采用使装置预热的感应加热的材料转变装置

摘要

本发明涉及用于转变材料(40)的模制成型装置(1)，其具有：下模主体(10)或凹模，其用导电材料制成，且具有一模制区域(14)，其用于与待转变材料进行接触；上模主体(12)或凸模，其用导电材料制成，且具有一模制区域(16)，用于与待转变材料进行接触；活动的中间构件(18)或型芯，其用导电材料制成，用于间置在所述凹模(10)和所述凸模(12)之间；感应器部件(30)，其适于产生包围所述凹模(10)、所述凸模(12)和所述中间构件(18)的磁场；这三个元件两个两个地电绝缘，以致一方面所述中间构件(18)和所述凹模(10)相面对的表面、另一方面所述中间构件(18)和所述凸模(12)相面对的表面限定出两个间隙(20，22)，磁场在所述两个间隙(20，22)中循行，磁场在所述凹模(10)和所述凸模(12)的模制区域(14，16)的表面产生电流，从而允许将所述感应器部件的作用局限在所述模制区域(14，16)的表面上。

说明书

技术领域

本发明涉及采用感应加热的装置和方法，旨在使材料特别是热塑性 基质或热固性基质的复合材料进行转变，尤其通过模制方式进行转变。

背景技术

公知的一种装置，例如国际专利申请WO2005/094127提出的装置， 可在表面上定位感应加热，以限定在模具/材料接合面的加热。

这种装置具有感应器部件，其围绕两个导电模具主体，且具有一加 热区，用于与待转变材料接触，模具主体彼此电绝缘。因此，借助于两 个模具主体之间的断电，面对着这两个模具主体的表面限定一个由磁场 线圈产生的磁场经过的间隙。因此，磁场在模具主体的表面上，特别是 在每个模具主体的加热区的表面产生电流，从而可在紧接待加热材料的 附近在表面上定位加热。

这种装置可非常快和非常高地提高加热区的温度，因为磁场线圈产 生的能在非常小的厚度上(通常为十分之几毫米)，直接“喷射”到加 热区的表面。为了最大限度地有利于间隙作用，其宽度，即使用时面对 着装置的表面之间的距离，应该尽可能小，约为数毫米。实际上，该宽 度由待加热件的厚度确定，其在装置的两个部分之间起绝缘体的作用。 因此，当该工件导电时，采用适于隔离装置两个部分的厚度绝缘衬垫， 或在接触工件的接触面上采用绝缘涂层。

某些材料需要专门的成型技术。例如，长纤维热塑性材料就是这种 情况，长纤维热塑性材料被称为LFT(″Long Fiber Thermoplastics″)。 为了正确成型，这种材料应热布置在本身已具一定温度的模具上。但是， 公知的模具因其热惯性不允许十分快速的加热/冷却周期，以使材料以理 想的温度放置在模具上，然后冷却该模具，以获得固化工件，这完全是 在有利的工业生产时间中。为了解决这个问题，目前的技术采用保持在 不变的“中间”温度的模具，其为合乎要求的材料蠕变及其在模具中的 正常固化之间的折衷方案。与此同时，材料以非常高的温度，接近其破 坏极限的温度放置。例如，对于置于250℃长纤维热塑性材料，使用的 模具处于中间温度，所述中间温度包括在80℃至100℃之间，这样，可 使材料进行容许的蠕变，且同时在低于其固化点的温度下冷却。

为了实施这种步骤，公知地，使材料在模具外预热，例如在一红外 加热炉中或在一加热台上预热，然后，在分成两部分的一模具上移动材 料，在材料预热期间，所述模具保持在所需的温度。材料以可塑的软糊 状物的形式置于模具中，其在模具的两个部分的压力下进行蠕变，占据 整个模制空间，从而具有成品制件的形状。为了实施该步骤，模具的两 个部分在其接触时，必须限定一压缩室，即确保密封，以便施加材料蠕 变所需的压力，而不使其流出。模具的温度可使材料在其固化点以下逐 渐冷却，以使工件能被注射。但是，模具的温度对于最佳冷却来说往往 太高，工件在其取出时也往往较软，这就存在成品质量问题(变形、残 余应力等)。

简而言之，目前使用的方法是折衷方案，其既不能获得合乎要求的 材料蠕变，也不能充分冷却成品制件。

因此，重要的是，使用的模具(加热/冷却)周期时间短，可使材料 在远大于“中间”温度的温度下放置在模具上(从而有利于工件蠕变， 合乎要求地充填模具)，然后，以低于中间温度的温度快速冷却该模具 (从而有利于成品制件的正常冷却)。

