淤浆预制品系统 本发明的背景
本发明一般地涉及纤维增强塑料预制品的制造，较具体点说，涉及在纤维增强预制品中控制纤维设置的方法和设备。
纤维增强塑料(FRP)件或复合件为众所周知并被广泛应用。FRP件一般具有一个可塑的形状，其内散布着碳纤维、玻璃纤维、或其他增强纤维以资增加其强度。有一种制造FRP件的方法被称为树脂输送模塑法(RTM)。
在RTM法中，纤维材料连同树脂被注入模具中，树脂硬化后便成为零件。这种技术的实例在普通授予的美国专利4,740,346号(复合结构周边树脂的输入)；4,849,147号(制造一个具有完整成形连接件的模塑结构的方法)；及4,863,771号(中空纤维增强结构及其制造方法)中都曾公开过，并都在本文中被具体引用作为参考。在RTM法中，纤维材料通常在放置到模内之前被制成初步形状。这个成形部分一般与邻近模具的型腔表面的轮廓一致并被称为预制品。有几种不同的制造方法曾被用来构造预制品。其中一种是用空气流将切短的纤维投送到筛网上。这种技术的一个问题是不容易得到所需的纤维取向。另一种方法利用纤维材料的编织物来制造预制品。但这种方法会产生较多不希望有地废料并且费工，这会造成生产的效率低落。
还曾公开过另一种被称为湿淤浆方法(wet slurry process)，如Keown等的“湿淤浆方法给增强塑料带来精度”。该方法用真空将含有切短纤维的淤浆抽吸到一个被筛网覆盖的小室内，使纤维沉积在筛网上。但这种方法也有一些缺点。例如，不容易一致地得到所需的纤维取向和纤维的紧密度。加之，用来造成真空并抽吸淤浆使它通过筛网所需泵和其他设备可能会过分复杂并难于维修。另外，整个过程比较缓慢。
一种改进的湿淤浆方法曾在普通授予的美国专利5,039,465号(从湿淤浆中制成纤维增强塑料预制品的方法和设备)中被公开，该专利在本文中也被参考引用。该专利指点说，可提起筛网使它通过一个含有纤维淤浆的储罐，纤维就会沉积在筛网上，从而可造出预制品。虽然这个方法可行，但也有一些缺点。例如，当筛网被提起到液体之外时预制品的结构完整性可能会受到损害。此时如果筛网是在淤浆表面之下运动，来自淤浆的压力能迫使纤维停留在筛网上并使它们保持在位。但当预制品正在从储罐内取出时，一旦筛网冲破淤浆的顶表面，环绕筛网的液体和纤维混合物就会冲到预制品的内部空腔内，于是预制品的直立侧壁就会崩坍，从而需要昂贵地修补工件或将整个预制品报废。
在构造纤维增强的预制品时另一个困难是使整个预制品的壁厚维持均匀。当提拉筛网使它通过淤浆时，较多的液体被迫通过筛网的主表面，其时筛网与提拉方向垂直，而较少的液体会沿着与筛网运动方向平行的直立侧壁上升。由于沉积在筛网上的纤维的数目正比于被迫通过筛网的液体的数量，因此用这种方式构造的预制品可能含有厚度不均匀的部分。
另一个困难涉及在生产环境下制造预制品的问题。通常在每一循环开始时，切短的纤维必须被秤重然后被加入到淤浆内，而秤重的操作是昂贵而又费时的。
另外，使纤维均匀地分散在水内并不是一个轻松的任务。由于水表面有表面张力，轻质的纤维会停留在水面上一直到具有足够数目的纤维堆积时才沉没。有时整个堆积在还没有分散时就沉到储罐的底上。
本发明的综述
本发明可提供一个有效的、低费用的方法和设备以便用来控制纤维在纤维增强预制品内的沉积。
在一个实施例中，有一主筛网被放置在一个充有液体的储罐内。该主筛网有一主表面、直立的侧壁和多个在其内制成的孔眼。增强纤维被加入到液体内以便造成淤浆。主筛网通过淤浆被提升到一个在淤浆顶面之下的水平，从而使增强纤维沉积在筛网上。有一保持筛网被插入到淤浆内，使增强纤维被夹在主筛网和保持筛网之间。这两个筛网同时被提升到储罐外，这样就可有效地制成一个纤维增强的预制品而只有极小的变形。
