本PCT專利申請要求于2014年5月16日提交的標題為“METHOD AND SYSTEM FOR MANUFACTURlNG A COMPOSITE TUBE NODE(用于制造復合管接頭的方法和系統(tǒng))”、序列號為61/994,463的臨時專利申請的權益，該申請的全部內(nèi)容被視作本申請的內(nèi)容的一部分并由此通過參引并入本文中。

技術領域

本發(fā)明涉及用于形成具有大致管狀結構的框架的方法和系統(tǒng)。更具體地，本發(fā)明涉及用于形成用在包括自行車和摩托車的車輛應用中的復合接頭和一體的復合管的方法和系統(tǒng)。

背景技術：

自行車和摩托車通?；诎ń饘俟軤顦嫾目蚣軜嬙於?，這些金屬管狀構件焊接在一起或利用凸緣或其它連接件來接合?？蚣芸梢园ǜ鞣N其他元件，比如例如用于保持前叉并允許其樞轉的頭管和用于接納座桿的座管等?？蚣芨浇佑衅渌到y(tǒng)和組件，比如例如懸架系統(tǒng)、制動組件、電氣系統(tǒng)、摩托車燃料箱等。此外，框架提供剛性、消除振動，并且在碰撞事故中保護其他系統(tǒng)等。

復合材料也被用在自行車和摩托車框架的構造中。管由纖維增強樹脂材料制造而成并且通常利用模制的且與正被接合的管結合的連接件元件來接合在一起。作為幾個具體且非限制性示例，可以使用鑄鋁或增強的塑料殼。不幸的是，這種組裝方法緩慢且昂貴、需要額外的工具作業(yè)，并且會導致相對脆弱的連接，因為連接件元件通常必須被拆分開以越過管。此外，以這種方式連接管導致在所得到的接頭中產(chǎn)生臺階，這是缺乏美感的。

在不同的方法中，整個復合框架可以被制造為單個部件。該方法包括通過下述方式來將管狀結構構件接合在一起：通過如US 4,900,048中所描述的鋪設若干層含碳纖維的環(huán)氧樹脂帶，或者如US 6,340,509中所描述的使用具有適當?shù)膬?nèi)部加壓囊狀部的復雜模具以使預浸坯件成形為期望的形狀。不幸的是，上述方法是勞力密集的，需要復雜且專業(yè)的工具作業(yè)，并且不適合于某些應用。

因此，克服至少一些上述限制和缺點將是有益的。

技術實現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的至少一個實施方式的方面，所公開的方法包括：將多部件型芯設置于限定在模具的相對的成形表面之間的型腔內(nèi)，該多部件型芯中的每個部件包括第一部分和第二部分，其中，第一部分定尺寸成與模具的成形表面形成密封，第二部分定尺寸成在多部件型芯與模具的成形表面之間限定出一空間；在第一模制步驟中形成復合接頭元件，包括在多部件型芯中的每個部件與模具的成形表面之間的空間內(nèi)提供復合材料，以及在多部件型芯放置就位時使復合材料固化；將多部件型芯中的每個部件抽離已成形的接頭元件，其中，將每個部件抽離致使該接頭元件的開口露出；組裝管框架，包括在接頭元件位于模具內(nèi)時將管骨架插入到該接頭元件的開口中，每個管骨架包括泡沫芯，該泡沫芯對沿著該泡沫芯的長度延伸的含纖維織物的管狀覆蓋部進行支承；以及在第二模制步驟中在各管骨架中的每一者上形成復合管元件，包括將樹脂材料注入到模具型腔中，使得該樹脂材料經(jīng)由開口滲透穿過含纖維織物并且滲透到接頭元件的內(nèi)部，從而將已成形的管元件連接至該接頭元件。