上述感应加热装置的升温/冷却周期非常短，但是，用于模制长纤维 热塑性材料是不适合的。实际上，具有合乎要求的密封性的压缩室的需 要，难以适应这种装置的工艺，其要求模具两个部分的电绝缘，以便使 之加热。

发明内容

本发明旨在改进这种装置，使之适于模制上述材料。特别是，本发 明确定，不能使这种敞开的模具预热，或者性能太低，因为间隙宽度可 达到十厘米以上，因此，其作用可以忽略不计。

因此，本发明涉及用于转变材料的模制成型装置，其具有：

-下模主体或凹模，其用导电材料制成，且具有一模制区域，其 用于与待转变材料进行接触；

-上模主体或凸模，其用导电材料制成，且具有一模制区域，用 于与待转变材料进行接触；

-活动的中间构件或型芯，其用导电材料制成，用于间置在所述 凹模和所述凸模之间；

-感应器部件，其适于产生包围所述凹模、所述凸模和所述中间 构件的磁场；这三个元件两个两个地电绝缘，以致一方面所述中间构件 和所述凹模相面对的表面、另一方面所述中间构件和所述凸模相面对的 表面限定出两个间隙，磁场在所述两个间隙中循行，磁场在所述凹模和 所述凸模的模制区域的表面产生电流，从而允许将所述感应器部件的作 用局限在所述模制区域的表面上。

在一实施例中，通透磁场的垫板一方面确保所述凹模和所述中间构 件之间的电绝缘，另一方面确保所述中间构件和所述凸模之间的电绝缘。

在一实施例中，所述两个模具主体的模制区域适于形成密闭室，例 如称为压缩室。

在一实施例中，所述两个模具主体中至少之一的包括所述模制区域 在内的一部分具有磁性复合物，优选地，其具有相关的磁导率和高电阻 系数，例如是镍基、铬基和/或钛基钢。

在一实施例中，所述两个模具主体中至少之一的一部分具有与所述 包括模制区域在内的部分不同的材料，该不同的材料尤其是非磁性材料 或磁性不大的材料，例如不锈钢。

在一实施例中，所述两个模具主体中至少之一具有磁性材料，其面 对着所述感应器部件的表面——除其模制区域的表面外——覆盖有非磁 性材料屏蔽层，从而防止磁场进入所述模具主体中。

在一实施例中，所述中间构件具有非磁性材料，优选地，是电阻系 数小的非磁性材料，例如铝。

在一实施例中，所述中间构件具有接触涂层，例如硅树脂。

在一实施例中，所述中间构件具有的材料的特征在于，发射率大于 0.7，例如石墨。

在一实施例中，所述两个模具主体中至少之一具有冷却通道网络。

在一实施例中，所述中间构件具有冷却通道网络。

在一实施例中，所述感应器部件产生的磁场的频率F至少等于10 千赫，优选地，最大等于100千赫。

在一实施例中，所述感应器部件具有两个可分开的部分，其分别连 接于所述凹模和所述上主体。

本发明也涉及上述模制成型装置的预热方法，所述方法包括以下步 骤：

-将所述中间构件插置在所述凹模和所述凸模之间；

-使所述中间构件和所述两个模具主体两个两个地电绝缘，以便 一方面所述中间构件和所述凹模的相面对的表面、另一方面所述中间构 件和所述凸模的相面对的表面限定出两个间隙；

