專利名稱：復(fù)合管生產(chǎn)的制作方法
復(fù)合管生產(chǎn)
本發(fā)明通常涉及由纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制成的零件的生產(chǎn)，特別是涉及由 這樣的材料制成的管和導(dǎo)管的生產(chǎn)。雖然將要描述的本發(fā)明涉及圓柱形管和 導(dǎo)管的生產(chǎn)，但是應(yīng)認(rèn)識(shí)到本發(fā)明還可用于生產(chǎn)錐形的或曲線的管和導(dǎo)管， 和橫截面為非圓形的管和導(dǎo)管。
將在本申請(qǐng)中使用的術(shù)語(yǔ)"管"是指管和導(dǎo)管或其它任何伸長(zhǎng)的中空零件。
高等級(jí)纖維增強(qiáng)復(fù)合零件現(xiàn)在使用釜或爐子制造，這樣固化溫度和施加 壓力可被精確地控制。在纖維增強(qiáng)復(fù)合管的例子中，生產(chǎn)這種管的一個(gè)程序 是纏繞"預(yù)浸"材料，即繞圓柱形模板編織預(yù)注有未固化的樹(shù)脂的玻璃纖維
或碳纖維織物，壓制得到的復(fù)合樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料(lay-up)纏繞在真空袋 內(nèi)，且通過(guò)把整個(gè)裝配放在釜或爐的室內(nèi)固化復(fù)合樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料。例如 這種生產(chǎn)方法描述于美國(guó)專利3962394 ( Hall )。
使用釜或爐固化復(fù)合樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料存在一些缺點(diǎn)。首先，任何將要 被生產(chǎn)的復(fù)合零件的長(zhǎng)、寬和高被釜室的內(nèi)部尺寸所限制。而且，由于較大 體積的氣體需要在釜或爐室內(nèi)加熱，釜或爐室內(nèi)的溫度僅上升的相對(duì)較慢。 在厚層壓材料的生產(chǎn)中，仍然必要的是限制溫度增加的速度，以避免被固化 的樹(shù)脂內(nèi)的任何非控放熱反應(yīng)。這將導(dǎo)致加工的零件的破壞，以及潛在地?fù)p 壞釜并且形成安全事故。如果這種反應(yīng)發(fā)生，不是總可以快速冷卻釜內(nèi)的溫 度以試圖停止反應(yīng)。因此必須緩慢增加溫度以避免這些潛在的問(wèn)題。然而， 如果溫度不增加到足夠高的溫度，對(duì)于產(chǎn)品可能保持至少部分未固化。在建 立的生產(chǎn)中已發(fā)現(xiàn)，依賴于被固化的層壓材料的厚度，對(duì)于復(fù)合管在釜或爐 內(nèi)的固化需要花費(fèi)約8小時(shí)。
同樣困難的是使用釜或爐來(lái)生產(chǎn)使用熱塑性材料的復(fù)合零件。這是因?yàn)?這些材料可達(dá)到液態(tài)且必須快速冷卻該零件以保持生產(chǎn)的復(fù)合零件的結(jié)構(gòu) 完整。釜和爐通常需要太長(zhǎng)的時(shí)間冷卻，這限制了它們用于熱塑性材料。
可以不必使用釜或爐生產(chǎn)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制成的管將是有利的。這避 免了與使用釜和爐相聯(lián)系的缺點(diǎn)。
可以比使用釜或爐的情況更快地生產(chǎn)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制成的管也將 是有利的。
而且，可以使用固化的樹(shù)脂或熱塑性基質(zhì)形成纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的管將 是有利的。
因此本發(fā)明的目的是可以生產(chǎn)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制成的管而不需要釜 或爐。
記住這點(diǎn)，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種裝置，其用來(lái)生產(chǎn)由纖 維增強(qiáng)復(fù)合材料形成的管，該裝置包括
伸長(zhǎng)的中空心軸，其具有內(nèi)部心軸腔，該心軸具有外表面，增強(qiáng)的纖維
材料可被纏繞在該外表面上，以提供支撐在其上的復(fù)合樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料；
和
流體流動(dòng)裝置，用于使得不同溫度的熱傳遞流體流過(guò)該心軸腔而被循 環(huán)，這樣當(dāng)具有升高的溫度的流體循環(huán)時(shí)，熱從流體傳遞，穿過(guò)該心軸到達(dá) 復(fù)合樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料，用于固化或形成所述樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料。
增強(qiáng)的纖維材料可通過(guò)預(yù)注有熱固性樹(shù)脂和/或纏繞前可被浸入樹(shù)脂浴 以浸漬材料的玻璃纖維、碳纖維、凱夫拉爾纖維的編織片或束提供。該樹(shù)脂
通過(guò)從流體傳遞的熱#皮固化。
根據(jù)本發(fā)明可用在裝置中的另一類型的增強(qiáng)纖維材料使用熱塑性塑料 以提供用于該增強(qiáng)纖維的基質(zhì)。該熱塑性塑料可以是與增強(qiáng)纖維混合的絲的
形式或者可以是混進(jìn)增強(qiáng)纖維的熱塑性塑料粉末的形式。Saint-Gobain Vetrotex公司生產(chǎn)一種名為"Twintex，，(商標(biāo))的材料。該材料包括細(xì)的、 純的混合的連續(xù)的玻璃絲和熱塑性的優(yōu)選的是聚丙烯的絲。這些絲被編織成 片，其可被快速纏繞在本發(fā)明的心軸上。從循環(huán)的流體傳遞的熱可熔化熱塑 性的絲，然后其浸漬玻璃絲。較冷溫度的流體可接著^皮循環(huán)以固化熱塑性基 質(zhì)。
