用于模制汽车装饰部件的模具的制作方法

本申请涉及用于制造汽车装饰部件或镶板的模具、生产这种模具的方法以及这种模具的用途。

背景技术：

汽车装饰部件大部分由层状材料如纤维毡、膜或泡沫制成，层状材料模制在一起以形成适合汽车内相关空间的所需3d形状，例如安装在汽车地板上的内部地板部件和/或模制以形成在汽车中间通道周围。较大的外部部件，如轮拱衬里或车底板，以及较小的包层部件，如发动机罩和发动机周围的吸音材料，都是使用模制过程制成的。

用于模制汽车装饰部件的模制过程可以使用加热材料的冷模制。模制过程可以是两步过程，在第一步中，将材料加热至接近所用粘合剂的熔点或固化点，在第二步中将材料模制并冷却。如果粘合剂固定或转移到冷却夹具上以进一步冷却模制部件，则模制部件可以从工具中取出。

模制汽车装饰部件的模制过程使用模内发泡。模内发泡在封闭的模具中进行，该模具通常由两个对半的模具组成，反应性泡沫混合物倒入其中。反应导致泡沫在封闭的模具内膨胀并形成汽车部件。

汽车装饰部件由一层或多层各种材料制成，如纤维毡，包括粗劣棉或含玻璃纤维的毡、泡沫、热塑性弹性体填充材料形式的厚层、膜或这些类型的层的组合。模具用于相当多数量的零件，同时它们在模制过程中承受高温和高压以及苛刻的磨损条件。在模制过程期间，由于材料被压缩，模具内部的压力很高，主要是由于锁模力，由于闭合压力和合模压力，模具本身的压力也很高。模具上的压力可以高达250吨，这取决于制造的部件的尺寸和厚度、材料成分和材料层的最终密度。在小表面上可能出现局部甚至更高的载荷。

目前，由不锈金属制成的模具可以用于这种类型的工艺，特别是如果生产规模超过10,000个部件。

大多数情况下可以使用实心钢或铝；形成产品形状的负表面由钢或铝块铣削或雕刻而成。这个过程既昂贵又耗时。如果模具需要调整，就必须更换整块钢或铝模具，否则必须重新生产模具。由于所选择的材料，这样的金属模具重且昂贵。

因此，本发明的目的是提供一种替代的模制工具，其可用于汽车装饰部件的模制过程中，特别是用于由至少一层或多层例如泡沫、纤维毡、稀松布、热塑性弹性体填充材料或膜形式的厚层制成的部件。特别是一种可用于大量零件的生产过程的替代的模制工具。

技术实现要素：

本发明的目的通过根据权利要求1的模制工具和根据权利要求11的用于制造模制工具的方法以及根据权利要求16的模制工具用于生产汽车装饰部件的用途来实现。

特别地，通过一种用于压缩模制汽车装饰部件的模制工具，其包括至少一个具有3d形状空腔的模具，其特征在于该模具包括热固性树脂粘合剂基体，该基体中结合有颗粒。

特别地，通过一种用于模制汽车装饰部件的模内发泡的模制工具，其包括至少一个具有3d形状空腔的模具，其特征在于模制部件包括反应性泡沫混合物，例如多元醇和异氰酸酯，以形成聚氨酯泡沫。当封闭模具中的成分发生反应时，泡沫的膨胀导致模腔填充并形成汽车部件。

模具或半模优选成形为具有空腔，该空腔用将由模具形成的汽车部件的表面限定。优选地，模制工具由2个半模组成，2个半模各自具有最终汽车部件的第一和第二表面的形状，一起形成待形成的汽车装饰部件的模制空腔。

优选地，使用3d打印技术，优选通过粘合剂喷射技术、增材制造工艺来制造模具，其中粘合剂被选择性地沉积到粉末床上，将沉积区域中的颗粒和粘合剂粘合在一起以形成固体部件，一次一层。

