制备金字塔点阵芯子的模具及金字塔点阵芯子的制备方法

摘要

制备金字塔点阵芯子的模具及金字塔点阵芯子的制备方法，属于模具模压成型领域。本发明是为了解决现有的金字塔点阵芯材成型质量差，模具操作复杂的问题。本发明包括上模具和下模具；上模具是由多个上模具单胞以阵列的形式排布制成，上模具单胞的上表面向内凹陷形成凹槽，在上模具单胞的凹槽内设置有凸起，凸起的形状与预制备的倒置的金字塔点阵单胞结构形状相同；下模具是由多个下模具单胞以阵列的形式排布制成，下模具单胞的上表面向外凸起形成凸台，在下模具单胞的凸台上开有限位槽，所述的限位槽的结构形状与预制备的金字塔点阵单胞结构形状相同；所述的上模具中的上模具单胞与下模具中的下模具单胞相匹配。本发明主要用于制备金字塔点阵芯子。

权利要求

1.一种制备金字塔点阵芯子的模具，其特征在于：包括上模具（1）和下模具（2）；

所述的上模具（1）是由多个上模具单胞（1‑1）以阵列的形式排布一体制成，所述的上模具单胞（1‑1）的上表面向内凹陷形成凹槽，在上模具单胞（1‑1）的凹槽内设置有凸起，所述的凸起的形状与预制备的倒置的金字塔点阵单胞结构形状相同；

所述的下模具（2）是由多个下模具单胞（2‑1）以阵列的形式排布一体制成，所述的下模具单胞（2‑1）的上表面向外凸起形成凸台，在下模具单胞（2‑1）的凸台上开有限位槽（2‑1‑

1），所述的限位槽（2‑1‑1）的结构形状与预制备的金字塔点阵单胞结构形状相同;所述的上模具（1）中的上模具单胞（1‑1）与下模具（2）中的下模具单胞（2‑1）相匹配；所述的上模具（1）和下模具（2）的材质为硅橡胶；

所述的下模具单胞（2‑1）的横截面为正方形；下模具单胞（2‑1）上的凸台包括一个上平面（2‑1‑3）和四个相同的斜坡面（2‑1‑2），所述的上平面（2‑1‑3）上开有十字花形的凹槽（2‑

1‑1‑2），相邻的两个斜坡面之间形成凸棱，每个斜坡面上开有一个芯杆凹槽（2‑1‑1‑1），四个芯杆凹槽（2‑1‑1‑1）的顶端分别与十字花形的凹槽（2‑1‑1‑2）的一个支槽相连接，四个芯杆凹槽（2‑1‑1‑1）与一个十字花形的凹槽（2‑1‑1‑2）共同组成限位槽（2‑1‑1）。

2.根据权利要求1所述的一种制备金字塔点阵芯子的模具，其特征在于：所述的芯杆凹槽（2‑1‑1‑1）的底端为以等腰直角三角形为尖角的多边形槽体，四个周向设置的下模具单胞（2‑1）之间形成一个凹槽，处于凹槽内的四个芯杆凹槽（2‑1‑1‑1）的底端以等腰直角三角形为尖角的多边形槽体共同组成一个十字花形槽体。

3.一种利用权利要求2所述的模具制备金字塔点阵芯子的方法，其特征在于：具体制备过程如下：步骤1：用丙酮清洗上模具（1）和下模具（2），将脱模剂均匀地涂在上模具（1）的凸起处和下模具（2）的限位槽（2‑1‑1）处，或者将脱模纸均匀地粘贴在上模具（1）的凸起处和下模具（2）的限位槽（2‑1‑1）处；

步骤2：将碳纤维预浸料沿下模具（2）的限位槽（2‑1‑1）进行预铺设；

步骤3：将上模具（1）扣合在铺设有碳纤维预浸料（3）的下模具（2）上并压实，将模具整体封入真空袋中进行密封和抽真空，检查密封袋是否漏气，密封完好则放入热压罐中固化成型，热压温度设定为130℃，压力设定为0.3MPa，保温90分钟；

