带有成一整体的丝网的模具、制造这种模具的方法和使用该模具的设备和方法

专利名称：带有成一整体的丝网的模具、制造这种模具的方法和使用该模具的设备和方法
技术领域：
本发明涉及带有成一整体的丝网的模具及制造该模具的方法，特别涉及一种带有成一整体的网格的模具，特别适合用作由纤维或纸浆浆料制造产品的工具，以提供纸浆模制件，同时涉及使用这种模具生产纸浆模制件的设备和方法。
到目前为止已经有了生产模制纤维制品的模具。通常这种模具被称之为湿模，因为它们被浸入到纤维或纸浆浆料的一个湿的容器内。这种浆料通常由回收的纸制成，例如报纸，瓦愣纸材料或类似材料等。这种模具通常由铝制成以提供所需的由真空孔贯穿的表面或工作面。在这种模具中，模具表面通常用一个丝网覆盖，例如不锈钢丝网，将其制成合适的尺寸、切割、点焊，使之精确地与模具表面相一致，以便提供模具表面。这种丝网用于防止纤维阻塞真空孔。这种丝网使得它可以将真空均匀地分配在模具的整个表面上，并防止纤维阻塞真空孔。这种模具通常很昂贵，因为制造这种模具需要花费大量的时间。此外，对于这种模具，丝网在生产过程中很容易径向撕破，需要修理或更换丝网。因此需要一种新型的改进的可克服上述缺点的模具。
总的来说，本发明的目的是提供一种模具，它具有一个带有一个成一整体的丝网或网格的主体，同时提供一种制造所述模具的方法，这种方法大大地缩短了制造适合于用纤维或纸浆模制产品的模具的时间，并极大地降低其制造成本。
本发明的另一个目的是提供一种具有上述特征的模具和方法，其中，可以提供一种具有一个主体的模具，该主体与一个网格成一整体，同时，其中，所述主体与网格可同时利用相同的材料制造。
本发明的另外一个目的是提供一种具有上述特征的模具和方法，所述模具可很容易地适合于复杂的形状。
本发明的另一个目的是提供一种具有上述特征的模具和方法，它提供一种具有由模具的网格提供的独特的表面结构的模制产品。
本发明的另外一个目的是提供一种具有上述特征的模具和方法，其中模具的结构包含有一个主体，其材料不会有害地影响网格或丝网的操作。
本发明的另外一个目的是提供一种具有上述特征的模具和方法，其中，所述模具可以被十分精密地制造。
本发明另一个目的是提供一种具有上述特征的模具和丝网，它可以很容易地被以很低的成本精密地制造。
本发明的另一个目的是提供一种使用具有上述特征的模具的设备和方法，其中，模制的纸浆制品在移动该制品之前可以通过加热所述模具而干燥。
本发明的另一个目的是提供一种使用具有上述特征的模具的设备和方法，其中，即使对模制产品加热，仍然可以在模制产品上保持真空。
本发明的另一个目的是提供一种具有上述特征的设备和方法，其中，在使用时，所述模具将允许液体流过所述模具，另一方面将模制纸浆的纤维留在模具表面上。
本发明的另一个目的是提供一种具有上述特征的设备和方法，它用于生产高精度的模制产品。
在下面参照附图所进行的对优选实施例的详细描述中，本发明的其它目的和特征将变得更加清楚。


图1是根据本发明的带有成一整体的网格的模具的等轴视图。
图2是图1中由线2-2包围的图1中所示网格的一部分的放大比例很大的放大图。
图3是沿图1的3-3线截取的剖视图。
图4是根据本发明的利用本发明的模具制造模制产品的设备的示意图。
图5是根据本发明的另一个实施例的模具的等轴视图。
图6是沿图5的6-6线截取的剖视图。
图7是类似于图6的另一个剖视图，但其厚度只有0.004″。
图8是图5所示的模具的底视平面图。
