专利名称：利用分区式压力模塑制作模制构件的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及液态模塑。具体地说，本发明涉及在模具装料和固化期间液态模塑过程和压制机的有效控制。
背景技术：
简短地综述一下当前主宰液态模塑复合件的各种技术将有益于显示本发明工艺方法的一些好处。在各种性能方面最为类似于本发明的一些传统的工艺方法是复合板材模塑(Sheet Molding Compound(“SMC”))、树脂传递模塑(Resin Transfer Molding(“RTM”))以及结构反作用式喷射模塑(Structural Reaction Injection Molding(“SRIM”))的加压模塑。
SMC工艺方法一般开始于一块以多种增稠剂填充和以碎块玻璃增强的未饱和聚酯树脂的板片。这些板片被切开和安放在一加热式器具之中，并在范围从140-200℃(280-390°下)的温度下和在范围从7-14MPa(1000-2000psi)降至小到1.4MPa(200psi)的压力下加压而用于新的低压成形。随着这些板片被加热和加压，粘度下降而材料沿着模具的轮廓流动，一般在大约2分钟后固化。SMC工艺方法不同于其中树脂和纤维在一单独作业中被预先掺混的各种液态模塑技术。SMC工艺方法的主要优点是不必制作一个塑坯。SMC工艺方法的主要缺点是其相对较长的循环时间和较低的制成工件的强度重量比。
在一种典型的RTM工艺方法中，一纤维塑坯安放在相称的工具之中，经受压缩，而一些低粘度经过静态混合的反应剂在范围从真空驱动到1.4MPa(200psi)的压力下通过单个或多个孔口被注入空腔。随着树脂前沿的前进，它通过安置在相称的工具上的一个或多个通气口驱出任何被截留的空气。在树脂开始流出各通气口之后，后者被关闭而工件被允许固化一般从4到30分钟，取决于工件尺寸、工件几何形状、孔口的数量和位置以及特定的树脂物料。RTM工艺方法的简图显示在以下图1之中。总的说来，RTM工艺方法的工具和耗能成本较低，但其较长的循环时间会降低产量。RTM工艺方法作为大量生产技术的主要缺点是其装料时间。
图2表明SRIM工艺方法，其类似于RTM工艺方法，主要的例外在于，树脂是在很高压力100MPa(1000巴)下以冲撞方式混合的，而后在范围从0.5-1.7MPa(70-200psi)的压力下被注入一加热工具。用在SRIM工艺方法之中的各种树脂物料反应非常迅速并 可在短至45秒之后固化。为了使模具在树脂胶凝之前装满，塑坯通常不超过30％容积比值。SRIM工艺方法一直得到采用而具有比可提供给RTM工艺方法的质量要好的模具、注入设备和工艺过程控制。这些因素导致两种工艺方法之间的明显差别是RTM工艺方法是一种生产很为强固的工件的缓慢而便宜的技术，而SRIM工艺方法是一种用于快速生产非结构上的零部件的较为精细和昂贵的方法。实际上，两种工艺方法之间的差别是微小的。一般在一较高质量的加热式模具中，SRIM工艺方法简直就是采用反作用式喷射模塑的RTM工艺方法。
图3示意性地表明在RTM和SRIM两种工艺方法中随着树脂前沿灌注一工件此前沿所作的进展。指出了比如注入具有40％纤维容积比值的塑坯的各典型时间。如果树脂被太快地迫使透过工件，可能截留住一些气泡或者可能移动塑坯的一些纤维，从而使工件性质恶化。另外，比方说通过从工件中心向外到边缘灌注树脂来改变流动路径是很难的，并且可能导致不均匀的性质。总的来说，树脂流动路径在减少这些技术的循环时间方面是起限制作用的因素。
在发表于“复合材料期刊”(Journal of Composite Materials)1995年25卷16号的“关于加压传递模塑(CTM)的研究”一文中，Young和Chiu说明CTM目标是“经由厚度方向的灌注”。在他们的试验装置中，他们让两半模具稍稍打开而把树脂在多种压力下和记录的装料时间内注入空腔。如果模具未充分打开，纤维塑坯只稍被降压，仍然防碍树脂的流动。一当确定了适当的开启间距，模具装料时间在同样注入压力下下降得超过RTM 37-46％。为此所提出的机构是在塑坯与模具之间的一种通道流动。随后关闭模具，以最小的纤维扰动很快地完成在厚度方向上的灌注。制成的工件的强度和模量证明为与RTM工件一样。CTM的局限在于，在注入期间塑坯不是硬性地保持就位且不造成一条真正的供树脂流过的通畅通道，从而限制了注入可能产生的最大速率。降低RTM工艺方法的流动阻力仍然是非常有益的，尤其是在灌注像汽车车体板材这样的很大的平面工件的时候。还应当指出，如果追求很高的纤维容积比值，注入模具的树脂量就不足以分布遍及模具，而加压时间必须延长以保证某些树脂流过平面内(in-plane)方向的时间。Dodge Viper公司为其许多零部件采用一种改型的CTM，称作注射加压系统(InjectionCompression System(ICS))，但由于年产量较低，循环时间可能长到15分钟。工件光洁度不完善，但这本来可能是问题在于工艺方法的其他一些方面，诸如树脂物料、松脱剂，等等。
另一种企图主要通过厚度方向进行灌注的革新性工艺方法是取得专利的司依曼复合树脂灌注模塑工艺方法(Seemann Composite Resin InfusionModding Process(“SCRIMP”))。这是一种基于RTM的改型，具有在一挠性器具下面真空辅助装置，因此只需要一个坚硬的模具表面。树脂被引导通过置放在器具各表面与塑坯之间的一种高透过性“分布介质”。在塑坯上抽成真空而树脂被引入并很快地通过介质被分布开来。树脂然后通过厚度方向灌注到工件里面，形成一非常均匀、高容积比值的工件。一多孔的表层线网安放在分布介质与塑坯之间，以致它可以被撤除和丢弃。此工艺方法已经证实对于灌注像大型船身和铁路车厢那样的巨大平面工件是极受欢迎的。SCRIMP工作良好，但作为一种真空驱动式工艺方法，它太慢了，而且还生成对于大量生产所必需考虑的过多的废料。司依曼(Seemann)具有另一专利(美国专利第5601852号)，详述了用在SCRIMP之中的透过厚度方法的一项改型，在一挠性的模制成的外部器具上采用一些有形的通道。此器具，不像真空袋囊分布介质那样，可以快速清洗和重新使用，但仍将不会产生为大量生产所需的循环时间和废料量。
另一种由Northrop Corporation的James等人研制的令人感兴趣的RTM类系统详述在美国专利第5204042号之中。这一工艺方法企图通过在模具各表面之间夹置一由Dow Silastic的E硅橡胶制成的弹性衬垫来避开RTM的最大纤维容积限制，即取作“按重量计50-60％”(对于玻璃估计可能)。衬垫受热时膨胀，在高达“按重量计75-80％”情况下压紧纤维。衬垫是在较低压力下予以灌注的，然后在受热固化时大大地缩紧。这样在形成一很高质量的工件的同时加速了灌注作业。像SCRIMP那样，只需要一个经过切削加工的模具表面，但要求一个非常刚硬的上部模具部分。
RTM类工艺方法中趋向于透过厚度灌注。CTM、SCRIMP和其他一些变型都达到了优于传统液态模塑及其各种改进的结果，但各自都必须为其所得而有所补偿。CTM减少了模具装料时间，但它仍然对于塑坯的容积比值敏感。SCRIMP甚至在高容积比值情况下都工作良好，但由于采用真空压力来驱动灌注而在速度上受到限制。Northrop的工艺方法提供了经过改进的模具装料和很高的容积比值，但它仍然受到它的平面内灌注路径的限制。
在许多近代工艺处理设备中的一项重要因素是可以在全工艺过程中实施的控制量。近代计算机技术的问世已经使得研制可通过一条导线联络并具有非常精密的编程和诊断手段的种种远矩输入/输出系统成为可能。这些系统已经找到它们通向越来越多的工业应用的道路并将在某一天代替所有当前以PLC为基础的各种控制器，以及已经在以前从来未有过的地方引入了精密的计算机控制。虽然在市场上存在许多不同的协议，工业控制市场和个人计算机市场已经结合起来以建立某些软件和联络标准。即使在目前，也存在着从一部马达的基本开通/关断控制到运行整个装置的范围广大的硬件和软件解决办法。
每一所知的工艺方法都具有一些限制，这阻止它们被用于生产利用了复合材料结构的全部潜力的构件。SMC工艺方法具有很短的循环时间，但它局限于具有较小纤维长度的较低纤维容积比值，降低了工件的比强度。RTM工艺方法可以运用较高纤维比值的塑坯，但树脂一般必须流经塑坯的平面，而纤维容积比值愈高，透过性愈低，以及树脂流动阶段变得愈加困难和愈加耗时。RTM工艺方法的一些变型一直企图通过采用多个分级式注入孔口来解决树脂流动问题，但工艺过程控制可能很难而每一模具必须刻意地予以优化。在SRIM工艺方法中，流动速率更高以允许使用较快固化的以冲撞方式混合的树脂，诸如聚氨酯。所需的较快流动速率把最大纤维容积比值的水平限定于远低于用于优化工件特性的水平。这些已知的方法已经达到生产必备的循环时间，但为此的妥协是一种较低的纤维容积比值，结果造成的工件带有多余的树脂而增加了不必要的重量和成本。
