yīng)力之前持續(xù)到對部件實現(xiàn)規(guī)定的能力有損壞的那個點的時間周期。通常，合成材料用于期望減少特殊部件重量而又提供強度和現(xiàn)有技術(shù)的其它期望特性的應(yīng)用中。很多由熱固性合成材料制成的部件非常昂貴。這些類型的部件通常是指先進的合成材料并且大部分通常用于軍事和航空業(yè)。
產(chǎn)品開發(fā)工程師和生產(chǎn)工程師相信熱塑性合成材料將在現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展中扮演不斷增加的角色。新的熱塑性樹脂穩(wěn)定地發(fā)展，并且與用合成材料制造部件有關(guān)的降低成本的更有創(chuàng)造性的制造方法也發(fā)展起來。因為用熱塑性合成材料制造部件的成本減少了，所以熱塑性合成材料的使用對于很多商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用來講變得更加可行。
當前可實現(xiàn)的熱塑性合成材料成型方法大部分可商業(yè)實現(xiàn)的熱塑性合成材料的制造技術(shù)是由熱固性合成材料的加工方法改進而來。因為這些方法用于具有很低的粘性和很長的固化時間的樹脂系統(tǒng)，所以對于熱塑性材料的制造過程來說存在效率低和其它困難。一些最通常的方法包括壓縮成型、注射成型、以及壓熱處理(autoclave processing)，所有這些都可以用于制造“近精確成型”的部件，也就是在成型以后大體上與預(yù)期的或設(shè)計的形狀一致。用于處理熱塑性合成材料的不太常用的方法包括拉擠成形、真空成形、隔膜成形以及熱壓技術(shù)。
壓縮成型壓縮成型是迄今為止用于商業(yè)制造結(jié)構(gòu)熱塑性合成元件的最普遍的方法。典型地，壓縮成型使用一種玻璃纖維氈熱塑性(GMT)合成材料，包括聚丙烯或者類似的基體，該基體與連續(xù)的或碎裂的隨機定位的玻璃纖維混合。GMT由第三方材料混合商制造，并且作為將要成型的標準尺寸的或定制尺寸的扁坯來銷售。使用這個預(yù)浸漬合成材料(或者當使用其熱固性等同物時更通常的叫法是預(yù)浸料坯)，GMT片在一個烤爐中加熱，并且然后放置在一個模具中。兩個匹配的模具半模在很大壓力下閉合，強迫樹脂和纖維填充整個模腔。一旦部件冷卻，它就在一個推出機構(gòu)的幫助下從模具中取出。
通常，用于GMT成形的匹配的模具由高強度鋼加工而成，以在沒有退化的情況下承受連續(xù)施加的高成型壓力。這些模具經(jīng)常被主動加熱和冷卻，以加速周期時間并改善表面光潔度。GMT成型被認為是生產(chǎn)率最高的合成材料制造方法，其周期時間在從30到90秒的范圍內(nèi)。然而，壓縮成型確實需要高的資金投入以購買高能壓力機(2000-3000頓的壓力)和高壓模具，因此它只是對大生產(chǎn)量來講是有效的。較小部件的低量生產(chǎn)可以在現(xiàn)有壓力機基礎(chǔ)上使用鋁模來制造，以節(jié)約一些成本。該方法的其它缺點是由于粘性問題而產(chǎn)生的低纖維含量(20％-30％)，并且其能力僅僅能獲得中等的表面光潔度。
注射成型注射成型是制造非強化熱塑性部件的最流行的方法，并且對于短纖維強化熱塑性合成材料來講變得更加普遍。使用這個方法，熱塑性顆粒被注入短纖維，并且在通常范圍在15000到30000磅/平方英尺(psi)的注入壓力下被擠入一個閉合的兩部分的硬化鋼工具內(nèi)。模具被加熱以獲得高流動性，然后立即被冷卻以將變形最小化。模具可以使用流體動態(tài)分析來設(shè)計，模具產(chǎn)生在不同位置具有特定方位的纖維，但是一般注射成型的部件是等方向的。在最終部件中的纖維不超過八分之一英寸(1/8)”長，并且最大的纖維體積含量是40％。這個方法的稍微變化是樹脂傳遞模塑(Resin transfermolding，簡稱RTM)。RTM制造采用設(shè)置在模具中的加墊纖維，模具然后在高壓下被加入纖維。這個方法的優(yōu)點是能夠手動定位纖維并且使用較長的纖維長度。
注射成型是最快的熱塑成形方法，因此被用于像汽車和消費品那樣的大量應(yīng)用中。周期時間在20到60秒的范圍內(nèi)。注射成型還產(chǎn)生高度可重復(fù)的近精確成型的部件。在嵌入件、孔和芯體材料周圍成型的能力是另一個優(yōu)勢。最后，注射成型和RTM通常給任何加工提供最佳表面質(zhì)量。
因為所需模具的尺寸和注射成型機的容量，上面討論的方法受到實際的有關(guān)能由注射成型形成的部件的尺寸和重量的限制。因此，這個方法用于小尺寸到中等尺寸的部件生產(chǎn)。來自結(jié)構(gòu)強化方面的最大問題是有關(guān)可以用于注射成型方法的強化纖維的長度問題。
壓熱處理壓熱處理是工業(yè)上使用的另一種熱塑性合成材料生產(chǎn)方法。用單向纖維或織物預(yù)浸的熱塑性材料放置在一個單面工具上。幾層制袋材料放置在用于表面處理的預(yù)浸組件上，以防止粘結(jié)，并且一旦放在壓熱容器中就能夠被抽真空。在壓熱容器內(nèi)部，合成材料被加熱并受壓，以將材料層固結(jié)和交聯(lián)。與壓縮成型和注射成型不同，工具是開口模具，并且因為涉及的壓力很低，所以可以由鋁或者鋼制成。
因為壓熱處理很慢，而且更加勞動密集，所以它主要用于需要很高精度的非常大的少量的部件；它不易于成產(chǎn)線使用。這個方法的顯著優(yōu)勢包括高纖維容積率(volume fractions)以及能形成特定的材料特性的纖維方向的控制。這個方法對于生產(chǎn)原型來講是非常有用的，因為加工相對便宜。
需要“長”纖維的熱塑性合成材料的成型方法上述方法沒有一個能產(chǎn)生由長纖維(也就是大于半英寸)強化的熱塑性合成材料，在成型過程本身，長纖維很大程度上保持不斷裂；對于生產(chǎn)大的且更復(fù)雜的部件來講這一點尤其重要。歷史上，一種三步方法被用于成型這種部件(1)預(yù)浸的合成配方的第三方混合；(2)預(yù)浸材料在烤爐中預(yù)熱；以及(3)熔化的材料進入模具中以形成期望的部件。這個方法具有一些缺點，這些缺點限制了用足夠的結(jié)構(gòu)強化物產(chǎn)生更復(fù)雜的大的部件的工業(yè)多功能性。
一個缺點在于，片材成型方法不能產(chǎn)生厚度變化的部件或者需要“深沖壓(deep draw)”的熱塑性合成材料部件。擠出的片材越厚，將片材在其整個厚度上均一地再熔化以避免與最終部件的結(jié)構(gòu)形成有關(guān)的問題就越難。舉個例子，托盤的從頂表面垂直擠出的腿是托盤的一個深沖壓部分，這部分不能使用較厚的擠出片材來成型，因為托盤腿的成形需要在“豎直平面”的材料的深沖壓，并且同樣地，在擠出片材的水平面上將不會均勻。與厚度均一的擠出片材的幾何尺寸限制有關(guān)的其它缺點是顯然的，并且將在下面結(jié)合本發(fā)明說明書而更詳細地描述。
本發(fā)明旨在提出一種成型系統(tǒng)，用于使用真空模具或者壓縮模具來產(chǎn)生熱塑性樹脂的熱塑性合成部件，部件從一個擠出模直接進給到模具中，而熱塑片仍然保持將樹脂加熱到流體狀態(tài)的熱量以通過擠出模形成材料片。本發(fā)明涉及一種熱塑性材料成型方法和裝置，尤其涉及使用熱塑擠出模的熱塑性材料成型方法和裝置，所述熱塑擠出模具有可調(diào)擠出口控制板以改變擠出材料的厚度，材料在從擠出模經(jīng)過的時候被成型。
本發(fā)明進一步旨在提出一種連續(xù)的熱塑成形系統(tǒng)，所述系統(tǒng)將熱塑性材料片從形成材料片的一個擠出器直接進給到可以在工位之間旋轉(zhuǎn)的一個模具上。熱塑性材料通過一個擠出模被擠出，所述擠出模可調(diào)，以提供從塑料片的恒定厚度到塑料片的橫向表面可變厚度的偏移?？勺兊暮穸瓤梢砸驗槿魏翁囟ǖ某尚瓦M程而被調(diào)整，或者可以如期望的那樣被連續(xù)改變。這能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)成型或者在擠出板橫向上或者成型部件的整體上具有不同厚度的熱塑性材料，以控制成型部件的過渡期厚度，使得成型的部件如所期望的那樣在成型部件的整個部分具有厚的或薄的地方。本發(fā)明并不限制由擠出成型方法產(chǎn)生的預(yù)期部件的尺寸、形狀、成分、重量或強度。

發(fā)明內(nèi)容
一種熱塑性材料成型系統(tǒng)，包括一個熱塑擠出模，用于對由可調(diào)模擠出口元件成形的熱塑片進行擠出，可調(diào)?？刂瓢逶簿褪莿討B(tài)模裝置，是用來改變在擠出板的不同部分的擠出材料的厚度。熱塑擠出模具有一個裁切器，用于將擠出的熱塑片從熱塑擠出模剪切。或者是真空?；蛘呤菈嚎s模的多個熱塑模具每個都安裝在一個可移動的平臺上，比如一個旋轉(zhuǎn)平臺，用于每次將一個模具移動到一個位置以接收從熱塑擠出模被裁切下來的一個熱塑片。由熱塑性材料的加熱片形成具有可變厚度的成型部件，所述熱塑性材料仍然被加熱地從所述擠出模進給。多個模具安裝在一個平臺上，以將一個模具進給到一個加載位置，用于接收來自擠出模的熱塑片，并且將第二個模具進給到一個釋放位置，用于將成形的部件從模具中移除。所述平臺可以是往復(fù)的或旋轉(zhuǎn)平臺，并且允許每個成型的部件被冷卻的同時另一個成型的部件在接收熱塑片。提供了一種熱塑性材料成型方法，所述方法具有選擇熱塑擠出模的步驟，熱塑擠出模的選擇是根據(jù)調(diào)整熱塑擠出模以改變所通過的擠出板的不同部分的擠出材料厚度的裝置來進行的。熱塑性材料被加熱到流動狀態(tài)，并通過所選的熱塑模擠出，所述熱塑模已經(jīng)被調(diào)整以改變擠出板不同部分的擠出材料的厚度，將具有可變厚度的擠出的熱塑片裁切到預(yù)定尺寸，并且將加熱的熱塑性材料剪切片導(dǎo)入一個熱塑成形模上，并且在所述模具中成型一個預(yù)定的部件，使得成型的部件具有可變厚度，這個可變的厚度是在材料擠出期間被加熱的材料片形成的。
這個“擠出—成型”方法也使得由長纖維(大于半英寸)強化的熱塑合成結(jié)構(gòu)的形成方便了，因為擠出器通過所述動態(tài)模分配熔化的熱塑性合成材料，在重力作用下將材料導(dǎo)入一個下模上，所述下?？梢韵鄬τ谒鰟討B(tài)模的位置移動。如這里所使用的，“下?！边@個詞是指匹配模具的下半部，熱塑性材料被導(dǎo)入下模內(nèi)。同樣，“上?！边@個詞是指匹配模具的上半部，當上模和下模結(jié)合，也就是閉合的時候，預(yù)期的熱塑部件就在匹配的模具內(nèi)形成。下?？梢酝ㄟ^一滾輪車來移動，以用變量的熱塑性合成材料填充模腔。舉個例子，如果由下模和一個上模限定的模腔在某一水平范圍處較大，那么下?？梢月聛硪栽谶@個區(qū)域接收更多熔化的熱塑性合成材料。所述動態(tài)模使用流量控制元件來改變或調(diào)節(jié)熔化的擠出熱塑性合成材料的流量，以從每個流量控制元件輸送不同量的材料，以將在垂至于下模移動方向的一個方向上選擇性穿過下模寬度的材料沉淀。熱塑性合成材料可以同長纖維(大于半英寸)一起成型，長纖維具有至少百分之十(10％)直到百分之五十到六十(50％-60％)的重量含量，纖維破裂率很低。在熔化的擠出熱塑性合成材料在重力作用下落入所述下模內(nèi)以后，滾輪車自動運輸?shù)揭粋€壓力機內(nèi)，壓力機將上模閉合在下模上，以形成合成部件。
根據(jù)本發(fā)明原理的一個實施例包括用于形成由熱塑性材料和纖維制成的一個物件的系統(tǒng)和方法。所述方法包括將熱塑性材料加熱以形成熔化的熱塑性材料，同時與纖維混合。熔化的熱塑性材料與纖維混合以形成具有期望的重量和/或體積的纖維含量的熔化的合成材料。然后熔化的合成材料可以通過所述動態(tài)模擠出，以形成所需要的合成材料流，并且在重力作用下落到用于形成所述物件的一個模具的下部上。在接收合成材料流的時候，所述下模可以以變化的速度在時間和空間上不連續(xù)地移動，以將預(yù)定量的熔化的合成材料沉淀于其上，所述的預(yù)定量與所述下模的模腔中所需的材料量嚴格一致。模具的上部可以壓靠預(yù)定量的熔化的合成材料，并且在模具的下部上封閉，以形成所述物件。


本發(fā)明的其它目的、特征和優(yōu)勢將通過說明書和附圖而變得清楚，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的成型系統(tǒng)的俯視圖；圖2是圖1的成型裝置的側(cè)視圖；圖3A-3E是圖1和圖2的模具在本發(fā)明方法的不同步驟的平面圖；圖4是圖1和圖2的擠出器的側(cè)視圖；圖5是圖4的擠出器的后視圖；圖6A是可操作來形成結(jié)構(gòu)部件的根據(jù)圖1的擠出—成型系統(tǒng)的示范性示意圖；圖6B是圖6A的擠出—成型系統(tǒng)600a的另一個示范性方框圖；圖7是將擠出合成材料沉淀到被滾輪車支撐的下模上的圖6A的動態(tài)模的示范性分解圖；