优选地，热固性树脂是丙烯酸基树脂、聚酯基树脂、呋喃基树脂、环氧基树脂或酚醛基树脂中的一种。

令人惊讶的是，可以使用该方法与根据本发明的优选材料一起生产用于热压成型的模具，以制造可用于由单层或多层(例如纤维毡和/或泡沫)制造汽车部件的过程中的耐用模具，最终包括其他热塑性材料层，如箔或稀松布，或填充的厚层材料。

令人惊讶的是，该材料可以承受部件模制过程中的内部压力以及模具上的压力。此外，该材料由于其耐高温性，更耐表面磨损，因此模具更耐用。用根据本发明的模具生产的汽车部件在更长的时间内保持在公差范围内。因此减少了翻新模具的需要。由于此类模具的材料和生产成本以及生产时间较少，因此在需要的情况下更容易实现模具更换。

由于打印和所选材料的结合，可以获得非常精确的模具内表面，从而保证更好限定的、更高精度的模制最终产品。

根据本发明生产的模具可用于正常生产，但也有益于小批量生产和新材料和方法的测试，这样的工具的价格和生产时间比标准工具低得多。

在另一个优选实施方案中，至少面向模具空腔的模具表面用第二材料渗透，该第二材料优选为热固性树脂，优选为丙烯酸基树脂、环氧基树脂、酚醛基树脂或呋喃基树脂。优选地，渗透模具厚度方向上的至少前1mm。由于所述渗透，粘结剂-颗粒基体之间的空隙被第二材料填充，使得该材料无孔且该层不可渗透。

内表面上的至少一层打印的材料被浸渍，然而模具也可以在其整个表面上浸渍或涂覆至少1mm或模具厚度的至少5％。浸渍可以达到模具厚度的100％。相同厚度的浸渍也可应用于工具中任何可用的通道。

令人惊讶的是，这样处理的模制表面显示出更好的表面质量，可以在认为必要时抛光，同时打印的模具部件整体上更坚硬和耐用。

另外，额外的树脂材料可以添加到渗透的表面顶部或直接添加到打印的表面上，以产生光滑、坚固且连续的模具表面。

此外，浸渍(或渗透)处理使打印的材料气密和液密，因此流体或气体通过温度控制通道分配而不与模制材料接触是可能的。

更详细地说，模具是使用成层工艺生产的：首先，将薄的颗粒层铺展在平台上，该平台的面积大到足以生产形成颗粒床的模具，然后具有至少一个喷墨型喷嘴的托架通过铺展的颗粒床，并选择性地沉积将颗粒结合在一起的粘合剂液滴，在该工艺完成后，平台向下移动一层的距离，而该工艺再次重新开始。多层一起将形成最终的模具。完成打印过程后，将模具固化，优选将模具封装在颗粒中，以建立其最终强度。固化后清洁模具，以带走多余和未结合的颗粒。

尽管这类的模具可以由热塑性树脂制成，但是它优选由热固性材料制成，因为这些材料的熔化温度或降解温度以及热稳定性远高于待模制的材料，从而增加了模具的耐用性。

大多数汽车装饰部件都用熔化或软化温度在90至240℃之间的热塑性粘合剂制成。因此，通过在模具中使用热固性树脂，模具不会受到在模制过程中加热材料的影响。

根据本发明用于将颗粒粘合在一起的树脂粘合剂可以基于溶液基体系，其中粘合剂施加在溶剂中，例如溶解或分散，并且溶剂蒸发以获得最终的粘合，或者可以使用聚合体系，其中粘合剂形成长链并粘合或包封颗粒以形成模具材料。在粘合或固化过程之后，材料发生化学变化。

优选用热固性树脂作为粘合剂，因为这些树脂具有高的热稳定性。例如，可以选择基于例如丙烯酸基树脂、聚酯基树脂、呋喃基树脂、酚醛基树脂或环氧基树脂的体系作为粘合剂。可以将粘合剂增强添加剂或增强打印过程的添加剂添加到粘合剂体系中。然而，也优选增强最终产品性能的添加剂，特别是防止表面污染的那些添加剂。