理想的液态模塑工艺方法是这样一种，它(1)可以容易地灌注很高纤维容积比值的塑坯，从而使所得工件的物理性质最好和使树脂的成本最低；(2)可以提供很短的循环时间，从而使大量生产尽可能地便宜；(3)可以采用非最贵的工具和工艺设备；以及(4)可以快速地、容易地和成本上合算地适应小型的生产运营。
发明内容
本发明的各种优点和目的将部分地在以下说明中予以叙述和部分地将从此说明中明显可见，或者可以通过实践本发明而获知。
为了实现本发明的各项优点和符合其目的，如在此所实施和略述的那样，在第一方面，分区式压力模塑压制机和工艺过程包括用于在包含第一模具和第二模具的压制机中制作模塑构件的方法。第二模具具有许多压力致动器，而每一压力致动器能够独立运作。此方法包括的各步骤是定位具有某一厚度的塑坯在第一模具之中；置放选定数量的树脂在第一模具之中，从而形成一树脂储囊；而后有选择地致动各压力致动器之中的一个或多个以迫使至少一部分树脂储囊灌注而透过塑坯的厚度。此方法还包括固化树脂灌注过的塑坯，而后从第一模具上卸除已固化的、树脂灌注过的塑坯。在定位步骤之后，可以在塑坯上安放一个顶盖。此顶盖可以用一个或多个压力致动器密封于第一模具。另外，此顶盖可以由一机械式夹紧装置密封于第一模具。树脂储囊可以形成在顶盖与塑坯之间。有选择地致动各压力致动器之中的一个或多个的步骤可以包括用于控制各压力致动器的计算机。此外，计算机可以响应第一传感器而至少部分地控制各压力致动器。第一传感器可以是压力或温度传感器。
第二方面，本发明包括用于在包含第一模具和第二模具的压制机中制作模塑构件的方法。第二模具具有许多压力致动器，而每一压力致动器能够独立运作。此方法包括的各步骤是置放选定数量的原料到第一模具里面，从而形成一原料储囊；以及有选择地致动各压力致动器之中的一个或多个以迫使至少一部分原料储囊吻合于第一模具。此方法还包括固化此原料和从第一模具上卸除固化过的工件。在置放步骤之前，具有某一厚度的塑坯可以设置到第一模具里面，而有选择地致动步骤借以迫使原料灌注而透过塑坯厚度。
第三方面，本发明包括用于制作由经过模塑和固化的原料形成的模塑工件的设备。此设备包括第一模具和第二模具。第一模具用于在原料被模型和固化时容放原料和用于限定模塑工件的第一表面。第二模具用于限定模塑工件的一第二表面。第二模具具有许多压力致动器，每一压力致动器能够基本上独立地在原料被模塑同时作用在原料上，每一压力致动器能够基本上独立地在原料固化同时作用在原料上。此外，一控制器可以有效地控制许多压力致动器。再有，一个或多个第一模具传感器可以装进第一模具，从而控制器可以接收来自一个或多个第一模具传感器的反馈。其中，一个或多个压力致动器传感器可以装进一个或多个压力致动器，从而控制器可以接收来自一个或多个压力致动器传感器的反馈。控制器可以包含一计算机。
第四方面，本发明可以包括一种用于由原料模塑顶盖的方法。此顶盖用于模塑工件用的设备之中。此设备具有上部和下部模具，上部模具具有许多压力致动器，而每一压力致动器能够独立运作。此方法包括的各步骤是定位具有一顶部表面的原型工件在下部模具之中；置放原料到原型工件的顶部表面上；致动许多压力致动器之中的至少一个以接触原料；以及固化原料。此外，致动步骤可以包括至少一个压力致动器向原料施加一给定压力。另外，致动步骤可以包括至少一个压力致动器被推移一规定的距离。再有，在置放步骤之前，许多压力致动器之中的每一个可以被落下而接触于原型工件的顶部表面和许多压力致动器可以被抬起以致每一压力致动器相对于其他各压力致动器保持一不变的位置。更进一步，致动步骤可以包括落下许多压力致动器以致于每一压力致动器相对于其他各压力致动器保持一不变的位置。应当理解，前面的一般说明和以下的详细说明二者都是例证性的和解释性的，而不是对于本发明的限制。
各幅附图，包含在本说明书之中并构成其一部分，表明本发明的几项实施例并与叙述文字一起用以解释本发明的各个原理。
图1是RTM工艺方法的示意图。
图2是SRTM工艺方法的示意图。
图3是表明随着树脂前沿在RTM和SRTM两种工艺方法中灌注一工件而取得的进程的示意图。
图4a表明本发明一实施例的分解视图。
图4b表明压力致动器的范例。
图5a-9表明本发明工艺方法的典型进程。
图10表明一就位的台阶式顶盖。
图11是一混合式气/液致动系统的示意图。
图12表明Interbus(联络总线)控制插板和输出模块如何连接于阀门系统以允许两种规定压力之间的计算机控制切换。
图13是一分区式压力模塑加压设备。
图14是由总线和加压部件各类别所形成的不同层次以及各类别之间使用关系的简图。
图15是用户接口处一压制机控制面板的实例。
具体实施例方式
现在详细参照示于附图之中的本发明的各示范性优选实施例。在凡是可能的场合下，相同的附图标记将遍及所有各图用于指明相同或类似的各零部件。
当前的此发明尤其是通过提供在模型装料时尺寸减少的顺序，以及通过保证严格得多的工艺控制水平，而改进了液态模塑技术状态。
工艺方法概述本发明可避免其他各种液态模型工艺方法的诸多缺点并采取不同的方法，灌注纤维塑坯而加压。不像RTM和SRIM两种工艺方法之中那样沿共面方向注入树脂，本发明的工艺方法和压制机10在有效控制下把树脂分布在工件的表面上，然后沿厚度方向予以施力。这样就大大地减少了装料次数而不致扰乱纤维取向，从而在相同的工艺方法中允许采用高体积百分率塑坯(60％+)以及快速固化树脂体系，诸如热固法。本发明的分区式压力模塑技术可形成对于树脂流动的全面控制。
如图5a-9所示，本发明的分区式压力模塑工艺方法采用一下部模具20，模塑用的原料22置放其中。一般，原料22包括纤维塑坯24和树脂34，虽然原料22可以只包括树脂34。此外，树脂34不必是一种单一组分，而可以包括多种材料中任何材料所制成的各种的填充剂和/或粘合剂。一上部模具总成26用于在原料22表面上施加压力。上部模具总成26包括一组压力致动器28。这些压力致动器28的每一件可向下部模具20之中原料12的一特定部分或区域30施加压力。一顶盖32可以安放在原料22上面。通过控制由各个压力致动器28施加在每一区域30上的压力，可以既在模具装料过程期间，也在固化期间，实现对于原料22上压力分布的完全控制。
图5a-9表明本发明分区式压力模塑工艺方法的一典型进程。在图5a中，塑坯24装放到模具20里面，顶盖32密封起来，并在此部分上抽成真空。各压力致动器28然后被起动以便在塑坯24上造成附加压力。在图5b中，一个或多个中心区域30a留下来不受各压力致动器28压缩，而一些树脂34，优选地是，是经过仔细计量的一些树脂，通过顶盖32被注入这些未经压缩的区域。形成在塑坯24与顶盖32之间的树脂34的鼓泡随后用作一灌注塑坯24的贮囊36。各中心区域30a上的压力是逐步加大的，迫使树脂34穿过此范围内的塑坯24厚度。一般，各中心区域30a上的压力是在相邻各区域30b上的压力保持在较高水平的同时予以加大的。这就使迫树脂34在各中心区域30a内行经塑坯24的厚度，并阻止树脂34进入相邻各区域30b。当中心区域30a已经灌入而透过该厚度时，相邻各区域30b上的压力予以减小而各中心区域30a上的压力予以加大到头，迫使贮囊36如图6之中所示流进相邻各区域30b。结果是，树脂34相对来说很快地从一个区域流向另一区域。另外，相比于现有技术的各种液态模塑工艺方法，随着树脂34流进塑坯24，它是在大得多的范围内并主要是在穿过厚度的方向上如此行事的。这种工作循环一直重复到树脂34已经到达顶盖22的周边为止(图7)。一当塑坯24被完全灌注(图8)，使工件38固化并从模具20取出成品38(图9)。这样，本发明的工艺方法可能允许理论上减少模塑装料时间至少一个数量级。