在另一个实施例中，该设备包括一个位在主筛网附近的扼流筛网，以便当主筛网被拉动通过淤浆时用来减少通过主筛网那部分的液体的流动。为了使预制品的壁厚优化，在扼流筛网上制出的孔眼，与主筛网上制出的孔眼相比，前者的位置可偏移，大小可不同。
在另一个实施例中，设有一个工作单元，该工作单元包括一个设置在淤浆储罐和炉子之间的转台以便有效地大量生产预制品。
在另一个实施例中，该设备包括一个起泡器控制装置和分隔的起泡区域。控制装置能够按程序对每一个起泡区域以变化的压力和持续时间对空气的破裂进行调整。根据预制品的几何尺寸，通过使用一定的起泡器控制次序可以使淤浆的均匀性最大化。
在还有另一个实施例中，该设备包括一个纤维发放器系统可用来控制不同型式的纤维加入到淤浆内。发放控制器调节着各种纤维的加入到喷向储罐的射流内。纤维的加入按程序被定时以便与主筛网通过储罐的提升相适应。在主筛网进行向上的行程时将不同型式的纤维加入到淤浆内，可以构成一个复合的预制品，其横断面具有多层不同的材料。
附图的简要说明
本行业的行家在阅读下面的说明并参考附图后当可对本发明的各种优点有充分的了解，在附图中：
图1为按照本发明的说明构造的从湿淤浆制造纤维增强预制品用的工作单元的透视图；
图2为储罐工位的放大的侧视图，连同示出的有位在储罐直上方的托架转移机构和用虚线示出的被移动到外侧的门式框架；
图2A为示出起泡区域控制器的储罐的俯视图；
图3为储罐工位连同托架及位在储罐之上的托架转移机构的放大的顶视图；
图4为一部分托架转移机构和伸出的内部滑架销的侧视图；
图5为示出有一外部滑架销和一储罐销与一转移块接合的储罐工位的一部分的侧视图；
图6为部分被断开以便示出操作次序的工作单元的部分剖视图；
图7为示出托架在托架转移机构之下旋转的工作单元的部分侧视图；
图8为示出转移机构向下延伸以便与托架接合的工作单元的部分剖视图；
图9为示出内部的和外部的滑架销都在伸出位置上的工作单元的部分剖视图；
图10为示出滑架和托架组合件都从转台平面上被提起的工作单元的部分剖视图；
图11为示出托架转移机构在被移动到储罐工位之上时的储罐工位的部分剖视图；
图12为示出托架下降与冲洗板接合时的储罐工位的部分剖视图；
图13为示出外部滑架销后缩而储罐销伸出从而使托架与冲洗板连接的储罐部的部分剖视图；
图14为示出滚珠丝杠向下驱动使主筛网定位在储罐底上的储罐工位的部分剖视图；
图15为示出滚珠丝杠向上驱动从而拉动筛网通过淤浆，而滑架使保持筛网下降到淤浆内时储罐工位的局部剖视图；
图16为示出储罐销后缩、外部滑架销伸出及保持筛网导杆安置在保持筛网安装块上时的局部剖视图；
图17为示出滑架和托架组合件后退的部分剖视图；
图18为示出保持筛网、主筛网和辅助筛网的部分剖视图；
图19为示出纤维发放系统的侧视图，其时第一批纤维进入到淤浆内；
图20为示出纤维发放系统的侧视图，其时第二批纤维进入到淤浆内。
较优实施例的说明A.综述
参阅图1，其中示出用湿淤浆来制造纤维增强预制品12的工作单元10。工作单元10具有四个工位包括一个储罐工位14、一个转台16、一台炉子18和一个冷却工位(未示出)。转台16被定位在工作单元10内，使储罐工位14的两条平行轨道20能够延伸到转台16的上方，从而给托架转移机构22提供架空的支承。炉子18被定位在转台16旁，以便使托架24能在转台16和炉子18之间容易而有效地转移。
