模具工具和制造模具工具的方法
阅读说明：本技术 模具工具和制造模具工具的方法 (Mould tool and method for manufacturing mould tool ) 是由 H·F·琼斯三世 于 2018-07-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种制造模具工具的方法,该方法包括以下步骤：a)提供由多孔材料构成的多个主体的连续阵列；b)选择性地将阵列的各个主体移动到相应的所需位置,以限定由主体的阵列形成的三维轮廓,该三维轮廓具有三维成形表面；c)将支撑层施加到三维成形表面上以形成整体模具前体,所述整体模具前体包括通过支撑层附接在一起的主体的阵列；d)机加工整体模具前体的与支撑层相对的表面,该表面由主体的阵列组成以形成三维轮廓的第一平滑表面；和e)在第一平滑表面上形成模制表面。还公开了一种通过该方法制造的模具工具。(The invention discloses a method for manufacturing a mould tool, which comprises the following steps: a) providing a continuous array of a plurality of bodies comprised of a porous material; b) selectively moving each body of the array to a respective desired position to define a three-dimensional profile formed by the array of bodies, the three-dimensional profile having a three-dimensionally shaped surface; c) applying a support layer onto a three-dimensional forming surface to form a monolithic mold precursor comprising an array of bodies attached together by a support layer; d) machining a surface of the unitary mold precursor opposite the support layer, the surface consisting of an array of bodies to form a first smooth surface of a three-dimensional profile; and e) forming a molding surface on the first smooth surface. A mould tool manufactured by the method is also disclosed.)
技术领域
本发明涉及模具工具和制造模具工具的方法。本发明特别适用于制造用于由复合材料制造零件的大型模具，所述模具例如为风力涡轮机叶片的模具、船舶的模具和航空航天零件的模具。
背景技术
随着科学技术的发展，风能作为一种安全且绿色的可再生能源得到了迅速发展。近年来，风力涡轮机叶片的生产技术不断发展和完善。目前的风力涡轮机叶片通常具有大于50米的长度并且由纤维增强树脂复合材料模制而成。因此，需要非常大的模具，所述模具具有与待模制的风力涡轮机叶片的尺寸相对应的模具表面。
已知使用“插塞”来生产典型的风力涡轮机叶片模具，“插塞”是在其上构造模制表面的主体。用于大型模具的传统插塞的制造昂贵，并且必须为制造的每个模具工具制造单独的一次性插塞。
需要降低生产大型模具工具的成本，并避免与使用传统的一次性插塞制造大型模具工具的成本和相关的低效率。
此外，需要一种制造模具工具的方法，该方法高度自动化以降低生产成本，并且具有精确性以针对模具工具生产出高度精确的A表面光洁度。