還可設(shè)想增強(qiáng)纖維材料可由熱塑性的片或條提供，當(dāng)其被纏繞在心軸上 時(shí)，其可被伸展在心軸上且纟皮加熱。通過(guò)循環(huán)熱傳遞流體流過(guò)心軸腔，熱塑 性材料的加熱可以相同的方式實(shí)現(xiàn)。這具有熔化熱塑性材料外表面的效果， 因此各種層可被結(jié)合在一起，而同時(shí)留下該材料的內(nèi)部未熔化或僅部分熔 化，以提供必要的增強(qiáng)。熱塑性塑料的伸展用來(lái)在未熔化的材料內(nèi)定位聚合 體鏈，其于是給最終復(fù)合零件提供必要的纖維增強(qiáng)。
:i口油、PAG ( polyalkylene glycol)或PEG (polyethylene glycol)的力充體 是比空氣更有效的熱傳遞機(jī)制，且可以更快地把熱傳遞到復(fù)合樹(shù)脂浸漬增強(qiáng) 材料并且從其傳走。不同溫度的流體可被循環(huán)流過(guò)心軸腔，由此可以相對(duì)地 快速加熱和隨后冷卻復(fù)合零件。相比可能使用其中溫度的變化速度相對(duì)較低 的釜或爐的情況，這導(dǎo)致更快的生產(chǎn)循環(huán)時(shí)間。使用根據(jù)本發(fā)明的裝置導(dǎo)致 在生產(chǎn)過(guò)程中節(jié)省相當(dāng)?shù)某杀竞蜁r(shí)間。復(fù)合樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料的快速冷卻有 助于避免或減小由于熱固性樹(shù)脂內(nèi)的任何可能的非控放熱反應(yīng)造成的破環(huán)。 該裝置由此可減少完全固化復(fù)合管的時(shí)間。利用使用預(yù)注有環(huán)氧樹(shù)脂的纖維 增強(qiáng)材料的裝置的示例性實(shí)施例實(shí)施的經(jīng)驗(yàn)測(cè)試中，復(fù)合管在約7分鐘內(nèi)已 被完全固化。本發(fā)明由此比在釜或爐中花費(fèi)更少的時(shí)間來(lái)固化該復(fù)合管。
同樣重要的是復(fù)合樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料的快速冷卻可發(fā)生在包括熱塑性 塑料的纖維增強(qiáng)材料被使用時(shí)。如果該材料沒(méi)有被快速冷卻，該熱塑性材料 一旦進(jìn)入液態(tài)，其可從增強(qiáng)纖維材料脫落?？焖倮鋮s由此確保熱塑性塑料纖 維增強(qiáng)材料可以被適當(dāng)?shù)匦纬伞?br> 心軸的外表面可以是具有統(tǒng)一直徑的圓柱形或者可以是錐形，這樣該心 軸的一端的直徑可大于心軸的相反端的直徑。然而還可以設(shè)想該外表提供其 它的橫截面，如正方形、矩形、卵形、橢圓形或三角形，或其它非圓形橫截 面。這將使得不同橫截面的管得以被生產(chǎn)。本發(fā)明還可用于固化的管生產(chǎn)。
心軸可由金屬管制成，該金屬管由鋁或鋼制成，以利于熱量從循環(huán)的流 體傳遞到復(fù)合樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料。而且，心軸金屬和復(fù)合樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料 之間的膨脹系數(shù)的差別意味著該心軸在加工的加熱步驟將保持收縮，且接著 在裝置的冷卻階段從固化的復(fù)合管分離。這使得可以非常容易地在固化或成 形加工結(jié)束時(shí)從心軸去除該復(fù)合管。
流體流動(dòng)意味著心軸腔可至少包括一個(gè)入口和一個(gè)出口 。該入口和出口 可位于固定到法蘭的板上，該法蘭設(shè)置在心軸的開(kāi)口端。心軸腔可至少基本 上從其開(kāi)口端延伸穿過(guò)心軸的長(zhǎng)度且可結(jié)束于其相反端。管可從入口延伸進(jìn)
入心軸腔，以允許流體在通過(guò)該室到出口循環(huán)回前，被傳送到心軸腔的外圍 端。還可"i殳想所述入口i殳置在心軸的一端且所述出口i殳置在心軸的相反端。 心軸腔可基本上延伸心軸的整個(gè)長(zhǎng)度，這樣整個(gè)纏繞的復(fù)合樹(shù)脂浸漬增 強(qiáng)材料可均勻地被加熱和固化或成形。然而還可設(shè)想的是穿過(guò)其流體可^l循 環(huán)的心軸腔可僅沿心軸的一部分長(zhǎng)度延伸，或隔離的端部可設(shè)置在心軸的一
端或兩端。這對(duì)于一些情況是期望的，其中使用熱固性樹(shù)脂制成的復(fù)合管的 外圍端需要留下不固化或僅部分固化。其它纖維增強(qiáng)復(fù)合零件或者甚至其它 復(fù)合管于是可被連接到該管的端部，其使用在申請(qǐng)人的國(guó)際專利申請(qǐng)
PCT/AU01/00224中描述的一起固化的方法，其詳細(xì)內(nèi)容合并于此以作參考。 例如，法蘭可連接在該管的端部，其使用申請(qǐng)人的一起固化方法，確保法蘭 和管被固化在一起，以提供具有均勻材料比例的整體連接，而沒(méi)有任何連接 線中斷。在管具有熱塑性基質(zhì)情況下，可設(shè)想的是在該管的端部，熱塑性塑 料可被再加熱和熔化和再成形，由此允許法蘭或其它復(fù)合管被連接到管端 部。還可設(shè)想的是該法蘭可在固化或成形加工過(guò)程中被整體成形在復(fù)合管的 端邵。
入口和出口可連接到外部流體供應(yīng)系統(tǒng)，以確保流體被循環(huán)通過(guò)心軸。 流體供應(yīng)系統(tǒng)可包括一 系列容納不同溫度流體的罐和用于控制流體從各個(gè) 罐流進(jìn)流出的流動(dòng)控制系統(tǒng)。例如這樣的系統(tǒng)描述于申請(qǐng)人的澳大利亞專利 No.697678,其詳細(xì)內(nèi)容合并于此以作參考。在具有熱塑性基質(zhì)的管的生產(chǎn) 的例子中，僅需要一個(gè)或多個(gè)罐，因?yàn)楣芸杀辉试S在生產(chǎn)車(chē)間外自然冷卻。 這對(duì)于生產(chǎn)這樣的管具有較快的循環(huán)時(shí)間的優(yōu)點(diǎn)。