一般地说，在进行制造纤维增强预制品的过程中，开始是将托架24放在转台16上，如图1和6所示。在托架24上装有主筛网26，其外廓被制成构件最终所要形成的形状，主筛网具有直立的侧壁28、主表面30、和多个在主表面内的孔眼32。保持筛网34被这样成形，使它至少与主筛网26的直立的侧壁部28一致，并可与主筛网26的整个外廓一致，如图6所示。
如图2和6-11所示，托架转移机构22被用来从转台16上提起托架24、将托架从转台16上方的位置转移到储罐36上方的位置、然后将托架24下降到储罐36内。参阅图11-14，使托架24与托架转移机构22脱离连接，改与冲洗板38连接。转动滚珠丝杠40可使冲洗板38在储罐36内上下升降。将增强纤维42和液体44加入储罐36内造成淤浆45。用机械搅拌装置或起泡器使淤浆45混合。起泡器如同普通授予的美国专利5,039,465号中所说的那样，该专利在本文中被参考引用。
如图2A所示，本发明的一个实施例包括一个起泡区域控制器86，以便用来调节送往多个起泡区域的流体特别是空气。储罐36被划分成至少两个、最好为四个的起泡区域88，分别以A、B、C、D表示。空气源90被连接到位在起泡器阀94、96、98、100上游的多条供应管线92上。在一部分典型的操作顺序内，起泡区域控制器86指令起泡器阀94打开使空气能进入起泡区域A，然后通过多个孔眼102逸出，这样来使区域A内的淤浆45混合。在标准的操作模式中，空气脉冲只是在某些程序被送入到起泡区域88内以便使淤浆45能随机混合。例如，当区域A和C被送入空气3秒钟的同时区域B和D被关闭。然后区域B和D被开启3秒钟而区域A和C被关闭。这样重复循环一直到预制品12从淤浆45内被取走为止。如果起泡区域控制器不是按照标准操作模式使用，那么当主筛网26被提升通过储罐36时在淤浆45内将会形成旋涡。取决于预制品12的几何形状，旋涡可能对预制品12的结构完整性造成损害，因为淤浆45的涡流运动会将增强纤维42从直立的侧壁28上冲洗掉。但在另一方面，对于具有极少甚至没有直立侧壁的预制品来说，旋涡却是有利的，因为它能帮助扫除冲洗板38上的增强纤维42使它进入到主筛网26内。在这种情况下，可按字母的次序脉动地将空气输入到起泡区域A到D内来引发旋涡。
现在参阅图15-17，包括主筛网26的托架24先下降到接近储罐36的底部。然后向上拉动托架24使它通过储罐36，从而迫使液体44流动通过多个孔眼32并将增强纤维42沉积在主筛网26上。在主筛网冲破淤浆45的表面之前，将保持筛网34插入到淤浆45内使增强纤维42被夹持在主筛网26和保持筛网34之间。保持筛网34这样定位是为了保护预制品12，使当主筛网26被提升到淤浆45之外时，免受淤浆45冲刷直立侧壁28而造成的损害。一旦保持筛网34保持在位，就可用托架转移机构22将主筛网26和保持筛网34一起提升到淤浆45之外。如图1和2所示，托架转移机构22将托架24从储罐36之上移动到转台16之上的一个位置。托架24被下降到转台16上通往炉子18的通路上。使转台16环绕轴线46转动180°，这样便将托架24带到与炉子18十分接近的区域内。任何一种合适的转移机构都可用来使托架24从转台16上卸下并进入到炉子18内。包括主筛网26、保持筛网34和预制品12的托架24在炉子18内被加热，以资将尽可能多的被拦截在增强纤维42之间的液体44蒸发掉。加热过的托架24然后被转移到图上未示出的冷却工位，在那里迫使空气通过主筛网26、保持筛网34和预制品12借以冷却托架24并蒸发掉任何余留的液体44。保持筛网34被拿走以便能接近预制品12，预制品作为一个邻接的构件随后被取出。