圖8A是一個示范性流程圖，描述了可以用來通過兩軸或三軸控制來將合成材料沉淀到圖6A的下模上從而形成物件或結(jié)構(gòu)部件的擠出—成型系統(tǒng)；圖8B是另一個示范性流程圖，用于使用圖6A的擠出—成型系統(tǒng)通過三軸控制擠出成型方法產(chǎn)生結(jié)構(gòu)部件；圖9是圖6A的控制器的一個示范性方框圖，該控制器與在圖6A的擠出—成型系統(tǒng)的元件中的控制器相連；圖10是圖6A的控制器的更詳細的示范性方框圖；圖11是通過操作圖10的控制器的一個處理器來執(zhí)行的軟件的示范性方框圖；圖12是流量控制元件和被分成網(wǎng)格的一個下模的示范性示意圖，用于根據(jù)圖6A的擠出—成型系統(tǒng)將擠出的合成材料沉淀；圖13是設(shè)計用來將合成材料沉淀到圖6A的下模上的流量控制元件的俯視圖；圖14是通過圖6A的擠出—成型系統(tǒng)產(chǎn)生的托盤的一角的示范性頂透視圖；圖15A和15B分別是一平臺的示范性底透視圖和頂透視圖，該平臺具有由圖6A的擠出—成型系統(tǒng)形成的隱形肋。
圖16A和16B示出具有由圖6A的擠出—成型系統(tǒng)形成的嵌入件的示范性結(jié)構(gòu)部件；圖17是一個示范性流程圖，描述了使用圖6A的擠出—成型系統(tǒng)將一個嵌入件插入到如圖16A和16B所示的結(jié)構(gòu)部件內(nèi)部的操作，所述嵌入件比如緊固件、支撐件或其它元件。
具體實施例方式
很多年來，在合成材料制造業(yè)中存在著一個缺陷，即，不能提供一種方法來以一定的壓縮成型或注射成型速率以及勞動效率大規(guī)模地生產(chǎn)大的熱塑性合成結(jié)構(gòu)或者部件，并具有壓熱成型的精度和低壓。本發(fā)明旨在提供一種方法，該方法彌補了這個缺陷，并且生產(chǎn)出這種熱塑性合成部件。所述方法適合于部件的中大批量生產(chǎn)，并且可以在低成型壓力下生產(chǎn)具有高強化纖維濃度的大的部件和結(jié)構(gòu)。
參考圖1和2，所示的用于將熱塑性樹脂或熱塑性合成材料熱塑成部件的一個熱成型裝置10具有一個擠出器11，一個換模工位12，以及一個模壓工位13。擠出器具有一個安裝在頂部的漏斗14，用于將熱塑性樹脂或合成材料進給到一個螺旋推進器15內(nèi)，在這里加熱器將熱塑性材料加熱成流體材料，同時螺旋推進器將流體材料沿著擠出器通道的長度進給到其端部的一個擠出模16。輸入并通過擠出器排出到擠出模外的材料被安裝在模16端部的一個裁切器17切割。材料被擠成通常的平厚板(未示出)并且當其離開擠出模16的時候在一個預(yù)定點被裁切器17裁切。一個支撐平臺18將支撐一個移動半模19，移動半模19在擠出模16的正下方，以接收熱塑性材料板。移動半模19具有輪子20，輪子允許半模19從平臺18移動到一個旋轉(zhuǎn)平臺21上(用半模19’表示)，旋轉(zhuǎn)平臺21安裝在一個中心旋轉(zhuǎn)軸22上以如圖1中的雙向箭頭21’所示的方向旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)平臺21在其上具有一個第二半模23，第二半模23可以進給到模壓工位13內(nèi)(用半模23’表示)，而半模19在平臺18上。半模23’可以被支撐在壓縮工位內(nèi)的一個固定平臺24上，位于一個公用成型固定半模25正下方，該半模25安裝在一個活動臺板26上，成型操作發(fā)生在活動臺板26處。因此，半模19和23能夠前后往返，使得一個模能夠接收熱塑性板，而另一個模模塑部件。每個移動半模19和23具有一個電機27，用于將半模從旋轉(zhuǎn)平臺21驅(qū)動到平臺18上或者固定平臺24上。一個線性變頻器(transducer)28可以安裝在平臺18上，用來控制移動半模的速度。
在這一點上應(yīng)該注意到，擠出器11產(chǎn)生加熱的擠出板，仍然具有熱能于移動半模上，在移動半模上熱能被傳遞給壓力機13，并且在不必再加熱熱塑性材料片的情況下成型成一個部件。還應(yīng)注意到，在結(jié)合附圖4和5的下文中，熱塑板也可以在其整個寬度上具有可變的厚度，以對成型成的熱塑成形部件進行增強。
圖3A-3E示出熱塑性材料成型裝置10具有半模19、19’和23、23’，這些半模位于根據(jù)本發(fā)明的模壓操作的各個位置上。每個圖都有具有漏斗14的擠出器11，漏斗將熱塑性樹脂或合成材料被輸入到一個螺旋推進器15內(nèi)，材料在被擠出之前在螺旋推進器15內(nèi)被加熱。在圖3A中，半模23’是空的，并且半模19直接從擠出器11填充有熱熔物。在圖3B中，模具運輸器將半模19和23’移動到旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤21上。在圖3C中，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤21在用于將材料板裝載到半模23上的工位和使已裝載的半模19’進入到壓縮或真空成型機13內(nèi)的工位之間以中心軸22(未示出)為軸旋轉(zhuǎn)。在圖3D中，半模19’移至壓模13內(nèi)，同時空的半模23移到擠出模16下方用于裝載熱塑性材料片。在圖3E中，半模19’被擠出制冷，并且部件被噴出，同時半模23隨著其被運輸器移動到擠出模16下方而被填充熱熔物，直到完全填充滿。
參考圖4和5，所示的擠出模30具有模主體31，模主體31具有槽32，用于使流體熱塑性材料通過圖1和2中的螺旋推進器15進給流過擠出槽33，以從口34產(chǎn)生熱塑性擠出材料薄片或厚片。模30具有多個擠出口控制板(gated plate)35，每個擠出口控制板都與被一個控制板激勵馬達37驅(qū)動的一個螺紋軸36連接，馬達37可以是液壓馬達或者氣動馬達，但是如圖所示，馬達37是具有一個連接到一個遠程控制器40的控制線38的電動步進馬達，控制器40可以使馬達37步進從而將板35移進和移出，以改變經(jīng)過槽部分41的熱塑性片的厚度。圖5中可見驅(qū)動多個板的任意數(shù)量的多個馬達37，每個板緊鄰著下一個板安裝，并且每個板單獨控制，藉此以廣泛不同的速率(patters)改變在槽41中的板35，用于產(chǎn)生材料板并從輸出口34排出，材料板的厚度可以沿著擠出板的寬度方向改變。也很清楚，板35可以通過單獨將每個板旋進和旋出來手動控制，以調(diào)整擠出模的任何部分的厚度，作為選擇，也可以通過一個控制器40來控制，控制器40可以計算機編程，以在遠程控制下改變擠出板的任何部分的厚度。
提供了一種熱塑性材料成型方法，該方法包括選擇一種熱塑性擠出模16或30，用于熱塑板的擠出，這個擠出模具有一個可調(diào)整的模擠出口元件，用于改變擠出材料在擠出板的不同部分的厚度。該方法包括為使經(jīng)過擠出板不同部分的擠出材料的厚度不同而調(diào)整熱塑擠出模，然后將熱塑性材料加熱成流體，并將流體熱塑性材料通過選擇和調(diào)整后的熱塑性擠出模來擠成板。熱塑板然后被裁切并引入一個加熱的熱塑性材料上，進入一個熱塑成形模19或23內(nèi)，并在一個成型裝置13中被成型，以形成在局部具有可變厚度的一個部件。
這時應(yīng)該清楚，已經(jīng)提供了一種熱塑性材料成型方法和裝置，該方法和裝置能夠通過一個擠出模熱塑成形一個具有可變厚度的部件，該擠出模可以被連續(xù)控制以改變被成型的擠出板的不同部分的厚度，并且成型完成時熱塑板仍然被加熱以利用來自擠出過程的熱能。然而，也應(yīng)該清楚，本發(fā)明并不認為是限制于所示的形式，這些形式被認為是解釋性的而不是限制性的。舉個例子，盡管擠出的材料有時候被描述成一個通常的平板，但是它也可以描述成以下情形(I)當運送到壓縮成型機13的時候包含熱量，以避免再加熱，(II)在其整個寬度上具有可變的厚度，(III)當從擠出器11進入半模19內(nèi)的時候為熱熔物，(IV)使用多個控制板35以改變擠出材料整個寬度上的厚度以及擠出材料不同部分的厚度，以及最后，(V)通過選擇和調(diào)整后的擠出模擠出熔化的熱塑性材料，以在所形成的不同部分上獲得可變的厚度。因此，擠出器通常提供熱塑性合成材料熔流通過動態(tài)模，在重力作用下在豎直平面以可變的量落到一個半?；蛳履Ｉ?，并且橫貫?zāi)＞呱系乃椒较颉?br> 上述的“擠出—成型”方法對于制造由玻璃、碳、金屬或有機纖維強化的中等的到大的熱塑性合成結(jié)構(gòu)來講是理想的，以此命名一些結(jié)構(gòu)。該擠出—成型方法包括一個計算機控制的擠出系統(tǒng)，該系統(tǒng)將混合或者復(fù)合了基體材料以及強化成分的材料結(jié)合在一起并自動操作，以分配一定數(shù)量的熔化的合成材料，這些材料在重力作用下進入到匹配模具的下半模內(nèi)，在接收材料的時候下半模的移動受到控制，以及用于接收模具的下半模一個壓縮成型工位，用來將模具的上半模壓靠著下半模，以形成期望的結(jié)構(gòu)或部件。匹配模具的下半模以變化的速度在時間和距離上不連續(xù)地移動，以讓材料在緩慢的速度下沉淀得更厚，而在較快的速度下沉淀得更薄。上面描述的熱塑裝置10是實施擠出—成型方法的一個實施例。未處理的樹脂(可以是任何形式的再研磨或丸粒的熱塑性材料，或者是任意一種熱固性環(huán)氧樹脂)是連同長度超過大約半英寸(1/2”)的強化纖維一起進給到擠出器的進料器或漏斗內(nèi)的基體成分。合成材料可以被擠出器11混合和/或復(fù)合，并且通過利用控制板35控制擠出器11的輸出以及下半模19相對于擠出器11的位置的運動來“智能地”沉淀在下半模19上，如將在下面同圖6A和6B所示的實施例所描述的那樣。在那些實施例中，匹配模具的底部被固定在一個滾輪車上，滾輪車在動態(tài)模下方不連續(xù)地移動。匹配模具的底部接收精確數(shù)量的擠出的合成材料，然后移動到壓縮成型工位內(nèi)。
可以用來在擠出—成型方法中形成合成材料的熱塑性基體材料包括現(xiàn)有技術(shù)公知的熱塑性樹脂?？梢杂迷诟鶕?jù)本發(fā)明原理中的熱塑性樹脂可以包括能夠被擠出器11熔化和混合的任何熱塑性樹脂。這種熱塑性樹脂的例子提供在表1中，應(yīng)該理解，這些例子并不是全部列出，其它熱塑性樹脂和材料可以在使用擠出—成型系統(tǒng)中用來產(chǎn)生結(jié)構(gòu)部件。表1中附加的熱塑性樹脂可以單獨使用或者任意結(jié)合使用。
特殊的熱塑性樹脂已經(jīng)特別適合于擠出—成型方法，包括聚丙烯、聚乙烯、聚醚醚酮、聚酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、尼龍、異丁烯酸(polymethyl)、聚甲基丙烯酸酯(polymethacrylate)、丙烯酸、聚亞安酯以及它們的混合物。
用作熱塑性合成材料的強化成分的纖維通常包括可以用來強化熱塑性樹脂的那些材料。適合于用在根據(jù)本發(fā)明原理中的纖維材料包括但不限于玻璃、碳、金屬以及自然物質(zhì)(例如亞麻、棉)，或者單獨使用，或者結(jié)合使用。其它沒有列出的纖維也可以使用，如現(xiàn)有技術(shù)所公知的。盡管纖維的直徑通常沒有限制，但是用于成型較大結(jié)構(gòu)部件的纖維直徑通常范圍在1和20μm之間。然而應(yīng)該理解，纖維的直徑可以根據(jù)很多因素而更大，這些因素包括期望的結(jié)構(gòu)部件的強度、期望的纖維密度、結(jié)構(gòu)部件的尺寸等等。特別地，具有接近1μm到接近9μm直徑的纖維的機械特性改善的效果是顯著的。
纖維中的纖絲束數(shù)量通常也不受限制。然而，從處理角度考慮，由10000到20000個纖絲帶或者單纖絲組成的纖維束是理想的。這些強化纖維的粗紗可以在被硅烷或其它結(jié)合劑表面處理之后使用。為了改善同熱塑性樹脂，例如聚酯的界面粘合，可以通過形成聚合體、結(jié)合劑、纖維潤滑劑等的熱塑薄膜來實現(xiàn)表面處理。這種表面處理可以在處理過的強化纖維使用之前實施，或者表面處理可以剛剛在強化纖維被送入擠出器之前實施，以在沒有中斷的情況下執(zhí)行擠出處理，來產(chǎn)生熔化的熱塑性合成材料。熱塑性樹脂和纖維的比例沒有特別限制，因為有可能根據(jù)最終使用目的而使用任何比例的成分來產(chǎn)生熱塑性合成材料和成形物。然而，如現(xiàn)有技術(shù)中一樣，為了對結(jié)構(gòu)部件提供足夠的結(jié)構(gòu)支持，纖維的含量通常占重量的5％到50％。已經(jīng)確定纖維的含量通常是占重量的10％到70％，最好是占重量的40％，以便使較大物體產(chǎn)品獲得期望的機械特性。