步骤4：将固化好的金字塔点阵芯体从热压罐中取出，待温度降低到常温，脱去上模具与下模具，得到纤维增强复合材料金字塔点阵芯体。

4.根据权利要求3所述的金字塔点阵芯子的制备方法，其特征在于：所述的碳纤维预浸料的型号为T300预浸料。

5.根据权利要求4所述的金字塔点阵芯子的制备方法，其特征在于：所述的碳纤维预浸料为细长条状的预浸带（3‑1）。

6.根据权利要求5所述的金字塔点阵芯子的制备方法，其特征在于：所述的碳纤维预浸料为网格状的预浸网（3‑2），所述的预浸网（3‑2）的网格为正方形。

说明书

制备金字塔点阵芯子的模具及金字塔点阵芯子的制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于模具模压成型领域，尤其涉及一种制备金字塔点阵芯子的模具及模具的制备方法。

背景技术

[0002] 采用纤维增强材料制备的金字塔点阵夹芯结构具有轻质、高比刚度、高比强度和可设计性强等优点，具有实现集承载与传热、隔热、吸能、储能、阻尼于一体的多功能特性的潜力。目前，制备纤维增强材料金字塔点阵夹芯板的方法有三维编织法、水切割‑组装法、3D打印法、热压模具一次成型法和热压模具二次成型法等，但是上述方法所制备的金字塔点阵芯子均存在一定的问题，具体如下：

[0003] 1、三维编织法：具体流程是首先制备好面板以及预浸料纤维束，随后以面板为基准，在上下面板之间来回穿插预浸料纤维束形成点阵夹芯结构芯子，随后固化成型，从而形成点阵夹芯结构。该方法首次实现了复合材料三维点阵夹芯结构的制备，但是点阵芯杆存在不规则的缺陷，成型时径向不能承受压力。

[0004] 2、水切割‑组装法：该方法的工艺流程是首先采用预浸料制备出复合材料层合板，然后采用水切割技术在层合板上按照预设好的尺寸切割出带有槽口的复合材料点阵结构杆件，最后将切割好的杆件组装成点阵芯体，将点阵芯体与上下面板胶结，即制备出了纤维增强点阵夹芯板。该方法简单易操作，但是复合材料对于切割工艺较敏感，容易出现分层破坏。

[0005] 3、3D打印法：3D打印技术是一种增材制造技术，可以制造各种复杂的、不规则的结构，操作相对简便，目前可以打印金属材料、树脂材料等制成的结构，对于纤维增强复合材料结构，目前短纤维复合材料3D打印较为成熟，但性能较差，长纤维增强复合材料结构的3D打印技术尚不成熟，无法完全发挥点阵结构的结构潜力，且3D打印技术存在台阶效应，会严重影响结构的性能。

[0006] 4、热压模具一次成型法：热压模具一次成型法的流程如下：首先将纤维增强材料的预浸料制作成圆形杆件，并把圆形杆件插入热压模具中预设的位置，以及在热压模具上下面板处分别铺设一部分的纤维增强材料的预浸料，然后将制备好的圆形杆件的两端压至铺设好的预浸料上，最后再铺设一部分的纤维增强预浸料，固化成型，制备出纤维增强复合材料点阵夹芯结构。该方法制备出的点阵夹芯板的面芯性能较好，但是芯杆成型质量不够好，容易分层。

[0007] 5、热压模具二次成型法：热压模具二次成型法指的是面板与芯体单独成型，随后胶结在一起形成夹芯结构的方法，具体流程是：首先将预浸料切割成预设好的预浸料束，随后将切割好的束状预浸料铺在特制的模具上，随后合模，固定，放入热压机或者热压罐中进行固化即完成点阵芯体的制备，同时制备好上下面板，将其与芯体胶结在一起即可制备点阵夹芯板，该方法制备的芯体质量好，但模具复杂，操作困难，效率低下。

[0008] 上述五种方法所制备的金字塔点阵芯子均出现成型质量差、模具操作复杂，效率低的问题。

发明内容

[0009] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种制备金字塔点阵芯子的模具及模具的制备方法。