图18所示的本发明另一个实施例含有一个辅助筛网82，其定位在至少一部分主筛网26之下。辅助筛网82具有扼流的作用，它能有效地减少迫使通过主筛网25上多个孔眼32的液体44的量，它能用来分散液体44的流动，使流动通过主表面30的液体量大致等于流动通过直立侧壁28的液体44的量。由于沉积在主筛网26上的增强纤维42的数量与允许流动通过多个孔眼32的液体44的量成正比，液体44通过主筛网26的相等流率将会产生壁厚基本均匀的预制品12。辅助筛网82也具有多个孔眼84，这些孔眼可在形状、大小或位置上与主筛网26上的孔眼不同以资使辅助筛网82能限制通过主筛网26的液体44的流动。按照本发明的构造的辅助筛网82的一个例子是在辅助筛网82上采用多个与主筛网26上的孔眼32位置不对准的孔眼84。这个不对准是有目的的，为的是提供一条曲折路径供液体44遵循，从而扼止液体44通过主筛网26的流动。
在图19和20中示出的本发明的另一个实施例，包括一个纤维发放器系统103，该系统具有一个发放控制器104、一条第一纤维粗纱105、一个第一切断器107和用来将纤维引入到淤浆45内的多个第一喷嘴109。按照所用纤维型式的几何形状，发放控制器104调节要被加入到淤浆45内的第一批纤维106的数量。发放控制器104与喷嘴109和用来提升主筛网26的机构一致行动，使当主筛网26还在淤浆45内深处时，纤维106就被覆盖以从第一喷嘴109喷出的水流而注入储罐36内。当主筛网26被提升通过淤浆45时，第一批纤维106就形成预制品12的第一层。如图20所示，当发放控制器104停止将水供应给喷嘴109并停止将第一纤维粗纱105供应给第一切断器107时，主筛网26仍继续被拉动通过淤浆45。如果所要制造的预制品是均质的只包括第一纤维106，那么主筛网26就可继续被提升并从储罐内取出如前所述。但若最终构件要包括多于一种的纤维型式，那么发放控制器104就要开启第二喷嘴110，以调节第二切断器114来切断第二纤维粗纱112。发送控制器104还要发信号给第二切断器114以便将特定数量的第二批纤维108引入到淤浆45内。当第二批纤维108离开第二切断器114时，纤维被夹带在从喷嘴110喷出的水雾中，并被水流的动量带动直接进入淤浆45内。用这种方式加入的纤维可具有不同的特有的物理性能如纤维长度、纤维直径、化学成分、抗拉强度和导电率，能产生可按最终用途定制的分层预制品12。
例如，只需要外表美观的构件如油盘或壳体盖可这样构造，只在所需的表面上采用能美容的材料而将结构的其余层采用费用不贵的材料。与此类似，将具有不同抗拉强度的多层纤维引入到预制品12内可使构件的冲击强度优化。如果弯曲强度要高而费用要低，那么可专门设计具有至少三层的多层复合体来以费用合算的方式满足上述需要。具体地说，外层可由强度较高的纤维构成，而低应力的中心层可由低强度低费用的纤维构成。显示本发明通用性的另一个例子为一构件，它在多层低导电率的材料中有一层高导电率的材料。这个目的可这样达到，只要采用一批具有高导电率的材料或在其中一个纤维供应斗110中加有高导电率的微粒即可。B.设备的细节和方法
为了进一步帮助读者，现在更详细地说明较优的设备和方法。参阅图1和6，托架24上的主筛网26具有直立的侧壁28、主表面30、和多个在主筛网内的孔眼，主筛网被定位在一个框架50的孔口48内。形成孔口48的框架50的内部设有一个偏置的表面52，使主筛网26的伸出的唇部54能与框架50的平表面56齐平地配装。导杆58被连结到保持筛网34上。保持筛网安装块60被固定在框架50上，并被这样设计使当导杆58接合在保持筛网安装块60内时便可使保持筛网34相对于主筛网26而定位。