根據(jù)本發(fā)明的至少一個實施方式的方面，所公開的方法包括：將型芯組件設置在由模具的成形表面界定的模具型腔內(nèi)；閉合模具，使得型芯組件的第一部分相對于該模具的成形表面形成密封，并且使得在型芯的第二部分與該模具的成形表面之間限定出具有接頭元件的形狀的連續(xù)體積；將復合材料注入到模具型腔中以填充該連續(xù)體積；使注入的復合材料固化以形成接頭元件；將型芯組件分段移除，其中，將每個型芯部段移除致使該接頭元件的開口露出；將管骨架插入到接頭元件的開口中，每個管骨架包括支承在泡沫芯上的玻璃織物材料或碳織物材料；以及將樹脂材料注入到模具型腔中，使得該樹脂材料經(jīng)由開口滲透穿過玻璃織物材料或碳織物材料并且滲透到接頭元件的內(nèi)部；以及使注入的樹脂材料固化，從而形成接合至接頭元件的管元件。

根據(jù)本發(fā)明的至少一個實施方式的方面，所公開的系統(tǒng)包括：模具，該模具具有在該模具處于閉合狀態(tài)時限定出模具型腔的相對的成形表面，所述相對的成形表面包括第一特征部和第二特征部，其中，第一特征部用于形成接頭元件的外表面，第二特征部用于形成多個管元件中的每一者的外表面的第一部分；多部件型芯，該多部件型芯由彈性材料制造而成并且包括第一部分和第二部分，其中，所述第一部分定尺寸成用于相對于模具的成形表面的第二特征部形成密封，所述第二部分定尺寸成限定出位于多部件型芯與模具的成形表面的第一特征部之間的連續(xù)體積，該連續(xù)體積具有接頭元件的形狀；以及多個管骨架，所述多個管骨架中的每一者包括由含纖維織物材料包圍的泡沫芯，并且每個管骨架至少在其一個端部處定尺寸成與多部件型芯的第二部分的尺寸基本相同。

根據(jù)本發(fā)明的至少一個實施方式的方面，所公開的系統(tǒng)包括：第一模具，所述第一模具具有在所述第一模具處于閉合狀態(tài)時限定第一模具型腔的相對的成形表面，所述第一模具的所述相對的成形表面包括第一特征部和第二特征部，其中，所述第一特征部用于形成接頭元件的外表面，所述第二特征部用于形成多個管元件中的每一者的外表面的第一部分；多部件型芯，該多部件型芯成形為限定出位于該多部件型芯與模具的成形表面的第一特征部之間的連續(xù)體積，該連續(xù)體積具有接頭元件的形狀；多個第二模具，每個第二模具能夠以可釋放的方式安裝至第一模具并且具有包括第三特征部的相對的成形表面，所述第三特征部用于形成多個管元件中的相應一個管元件的外表面的第二部分；以及多個管骨架，每個管骨架定尺寸成接合接頭元件的內(nèi)表面以遠離接頭元件延伸出第一模具，并且延伸到多個第二模具中的相應的第二模具中，其中，多個管元件中的每個管元件的外表面的第一部分和第二部分在單個模制步驟中形成。

附圖說明

現(xiàn)在將僅作為示例并參照附圖來描述本發(fā)明，其中，貫穿若干視圖，相同的附圖標記表示相似的元件。應當理解的是，附圖不一定按比例繪制。在某些情況下，已經(jīng)省略了對于理解本公開不必要的或使其他細節(jié)難以理解的細節(jié)。