纖維的平均纖維長度大于半英寸(1/2”)。然而，通過擠出—成型系統(tǒng)600a產(chǎn)生的典型結(jié)構(gòu)部件使用長度超過大約1英寸的纖維。應(yīng)該注意，當平均纖維長度小于1英寸的時候，就很難獲得大物體的期望的機械特性。在熱塑性合成材料中的纖維的分配是大體上均衡的，使得當熔化和壓縮的時候纖維和熱塑性樹脂不分離。纖維的分配和支出(disbursement)包括這樣一個過程，通過這個過程纖維由單獨一個纖絲級分散成多個纖絲級(也就是由幾十個纖維組成的纖維束)。在一個實施例中，大約五個纖維構(gòu)成的纖維束被分散以提供功效和結(jié)構(gòu)特性。而且，“結(jié)合程度”可以通過用一個顯微鏡來觀察結(jié)構(gòu)的截面從而估計，并且確定在所有1000或更多可觀察的強化纖維中的由10個或更多纖維組成的纖維束中的強化纖維的數(shù)量比例(由10個或更多纖維組成的纖維束中的強化纖維總數(shù)/強化纖維總數(shù)×100)(百分比)。根據(jù)本發(fā)明原理產(chǎn)生的典型值不超過接近60％，并且通常低于35％。
圖6A是可操作來形成結(jié)構(gòu)部件的一個擠出—成型系統(tǒng)600a的一個典型示范圖。擠出—成型系統(tǒng)600a由一些分離的元件構(gòu)成，這些元件結(jié)合在一起以用合成材料形成結(jié)構(gòu)部件。所述元件包括一個材料接收裝置602、一個加熱器618，一個擠出器604、一個動態(tài)模606、一個滾輪車608、一個壓縮壓力機610以及一個控制器612。也可以包括其它補充元件以形成擠出—成型系統(tǒng)600a。
材料接收裝置602可以包括一個或多個漏斗或進給器614和615，用來分別接收材料M1和M2，這些材料將被擠出以形成熱塑性合成材料。應(yīng)該明白，也可以使用額外的進給器來接收額外的材料或添加劑以配制不同的合成材料。在當前實施例中，材料M1和M2代表起始材料，也就是強化的熱塑性材料，其最好是丸粒形式。M1和M2可以是同樣的或不同的強化熱塑性材料。熱塑性材料可以通過纖維來強化，比如玻璃或碳纖維，正如現(xiàn)有技術(shù)所知的。應(yīng)該進一步理解，根據(jù)本發(fā)明的原理，也可以使用非熱塑性材料。
一個加熱器618將熱塑性材料M1和M2預(yù)加熱。擠出器604與進給器通道616連接并且可操作，以經(jīng)由一個螺旋推進器620將加熱的熱塑性材料M1和M2混合。擠出器604進一步將熱塑性材料熔化。螺旋推進器620可以是螺旋形或者能將合成材料通過擠出器604混合并流出的其它任意形狀。一個擠出器輸出通道622與擠出器604連接，并且被用來將合成材料運輸?shù)揭粋€動態(tài)模606。
動態(tài)模606包括多個流量控制元件624a-624n(統(tǒng)稱624)。流量控制元件624可以是單獨的擠出口、閥或者能操作以控制來自動態(tài)模606的擠出的合成材料625的其它機構(gòu)，其中擠出的合成材料625a-625n(統(tǒng)稱625)在流量控制元件624處或在其下方的一個平面P上的體積流率是變化的。不同的體積流率的輸出范圍在接近0到3000磅每小時之間。一個更優(yōu)選的體積流率的輸出范圍在接近2500到3000磅每小時之間。在一個實施例中，流量控制元件624是控制板，控制板通過單獨的致動器升高或降低，比如通過電動機(也就是步進電機)、液壓致動器、氣壓致動器、或者能夠通過單獨的或者全部的可調(diào)流量控制元件624改變合成材料的流動的其它致動器。流量控制元件624可以緊鄰構(gòu)造，以提供連續(xù)的獨立的緊鄰的流量控制元件624。作為選擇，流量控制元件624可以獨立地構(gòu)造，使得來自緊鄰的流量控制元件624的合成材料保持獨立，直到合成材料擴散到一個模具上。應(yīng)該理解，流量控制元件624適宜地可以作為裁切器操作。在本發(fā)明的一個實施例中，熔化的合成材料可以被輸送到位于擠出器604和動態(tài)模606之間的一個儲蓄器中，可以使用柱塞或其它致動機構(gòu)將合成材料從儲蓄器輸送到一個下模內(nèi)。
滾輪車608可以在動態(tài)模606下方移動，使得擠出的合成材料625在重力作用下落到或者沉淀到一個下模626上，下模626經(jīng)過動態(tài)模606下面的一預(yù)定的豎直距離，即“下落距離”(d)。下模626具有用于形成結(jié)構(gòu)部件的模腔630。擠出的合成材料625沉淀628在下模626上以填充由下模626和上模632中的模腔所限定的體積，以形成合成部件。在一個雙軸控制方法中，基于不連續(xù)的運動和可變的速度，合成材料625a可以以大體恒定的體積流率從動態(tài)模606沉淀到下模626上，或者穿越一個豎直面(P)，以形成沿著豎直面(P)具有大體上相同的厚度或體積的合成材料層628，從而填充在下模和上模626和632中的模腔630。在一個三軸控制方法中，合成材料可以以不同的體積流率從動態(tài)模606穿越豎直面(P)沉淀到下模626上，以形成沿著豎直面(P)具有不同的厚度或體積的合成材料層628，從而填充在下模和上模626和632中的模腔630。應(yīng)該明白，雙軸控制方法可以用來將合成材料沉淀到模具中，所述模具具有在豎直面上深度大體上恒定的模腔630，而三軸控制方法可以用來將合成材料沉淀到具有變化深度的模腔630的模具中。
滾輪車608可以進一步包括輪子634，用于沿著一個軌道636移動。軌道636使?jié)L輪車608能在動態(tài)模606下方滾動，并且進入壓力機610內(nèi)。壓力機610操作以將上模632壓入下模626內(nèi)。盡管根據(jù)本發(fā)明的原理由于合成材料層628從動態(tài)模606直接沉淀到下模626上而使該成型過程的力比傳統(tǒng)的熱塑性材料成型方法的力小，但是，如果輪子不與軌道636接觸，由壓力機610施加的力仍然足以毀壞輪子634。因此，輪子634可以選擇地與壓力機610的一個基座640的上表面638接合和脫離。在一個實施例中，滾輪車608被與之結(jié)合的可充氣管(未示出)提升，使得當管充氣時輪子634與軌道636接合，從而滾輪車608可以從下模606移動到壓力機610。當管放氣以后，輪子脫離，使得滾輪車608的車體坐落在壓力機610的一個基座640的上表面638上。應(yīng)該明白，其它操作結(jié)構(gòu)元件也可以用來使輪子634從支撐滾輪車608的狀態(tài)接合或脫離，但是與輪子634的接合或脫離功能實質(zhì)上是一樣的。舉個例子，壓力機610的基座640的上表面638可以提升，從而與滾輪車608的底盤642接觸。
控制器612選擇性地與形成擠出—成型系統(tǒng)600的多個元件結(jié)合?？刂破?12是一個基于處理器的裝置，其操作能協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)部件的形成。部分地，控制器612的操作通過控制合成材料的溫度、擠出的合成材料625的體積流率以及下模626的為了接收擠出的合成材料625的通過滾輪車608的移動位置和速度，從而控制合成材料沉淀在下模626上?？刂破?12可以進一步操作來控制加熱器618將熱塑性材料加熱。控制器612可以控制螺旋推進器620的速度，以保持大體恒定的合成材料流通過擠出器604且進入動態(tài)模606內(nèi)。作為選擇，控制器612可以改變螺旋推進器620的速度，以改變來自擠出器604的合成材料的體積流率?？刂破骺梢赃M一步控制擠出器604中的加熱器(未示出)和動態(tài)模606?；谒纬傻倪@種結(jié)構(gòu)部件，可以給動態(tài)模606建立一套預(yù)定的參數(shù)，以將擠出的合成材料625施加到下模626上。參數(shù)可以限定，使得流體控制元件624可以選擇地設(shè)置，使得滾輪車608的移動通過根據(jù)限定了所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)部件的模腔630的合成材料的體積流率來同步地設(shè)置。
滾輪車608可以進一步包括一個加熱器(未示出)，加熱器由控制器612控制，并且可以操作來將擠出的合成材料保持在加熱狀態(tài)或熔化狀態(tài)。通過改變滾輪車所需的速度，控制器可以在擠出的合成材料625被施加到下模626上期間控制滾輪車608。在擠出的合成材料625被施加到下模626上完成時，控制器612驅(qū)動滾輪車608進入壓力機610?？刂破魅缓蠼o一個機構(gòu)(未示出)發(fā)出信號，以將輪子634與軌道636脫離，使得壓力機610可以在不破壞輪子634的情況下對上模632施力使其抵靠著下模626。
圖6B是圖6A的擠出—成型系統(tǒng)600a的另一個典型方框圖。擠出—成型系統(tǒng)600b的構(gòu)造能支撐兩個壓力機610a和610b，壓力機可以操作以接收滾輪車608，滾輪車支撐了下模626以形成結(jié)構(gòu)部件。應(yīng)該理解，兩個滾輪車608可以被軌道或鐵軌636支撐，以便于通過單一的擠出器604和動態(tài)模606能形成多個結(jié)構(gòu)元件。在一個實施例中，輪子634和軌道636可以用于讓滾輪車608移動，應(yīng)該理解，其它移動機構(gòu)也可以用于控制滾輪車的移動。舉個例子，一個輸送器、懸掛系統(tǒng)、或者軌道驅(qū)動系統(tǒng)都可以用來控制滾輪車608的移動。
控制器612構(gòu)造得能支撐多個結(jié)構(gòu)部件，使得擠出—成型系統(tǒng)600b可以通過不同的壓力機610a和610b同時形成不同的結(jié)構(gòu)部件。因為控制器612能夠儲存能形成多個結(jié)構(gòu)部件的參數(shù)，所以控制器612可以通過利用通用軟件程序中的參數(shù)來簡單地改變動態(tài)模606和滾輪車608a和608b的控制，藉此使用單獨一個擠出器604和動態(tài)模606來形成兩個不同的結(jié)構(gòu)部件。應(yīng)該理解，可以使用額外的壓力機610和滾輪車608，以通過單獨一個擠出器604和動態(tài)模606來大體上同時產(chǎn)生更多的結(jié)構(gòu)部件。
圖7是將擠出的合成材料625沉淀到由滾輪車608支撐的下模626上的動態(tài)模606的一個典型的分解圖。如圖所示，動態(tài)模606包括流量控制元件624a-624i。應(yīng)該理解，流量控制元件624的數(shù)量可以增加或減少，這依賴于所形成的結(jié)構(gòu)部件的分辯率(resolution)或細節(jié)。如圖所示，流量控制元件624設(shè)置成不同的高度，以便于提供與每個流量控制元件相關(guān)的擠出合成材料625的較多或較少的體積流率。舉個例子，流量控制元件624a完全閉合，以便于防止合成材料通過動態(tài)模606的截面。由于流量控制元件624a閉合，因此體積流率fa是零。流量控制元件624b是開放的，以形成具有高度h1的一個開口，藉此提供了擠出合成材料625b的一個體積流率fb。同樣地，流量控制元件624c是開放的，以更大的一個開口，用于擠出合成材料625c以較高的體積流率fc輸出到下模626上。
如與每個流量控制元件624相關(guān)的擠出合成材料625的陰影中的變化所表示的，流量控制元件624可以在所形成的結(jié)構(gòu)部件的基礎(chǔ)上通過下模626和上模632來動態(tài)調(diào)整。因此，在所形成(例如在某區(qū)域深沖壓)的結(jié)構(gòu)部件的基礎(chǔ)上，流量控制元件624可以調(diào)整以改變在下模和上模的有限區(qū)域上的擠出合成材料625的體積流率。換句話說，合成材料層628的厚度可以基于下模和上模所限定的模腔630變化。舉個例子，合成材料層區(qū)域628a比合成材料層區(qū)域628b薄，合成材料層區(qū)域628b更厚，足以能填充模腔630a，模腔630a的拔模斜度比下模626中的模腔630的其它部分的拔模斜度更深。換句話說，擠出的合成材料層628在由下模和上模所限定的模腔630的深度的基礎(chǔ)上動態(tài)改變。在能在擠出—成型系統(tǒng)600a上實現(xiàn)的兩軸和三軸控制方法中，擠出的合成材料層628的厚度能基于擠出的合成材料625的體積流率以及滾輪車608的行駛速度而變化。
根據(jù)要生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)部件控制沉淀在兩或三軸上的擠出的合成材料的量，從而實現(xiàn)將擠出的合成材料沉淀到下模上。對于兩軸控制來講，滾輪車的移動可以沿著移動的軸線而控制，以將擠出的合成材料以不同的量沿著沉淀軸線來沉淀。對于三軸控制來講，擠出器的輸出可以使用包括流量控制元件的一個動態(tài)模，藉此提供不同的體積流率以沿著垂直于移動軸線的軸線同時沉淀到下模上。應(yīng)該理解，其它實施例也可以用于無軸控制，以將擠出的合成材料沉淀到下模的特殊區(qū)域上。
