自行車的碳纖維材料的成型方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種碳纖維材料的成型方法，特別是涉及一種適用于制作自行車構(gòu)件且使用支撐芯材進行成型的自行車的碳纖維材料的成型方法。
【背景技術(shù)】
[0002]由于碳纖維具有重量輕、質(zhì)地堅硬且耐腐蝕等特性，而廣泛被用于制造要求高強度與高耐用性的支架產(chǎn)品，例如，自行車車架、航天機械零件、羽網(wǎng)球拍、釣竿、高爾夫球頭或球桿、棒球棍、模型飛機、模型玩具、電子產(chǎn)品外殼、曲棍球桿、滑雪桿及汽車框架等產(chǎn)品。
[0003]其中，如果要將碳纖維材料成型為管狀的支架產(chǎn)品時，在成型制程中必須提供支撐芯材供碳纖維預(yù)浸布貼合，貼合后放入模具中加溫加壓處理使碳纖維預(yù)浸布硬化成型后，再將支撐芯材取出，就能獲得碳纖維管件產(chǎn)品。現(xiàn)有的碳纖維材料的成型制程所采用的工法有兩種，一種是以尼龍氣袋輔助充氣成型，另一種則是以聚氨酯(polyurethane，簡稱為PU)發(fā)泡材或是以發(fā)泡性聚苯乙烯(保麗龍，Expandable Polystyrene,簡稱EPS)作為支撐芯材，再于該支撐芯材內(nèi)提供氣袋輔助充氣成型。
[0004]參閱圖1，以尼龍氣袋輔助充氣成型的工法，當(dāng)將氣袋11置入貼合好的碳纖維材料的預(yù)成型體12中，并在其置入一成型模具(圖未示)中配合加壓成型步驟對該氣袋11充氣以使其撐張定位該碳纖維預(yù)浸布貼合而成的預(yù)成型體12時，由于氣袋11無法完全撐開而容易在其膜壁上形成皺褶，并導(dǎo)致所成型的碳纖維產(chǎn)品的內(nèi)壁面也產(chǎn)生皺褶結(jié)構(gòu)，皺褶處容易應(yīng)力集中，并對碳纖維產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強度產(chǎn)生不良影響，且充氣時可能發(fā)生因充氣量過高或是氣袋11本身的結(jié)構(gòu)瑕疵導(dǎo)致該氣袋11產(chǎn)生破裂的情況，如此會造成要成型的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強度不均勻。此外，當(dāng)所要成型的產(chǎn)品形狀有較多的彎折或分支結(jié)構(gòu)時，由于氣袋11不易任意延伸到所有的彎折或分支結(jié)構(gòu)處對該碳纖維材料提供撐張作用，而無法一體式成型地制出產(chǎn)品，必須將原本預(yù)定要成型的產(chǎn)品拆成數(shù)個組件，分別成型后再將其組合在一起，不但花費較多工時也會增加材料與模具成本。
[0005]為了解決上述工法容易造成皺折的問題，現(xiàn)有的另一種工法是在如圖1所示的該預(yù)成型體12與該氣袋11之間設(shè)置支撐芯材，避免該氣袋11表面的皺褶對碳纖維產(chǎn)品的成型品質(zhì)產(chǎn)生不良影響。參閱圖2，為以PU發(fā)泡材作為支撐芯材13經(jīng)加壓成型處理后制出一碳纖維成型體14的情形，其中，設(shè)置在該支撐芯材13內(nèi)的氣袋已于成型完成后取出，故圖中未顯示，利用PU發(fā)泡材成型出的支撐芯材13的光滑表面能解決在該成型體14的內(nèi)壁面造成皺褶的問題。然而，此種工法在成型完成后，要將該成型體14中的支撐芯材13取出時，由于該成型體14不一定是筆直的單一口徑的型式，且依設(shè)定需求往往設(shè)有分支結(jié)構(gòu)(例如，T型管)或成型為彎管型式，導(dǎo)致發(fā)泡材支撐芯材13無法完整地被取出，必須利用切、削或其他方式使其斷裂為多個碎片后，再將該碎片一一取出，因此，要獲得已完全移除該支撐芯材13的成型體14成品需要花費較多的制程時間。