[0010] 本发明为解决上述技术问题采用的技术方案是：

[0011] 制备金字塔点阵芯子的模具，包括上模具和下模具；所述的上模具是由多个上模具单胞以阵列的形式排布一体制成，所述的上模具单胞的上表面向内凹陷形成凹槽，在上模具单胞的凹槽内设置有凸起，所述的凸起的形状与预制备的倒置的金字塔点阵单胞结构形状相同；所述的下模具是由多个下模具单胞以阵列的形式排布一体制成，所述的下模具单胞的上表面向外凸起形成凸台，在下模具单胞的凸台上开有限位槽，所述的限位槽的结构形状与预制备的金字塔点阵单胞结构形状相同；所述的上模具中的上模具单胞与下模具中的下模具单胞相匹配。

[0012] 金字塔点阵芯子的制备方法，具体制备过程如下：

[0013] 步骤1：用丙酮清洗上模具和下模具，将脱模剂均匀地涂在上模具的凸起处和下模具的限位槽处，或者将脱模纸均匀地粘贴在上模具的凸起处和下模具的限位槽处；

[0014] 步骤2：将碳纤维预浸料沿下模具的限位槽进行预铺设；

[0015] 步骤3：将上模具扣合在铺设有碳纤维预浸料的下模具上并压实，将模具整体封入真空袋中进行密封和抽真空，检查密封袋是否漏气，密封完好则放入热压罐中或者直接放入热压机中固化成型，热压温度设定为130℃，压力设定为0.3MPa，保温90分钟；

[0016] 步骤4：将固化好的金字塔点阵芯体从热压罐或者热压机中取出，待温度降低到常温，脱去上模具与下模具，得到纤维增强复合材料金字塔点阵芯体。

[0017] 本发明与现有技术相比产生的有益效果是：

[0018] 1、模具组成部分少，无需二次组装，易于搬运储藏；

[0019] 2、预浸料铺设方便，模具无需二次固定即可合模；

[0020] 3、以往的金字塔芯子在制备过程中，侧边没有约束，无法对侧边施加压力，仅仅能保证顶面和底面的成型质量，本申请中由于模具上的限位槽槽边限制了预浸料的位置，使得预浸料在固化的过程中侧边也会受到压力，芯杆整体部分受压均匀，成型质量好，不会出现传统热压模具仅有上下方向的压力导致芯子侧面参差不齐的情况，也不会出现预浸料从侧边挤出导致芯子侧面成型质量不好的问题。

附图说明

[0021] 图1为下模具的俯视图；

[0022] 图2为下模具的轴测图；

[0023] 图3为下模具的侧视图；

[0024] 图4为下模具的主视图；

[0025] 图5为下模具单胞的俯视图；

[0026] 图6为下模具单胞的侧视图；

[0027] 图7为下模具单胞的轴测图；

[0028] 图8为上模具的轴测图；

[0029] 图9为上模具的侧视图；

[0030] 图10为上模具的主视图；

[0031] 图11为碳纤维预浸料的两种形式，11a为碳纤维预浸布，11b为预浸带，11c为预浸网；

[0032] 图12为利用模具制备金字塔点阵芯子的制备过程，12a为预浸网置于上模具与下模具之间的状态示意图，12b为金字塔点阵芯子热压过程示意图，12c为固化成形的金字塔点阵芯子；

[0033] 图13为金字塔点阵芯子单胞的结构示意图；

[0034] 图14为模型一的结构示意图；

[0035] 图15为模型二的结构示意图；

[0036] 图16为金字塔点阵芯子单胞的排布示意图；

[0037] 图17为模型三的结构示意图；

[0038] 图18为模型四的结构示意图；

[0039] 图19上模具单胞的轴测图。

具体实施方式

[0040] 下面结合图1至图19并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案：

[0041] 如图11所示，所述的一种制备金字塔点阵芯子的模具，包括上模具1和下模具2；

[0042] 如图8、图9、图10和图19所示，所述的上模具1是由多个上模具单胞1‑1以阵列的形式排布一体制成，所述的上模具单胞1‑1的上表面向内凹陷形成凹槽，在上模具单胞1‑1的凹槽内设置有凸起，所述的凸起的形状与预制备的倒置的金字塔点阵单胞结构形状相同；