當(dāng)使用前述裝置，相當(dāng)數(shù)量的生產(chǎn)時(shí)間的減少可被實(shí)現(xiàn)時(shí)，還有益的是 可以消除經(jīng)常連接和分離該裝置的入口和出口到流體供應(yīng)系統(tǒng)的要求。
因此，根據(jù)另一優(yōu)選實(shí)施例，流體流動(dòng)意味著可包括內(nèi)部主體，其具有 穿過(guò)其流體可被循環(huán)的主體室。該內(nèi)部主體可被設(shè)置在心軸腔內(nèi)，且該內(nèi)部 主體設(shè)置在心軸腔內(nèi)時(shí)可具有外壁，其緊靠且通常接觸心軸腔的壁的表面。 心軸由此像套一樣固定在主體上，這樣熱量可在主體的外壁和心軸腔的壁表 面之間傳遞。該出口和入口可位于內(nèi)部主體的一端且可連接到流體供應(yīng)系 統(tǒng)。 一系列心軸可接著被使用，其每個(gè)心軸提前在遠(yuǎn)離生產(chǎn)車(chē)間區(qū)域一皮預(yù)先 纏繞有纖維增強(qiáng)材料。在生產(chǎn)過(guò)程的開(kāi)始時(shí)各個(gè)心軸可接著分別地滑動(dòng)在內(nèi) 部主體上，且在生產(chǎn)的結(jié)束時(shí)滑離該內(nèi)部主體。各個(gè)心軸可以是簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)， 例如薄壁管。該配置消除了在各個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)頻繁連接和分離 入口和出口的需要。
內(nèi)部主體的外壁可由如鋁或鋼的金屬制成，以易于熱量傳遞給心軸。如 果相同的材料用于內(nèi)部主體的外壁和心軸兩者，則內(nèi)部主體和心軸腔兩者都 必須加工到較高的公差，以防止該內(nèi)部主體在心軸腔內(nèi)的連接。然而，如果
不同的金屬用于心軸和內(nèi)部主體，每種金屬具有不同的膨脹系數(shù)，則當(dāng)冷卻 流體在復(fù)合零件固化后被循環(huán)流過(guò)內(nèi)部主體以冷卻復(fù)合零件時(shí)，內(nèi)部主體的 外壁可能部分失去與心軸腔的壁表面接觸。這可影響熱傳遞效率。為此目的， 至少內(nèi)部主體的外壁可由彈性變形材料制成。因此，根據(jù)另一優(yōu)選實(shí)施例， 內(nèi)部主體的外壁可包括彈性變形壁。流過(guò)主體室的流體循環(huán)可被加壓以確保 內(nèi)部主體外壁可向外膨脹，以由此在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中保持與心軸腔的壁表面 接觸。流體從內(nèi)部主體的排出可導(dǎo)致外壁的向內(nèi)彎曲，這有利于內(nèi)部主體乂人 心軸腔的松開(kāi)。心軸可包括沿其長(zhǎng)度延伸的膨脹接頭。這使得在內(nèi)部主體施 加足夠的壓力到心軸時(shí)，心軸的寬度能膨脹。這允許在生產(chǎn)過(guò)程中，張力按 要求被施加到復(fù)合樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料。這有助于進(jìn)一步壓緊復(fù)合樹(shù)脂浸漬增 強(qiáng)材料，導(dǎo)致改善最終復(fù)合管的材料特性。振動(dòng)還可被用于促進(jìn)樹(shù)脂浸漬增 強(qiáng)材料的壓緊。
還可設(shè)想的是心軸可沿其長(zhǎng)度被分成兩段或多段。這有助于用于管生產(chǎn) 的心軸的使用，該管不直且可能具有彎曲的部分，而心軸可被更容易地/人固 化或成形的管抽出。
內(nèi)部主體可包括內(nèi)部剛芯，用于支撐彈性變形外壁。外壁可典型地由如
EPDM或硅橡膠的高溫彈性橡膠的材料制成。用在該裝置中的其它彈性材料 也可被設(shè)想。內(nèi)芯可支撐入口和出口，且可由如鋼的材料制成。如鋁的材料 的使用也可被設(shè)想。內(nèi)芯可包括被外圓柱環(huán)繞的中心內(nèi)部管，且內(nèi)法蘭從外 壁的端部向外橫向延伸且支撐外壁的端部。氣隙由此可被設(shè)置在內(nèi)管和外圓 柱之間，以作為絕緣體且減少其之間的熱傳遞。外部彈性變形壁可被內(nèi)法蘭 支撐在外圓柱周?chē)?，流體流動(dòng)縫隙設(shè)置在其間以允許流體流過(guò)該縫隙流動(dòng)。 流體于是可被傳遞流過(guò)內(nèi)管且流出進(jìn)入縫隙內(nèi)。內(nèi)法蘭可相對(duì)于內(nèi)芯的入口 和出口端位于內(nèi)芯的相反端。流體排出噴口可支撐在法蘭上且可^ 1導(dǎo)流體離
開(kāi)中心內(nèi)管流過(guò)流體流動(dòng)縫隙進(jìn)入螺旋通道。這最大化了穿過(guò)外壁的熱傳遞 的程度。替換地，或此外， 一系列出口可沿設(shè)置在內(nèi)芯的端口端的相對(duì)外法 蘭設(shè)置，以引導(dǎo)或支撐流體的螺旋流動(dòng)。在替換實(shí)施例中，內(nèi)管可用彎曲的 部分結(jié)束，其通過(guò)外圓柱內(nèi)的開(kāi)口進(jìn)入流體流動(dòng)縫隙。這消除了當(dāng)流體從內(nèi) 管的彎曲部分排出時(shí)對(duì)流體排出噴口的需要，其可被定向以引導(dǎo)流體的螺旋 流動(dòng)穿過(guò)流體流動(dòng)縫隙。當(dāng)流體^l皮以升高的溫度和壓力供應(yīng)時(shí)，熱量可凈皮穿 過(guò)彈性變形外壁傳遞到心軸。而且，外壁可在壓力下從高溫流體膨脹，以緊
壓在心軸腔的表面以有助于其間的理想的熱傳遞。