圖1A是示出了位于第一模具的模具型腔內(nèi)的多部件型芯的簡化立體圖。

圖1B是沿圖1A中的線A-A截取的截面圖。

圖2A是示出了所制造的復合接頭元件的簡化立體圖，其中，圖1A的多部件型芯放置就位。

圖2B是沿圖2A中的線B-B截取的截面圖。

圖3A是示出了在移除圖1A的多部件型芯之后被插入到復合接頭元件的開口中的多個管骨架的簡化立體圖。

圖3B是沿圖3A中的線C-C截取的截面圖。

圖4A是示出了以可釋放的方式安裝至圖1A的第一模具的多個第二模具的簡化立體圖。

圖4B是沿圖4A中的線D-D截取的截面圖。

圖5A是示出了帶有一體地形成的復合管部段的成品復合管接頭的簡化立體圖。

圖5B是沿圖5A中的線E-E截取的截面圖。

圖6是根據(jù)本發(fā)明的實施方式的方法的簡化流程圖。

圖7是根據(jù)本發(fā)明的實施方式的另一方法的簡化流程圖。

具體實施方式

提供以下描述以使本領域技術人員能夠實現(xiàn)和使用本發(fā)明，并且以下描述是在特定應用及其要求的語境下提供的。對所公開的實施方式的各種改型對于本領域技術人員而言將是明顯的，并且在不背離本發(fā)明的范圍的情況下，本文所限定的一般原理可以應用于其他實施方式和應用。因此，本發(fā)明無意于局限于所公開的實施方式，而是能得到與本文公開的原理和特征一致的最寬范圍。

圖1A是示出了設置在第一模具102的模具型腔內(nèi)的多部件型芯100的簡化立體圖，該模具型腔限定在上模具部件102A和下模具部件102B的相對的成形表面之間。在圖1A中示出的具體且非限制性的示例中，多部件型芯100包括三個型芯部件或部段100A、100B和100C。模具102還包括外部工具定位特征部104，該外部工具定位特征部104用于使與模具102相鄰的另外的模具(圖1A中未示出)定位和固定，如在以下部分中更詳細地論述的。此外，模具102包括用于在模制步驟期間使復合材料在模具內(nèi)熱固化的內(nèi)部加熱元件(未示出)?？蛇x地，多部件型芯100的部件100A、100B和100C銷接在一起或利用未示出的緊固件以其它方式暫時地接合，以便于將多部件型芯100放置到模具型腔中。

現(xiàn)在參照圖1B，所示出的是沿圖1A中的線A-A截取的截面圖。型芯部件100A被示出為設置在模具型腔106內(nèi)，該模具型腔106限定在上模具部件102A的成形表面108A與下模具部件102B的相對的成形表面108B之間。如圖1B中所示，型芯部件100A具有第一部分110、第二部分112和第三部分116，其中，第一部分110定尺寸成用于將模具102的成形表面108A和108B密封；第二部分112定尺寸成在型芯部件100A與模具102B的成形表面108A和108B之間限定一空間114，第三部分116接合第一部分110和第二部分112。更具體地，第三部分116限定出位于第一部分110與第二部分112之間的漸縮型芯表面118。如將在以下部分中論述的，漸縮型芯表面118用于形成在接頭元件的相應的開口處的內(nèi)傾斜表面。

如圖1A中所示，三個型芯部件100A、100B和100C中的每個型芯部件均包括第一部分、第二部分和第三部分(圖1A中未標出)。限定在每個型芯部件100A、100B和100C的第二部分與模具的成形表面108A和108B之間的空間總體上限定了具有接頭元件的形狀的連續(xù)體積。在該簡化的示例中，型芯部件100A、100B和100C中的每個型芯部件在與相應型芯部件的長度垂直的平面中具有圓形形狀的橫截面。因此，在型芯部件100A、100B和100C中的每個型芯部件的第二部分與模具102的成形表面108A和108B之間限定有大致環(huán)形的空間。可選地，至少一個型芯部件在與所述至少一個型芯部件的長度垂直的平面中具有非圓形形狀的橫截面。

圖2A是示出了已經(jīng)在模具102中制造出的復合接頭元件200的簡化立體圖，其中，圖1A的多部件型芯100放置就位。更具體地，復合材料放置在限定在型芯部件100A、100B和100C中的每一者的第二部分與模具102的成形表面108A和108B之間的連續(xù)體積內(nèi)。復合材料基本充滿多部件型芯100與模具102的成形表面之間的體積并且延伸至型芯部件100A、100B和100C中的每一者的漸縮型芯表面118。隨后，利用模具102的內(nèi)部加熱元件(未示出)使復合材料熱固化，從而形成接頭元件200。