本发明的分区式压力模塑工艺方法和压制机10还提供了一些在控制工件质量方面有用的附加特性。在灌注期间，会聚的树脂34各流动前沿可以在一工件中导致一些熔接迹线或造成一些空穴。本发明的工艺方法可以通过循环操作各压力致动器28，即控制各个压力致动器或各组压力致动器以致改变施加于特定各区域30的压力而消除或减少这些熔接迹线和空穴。通过循环操作各压力致动器28，这些区域之内的树脂34可以彻底地予以混拌。从而，在最初灌注树脂34之后，各压力致动器28可能形成一种遍及塑坯24在树脂34之中造成多个微细流动的搅混循环，确保纤维完全浸湿。另外，比方说，具有广泛多样厚度和/或孔隙度的塑坯都可以勿需关注树脂前沿的不规则形状而予以灌注。用于任一特别给定的工件的某一压力致动器控制算法可以制定出来以适应任何必需或优选的流动状况。顶盖顶盖32，可以形成上部模具表面40，把由各压力致动器28施加的力量传递给装进下部模具20的塑坯24。顶盖32一般需要足够的挠性以适应各压力致动器28分区作用，但仍需要足够的刚性以适应各区域30之间的过渡范围。顶盖32的下部表面42优选地是模制为塑坯24的形状。在使用时，顶盖32安放在塑坯24上面，并优选地是密封在下部模具20上。由于顶盖32是挠性的，所以它可以变形以适应当各压力致动器28解除或部分解除时树脂34在塑坯24上面而不是穿之而过的流动。
顶盖32可以做得以致顶盖32的上部表面44是台阶式的，即上部表面44可以配置多个压力致动器接触区域或台阶46，每一台阶垂直于各压力致动器28的致动轴线(见图10)。顶盖32的下面表面42构成上部模具表面40，并因而，顶盖32的下部表面一般使其轮廓符合于所需成品38的形状。每一压力致动器28可以配置一基本上平底的垫板48，用于施力于顶盖32上部表面上各台阶46之一，而不论下部表面42的形状如何。顶盖32的这种制作方法，即为顶盖32配置一似通用的台阶式上部表面44，会使压制机10的设计或装设基本上不依赖于有待模塑的各工件的形状，从而提供了在同一压制机上陆续进行不同模具的灵活性。
实际制作这样一种顶盖32的一项可能的方案开始会嵌入一样品工件50到下部模具20之中，使顶盖32的下部表面42得以限定。各压力致动器28然后可以落下到样品的上部表面，锁定就位，而上部台板的连同锁定的各压力致动器28可以抬起以形成样品工件50与各压力致动器28之间的一个间隙。所选定的顶盖材料随后可以倾倒、注入、铺设、或以其他方式直接或间接安放到下部模具20之中的样品工件50上面。上部台板60，在各压力致动器28仍然锁定就位的情况下，然后可以落下到一个其初始位置减去所需顶盖厚度的位置上，并使顶盖材料固化。
制作一台阶式顶盖32的另一可能方案可开始于模具设计阶段。比方说，可能用来设计模具本身的软件，诸如CAD/CAM软件，会具有当模具备好以便作机加工或装配时所选定的性能，它会自动地设计一单独的块，具有顶盖32上部表面44的适当的压力致动器台阶轮廓。这一轮廓然后可以从便宜的加工材料中切削出来，并用作顶盖32上部表面44的模具。
另外，由于多种原因，可以优先采用一不具有台阶式上部表面的顶盖32。比方说，各台阶46厚度的变化会导致顶盖32的局部刚度的变化量大得不可接受。这种刚度变化可能会阻止顶盖32的均匀挠曲，后者通常允许树脂贮囊36从一个区域到一个区域地被移动。在此情况下，各压力致动器28的垫板48可以设计得更为接近地吻合工件38所需的形状。顶盖32的制作和成形可以类似于以上所述，但既不需要把各压力致动器28锁定就位，也不需要压力致动器台阶轮廓块被用以模制顶盖32的上部表面44。相反，由于各压力致动器28的垫板48几乎会吻合工件38的顶部表面，所以顶盖32会具有基本上不变的厚度，而顶盖材料只需要铺放在样品工件上而达到一所需的厚度。确实，在某些应用场合下，顶盖32会只需要是一薄平板片以有助于密封模具，并在这种情况下，一种诸如薄而又平的弹性板片可以用于制成顶盖32。更进一步，这样一种弹性材料可以以一部分经过固化的状态予以提供，而后它吻合于塑坯24用于最终固化。相反，如果一模具，如上所述，希望有助于制成顶盖32的上部表面，它可以直接由CAD/CAM软件予以设计/加工。
同样如上所述，各压力致动器28的垫板48可以制作得吻合或近似地吻合于成品38的顶部表面。这一点可以通过把垫板材料浇铸和固化在模具之中的一样品工件上去，然后把垫板材料切割成为适当数量的各片，而予以实现。
在又一种可能的制作方法中，各压力致动器28的垫板48和顶盖32可以制成为一整体组件。这一结构可能是特别适用的，如果在成品38的曲率方面没有急剧的变化；各压力致动器28的活动范围在树脂各灌注工序期间很小，而且各垫板48对各压力致动器28的装接方式允许一定程度的倾斜或游动。与上述各吻合式垫板的制作情况一样，整体式垫板48/顶盖32可以浇铸到模具中的样品工件上去并就地固化。在整体式垫板48/顶盖32装接于各压力致动器28的情况下，各压力致动器28会被局限于很小的相对运动。
顶盖材料选定的要点是要确保足够的挠性以形成一充足的树脂贮囊36，同时具有足够的刚性以保证在相邻各区域30之间连续的压力分布。刚性也必须高到当被模制的工件曲率很大时足以防止顶盖32的不合需要的变形或抹平。其次，生产所需的大量工作循环要求一种抗疲劳和抗磨损的顶盖材料。另外，液态模塑工艺方法本身自然要求很高的最大温度和处理重复的热力循环的能力。选定顶盖材料时还必须考虑到与用于液态模塑工艺方法之中的许多不同树脂族系的兼容性。最后，只是以板片形式可供使用的各种待选材料必须柔软到足以吻合大曲率的各个区域，以及足以在以下所述的任何一些嵌件附近适当地变形。柔软的顶盖32，构成上部模具表面40，可以用一种纤维增强合成橡胶或橡胶变性乙烯酯来制作。
大多数情况下，可能希望把顶盖32密封于下部模具表面62。可以提出用于设置这样一种密封的两种可供代换的方法。第一方案可以先使一机构把顶盖32围绕下部模具20各边缘压紧于此模具。这样一种机构，比如，可以是气动的，类似于各压力致动器。另一方案可以是一简单的机械式卡具。一方面，顶盖32可以刚性地连接于上部台板60，把上部模具总成26随着台板60落下就位而密封于下部模具20。实际的密封件64可以由顶盖材料本身或由另外的板片、垫片、O形圈、nubbios等制成。其次，用来把顶盖32密封于下部模具20的方法也可以供模塑网状工件，亦即，模塑那种不需要修整的成品38之用。
大多数情况下，将同样要求顶盖32包含或对接多种附件66(见图13)，包括(但不限于)喷嘴、抽空或其他嵌件、传感器、工件解脱嵌件，以及均压盖板。
最后，可能希望把温度控制装置装进顶盖32。除其他各种方式之外，可以通过选择材料来实现温度控制。比方说，顶盖材料可以包含诸如剁碎的纤维这样的添加剂。另外，顶盖32可以由多层一或多种材料组成，比方说，包含一可能的金属层。温度控制还可以通过具有一基本上透热(比如很薄)的顶盖32来予以实现。在某些情况下，电加热顶盖32可能是最佳方案。压力致动器一组压力致动器28设置得可选择地向塑坯24或被模制工件的各特定部分或区域30施加压力。这些压力致动器28可以包括各气动、液压、电力或电磁致动系统，各自向塑坯24的一特定部分或区域30施加压力，一般经由一传压板70。优选地是，这组压力致动器28是计算机控制的。
这组压力致动器28一般会装接于一台板60，而升起或落下台板60会升起或落下这组压力致动器28。因而，比方说，可以通过锁定每一个别压力致动器28的任何活动并然后简单地落下台板60而向塑坯24施加压力。另外，可以通过锁定台板60的任何活动，而后致动一个或多个各别压力致动器28来向塑坯24施加压力。
在每一压力致动器28的下端处一般设置一传压板70。传压板70可以刚性地装接于压力致动器28，或者装接方式可以提供一个或多个自由度。比方说，在某些应用场合下可能希望把各传压板70经由一些球铰装接于各压力致动器。其次，如果在装接方式上保证了一个或多个自由度，则可能希望于允许的各种活动中的一或多种存在阻力。比方说，各球铰可以是予加载荷的。
各传压板70的大小、形状和材料，除其他因素之外，要由成品38上部表面的几何状况、对于相邻各板70边缘互补性对正的可能要求比如说包括各边缘可能互相锁定、传热和/或热胀方面的考虑，以及有待施加于塑坯24的所需压力这些因素所支配。如果顶盖32是台阶式的，如上所述，各压力致动器28的传压板70可以只需要是可能用铝或钢材加工出来的一些简单的块体。不过，如果顶盖32不是台阶式的，则各传压板70优选地是吻合或近乎吻合于顶盖32的上部表面44。
另外，近乎吻合于或是顶盖32上部表面44或是塑坯24顶部表面的各垫板48，如果不需要顶盖，可以装接于基本上各平整的传压板70。比方说，各垫板48可以是粘接于或以其他方式固紧于各传压板70的弹性垫板。一种台阶式垫板板片可以以类似于以上针对台阶式顶盖32所述制作方法的方式予以模制。这种压力致动器台阶式垫板板片然后可以切割成为各个压力致动器垫板48，各自粘接于一平整的传压板70。
垫板材料的刚性应当是，向塑坯24或被模制工件38施加压力期间垫板48的变形不致造成区域间的干涉。疲劳、磨损和传热特性总是材料选择过程中所需考虑的事项。其次，如果在压力循环期间，各垫板48随着各致动器28升起和落下而彼此蹭靠，则各垫板之间的滑动摩擦必须减至最小。最后，各区域30间的公差或允差受工艺要求以及顶盖刚性考虑的影响。比方说，高温工艺方法可能要求附加的间隙以将各垫板48的热胀考虑在内。