纏繞的復(fù)合樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料可最初通過(guò)使用真空袋覆蓋在樹(shù)脂浸漬 增強(qiáng)材料上以傳統(tǒng)的方式被壓緊。替換地，收縮帶可被纏在纏繞的樹(shù)脂浸漬 增強(qiáng)材料上以提供必要的壓緊。典型地，聚酯薄膜帶可被用于此目的。這樣 的帶的使用還改善了最終復(fù)合管的外表面拋光。在具有厚復(fù)合壁的較大直徑 的管的生產(chǎn)中，可能有幫助的是還提供了另外的方法來(lái)壓緊復(fù)合樹(shù)脂浸漬增 強(qiáng)材料，如果必要的話，以提供另外的固化熱量。為此目的，外套還可位于 復(fù)合樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料的外表面上。外套可以是簡(jiǎn)單的彈性變形套的形式， 其可伸展在纏繞的復(fù)合樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料和心軸上，以提供或供應(yīng)樹(shù)脂浸漬 增強(qiáng)材料的壓緊。替換地，外套可提供一些固化熱量。為此目的，外套可包 梧流體流動(dòng)通道以使得升高的溫度和壓力的流體被循環(huán)。這提供了固化樹(shù)脂 浸漬增強(qiáng)材料的另外的外部熱源。
在優(yōu)選實(shí)施例中，外套可包括支撐內(nèi)彈性變形壁的外剛性管狀壁，縫隙 設(shè)置在外剛性壁和內(nèi)彈性變形壁之間，以允許流體流過(guò)其循環(huán)。為此目的， 用于流體的入口和出口可位于外套上。外套可位于心軸和纏繞的復(fù)合樹(shù)脂浸 漬增強(qiáng)材料上，而內(nèi)部主體位于心軸腔內(nèi)。然而還可以設(shè)想的是僅外套被使 用而沒(méi)有內(nèi)部主體，來(lái)固化復(fù)合樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料。因此，熱量?jī)H從外套傳 遞到復(fù)合樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料，而沒(méi)有熱量被傳遞穿過(guò)心軸。
具有彈性變形外壁的內(nèi)部主體，和具有內(nèi)部彈性變形壁的外套都被使用
的地方，相同的壓力的熱傳遞流體可被循環(huán)流過(guò)內(nèi)部主體和外套。內(nèi)部主體
和外套因此都可用作"壓力室"，內(nèi)部主體和外套分別施加壓力到心軸和復(fù) 合樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料。由此允許"平衡的壓力"被施加到心軸的相反側(cè)/復(fù)合 樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料。這允許更好地壓緊復(fù)合樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料，以改善的材 料特性以及確保復(fù)合樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料被剛性保持以防止復(fù)合管在經(jīng)歷固 化或成形過(guò)程時(shí)的變形。而且，當(dāng)基質(zhì)達(dá)到液態(tài)，"平衡的密度"效應(yīng)，如
在申請(qǐng)人的國(guó)際申請(qǐng)No.PCT/AU02/00078中的說(shuō)明，其詳細(xì)內(nèi)容合并與此 以作參考，有助于防止液態(tài)材料流掉，以及確保通過(guò)樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料的材 料的均勻分布。
還可設(shè)想的是分成多個(gè)伸長(zhǎng)段的心軸可使用粘接或機(jī)械固定，被直接固 定到內(nèi)部主體的彈性變形外壁。心軸的直徑可接著通過(guò)流過(guò)內(nèi)部主體的循環(huán) 的流體控制以增加心軸的直徑，或通過(guò)排空心軸以減小其直徑。這有助于在
生產(chǎn)過(guò)程中樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料的壓緊，以及有助于心軸從完成的復(fù)合管去 除。
根據(jù)本發(fā)明的另 一方面，提供了 一種生產(chǎn)由纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制成的管
的方法，包4舌
用增強(qiáng)纖維材料纏繞具有內(nèi)部心軸腔的伸長(zhǎng)中空心軸，以在附近提供一 般管狀的復(fù)合樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料；和
在升高的溫度下循環(huán)熱傳遞流體流過(guò)心軸腔，以由此升高心軸的外壁的 溫度和固化或成形復(fù)合樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料的至少大體部分。
該方法還可進(jìn)一步包括在其固化或成形前壓緊復(fù)合樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料。 壓緊樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料可通過(guò)真空袋的方式，或通過(guò)纏繞在復(fù)合樹(shù)脂浸漬增 強(qiáng)材料的外表面的收縮帶的方式，或通過(guò)彈性變形外套的方式。替換地或附 加地，壓緊可在生產(chǎn)期間通過(guò)利用高溫流體施加壓力的方式實(shí)現(xiàn)。而且，振 動(dòng)可被用于在生產(chǎn)過(guò)程中壓緊樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料。
該方法還可進(jìn)一步包括在內(nèi)部主體上，流體流過(guò)該內(nèi)部主體被循環(huán)，該 內(nèi)部主體被容納在心軸腔內(nèi)。
而且，該方法可包括在復(fù)合樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料上定位外套，該外套包括 用于在升高的溫度下穿過(guò)其循環(huán)流體的通道。