現(xiàn)在參照圖2B，所示出的是沿圖2A中的線B-B截取的截面圖。接頭元件200被示出為分別位于上模具部件102A和下模具部件102B與型芯部件100A之間。更具體地，接頭元件200是圍繞型芯部件100A模制的，使得型芯部件100A形成接頭200的開口。此外，型芯部件100A的漸縮型芯表面118在接頭200的開口處形成傾斜的內(nèi)表面202。

作為具體且非限制性的示例，含有例如以玻璃纖維或碳纖維填充的聚氨酯或環(huán)氧樹脂的復合材料經(jīng)由樹脂注入口(未示出)注入到體積中。該具體示例中的纖維相對較短，比如例如0.2mm至4mm。繼續(xù)注入復合材料，直到體積被基本填滿為止。在該示例中，多部件型芯100可選地由具有較高熱膨脹系數(shù)的硅橡膠或另一材料制造而成。在熱固化步驟期間，型芯材料膨脹并將復合材料壓靠在模具102的成形表面上。替代性地，多部件型芯100由具有較低熱膨脹系數(shù)的碳復合材料、鋼、鋁或其他適合的材料制造而成。在這種情況下，在足夠高的壓力下注入復合材料，以確保復合材料被壓靠在模具102的成形表面上。

作為另一具體且非限制性的示例，在環(huán)氧樹脂基體材料中包括玻璃纖維或碳纖維的預浸材料包繞在型芯部件100A、100B和100C的第二部分周圍。當多部件型芯100放置在模具102中并且模具102閉合時，預浸材料將具有接頭元件的形狀的體積基本填滿。在該示例中，多部件型芯100由具有較高的熱膨脹系數(shù)的硅橡膠或另一材料制成。在熱固化步驟期間，型芯材料膨脹并將預浸材料壓靠在模具102的成形表面上。

在執(zhí)行熱固化步驟之后，并且在已成形的接頭元件200仍然位于模具102中的情況下，將型芯部件100A、100B和100C抽離已成形的接頭元件200。移除型芯部件100A、100B和100C使接頭元件200的相應開口露出，接頭元件200的相應開口經(jīng)由接頭元件200的開放內(nèi)部結構彼此連通。圖3A是示出了在移除圖1A的多部件型芯100之后被插入到復合接頭元件200的開口中的多個管骨架300A、300B和300C的簡化立體圖。

現(xiàn)在參照圖3B，所示出的是沿圖3A中的線C-C截取的截面圖。圖3B中的被視作管骨架300A、300B和300C的代表的管骨架300A包括對編織的或非織造的碳織物材料或玻璃織物材料304進行支承的泡沫芯302。泡沫芯302具有第一部分306、第二部分308和第三部分310，其中，第一部分306的尺寸大于第二部分308的尺寸，第三部分310接合第一部分306和第二部分308并限定出漸縮型芯表面312。當管骨架300A插入到接頭元件200的開口中時，如圖3B中所示，織物材料304占據(jù)泡沫芯302與接頭元件200的內(nèi)表面之間或泡沫芯302與模具102的成形表面108A和108B之間的空間。泡沫芯302的漸縮型芯表面312與接頭元件200的開口處的內(nèi)傾斜表面202互補。如將對本領域普通技術人員而言明顯的，漸縮型芯表面312和內(nèi)傾斜表面202有利于使管元件與接頭元件接合并且在接縫處沒有材料臺階。