一般说来，本发明的带有成一整体的模具用作一个利用纤维浆料制造模制纸浆产品的型模，它包含一个由一种材料形成的主体。该主体携载一个网格以便提供一个模具表面用于制造模制纸浆制品。在网格上设置多个装置，所述装置在模具表面上基本上均匀地间隔开设置，并被制成一定的尺寸，以便允许从其中拉制出真空，但阻止纤维被拉过其中，从而浆料中的纤维将积累在网格上。所述主体提供装置用于把网格支承在主体上，以便提供多个与网格上的开口连通的通道，借此，当把真空加在模具上时，由所述网格提供均匀分布的真空，网格和支承网格的装置用相同的材料制成。
如图1、2和3更详细地表示的，带有成一整体的丝网或网格的模具或工具11包括一个由适宜的材料形成的主体12，这些材料可用于快速模型试制(prototyping)及制造技术，特别是适合用于立体平版印刷术(stereolithography)的材料。如熟悉本领域的人员所公知的，选择性的激光烧结可用于用由激光能量“烧结”或熔融的塑料、金属或陶瓷粉末一层挨一层地制造实心三维物体。图中所示的主体12可以具有平行六面体的形状，它具有间隔开的平行的侧面13，相互间隔开的垂直于侧表面13的端面14。主体12也设有一个与表面13和14成直角延伸的底表面16(图3)以及一个与侧面和端面13及14垂直并与底面16平行的顶表面17。
主体或主块12的顶表面17具有一个形成于其中的具有所需结构的复杂的模具表面21，例如，作为一个例子在图中所表示的凹入的形状。模具表面21具有一个形成于其中的复杂形状，例如弯曲状或凹入的侧壁22连接着凸出的或截头半球形表面23，表面23连接着共面的相互分隔开的圆形平面表面24。在附图中表示了这种复杂的模具表面21，以便说明根据本发明可以提供一种多么复杂的其上具有复杂的曲线形状的模具表面。
设有一个丝网或网格31，它将起模具表面21的作用，用于制造下面所要描述的模制纸浆制品。丝网或网格31设有多个相互间隔开的开口32，这些开口在模具表面21上基本上均匀地间隔配置，同时，基本上位于一个具有模具表面21所需的结构的面内。开口32的尺寸为，使得纸浆中的纤维不会穿过开口32而是积累到用作模具表面21的丝网或网格31上，以形成模制产品。同时开口32被制成一定的尺寸，使得从丝网或网格的下方提供进入一个通过接头34连接到适当真空源35的腔室33内的真空从纤维浆料中把纤维吸出与丝网或网格31接触，以便形成模制纸浆制品。开口的大小可以从0.24″到0.32″的范围内，它可以具有所需形状，例如圆形、正方形或长方形。我们发现在用回收报纸之类的纤维浆料制造模制产品时，其优选的尺寸约为0.24″×0.24″。
作为主体12的一部分设置一个具有三维栅格状支承结构36形式的装置，所述结构设有多个贯穿栅格结构的通道37并位于丝网或网格31的下方，其中的每个通道都与丝网或网格31的一个或多个开口32连通。下面所描述真空与通道37连通，并与丝网或网格31一起提供一个基本上均匀地在模具表面21上分布的真空。
在本发明方面，发现理想的是使用同一种材料制造主体12，网格31和栅格支承结构36。关于本发明，发现特别理想的是使用聚酰胺尤其是尼龙材料，因为它们具有十分优异的耐热性和化学稳定性，这对于制造下面所描述的本发明的模制纸浆产品用的模具或工具是非常重要的。有两种材料特别适合，它们是DTM Corporation of Anstin，Texas，U.S.A.生产的，DuraformTM聚酰胺以及Duraform GF(玻璃填充的)。在其它应用中，可以应用该公司提供的其它材料，例如DuPontSomos201 TPE，TruFormTM聚合物，SandFormTMZr II及Si铸模砂，Copper Polyamide以及Rapidsteel2.0。