方便的是關(guān)于示出本發(fā)明的復(fù)合管生產(chǎn)系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施例的附圖進(jìn)一 步描述本發(fā)明。本發(fā)明的其它實(shí)施例是可能的，且因此附圖的特性不被理解 為取代本發(fā)明的前述說(shuō)明的 一般性。
在附圖中


圖1是用于生產(chǎn)由纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制成的管的裝置的第 一優(yōu)選實(shí)施例 的示意性側(cè)截面視圖2是本發(fā)明的裝置的第二優(yōu)選實(shí)施例的示意性側(cè)截面視圖； 圖3是本發(fā)明的裝置的第三優(yōu)選實(shí)施例的示意性側(cè)截面視圖； 圖4是沿圖2的線A的橫截面視圖5是本發(fā)明的內(nèi)部主體的另 一優(yōu)選實(shí)施例的示意性側(cè)截面視圖； 圖6是包括絕緣端的心軸的示意性側(cè)截面視圖； 圖7是本發(fā)明的心軸的另一實(shí)施例的示意性側(cè)截面視圖，和 圖8是本發(fā)明的外套的示意性側(cè)截面^L圖。
在下面的說(shuō)明中，出于簡(jiǎn)潔的原因，相同的標(biāo)號(hào)用于各個(gè)描述的示例性配置中的相應(yīng)特征。
首先參考圖1,其示出了根據(jù)本發(fā)明的裝置的第一優(yōu)選實(shí)施例。裝置1
包括伸長(zhǎng)的中空心軸3,其具有沿心軸3的長(zhǎng)度延伸的內(nèi)部心軸腔5。心軸3 具有光滑的外部表面7，增強(qiáng)纖維材料9可被纏繞在其上。增強(qiáng)纖維材料可 以是例如預(yù)注有樹(shù)脂的編織的玻璃纖維或碳纖維材料的片或條的形式。替換 地，樹(shù)脂浴(未示出)可被提供，因此增強(qiáng)纖維材料可在緊鄰-波纏繞在心軸 3上之前被浸入和浸漬。
另 一種可被使用的增強(qiáng)纖維的材料的形式具有混合有如玻璃纖維的增 強(qiáng)纖維絲的熱塑性塑料絲。該材料通過(guò)名為"Twintex，'(商標(biāo))的Saint -Gobain Vetrotex被固化。替換地，熱塑性塑料粉，球或"顆粒"可被分散 穿過(guò)增強(qiáng)纖維，以提供用于形成的復(fù)合管的基質(zhì)材料。增強(qiáng)纖維材料還可通 過(guò)熱塑性塑料提供，其中"纖維"通過(guò)材料內(nèi)的聚合鏈提供。在加熱的過(guò)程 中，僅各個(gè)片或材料的外表面被熔化，內(nèi)部保持很大程度的未熔化以形成最 終復(fù)合零件的必要的纖維強(qiáng)化。流體流動(dòng)裝置11被設(shè)置以使來(lái)自高壓流體
供應(yīng)2的熱傳遞流體被循環(huán)流過(guò)心軸腔5。該熱傳遞流體流過(guò)入口管路13 到入口 12進(jìn)入心軸腔5且穿過(guò)出口 14通過(guò)出口管^^ 15退出該室。
在圖1中，入口 12位于支撐板16上，該支撐板在中空心軸3的一端固 定于法蘭19,同時(shí)出口 14位于第二支撐板16a，該支撐板在心軸3的相反 端固定于法蘭19a。然而該設(shè)置要求入口管路13和出口管路15在每個(gè)生產(chǎn) 過(guò)程的前后固定到心軸的各端和從心軸的各端移除。而且，當(dāng)管被移除時(shí)， 出口 14和入口 12需要4皮插上，防止熱傳遞流體從心軸腔5損失。因此，才艮 據(jù)第二優(yōu)選實(shí)施例，如圖2所示，入口 12和出口 14位于相同的支撐板17 中，該支撐板固定到位于中空心軸3的開(kāi)口端的法蘭19。入口管路21/人入 口 12延伸進(jìn)入心軸腔5，以允許熱傳遞流體通過(guò)心軸腔5的整個(gè)長(zhǎng)度。熱傳 遞流體典型地是油或其它液體的形式，如PAG ( Polyalkylene Glycol)或PEG (Polyethene Glycol )。
心軸3可手工纏繞或可被支撐在軸上，以允許增強(qiáng)纖維材料9的更加快 速和精確地纏繞。纏繞增強(qiáng)纖維材料9以繞心軸外表面7形成復(fù)合樹(shù)脂浸漬 增強(qiáng)材料10之后，真空袋23可被放置在復(fù)合樹(shù)脂浸潰增強(qiáng)材料10上，以 在固化前壓緊所述樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料。替換地，收縮帶可繞復(fù)合樹(shù)脂浸漬增 強(qiáng)材料10纏繞以壓緊所述樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料10。
復(fù)合樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料10可通過(guò)循環(huán)流過(guò)心軸腔5的熱傳遞流體固化
或成形，熱量從熱傳遞流體通過(guò)心軸3的壁傳遞到其外表面7,在此該熱量 被傳遞到復(fù)合樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料10內(nèi)以固化或成形該樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料。 在固化或成形的結(jié)束時(shí)，低溫的熱傳遞流體被循環(huán)通過(guò)心軸腔5,以冷卻心 軸3和固化或成形的復(fù)合樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料10。由于復(fù)合樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料 10具有與心軸3不同的膨脹系數(shù)，其典型地由例如鋁的金屬制成，在有助于 固化的或成形的復(fù)合樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料從心軸去除的冷卻過(guò)程中，固化的或 成形的復(fù)合樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料10將從心軸3的外表面7分離。