[0006]而利用發(fā)泡性聚苯乙烯成型出的支撐芯材，雖然同樣能夠避免使用氣袋11在該成型體14的內(nèi)壁面造成皺褶的問題，但聚苯乙烯發(fā)泡后所形成的支撐芯材(圖未示)表面容易不平整，導(dǎo)致成型的碳纖維產(chǎn)品的內(nèi)壁面也不平整，同樣會產(chǎn)生容易應(yīng)力集中、影響碳纖維產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強度的問題，除此之外，利用發(fā)泡性聚苯乙烯成型出的支撐芯材容易與所成型的碳纖維產(chǎn)品的內(nèi)壁面黏合，不易完整地被取出，因此，制作加工時同樣必須花費較多的制程時間。
[0007]此外，不管是尼龍氣袋輔助充氣成型的工法，或是以發(fā)泡材或以發(fā)泡性聚苯乙烯作為支撐芯材13配合氣袋成型的工法，由于氣袋的型式以及PU發(fā)泡材與發(fā)泡性聚苯乙烯的材質(zhì)特性，導(dǎo)致其無法像剛性材料一樣保持完全不變的形狀，只能以接近最終的產(chǎn)品的概略形狀結(jié)構(gòu)作為支撐結(jié)構(gòu)，以供碳纖維預(yù)浸布貼覆，并于加壓成型過程中從內(nèi)部施壓使碳纖維預(yù)浸布緊密貼靠于成型模具內(nèi)部，以順應(yīng)成型模具的形狀成型為最終產(chǎn)品。因此，在氣袋、PU發(fā)泡材的支撐芯材13，或發(fā)泡性聚苯乙烯的支撐芯材上貼覆碳纖維預(yù)浸布時，并無法掌握最終產(chǎn)品的精確形狀，但是，為了避免最終產(chǎn)品的某些部位(例如，轉(zhuǎn)角處或分支結(jié)構(gòu)處)的局部位置產(chǎn)生厚度變薄甚至形成孔洞的不良情形，在貼覆時往往要增加碳纖維預(yù)浸布之間重疊部分的面積，并增加重疊的層數(shù)，而需要使用較多的碳纖維預(yù)浸布，導(dǎo)致材料成本增加。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種容易一體成型、成型后的產(chǎn)品內(nèi)壁面不易形成皺褶結(jié)構(gòu)且成型后的支撐芯材容易取出的自行車的碳纖維材料的成型方法。
[0009]本發(fā)明自行車的碳纖維材料的成型方法，其包含下列步驟:
[0010]步驟一、提供一個聚乙烯醇成型芯材，該聚乙烯醇成型芯材是將聚乙烯醇加熱至其熔點以上的溫度，再經(jīng)成型與冷卻后制得；
[0011]步驟二、使碳纖維預(yù)浸布包覆貼合于該成型芯材的整個外表面，以形成一個預(yù)成型體；
[0012]步驟三、對該預(yù)成型體加熱加壓，使碳纖維預(yù)浸布硬化定型，并使該預(yù)成型體成型為一個碳纖維成型體；及
[0013]步驟四、將具有該成型芯材的碳纖維成型體浸置于水中使該成型芯材溶解。
[0014]本發(fā)明所述的自行車的碳纖維材料的成型方法，在步驟一中是將聚乙烯醇加熱至180°C?230°C，再經(jīng)成型與冷卻而制得該成型芯材。
[0015]本發(fā)明所述的自行車的碳纖維材料的成型方法，在步驟三中，是于溫度160°C?180°C的條件下對該預(yù)成型體加壓，使其形成該碳纖維成型體。
[0016]本發(fā)明所述的自行車的碳纖維材料的成型方法，在步驟三中，是于溫度170°C的條件下對該預(yù)成型體加壓，使其形成該碳纖維成型體。
[0017]本發(fā)明所述的自行車的碳纖維材料的成型方法，在步驟四中是將具有該成型芯材的碳纖維成型體浸置于溫度80°C?90°C的水中。
[0018]本發(fā)明所述的自行車的碳纖維材料的成型方法，在步驟一中是采用射出、熱壓、高/低壓熔融灌注與3D印制技術(shù)的其中一種成型方法制出該聚乙烯醇成型芯材。
[0019]本發(fā)明所述的自行車的碳纖維材料的成型方法，在步驟四中還在水中設(shè)置一攪拌裝置以加速該成型芯材的溶解速率。
[0020]本發(fā)明所述的自行車的碳纖維材料的成型方法，在步驟三中，是于溫度160°C?180°C的條件下對該預(yù)成型體加壓，使其形成該碳纖維成型體。
[0021]本發(fā)明所述的自行車的碳纖維材料的成型方法，在步驟一中還將尚未加熱的聚乙烯醇加入一助溶材料并混和均勻后再進行加熱，該助溶材料是至少一種選自于由下列無機及有機材料所構(gòu)成之群組:碳酸鈣、玻璃粉、碳粉、石英粉、金屬砂、木屑、高分子粉末，及纖維，其中，以該聚乙烯醇與該助溶材料的總重量為100重量％計，該聚乙烯醇的含量范圍為75?80重量％，該助溶材料的含量范圍為25?20重量％。