为了方便托架24从转台16到储罐36的运动，转移块62也被固定地安装在框架50上。如图5所示，每一转移块62上设有上孔64和下孔66。如图1、3和5所示，上孔64的取向使它能与安装在滑架70上的外部滑架销68配合。一旦外部滑架销68与上孔64接合，就可用滑架70连同一个液压柱塞72将托架24提起。液压柱塞72能使滑架70相对于转台16和储罐36上升和下降。滑架70和液压柱塞72利用储罐工位14的两条平行轨道从转台16上方的位置移动到储罐36上方的位置。
参阅图1和7-9，转台16环绕轴线46旋转，使主筛网26位在滑架70之下。然后伸出液压柱塞72使滑架70下降到位。将外部滑架销68伸出使与转移块62的上孔64接合。图4示出内部滑架销74被伸出到导杆58之下借以支承保持筛网34的重量。
如图1、2和10-12所示，滑架70和托架24现在已充分互连可用来从转台16上提起托架24。这样滑架70连同托架24就可沿着两条平行轨道20移动到储罐36上方的位置。液压柱塞72再一次被驱动以降低滑架70。冲洗板38在四个位置上被连结到各该滚珠丝杠40，该滚珠丝杠本身被安装在门式框架76上，冲洗板38在储罐36内的位置可用滚珠丝杠40控制。如图5和12所示，滑架70一直被下降到框架50与冲洗板38偏置的表面77接合为止。一旦框架50被安置，表面56就基本上与冲洗板38的上平面78共面。如图13和14所示，将外部滑架销68缩回，这样主筛网26就与滑架70脱离接合。于是将固定地安装在冲洗板38上的储罐销80伸出使之与转移块62的下孔66接合。然后开动滚珠丝杠40使主筛网26下降到储罐36内。其时液压柱塞72不动地夹持着滑架70。保持筛网34被内部滑架销74部分地保持在淤浆45的上方。
如图15-17所示，拉动主筛网26使它通过淤浆45，拉动速率须使液体能流动通过主筛网26上的孔眼，从而将增强纤维42沉积在主筛网26的表面上以资制造预制品12。当主筛网26被提升时，驱动液压柱塞72向下运动借以将保持筛网34插入到淤浆45内。其时滚珠丝杠40继续提升主筛网26一直到保持筛网安装块60与导杆58接合为止。这时将储罐销80后缩，使冲洗板38与滑架70脱离连接。并再一次伸出外部滑架销68使之与转移块62的上孔64接合。然后驱动液压柱塞72，提起滑架70及主筛网26和保持筛网34。再通过两条平行轨道20使滑架70移动到其原在转台16上方的位置。
再次参阅图1，通过液压柱塞72，滑架70被下降到转台16上。分别使内部的和外部的滑架销74和68后缩便可有效地使滑架与筛网26和34脱离连接。通过液压柱塞72将滑架70提升到通路外。使转台16环绕轴线46转动180°以便从转台16上卸下托架24并使它进入炉子18内或任何其他合适的干燥装置内。随后托架24被转到图上未示出的冷却工位，在那里用风扇抽吸空气使它通过预制品12及筛网26和34。一旦筛网26和34被冷却，就可提出保持筛网34并取出预制品12。预制品12就可合适地进一步进行传统的加工如RTM为的是制成最终的构件。
上面的论述揭示并说明了本发明的示范实施例。本行业的行家很容易从这些论述、附图和权利要求中得到启发，因而能在不偏离下面的权利要求所限定的创新精神和范围的条件下作出各种改变、修改和变化。