圖4A是示出了以可釋放的方式安裝至圖1A的第一模具102的多個第二模具400A、400B和400C的簡化立體圖。特別地，每個第二模具400A、400B和400C包括用于與模具102的工具定位特征部104之一互鎖的工具定位特征部(未標出)。每個第二模具400具有限定在其相對的成形表面之間的模具型腔，當處于圖4A中示出的組裝狀態(tài)時，每個第二模具400A、400B和400C的模具型腔與模具102的模具型腔106的一部分對準。圖4A中還示出了多個管骨架300A、300B和300C，管骨架300A、300B和300C中的每一者均延伸出模具102的模具型腔106并延伸到第二模具400A、400B和400C中的相鄰一者的模具型腔中。在第一模制步驟中形成接頭元件200之后，利用圖4A中示出的模具組件在第二模制步驟中形成復合管元件。

第二模制步驟包括經(jīng)由第二模具400A的樹脂注入口402注入樹脂。樹脂在足以使樹脂滲透穿過支承在管骨架300A的泡沫芯302上的織物材料304的壓力下注入。樹脂繼續(xù)滲透穿過織物材料304，穿過接頭元件200的內(nèi)部，隨后滲透穿過由管骨架300B和300C中的每一者的泡沫芯302支承的織物材料304。第二模具400B和400C的真空/通氣口404有助于使所注入的樹脂移動穿過模具組件。例如，經(jīng)由真空/通氣口404施加真空，以便將樹脂抽吸穿過織物材料304并將樹脂抽出第二模具400B和400C。所注入的樹脂隨后被熱固化并與接頭元件200結合，從而形成一體的接頭/管組件。

參照圖4B，所示出的是沿圖4A中的線D-D截取的截面圖。具體地，圖4B示出了已滲透穿過織物材料304并且僅滲透至豎向虛線的所注入的樹脂材料406。樹脂材料406已經(jīng)前進經(jīng)過接頭元件202的開口處的內(nèi)斜面202，并且已經(jīng)進入到接頭元件200的內(nèi)部。當經(jīng)由樹脂源402注入額外的樹脂材料406時，樹脂材料406將繼續(xù)滲透穿過織物材料304，進一步前進穿過接頭元件200的內(nèi)部并最終被抽吸穿過第二模具400B和400C。如上所述，所注入的樹脂材料隨后被熱固化以形成一體的接頭/管組件。

圖5A示出了在已從圖4A的模具組件中移出的一體的接頭/管組件500。圖5B是沿圖5A中的線E-E截取的截面圖。如圖5B中最清楚地示出的，復合管元件502A和接頭元件200通過無臺階接縫504接合，并且復合管元件502A延伸穿過接頭元件200的開口并延伸到接頭元件200的內(nèi)部。在如圖5B中所示的具體且非限制性示例中，在第二模制步驟之后，泡沫芯302保留在復合管元件502A內(nèi)。可選地，例如通過利用適合的溶劑液體將泡沫芯302移除。

參照圖1A至圖5A和圖1B至圖5B描述的系統(tǒng)和方法利用第一模具形成接頭元件200以及復合管元件502A、502B和502C中的每一者的一部分。這種方法減少了所需的工具作業(yè)，產(chǎn)生了更堅固的部件并減少了后處理步驟(即，不需要粘合劑、允許更少的邊緣修整及減少了配合問題等)。以可釋放的方式安裝的第二模具的使用允許在不需要多個工具套件、配件等的情況下制造大且復雜的管/接頭組件。

現(xiàn)在參照圖6，所示出的是根據(jù)本發(fā)明的實施方式的方法的簡化流程圖。在600處，在模具腔體內(nèi)設置多部件型芯，該模具型腔限定在模具的相對的成形表面之間。如在前面的段落中所論述的，多部件型芯的每個部件均包括第一部分和第二部分，其中，第一部分定尺寸成與模具的成形表面形成密封，第二部分定尺寸成在多部件型芯與模具的成形表面之間限定一空間。多部件型芯的各個部件可選地銷接在一起以防止在將多部件型芯被放置到模具型腔中時各個部件發(fā)生分離?？蛇x地，多部件型芯由具有相對較高的熱膨脹系數(shù)的材料(例如硅橡膠)或由具有相對較低的熱膨脹系數(shù)的材料(例如碳復合材料)制造而成。