通過對滾輪車和施加于下模上的合成材料提供控制，任何模式都可以在下模上成型，從厚的連續(xù)層到薄的圓或橢圓外形；可以由離散數(shù)學(xué)描述的任何兩維形狀可以通過材料成形。此外，因為存在對沉淀到給定區(qū)域上的合成材料的體積的控制，三維模式也可以產(chǎn)生，以能夠產(chǎn)生例如具有深的拔模斜度和/或隱藏肋的結(jié)構(gòu)元件。一旦結(jié)構(gòu)部件被冷卻，就可以使用排出器來將凝固的材料從模具中脫離。本發(fā)明的原理可以是使兩個或更多獨特的部件同時產(chǎn)生，藉此通過使用合成材料的實際連續(xù)流來將生產(chǎn)率最大化。
擠出—成型方法的增值好處通過擠出—成型系統(tǒng)，大的長纖維強化塑料部件可以并行生產(chǎn)且生產(chǎn)成本很低。能提供強化塑料元件生產(chǎn)線的擠出系統(tǒng)的特征在于提供了(I)材料靈活性，(II)沉淀過程，(III)低壓，以及(IV)機器效率。材料靈活性能在并行混合中節(jié)約材料成本和加工成本，并進一步提供材料的靈活性特性。沉淀過程增加了在材料沉淀過程中的價值，這能產(chǎn)生更復(fù)雜的形狀(例如大的拔模斜度和肋)，使材料流動更好，并且使模具中包容大的嵌入件更容易。低壓指的是減小的成型壓力，這減少了在模具和機器中的磨損，并且在結(jié)構(gòu)部件保留很少的壓力。機器效率保證了能每次使用兩個或更多完全不同的模具，以改善擠出系統(tǒng)的效率，藉此減少運行生產(chǎn)操作所需的機器的數(shù)量。此外，根據(jù)本發(fā)明原理的材料輸送系統(tǒng)可以與很多現(xiàn)有機器結(jié)合在一起。
材料靈活性擠出—成型系統(tǒng)允許由幾種不同類型的樹脂和纖維合成特定的合成材料混合物。擠出系統(tǒng)可以生產(chǎn)具有上述幾種樹脂的部件。通過傳統(tǒng)的壓縮成型，預(yù)制造的熱塑片材從熱塑片材制造商那里購買，預(yù)制造的熱塑片材通常是已知的結(jié)合了具有纖維和所期望的添加劑的坯料。然而，這些坯料是昂貴的，因為它們已經(jīng)經(jīng)過了幾個中間人，并且通常僅僅以預(yù)定的混合物形式銷售。通過使用根據(jù)本發(fā)明原理的擠出—成型方法，可以通過并行混合過程來利用原材料產(chǎn)生結(jié)構(gòu)部件，而不必購買預(yù)制造的片材，從而減少這些成本。勞動成本和機器成本也明顯減少，因為擠出—成型系統(tǒng)不需要烤爐來預(yù)熱材料，也不需要操作工來將加熱的片材移動到模具中。因為操作工控制期望的混合率，這個過程中增加了幾乎無限的靈活性，包括例如在成型中改變特性的能力，或者在顏色上產(chǎn)生逐步的改變。而且，與片材成型不同，只要系統(tǒng)加入了靈活性，擠出—成型系統(tǒng)不需要材料具有熔化強度，。在一個實施例中，擠出—成型系統(tǒng)可以利用熱固塑料來產(chǎn)生結(jié)構(gòu)部件。擠出—成型系統(tǒng)可以還使用多種纖維材料，包括如上面所述的碳纖維、玻璃纖維和其它纖維，以通過可得到超過50％的纖維容積率以及85％或更高比例的纖維長度從原材料到最終部件保持1/4英寸或更長從而進行強化。
沉淀過程根據(jù)本發(fā)明原理的擠出系統(tǒng)允許可變的合成材料沉淀；在模具的更多材料被使用的區(qū)域，例如用于深的拔模斜度或隱藏的肋，以將在成型和壓縮過程中使用的力最小化。如本領(lǐng)域所知那樣，可變的合成材料沉淀與使用典型的壓縮成型方法相比能導(dǎo)致更精確，模具填充更滿，以及具有更少的“缺料(short-shots)”?？勺兂恋硪材茉诮Y(jié)構(gòu)部件兩側(cè)成型大的構(gòu)件，并且讓嵌入件或型芯移動到結(jié)構(gòu)部件內(nèi)部。最后，因為材料在以熔化狀態(tài)沉淀在模具上的時候(與被預(yù)混合成片材并且然后壓入模具中相反)具有相對很低的粘性，所以纖維能容易地進入肋，并且覆蓋大的尺寸區(qū)域，而沒有被截留或被不希望地導(dǎo)向。
低壓在擠出—成型過程期間被沉淀的熱塑性合成材料比加熱的預(yù)混合片材流動性更好，因此使熱塑性合成材料更容易流動到模具內(nèi)。沉淀到模具上的合成材料的流動性導(dǎo)致所需要的成型壓力比其它成型過程顯著減少。這個過程的壓力通常操作在100磅/平方英寸范圍里，而壓縮成型使用的壓力是1000磅/平方英寸。這個低壓轉(zhuǎn)換成低磨損，藉此減少在模具和壓力機上的維護。因為低壓，不再需要成本超過200,000美元的鋼工具，可以使用能循環(huán)300,000次僅需40,000美元的鋁制模具。低成本的工具也意味著對進一步的設(shè)計變化具有更多的靈活性。因為熱塑性樹脂在低壓下重新定位且成形于模具的面上，所以材料內(nèi)部保留了很少的壓力，因此導(dǎo)致更好的尺寸公差和更少的熱變形。
機器效率因為擠出—成型方法可以使用兩個或更多模具同時運行，當?shù)诙€模具被填充和壓縮的時候，第一個模具副可以被冷卻和移開，所以每個部件的平均周期減少了，因此提高了生產(chǎn)率。而且，擠出—成型系統(tǒng)利用最少的多余元件。在一個實施例中，擠出系統(tǒng)為每個模具使用一個獨立的壓力機，但是其它設(shè)備可以在模具副中統(tǒng)一和共享，并且可以用軟件來容易地改變以適應(yīng)其它模具。擠出和輸送系統(tǒng)600a可以進一步與當前的制造設(shè)備結(jié)合，并且現(xiàn)有的壓縮模具和壓力機也可以結(jié)合。
圖8A是一個示范性的流程圖，描述了可以通過使用兩軸或三軸控制來將合成材料沉淀到下模626上從而形成物件或結(jié)構(gòu)部件的擠出—成型過程。擠出—成型過程開始于步驟802。在步驟804，熱塑性材料被加熱以形成熔化的熱塑性材料，并且在步驟806同纖維混合以形成合成材料。在步驟808，熔化的合成材料通過動態(tài)模在重力作用下被輸送到一個下模626上。對于兩軸擠出沉淀方法來講，可以利用來自模的固定的輸出。在兩軸方法中，滾輪車的移動保持在恒定速度。在三軸擠出控制方法中，一個動態(tài)模606可以與變化的滾輪車或模具速度一起利用。對于兩軸和三軸擠出控制方法，在步驟810，下模626在接收合成材料時可以以一定的空間和時間來移動，以使由下模626和上模632所限定的模腔630中所需的合成材料的數(shù)量一致。在步驟812，上模632被壓到下模626處，以將合成材料壓入下模和上模。該過程在步驟814結(jié)束。
圖8B是利用圖6A的擠出—成型系統(tǒng)通過三軸控制擠出—成型方法來產(chǎn)生結(jié)構(gòu)部件的一個示范性的流程圖。結(jié)構(gòu)部件產(chǎn)生過程開始于步驟816。在步驟818，熱塑性材料被接收。熱塑性材料在步驟822被加熱。在一個實施例中，熱塑性材料被加熱到熔化或熔融狀態(tài)。在步驟820，具有預(yù)定纖維長度的纖維被接收。在步驟822，纖維同熱塑性材料混合，以形成合成材料。纖維可以是由玻璃或其它加強(stiffening)材料形成的纖維長股，用于形成大的結(jié)構(gòu)部件。例如長度為半英寸(1/2”)到4英寸(4”)或更長的纖維可以用來形成結(jié)構(gòu)部件。
在步驟826，合成材料被擠出。在擠出過程中，用來擠出合成材料的螺旋推進器620或其它機構(gòu)的結(jié)構(gòu)能大體上避免對纖維的破壞，使得最初的纖維長度大體上保持(例如85％或更高)。舉個例子，在使用螺旋型的螺旋推進器620的情況下，螺旋間距的選擇應(yīng)該大于纖維長度，藉此大體上避免對纖維的破壞。
在步驟828，擠出的合成材料625·可以以不同的體積流率穿越一個平面被動態(tài)輸出，以能夠?qū)D出的合成材料沉淀到下模626上進行控制。在步驟830，下模626可以位置上同步，以接收以不同的體積流率穿越一個平面P的擠出的合成材料。在一個實施例中，模具626的位置同步是根據(jù)設(shè)置在滾輪車608上方高度d處的流量控制元件624來實現(xiàn)的，這可以在大體上恒定的或可調(diào)的速度下被轉(zhuǎn)換。舉個例子，為了沉淀恒定的或平的擠出合成材料層628，滾輪車608以大體上恒定的速度移動。但是為了增加或減少擠出的合成材料層628的體積，滾輪車608可以分別以稍慢或稍快的速度移動。在步驟832，形成擠出的合成材料層628的擠出合成材料625被壓入模具626內(nèi)，以形成熱塑性結(jié)構(gòu)部件。結(jié)構(gòu)部件形成過程在步驟834結(jié)束。
圖9是與在圖6A的擠出系統(tǒng)600a的元件內(nèi)部操作的控制器相連通的控制器612的一個示范性的方框圖900?？刂破?12與不同的控制器連通，使用數(shù)字和/或模擬信道雙向連通，如本領(lǐng)域熟知的那樣。在元件內(nèi)部操作的控制器可以是如本領(lǐng)域熟知的基于控制開環(huán)或閉環(huán)控制軟件的處理器，并且作為控制器612的從屬計算器操作。作為選擇，控制器可以是非基于控制器的處理器，比如模擬或數(shù)字電路，作為控制器612的從屬裝置操作。
進給器614可以包括一個速度和溫度控制器902，控制器902可以操作來控制進給器614的速度或速率以及溫度，以將合成材料M1與纖維材料M2混合。進給器速度和溫度控制器902可以由單個或多個控制器形成，以控制電機和加熱器?？刂破?12可以操作來規(guī)定或指令進給器614的速度和溫度，而進給器614的速度和溫度控制器902可以操作來執(zhí)行由控制器612接收的命令。舉個例子，在通過動態(tài)模606擠出的合成材料的數(shù)量的基礎(chǔ)上，控制器612可以增加材料M1和M2進給到擠出器606內(nèi)的速度。
控制器612進一步與加熱器控制器904連通。在從加熱器控制器904接收的反饋數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，控制器612可以將控制數(shù)據(jù)傳達給加熱器控制器904。舉個例子，如果加熱器控制器904的溫度在進給操作期間減少了，那么控制器612可以通過控制數(shù)據(jù)1018發(fā)出指令給加熱器控制器904，以增加加熱器618的溫度。作為選擇，加熱器控制器904可以使用本領(lǐng)域熟知的一個反饋調(diào)整環(huán)來將溫度調(diào)節(jié)到由控制器612所指令的溫度，并且簡單地將溫度報告給控制器612以監(jiān)控效果。
控制器612進一步與擠出器速度和溫度控制器906連通，控制器906能控制螺旋推進器620的速度和擠出器604的溫度。擠出器速度和溫度控制器906可以操作來控制在擠出器604區(qū)域內(nèi)的多個加熱器，并且將每個加熱器的溫度傳遞給控制器612。應(yīng)該明白，擠出器速度和溫度控制器906可以由多個控制器形成。
控制器612進一步與動態(tài)?？刂破?08連通，控制器908控制動態(tài)模606的流量控制元件624。動態(tài)?？刂破?08可以操作來選擇性地或分別地控制每個流量控制元件624。作為選擇，每個流量控制元件624可以由獨立的控制器分別控制。因此，控制器612可以操作來發(fā)出指令給動態(tài)?？刂破?08，以通過開環(huán)方式設(shè)置每個流量控制元件624的位置。舉個例子，一個步進電機可以用在一個開環(huán)方式中。每個流量控制元件624的實際位置可以通過用于控制器612的反饋數(shù)據(jù)1022傳遞回控制器612，以用于控制流量控制元件624的位置。
控制器612進一步與滾輪車控制器910連通，控制器910與滾輪車608相連，并且可以操作來控制滾輪車608的位置和下模626的溫度?？刂破?12可以提供控制信號1018給滾輪車控制器910，控制器910作為伺服系統(tǒng)操作來驅(qū)動滾輪車608到控制器612所指令的位置，在將擠出的合成材料沉淀到下模626上時，控制器910相應(yīng)地設(shè)置下模626的位置。盡管沉淀到下模626上的擠出合成材料層628在沉淀的時候是熔化的，首先沉淀的擠出合成材料層628在后面的擠出合成材料625被沉淀的時候還是容易冷卻。因此，控制器612可以將控制數(shù)據(jù)1018傳遞給滾輪車控制器910，以維持擠出合成材料層628的溫度或者在大體上恒定的溫度上，這要基于擠出合成材料625的沉淀時間以及/或者其它因素，比如熱塑性材料M1熔化狀態(tài)溫度需要。反饋數(shù)據(jù)1022可以提供滾輪車608的當前溫度和位置狀態(tài)以及速度，以及下模626的溫度，使得控制器612可以實現(xiàn)管理和監(jiān)控功能。