在使用尼龙时，在例如由DTM Corporation of Austin，Texas提供的Sinterstation 2500plus等适合的设备的制造室内，通过用一个平整辊形成一个粉末层，在整个制造区域内铺成一个合适厚度的、例如大约为0.004″的薄的均匀尼龙粉末层。模具的横断面利用激光能量通过一个由计算机驱动的程序进行选择性地成象到尼龙粉末层上，所述激光能量将粉末加热到高于其软化温度或熔融温度以上的温度，从而将颗粒烧结或熔融成一实体。将激光能量调制成只把符合模具几何形状的粉末熔融。然后再进一步将下一个粉末层铺在制造区上，以相同的方式加以平整和成象，直到整个模具被成象和形成为止。然后，从制造室内取出模具并除去松散未熔融的粉末，获得加工好的模具。
在图1、2和3中所示的一种特定的结构中，丝网或网格31利用多个球形的均匀形状的部件41构成，这些球至少具有四个相互分隔开的接触点42(见图2)。这些球可具有适当的尺寸，例如从0.030″至0.090″，优选地为从0.060″至0.070″。由部件41形成的丝网或网格31由栅格状支承结构36进行支承，该支承结构设有一个通道37穿过的表面43。部件41在点44处与表面43接触，以便限定出一个暗通道(subway)46，该通道根据由部件44形成的图案沿纵向和横向横贯表面43延伸，以便部件41之间的开口32与暗通道46连通，同时暗通道46与栅格状支承结构中的通道37连通。
从上面的描述中可以看出，只要改变球状部件41的尺寸，就可以很容易地改变开口32和暗通道46的尺寸。应当理解，对于部件41，可以用其它的几何形状，例如具有六个或更多个表面的多面体代替球形。例如一个具有八个表面的多面体，其中四个位于顶部的平的面形成一个四面锥体，底部的四个表面形成另一个四面锥体，两个锥体连接在一起提供一个八面体。这种八面体具有四个位于同一平面内的拐角或者点，它们可以和相邻的拐角连接到一起，从而实际上提供一个网格，所述网格具有穿过它的开口32与暗通道46连通，而类似地，可以看出，所述部件可被制成一个截头多面体，例如一个四面体，四面体的底侧面朝上，以便提供一个平的表面，该表面具有贯穿其间的开口32以及在其下方的暗通道46，它与栅格状支承结构36的通道37连通。所有这些各种不同的结构都可以利用前述技术很容易地形成。
根据本发明所制造的模具已经作为例子用DuraformTM尼龙制成，这种尼龙是经过FDA认证的，它可以很容易地承受300°F的工作温度。但我们发现，由于这种模具是由最初为粉末状态的尼龙制成的，所以它们的外表面从细部观察是比较粗糙的，会妨碍模制品的脱模。为了提供脱模特性，在模具外表面上涂敷一种称之为XylanTM的耐热材料，它可以承受450°F的温度。Xylan是一种碳氟化合物涂料。将这种材料连续喷涂三层，每一层的厚度约为2～3密耳(mil)，同时，每一层都在300°F进行30分钟的后硬化。这种涂层48可以着色。黄色被选用为一种合适的颜色，因为它可以使在模具上的纤维更明显。我们发现，这种涂层48提供一种非常平坦光滑的表面，使模具极大地提高了其脱模性能。
根据本发明的另外一种模具和工具示于图5、6和7。如图中所示，模具91由一种合适的材料制成，例如前面所描述的Duraform尼龙，用前面所描述的Sinterstation制成。模具91具有一个圆形框架92，该框架具有一个径向延伸的凸缘93，在凸缘93上具有螺栓孔94。模具91的形状为截头锥体96，它具有一个倾斜的表面97以及一个与倾斜表面97连接的圆形平面98。在锥体96内部设有一个截头锥形槽101，该槽的结构基本上与锥体96相对应，但其直径较小，从而剩下一个由框架92支承的主体106。主体106包括网格线支承结构107，它被形成截头锥体的外表面96和97的丝网或网格108所覆盖。