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的第三優(yōu)選實(shí)施例。第一和第二優(yōu)選實(shí)施例要求 入口管路13和出口管路15在每次固化或成形操作后一皮分離。這松開(kāi)了心軸 3且使得心軸3可接著被纏繞增強(qiáng)纖維材料。這典型地通過(guò)在軸裝置上旋轉(zhuǎn) 心軸同時(shí)越過(guò)心軸輸送纏繞的材料而實(shí)現(xiàn)。第三實(shí)施例還包括具有內(nèi)部心軸 腔5和外表面7的中空心軸3，纖維增強(qiáng)材料9可纏繞在該外表面上。然而， 為了便于加工處理，立體流動(dòng)裝置11通過(guò)內(nèi)部主體25;坡提供，其可以容納 在心軸腔5內(nèi)。熱傳遞流體可通過(guò)該內(nèi)部主體25循環(huán)，同時(shí)內(nèi)部主體位于 心軸腔5內(nèi)。生產(chǎn)過(guò)程結(jié)束之后，心軸3可被滑離內(nèi)部主體25，且另一個(gè)預(yù) 纏繞有增強(qiáng)纖維材料9的心軸3可接著被插在內(nèi)部主體25上以重新開(kāi)始生 產(chǎn)過(guò)程。由于入口管路13和出口管路15被連接到該內(nèi)部主體25，不必要在 每次固化或成形操作后分離這些管。而且，多個(gè)心軸3可在固化前被預(yù)纏繞。
內(nèi)部主體25包括內(nèi)芯27和外壁29。內(nèi)芯27在其上支撐入口 12和至少 一個(gè)出口 14。入口 12 4皮連4矣到具有流道32的中心內(nèi)管31 ，該流道傳遞,人 入口 12傳遞到內(nèi)部主體25的相反端33的熱量。中心內(nèi)管31被外圓柱35 包圍，氣隙37設(shè)置在內(nèi)中心管31和外圓柱35之間，以提供中心內(nèi)管31的 一定程度的絕緣。 一旦熱傳遞流體退出中心內(nèi)管31，其進(jìn)入分配室39，該 室通過(guò)內(nèi)法蘭43與設(shè)置在內(nèi)芯25的外圓柱35和外壁29之間的流體流動(dòng)間 隙41分離。熱傳遞流體穿過(guò)從內(nèi)法蘭43延伸的流體排出噴口 45從分配室 39被傳送，以由此引起熱傳遞流體在流體流動(dòng)間隙41內(nèi)螺旋流動(dòng)。這最大 化了從熱傳遞液體到外壁29的熱傳遞程度。熱傳遞流體最終>火出口 15#皮排 出。該出口 14被支撐在外法蘭47上，且設(shè)想一系列出口被規(guī)律地繞法蘭47 間隔。這提供了出口 14的環(huán)形設(shè)置，其有助于增強(qiáng)或支撐穿過(guò)熱傳遞間隙 41的熱傳遞流體的螺:旋流動(dòng)。
圖4是沿圖3中的線A的橫截面視圖，且更好地示出了本發(fā)明的裝置1 的零件的各種布置。熱傳遞流體/人中心內(nèi)管31內(nèi)進(jìn)入流過(guò)流道32。氣隙37 把中心內(nèi)管31從內(nèi)部主體25的外圓柱35隔開(kāi)。流體流動(dòng)間隙41設(shè)置在外 圓柱35和內(nèi)部主體25的外壁29之間。內(nèi)部主體25的各種零件，包括外壁 29,可用如包括鋼或鋁的金屬的剛性材料成形。根據(jù)內(nèi)部主體25的另一優(yōu) 選實(shí)施例，包括中心內(nèi)管31的內(nèi)芯27、夕卜圓柱35和內(nèi)法蘭43可由如金屬 的剛性材料制成。然而外壁29可以由如橡膠的彈性變形材料制成。使用這 樣的彈性變形材料的優(yōu)點(diǎn)是熱傳遞流體可被加壓使得內(nèi)部主體25的外壁29 靠在心軸腔5的內(nèi)表面6 (最好如圖1所示)上。這確保外壁29保持與心軸 腔壁6在整個(gè)固化過(guò)程中的接觸。(在圖4中，較小的間隙顯示在外壁29和 心軸腔5的內(nèi)表面6之間，以使得附圖清楚以便理解。然而應(yīng)認(rèn)識(shí)到，實(shí)際 上，外壁29將在加熱和冷卻過(guò)程中與心軸腔表面6接觸，且其間沒(méi)有間隙)。
在心軸3的外表面7上纏繞有增強(qiáng)纖維材料9。真空袋或收縮帶23接著 覆蓋材料9以在生產(chǎn)過(guò)程前壓緊材料。
增強(qiáng)纖維材料9被預(yù)先遠(yuǎn)離生產(chǎn)處理纏繞在心軸3上。這使得多個(gè)心軸 能被預(yù)先準(zhǔn)備用于生產(chǎn)過(guò)程，由此進(jìn)一步減少本發(fā)明的用于加工的整個(gè)生產(chǎn) 時(shí)間。
圖5示出了用于圖4的內(nèi)部整體25的修改的設(shè)置，其可由容易獲得的 零件構(gòu)成。內(nèi)部主體25類似于前面的實(shí)施例，其中具有支撐入口 12和出口 14的外法蘭47。還提供了由彈性變形材料制成的外壁29。中心內(nèi)管31從出 口法蘭47延伸且終結(jié)于彎曲的出口端31a中，其有助于高溫流體在內(nèi)部主 體25內(nèi)沿螺旋路徑循環(huán)。中心內(nèi)管31被類似地支撐在外圓柱35內(nèi)，內(nèi)環(huán) 狀支撐和密封35a保持中心內(nèi)管31在外圓柱35內(nèi)通常處于同軸位置。中心 管31的彎曲端部延伸穿過(guò)開(kāi)口 ，穿過(guò)中心圓柱進(jìn)入位于外圓柱35和外壁29 之間的流體流動(dòng)間隙41。該結(jié)構(gòu)還可通過(guò)使用從外法蘭47延伸的圓柱形支 撐套59以支撐外壁29的一端而被簡(jiǎn)化。外壁29的端部可滑動(dòng)在支撐套59 上且被軟管夾63保持到位。端蓋61可被設(shè)置在內(nèi)部主體25的相反端，用 于關(guān)閉外壁29的相反端。可固定在外圓柱35的相反端的端蓋61包括圓柱 形部分61a，外壁的相反端可在其上滑動(dòng)，另一軟管夾63保持外壁29的位 置。法蘭座65還可設(shè)置在端蓋61的外圍，以保持和發(fā)送外壁29的外周邊 緣。