可以清洗或清洁模具以减少模具的挥发性成分，从而防止使用模具生产的汽车部件中挥发性成分的增加。

在热压成型过程中使用模具期间，将预热的材料放入模具中并封闭模具以形成最终部件。

由于模具内使用了热材料，模具的温度会升高。为了控制模具的温度，优选将通道整合到模具设计中，如果这些通道靠近模具空腔的内表面放置，则最有效。优选地，将它们按照表面的形状放置在距表面恒定的距离处。优选地，通道可以连接至基于气体的外部体系，例如空气(冷空气或环境空气)或流体(例如水或油)。

令人惊讶的是，现在可以制造具有集成3d设计通道的精密模制工具，通道用于局部或在整个表面上加热模制工具，使得在模内发泡期间在模制工具内形成更好更均匀的泡沫。使用旧的模内泡沫工具制造系统，不可能在工具内获得良好的加热系统以在需要的情况下获得表面的均匀加热。

特别地，通过3d打印，可以自由地设计与实际加热或冷却要求适应或相关的冷却或加热通道。

树脂粘合剂可以在模具生产过程中和/或直接在打印后加热固化。

优选地，最终模具材料中粘合剂的量可以为总重量的0.9％至2.1％。

优选地，使用平均粒度小于500μm，优选为100至300μm的颗粒或粒状材料。较粗的粒度将使模具更多孔，从而增加模具的渗透性，增加材料和模具的冷却过程，而较小的平均粒度将给出更光滑的表面，但可能增加冷却时间。在汽车零件生产过程中，更光滑的表面可能更有利于表面的防污。

对于模制某些材料，可以不需要进一步的涂覆和/或渗透步骤和/或浸渍步骤。较低的平均粒度增加颗粒的密度，因此模具可能更重，但模具的耐用性也可能增加。然而，较低的平均粒度可能增加模具的实际打印时间，因此必须在模具所需的要求和最佳粒度之间建立优化平衡。

对于更多孔的模具，可以选择较粗的粒度，较粗的模具将在模制期间增强汽车装饰件的冷却过程，因此将进一步减少冷却时间。它还将减少模具本身的冷却时间，因为在模制许多部件的过程中，模具将随着时间的推移增加其自身的温度。然而，可以优选使用具有较小直径的颗粒，因为这可以减慢冷却，并且这可以有利于模制材料的冷却或固化。例如，如果快速冷却过程对模制产品有负面影响时。

模具的主要成分是颗粒或粒状材料。优选地，颗粒或粒状材料是惰性的、天然的或人造的，例如选自下组中的至少一种：石英砂或硅砂、人造砂、陶瓷颗粒或金属颗粒如钢、铝、铜或导热合金的，或颗粒的组合。根据所选择的材料，可以进一步调整模具的冷却性能。

可以使用sio2含量至少为95％的石英砂作为砂。最终可以使用含氧化铝或二氧化硅的砂，或者可以使用其他矿物基砂来增加模具的密度。如果汽车部件的产量低且耐久性低不是问题，则优选使用天然砂。天然砂成本低，因此会降低模具成本。可以优选人造砂，因为砂的形式是球形的，并且矿物含量可以根据模具的要求进行调整。

粒度适于在必要的粘合强度、模具密度以及孔隙率之间获得平衡。

模具内不同尺寸或材料的组合是可能的，例如在模具底座使用的材料与朝向模具表面的另一种材料之间的差异。底座可以看作是靠在压板上的模具的下部。甚至可以在另一台具有不同颗粒的机器上打印底座，并优选在第二步中将上部打印在底座的顶部。

为了使模具实现其整体强度，优选在去除未结合材料之前或之后通过干燥、固化或在炉中加热来使树脂结合颗粒固化。然而，优选使用在室温下固化的材料，因为这防止最终模具的收缩或翘曲，从而确保所生产的汽车部件的尺寸、配合和形状。或者，模具可以在渗透步骤后进行热处理。