[0022]本發(fā)明所述的自行車的碳纖維材料的成型方法，在步驟三中還提供一在加熱加壓后的冷卻處理以避免移除該成型芯材時溫度過高使該碳纖維成型體產(chǎn)生形變，該冷卻處理使用冷壓及自然降溫之其中一種方式使溫度降低至100°c以下。
[0023]本發(fā)明的有益效果在于:選用經(jīng)加熱處理過的聚乙烯醇作為成型芯材，由于該成型芯材能夠承受碳纖維材料成型制程的加熱加壓而不易軟化或產(chǎn)生明顯的尺寸變化，因而能在加壓成型的制程中穩(wěn)定支撐碳纖維預(yù)浸布且不易在表面形成皺褶，再加上聚乙烯醇材料安定無毒且可溶于水的特性，在完成碳纖維材料的成型后，直接用常溫環(huán)境的水就能使芯材溶解而脫離該成型體，因此，本發(fā)明不但材料較環(huán)保，也不易造成該成型體的內(nèi)壁面產(chǎn)生皺褶而能確保成型品質(zhì)，并有效減少后段制程處理時間而能提供較佳的制程效率。
【附圖說明】
[0024]圖1是一示意圖，說明現(xiàn)有的尼龍氣袋輔助充氣成型的工法，以氣袋撐張在碳纖維材料的預(yù)成型體中的情形；
[0025]圖2是一示意圖，說明現(xiàn)有以發(fā)泡材作為支撐芯材與氣袋配合的工法，于加壓成型并取出其內(nèi)部的氣袋后的情形；
[0026]圖3是一流程圖，說明本發(fā)明自行車的碳纖維材料的成型方法的一較佳實施例；
[0027]圖4是一示意圖，說明將一個包覆在一個成型芯材外的碳纖維成型體浸置于水中，使該成型芯材溶解的情形；
[0028]圖5是一熱分析曲線圖，說明使用材料熱機械分析儀分析聚乙烯醇的母料受熱過程所呈現(xiàn)的尺寸變化情形；
[0029]圖6是一熱分析曲線圖，說明使用材料熱機械分析儀分析聚乙烯醇經(jīng)熱處理過的樣品受熱過程所呈現(xiàn)的尺寸變化情形；及
[0030]圖7是一熱分析曲線圖，說明以示差掃描量熱分析儀分別對聚乙烯醇的母料以及經(jīng)熱處理過的樣品進行熱分析所呈現(xiàn)的熱流變化情形。
【具體實施方式】
[0031]下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明進行詳細(xì)說明。
[0032]參閱圖3與圖4，本發(fā)明自行車的碳纖維材料的成型方法的一個較佳實施例，包含下列步驟:
[0033]步驟201是提供一個聚乙烯醇成型芯材3，該聚乙烯醇成型芯材3是將聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,簡稱為PVA)加熱至其熔點以上的溫度,再經(jīng)成型與冷卻后制得。已知聚乙烯醇材料在無水環(huán)境下的熔點為180?230°C，因此，為了使聚乙烯醇能快速成型為所設(shè)定的特定形狀，較佳是配合不同的成型加工方式將聚乙烯醇加熱至180°C?230°C使其熔融，再經(jīng)一體成型與冷卻而制得該成型芯材。其中，該成型芯材的成型方法不受限，并可配合該碳纖維材料產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)型式，采用射出、熱壓、高/低壓熔融灌注與3D印制技術(shù)的其中一種成型方法制出。
[0034]步驟202是使碳纖維預(yù)浸布包覆貼合于該成型芯材3的整個外表面，以形成一個預(yù)成型體。貼合時，是使該碳纖維預(yù)浸布完全包覆該芯材的外表面，并依最終產(chǎn)品所設(shè)定的壁厚規(guī)格重疊地在該成型芯材的外表面包覆貼合碳纖維預(yù)浸布，直到達(dá)到產(chǎn)品的壁厚要求為止。
[0035]步驟203是對該預(yù)成型體加熱加壓，使碳纖維預(yù)浸布硬化定型，并使該預(yù)成型體成型為一個碳纖維成型體4。在本實施例中，是將該預(yù)成型體放置在一個成型模具(圖未示)中，并于溫度160°C?180°C及壓力100kg/cm2的條件下對該預(yù)成型體加壓,使其形成該碳纖維成型體4。較佳地，為了使該預(yù)成型體獲得較佳的熱壓成型，同時使該成型芯材3穩(wěn)定地提供支撐作用，較佳是于溫度170°C的條件下對該預(yù)