在602處，在第一模制步驟中，在多部件型芯的各部件與模具的成形表面之間的空間內(nèi)形成復合接頭元件。更具體地，在多部件型芯放置就位時，在空間內(nèi)提供復合材料并且施加熱量和壓力以固化復合材料。可選地，復合材料以被注入到空間中的填充有玻璃或碳的聚氨酯或環(huán)氧樹脂的形式提供，在這種情況下，玻璃纖維或碳纖維相對較短(例如0.1mm至4mm)。替代性地，復合材料以預浸材料的形式提供，在將多部件型芯設置在模具型腔中之前該預浸材料被包繞在多部件型芯周圍，在這種情況下，玻璃纖維或碳纖維相對較長(大于4mm)。當以預浸材料的形式提供復合材料時，則型芯應當由在加熱時膨脹的量足以使預浸材料壓靠在模具的成形表面上的硅橡膠或另一材料來制造。

在604處，將多部件型芯的每個部件抽離已成形的接頭元件，從而使接頭元件的開口露出。接頭元件的開口經(jīng)由該接頭元件的開放內(nèi)部結構彼此連通，這是在第一模制步驟期間型芯存在于模具型腔內(nèi)的結果。在606處，組裝管框架，包括：在接頭元件仍在模具內(nèi)時將管骨架插入到接頭元件的開口中。特別地，每個管骨架包括泡沫芯，該泡沫芯對沿著泡沫芯的長度延伸的含纖維織物的管狀覆蓋部進行支承。在608處，在第二模制步驟中，在管骨架中的每個管骨架上形成復合管元件，包括：將樹脂材料注入到模具型腔中，使得樹脂材料經(jīng)由開口滲透穿過含纖維織物并且滲透到接頭元件的內(nèi)部。注入的樹脂材料被熱固化，從而將已成形的管元件接合至接頭元件以形成一體的接頭/管組件。

現(xiàn)在參照圖7，所示出的是根據(jù)本發(fā)明的實施方式的方法的簡化流程圖。在700處，在由模具的成形表面界定的模具型腔內(nèi)設置型芯組件。特別地，型芯組件是多部件型芯。型芯組件包括第一部分和第二部分，其中，第一部分定尺寸成與模具的成形表面形成密封，第二部分定尺寸成在多部件型芯與模具的成形表面之間限定一空間。多部件型芯的各個部分可選地銷接在一起以防止它們在多部件型芯被放置到模具型腔中時發(fā)生分離。可選地，多部件型芯由具有相對較高的熱膨脹系數(shù)的材料(例如硅橡膠)或由具有相對較低的熱膨脹系數(shù)的材料(例如碳)制造而成。

在702處，將模具閉合，使得型芯組件的第一部分相對于模具的成形表面形成密封，并且使得在型芯的第二部分與模具的成形表面之間限定有具有接頭元件的形狀的連續(xù)體積。在704處，將復合材料注入到模具型腔中以填充連續(xù)體積。例如，復合材料是填充有玻璃纖維或碳纖維的聚氨酯或環(huán)氧樹脂。在706處，使注入的復合材料固化，從而形成接頭元件。在708處，將型芯組件分段地移除，其中，每個型芯部段的移除使得接頭元件的開口露出。在710處，將管骨架插入到接頭元件的開口中，每個管骨架包括支承在泡沫芯上的玻璃織物材料或碳織物材料。在712處，樹脂材料被注入到模具型腔中，使得樹脂材料經(jīng)由開口滲透穿過玻璃織物材料或碳織物材料并且滲透到接頭元件的內(nèi)部。在714處，使注入的樹脂材料固化，從而形成接合至接頭元件的管元件。

盡管以上描述構成了本發(fā)明的多個實施方式，但是應當領會的是，在不脫離所附權利要求的公正含義的情況下，易于對本發(fā)明做出進一步的修改和改變。