栅格状支承结构107由多个沿一个方向延伸的相互间隔开的平行的支柱111及多个辅助的相互间隔开的形成网格线结构107的支柱112构成。所述支柱可具有一个适当的厚度，例如0.42″，支柱之间沿两个方向的间隔约为1/4″，以便提供截面为矩形的孔116，孔的适合的大小比如为1/4″×1/4″。这些孔从锥形凹槽101提供的空间伸出，该凹槽101暴露在一个真空中，且一直延伸到丝网或网格108。可以看出，通过提供锥形凹槽101，孔116具有一个基本上相同的长度，从而使真空到达丝网或网格108处的流路的长度基本上相等，因此，在整个丝网和网格108上提供一个基本上均匀的真空。
丝网或网格108由被栅格状结构107支承的一个单层材料形成，其顶部为一圆形表面98，它由多个相互间隔开的平行支柱121及多个辅助的相互间隔开的与支柱121成直角延伸的平行支柱122形成，以便在它们之间提供孔123。这些支柱121和122可具有一个合适的厚度，例如0.020″，在它们之间具有矩形孔，它们具有合适的大小，例如0.020″×0.020″。这种相同类型的孔的图形一直向下延续到倾斜表面97上。由于这种倾斜表面，其上的孔126的形状为倾斜的平行四边形，其尺寸较大，例如为0.020″×0.040″。支柱的合适厚度例如为0.040″。
标识或其他标记131可设在顶表面98上，它将被加到由模具制造的部件中。如果需要的话，该标识131可以是无孔隙的。支柱127和128限定孔126，它们是椭圆形的，并在倾斜的表面97上形成椭圆。
可以用类似的方法制备一个配合模具(未示出)。
然后可将这样制备的模具用前面所描述的类型的涂料涂敷，以便提高模具的退模特性。模具91和与其匹配的模具可用于图4所示的设备中，并用相同的方式生产模制部件。用这种模具生产的模制部件具有一个非常令人满意的外观，它对应于模具外表面的外观，从而提供一种模制部件，它是被精密地模制而成的，且具有非常令人满意的相当平滑的表面。
从图6至8所示的模具可以看出，根据本发明可以在一个较短的时间内以较低的成本制备极为精密复杂的模具。因此，在需要时，这种模具可用于短周期模制产品的生产。
所需形状的模制纸浆产品可以在图4所示的模制纸浆产品生产设备51中进行制造。在这种设备中，需要一个工具组52，它由阴模或工具53及与之相匹配的阳模或工具54构成。这些模具或工具可以很容易地根据本发明进行制备。例如，所需部件可在一个普通计算机上用CAD数据格式绘图，再用磁盘转换到STL格式用于前面描述过的Sinterstation2500plus中。通过选择部件的适当的表面，获得将对阴模和阳模产生的表面，然后输入模制部件的所需厚度，以便提供在阴模和阳模之间所需的空间。然后，通过形成其上带有丝网或网格31的每一个模具，并限定出每个模具的表面，在Sinterstation2500plus上形成阴模和阳模。
在制备好之后，通过把阴模53安装到一个装于柱塞62上的歧管61上，将模具53和54置于设备52上。柱塞62反复地垂直运动把歧管61连同阴模53一起向下带到放置在储存罐64中的纤维浆料63中并从浆料63中带出来。歧管61用管道66连接到一个真空源67上。它也被管道68连接到一个压缩空气源69上。
阳模或工具54被安装到一个传送歧管71上，歧管71被一个柱塞72携载，柱塞72也垂直往复运动并可相对于歧管61上下运动。该传送歧管71通过管76被连接到真空源67上。它也被一个管77连接到热空气源78上。
真空源67通常应能够产生一个26-29″Hg范围内的真空，优选的真空度为约28.5″Hg。热空气源78产生正压下的热空气其温度范围为250～310°F，优选地温度为290°F，压力范围为15到100psi，优选的压力为50psi。