发明目的
本发明的目的在于有效地解决已知模具工具制造的问题，并且特别地在于提供一种能够避免要求使用传统插塞的需求的模具工具制造方法。
发明内容
因此，本发明在第一方面中提供了一种制造模具工具的方法，该方法包括以下步骤：
a)提供由多孔材料组成的多个主体的连续阵列；
b)选择性地使阵列的各个主体移动到相应的所需位置，以限定由主体的阵列形成的三维轮廓，该三维轮廓具有三维成形表面；
c)将支撑层施加到三维成形表面上以形成整体模具前体，所述整体模具前体包括通过支撑层附接在一起的主体的阵列；
d)机加工整体模具前体的与支撑层相对的表面，该表面由主体的阵列组成，以形成三维轮廓的第一平滑表面；和
e)在第一平滑表面上形成模制表面。
根据本发明的第二方面，还提供了一种用于模制纤维增强树脂基质复合材料的模具工具，该模具工具包括：限定模制表面的模制结构层，和具有相对的第一表面和第二表面的芯层，该芯层包括多孔材料的多个主体的连续阵列，每个所述主体均在第一表面和第二表面之间延伸，所述第一表面和第二表面中的每一个被机加工以限定相应的连续三维轮廓，其中，模制层结构模制到芯层的第一表面；和支撑层，所述支撑层模制到芯层的第二表面，其中，所述支撑层将多孔材料的所述多个主体附接在一起。
在从属权利要求中限定了本发明的两个方面的优选特征。
本发明的优选实施例可以提供可重复使用/可更换的插塞以制造模具工具，该模具工具可以具有传统的由插塞构造的模具工具的结构、性质和优点，但是避免了对一次性使用的传统插塞的需要。模具工具制造方法使用成形装置，该成形装置通常是刚性自动装置，其由致密、均匀分布的竖直圆柱体区域组成，所述竖直圆柱体能够将多孔材料本体(例如，聚合物泡沫或轻木块)提升到临时位置以用于使用计算机数控(CNC)机加工工艺直接制造模具，或作为可重复使用的插塞。此外，本发明的优选实施例可以提供临时直接模具，而不使用传统的高成本一次性插塞，其可以用于制造低成本的样机模具工具和对应的样机模制品。当然，可替代地，本发明的优选实施例可以提供一种模具工具，用于直接、无插塞的模具工具的全面商业批量生产。
本发明的优选实施例可提供一种模具工具，该模具工具可用于制造纤维增强树脂复合材料，或可由模具工具模制的任何其他材料，所述模具工具包括由复合材料组成的模具表面。模具工具可用于模制最终制品或产品，例如风力涡轮机叶片、船舶零件或航空航天零件或用于预成型用在复合材料(例如，风力涡轮机叶片)制造中的织物和芯部。模具工具可用于模制除复合材料之外的材料，例如用于诸如桥梁或其他工业大规模产品的大型结构的混凝土模板。
附图说明
现在，将参照附图仅以示例的方式描述本发明的实施例，其中：
图1是根据本发明的实施例在制造模具工具的方法中使用的用于安装多孔材料的多个主体的成形装置的示意性侧视图；
图2是在致动器装置在成形装置中移动以形成多孔材料主体的三维轮廓之后的如图1所示的成形装置的示意性侧视图；
图3是图2的三维轮廓的机加工步骤的示意性侧视图；
图4是图3的机加工后三维轮廓的示意性侧视图；
图5是在复合材料层层压之后图4的机加工后三维轮廓的示意性侧视图；
图6是将框架附接到图5中所示的复合材料层的附接的示意性侧视图；和
图7是升高图6中所示框架的示意性侧视图；
图8是旋转图7所示的框架的示意侧视图；
图9是在图8所示的旋转后的框架上机加工整体模具工具前体的三维轮廓的示意性侧视图；
图10是图9的机加工后三维轮廓在层压复合材料层之后的示意性侧视图；
图11是在图10的复合材料层上施加电热丝组件的示意性侧视图；
图12是图11的三维轮廓在层压另一复合材料层之后的示意性侧视图；
图13是机加工图12中所示的具有另一复合材料层的三维轮廓的示意性侧视图；
图14是在图13中所示的机加工后的另一复合材料层上喷涂顶部涂层的示意性侧视图；
图15是在对图14所示的顶部涂层进行打磨之后的模具工具的示意性透视图；和
图16是图15中所示的模具工具的一部分的放大剖视图。
具体实施方式
