发明内容

本发明的第一个方面涉及一种生产混合复合材料零件的方法。如本文所述，"混合复合材料零件"可用来指模制零件，其中模制零件的至少一部分包括由预制纤维或纤维垫加固的热塑性基体，以及所述零件的至少一个其他的部分只包括相同的热塑性基体(无增强)。

所述方法包括提供了一个模具体，用来定义的模具腔。此处使用的"模型腔"是指模具体所定义的空间，使流体被注入到其中，所述流体在在特定的温度和压力条件下其状态能够从液体更改为固体，特定的温度和压力条件，例如，通过聚合。模具腔的几何形状决定了所成型零件的几何形状。在一些示例中，模具可包含至少一个凸模和至少一个凹模，当它闭合在一起时，就形成了内部的模具腔。

当反应性热塑性前体注入模具腔时，模具体会在聚合温度下来产生成混合复合材料零件。在一些实施例中，这种反应性热塑性前驱体的聚合温度可能是室温，而在其他一些例子中，这种聚合温度可能不同。例如，模具体可能包含加热或冷却装置，以达到反应性热塑性前驱体的聚合温度以用于生产混合复合材料零件。

如本文所述"反应性热塑性前驱体"可指任何无需通过溶剂以原位聚合方式反应后产生热塑性基体的化学成分组合。特别，每个反应性热塑性前驱体可以由一组相互关联的参数加以区别，如聚合温度，催化系统的百分比和/或其他反应性热塑性前驱体的可能化学成分和聚合时间。

该方法还包括将纤维预制件放入模具腔中，纤维预制件位于模具腔的至少第一个区域，且模具腔的至少第二个区域是非纤维预制件区域，即第二个区域没有纤维预制件。纤维预制件可能是位于模具腔的单个连续区域的纤维预制件的单一连续部分，或者可能是位于模具腔不同且独立的区域的相同或不同的纤维预制件的多个零件或部分。此外，至少一个非纤维预制件的第二区域可以是模具腔的一个单一连续区域，也可以是模具腔的不同且独立的区域穿插着有纤维的预制件的区域。

在此之后，模具体闭合并完全密封，以确保反应性热塑性前驱体在注射和聚合过程没有中液体泄漏。

随后，将反应性热塑性前驱体注入模具腔内，直到模具腔的空间完全填充满。模具体可以包括一个或多个注射点，用以将反应性热塑性前驱体注入。确保纤维预制件区域和非纤维预制件区域的模具腔完全浸渍，注射反应性热塑性前驱体可使用特定的配置形式进行。

为此，注射压力配置适用于反应性热塑性前驱体应确保反应性热塑性前驱体恒定且均匀流动分布在模具腔。用于注射反应性热塑性前驱体的入口数量和位置将确保反应性热塑性前驱体均匀分布于模具内部并且模具腔内没有空隙。

然后，当反应性热塑性前驱体聚合并进行了凝固后，模具体被打开，产生出的混合复合材料零件则脱模。

产生的混合复合材料零件包括增强型热塑性基体部分对应于模具腔中的纤维预制件区域，以及与模具腔中非纤维预制件区域对应的热塑性基体部分。由此产生的聚合热塑性基体在两个部分相同。此外，产生出的混合复合材料零件可包含单个连续增强热塑性基体部分和单个连续热塑性基体部分(非增强)或者可包含多个增强热塑性基体部分，通过插入多个热塑性基体部分(非增强)而相互连接。

在一些实施例中，一些混合复合材料零件的非增强的热塑性基体部分对应于混合复合材料零件的元件，如筋、凸台、锚固件、支架或螺栓等，或混合复合材料零件的任何其他结构元件。因此，混合复合材料零件的这些元件仅由热塑性基体组成。在一些实施例中，关闭模具体后注射反应性热塑性前驱体之前，整个模具腔可能出于真空状态。模具体在反应性热塑性前驱体的注射和聚合过程中应保持在真空压力下。