选择树脂和颗粒使得材料的弯曲强度至少为100n/cm²，优选弯曲强度高于300n/cm²。例如，使用呋喃基模具可以获得优选220至330n/cm²的弯曲强度；而对于酚醛树脂，更高的弯曲强度可以旨在优选弯曲强度为350至450n/cm²。

根据所使用的部件材料，如带有热塑性粘合剂的毛毡、稀松布、厚层材料或泡沫，与模具内表面接触的材料可能在模制后在内表面上粘附或留下不需要的碎屑。

为了防止污染模具的内表面，优选对模具的内表面进行表面处理，以封闭多孔表面并平滑表面粗糙度。例如，可以在渗透的表面的顶部或直接在打印的表面上添加额外的树脂材料，以产生平滑、坚固且连续的模具表面。

作为表面处理，可以一次或定期地进行涂覆、浸渍或渗透，以增强性能并延长模具的使用寿命。

优选地，通过在表面的多孔空隙中渗透或注入第二材料至一定深度来实现表面处理，以降低至少将形成模具空腔的模具内表面的孔隙率。

第二材料也可以完全渗透模具，使其成为无孔模具。这取决于模具的冷却要求、设计中任何冷却通道的增加、模制材料以及模制过程。优选地，表面处理和粘合剂基于相同的树脂类型。

具体地，可以通过在待处理表面的顶部上施加不太优选的简单涂层来完成表面处理。然而，在模具表面的顶部上增加一层带来可能的问题。模具通常被分成两个半模，这两个半模应当准确地闭合在一起以形成完整的模具空腔。在形成模具内腔的每个模具表面的顶部上增加层带来模具将不再完美匹配甚至可能超出公差的风险。尽管在顶部施加涂层会增加表面保护，但除非发生模具表面的渗透，否则不会增加模具的整体强度。然而，根据所生产的装饰部件，或者如果所生产的部件只是半成品部件，涂覆可以是便宜且耐用的解决方案。

更优选的是使用浸渍或渗透工艺作为表面处理。邻近与模制材料接触的表面的模具的至少一定厚度被材料渗透，该材料封闭由此处理的打印材料的孔或空隙。

在浸渍步骤过程中：将表面处理材料浸入、压力浸渍或真空浸渍到模具材料内部，或施加(例如喷涂、漆涂或铺展)到模具上，以填充粘合剂-颗粒基质之间的多孔间隙。优选地，形成模腔的一个或多个表面的至少一定厚度被这样处理。优选模具厚度的至少5％，优选约1mm的表面厚度被材料渗透，以封闭打印材料之间的空隙或孔。

由于所生产部件的3d形状，有效模具厚度可以在模具上局部变化。

或者，可以在整个模具中进行浸渍或渗透，以向模具提供最大强度，或者可以在模具表面的至少一部分上进行，优选在模具的基本整个表面上进行。

在需要浸渍并且存在冷却或加热通道的应用中，执行浸渍使得冷却或加热通道保持打开。

优选加热以获得更好的泡沫活化。令人惊讶的是，在3d打印设计中，可以在表面附近设置加热通道，从而优化泡沫的整体均匀性，由此优化模具中产生的泡沫质量。

浸渍材料或者是与所使用的粘合剂材料相同，或者是与所使用的粘合剂材料相容的热固性或热塑性材料。该材料可能具有合适的粘度和其他特性，以能够良好地填充孔并结合至基质。

可以通过将工具浸入浴中和/或通过在垂直于待处理表面的压力下用第二材料浸渍或渗透模具，来实现3d打印工具或表面的至少一部分在厚度方向上的浸渍或渗透，使得空隙在模具部件的厚度方向上被填充。局部渗透深度可以在部件上变化，但优选为至少10mm和/或5％的局部厚度。