参照图1，示出了根据本发明第一实施例的用于制造模具工具的方法中的成形装置2，所述模具工具通常是用于模制纤维增强树脂基质复合材料的模具工具。模具工具最典型地是成形为和尺寸设定为模制风力涡轮机叶片或风力涡轮机叶片地一部分，尽管可替代地，模具工具可以成形为和尺寸设定为模制船舶部件(诸如，船体)或航空航天部件(例如，机身面板或机身部分)。
根据本发明所示实施例的方法，提供了一种成形装置2。成形装置2包括相互对准的可致动装置6的阵列4。通常，阵列4是一维的线性阵列。可替代地，阵列4在两个正交方向上延伸以形成二维阵列。每个可致动装置6均包括可移动元件8，所述可移动元件8各自可在相对的端部位置之间的操作范围内移动。每个可移动元件8具有自由端10。通常，成形装置2在水平方向或水平平面上延伸，并且可移动元件8可各自在升高位置和降低位置之间的操作范围内移动。在优选实施例中，可移动元件8是安装在固定汽缸组件14中的可伸展活塞元件12，并且通常可致动装置6是液压活塞和汽缸组件。活塞元件12可各自在延伸的升高位置和降低的缩回位置之间的操作范围内移动。
如图1所示，通过将主体18中的每一个安装到可移动元件8的相应自由端10来提供多个主体18的连续阵列16，每个所述主体18由多孔材料构成。在所示实施例中，每个主体18安装在相应的自由端10上，使得每个自由端10在其上均具有一个主体18；然而，在可替代的实施例中，多个相邻的主体18安装到相应的自由端10。主体18的阵列16安装在成形装置2上并且临时附连在成形装置2上；例如，使用主体18和自由端10之间的真空抽吸将多个主体18临时附连到自由端10。自由端10可以成形为平板构件，可选地具有凸起的***边缘，该板垂直于可移动元件8的运动轴线延伸，用于牢固地支撑多孔材料的主体18。
多孔材料通常包括聚合物泡沫或轻木。如下文所述，多孔材料形成所得模具工具的中心芯层。
每个主体18优选地是细长元件20，所述细长元件20具有与细长元件20的伸长方向正交的规则横截面(伸长方向垂直于图1的平面)。规则横截面优选为矩形或正方形横截面。每个细长元件20具有相对的细长侧表面22和上表面24，所述侧表面22通常是平面的，所述上表面24优选为平面。优选地，每个细长元件20具有：(i)长度，该长度沿着细长元件20的伸长方向并且为0.1米至1米；(ii)宽度，该宽度与细长元件20的细长方向正交并且限定上表面24的宽度，所述上表面24的宽度介于0.1米至1米之间；(iii)高度，该高度与细长元件20的宽度和伸长方向都正交并且为0.1米至1米。
优选地，相应的相邻细长元件20的相对的细长侧表面24通过间隙26相互间隔开。通常，间隙的宽度为0.1mm至3mm。
参照图2，该方法包括将阵列16的各个主体18选择性地移动到相应的所需位置以限定由主体18的阵列16形成的三维轮廓28的后续步骤。三维轮廓28具有三维成形表面30。三维成形表面30与可致动装置6的阵列16相对。通过选择性地致动可致动装置6以使每个可移动元件8各自移动到相应操作范围内的所需位置来实现运动，以限定由主体18的阵列16形成的三维成形表面30。当主体18具有平坦的上表面时，三维成形表面30是阶梯状表面，如图2所示。
在优选实施例中，成形装置2的可致动装置6连接到控制系统32，该控制系统32包括输入模块34和输出模块36，所述输入模块34适于接收输入命令以限定所需的三维成形表面，所述输出模块36适于响应于输入命令致使可致动装置6***作，使得每个可移动元件8各自移动到相应操作范围内的期望位置，以限定期望的三维成形表面30。
参照图3，该方法包括机加工三维轮廓28的阶梯状表面30以形成三维轮廓28的平滑表面38的后续步骤。机加工步骤使用机加工头39的计算机化数控三维运动，该机加工头39在三维轮廓28的表面30上移动。优选地，在机加工步骤中，三维轮廓28的表面30向上定向；然而，只要在机加工步骤期间主体18保持牢固地附连到自由端10上，表面30便可以沿任何其他方向定向。如下所述，三维轮廓28的机加工后的平滑表面38形成所得模具工具的B表面，即，非模制表面。图4示出了在完成机加工步骤之后的平滑表面38。