-向所述感应器部件供电，以产生包围所述凹模、所述凸模和所 述中间构件的磁场；

以致于磁场在所述两个间隙中循行，在所述凹模的和所述凸模的模 制区域的表面产生电流，从而将预热局限于所述模制区域的表面。

本发明也涉及材料的模制成型方法，其包括以下步骤：

-预热上述模制成型装置；

-从所述模制成型装置取出所述中间构件；

-在所述模具主体之一上放置待模制材料；

-通过在所述两个模具主体之间施加压力的方式模制所述材料；

-冷却所述模具；

-取出固化工件。

最后，本发明涉及材料的模制成型方法，其包括以下步骤：

-预热上述模制成型装置，待模制材料预先布置在所述凹模和所 述中间构件之间；

-从所述模制成型装置取出所述中间构件；

-通过在所述两个模具主体之间施加压力的方式模制所述材料；

-冷却所述模具；

-取出固化工件。

附图说明

根据下面参照附图对作为非限制性实施例进行的说明，本发明的其 它特征和优越性将得到更好的理解，附图如下：

图1至3示出本发明的装置，其处于与其实施的三道步骤相应的三 种状态；

图4a至4b示出下模主体和中间构件的细部；

图5是本发明的装置的剖面图；

图6是图5所示的装置所配有的电接触器的实施方式的细部图。

具体实施方式

如图1至3所示，装置1具有两个模具主体，一个下模主体或凹模 10和一个上模主体或凸模12。两者都用导电材料制成，每个都具有一个 部分，其分别构成凹模10的加热区或模制区域14，以及凸模12的加热 区或模制区域16。两个模具主体10、12适于彼此接触，以实现模制工 件，因此，相面对地布置的模制区域14、16形成一密闭室，例如一压缩 室。

感应器网络30——其并联或串联地电连接且与电流发生器连接— —围绕着由所述凹模10和所述凸模12形成的组件地布置。每个感应器 30具有一导电线圈，且包括两个可分开的部分32、34。所述下部分32 连接于凹模10，而上部分连接于凸模12。

根据本发明，为了允许预热所述装置1，一中间构件或型芯18布置 在凹模10和凸模12之间。型芯18用导电材料制成，其形状适配于凹模 和凸模的模制区域的形状。在图1所示的实施例中，型芯18的形状与模 制区域的形状完全互补，但是，如后所述，其它构形是可行的。型芯18 借助于通透电磁场的垫板24与凹模10和凸模12进行电绝缘，所述垫板 24例如用陶瓷制成。绝缘可用任何其它方法进行，例如厚度适当的硅树 脂覆层(数毫米)，硅树脂覆层或者布置在凹模和凸模上，或者布置在 型芯的每个表面上。

当向感应器部件30供给交流电I_i时，产生的电磁场包围两个模具主 体以及型芯18。凹模和型芯之间的电绝缘以及型芯和凸模之间的电绝 缘，使电磁场在两个空隙中循行，所述两个空隙分开所述型芯与两个模 具主体中每个模具主体。因此，界定出两个间隙20和22，其中的一个 间隙在型芯18的和凹模10的相面对的表面之间，其中另一个间隙在型 芯18的和凸模12的相面对的表面之间。为了获得这种效果，凹模和凸 模也必须在安装型芯时彼此电绝缘，如图1所示。

感应器部件30产生的磁场经过间隙20和22，即凹模10和型芯18 之间以及型芯18和凸模12之间。因此，其产生与电流I_i的方向相反方 向的电流lc₁、lc₂和lc₃。由于两个间隙20、22的作用，这些电流lc₁、lc₂和lc₃分别在凹模10、凸模12和型芯18中单独地闭环流动。确切地说， 感应电流lc1、lc2、lc3在这三个元件的表面，在非常小的厚度上(十分 之几毫米)流动。因此，这些电流在这三个主体的表面，尤其是在模制 区域14、16的表面，具有热作用(由于电阻效应)。因此，图1所示的 构形可有效地加热凹模和凸模的模制区域。

一旦模制区域14、16达到所需的温度，装置1开启，型芯18取出， 因此，可在凹模10上放置待模制材料40。在图2所示的实施例中，材 料在置放之前被预热，但是，显然，其它材料可无需预热而进行放置。 然后，凸模通常朝凹模移动，直至这两个构件接触，以及模制成型室(或 压缩室)闭合。必须指出，在该步骤，如图3所示，凹模和凸模不再必 须电绝缘，因为不再使用感应器部件。实际上，模具处于所需的温度， 成型材料40不再需要加热。

借助于插置在凹模和凸模之间的型芯，得益于存在例如前述国际专 利申请中描述的间隙的所有优点，且特别是：

-电流局限于(从而加热)表面上，因而非常快速地加热，因为 模具主体不全部加热，

-节能，

-模制区域的某些部分采用不同的材料，加热具有非常良好的适 应性，

-冷却装置可尽量接近模制区域布置，由此进行快速冷却。

没有本发明的型芯，则不能获得这种结果，因为在这种情况下，不 能产生间隙效应。实际上，不能充分使凹模和凸模靠近，特别是在压缩 室方面——其闭合表面垂直于模具接合面。更加困难的是模制区域的形 状复杂。

采用本发明，可以在长纤维热塑性材料这样的材料的模制成型方面 实施模具的加热/冷却周期。如果采用以250℃的温度放置材料的前一实 施例，那么，模具可能被带至非常接近的温度，例如大约200℃，然后， 一旦材料在闭合模具中被加压，模具就以接近环境温度的温度(或者远 低于目前实施的80℃)快速冷却。因此，在较短的或相当的周期时间， 获得性能良好的材料蠕变和模具充填以及成品制件的完全冷却和固化。 此外，可按低预热温度放置材料，因此，相对于其破坏温度来说，具有 较大的安全率。这也导致附加节能，且可更快冷却。