在一些应用场合下，可能希望在各压力致动器28之间形成一种机械性锁定面接。这种锁定面接会保持各压力致动器28适当地间隔开来和排列均匀，并且可允许各压力致动器如下所述分担由模具曲率所造成的侧面载荷，以及此外对各压力致动器预加载荷。
在一些应用场合下还可能希望提供各压力致动器28的温度控制，包括可能的各压力致动器传压板70和垫板48的温度控制。各传压板和垫板的主动和被动温度控制可以补充或代替为顶盖32所设置的任何温度控制而予以设置。各压力致动器28的温度控制可以考虑分区式的温度控制，对于较大的控制程度，可能希望在全部灌注和固化过程中作到这一点。此外，比起较薄的顶盖32来，在各压力致动器28中实际附装温度控制装置显著地要容易一些。一透热的顶盖32会提高施加于各压力致动器28的任何温度控制的作用。
任何一种广为多样的传感器72，最为具体地说，旨在控制和监测灌注和固化过程的那些压力和温度传感器，可以装接于各压力致动器传压板70，或者可能比较容易地，模制到各压力致动器垫板48里面。
各压力致动器28必须具有充分的行程以使顶盖32能够挠曲得足以让树脂贮囊36填满。除其他因素之外，所需行程的大小取决于顶盖32的刚性、施加于塑坯24的压力、压力致动器28的尺寸和形状，以及工件的尺寸和几何状况。比方说，一较为刚硬的顶盖32比起一较为柔软的顶盖32来，会要求较小的压力致动器28行程。在一较大工件上可能希望一较大的储囊36以使树脂34四处往来，因而可以要求一较为柔软的顶盖32和较大的致动器行程。其次，压力致动器28必须具有充分的行程以适当地把塑坯24压缩到其最终所需的纤维容积比值。
各压力致动器28一般将安装于一上部台板60。整个上部模具总成26(包括上部台板、各压力致动器、各传压板、各垫板和顶盖，以及要有的等等)必须在每一固化循环的末尾向上移动以允许工件38撤出。上部模具总成26的这种升起和落下可以采用电致动的球状螺旋或类似的装置予以实现。
体现本发明的工艺方法的一条生产线可以包括几件下部模具20，它们在压制机10之外备好和装放、转进压制机10以便灌注和固化，然后转出以便工件撤出。在此情况下，传送系统需要建立起来以挪动下部模具20和塑坯24各总成，包括自动连接任何一些加热/冷却管线，以及自动对正下部模具和塑坯总成与上部模具总成26。
在大量生产情况下，一快速脱解系统74-可使任何一些控制线路、一些加热/冷却管线、导线或其他这类线路与各压力致动器28解除连接，从而促使各致动器28自台板60脱解开来-会使各压力致动器28的修理和维护容易一些。其次，对于有待用于广为多样模具的一部压制机10来说，迅速和简易地更换各压力致动器28，从而调节系统的行程和/或装载能力的功能是很具吸引力的。另外，也可能希望设置能够被单独就地调节的一些压力致动器28。比方说，一种摩擦和/或基于槽沟的系统，其在操作上类似于用于载运钢锭的大钳，可以有效地用于调节各个压力致动器28的高度。这种调节可以在安装压力致动器28于台板60时，或是在压力致动器缸体与传压板70之间的连杆内，予以实现。
对于一大生产量压制机来说，各传压板70一般会是刚性地装接于各压力致动器28，而顶盖32一般会是台阶式的。对于一小生产量压制机来说，由于设计得要与多种多样的模具和顶盖32一道使用，各传压板70可以以枢转方式装接于各压力致动器28。这样一种可枢转的装接可以包括一偏压元件。在一些情况下，可能希望有一种快速脱解装接装置，以便把各传压板70联接于各压力致动器28。
本发明工艺方法的各种好处，即使当相当大的区域30用以协助透过塑坯24灌注树脂34时，也可以实现。这一点对于较大的工件38、带有中等曲率的工件38，或带有较低纤维容积比值的工件38，可能是特别真实的。在这些情况下，可以确定各组区域，其中每组区域包括多个区域30、连续的顶盖部分，以及多个间隔开来的压力致动器28。在每组区域之内，在靠近一压力致动器28的各处会是局部刚性的，但在不靠近各压力致动器28的各处会是稍微比较柔软的。在遍及任何一组区域具有几只致动器的情况下，此组区域可以一次全部落下，或者各压力致动器28可以陆续地予以致动而遍及被模制工件38的表面上向下推动。由于在一组区域之内的各压力致动器28可以被间隔开来，所以这一技术会减小所需致动器的数目，但仍然沿着一条以上的轴线作出对树脂34的动态控制。这一技术可以更进一步地采用于各致动器28可以直接地装接在顶盖32里面的场合。如上所述，顶盖32一般柔软得足以供树脂储囊在顶盖2与塑坯24之间移动之间，但也刚硬得足以传递需要用以透过一大纤维容积比值的塑坯灌注树脂34的压力。
操作期间，各压力致动器28必须提供足够的压力以紧压塑坯24而达到其最终的纤维容积比值，但此压力不是大到以致于它损坏了塑坯24。区域尺寸(面积)和斜度确定任一给定致动器28的轴向输出载荷。对于一给定的轴向输出载荷，倾斜的各区域30，亦即表面的法线与压力致动器28中心轴线成一角度的各区域，经受比平整各区域30要低的压力。因此，相对于平整各区域，倾斜的各区域将要求来自压力致动器的较高轴向输出载荷以达到所希望的最终纤维容积比值。这样，可能需要具有不同输出载荷功能的各致动器以便遍及成品38通体获得均匀的纤维容积比值。另外，采用本发明的工艺方法可以专门设计和容易制作具有各不相同的纤维容积比值的成品。
其次，施加压力于倾斜的各区域30将造成各侧面载荷产生在各压力致动器28之中。这些侧面载荷的大小一般是所加各轴向载荷、顶盖32或塑坯24或被模制工件38的上部表面44的斜度，以及用以把各压力致动器28的顶部联接于台板60和把各压力致动器28的底部联接于顶盖32或彼此联接的各种机构的函数。各压力致动器28必须定好尺寸和设计得适当地承受这些侧面载荷。
不同的装置可以用来向工件38施加压力。此前概述的方法主要处理或是直接地或是通过顶盖32向塑坯24施加压力的压力致动器28。不过，在本发明的范畴之内，也可以采用任何别的适当装置。比方说，也可以采用尺寸和形状适当定出的一些可充气袋囊来施加压力，一当充气，这些袋囊即可施加压力。
虽然本发明的工艺方法可以用于许多形状的一个被致动的上部模具表面，但优先的致动系统包含一种气动解决办法。与传统的各种工艺方法相比，本发明的工艺方法是一种低压模制操作。总的说，气动装置一般比液压装置便宜而又干净。采用气动的主要缺点是产生充分的气动压力以在所需的灌注和模塑压力下操纵各压力致动器、在系统中经受较大的压力瞬变，以及在急剧增长的、既能应付较高压力也能应付流率的各种阀门的成本方面有所牺牲。比方说，为了达到经由压力致动器传压板施加于塑坯的一个典型的400psi压力的设计约束条件，在致动缸体中需要显著较高的气动压力。能够适应如此高的气动压力的各种阀门，诸如2路3孔定向电磁阀门或比例伺服阀门，都是很贵的。
采用这种高气动压力的另一可供代换的方案是一种多缸气缸设计，在此，几只活塞在一缸体内装接于一共同的轴件，从而用缸体高度的增大换取输出力量的增大。比方说，一个以150psi空气运行的四活塞缸体可以具有一个以550psi空气运行的缸体的输出力量。一项缺点是，难以把一多缸气压缸体结构装进一生产压制机之中，由于高大的各缸体会占用太多的空间并在压制机10本身上造成较大的弯曲载荷。气压致动器的另一项缺点是，当致动器必须移行一定距离而后接触于顶盖或塑坯并施加所需压力时，必须充满以形成接触的缸体容积却充满不在作任何功的高压空气。这种无效现象会大大地增加此工艺方法的空气耗量。
实施全气动解决办法的一种可供替代的方案是，转向采用液动。在液动的情况下，可供利用的压力增大意味着并不需要力量倍增，而且可以简化致动器的配装。一项实施例可以包括把承压表面和各液压缸集成在各致动器之中。各内缸的外径可以起到一平常轴承的作用，滑动在一装接于活动的致动器表面的、研磨过的缸体内部。这一实施例会造成显著大小的承载面积和最小弯矩，解决了在采用很高、强力的各气压致动器方面所遇到的各主要问题之一。
全液压解决办法所附带的问题是，需要在遍及致动器行程范围内控制其中的压力。这一点用气动方式是容易达到的，由于空气是一种可压缩的介质，而且行程上的微小变化只导致压力上的微小变化。在液缸的情况下，活塞位置的微小变化可导致缸内压力下降到零(由于液压液体不膨胀)，如果所需的致动器压力不同于供液压力，则使得难以遍及整个冲程保持受控的压力。这一问题传统以采用一液压蓄压器来加以解决，后者简单地由一作用于一液压流体储槽的气动压力源组成。