控制器612進一步與一個加熱/冷卻控制器912連通，控制器912可以操作來控制用于擠出—成型系統(tǒng)600a的加熱器和或/冷卻器的溫度。加熱/冷卻控制器912可以接收來自控制器612的控制數(shù)據(jù)1018，控制器612基于一些因素，比如熱塑性材料M1、周圍溫度、產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)部件的特征、生產(chǎn)率等來指令加熱/冷卻控制器912在一個特定的或可變的溫度下操作。加熱/冷卻控制器912可以控制系統(tǒng)級的加熱器和冷卻器或者元件級的加熱器和冷卻器。反饋數(shù)據(jù)1022可以提供加熱器和冷卻器當前的溫度和狀態(tài)，使得控制器612可以實現(xiàn)管理和監(jiān)控功能。
控制器612進一步與一個壓力機控制器914連通，控制器914可以操作來控制壓力機操作和上模632的溫度。壓力機控制器914可以是壓力機610的制造商連通壓力機610一同供應(yīng)的標準的控制器。同樣，壓力機控制器914可以包括一個溫度控制器來控制上模932的溫度。作為選擇，溫度控制器可以不與由壓力機910的制造商提供的壓力機控制器914結(jié)合。反饋數(shù)據(jù)1022可以提供壓力機當前的位置和力以及上模632的溫度，使得控制器612可以實現(xiàn)管理和監(jiān)控功能。
控制器612進一步與一個脫模工具控制器916連通，控制器916可以操作來控制在已成型結(jié)構(gòu)元件上的脫模操作。對接收來自壓力機控制器914的壓力機610已經(jīng)完成擠壓操作的通知的控制器612進行反應(yīng)，控制器612可以發(fā)出控制信號1018給脫模工具控制器916，以開始將已成型的結(jié)構(gòu)元件脫模。因此，反饋數(shù)據(jù)1022可以用來指示脫模工具當前的操作。如果反饋數(shù)據(jù)1022指示脫模工具很難將已成型的結(jié)構(gòu)元件脫模，則通知擠出—成型系統(tǒng)600a的操作者，擠出—成型系統(tǒng)600a的脫模工具、下模626或上模632、壓力機610、下模626或上模632的加熱器或冷卻器、或者其它元件或功能存在問題。
應(yīng)該明白，當控制器612可以構(gòu)造成擠出—成型系統(tǒng)600a的每個元件的總控制器，控制器612可以構(gòu)造成能以多個分配的控制器的方式來管理元件。換句話說，元件的控制器可以作為更加智能的控制器來操作，這些智能控制器使用所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)部件的參數(shù)來計算操作且控制參數(shù)，并且少數(shù)作為伺服器受控制器612的指揮以實現(xiàn)功能。應(yīng)該進一步明白，控制器612可以編程來適應(yīng)擠出—成型系統(tǒng)600a的不同的機械結(jié)構(gòu)。舉個例子，如果擠出—成型系統(tǒng)600a構(gòu)造得能使擠出器606的輸出轉(zhuǎn)換或者相對靜止的下模626移動，其中下模626可能與滾輪車608連接或者可能不與之連接，那么控制器612可以編程以控制擠出器606的輸出的運動，而不是控制滾輪車608的運動。
圖10是圖6A的控制器612的一個示范性方框圖?？刂破?12包括與一個存儲器1004和用戶界面1006連接的一個處理器1002。用戶界面1006可以是觸摸屏、電子顯示器和鍵盤、筆式界面、或者本領(lǐng)域熟知的其它任何用戶界面。處理器1002進一步與一個輸入/輸出裝置和一個將信息存儲在數(shù)據(jù)庫或文件1012a-1012n(總稱1012)中的存儲裝置相連接。數(shù)據(jù)庫1012可以用來存儲控制擠出—成型系統(tǒng)600a的控制參數(shù)，比如與下模626和上模632相關(guān)的數(shù)據(jù)。另外，數(shù)據(jù)庫1012可以在擠出—成型系統(tǒng)600a操作期間存儲由擠出—成型系統(tǒng)600a反饋的數(shù)據(jù)。
處理器1002可以操作來執(zhí)行用來控制擠出—成型系統(tǒng)600a的不同元件并管理數(shù)據(jù)庫1012的軟件1014。在控制擠出—成型系統(tǒng)600a中，軟件1014通過I/O裝置1008和控制總線1016與擠出—成型系統(tǒng)600a相連?？刂茢?shù)據(jù)1018通過數(shù)據(jù)包和/或經(jīng)過控制總線1016的模擬控制信號與擠出—成型系統(tǒng)600a相連。應(yīng)該明白，控制總線1016可以由多個控制總線形成，藉此每個控制總線與擠出—成型系統(tǒng)600a的不同元件相連。應(yīng)該進一步明白，控制總線1016可以使用串行或并行協(xié)議來操作。
可以是單個或多個總線結(jié)構(gòu)的一個反饋總線1020可以操作以在操作期間反饋來自擠出—成型系統(tǒng)600a的數(shù)據(jù)1022。反饋數(shù)據(jù)1022可以是感應(yīng)數(shù)據(jù)，比如溫度、位置、速度、高度、壓力或者任何從擠出—成型系統(tǒng)600a測量的傳感器的信息。因此，I/O裝置1008可以操作來接收來自擠出—成型系統(tǒng)600a的反饋數(shù)據(jù)1022并且將反饋數(shù)據(jù)1022傳遞給處理器1002以被軟件1014使用。軟件1014可以將反饋數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫1012中。并利用反饋數(shù)據(jù)1022來控制擠出—成型系統(tǒng)600a的元件。舉個例子，對于被加熱器控制器904反饋到控制器612的加熱器溫度來講，如果加熱器618的溫度變得很低，那么控制器612可以通過控制數(shù)據(jù)1018來發(fā)出指令給加熱器618，以增加其溫度?？刂破?12或元件(例如加熱器)可以包括本領(lǐng)域熟知的自動控制系統(tǒng)，用于實現(xiàn)對元件的控制和調(diào)節(jié)。
在操作中，控制器612可以存儲控制參數(shù)，用來通過擠出—成型系統(tǒng)600a產(chǎn)生一個或多個結(jié)構(gòu)部件。舉個例子，與模具626和632的參數(shù)相關(guān)的數(shù)據(jù)，比如模腔630的尺寸，可以存儲到數(shù)據(jù)庫1012中。通過存儲用于不同結(jié)構(gòu)部件的多套參數(shù)，擠出—成型系統(tǒng)600a可以用來大體上同時形成多個結(jié)構(gòu)部件。處理器1002可以執(zhí)行具有不同套并行參數(shù)的軟件1014，來大體上同時形成多個結(jié)構(gòu)部件。也就是說，當一個結(jié)構(gòu)部件被壓制的時候，也可以通過動態(tài)模606將擠出的合成材料625施加于下模626上從而形成另一個結(jié)構(gòu)部件。
圖11是由處理器1002執(zhí)行的軟件1014的示范性方框圖。一個系統(tǒng)管理器1100可以操作來管理控制器612的不同方面。系統(tǒng)管理器1100與一個操作界面1102、系統(tǒng)驅(qū)動器1104以及一個數(shù)據(jù)庫管理器1106連接。
操作界面1102是用來給擠出—成型系統(tǒng)600a的操作者提供一個界面來手動控制擠出—成型系統(tǒng)600a或者編制用于產(chǎn)生結(jié)構(gòu)部件的程序和/或輪廓。操作界面1102與一個程序選擇器1108相連，在預(yù)先編程時，程序選擇器1108允許操作者選擇程序來生產(chǎn)結(jié)構(gòu)部件。舉個例子，編制來產(chǎn)生一個托盤的一個程序可以由操作者通過操作界面1102來選擇，以便于控制擠出—成型系統(tǒng)600a來產(chǎn)生由托盤設(shè)計者根據(jù)下模和上模626、632來確定的托盤。在一個實施例中，程序選擇器1108僅僅選擇通用程序，借助使用特定的一套用于控制相應(yīng)元件的參數(shù)來通過擠出—成型系統(tǒng)600a產(chǎn)生特定的結(jié)構(gòu)部件。程序選擇器1108可以與一個參數(shù)選擇器/編輯器1110相連，參數(shù)選擇器/編輯器1110允許操作者選擇一套特定的參數(shù)來形成特定的結(jié)構(gòu)部件并且/或者編輯參數(shù)以改變形成結(jié)構(gòu)部件的過程。參數(shù)選擇器/編輯器1110可以與數(shù)據(jù)庫管理器1106相連，以從用于控制器612的多個不同的參數(shù)數(shù)據(jù)文件中選擇一套特定的參數(shù)來驅(qū)動擠出—成型系統(tǒng)600a，以形成不同的結(jié)構(gòu)部件。舉個例子，數(shù)據(jù)庫管理器1106可以使用用來產(chǎn)生托盤、I形梁、矯正板等的一套參數(shù)。應(yīng)該明白，擠出—成型系統(tǒng)600a的每個元件可以由通用驅(qū)動器控制，并且所選擇的用來產(chǎn)生結(jié)構(gòu)部件的參數(shù)可以改變擠出—成型系統(tǒng)600a相應(yīng)的每個元件的運行狀態(tài)。
系統(tǒng)驅(qū)動器1104可以用來同擠出—成型系統(tǒng)600a的元件結(jié)合，如本領(lǐng)域熟知的那樣。舉個例子，單個的系統(tǒng)驅(qū)動器1104可以用來控制進給器614、加熱器618，擠出器604、動態(tài)模606、滾輪車608以及壓力機610。系統(tǒng)驅(qū)動器1104可以由擠出—成型系統(tǒng)600a的操作者定制，或者是由像壓力機610那樣的特定元件的制造商提供的通用驅(qū)動器。在擠出—成型系統(tǒng)600a產(chǎn)生結(jié)構(gòu)部件的操作中，系統(tǒng)驅(qū)動器1104可以使用所選擇的用來產(chǎn)生結(jié)構(gòu)部件的參數(shù)來驅(qū)動擠出—成型系統(tǒng)600a的元件。
在控制擠出—成型系統(tǒng)600a的元件中，一個數(shù)據(jù)庫1012和狀態(tài)警示反饋管理器1114被用來對擠出—成型系統(tǒng)600a的每個元件提供反饋控制。舉個例子，加熱器618可以通過一個溫度傳感器(未示出)來反饋實際溫度。在加熱器618的測量溫度的基礎(chǔ)上，用來控制加熱器618的一個系統(tǒng)驅(qū)動器1104可以根據(jù)實際溫度測量值來增加或減少加熱器618的溫度。相應(yīng)地，其它傳感器可以用來反饋在擠出—成型系統(tǒng)600a內(nèi)部的每個元件和/或合成材料的溫度、壓力、速度、重量、位置等等。如果出現(xiàn)元件的致命失效，警示可以被反饋到控制器612并且被狀態(tài)警示反饋管理器1114檢測到。如果一個警示被認為是主要失效，那么系統(tǒng)驅(qū)動器1104可以關(guān)閉擠出—成型系統(tǒng)600a的一個或多個元件，以防止硬件毀壞或者對操作者個人的傷害。對這種警示做出反應(yīng)，系統(tǒng)管理器1100可以觸發(fā)操作界面1102來顯示失效，并提供正確操作或錯誤操作的通知。
圖12是流量控制元件624a-624f和下模626的一個示范性示意圖，下模626被分割成網(wǎng)格1202。網(wǎng)格間距由流量控制元件624沿著y軸(表示為間距1-5)限定，且沿著x軸由間距a-e限定。應(yīng)該明白，網(wǎng)格的更高的分辨率可以通過沿y軸使用更多的流量控制元件624以及沿著x軸限定更小的間距而獲得。依賴于所形成的特定結(jié)構(gòu)部件，可以要求較高的或較低的分辨率，并且由操作者建立的用以限定較高或較低分辨率的參數(shù)可以通過數(shù)據(jù)庫管理器1106存儲在控制器612中，以在產(chǎn)生結(jié)構(gòu)部件的時候使用。
表2-10是用來控制擠出—成型系統(tǒng)600a的元件的示范性數(shù)據(jù)表。特別地，表格用于控制數(shù)據(jù)1018，控制數(shù)據(jù)1018用來控制元件和由控制器612接收的來自元件的反饋數(shù)據(jù)1022。表2是進給器614的控制，進給器614用于進給熱塑性合成材料M1、纖維材料M2以及任何其它材料(比如顏料)，以形成結(jié)構(gòu)部件。如表所示，控制數(shù)據(jù)1018包括每個進給器614傳遞材料給擠出—成型系統(tǒng)600a的速率，并且反饋數(shù)據(jù)1022包括當前在每個進給器614中的材料的高度。在擠出—成型系統(tǒng)600a操作期間，從進給器614輸送的材料的速率被控制，并且在進給器614中的材料的高度被測量，對應(yīng)于進給器614達到最小量的材料高度可以提醒操作者，使得操作者可以將額外的材料加入進給器614。