在所有标准上(可实施的最小厚度，表面状态的质量，凸棱、凸缘 等细部的精度和质量)，所有这些改进可大大提高获得的成品质量。

本发明的装置因为两个间隙20和22的存在能在其中集中磁通量而 更加有效，从而增大模制区域处磁场的作用，因而增大在模制区域表面 产生的感应能量。

此外，间隙20、22可限制感应器部件的几何形状和/或分布对导致 的加热的影响，因为间隙能较均匀地分布感应器部件提供的能量。因此， 在一定的长度上沿模具不规则间隔开的感应线圈，实际上与在同一长度 上相同数量的有规律地分布的感应线圈具有相同的作用。应当指出，正 相反，具有线圈感应器部件和导电负载的无间隙的普通构形产生不同的 能量分布，该负载接收的能量在每个感应线圈交接处具有局部最大值。 感应线圈分布不均匀的这种实施例特别有利，因为在本发明的装置中， 感应线圈围绕模具，模具可配有许多突出构件，例如立柱垫板、注射机 等。因此，必要时，可在两个线圈之间保留较大的间隙，而不影响加热 质量。

型芯18在其设计方面要求很少的限制条件，相对于装置的其余部分 来说，成本可以忽略不计。实际上，型芯18可设计成一整件，例如铸造 或锻造而成，其不需要特殊的表面状态(不用于接触待模制材料)，因 而加工成本不高。此外，在加热阶段施加于型芯18的机械效应小，这在 机械强度方面要求很少的限制条件，从而在其构成材料的选择方面保留 很大的自由度。此外，在大多数情况下，与两个模具主体的厚度比较， 型芯18的厚度小，从而一般来说，又降低了本发明的装置的型芯18的 生产成本。此外，与压缩室的实施成本相比较，型芯的成本可以忽略不 计，可使凹模和凸模电绝缘，同时实现所需的密封性。

因为型芯的作用首先是在装置1中限定两个间隙，所以其形状的限 制条件少于模制区域。因此，可使其具有与凹模和凸模的模制区域的形 状不严格互补的形状(如图1所示)，但是，相反，按位置分开，以限 定特殊间隙的形状。也可以单独设计两个间隙，尤其是为了在凸模和凹 模之间获得不同的加热作用(例如凹模加热多，凸模加热少等)。

下面，说明间隙形状的适当的实施例。因为型芯18的面对着模制区 域14、16的表面181、182的形状可比较独立于模制区域的形状，所以 通过在感应和电阻现象发挥作用，非常精细地调节获得的加热。尤其是， 可调节间隙宽度，以避免局部加热不足和/或过热现象。举例来说，图 4a和4b示出装置1的细部，其示出凹模10和型芯18、以及磁场在感 应器部件产生的间隙20中的循流。图4a示出宽度不变的间隙20，当其 不是直线时，由于磁通量取道磁阻较小的通道，磁力线在间隙的弯曲度 内比在外部更集中。因此，在这些弯曲部位，分别在弯曲度内部和外部， 产生过热和加热不足。图4b示出相同的间隙20，但是，具有不恒定的 宽度，特别是具有在间隙弯曲的部位局部变化的宽度。根据情况，增大 或减小该厚度，可校正磁通量的不均匀分布，如图4a所示。因此，如图 4b所示，磁通量的分布是均匀的。

构成型芯18的材料最好是非磁性的，优选地，具有小电阻率，例如 铜或铝。这可最大限度地避免能量损耗，因为在大多数应用中，型芯18 不用加热。显然，用非磁性材料制成的型芯由磁场感应电流通过，因而 略被加热，但是，感应器部件产生的几乎全部能量注入到凹模和凸模中。 例如，如果型芯18用铝制成，其接收的能量约为注入到凹模10和凸模 12中的能量的5％。根据情况，型芯在其两个表面上或对于同一表面可 由不同的材料构成(例如借助于插入件)，因此，可精细地和局部地控 制电阻和感应现象(因而控制获得的温度)。