一种混合式气动/液压系统80，如图11之中所示，设计得可在正确压力下提供有效的液压动力。由于供向压力致动器28的一致动液缸82的大部分液压液体只用以推动致动器传压板70与顶盖32或塑坯24接触，所以可以采用双重压力系统。低压泵84可以用以推动致动器传压板70与顶盖32或塑坯24接触。这种情况出现时，系统80可切换到高压液源。高压液体(达2000psi)可来自一气动增压装置。两个缸体可以联接在一起，第一个是一气缸86，可致动第二个，即液缸88。因而，比方说，如果面积比是20∶1，则一增压的100psi的工作空气可造成2000psi的液压，此两级液压系统也可以保证效率提高，是因为高压液体不会在推动各致动器与顶盖32或塑坯24接触时被浪费。下部模具关于用于本发明工艺方法之中的下部模具的设计和制造的一些考虑类似于对于用于SMC工艺方法之中的各种模具的那些考虑。模具的刚性是影响模具几何状况和材料选择的关键问题。模具材料的硬度是在大批生产设计时要考虑的另一关键。通过模具表面的传热能力是很重要的，因为下部模具20一般地将用于工艺过程的热力控制。模具材料与树脂物料的相容性也是一项要考虑的问题，而且虽然典型的钢制模具一般相容于大多数树脂，但其他一些模具材料则会产生一些问题。最后，对所有模具来说，材料的成本、制造的难易，以及可供应性，也都是重要的考虑事项。
一般，温度控制系统都迳直地设计和制造在传统的模具中，而本发明的下部模具也不例外，由于下部模具乃是在灌注和/或固化过程期间最为可能的添加和/或去除热量的通路。多种多样的技术方法可以用以为下部模具20配置温度控制。比方说，钢制、金属制或其他可作机加工的模具都可以配置一些机加工成的内部冷却线路。另外，温度控制可以通过交叉钻切蜂窝状背衬材料而形成。夹芯结构，一般是铝制蜂窝板，相对于一具有同样重量的实心板件会增添刚性，而冷却或加热空气可以穿过交叉钻切出来的各通路以促进传热。本领域技术人员普遍公知的其他一些温度控制方案也是可以适用的。
模具的曲率会影响压制机10的许多其他方面。一般，希望一种具有较少陡峭斜度或曲率的模具。随着曲率的增大，区域30的有效面积增大，以致由压力致动器28中一给定力量施加于塑坯24的压力减小了。此外，较陡的斜度会在致动器上以及周围各区域上产生较大的侧面载荷。较大的曲率也会如上所述增加由各压力致动器28滑蹭或抹平顶盖32的机会。
在上述顶盖32的情况下，下部模具20可以配置各种各样的传感器。温度、压力、湿度和其他传感器都可以用以监测和控制灌注和固化过程。许多这样的传感器可以装进下部模具20表面上机加工而成的各部分上。其他传感器可以模制到顶盖32里面，或者甚至模制在各个压力致动器28上面。另外，这些传感器可以迳直地模制到一复合模具的表面上面。塑坯本发明的工艺方法原先曾设想解决在液态复合模塑中灌注纤维质塑坯的情况下的各种问题。不过，本发明在所有液态模塑作业中都具有同等价值，并且不要求采用塑坯24以利用其树脂迅速分布能力。塑坯一般包括用于复合工件的纤维质加强部分，以及一种粘合剂或其他制剂以帮助纤维在操作期间保持其形状和取向。塑坯还可以包含表面面纱、镶嵌物、芯件、肋板，或者在成品中所需的任何其他一些东西。
本发明的工艺方法关于塑坯24的材料或组装过程不作任何假设。塑坯的范围可以从多孔固体到真空和其间的任何物体，它们都需要用一种液体予以灌注。注入树脂物料注入树脂34到形成在塑坯24与顶盖32之间的储囊36里去优选地是可以借助具有可变比例功能的注入机予以实现。可变比例功能给予此注入机以注入许多不同树脂物料的灵活性。一般，对这样一种设备的唯一限制是其注入各种聚氨酯的能力，它们比起大多数其他树脂来要求不同的设置。不过，在生产环境中采用聚氨酯的可能性不大，而对注入机的限制并非是对本发明通常作法的限制。
一般，注入树脂34可以属于反应注入模塑类型或是属于树脂传输模塑类型，取决于树脂物料的一些要求。一种具体树脂物料的选定一般基于各种工艺处理参数、最终用途应用特征、成本，以及可供应性。本发明的工艺方法可以适应几乎所有已知的树脂物料快速和缓慢固化物料、高和低粘度树脂物料、吸热或放热固化树脂物料，以及其间的一切树脂物料。
在一些情况下，固化某一具体树脂期间的热力特性可能支配着模具的所需温度功能。
其次，本发明的工艺方法基本上对于包含在树脂物料中添加剂或填充剂不设置任何限制，虽然优选地是，此工艺方法将用于一种具有适宜的模具脱解特性(relese characteristics)的树脂物料。某些树脂物料具有优越的固有的模具脱解特性，而其他一些则需要添加剂来改进其模具脱解特性。填充剂可以降低树脂的成本，而其他一些添加剂可以大大地提高表面光洁度。
优选地是，设置一真空泵以抽空模具内腔。抽空孔口的位置和数量是本领域技术人员能够确定的一些设计变量。采用真空泵要求模具内腔被密封起来。如上所述，存在着几种用于把顶盖32密封于下部模具20的方案。
另外，一般说来，顶盖32将形成各压力致动器28之间的一种密封。不过，由于本发明工艺方法的某些实施可能不使用顶盖32，在各个压力致动器28之间可能需要与顶盖32分离和与之不同的一些密封以防止树脂34漏出。拽出(pultrusion)本发明的工艺方法容易地适用于拽出过程。在本发明工艺方法的这样一种拽出实现过程之中，一拽出模可以划分成为几组区域，每组区域分段成为由各个致动器控制的各区域。不像第一实施例的工艺方法之中那样使储囊36移动而越过塑坯24，而在拽出过程中塑坯24会被拉拽而经过储囊36。每组区域中的各压力致动器28像结合第一实施例所述的工艺方法之中那样会作出类似的动作实现夹紧以防止树脂流动；灌注；储囊转移；以及压紧到一最终的纤维容积比值。
本发明的工艺方法在应用于拽出过程时可以通过或是减小模中的夹紧载荷或是与工件一起移动各区域而减小为从模中拉拽最终产品所需的载荷。较小的拉拽力量会允许拽出具有较大表面面积的较大截面。
拉拽载荷在传统的拽出作业中不是定常的。当一卷加强材料用完时，下一卷必须拼接到前一卷的端部。为确保最终工件的连续性和强度，两卷的拼接端部必须是叠合的。由于叠合而造成的厚度暂时增大会增大通过固定宽度的拽出模的阻抗载荷。本发明的工艺方法在应用于拽出过程时是压力受控而不是体积受控的并在工件上保持不变的夹紧和阻抗载荷。稳定的阻抗载荷可使工件拉拽得更为均匀、更为前后一致，以及更为可以预知。工艺变量的重要意义本发明的工艺方法对各种竞争性生产工艺的优点在于其在较为密集和较为复杂的加强部分的情况下较快地生产较为复杂形状的较为均匀工件的能力。为实现这一点，实施了对于树脂34和塑坯24二者的主动控制。这种控制的具体来源是向塑坯24不同分段施加不同压力的能力。
级差式施加压力于塑坯24是控制树脂34的流动的关键。主动控制此流动是保证各复杂模具和塑坯迅速装料的唯一途径。此外，主动控制可促使实现装料过程中的均匀性。最后，主动控制可使此过程与装料过程仿真相一致地得以优化，是因为它使本领域技术人员仅以各种容易预测的方式而迫使树脂流动。
按照达西(Darcy)定律，确定树脂流动方向和速度的一些因素是，树脂中的压力梯度、树脂流动所在的介质的渗透性，以及树脂的粘度。对于施加于塑坯24顶部的压力的主动控制使得可能在很大程度上控制这些参数的前两个，而在较小程度上控制第三个。
当区域30并未完全被灌注但具有从上方灌注到它里面的树脂34时，增大施加于该区域30的压力会造成压力梯度，其很快地推动树脂34通过塑坯24的厚度。向完全灌注的两个相邻区域施加压力将导致树脂34穿过塑坯24平面而流动在两个区域之间；快速循环面内压力梯度的方向将在各区域边界处搅混树脂34并可以予以实施以防止各熔接迹线和其他一些缺陷，如上述。同样存在一种在树脂34与真空之间的自然压力梯度。
塑坯24分段的渗透性也可以由施加于该分段的压力予以操纵。这样就允许一个区域一个区域地控制塑坯24对树脂流动所呈现的阻力，并因而可形成另一个同等重要的用于控制树脂何时走向何处的机制。树脂34可以通过高压紧固在区域30上而被阻止进入干燥区域。
这两种机制，即利用压力梯度以快速推动树脂34通过塑坯24的厚度，以及紧固干燥塑坯以控制各流动路径，都能够使本发明的工艺方法既实现其低循环时间也实现其质量控制，即使对于复杂的工件也是如此。由于本发明的工艺方法可以以很高的纤维容积比值来灌注工件，所以结果得到较好的结构特性。由于各区域30是通过塑坯24的厚度而被灌注的，所以灌注开始于一个当时未处在高压下的区域而因而具有很高的渗透性，各区域30灌注得很快。此外，区域30在正被灌注时可以被压紧到很高的容积比值。
几个与压力相关的问题必须予以考虑。压力必须高到足以快速地把树脂34灌注到塑坯24里面。在各干燥塑坯区域30上的特定压力必须足以使各区域相对来说是不可渗透的而不损害塑坯。施加于不同区域的压力必须不是差别很大以致使得所得到的最终经过灌注的塑坯厚度改变过多。各区域之间压力的变异可以导致以下事实，即一个区域的投影面积(压力致动器28向其施加力量)将有时不同于其真实面积。