圖6示出具有相對(duì)的絕緣端8的適合的中空心軸3，其用于限制熱量在 其端部穿過(guò)心軸傳遞。絕緣端8可通過(guò)絕緣材料的環(huán)設(shè)置，且/或通過(guò)具有冷 卻液可循環(huán)通過(guò)的通道的溫度控制環(huán)來(lái)提供。這將具有保持心軸端部的溫度 低于固化溫度的作用。這使得可以生產(chǎn)使用具有熱固性初t脂的增強(qiáng)纖維材一十 的復(fù)合管，其端部?jī)H部分或全部未固化。這有利于例如法蘭的其它零件連接 到復(fù)合管的端部，其使用如申請(qǐng)人的上面提及的澳大利亞專利申請(qǐng) 2001237133中描述的一起固化處理。這樣的配置對(duì)于用熱塑性基質(zhì)制成的復(fù) 合管是不需要的，其可被容易地再熔化以允許連接。因此，熱塑性復(fù)合管的 一端可被再加熱和熔化，以允許其被連接到另外的熱塑性零件，如法蘭或另 外的管。管的端部可使用熱源加熱，或可通過(guò)使其中一個(gè)管相對(duì)于其它管繞 其延長(zhǎng)軸線旋轉(zhuǎn)同時(shí)促使管端部結(jié)合，使用摩擦加熱。
還可以在生產(chǎn)期間與其余的復(fù)合管整體形成法蘭。這通過(guò)如圖7所示在 中空心軸3的一端或兩端設(shè)置法蘭3a,且把復(fù)合纖維材料IO覆蓋在法蘭表 面上，同時(shí)心軸被纏繞，而實(shí)現(xiàn)。在圖7所示的配置中，法蘭3a可去除地 固定到心軸以允許完成的復(fù)合管從心軸3去除。法蘭于是可在生產(chǎn)過(guò)程中成 形，作為復(fù)合管的整體部分。
要生產(chǎn)的復(fù)合管的壁厚相對(duì)較高，典型地10mm或更高，優(yōu)選的是進(jìn)一 步在復(fù)合樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料9上纏繞絕緣毯(未示出)，以有助于確保復(fù)合 管的最外表面被適當(dāng)?shù)毓袒?。絕緣毯可由傳統(tǒng)的絕緣材料形成。替換地，絕 緣毯可由如橡膠的彈性變形材料制成，其可伸展覆蓋在纏繞的復(fù)合樹(shù)脂浸漬 增強(qiáng)材料10上。這樣的"套，，設(shè)置當(dāng)然有助于進(jìn)一步壓緊復(fù)合樹(shù)脂浸漬增 強(qiáng)材料IO。然而還設(shè)想第二熱源可被提供以固化復(fù)合管。為此目的，在圖8 中示出了用于此目的的外套49。外套49包括相對(duì)的法蘭50，外剛性管狀壁 51支撐在其之間。支撐在外剛性管狀壁51內(nèi)的是內(nèi)彈性變形壁53,其通過(guò) 法蘭50自身支撐在相對(duì)端。流體流動(dòng)間隙55設(shè)置在外管狀壁和內(nèi)壁53之 間。熱傳遞流體于是可穿過(guò)連接到外管狀壁15的一端的入口管路57被供應(yīng)。 熱傳遞流體可通過(guò)位于外管狀壁51的相對(duì)端的出口管路59被排出。外套49 可滑動(dòng)在纏繞的復(fù)合樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料10上，且熱傳遞流體還可在固化或 成形過(guò)程中通過(guò)外套49循環(huán)。這樣，熱量可被同時(shí)4是供到復(fù)合樹(shù)脂浸漬增 強(qiáng)材料10的內(nèi)外表面，由此確保復(fù)合樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料IO被正確地固化或 成形。然而還可設(shè)想僅外套49需要被用于固化或成形纏繞在心軸3上的復(fù)合樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料IO，沒(méi)有熱傳遞流體通過(guò)心軸腔5被循環(huán)。通過(guò)把流體
泵出流動(dòng)間隙55以牽引內(nèi)壁53離開(kāi)完成的管，外套49可被容易地從固化 或成形的復(fù)合管去除。還可設(shè)想外套49可沿其長(zhǎng)度被分成兩段或多段。這 允許生產(chǎn)非線性或彎曲的管。
當(dāng)內(nèi)部主體25和外套49都被使用時(shí)，同樣壓力的高溫流體可被循環(huán)穿 過(guò)內(nèi)部主體25和外套49。這允許內(nèi)部主體25和外套49被用作壓力室，以 提供平衡的壓力施加到心軸3和位于其上的復(fù)合樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料9。
對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的修改和變化包括在如所附的權(quán)利要求 書(shū)要求的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用來(lái)生產(chǎn)由纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制成的管的裝置，該裝置包括伸長(zhǎng)的中空心軸，其具有內(nèi)部心軸腔，所述心軸具有外表面，增強(qiáng)纖維材料可被纏繞在所述外表面上，以提供支撐在其上的復(fù)合樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料(lay-up)；和流體流動(dòng)裝置，用于使不同溫度的熱傳遞流體流過(guò)所述心軸腔被循環(huán)，使得當(dāng)具有升高的溫度的流體被循環(huán)時(shí)，熱從流體傳遞，流過(guò)所述心軸到達(dá)所述復(fù)合樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料，用于固化或形成所述樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料。
2. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述流體流動(dòng)裝置包括內(nèi)部主體，其 具有主體室，流體被循環(huán)穿過(guò)所述主體室；并且當(dāng)其容納在所述心軸腔內(nèi) 時(shí)，具有至少緊鄰所述心軸腔的內(nèi)壁表面的外壁。