表3是用于擠出器604中的加熱器的溫度控制的示范性表格。如果擠出器604被限定成具有幾個溫度區(qū)域1-n，那么每個區(qū)域的溫度可以通過擠出器溫度控制來設(shè)定，此時擠出器溫度控制被限定成加熱或冷卻、開或關(guān)、以及/或者限定在一個特定溫度(未示出)。反饋數(shù)據(jù)1022可以包括擠出器604每個區(qū)域的實際溫度。相應(yīng)地，溫度傳感器與擠出器的每個區(qū)域結(jié)合在一起，并且傳感器測得的溫度通過反饋總線1020反饋回控制器612以進行反饋控制。
表4是對在擠出器604內(nèi)操作的螺旋推進器620進行驅(qū)動的一個電機(未示出)進行的速度控制的示范性表格?？刂茢?shù)據(jù)1018包括設(shè)定來驅(qū)動電機的速度控制。電機的實際速度和載荷通過反饋數(shù)據(jù)1022反饋到系統(tǒng)驅(qū)動器1104，系統(tǒng)驅(qū)動器1104通過控制數(shù)據(jù)1018控制擠出器604中的螺旋推進器620的速率。
表5限定了用于在動態(tài)模606內(nèi)的加熱器的溫度控制?？刂茢?shù)據(jù)1018可以由動態(tài)模606內(nèi)的區(qū)域1-n限定。與擠出器604的溫度控制相似，加熱器618可以包括加熱和制冷控制以及/或者打開和關(guān)閉設(shè)定，用來控制和/或調(diào)節(jié)動態(tài)模606內(nèi)的不同區(qū)域的溫度。相應(yīng)地，反饋數(shù)據(jù)1022可以包括動態(tài)模606內(nèi)的每個區(qū)域的實際溫度，以對其進行控制。
表6是用于動態(tài)模606的流量控制元件624的控制的示范性表格。如表所示，控制數(shù)據(jù)包括流量控制元件1-n和每個流量控制元件624的范圍在1-m的位置。應(yīng)該明白，流量控制元件624可以具有幾乎無限的位置數(shù)量。然而，為了實踐目的，流量控制元件的位置典型地是設(shè)置成具有某些預(yù)定的位置，例如從0到6英寸范圍的每個四分之一英寸。在控制流量控制元件624的位置時，可以使用步進電機或者其它類型的電機。相應(yīng)地，用于流量控制元件624的反饋數(shù)據(jù)1022包括流量控制元件624的當前位置，使得由控制器612傳遞給動態(tài)模606的控制數(shù)據(jù)1018之間的任何位置偏離都可以如本領(lǐng)域熟知的那樣通過反饋數(shù)據(jù)1022由一個反饋環(huán)來糾正。
表7是用于下模626的溫度控制的一個示范性表格。應(yīng)該明白，相似的表格可以用來控制上模632的溫度。如表所示，下模626可以被分成一些區(qū)域1-n，其中加熱器和/或冷卻器可以應(yīng)用到每個區(qū)域，用以在控制數(shù)據(jù)1018的指令下對下模626加熱和冷卻。相應(yīng)地，反饋數(shù)據(jù)1022可以提供下模626的實際溫度，使得反饋控制可以通過控制器612來實現(xiàn)，以調(diào)節(jié)下模626的溫度。舉個例子，當擠出的合成材料625施加于下模626的時候，下模626的溫度可以跨越區(qū)域調(diào)節(jié)，以在合成材料沉淀到下模626上的時間和其它因素的基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)擠出的合成材料層628的溫度，并且直到結(jié)構(gòu)部件從模具626和632中移除。
表8是一個示范性表格，提供了甩于控制滾輪車608的控制參數(shù)。如表所示，控制數(shù)據(jù)1018包括滾輪車608的位置、速度以及提升控制。應(yīng)該明白，可以包括額外的控制數(shù)據(jù)1018來控制滾輪車608的運動。舉個例子，加速度、旋轉(zhuǎn)或者角度位置、或者其它動態(tài)控制數(shù)據(jù)可以用來移動或同步滾輪車608，以與下模626正確地對齊，能夠施加擠出的合成材料625，擠出的合成材料625將被沉淀或在重力作用下落到下模626上。滾輪車608的反饋數(shù)據(jù)1022可以包括滾輪車608的實際位置和當前速度。提升控制數(shù)據(jù)可以用來在擠出的合成材料625沉淀到下模626上期間以及將擠出的合成材料層628分別通過壓力機610壓制到模具626和632內(nèi)期間使?jié)L輪車608的輪子634接合或脫離。提升的實際位置可以被反饋，以便于確保壓力機610不被致動，直到輪子634通過提升機構(gòu)(例如氣管)脫離。
表9是壓力機610的控制的示范性表格?？刂茢?shù)據(jù)1018可以包括鎖定控制數(shù)據(jù)和周期壓制時間。反饋數(shù)據(jù)1022可以包括在壓力機610中的滾輪車608的位置以及壓盤的位置?？梢园ㄆ渌刂坪头答亝?shù)來控制壓力機。舉個例子，也可以包括上模632的溫度控制、壓力機610的力等等。
表10是用于拔模工具(未示出)的控制的示范性表格，拔模工具用于在形成結(jié)構(gòu)部件過程的壓制后(可選地，冷卻完成)以后將成型的結(jié)構(gòu)部件從模具626和632中拔出?？刂茢?shù)據(jù)1018可以包括一個開始拔模周期，并且反饋數(shù)據(jù)1022可以包括一個單獨的拔模工具位置。應(yīng)該明白，多個拔模工具或一個拔模工具的多個元件可以被使用，并且其它感應(yīng)的反饋數(shù)據(jù)可以被感應(yīng)和反饋到控制器612。
表13是流量控制元件624a-624i的俯視圖，其排列能將合成材料沉淀到圖6A的下模626上。如圖所示，流量控制元件624沿著y軸定位，這提供了用于將擠出的合成材料625沉淀到下模626上的三軸控制。相應(yīng)地，沉淀擠出的合成材料625的x軸控制可以通過控制滾輪車608在流量控制元件624下方的不同速度下的移動來控制，沉淀擠出的合成材料625的y軸控制可以由流量控制元件624的調(diào)整來控制，并且沉淀擠出的合成材料625的z軸控制可以由控制沿著x軸和y軸沉淀擠出的合成材料625而實現(xiàn)。
用于沿著x、y、z軸沉淀擠出的合成材料625的控制可以使用多種技術(shù)來實現(xiàn)，包括(1)通過螺旋推進器620的旋轉(zhuǎn)速率來控制來自擠出器604的合成材料的體積流率；(2)控制滾輪車608在單軸上的移動速率；(3)控制具有單一流量控制元件624或者統(tǒng)一操作的多個流量控制元件624的擠出器604的輸出口；(4)單獨控制多個流量控制元件624；以及(5)控制滾輪車608在多個軸上的運動。這些技術(shù)的每一個都假定其它變量保持恒定。舉個例子，技術(shù)(1)假定擠出器604的輸出口是固定的，并且滾輪車608在輸出口下方以恒定速率運行。技術(shù)(2)假定來自擠出器604的合成材料的體積流率是恒定的，并且擠出器604的輸出口是固定的。然而，應(yīng)該明白，這些技術(shù)可以結(jié)合以提供對擠出的合成材料625設(shè)置在下模626上的額外控制，如有關(guān)圖6A所討論的那樣，其中，技術(shù)(1)、(2)和(4)結(jié)合。技術(shù)(5)包括提供不僅對下模626的x軸和y軸控制，而且對z軸和圍繞任何軸的旋轉(zhuǎn)的控制。通過提供使用技術(shù)(5)的這種對下模626的控制，多種結(jié)構(gòu)部件可以形成，否則就不可能?？偠灾?，本發(fā)明方法的不同元件的所有計算機控制在擠出過程和預(yù)期部件的生產(chǎn)以及過程的所有操作性的協(xié)調(diào)上起到關(guān)鍵作用。
最后，不控制下模626的移動，利用來自擠出器604的移動輸出開口，擠出的合成材料625可以沉淀到一個固定的或移動的下模626上。舉個例子，沿著軌道或其它機械結(jié)構(gòu)運行的輸出開口可以被控制來將合成材料沉淀到下模626上的特定位置。這種機構(gòu)的一個類似物是激光噴射打印機。
再次參考圖13，其示出了當下模626經(jīng)過動態(tài)模606的時候流量控制元件624與下模626的關(guān)系，以及當滾輪車608經(jīng)過動態(tài)模606的時候相應(yīng)于滾輪車608位置的右側(cè)的以英寸計的數(shù)量。由于下模626小于滾輪車608，所以下模626在進入滾輪車608十英寸處開始。表11-12是示范性表格，提供了用于流量控制元件624的速度和門控制參數(shù)。參數(shù)可以用來使用擠出—成型系統(tǒng)600a來生產(chǎn)托盤。
表11和12提供了流量控制元件624和滾輪車608的移動之間的位置同步。通過協(xié)調(diào)這兩個元件(也就是動態(tài)模606和滾輪車608)之間的移動，擠出的合成材料625可以沿著下模626在由下模626和上模632的模腔630的容積所確定的位置沉淀。換句話說，擠出的合成材料625沉淀到下模626上以形成擠出的合成材料層628，其厚度足以填充下模626和上模632的模腔630，藉此提供在結(jié)構(gòu)部件的某些區(qū)域形成深的拔模斜度和隱藏肋的能力。
圖14是由圖6A的擠出—成型系統(tǒng)600a生產(chǎn)的一個托盤1400的一角的示范性頂透視圖。如圖所示，托盤1400的基座1402的拔模斜度或深度d1比托盤1400的支座1404的深度d2要淺。通過利用本發(fā)明原理來控制擠出的合成材料625沉淀到下模626上，具有像支座1404那樣的結(jié)構(gòu)的大的結(jié)構(gòu)部件可以使用較硬材料M2(例如長股纖維)來形成，并且在該結(jié)構(gòu)部件的特定區(qū)域具有較深的拔模斜度d2。
圖15A和15B分別是具有隱藏肋1502a-1502e(總稱1502)的平臺1500的示范性頂透視圖和底透視圖。如圖所示，隱藏肋1502高度可變，但是在一個或多個區(qū)域具有確定的體積。因此，將更多的擠出合成材料625沉淀到具有隱藏肋1502的區(qū)域上，以及更少的擠出合成材料625沉淀到?jīng)]有隱藏肋1502的區(qū)域上。因為平臺1500是使用擠出—成型系統(tǒng)600a形成的單一的成型合成結(jié)構(gòu)，因此與由多個部分形成的平臺相比平臺1500在結(jié)構(gòu)上具有較少的弱化點。
嵌入技術(shù)在形成大部件時，除了使用纖維混合于其中以提供強度的合成材料來形成結(jié)構(gòu)部件以外，一些結(jié)構(gòu)部件進一步通過其它元件來改善結(jié)構(gòu)，比如嵌入或插入某些區(qū)域的連接件、緊固件、以及/或者加強件。舉個例子，提供內(nèi)部連接的結(jié)構(gòu)部件可以使用從合成材料延伸的金屬部件，以提供堅固且可靠的相互連接。這種結(jié)構(gòu)之一是用于溜冰場的底板覆層1600，如圖16A所示。底板覆層1600包括熱塑性材料1602以及由金屬制成的緊固件1604，熱塑性材料1602可以由熱塑性材料M1和纖維M2形成。
在形成底板覆層1600的時候，緊固件1604設(shè)置在或者構(gòu)造在下模608內(nèi)，使得擠出的合成材料層628形成具有一個緊固件1604以將其維持就位的一個結(jié)合層1606。為了進一步將緊固件1604緊固到底板覆層1600上，緊固件1604中可以包括孔(未示出)，以允許擠出的合成材料層628填充到孔內(nèi)。在成型操作期間，致動器可以構(gòu)造在下模626內(nèi)，以在擠出—成型過程中保持緊固件1604的位置，并且在擠出的合成材料層628仍然在熔化狀態(tài)時通過控制器612來釋放致動器。應(yīng)該明白，緊固件1604作為選擇可以構(gòu)造在上模632內(nèi)。
圖16B是經(jīng)常由護理人員使用的矯正板1610的一個示范性部分。矯正板1610由合成材料1612形成，并且包括密封在合成材料1612內(nèi)的一個嵌入件1614。嵌入件1614可以是碳纖維管，使得矯正板1610可以被加強、減輕重量、且可以被x射線透過。在密封嵌入件中，下模626可以具有在擠出的合成材料層628與其形成結(jié)合層1616的時候?qū)⑶度爰３志臀坏闹聞悠骰蚝唵蔚匿N。而且，當擠出的合成材料層628處于熔化狀態(tài)時，致動器和/或銷可以被釋放，使得擠出的合成材料層628填充由致動器或銷留下的任何空穴。應(yīng)該明白，嵌入件1614可以是基于特定應(yīng)用或所形成的結(jié)構(gòu)部件的實質(zhì)上的任何材料。
圖17是一個示范性流程圖1700，描述了利用圖6A的擠出—成型系統(tǒng)600a來將一個嵌入件，比如緊固件、支撐件或其它元件，插入或嵌入一個結(jié)構(gòu)部件內(nèi)的操作。嵌入過程開始于步驟1702。在步驟1704，嵌入件被構(gòu)造在下模626或上模632中。在步驟1706，熔化的擠出合成材料625沉淀到下模626上。在步驟1708，擠出的合成材料圍繞著嵌入件的至少一部分形成，以將嵌入件緊固到所形成的結(jié)構(gòu)部件內(nèi)。在一個實施例中，嵌入件被封閉或完全嵌入到擠出合成材料625中(例如見圖16B)。作為選擇，只有嵌入件的一部分嵌入到擠出合成材料625內(nèi)，使得一部分從結(jié)構(gòu)部件延伸。