了解各树脂物料的粘度是重要的，以便把物理特性数据供给流动仿真。粘度取决于温度、剪切速率(这依赖于树脂流动多快)，这本身又受由各致动器造成的压力梯度的影响，以及固化状态。工艺变量范围本发明的工艺方法可以在模塑期间支持范围很广的条件。下面是各种变量和本工艺方法可以运作在其中的一些典型运作范围的表格。此表格并不意味着限定本发明的工艺方法可在其中工作的各种变量的范围，而只是提供对于各典型运作范围的了解。
本工艺方法可能有一种高温类型，如果顶盖代之以各压力致动器之间的密封的话。比方说，在一陶瓷模具和各陶瓷压力致动器的情况下，融熔的金属可以在高达2600°F的温度下予以加工处理。
对于一些特殊的应用场合，较高压力是可能的，但本发明的工艺方法的低成本优点在大约450psi以上开始消失，是因为致动系统、模具和压制机的复杂程度增加了。控制系统硬件对于本发明的工艺方法来说，任何可以分别地控制压力致动器阵列中各压力致动器28的系统就足够了。
在一实施例中，在本发明的分区式压力模塑压制机10上实施了一种基于PC的控制总线。如所实施的那样，此基于PC的控制总线建立在德国公司Phoenix ContacT的Interbus(内部总线)系统的基础之上。虽然控制软件已经概括到控制硬件可以在任何一处都容易更换的程度，但Interbus系统此时可能是最为符合本发明的分区式压力模塑的工控网络。Interbus还使得可能对于本发明的各种应用作出任何一些今后修正的、广为多样的工业I/O模块、PLC接口、马达起动器等等实施起来容易得多。如图12之中所示，分区的压力模塑压制机控制系统硬件可以包括控制器卡90和连接并控制各阀门，诸如各压力选择阀门90和各区域开通/关断阀门96的输入/输出模块，这些阀门本身又控制各压力致动器28。
如当前所实施的那样，控制系统硬件只包括带有Interbus控制器卡(IBSPC ISA SC/I-T)的标准WINTELPC，以电缆将其连接于具有16个数字输出端(IB STME 24 DO 16/3)的模块。该模块基本上是一工作台，带有按照控制器卡的指令而供能的24VDC继电器。区域致动是在各电磁阀接线于输出模块时实现的。在此具体应用场合下，用的是由SMC制造的24VDC电磁阀。
需要多个施加压力以适当地识别那些影响工件质量的参数。在NVS3114均衡式卷筒的情况下，各供压口98和各排放口100都可以予以加压并用以选定两个预设压力之中的一个。这两个压力是由压力调节器设定，一个低压调节器102和一个高压调节器104，并且由一管汇106分配给各选定器阀门94。这些选定器阀门然后把加压空气传送给各NVS 3115阀门，后者又开通和关断各个压制机区域阀门，向各致动器加载。总之，此气动系统允许对于一个分区式压力模塑致动器的三种状态进行计算机控制(低、高或脱离)。如所实施的那样，各致动器应当施加的最大设计压力是500psi。由于压制机上所有的气动系统部件只额定为150psi，所以连接一对3英寸孔径、1英寸冲程的Bimba气缸以施加500psi于一个区域。
Interbus也被期望完成除了区域致动功能之外的其他一些功能。比方说，如所实施的那样，通过下部模具20上的一孔口110向塑坯24提供真空的真空截止阀108也可以接线到压制机10的输出模块92里面。如果希望或需要一种较为自动的分区式压力模塑压制机10，除了其他方面之外，Interbus系统也能够控制真空泵、压制机台板运动、模具装放和卸除，以及与设备人式的塑坯装放和工件卸除工作站的联系。
图12表明Interbus控制器卡和输出模块如何连接于阀门系统以允许在两个调节的压力之间进行的计算机控制切换。图13表明分区式压力模塑试验压制机中的目前实现情况。
这一Interbus系统采用双气动阀门，这使得Interbus系统可能成为用于大数量数字输出的最快的可供使用的系统。此Interbus也被考虑，是因为它兼容于任一阀门制造厂家，并因而不像某些其他场总线(fieldbus)系统那样缩小阀门的选定余地。Interbus以及任一其他场总线系统的已知主要缺点是，模拟-数字转换发生在总线之外并随后沿着公共通信线路被传输给中心处理器。这意味着模拟信号被限制于可能限制某些反馈系统的响应的一些低取样率。为克服这一缺点，可以装有一数据采集系统，从而模拟信号可以沿着一专用信号线路被传输给处理器。
可以实施本发明工艺方法的压制机10将装设多种传感器，包括比方说那些测量模具中或致动系统中的压力；温度；树脂流动前部位置；以及固化状况的那些传感器。这些传感器可以用于诊断目的，并且也可以用于模塑和固化作业期间主动反馈。控制软件将控制生产压制机以便实施本发明的工艺方法的功能性控制程序软件可以包含以下各个逻辑组成部分第一，可以有一总线控制模块，即，控制经由通信总线向压制机硬件通信的特性。比方说，用于控制INTERBUS总线的模块可以设置在压制机控制程序之中。
第二，可以有一些模块，把所需用以控制任一具体压制机硬件的一些特定的总线运算隐蔽在较多的逻辑运算后面。比如，在压制机控制程序中，可以有一个用于各阀门的逻辑结构，它可以用于开通或关断各阀门而不必担心为了这样作必须通过总线送出的一些确切指令，或甚至什么总线系统处在使用之中。
第三，可以有一类似的模块以进一步从实现所需区域各动作所必需的底层各硬件工作中消除压制机区域的逻辑工作。
第四，可以有一模块，其处理把来自各传感器的模拟信号转换成数字数据时的细节。比方说，用于控制各数据采集板的模块可以设置在压制机控制程序之中。
第五，可以有进一步抽象层以代表多样的传感器而无论底层的DAQ系统如何。
第六，可以有一模块，为被生产的每个工件处理致动序列和传感数据的记录。
第七，可以有一模块，利用传感器输入来确定是否压制机处于工作状况之中或者在运作期间它是否失效。
第八，可以有丰富的语言(rich language)，用于相对于时间控制各区域状态和各传感器。这样一种语言允许对各个区域进行控制并也具有各较高层次指令用于装填多区的各区域。此语言可根据传感器输入体现转移，以及动作序列的重复。
最后，可以有另一软件，开发出来用于对接于灌注和/或固化仿真，生成致动程序，等等。
如目前所实施的那样，此压制机控制软件，用于实验室规模上的分区式压力模塑压制机，可使用户得以以手动方式或采用一书写文件由分区式各压力致动器来控制施加于工件的压力；以手动方式或采用脚本文件来触发抽空孔口和真空泵；记入所有的区域动作，或是通过手动控制或是通过脚本文件控制予以实现；以及紧急情况下把所有压制机区域设定为它们的脱开状态。
同样，如当前所实施的那样，压制机控制软件是以微软VB(MicrosoltVisual Basic)写成的，即一种具有各种与目标有关的特性的计算机程序语言。它包含满足以下各项目的的各类总线抽象化；压制机部件抽象化；Script编译和执行；区域记入；以及用户界面。
此外，如目前在实验室规模上的分区式压力模塑压制机上所实施的那样，此软件包含抽象地代表Interbus控制器和压制机硬件所装接的各Interbus装置的类。各个总线控制类处理所有与总线系统的通信，采用Interbus驱动器以送出各指令给Interbus控制器卡。这些类作出正确的各种调用以便在起动程序时为连接起来的各Interbus装置建立结构框架。它们还把工艺过程数据在压制机运作期间输出给各装置，这本身又导致压制机硬件作出响应。此实验室规模上的分区式压力模塑压制机采用两部Interbus装置，即Interbus测试驱动组件(Test Drive Kit)控制器和数字输出模块以及一传统的Interbus数字输出模块。向和从Interbus控制压制机的添加或减去结构并在软件中反映这些改变，是很容易的。各总线类，虽然以VB实施，但也可以容易地以多种语言予以实施。
另外，如当前在实验室规模上的分区式压力模塑压制机上所实施的那样，软件包含抽象地代表各物理压制机部件的各个类各阀门、各分区式压力致动器、真空控制的各触发开关，以及整个压制机本身。代表阀门阵列的类直接地利用各总线控制类。代表分区式压力致动器阵列的类利用阀门组类，因为每一压力致动器是通过单独控制两个阀门而予以控制的。代表压制机的类利用分区式压力致动器阵列类并触发各触发开关类。这些抽象化都是必需的，因为它们可确保今后控制软件延续性。此外，各种指令通过几个层次，所以有可能在关于软件为何在不同层位上工作方面作出改变而不影响整个程序。还可能向分区式压力模塑压制机添加新的硬件，诸如各传感器，并把它容易地反映在软件之中。与各总线控制类一样，各压制机部件类也可以在多样的开发环境中容易地予以实施。图14是由各总线和压制机类所形成的不同层次的简图，以及各类之间的利用关系。