参照图5，该方法包括将支撑层40施加到三维成形表面38以形成整体模具前体42的后续步骤，该整体模具前体42包括由支撑层40附接在一起的主体18的阵列16。通过将第一纤维增强树脂基质复合材料44施加到三维成形表面38来施加支撑层40。第一纤维增强树脂基质复合材料通常包括玻璃纤维增强的热固性树脂，例如环氧树脂，其厚度为2mm至10mm。支撑层40通常手工层压在三维成形表面38上。支撑层40限定整体模具前体42的最外支撑表面46。
参照图6，该方法包括将支撑框架48附接到整体模具前体42的支撑表面46的后续步骤。支撑框架48包括由结构构件51构成的框架50，结构构件例如为焊接或以其他方式附连在一起的钢条，所述框架安装到具有三维成形外表面54的主体52，该外表面54基本上对应于待制造的模具工具的所得模制表面的形状和尺寸。主体52通常是模具制造领域的技术人员已知的“插塞”，并且用于帮助将模制表面成形为所需的三维成形轮廓。从本文的公开内容显而易见的是，根据本发明的优选实施例，主体52构成可重复使用的“插塞”，其可用于制造一系列模具工具。
主体52的三维成形外表面54具有多个附接装置56的阵列，附接装置诸如为吸杯56，用于将整体模具前体42临时固定到支撑框架48上。优选地，支撑框架48使用支撑框架48和支撑层40之间的真空抽吸而附接到整体模具前体42的支撑层40。
参照图7，该方法包括移动支撑框架48和附接到其上的整体模具前体42使得暴露出整体模具前体42的与支撑层40相对的表面58的后续步骤。该步骤通过例如通过释放在自由端10和主体18之间施加的真空吸力来首先释放主体18的阵列16和成形装置2之间的任何临时固定而实现。此后，从成形装置2升起承载整体模具前体42的支撑框架48。
参照图8和图9，该方法优选地包括后续步骤：使承载整体模具前体42的支撑框架48围绕水平轴线旋转大约180度的角度，使得整体模具前体42的与支撑层40相对的表面58向上取向并暴露出。此后，表面58(由主体18的阵列16组成的表面)被机加工以形成三维轮廓的平滑表面60。如下所述，三维轮廓28的机加工后的平滑表面60形成所得模具工具的A表面，即，模制表面。机加工步骤使用机加工头62的计算机化数控三维运动，该机加工头62可以是针对图3描述的相同的机加工头39，其在整体模具前体42的暴露表面58上移动。而且，在机加工步骤中，整个模具前体42的暴露表面58优选向上取向，但也可以可替代地沿着任何其他方向取向。
参见图10至图15，该方法包括在平滑表面60上形成模制表面的后续步骤。该步骤优选包括多个子步骤。
图10示出了施加到平滑表面60的第二纤维增强树脂基质复合材料64。通常，第二纤维增强树脂基质复合材料64包括玻璃纤维增强热固性树脂，例如环氧树脂，其形成层66，所述层66的厚度介于2mm至10mm之间，例如4mm。
接下来，如图11所示，在第二纤维增强树脂基质复合材料64上施加电热丝组件68。用于结合到模具工具中的这种电热丝组件68为模具工具制造领域的技术人员所熟知，尤其是用于制造风力涡轮机的模具的电热丝组件，例如，在苏州Red Maple Wind Blade Mold有限公司名下的WO﹣A﹣2014/113970中所公开的。
此后，如图12所示，第二纤维增强树脂基质复合材料64和电热丝组件68(当存在时)被第三纤维增强基质树脂复合材料覆盖。首先，将一层纤维70施加到第二纤维增强树脂基质复合材料上，随后将液体形式的聚合物树脂注入纤维层70中以形成第三纤维增强基质树脂复合材料的层72。纤维可以由合成纤维(诸如玻璃、碳、聚酰胺等)或天然纤维(例如亚麻、***纤维、棉等)组成，并且优选地纤维是由亚麻组成的天然纤维。
随后，如图13所示，机加工第三纤维增强基质树脂复合材料72的暴露表面74，以形成第三纤维增强基质树脂复合材料层74的平滑表面76。机加工步骤使用机加工头78的计算机化数控三维运动，该机加工头78可以是与针对图3描述的相同的机加工头39，其在第三纤维增强基质树脂复合材料72的暴露表面74上移动。再者，在机加工步骤中，暴露表面74优选地向上定向，但是可替代地可以沿任何其他方向定向。
随后，如图14所示，在第三纤维增强基质树脂复合材料层74的平滑表面76上喷涂含树脂的顶部涂层80。