模具体可包括模具腔与外面相连接的多个出口。真空系统通过这些出口吸出模具腔中的空气。真空有助于使反应性热塑性前驱体均匀分布在模具腔内，并使其完全填充满模具腔。模具腔内部的真空应尽可能高，以从模具腔内吸出尽可能多的空气，使模具腔内部出于真空有助于减少混合复合材料零件的缺陷或气孔。此外，由于模具腔内存在氧气会影响反应性热塑性前驱体的聚合反应，在模具腔内生成高真空将减少注射时与反应性热塑性前驱体接触的氧气，改善聚合质量。

在一些实施例中，真空水平应至少为0.9bar或更高(例如0.99或0.999bar)。一旦在模具腔内达到期望的真空水平，例如，最大真空水平，就可以向模具腔内注射反应性热塑性前驱体。

在一些实施方式中，反应性热塑性前驱体包括两个成分：单体或预聚体和催化系统。例如，单体可以是内酰胺，预聚体可以是丙烯酸，以及催化系统可以是引发剂成分和活化剂成分的组合。或者，催化系统可能只是催化剂。单体和/或预聚体可以在室温下处于固态，因此可能需要加热，直到成为液体或在室温下是液体状态。反过来，催化系统在室温下也可以是处于固态或液态状态。至少这两个种成分单体或预聚体和催化系统被定剂量连续送入混合室中，混合料如反应性热塑性前驱体被从混合室中注射进模具。在混合室中混合至少上述的两种成分是在即将注入反应性热塑性前驱体到模具腔前的瞬间完成，以免反应性热塑性前驱体在模具腔外就开始聚合。

一旦将反应性热塑性前驱体注入模具腔，反应性热塑性前驱体在模具体内进行聚合产生出混合复合材料零件。

在某些例子中，当反应性热塑性前体是由液体己内酰胺、液体活化剂成分和液体引发剂成分构成时，反应性热塑性前驱体可包含己内酰胺99.61mol％、引发剂0.17mol％和活化剂0.22mol％。在其他一些例子中，反应性热塑性前驱体可由内酰胺98mol％、引发剂0.7mol％和活化剂0.88mol％构成。对于任何其他单体、预聚体或催化系统，构成反应性热塑性前驱体的成分的百分比可能不同，应对应于相应单体和催化系统的反应化学计量法调配。

在一些实施例中，在将单体或预聚体、引发剂和活化剂成分全部混合前，可以准备两个独立的预混料。第一预混料可能包括活化剂成分和一小部分单体如内酰胺或预聚体如丙烯酸的混合物，和第二预混料可包括引发剂成分和剩余部分的单体或预聚体。这两种预混料可以连续和定剂量的方式供给混合室，在混合室中预混料混合产生反应性热塑性前驱体。随后，反应性热塑性前驱体被立即注入模具腔，发生聚合反应产生出增强部分和非增强部分的混合复合材料零件。

在一些实施例中，注射反应性热塑性前驱体时注射压力配置的范围为0.1至100bars。更优选的是，注射压力配置是从以下组合中选择，包括：低压注射配置范围从0.1到8bars，高压注射配置范围从25到30bars，压缩注射配置范围从50到100bars和任意组合。

在一些实施例中，纤维预制件是从以下组合中选择：玻璃纤维预制件、芳纶纤维预制件、碳纤维预制件、天然纤维预制件和上述的任意组合。纤维预制件的选择可能取决于要制造的混合复合材料零件的机械性能。

在一些实施例中，所述方法包括提供一些位于模具腔内的夹紧元件，优选设置在纤维预制件上。这些夹紧元件，连接到模具体，例如，连接到凸模或凹模，用于固定纤维预制件并使得反应性热塑性基体以恒定和均匀的速率流过所述模具腔。优选方案是这些夹紧元件可位于纤维预制件的边缘。