[0043] 如图1和图2所示，所述的下模具2是由多个下模具单胞2‑1以阵列的形式排布一体制成，所述的下模具单胞2‑1的上表面向外凸起形成凸台，在下模具单胞2‑1的凸台上开有限位槽2‑1‑1，所述的限位槽2‑1‑1的结构形状与预制备的金字塔点阵单胞结构形状相同；

[0044] 所述的上模具1中的上模具单胞1‑1与下模具2中的下模具单胞2‑1数量相同，且相匹配；通过在限位槽内铺设预浸料预浸料的宽度与限位槽的宽度相同并由上模具单胞上的凸起压紧，对预浸料的上面、下面、左面与右面均产生限制，使得预浸料在固化的过程中全方位均受到压力，芯子的侧边成型质量好，不会出现传统热压模具仅有上、下方向的压力导致芯子侧面参差不齐的情况，也不会出现预浸料从侧边挤出导致芯子侧面成型质量不好的问题。

[0045] 所述的下模具单胞2‑1的横截面为正方形；下模具单胞2‑1上的凸台包括一个上平面2‑1‑3和四个相同的斜坡面2‑1‑2，所述的上平面2‑1‑3上开有十字花形的凹槽2‑1‑1‑2，相邻的两个斜坡面之间形成凸棱，每个斜坡面上开有一个芯杆凹槽2‑1‑1‑1，所述的芯杆凹槽2‑1‑1‑1的倾斜度与斜坡面的倾斜度相同，方便预浸料的铺设，四个芯杆凹槽2‑1‑1‑1的顶端分别与十字花形的凹槽2‑1‑1‑2的一个支槽相连接，四个芯杆凹槽2‑1‑1‑1与一个十字花形的凹槽2‑1‑1‑2共同组成限位槽2‑1‑1。

[0046] 如图5、图6和图7所示，所述的芯杆凹槽2‑1‑1‑1的底端为等腰直角三角形槽体，四个周向设置的下模具单胞2‑1之间形成一个凹槽，处于凹槽内的四个芯杆凹槽2‑1‑1‑1底端的等腰直角三角形槽体共同组成一个十字花形槽体。

[0047] 本实施方式中，所述的上模具1和下模具2的材质为硅橡胶，采用硅橡胶材质的模具制备金字塔点阵芯子过程中，利用硅橡胶模具的膨胀压力对预浸料进行挤压成型，预浸带所受压力均匀，成型出来的金字塔点阵芯子质量更加优异；

[0048] 如采用高温硅橡胶制造模具的话，则需要在建模软件中对于模具进行抽壳处理，设计出制造该模具所需要的模具，随后采用PVC树脂通过3D打印的方式将其打印出来，调和好所需要的液体状的高温硅胶，灌入打印出来的模具中，在室温中固化48小时左右，然后脱模即可得到高温硅橡胶制造的该模具；高温硅胶模具重量较轻，制造较为容易，成本也较低，但是重复使用率低，使用损耗大，常用的硅橡胶极限耐受温度仅为300℃左右，对于一些需要高温才能固化的材料如基体为PEEK的热塑性复合材料难以适用。

[0049] 本实施方式中，所述的上模具1和下模具2的材质为合金材料；如采用合金材料制造则采用切削的加工方式，选定金字塔结构单胞后设计出模具单胞，确定好详细尺寸后分别加工出上模具与下模具；采用合金材料制造的模具耐高温、耐高压、使用损耗小、可以长时间重复使用，但是存在重量大、材料成本高、制造困难等问题。

[0050] 本实施方式中，所述的上模具1和下模具2的材质为高温尼龙；如采用高温尼龙制备模具的话，则可采用耐高温、耐压的高性能尼龙材料将该模具直接3D打印出来；高性能尼龙模具制造最为容易，重量远低于前两种模具，但是材料成本极高，且耐受温度低，仅有175℃，耐受压力仅为0.45Mpa，适用于一些低模量的热固性复合材料成型固化。