另外，如当前在实验室规模上的分区式压力模塑压制机上所实施的那样，软件包含编译和执行分区式压力模塑语言(ZPML)各脚本文件的类。脚本文件编译器类读入一包含ZPML脚本文件的文件并分析全文的语法。结果得出ZPML设备代码，即一系列代表发送给压制机的各项指令的整数。一单独的类别执行ZPML设备代码，向代表ZPML压制机的类别发出适当的各项指令。
一ZPML书写文件的格式是SCRIPT(各语句)END语句可以是ACTION(动作)或是WAIT(等待)。WAIT语句的格式是WAITn其中n是执行下一语句之前所等待的微秒数。ACTION语言的格式是ACTION{ZONES|VACUUM}语句主体ENDACTION ZONES语句的语句主体赋予各压力于特定的各分区式压力致动器，采用一或多条以下格式ZONE行列{OFF|LOW|HIGH}其中行和列指定二维分区式压力致动器组之中的分区式压力致动器。分区式压力致动器组的行和列的附标起始于零。ACTION VACUUM语句的语句主体指定触发哪一真空器件、孔口开关或泵机开关，采用一条以下的格式{PORT|PUMP}TOGGLE各脚本文件之内的空白间隔和书写缩进由语法分析器予以忽略，但可以包含在内以适于阅读。
比方说，一脚本文件实例，触发真空孔口、等待两秒钟，而后把分区式压力致动器组的第一行之中的第二和第三致动器设定为高压。应指出，虽然ZPML支持二维区域组，但此实验室规模的压力模塑压制机只具有一行五个区域。ZPML书写文件和ZPML设备代码二者都设计为可延伸的以供今后压制机控制之需。
<pre listing-type="program-listing">SCRIPT ACTION VACUUM PORT TOGGLE ENDWAIT 2000ACTION ZONES ZONE01 HIGH ZONE02 HIGHEND END</pre>如所实施的那样，此软件包含当各区域受指令而改变压力时可以记录的各类。用户可以开通和关断记录，并把记录存放到文件之中。
最后，如所实施的那样，分区域式压力模塑压制机包含一用户界面。此用户界面包含用于手动致动5个实验室规模上的分区式压力模塑压制机区域和触发真空孔口和真空泵的各控制装置。用户可以敲击适当的指令按钮，以便把区域设定到“脱开”、“低压”或“高压”状态或者触发真空孔口和真空泵。图15表明来自目前所实施的用户界面的压制机控制面板(Press ControlPanel)。用户界面还包含允许用户使用压制机控制面板装载、执行或停止脚本文件的各个控制装置。实用的实施本发明的分区式压力模塑工艺方法已经在制备2英寸×10英寸试样时在小规模上加以演示。试验用压制机(示于图13之中)包括5个2英寸×2英寸大小的致动器。各致动器是模块式的，并可以具有多种装接上的分区式压力致动器。对于起初的试样生产，机加工而成的各红木块用来向一挠性的顶盖施加压力。顶盖由0.030英寸厚的硅橡胶制成并迳直地卡紧于模具以形成密封。模具是其上刻出2英寸×10英寸槽道的铝板，已经用硅酮胶接于构成模具下半部的一块一英寸厚的玻璃板。玻璃可允许用摄像机来监测流动前沿。
已经用于初始试验的一些塑坯是由5层PPG 3盎司无序绞合织物构成的。这种材料难以加工处理成高容积比值对因过度压力而致损敏感。这很类似于被指望针对大量生产而用于本发明分区式压力模塑工艺方法的那些塑坯。试样试验用于寻找这种材料的工艺处理极限。
用于试样试验之中的树脂是来自国际塑料树脂公司(Interplastic ResinCorporation)的一种高度增强的、室温固化聚酯系统。此系统选来用于室温固化以允许使用一种未加热的、玻璃底部模具作流动分析，并用于其极快固化。在适当的催化剂百分比情况下，此系统具有范围从30秒到8分的胶凝时间，使得可能仿真那些会用在大量生产应用场合之中的极快循环时间的树脂，同时也使得可能从事比较缓慢和比较仔细的在一些特定流动状况下的实验。
一试样的典型生产进程包括以下步骤。
选定和手动调节高和低气动总线压力；通过从一卷织物上切下2英寸×10英寸板条并将其叠置而制备出塑坯；模具打蜡以允许工件脱除；备好适当的树脂混合物，但不予催化；装接注入器、顶盖和盖板；起动真空泵；通过模具真空孔口在塑坯之内造成真空；模具装放到压制机里面；致动序列/记录器装载在控制软件之中；催化和混合树脂；加注器(Springe)充满经过混合的树脂并连接于注入器；起动摄像机；树脂被注入而穿过顶盖；关闭和锁定注入器；开始计算机化的致动序列；关闭真空阀门；松脱各致动器；以及松开顶盖并取出工件。工件取出之后，为操作另一试样所需的唯一准备是清洗模具玻璃和顶盖。在一成功的操作情况下，通常极少或没有要清除的残留物。
对于一典型的试样试验，采用以下参数
塑坯5层PPG 3盎司无序绞合织物；树脂Interplastic CoRezyn COR 40-B2-8099；催化剂1.75％重量的Norox MEKP；注入树脂的容积27cc；高总线压力50psi(造成致动器处压力175psi)；低总线压力30psi(造成致动器处压力105psi)；模具温度华氏72度；树脂温度华氏72度；树脂粘度大致200厘泊；以及凝胶时间230(分秒)。
以下致动程序用以控制各试样的灌注。ZPML脚本文件在从事其他各区域的灌注时把尚未灌注的各区域保持在高压下。当使树脂储囊从一个区域到另一区域地穿行时，此脚本文件释放相邻区域和储囊之中的压力，然后向储囊重新施加压力以保证从区域到区域的更受控的运动并把气动系统之中的各压力峰值减至最小。在每一区域处压力保持在储囊上的时间是予以改变的，以便顾及由于树脂的任何交联而造成粘度增大。
<pre listing-type="program-listing">SCRIPT ACTION ZONES ZONE 00 LOW ZONE 01 HIGH ZONE 02 HIGH ZONE 03 HIGH ZONE 04 HIGHENDWAIT 2000ACTION ZONES ZONE 00 OFFENDWAIT 100ACTION ZONES ZONE 01 OFF<!-- SIPO <DP n="28"> --><dp n="d28"/>ENDWAIT 500ACTION ZONES ZONE 00 LOWENDWAIT 8000ACTION ZONES ZONE 01 LOWENDWAIT 2000ACTION ZONES ZONE 01 OFFENDWAIT 100ACTION ZONES ZONE 02 OFFENDWAIT 500ACTION ZONES ZONE 01 LOWENDWAIT 10000ACTION ZONES ZONE 02 LOWENDWAIT 3000ACTION ZONES ZONE 02 OFFENDWAIT 100ACTION ZONES<!-- SIPO <DP n="29"> --><dp n="d29"/> ZONE 03 OFF END WAIT 500 ACTION ZONES ZONE 02 LOW END WAIT 12000 ACTION ZONES ZONE 03 LOW END WAIT 4000 ACTION ZONES ZONE 03 OFF END WAIT 100 ACTION ZONES ZONE 04 OFF END WAIT 500 ACTION ZONES ZONE 04 LOW END WAIT 16000 ACTION ZONES ZONE 04 LOW END WAIT 2600 ACTION VACUUM PORT TOGGLE ENDEND</pre>
结果是一固化到58-64％容积比值的工件，具有的拉伸强度范围从40-50Ksi和弹性模量从2.5-3.2Msi。对于无序绞合织物和聚酯树脂来，这些都是极好的数值。影响工艺过程的因素本发明工艺方法的好处之一是，它是一种复合液态模塑工艺方法，并因而在压制机硬件方面，压制机各项载荷在遍及几乎所有其他非液态模塑压制机作业上都大大地降低了。各种硬件成本由于台板尺寸方面的减小和各压力致动器的较低成本而降低了。不过，采用本发明的工艺方法，需要许多很小的独立的致动器。因而，硬件成本降低是以工艺复杂性加大为代价的。灌注过程不再是一简单的开通/关断操作，而是如今包含一些特定的压力致动器序列，可能在任一给定的工艺循环期间具有在由每一致动器施加的各种载荷方面的许多变化。