此外，用第二材料的浸渍或渗透和在表面上施加附加涂层的组合也可以是一种选择。

特别地，在模具用于大批量生产的情况下，表面的重印可以是添加(ad)或更换表面或至少部分表面或修补现有模具表面的一种选择。

根据本发明的3d打印模具用于压缩模制由加热的单层或多层材料制成的汽车部件的用途，其中至少一层是泡沫、纤维层、无纺材料、稀松布、填充的热塑性层、膜或箔层。

图1根据本发明的具有半模的压缩模制工具的示例。

图2根据本发明的制造模具的过程的示意图。

图3模具的材料构成示意图

图4生产根据本发明的模具的3d打印工艺的示例。

图1示出了根据本发明制备的具有半模的压缩模制工具的示例。根据该图，压模1包括下半模2和上半模3。作为可能的示例，这些模具可以具有冷却通道，例如由开口4和穿过通道6的横截面指示的冷却通道。优选地，通道至少部分平行并靠近表面放置。半模2和半模3一起限定了模腔，汽车产品将在该模腔中模制。所示的汽车产品7的示例可以由纤维材料或泡沫的单层组成。然而，需要在层内或层间压缩和粘合的多层也可以用在模具中。

优选地，半模的设计可以具有用于插入插条和/或密封元件或使其他类型的插入物成为可能的空间。模具将优选地在例如模压机的压力下封闭一段时间，该时间是将材料模制并固定为最终形状所必需的。之后模具打开，可以移出部件。

模具或半模可以具有专用区域，用于将模具安装到压机上以及用于通常由模具提供的其他功能。

模具可以进一步包括冷却或加热系统，该系统包括半模内的通道4、6。通道可以包含流体，而流体的被动或主动替换系统(未示出)通过通道输送流体。流体可以在模具和温度较低的区域内循环，以在使用过程中在必要时冷却或加热模具。

图2示意性地示出了制造半模的优选方法，其基本步骤包括：打印层以形成具有所需设计的半模(100)，通过用渗透材料渗透至少形成空腔的表面来浸渍半模(200)，该渗透材料会填充形成模具的打印材料之间的空隙或孔，和任选地清洁半模(300)以去除在汽车部件的模制过程期间可能干扰模具使用的任何碎屑或游离材料。

图3示意性地示出了具有浸渍区域的半模。模具由颗粒(8)形成，颗粒(8)由形成模具结构的热固性粘合剂(9)结合，在结合的颗粒之间形成空隙(10)。至少通过将树脂材料(11)部分渗透到空隙(10)中，可以使模具至少在形成模腔的模具表面(12)气密和/或液密。浸渍层(13)的厚度至少为模具总厚度的5％，优选至少10mm，并且可以为模具厚度的最高100％。在浸渍过程期间，冷却通道应该保持打开，例如，通过渗透树脂材料刚好达到冷却通道处的厚度，可以使表面气密。可选地，冷却通道可以填充有流体或材料，以防止通道在渗透过程中完全渗透。材料或流体可在渗透过程后丢弃。

图4示出了用于生产根据本发明的模具的机器和工艺的示例。3d打印工具包括壳体20，该壳体用于馈送颗粒供应源21以及接收嵌入颗粒24中的打印部件23。此外，具有液体树脂进料的粘合剂树脂供应系统，例如使用泵或挤出机和泵系统26以及用于以所需图案施加粘合剂树脂液滴的打印头。

生产打印部件的过程是以下步骤的重复过程，通过粉末进料辊提供一层粉末。一旦将新的粉末层置于平台或打印部件的顶部，粘合剂打印头就会将粘合剂树脂液滴以所需的2d图案置于颗粒层的顶部。完成图案后，活塞再次按照箭头所示向上或向下移动一步，下一层粉末将再次置于如此形成的部件顶部。粉末层和树脂粘合剂的印刷将重复进行，直到达到部件的整个厚度。带有打印部分和结合颗粒的盒子优选在固化炉中保温，以达到树脂的整体结合强度。清洁完全结合的部件，去除未结合的颗粒，并且可以直接使用，或者在第二步骤中，至少模具的表面可以用树脂材料浸渍或渗透，以封闭结合的颗粒之间的空隙。