3. 如權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述外壁是由彈性變形材料制成，使 得當(dāng)流體循環(huán)流過(guò)所述主體室時(shí)，所述外壁保持與所述心軸腔的內(nèi)壁表面接觸。
4. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其中所述心軸是圓柱金屬管的形式。
5. 如權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述管包括在其相對(duì)端的法蘭。
6. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述心軸包括沿其長(zhǎng)度延伸的膨脹接頭。
7. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述心軸沿其長(zhǎng)度被分成至少兩個(gè)分 開(kāi)的段。
8. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述管包括相對(duì)的絕緣端部，用于限 制在所述心軸端部的熱傳遞。
9. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述纖維增強(qiáng)材料是增強(qiáng)纖維的編織 片或帶的形式，所述增強(qiáng)纖維包括玻璃纖維、碳纖維或凱夫拉爾纖維，所述 纖維預(yù)注有熱固性樹(shù)脂。
10. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其中所述纖維增強(qiáng)材料是增強(qiáng)纖維的片 或帶的形式，所述增強(qiáng)纖維包括玻璃纖維、碳纖維或凱夫拉爾纖維，所述纖 維混合有熱塑性塑料絲、粉末、小球或顆粒。
11. 如權(quán)利要求3所述的裝置，還包括外套，所述外套包括支撐內(nèi)彈 性變形壁的外剛性壁；以及裝置，用于循環(huán)在升高溫度和壓力下的流體流過(guò) 設(shè)置在所述內(nèi)外壁之間的間隙，所述外套繞至少所述心軸的大體部分定位且 結(jié)合支撐在其上的復(fù)合樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料，從而給所述樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料提 供額外的熱量和壓力。
12. —種生產(chǎn)由纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制成的管的方法，包括用增強(qiáng)纖維材料纏繞具有內(nèi)部心軸腔的伸長(zhǎng)的中空心軸，以在附近^是供 一^&管狀的復(fù)合樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料；和在升高的溫度下循環(huán)熱傳遞流體流過(guò)所述心軸腔，以由此升高所述心軸 的外壁的溫度，并且固化或成形所述復(fù)合樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料的至少大部分。
13. 如權(quán)利要求11所述的方法，包括在固化或成形前，通過(guò)真空袋、收 縮帶或彈性變形外套的方式進(jìn)一步壓緊所迷復(fù)合樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料。
14. 如權(quán)利要求11所述的方法，包括在固化或成形期間，通過(guò)具有外剛性壁和覆蓋在所述復(fù)合樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料上的彈性變形內(nèi)壁的外套，進(jìn)一步 壓緊所述復(fù)合樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料并給其施加額外的熱，其中熱傳遞流體流過(guò) 設(shè)置在所述內(nèi)外壁之間的間隙循環(huán)。
15. 如權(quán)利要求13所述的方法，包括平衡流過(guò)所述心軸腔循環(huán)的熱傳遞 流體和流過(guò)所述外套循環(huán)的熱傳遞流體的壓力，以在所述復(fù)合樹(shù)脂浸漬增強(qiáng) 材料上提供平衡壓力。
全文摘要
一種用來(lái)生產(chǎn)由纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制成的管的裝置，該裝置包括伸長(zhǎng)的中空心軸(3)，其具有內(nèi)部心軸腔(5)，該心軸具有外表面(7)，增強(qiáng)的纖維材料(9)可被纏繞在該外表面上，以提供支撐在其上的復(fù)合樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料(10)；和流體流動(dòng)裝置(11)，用于使得不同溫度的熱傳遞流體流過(guò)該心軸腔(5)被循環(huán)，這樣當(dāng)具有升高的溫度的流體循環(huán)時(shí)，熱從流體被傳遞，流過(guò)該心軸(3)到達(dá)用于固化或形成所述樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料的復(fù)合樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料(10)。
文檔編號(hào)B29C70/06GK101180176SQ200680014911
公開(kāi)日2008年5月14日 申請(qǐng)日期2006年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月22日
發(fā)明者尼爾·格雷厄姆, 邁克爾·D·西爾科克 申請(qǐng)人:快速科技有限公司