另一方面，控制复杂性的加大可以转变为工艺过程控制的加大。在工艺过程期间在一给定点上施加一给定压力可以取决于许多不同的因素。这些因素可以分成4个基本组群，它们全都在某种程度上受到灌注到塑坯里去的特定树脂和支配。
第一组因素主要是关于纤维容积比值控制的。很小的只要不是零的压力可以促进储囊容易移动，但灌注和最终保持压力可以容易达到大气量压压力。在特定一些区域内，储囊上的不变压力可予以维持以考虑到经由诱发的各种RTM型流动，亦即穿过塑坯的各种流动，而造成的储囊损失。相邻的各区域可维持低压以在那些RTM区域中增大孔隙度和减少灌注时间。各不变压力边界条件也可以在部分收缩期间协助保持适当载荷。
第二组因素主要是关于工艺过程速度与塑坯损伤之间协调。树脂储囊可以通过在需要树脂储囊的一个或多个区域内释放压力(有可能到零)而同时在不需要树脂储囊的各区域内维持或向其供给压力而容易在塑坯上方到处移动。通过厚度方向的灌注持续时间可以通过增大向包含树脂储囊的各区域施加的压力而予以减少。优选地是，邻近各储囊区域的各区域维持某一压力以保持塑坯就位，减小这些邻近区域中的孔隙度并阻止RTM-型流动，而借以不让树脂储囊挪出其当前的各区域。在相邻各“干”区域上的这种载荷可能需要予以限制以致塑坯，无论比方说各别纤维或塑坯构造，都不受损伤。虽然在各储囊区域内的塑坯处在较高压力下，但它是以液压方式加载的，因而不会像“干”塑坯那样容易受到损伤。另外，在灌注之后，最终的保持压力可能需要加以限制以便不损伤塑坯。在任何情况下，可以通过在某些区域内和在工艺过程的某些阶段上增大施加的压力而减少循环时间，然而要受塑坯和相应成品损伤的限制。
施加压力各参数的第三组是关于塑坯类型的。玻璃或碳素纤维、不可透过的芯料、多样的几何状况等全都可以纳入本发明的工艺方法。本发明工艺方法的具体应用场合将决定致动方案。取决于塑坯的强度，干塑坯保持压力可以各不相同。其次，未灌注的树脂的粘度可能要求储囊压力增大以便透过厚度灌注和诱发RTM型流动。RTM-型流动也可以用以在不可透过的芯料、嵌入物，以及其他特殊夹杂的下面灌注。塑坯特性方面的巨大差异和所需施加压力的相应宽广范围也可以由于可独立控制的致动器阵列而采用本发明的工艺方法予以适应。虽然巨大的塑坯差异不一定导致成本上有利的生产，但本发明的工艺方法还是能够适应这种差异。
第四个压力参数组是对给定模具所特有的那些参数。这一组包括一些因素，诸如由于模具的曲率而造成的，对于压力致动器上给定的轴向载荷、在施加表面面积方面的增大和在施加压力方面的相应减小。模具的轮廓也会造成相邻各压力致动器之间的侧面推力载荷，从而增大各致动器之间的摩擦载荷，以及可能导致各压力致动器支承件被磨损，或者甚至压力致动器各传压板的严重安装误差。压制机的配置用于实施本发明的压制机的配置将主要由生产设置中压制机的具体应用予以确定。可以变动的某些特性可以是致动器设计、模具、设备手装载和卸载、温度调节和树脂注入设备，并可能是台板推移设备。各致动器只包括向顶盖或直接向储囊施加载荷的装置。各致动器可以是液压的、气动的、电磁线圈式的，或者任何其他可以向储囊和塑坯施加正确载荷的装置。设备手可以用于塑坯装放和工件卸除。实际实施可以取决于模具是否挪进和挪出压制机。这一点也可能使模具温度调节设备复杂化，后者可能在其已经装进压制机之后必须联接于模具。类似地，模具之挪进和挪出压制机也会使注入设备复杂化。在两种之任一情况下，上部和/或下部台板可能需要以机械方式被分离开来，以致设备手具有前往模具的通道或者模具具有足够的间隙来挪进挪出。
按照特定的应用场合，某些另外的事情可能是所希望的。取决于可选择哪一类型的致动器，可能需要中间台板以容放支承件。这种支承件可能被希望能抵挡由作用在模具轮廓上的各压力致动器造成的侧面推压载荷。各中间台板也可能希望能够固定各气动或液压缸体、各阀件，以及/或者各压力致动器的管路系统。
如果模具是压制机的一种永久附件，一顶盖可以落放或固定就位在模具上。这可能要求，比方说，一种带有一锁定装置的分立致动器。
即使本发明的其他一些实施例，对于本领域技术人员来说，从考虑在此阐明的本发明的说明和实践中也将会是显而易见的。期望的是，说明和实例都被认为只是例证性的，而权利要求书表明了本发明的真实范畴和精神。
权利要求
1.一种用于在压制机上制作模塑工件的方法，压制机包括第一模具和第二模具，第二模具具有许多压力致动器，每一压力致动器能够独立操作，此方法包括的各步骤是定位具有某一厚度的塑坯在第一模之中；安放一些树脂在塑坯附近，形成树脂储囊；选择性地致动许多压力致动器之中的一个或多个而向树脂储囊施加压力以迫使至少一部分树脂储囊灌注而透过塑坯厚度；固化树脂灌注过的塑坯；以及从压制机上卸除已固化的树脂灌注过的塑坯。
2.按照权利要求1所述的方法，其中，选择性地致动的步骤包括选择性地致动许多压力致动器之中的一个或多个而施加压力于靠近被以树脂灌注而透过厚度的那部分塑坯的塑坯。
3.按照权利要求1所述的方法，其中，选择性地致动的步骤包括选择性地致动许多压力致动器之中的一个或多个而增大和减小在至少一部分树脂灌注过的塑坯上的压力。
4.按照权利要求1所述的方法，其中，塑坯包括第一和第二塑坯。
5.按照权利要求1所述的方法，其中，树脂储囊包括第一和第二树脂储囊。
6.按照权利要求1所述的方法，其中，在定位步骤之后，顶盖被安放在塑坯上。
7.按照权利要求6所述的方法，其中，顶盖与带有一个或多个压力致动器的第一模具密封。
8.按照权利要求6所述的方法，其中，树脂储囊形成在顶盖与塑坯之间。
9.按照权利要求1所述的方法，其中，压制机包括控制器，而选择性地致动步骤包括使控制器产生用于控制各压力致动器的信号。
10.按照权利要求9所述的方法，其中，控制器至少部分响应第一传感器而控制各压力致动器。
11.按照权利要求10所述的方法，其中，第一传感器是压力传感器。
12.按照权利要求10所述的方法，其中，第一传感器位于许多压力致动器之一上。
13.按照权利要求10所述的方法，其中，第一传感器联接于第一模具。
14.一种用于在压制机上制作模塑构件的方法，压制机包括第一模具和第二模具，第二模具具有许多压力致动器，每一压力致动器能够独立操作，此方法包括的各步骤是安放一些原料到第一模具里面；选择性地致动各压力致动器之中的一个或多个而向原料施加压力以迫使至少一部分原料吻合于第一模具；固化原料以形成固化工件；以及从第一模具上卸除固化工件。
15.按照权利要求13所述的方法，其中，原料包括塑坯和一些树脂，塑坯具有某一厚度而这些树脂构成靠近塑坯的储囊。
16.按照权利要求14所述的方法，其中，选择性地致动的步骤迫使至少一部分树脂灌注而透过至少一部分塑坯的厚度。
17.一种用于由原料模塑具有第一和第二表面的工件的设备，包括第一模具，具有形成被模塑工件第一表面的表面；以及第二模具，具有台板和许多由之伸出压力致动器，许多压力致动器中的每一个都能够向原料施加某一压力并确定被模塑工件的第二表面。
18.按照权利要求17所述的设备，其中，许多压力致动器中的至少一个能够基本上独立于其他各压力致动器而被致动。
19.按照权利要求17所述的设备，其中，许多压力致动器中的至少一个包括传压板。
20.按照权利要求17所述的设备，其中，许多压力致动器中的至少一个包括垫板。
21.按照权利要求17所述的设备，其中，第二模具包括顶盖。
22.按照权利要求20所述的设备，其中，顶盖联接于许多压力致动器中的至少一个。
23.按照权利要求17所述的设备，其中，控制器可控制许多压力致动器中的每一个。
24.按照权利要求22所述的设备，其中，第一模具包括第一模具传感器而控制器从第一模具传感器接收信号。
25.按照权利要求23所述的设备，其中，第一模具传感器是温度传感器。
26.按照权利要求22所述的设备，其中，第二模具包括第二模具传感器而控制器从第二模具传感器接收信号。
27.按照权利要求25所述的设备，其中，第二模具传感器是一压力传感器。
全文摘要
一种用于在压制机中制成模塑构件的方法,包括以下各步骤:在一下部模具(20)中定位具有某一厚度的塑坯(24);安放一些树脂邻近塑坯(24)以便形成树脂储囊;而后选择性地致动各压力致动器(28)之中的一个或多个而向树脂储囊施加压力以迫使至少一部分储囊灌注而透过塑坯(24)厚度。在定位步骤之后,顶盖(32)可以安放在塑坯(24)上面。选择性地致动装接于上部台部(60)的各压力致动器(28)中的一个或多个的步骤可以包括计算机,其用于控制各压力致动器(28)。
文档编号B29K105/06GK1349452SQ00807085
公开日2002年5月15日 申请日期2000年3月17日 优先权日1999年3月18日
发明者戴维·H·斯图尔特 申请人:戴维·H·斯图尔特