图4所示的工具组52可用于生产模制纸浆产品，所述产品可以为易碎产品提供包装，例如香槟酒槽(champagne flutes)。这种工具例如可以是9″长，5″宽，6″高。
在生产模制纸浆产品时，歧管61往复地下降到纸浆66中。一旦歧管61及阴模或工具53完全浸入到纤维浆料中，即从真空源67提供真空，由于前面所述的通道32、37和46提供的工具的多孔性，所述真空将均匀地分布在整个工具53上。在工具上均匀分布的真空使得纤维被从纤维浆料66中抽取出来，接着被均匀地沉积在工具或模具53的整个表面上。足够厚度的纤维被收集到阴模53上，这可以通过一次浸渍产生，但如果需要的话，也可以进行重复浸渍并连续地抽真空。当达到所需的纤维的厚度时，将模具53从浆料63中提升起来。同时，将传送歧管71下降，使得阳模54与阴模53匹配，与此同时，在阴模和阳模53和54之间保持一个所需尺寸的孔隙。阳工具54被从热空气源来的热空气加热，使得阴工具所携带的模制材料干燥，同时也使模具干燥，此时仍然施加真空以便除去从模制材料中驱赶出来的潮气。用300°F的干燥温度可以很容易地被制造工具53和54的尼龙材料所承受。
在完成一般需要2～10秒钟、通常为5秒钟的干燥操作之后，中止从真空源来的真空。大约在同一时刻从压缩空气源69向歧管提供一股压缩空气喷射流，以便协助从阴模53上卸下模制部件。一般地，与此同时通过抬起传送歧管71使模具53和54分离。对传送模具71抽真空以帮助模制部件从阴模53上分离并将模制部件用阳工具54抬起。通过在模具或工具的外表面涂敷涂层48使模制部件的分离变得十分方便。在即将抬起模制部件之前中断从热空气源来的加压空气。然后在传送歧管71被抬起一个足够的距离之后，将携带工具和模制部件的传送歧管71移动到一个传送带(未示出)的上方，然后中断抽真空，以便允许干燥的模制部件脱离传送模具。
如前面所说明的，如果在最初把阴模53浸入纤维纸浆内的过程中，于阴模53上形成的模制纸浆的厚度不能产生一个具有足够厚度的模制产品的话，即使在未着手进行干燥步骤之前，也可以把歧管再次降低到纤维浆料66中，以便利用从真空源67抽的真空在浆料上粘接额外的纤维。一旦在阴模53上纸浆材料达到所需的厚度就可实行前面所述的干燥步骤。
从前面的描述可以看出，这里提供了一种新型改进的带有成一整体的丝网或网格的模具，以及制造该模具的方法，所述方法极大地简化了模具的制造，特别是对于需要利用丝网形成模制纸浆制品的模具。可以既经济又快速地制造这种模具，使之可以快速而容易地制造具有各种结构和形状不同的模制产品。利用球来形成网格是非常理想的，因为它们不需要取向。但是，如前面指出的，也可以利用其它均匀形状的物品以达到类似的结果，其唯一的区别仅在于它们必须相对于模具表面取向。利用CAD(计算机辅助设计)程序产生所需图形很容易实现这种取向。这里还提供了使用所述模具的设备和方法，用于经济地生产模制产品。
权利要求
1.带有成一整体的丝网的模具，包括一个由一种材料形成、具有一个表面的主体，所述主体具有形成一个栅格状图案的贯穿所述材料、在所述表面开口的真空孔，以便允许把真空加在所述表面上，所述主体还包括一个覆盖所述表面的丝网，所述丝网和所述主体由与主体相同的材料制成并成一整体。
2.如权利要求1所述的模具，其特征在于，形成所述主体和所述丝网的材料是被烧结的材料。
3.如权利要求2所述的模具，其特征在于，所述栅格状图形是由许多支柱形成的，这些支柱相互成一定的角度地延伸并提供穿过丝网的真空孔。
4.如权利要求3所述的模具，其特征在于，丝网是由一组相互成一定的角度延伸的平行地分隔开的支柱形成的，所述支柱在其中限定出与主体的栅格状图形的真空孔连通的孔。
5.如权利要求1所述的模具，其特征在于，所述丝网具有一个复杂的表面。