如果有支撐件被用于構(gòu)造下模626或上模632中的嵌入件，那么在步驟1710將支撐件移除。支撐件可以是受控制的致動器、簡單的機械銷或者是在將擠出合成材料625沉淀到下模626上期間能支撐嵌入件的其它機構(gòu)，在擠出合成材料層628在步驟1712硬化之前，支撐件被移除。擠出合成材料層628可以在壓制、真空或其它操作期間通過自然冷卻或強制冷卻來硬化以形成結(jié)構(gòu)部件。通過在擠出合成材料層628硬化之前將支撐件移除，支撐件所產(chǎn)生的縫隙被填充，因此在結(jié)構(gòu)部件中沒有留下支撐件的痕跡或弱點。在步驟1714，嵌入件至少部分嵌入其中的結(jié)構(gòu)部件從模具626和632中移除。嵌入過程在步驟1716結(jié)束。
在本發(fā)明的另一個實施例中，一個嵌入件通過本發(fā)明要求保護的方法封閉。在與圖17所述過程相似的一個方法中，一個嵌入件，比如緊固件、支撐件、或者其它元件，可以利用所要求保護的擠出—成型系統(tǒng)被擠出的熱塑性材料封閉。在本發(fā)明的另一個實施例中，具有不同厚度的材料的多個層可以利用所要求保護的擠出—成型系統(tǒng)從而一層在另一層上面地沉淀。特別地，熱塑性材料的第一層被擠入下模內(nèi)，同樣或不同熱塑性材料的第二層設(shè)置在第一層頂上。在本發(fā)明的某些實施例中，在第一層與第二層層壓之前或者不用將第一層與第二層層壓，一個嵌入件可以設(shè)置在第一擠出層頂上。這個“層壓”形式可以使具有多層同樣或不同的熱塑性合成材料以及不同的嵌入材料層的結(jié)構(gòu)的形成方便。前面的描述是實現(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)選的實施例，并且本發(fā)明的范圍不應(yīng)該限制于這個描述。本發(fā)明的范圍實際由下面的權(quán)利要求限定。
表1熱塑性樹脂


表2材料進給器

表3擠出器溫度控制

表4擠出器電機控制

表5動態(tài)模溫度控制


表6動態(tài)模流量控制元件控制

表7加熱/冷卻模具控制

表8滾輪車控制

表9壓力機控制

表10拔模工具控制

表11滾輪車速度控制參數(shù)

表12流量控制元件參數(shù)


權(quán)利要求
1.一種由熱塑性材料和纖維來形成物件的方法，所述方法包括將熱塑性材料加熱以形成熔化的熱塑性材料，用于同所述纖維混合；將所述熔化的熱塑性材料與所述纖維混合，以形成具有一定的纖維重量含量的熔化的合成材料；將所述熔化的合成材料擠出，以形成合成材料流，所述合成材料流在重力作用下落到用于形成所述物件的一個模具的下部；當接收所述合成材料流的時候?qū)⑺瞿＞叩乃鱿虏吭谝欢ǖ目臻g和時間內(nèi)移動，以將與所述模具的下部和上部的模腔相一致的預(yù)定量的熔化的合成材料沉淀于其上；以及使所述模具的所述上部壓靠所述預(yù)定量的熔化的合成材料，并且閉合在所述模具的所述下部上，以形成所述物件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括控制合成材料流以改變被輸送到所述模具的所述下部的熔化的合成材料的量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述混合包括將所述熔化的合成材料與長度在大約至少半英寸和大約四英寸之間的纖維相混合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述混合形成具有大約至少10％的纖維重量含量的熔化的合成材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述模具的所述下部的所述移動形成在所述模具上的厚度變化的預(yù)定量的熔化合成材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述模具的所述下部的所述移動是沿著一條單獨的軸線。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述擠出產(chǎn)生具有最少大約85％的未破裂纖維的熔化的合成材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述重力作用使所述合成材料以大體相同的體積流率流到所述模具的所述下部上。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述重力作用使所述合成材料以不同的體積流率流到所述模具的所述下部上。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括控制所述擠出，以改變受重力作用落到所述模具的所述下部上的熔化的合成材料的體積流率。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述熔化的合成材料在重力作用下直接沉淀到所述下模的所述下部上。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述熔化的合成材料被擠出到在所述下模的所述下部內(nèi)部的一個嵌入件上。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述嵌入件部分地嵌入所述熱塑性材料內(nèi)部。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述嵌入件完全地嵌入所述熱塑性材料內(nèi)部。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述嵌入件被所述熱塑性合成材料封閉。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，熱塑性合成材料的第一層被擠出到所述模具的所述下部內(nèi)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，熱塑性合成材料的第二層層壓在所述第一層的頂部。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，一個嵌入件設(shè)置在所述第一層上。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述嵌入件部分嵌入所述第一層內(nèi)。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述嵌入件完全嵌入所述第一層內(nèi)。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，熱塑性材料的第二層層壓在所述嵌入件頂部。
22.一種由熱塑性材料和纖維來形成物件的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括一個加熱器，能夠?qū)崴苄圆牧项A(yù)熱以形成熔化的熱塑性材料；一個擠出器，同所述加熱器相連，并能夠操作以將所述熔化的熱塑性材料熔化并使之與所述纖維混合，以形成合成材料流，所述合成材料流在重力作用下落到用于形成所述物件的一個模具的下部；一個可移動結(jié)構(gòu)，與所述模具的所述下部相連，并且可以操作以在接收所述合成材料流時能夠在一定的空間和時間內(nèi)移動，以將與所述模具的下部和上部的模腔相一致的預(yù)定量的熔化的合成材料沉淀于其上；以及一個壓力機，與所述模具的所述上部相連，并且能夠接收具有所述模具的所述下部的所述可移動結(jié)構(gòu)，所述壓力機可以操作以將所述模具的所述上部壓靠所述模具的所述下部上的所述預(yù)定量的熔化合成材料，以形成所述物件。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，進一步包括一個動態(tài)模，所述動態(tài)模具有至少一個流量控制元件，并且可以操作以控制合成材料的流量，使得被輸送到所述模具的所述下模的熔化的合成材料的數(shù)量可變。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其中，所述擠出器包括一個螺旋推進器，所述螺旋推進器具有一個螺紋，其螺紋間距足夠大以將熔化的合成材料與長度范圍在大約1英寸到大約4英寸之間的纖維混合。
25.根據(jù)權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其中，所述混合的熔化合成材料具有至少大約10％的纖維重量含量。
26.根據(jù)權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，進一步包括一個控制器，所述控制器與所述可移動結(jié)構(gòu)相連，并且可以操作以移動所述可移動結(jié)構(gòu)來定位所述模具的所述下部，以在所述模具上形成預(yù)定量的厚度變化的熔化的合成材料。
27.根據(jù)權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其中，所述可移動結(jié)構(gòu)包括可操作來移動所述可移動結(jié)構(gòu)的輪子。
28.根據(jù)權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其中，所述擠出器包括一個螺旋推進器，所述螺旋推進器可以操作以產(chǎn)生具有最少大約85％的未破裂纖維的熔化的合成材料。
29.根據(jù)權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，進一步包括一個模，所述模與所述擠出器相連，并且可以操作以使合成材料流在重力作用下落到所述模具的所述下部上，所述合成材料流的體積流率在一個平面橫向上大體相等。
30.根據(jù)權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，進一步包括一個動態(tài)模，所述動態(tài)模與所述擠出器相連，并且可以操作以使合成材料流在重力作用下落到所述模具的所述下部上，所述合成材料流的體積流率在一個平面橫向上不同。
31.根據(jù)權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，進一步包括一個控制器，所述控制器與所述擠出器相連，并且可以操作以改變來自所述擠出器的熔化的合成材料的體積流率，并且使熔化的合成材料在重力作用下落到所述模具的所述下部上。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的系統(tǒng)，其中，所述控制器將所述可移動結(jié)構(gòu)移動到所述擠出器的正下方，以使擠出的合成材料在重力作用下落到所述模具的所述下部上。
33.一種由熱塑性材料和纖維來形成物件的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括用于將熱塑性材料加熱以形成熔化的熱塑性材料來與所述纖維相混合的裝置；將所述熔化的熱塑性材料與所述纖維混合以形成具有一定的纖維重量含量的熔化的合成材料的裝置；將所述熔化的合成材料擠出以形成合成材料流的裝置，所述合成材料流在重力作用下落到用于形成所述物件的一個模具的下部；當接收所述合成材料流時將所述模具的所述下部在一定的空間和時間內(nèi)移動以將與所述模具的下部和上部的模腔相一致的預(yù)定量的熔化的合成材料沉淀于其上的裝置；以及使所述模具的所述上部壓靠所述預(yù)定量的熔化的合成材料，并且閉合在所述模具的所述下部上以形成所述物件的裝置。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的系統(tǒng)，進一步包括用于控制合成材料流以改變被輸送到所述模具的所述下部的熔化的合成材料的量的裝置。
35.根據(jù)權(quán)利要求33所述的系統(tǒng)，進一步包括用于控制所述裝置以擠出合成材料流并改變由于重力作用而落在所述模具的所述下部上的合成材料流的體積流率的裝置。
36.一種由擠出的合成材料形成的物件，所述合成材料包括熱塑性材料并且具有至少10％的纖維重量含量，所述纖維的長度至少是半英寸。
37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的物件，進一步包括隱藏肋。
38.根據(jù)權(quán)利要求36所述的物件，其中，所述物件是具有不同深度的結(jié)構(gòu)部件的單合成材料。
39.根據(jù)權(quán)利要求38所述的物件，其中，所述結(jié)構(gòu)部件的不同深度都大于約1英寸。