[0051] 因此，根据需求制备出相应的模具。

[0052] 所述的下模具单胞的模型是通过以下方式获得的，具体获得过程如下：

[0053] 步骤1：确定好预制备的金字塔点阵夹芯结构的单胞尺寸，如图13所示的金字塔点阵芯子单胞；

[0054] 步骤2：为了设计出下模具单胞上的限位槽，以方便铺设预浸料，将金字塔点阵芯子单胞下方的空间填充上，获得模型一，使金字塔点阵芯子单胞本身成为凸起部分，如下图14所示；

[0055] 步骤3：采用布尔运算，将步骤2所获得的模型一从一个底面相同的立方体中去除，即可得到含有与金字塔点阵芯子单胞结构形状相同的凹槽的模型二，如图15所示；

[0056] 步骤4：因金字塔点阵芯子单胞的芯杆是分别平行于x轴与z轴的，但单胞本身的排列方向并不是沿着芯杆的，而是与芯杆成45°方向排列，如图16所示，为了保证金字塔点阵芯子单胞组成金字塔点阵芯子后不出现空隙，原金字塔点阵芯子单胞的底部平台在与其相邻的原金字塔点阵芯子单胞结合时会出现重叠现象，因此金字塔点阵芯子单胞的芯杆底部平台设计为以等腰直角三角形为尖角的多边形；

[0057] 步骤5：根据几何关系可以发现，等腰直角三角形的顶点是原金字塔点阵芯子单胞结构底部平台的边缘的中点，为了保证下模具单胞的限位槽能够在排列组合后组成金字塔点阵芯子，依次连接步骤3中所获得的模型二的四个芯杆凹槽顶端边缘的中点，并以所形成的正方形为底面，切除其他多余部分，最终得到所需的模型三，如图17所示；

[0058] 步骤6：将模型三采用阵列的形式排布，获得模型四，如图18所示，由于模型四整体结构为凹陷，深陷进去的凹槽不方便铺设预浸料，因此切去模型四边缘凹陷的部分，将凸起的部分作为金字塔点阵芯子的下模具；

[0059] 步骤7：将下模具与一个底面相同的立方体进行布尔运算，即可得到扣合用的上模具。

[0060] 所述的一种金字塔点阵芯子的制备方法，具体制备过程如下(如图11)所示：

[0061] 步骤1：用丙酮清洗上模具1和下模具2，将脱模剂均匀地涂在上模具1的凸起处和下模具2的限位槽2‑1‑1处，或者将脱模纸均匀地粘贴在上模具1的凸起处和下模具2的限位槽2‑1‑1处；

[0062] 步骤2：将碳纤维预浸料沿下模具2的限位槽2‑1‑1进行预铺设；

[0063] 步骤3：将上模具1扣合在铺设有碳纤维预浸料3的下模具2上并压实，将模具整体封入真空袋中进行密封和抽真空，检查密封袋是否漏气，密封完好则放入热压罐中或者直接放入热压机中固化成型，热压温度设定为130℃，压力设定为0.3MPa，保温90分钟；

[0064] 步骤4：将固化好的金字塔点阵芯体从热压罐或者热压机中取出，待温度降低到常温，脱去上模具与下模具，得到纤维增强复合材料金字塔点阵芯体。

[0065] 采用本发明中的模具制备金字塔点阵芯子，工艺方便，材料利用率高。

[0066] 本实施方式中，所述的碳纤维预浸料的型号为T300预浸料，为长纤维预浸料，制备过程连续，因此制备出的金字塔点阵芯子质量好、刚度大、承载能力强和强度高。

[0067] 本实施方式中，所述的碳纤维预浸料为细长条状的预浸带3‑1，所述的预浸带3‑1的宽度与限位槽的宽度相同。

[0068] 本实施方式中，为了增加金字塔点阵芯子的载荷能力，所述的碳纤维预浸料为网格状的预浸网3‑2，所述的预浸网3‑2的网格为正方形，所述的预浸网上的每根预浸带的宽度与限位槽的宽度相同；通过网格状的预浸网所述获得的金字塔点阵芯子的结构为一体化构件，无内应力，使用效果好，承载能力强。