为了最大限度减少凹模10和凸模12中的能量损耗，这两个构件可 制成两部分：一部分(相应地对于凹模的部分101和凸模的部分121) 包括连接的模制区域14、16在内，具有磁性材料，其可选地具有居里点。 第二部分(相应地对于凹模的部分102和凸模的部分122)具有非磁性 或磁性不大的复合物。优选地，构成包括模制区域14、16的部分101、 121的磁性材料的电阻率，大于铜的电阻率，例如镍、铬、和/或钛基钢 合金。模制区域的高电阻率具有优越性，因为其可更有效地进行感应加 热。但是，应当指出，材料的磁导率也影响感应加热的效率。不包括模 制区域的部分102、122的材料在机械特性和磁与电性能之间具有良好的 折衷方案。实际上，为了限制模制区域后部这两部分中的能量损耗，从 而在模制区域的表面处集中加热作用，构成部分102、122的材料必须尽 可能少磁性和电阻性，而同时具有模制成型阶段的很大的和重复的作用 所需的机械阻力。为此，不锈钢和铜是有利的选择。

在一实施例中，凹模10和凸模12可按照国际专利申请 WO2007/031660中提出的方法实施。因此，凹模10和凸模12，包括其 各自的模制区域，全部由磁性材料构成，而面对着感应器部件的凹模的 和凸模的表面，覆盖有非磁性材料例如铜制成的屏蔽层，模制区域14、 16的表面除外。在这种构造中，屏蔽层是这样的，其厚度大于电磁场的 进入深度。因此，感应电流在屏蔽层中流通，产生很少的发热和很少的 能量损耗，不影响材料对感应加热反应明显的模制区域表面部位。

图1和2所示的装置配有冷却系统，以便通过快节奏的加热，制造 或转变工件。为此，在凹模10和凸模中配置一通道网络26和28，使冷 却液在模制区域表面附近循环。如此获得的冷却非常良好，一方面，因 为金属模具主体极为导热，另一方面，因为通道可尽量布置在模制区域 14、16的表面附近。因此，整个工件进行非常有效的快速均匀冷却。

在某些情况下，型芯也配有冷却系统，其也为通道27的形式，如图 5所示。实际上，即使加热不高，也可在多个周期之后达到很高的温度 (冷却也可仅在一定数量的周期之后实施)。

如上所述，感应器部件30分成可分开的两部分32、34，其分别连 接于凹模10和凸模12，这可在成型之后快速取出工件，因而有助于高 速制造。在加热阶段，感应器部件网络的两部分32、34之间的电连接由 电接触器36加以保证。这些电接触器允许大的行程，同时确保可分开的 两部分之间的电连接。实际上，为了在型芯18插置在凹模10和凸模12 之间时向感应器部件供电，开度必须超过十厘米。因此，在图6所示的 实施例中，每个接触器36配有一阳式元件360，其连接于下部32，该阳 式元件在与上部34连接的阴式元件362中滑动。阳式元件360和阴式元 件362之间的电接触例如由弹性金属片364加以确保，所述弹性金属片 364布置在阴式元件362内，夹紧阳式元件360。在该实施例中，阴式元 件由上部34的一空腔延长，以确保所需的行程。

本发明的装置也可在现场，即在模具中直接预热材料。材料在现场 的预热例如用于刚性冷板状复合材料，必须预热才能使之正常变形。因 此，材料和模制成型装置同步预热。为此，材料布置在凹模10上，型芯 18紧靠在材料上。为了提高该预热阶段的效率，与材料接触的型芯表面 最好覆以接触涂层，例如硅树脂。因此，型芯18可对材料施加压力，以 利于热凹模和材料之间的接触，从而提高导热性(但是，当不接触时， 凹模和工件之间的有效对流足以加热材料)。如果工件导电(例如含碳 纤维的工件)，该涂层可使型芯电绝缘。

在本发明的一实施例中，与在现场预热一样适用于装置1的预热， 型芯18用可辐射加热的材料制成。为此，这种材料在其加热时应具有较 大的热辐射，例如，材料的发射率大于0.7，例如石墨。这种材料导电， 因而始终确保本发明的型芯的基本功能(即限定两个间隙)，但是，当 其随着感应电流循环而升温时，对凹模和凸模进行辐射加热。如果借助 于辐射的型芯在现场预热，那么，型芯不与待预热的材料直接接触，而 是紧邻地放置。

在另一实施例中，使用金属型芯18，利用热对流加热。因此，在仅 仅预热装置1的情况下，型芯紧邻(但不接触)凹模和凸模，或者在现 场预热材料的情况下，紧邻(但不接触)材料和凸模。有利地，型芯18 用磁性材料和/或高电阻系数的材料制成，以便在感应器部件的作用下充 分加热。