40.根據(jù)權(quán)利要求36所述的物件，其中，用于所述合成材料的纖維的重量含量是至少30％。
41.根據(jù)權(quán)利要求36所述的物件，其中，纖維長度是至少大約3英寸。
42.一種由擠出的合成材料形成的物件，所述合成材料包括與纖維混合的熱塑性材料，所述物件具有隱藏肋。
43.根據(jù)權(quán)利要求42所述的物件，其中，所述纖維的長度是至少3英寸。
44.根據(jù)權(quán)利要求42所述的物件，其中，所述纖維的含量是至少大約10％。
45.根據(jù)權(quán)利要求42所述的物件，其中，所述纖維的含量是至少大約40％。
46.一種由擠出的合成材料形成的物件，所述合成材料包括與纖維混合的熱塑性材料，所述物件具有包括不同拔模深度的結(jié)構(gòu)部件。
47.根據(jù)權(quán)利要求46所述的物件，其中，所述纖維的長度是至少大約3英寸。
48.根據(jù)權(quán)利要求46所述的物件，其中，所述纖維的含量是至少大約10％。
49.根據(jù)權(quán)利要求42所述的物件，其中，所述纖維的含量是至少大約40％。
50.一種由擠出的合成材料形成的物件，所述合成材料包括與纖維混合的熱塑性材料，所述物件的一個構(gòu)件的至少一部分封閉在所述擠出的合成材料中。
51.根據(jù)權(quán)利要求50所述的物件，其中，所述整個構(gòu)件被封閉在所述擠出的合成材料中。
52.根據(jù)權(quán)利要求50所述的物件，其中，所述纖維的長度是至少大約3英寸。
53.根據(jù)權(quán)利要求50所述的物件，其中，所述纖維的含量是至少大約10％。
54.根據(jù)權(quán)利要求50所述的物件，其中，所述纖維的含量是至少大約40％。
55.根據(jù)權(quán)利要求50所述的物件，其中，所述構(gòu)件是一個緊固件。
56.根據(jù)權(quán)利要求50所述的物件，其中，所述構(gòu)件是一個加強件。
57.根據(jù)權(quán)利要求50所述的物件，其中，所述構(gòu)件是一個連接件。
58.根據(jù)權(quán)利要求50所述的物件，其中，所述熱塑性材料包括一個或多個熱塑性合成材料層。
59.根據(jù)權(quán)利要求58所述的物件，其中，所述一個或多個熱塑性材料層具有相同的成分。
60.根據(jù)權(quán)利要求58所述的物件，其中，所述一個或多個熱塑性材料層具有不同的成分。
61.一種用于形成熱塑性結(jié)構(gòu)元件的方法，所述方法包括接收熱塑性材料；加熱所述熱塑性材料；接收具有預(yù)定纖維長度的纖維；將所述纖維與所述加熱的熱塑性材料混合，以形成合成材料；擠出所述合成材料；以橫貫一個平面的不同的體積流率將所述擠出的合成材料動態(tài)輸出；將一個模具同步定位，以接收與橫貫所述平面的不同的體積流率相應(yīng)的所述擠出的合成材料；以及將所述擠出的合成材料壓到所述模具內(nèi)，以形成所述熱塑性結(jié)構(gòu)元件。
62.根據(jù)權(quán)利要求61所述的方法，進一步包括由熱塑性樹脂形成所述熱塑性材料。
63.根據(jù)權(quán)利要求61所述的方法，其中，所述加熱包括將所述熱塑性材料熔化。
64.根據(jù)權(quán)利要求61所述的方法，進一步包括選擇長度至少1英寸的纖維。
65.根據(jù)權(quán)利要求61所述的方法，其中，所述不同的體積流率的輸出范圍在大約0到3000磅/小時之間。
66.根據(jù)權(quán)利要求65所述的方法，其中，所述流率范圍在大約2500到3000磅/小時之間。
67.根據(jù)權(quán)利要求61所述的方法，其中，所述同步定位包括根據(jù)所述體積率移動所述模具。
68.根據(jù)權(quán)利要求61所述的方法，進一步包括基于所述模具的模腔容積，預(yù)先確定橫貫所述平面的不同的體積流率。
69.根據(jù)權(quán)利要求61所述的方法，其中，熱塑性結(jié)構(gòu)元件的形成包括形成一個托盤。
70.根據(jù)權(quán)利要求61所述的方法，進一步包括在所述模具中構(gòu)造一個被所述合成材料封閉的構(gòu)件。
71.根據(jù)權(quán)利要求61所述的方法，其中，所述擠出的合成材料的動態(tài)輸出是通過控制不連續(xù)的流量控制元件來實現(xiàn)的。
72.根據(jù)權(quán)利要求61所述的方法，其中，所述混合產(chǎn)生具有大約10％的纖維重量含量的合成材料。
73.根據(jù)權(quán)利要求61所述的方法，其中，所述混合產(chǎn)生具有大約40％的纖維重量含量的合成材料。
74.一種用于形成熱塑性結(jié)構(gòu)元件的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括用于接收熱塑性材料的裝置；用于加熱所述熱塑性材料的裝置；用于接收具有預(yù)定纖維長度的纖維的裝置；用于將所述加熱的熱塑性材料與所述纖維混合以形成合成材料的裝置；用于擠出所述合成材料的裝置；用于以橫貫一個平面的不同的體積流率將所述擠出的合成材料動態(tài)輸出的裝置；用于將一個模具同步定位以接收與橫貫所述平面的不同的體積流率相應(yīng)的所述擠出的合成材料的裝置；以及用于將所述擠出的合成材料壓到所述模具內(nèi)，以形成所述熱塑性結(jié)構(gòu)元件的裝置。
75.根據(jù)權(quán)利要求74所述的系統(tǒng)，進一步包括用于由熱塑性樹脂形成所述熱塑性材料的裝置。
76.根據(jù)權(quán)利要求74所述的系統(tǒng)，其中，用于加熱的所述裝置包括將所述熱塑性材料熔化的裝置。
77.根據(jù)權(quán)利要求74所述的系統(tǒng)，其中，用于同步定位的所述裝置包括根據(jù)所述體積率移動所述模具的裝置。
78.根據(jù)權(quán)利要求74所述的系統(tǒng)，進一步包括，基于所述模具的模腔容積預(yù)先確定橫貫所述平面的不同的體積流率的裝置。
79.根據(jù)權(quán)利要求74所述的系統(tǒng)，進一步包括用于在所述模具中構(gòu)造一個被所述合成材料封閉的非熱塑性結(jié)構(gòu)的裝置。
80.根據(jù)權(quán)利要求74所述的系統(tǒng)，其中，用于混合的所述裝置產(chǎn)生具有大約10％的纖維重量含量的合成材料。
81.根據(jù)權(quán)利要求74所述的系統(tǒng)，其中，用于混合的所述裝置產(chǎn)生具有大約40％的纖維重量含量的合成材料。
82.一種用于形成熱塑性結(jié)構(gòu)元件的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括一個材料接收裝置，可以操作以接收熱塑性材料和加強材料；一個加熱裝置，可以操作以將所述熱塑性材料加熱；一個擠出器，同所述材料接收裝置相連，并且可以操作以擠出所述合成材料；一個動態(tài)模，具有多個可選擇改變的流量控制元件，流量控制元件可以操作以控制所述合成材料的輸出；一個可移動裝置，可以操作以支撐一個模具并且可以被動態(tài)定位在所述動態(tài)模下方；一個控制器，與所述動態(tài)模和可移動裝置電連接，所述控制器可以操作以動態(tài)改變所述流量控制元件，以在橫貫一個平面的不同的體積流率下輸出所述擠出的合成材料，并且隨著所述流量控制元件的改變而同步地定位所述可移動裝置，以將所述擠出的合成材料施加到所述模具上；以及一個壓力機，可以操作以接收所述可移動裝置，并且將所述擠出的合成材料壓入所述模具內(nèi)。
83.根據(jù)權(quán)利要求82所述的系統(tǒng)，其中，所述材料接收裝置包括至少一個進給器。
84.根據(jù)權(quán)利要求82所述的系統(tǒng)，其中，所述加熱裝置可以進一步操作以將所述熱塑性材料加熱到熔化的熱塑狀態(tài)。
85.根據(jù)權(quán)利要求82所述的系統(tǒng)，其中，所述擠出器包括一個動態(tài)裝置，所述動態(tài)裝置可以操作以大體上避免對所述加強材料的毀壞。
86.根據(jù)權(quán)利要求85所述的系統(tǒng)，其中，所述加強材料由具有大約1英寸的預(yù)定最大長度的纖維形成。
87.根據(jù)權(quán)利要求85所述的系統(tǒng)，其中，所述加強材料由具有大約3英寸的預(yù)定最大長度的纖維形成。
88.根據(jù)權(quán)利要求72所述的系統(tǒng)，其中，所述動態(tài)構(gòu)件是一個螺旋件，所述螺旋件的螺紋間距大于所述加強材料的最大長度。
89.根據(jù)權(quán)利要求72所述的系統(tǒng)，其中，所述可移動裝置具有與之相連的旋轉(zhuǎn)裝置。
90.根據(jù)權(quán)利要求89所述的系統(tǒng)，其中，所述可移動裝置包括至少一個動態(tài)定位裝置，所述動態(tài)定位裝置可以操作以與所述旋轉(zhuǎn)裝置接合和脫離。
91.根據(jù)權(quán)利要求90所述的系統(tǒng)，其中，所述控制器可以操作，以在所述可移動裝置位于所述壓力機中時使所述旋轉(zhuǎn)裝置脫離，以將所述擠出的合成材料壓入所述模具中。
92.根據(jù)權(quán)利要求82所述的系統(tǒng)，其中，所述合成材料中加強材料重量的含量大約10％。
93.一種用于由熱塑性材料和纖維來形成結(jié)構(gòu)部件的方法，所述方法包括將一個嵌入件設(shè)置在一個模具中；將熔化的擠出合成材料沉淀到所述模具中；圍繞著所述嵌入件的至少一部分形成擠出的合成材料；如果有用于將所述嵌入件設(shè)置在所述模具中的支撐件，則移除所述支撐件；壓縮所述擠出的合成材料以形成所述結(jié)構(gòu)部件；以及將具有嵌入件的所述結(jié)構(gòu)部件從所述模具中移除，所述嵌入件至少部分嵌入。
94.根據(jù)權(quán)利要求93所述的方法，其中，所述嵌入件的定位是在所述模具的一個下部中實現(xiàn)的。
95.根據(jù)權(quán)利要求93所述的方法，其中，所述熔化的擠出合成材料的沉淀是橫貫一個平面動態(tài)實現(xiàn)的。
96.根據(jù)權(quán)利要求93所述的方法，其中，所述擠出的合成材料的形成包括將整個嵌入件封閉在所述擠出的合成材料內(nèi)。
97.根據(jù)權(quán)利要求93所述的方法，進一步包括將所述擠出的合成材料壓入所述模具中。
98.一種用于由熱塑性材料和纖維來形成結(jié)構(gòu)部件的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括用于將一個嵌入件設(shè)置在一個模具中的裝置；用于將熔化的擠出合成材料沉淀到所述模具上的裝置；用于圍繞著所述嵌入件的至少一部分形成擠出的合成材料的裝置；用于在有將所述嵌入件設(shè)置在所述模具中的支撐件時移除所述支撐件的裝置；用于壓縮所述擠出的合成材料以形成所述結(jié)構(gòu)部件的裝置；以及用于將具有嵌入件的所述結(jié)構(gòu)部件從所述模具中移除的裝置，所述嵌入件至少部分嵌入。
99.根據(jù)權(quán)利要求98所述的系統(tǒng)，其中，用于設(shè)置所述嵌入件的所述裝置與所述模具的一個下部連接。
100.根據(jù)權(quán)利要求98所述的系統(tǒng)，其中，用于沉淀所述熔化的擠出合成材料的所述裝置包括用于使所述擠出的合成材料橫貫一個平面動態(tài)流動的裝置。
101.根據(jù)權(quán)利要求98所述的系統(tǒng)，其中，用于形成所述擠出的合成材料的裝置包括用于使整個嵌入件封閉在所述擠出的合成材料內(nèi)的裝置。
102.根據(jù)權(quán)利要求98所述的系統(tǒng)，進一步包括用于將所述擠出的合成材料壓入所述模具中的裝置。
全文摘要
用于由熱塑性材料和纖維來形成一個物件的一種系統(tǒng)(10)和方法。所述方法包括將熱塑性材料加熱成熔化的熱塑性材料以與纖維混合。熔化的熱塑性材料與纖維混合以形成具有一定的纖維重量含量的熔化的熱塑性合成材料。熔化的熱塑性合成材料然后可以通過動態(tài)模(16)擠出到不連續(xù)控制的輸送器，材料在重力作用下落到一個模具(19)的一個下部。模具(19)的下部在接收合成材料流的時候可以在一定的空間和時間內(nèi)移動，以將預(yù)定量的熔化合成材料沉淀于其上，預(yù)定量與模具(19)的上部和下部的模腔一致。模具的上部(23)可以抵靠著預(yù)定量的熔化合成材料受壓并在模具(19)的下部閉合以形成所述物件。
文檔編號B29C43/34GK1816443SQ200380108751
公開日2006年8月9日 申請日期2003年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月13日
發(fā)明者戴爾·E·小波爾克, 戴爾·E·老波爾克 申請人:Lrm工業(yè)公司