在一些实施例中，在将反应性热塑性前驱体注入模具后，所述方法包括对反应性热塑性前驱体施加超压。在所述模具腔内是真空，当反应性热塑性前驱体被注射入所述腔中，由于压力和随后的超压作用于该零件，使反应性热塑性前驱体完全充满纤维预制件区域和非预制件区域。

在一些实施例中，将反应性热塑性前驱体注射到所述模型腔采用的是树脂传递膜具(RTM)技术。例如，RTM技术可以是压缩RTM(C-RTM)技术，高压RTM(HP-RTM)技术、高压压缩RTM(HPC-RTM)或其他技术。

本发明的第二个方面涉及一种生产混合复合材料零件的系统。该系统包括一个模具体，所述模具体包括至少一个上模和至少一个下模，所述上模和下模配合成模具腔。所述系统还包括一个注射系统，用于将反应性热塑性前驱体注入模具腔。注射系统包括用于存储反应性热塑性前驱体的成分的容器，和在一些实施例中使用的一些注射方式，如注射泵、塑化螺钉等，用于定剂量及将反应性热塑性前体或其成分注入模具腔。或者，不采用上述注射方式，注射系统可以使用重力来为反应性热塑性前驱体的成分定剂量并将反应性热塑性前驱体注入模具腔。模具腔包括至少一个配置为具有纤维预制件的第一个区域，纤维预制件部分或完全填充满由第一个区域定义的空间；以及至少一个配置为非纤维预制件的第二区域，即第二个区域没有纤维。注入模具腔的反应性热塑性前驱体配置为在模具中聚合。这种聚合材料会在上述模具腔中至少一个第一区域产生的至少一个混合复合材料零件的增强基体部分，和在上述模具腔中至少一个第二区域产生的一个混合复合材料零件的基体部分。

在一些实施例中，模具体包括至少一个入口，通过所述入口向模具腔中注入反应性热塑性前驱体，注入方式例如注射泵。注射反应性热塑性前驱体的入口的数量和位置取决于模具腔的特殊几何形状、热塑性粘度和纤维预制件的纤维百分比。

在一些实施例中，注射方式被调整为为适应反应性热塑性前驱体的注射压力配置，范围为0.1至100bar。更优的方式是，将注射方式配置为注压力从下列组合中选择，包括：低压注射配置范围从0.1到8bars，高压注射配置范围从25到30bars，压缩注射配置范围从50到100bars，及其任意组合。

在一些实施例中，用于生产混合复合零件的系统还包括一个真空系统，所述系统配置为在注入反应性热塑性前驱体前，在模具腔内抽真空。在反应性热塑性前驱体聚合过程中一直会在模具腔内保持真空。例如，模具体可包含至少一个连接到真空系统的真空泵上的出口，通过所述出口模具腔中被抽成真空。所述真空泵和模具体的相应出口可以由相应的真空管路连接，如，由橡胶/柔性或硬性塑料制成的软管。模具体上为模具腔抽真空的出口的数量与位置取决于模具腔的特定几何形状、单体粘度和纤维预制件的纤维百分比。

在一些实施例中，所述注射系统包含一个混合室，用来以连续、定剂量和分离的方式接收单体或预聚体和催化系统。所述催化系统可由引发剂成分和活化剂成分组成。所述单体如内酰胺，或预聚体如丙烯酸，和催化系统混合在混合室中形成反应性热塑性前驱体。举例来说，注射系统包括一个第一定剂量设备用对单体或预聚体存储合给料，例如，连接到注射泵的容器或料斗，注射泵用来将单体或预聚体推向容器的出口。所述定剂量设备包括加热装置用来熔化在室温情况下是固态的单体或预聚体，同时定剂量将单体或预聚体供给混合室。注射系统还可以包括额外的定剂量设备用来对催化系统存储和给料。特别地，注射系统可以包括为催化系统(引发剂成分和活化剂成分)提供的独立的附加定剂量设备，诉述设备连接到注射泵。所述混合室可以有至少两个单独的入口分别接收单体或预聚体和催化系统。更特别地，混合室可以有三个独立的入口分别接收单体或预聚体、引发剂成分和活化剂成分。材料(单体或预聚体和催化系统)沿混合室内的独立管道流动，直到达到混合室的特定点，在那里这些材料首次相互接触。例如，当单体、引发剂成分和活化剂成分穿过混合室并来到外面准备被注入到模具腔中时混合在一起。也就是说，形成反应性热塑性前驱体的三个组分在进入模具前不会彼此接触。此混合室可能有三个单独的入口，用于接收三个组分。