6.如权利要求1所述的模具，其特征在于，所述丝网具有一个外表面并进一步包括一个形成于外表面上的脱模用涂层。
7.如权利要求6所述的模具，所述脱模用涂层是用Xylan形成的。
8.如权利要求1所述的模具，其特征在于，在所述栅格状图案中的真空孔基本上具有相同的长度，从而在对模具抽真空时可以对丝网提供基本上均匀的真空。
9.如权利要求1所述的模具，其特征在于，所述模具是由一种可承受超过300°F的材料制造的。
10.如权利要求7所述的模具，其特征在于，所述脱模涂层是可以承受430°F的耐热性涂层。
11.用于生产模制纸浆制品的设备，它采用由多孔质、能够承受300°F以上温度的材料形成的第一和第二相互匹配的模具，用于携载所述第一模具的第一歧管以及用于将第一歧管和由其携载的第一模具移动到纤维浆料内以便形成模制纸浆的模制部件的装置，将第一歧管抽真空、以便当第一模具被浸入到纤维浆料中时对第一模具抽真空的装置，一个安装第二模具的传送歧管，向第二传送歧管及第二模具提供热量的装置，用于移动第二传送歧管和第一歧管以便使第一和第二模具相互配合的装置，在第二传送歧管和第一传送歧管上保持真空的装置，用于向第二传送歧管提供热量以便使第一模具携载的模制纸浆干燥以便提供模制部件的装置，用于使第二传送歧管和第一歧管之间产生相对运动的装置，用于基本上与前述同时向第一歧管提供压缩空气以便使模制部件从第一模具分离并与第二模具一起运动的装置，用于在此后解除第二传送歧管上的真空以便允许由第二传送模具携载的模制部件分离的装置。
12.如权利要求11所述的设备，其特征在于，所述用于移动第一歧管的装置可以重复性地把第一模具浸入到纤维浆料中，直到足够厚的纤维形成于第一模具上以便形成模制部件为止。
13.一种用于形成带有成一整体的丝网的模具的方法，利用计算机生成一个构成模具的表面的网格，该模具表面具有一组开口，在其下方具有一个栅格状支承结构并支承所述网格，同时提供一组向上延伸到所述丝网的开口并与之连通的通道，将计算机程序转换成用于制造模具、网格和栅格状支承结构的立体平版印刷(stereolithographic(STL))程序，以及，利用所述主体平版程序由同一种材料制造网格及栅格状支承结构的装置。
14.如权利要求13所述的方法，进一步包括如下步骤，即，提供一种塑料材料粉末并利用所述立体平版印刷程序烧结所述粉末状材料。
15.一种利用匹配的第一和第二多孔模具由纤维浆料生产模制部件的方法，把第一模具移动到纤维纸浆内，并向第一模具提供真空以便使得纤维从纤维纸浆中向第一模具上形成一个所需的厚度，加热第二模具，将第一模具和第二模具相匹配，在匹配第一和第二模具的过程中向第一和第二模具提供真空，与此同时向第二模具提供热量，使得由第一模具携载的纤维固化和干燥，直到第一模具上的纤维至少达到自支承状态为止，以便提供一个模制部件，将纤维形成的模制部件脱出使得当第二模具被移时模制部件和第二模具一起移动，移动第二模具，停止对第二模具抽真空，以便允许模制部件从第二模具上分离。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，用压缩空气使模制部件从第一模具脱出。
全文摘要
一种带有成一整体的丝网的模具,包括一个具有一个表面的材料主体,该主体具有形成一个栅格状图案的真空孔,所述真空孔穿过材料主体,开口于所述表面,并允许向所述表面提供真空,该主体还具有一个覆盖所述表面的丝网,所述丝网和主体用同一种材料形成并成为一个整体。
文档编号D21J5/00GK1379837SQ00814362
公开日2002年11月13日 申请日期2000年8月28日 优先权日1999年8月30日
发明者格埋戈里·W·盖尔, 杰弗里·J·豪根 申请人:雷加尔公司