最后，如图15所示，从模具工具82将顶部涂层80用砂纸打磨成具有所需表面质量和细度的A表面光洁度的模制表面84。
在可替代实施例中，可以省略第三纤维增强基质树脂复合材料层74，并且可选地，第二纤维增强基质树脂复合材料64可以机加工或以其他方式制备或修整以形成A表面模制表面。例如针对较小的模具工具或针对不用于模制热固性树脂(诸如环氧树脂)的模具工具可以完全省略对电热丝组件68的使用。在可替代实施例中，可以省略顶部涂层80和用砂纸打磨。
因此，适于模制纤维增强树脂基质复合材料的所得模具工具82具有特定的多层构造。
图16是模具工具82的一部分的放大剖视图。该图高度示意性并且为了清楚起见，扩大了一些尺寸，并且模具工具被示出为平面而非三维弯曲。
模具工具82包括限定模制表面84的模制层结构86。芯层88具有相对的第一表面90和第二表面92。芯层88包括多孔材料的多个主体18的连续阵列16。每个主体18在第一表面90和第二表面92之间延伸。第一表面90和第二表面92中的每一个被机加工以限定相应的连续三维轮廓94、96。
模制层结构86被模制到芯层88的第一表面90。支撑层40被模制到芯层88的第二表面92，并将多孔材料的多个主体18附接在一起。
通常，模具工具82的形状和尺寸设定成模制风力涡轮机叶片或风力涡轮机叶片的一部分。这种风力涡轮机叶片模具工具82通常具有至少30米的长度，更典型地具有至少50米的长度。可替代地，模具工具82的形状和尺寸可以设定成模制船舶部件(诸如船体)或航空航天部件(诸如机身面板或机身部分)。
通常，模具工具82包括整个模具工具的区段。特别地，当所需的整个模具工具具有一个或多个尺寸时，特别地，超过计算机数控(CNC)机器的长度的长度，或者，如果整个模具的设计需要在整个模具工具中设置特定开裂部(例如，用于运输目的)，则由该方法制造的模具工具包括整个更大的模具工具的区段，并且一系列区段能够单独制造而生产出呈后续组装在一起的区段形式的整个模具工具。可以通过传统层压步骤将区段组装在一起，例如通过将玻璃纤维层压件注入在相邻分段之间的连结部处。
可以在图10中所示的层压步骤期间将区段组装在一起。特别地，每个均具有三维轮廓28的分别成形的机加工平滑表面60的多个模具工具前体元件被组装在一起以形成整个模具工具前体，然后在图10所示的步骤中，将第二纤维增强树脂基质复合材料64施加到整个组装好的平滑表面60上。在整个组件上实施图11至图14的后续步骤。
图13中所示的步骤可以是在整个组装好的模具工具上实施的数控(CNC)处理。数控机床可以根据需要相应地适应长距离操作，例如高达80m，这是高负载风力涡轮机叶片的典型当前距离。通常，数控机床可以可移动地安装，以沿着龙门架进行纵向运动，所述龙门架针对所需的任何给定长度设计，其可以在所需的表面上执行机加工操作，如图3、9和11所示并且如上所述。龙门架和数控机床随后还可以用于执行用于生产所得风力涡轮机叶片的光纤铺设，或者用于需要在风力叶片生产过程期间沿着风力叶片的长度进行自动辅助的其他风力叶片生产过程步骤中。
本发明的效果和优点
本发明的优选实施例可提供可重复使用/可更换的插塞，以制造出低成本、尺寸精确和高质量的A表面模具工具，其可用作临时直接模具，而无需使用传统的高成本一次性插塞，从而制造出低成本样机模具工具或用于直接、无插件的模具工具的全商业批量生产的模具工具。模具工具制造方法使用成形装置，该成形装置通常是刚性自动装置，其由致密、均匀分布的竖直圆柱体区域组成，能够将多孔材料主体(例如，聚合物泡沫或轻木块)提升到临时位置以用于制造直接CNC模具工具或可重复使用的插塞。模具工具可用于制造纤维增强树脂复合材料，或可由模具工具模制的任何其他材料，该模具工具包括由复合材料构成的模具工具表面。模具工具可用于模制最终制品或产品，例如风力涡轮机叶片，船舶部件或航空航天部件，或用于预成型用于复合材料制造的织物和芯(例如，风力涡轮机叶片)。模具工具可以用于复合材料以外的模制材料，例如用于大型结构(例如桥梁或其他工业大规模产品)的混凝土模板。