在一些实施例中，注射系统包括混合室用来接收以连续、定剂量和分离的方式接收两个独立的预混料。举例来说，注射系统可包括一个第一定剂量设备用于对由活化剂和小部分单体如内酰胺或预聚体组成的第一预混料的存储和给料，例如一个容器或一个料斗，连接到注射泵，用于将预混料推向容器的出口，以及一个第二定剂量设备用于对由引发剂和剩余部分单体或预聚体组成的第二预混料存储和给料，例如另一个连接在注射泵上的容器。两种预混料沿混合室内的独立管道流动，直到到达混合室的特定点，在那里这些预混料开始第一接触。例如，第一种预混料和第二种预混料在穿过混合室来到外面准备被注入到模具腔时混合在一起。也就是说，形成反应性热塑性前驱体的两种预混料在接近模具体之前，没有彼此接触。因此，这两种预混料直到即将进入模具腔前才生成反应性热塑性前驱体。混合室有两个独立的入口来接收两种预混料。

在一些实施例中，模具体包括加热装置用来加热模具体达到反应性热塑性前驱体聚合的温度。举例来说，模具可包括热执行器、热阻或加热筒，其他的内部或直接接触模具体加热装置。

混合复合材料零件的机械性能可由选择增强纤维预制件、反应性热塑性前驱体的组件或聚合工艺条件决定。例如，通过修改催化系统(活化剂和引发剂)的浓度、内酰胺和/或几个内酰胺的组合，混合复合材料零件的机械性能就能被更改。此外，通过在聚合过程中改变模具体温度和注入压力配置，混合复合材料零件的机械性能也可以被改变。

此外，混合复合材料零件的机械性能也取决于在纤维预制件进入模具腔的位置，决定了混合复合材料零件的增强部分，以及几何形状上的非增强部分，如筋、凸台等，这些部件是专门设计用于增加混合复合材料零件的机械性能。

所述的生产混合复合材料零件的方法和系统与之前的方法和系统相比，存在几点优势和/或差异。特别是，它们为制造混合复合材料零件提供了单步制造工艺，使速度更快，而且避免了将非增强部分添加到以前制造的增强部分的后续注射步骤。这意味着减少了制造时间以及模具成本(例如，1个模具而不是2个，一个用于生产增强部分，另一个用于添加非增强部分到增强部分)和设备(RTM机器，而不是热成型挤压加注射机，用于后续注射步骤)。他们还避免材料兼容性问题，因为混合复合材料零件的两个区域都制造相同的反应性热塑性前驱体，并在同一时间聚合(在个一步骤中)。由于模制零件中没有接头，混合复合材料零件具有更大的强度。所述方法和系统还可以制造拥有周边区域是非增强热塑性基体的混合复合材料零件。这意味着显著节约了增强纤维材料和无需对预制件和/或最后的成品进行修整。所述方法和系统在混合复合材料零件设计上也提供了高灵活性，允许集成元件，如螺栓、凸台和夹子，能够将非增强材料加入混合复合材料零件中，并通过仅由热塑性基体制成的筋等强化元件替换额外的增强纤维，使得能在减少在零件上的纤维用量依然能保持零件刚度。

混合复合材料零部件生产方法和系统的其他优点是所述方法和系统避免了修整和去毛刺过程，因为可以生产边缘只有热塑性基体(没有增强纤维)的部件。