专利名称：用于模塑合成物品的设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及合成物品的制造，即一般包含一个位于固化的树脂基体内的纤维强化网格的物品。更特别地，本发明涉及具有可容易替换的、低成本的型面的适于在被控制的温度下注入模塑合成物品的配套使用的模塑设备。发明背景反作用式注入模塑和树脂输送模塑是这样的过程，其中，干的纤维加强线网/预型件被置于塑模空腔中，空腔的表面限定出要制造的物品的最终轮廓，一种可流动的树脂在压力之下注入塑模空腔(塑模型腔)，注入到纤维加强线网/预型件上从而使其浸润/湿润。当被树脂浸透的预型件在塑模型腔中被固化完后，成品被从塑模中取出。
现有技术所教导的注入式模塑设备包括一对提供模塑型面的互补或“配套”的用具，其中，每件用具都是由，例如，一种刚性金属仔细地机加工而成，刚性金属换句话说就是相对于将要与其一起使用的树脂无反作用的材料。这样的配套金属塑模制造昂贵并且必定限于制造具有给定设计的单一物品。换句话说，即使对于要制造的物品的所需形状的轻微改动，可能也必需机加工一个全新的替换用具。
此外，这样的已知金属用具一般具有相当大的热容，随着塑模温度偏离所需的处理温度，这么大的热容越来越成问题。相应地，这样的用具常常具有一个具有内部加热和/或冷却管或通道的整体系统，外部供应的加热/冷却流体可通过其进行循环。然而，根据这些现有技术的设计，加热/冷却通道被相对于用具的型面安置以在其间留出一个至少约2英寸(5cm)的间隔，以确保最终形成的物品不会有热和冷的线或带，否则的话，这些线或带有可能在树脂固化的过程中因加热/冷却速度不等而在物品中产生。而这一最小间隔反过来又必然限制这些现有技术的用具在注入式模塑的过程中精确控制温度的能力，尤其当这样的过程是放热的时更是如此。在要制造的物品具有变厚度的情形中，由于与物品的较薄部分相比，其较厚部分可能会较早聚合好，从而可能达到较高温度，塑模型腔的温度控制变得更成问题。
进一步，在配套的金属用具用于循环时间较短的过程的情形中，这样的金属用具的相当大的热容可能经常产生在约375°F到约400°F范围内的峰值温度，导致可能使成品不能使用的“干点”产生。相应地，这样的配套金属用具可能必须周期性停用以有足够的时间使塑模能够冷却到一个可接受的工作温度，从而大大增加了使用这样的用具制造物品的成本。最后，在温标的另一端，较低的模塑温度已知当与使用苯乙烯单体的树脂一起使用时，会增加苯乙烯聚集的速度，从而预计清除苯乙烯聚集物的频率较高，与之相关的劳动成本及设备不工作时间也较多，同时，处理成本也会相应增加。
为了能提供更好的温度控制，又有助于从模塑设备中取出成品，现有技术教导使用改造了的模塑设备，其中，塑模型面当中的一个由一个由，例如，橡胶制成的可挠曲件限定出。另一塑模型面仍然由一具刚性的、导热的金属用具限定出，该金属用具可由一种压缩流体，例如，蒸汽支承，从而为吸热的模塑过程将固化热量传到塑模型腔中。不幸的是，对于这样的吸热过程，只加热塑模型腔的一侧可能会限制挠曲性从而限制表面光洁度及最终形成的物品的其它特性，此外还限制树脂固化可能被加速的程度。另外，在这样的模塑设备用于放热过程的情形中，最终产生的热量加速了可挠曲的塑模型面的恶化，从而使工具不能长期使用。另外，在向其中注入树脂前，这样的模塑设备需经常排空塑模型腔，从而使得使用和维修这样的模塑设备更加复杂，也使得使用这样的设备的处理过程需要的时间更多，成本更高。
于是，所需的是一种配套使用的、特点是塑模型面可替换的注入式模塑设备，该设备比已知的刚性或柔性用具较易于并可较廉价地制造，同时还在吸热及放热过程中都能提供更好的温度控制，从而以较短的周期提供更高质量的物品。发明简述本发明的一个目标是提供一种注入式模塑设备，其特点是模塑型面可重复使用且成本低。
本发明的另一个目标是提供一种注入式模塑设备，其特点是对其模塑型面的温度控制更强，从而能得到对于模塑过程更好的控制以及与之伴随的更好的物品性能。
在本发明中，一种注入式模塑设备包括一对塑模部件，其中，每个塑模部件自身包括一个刚性外壳和一个半刚性膜片，膜片可拆卸地安装到外壳上以在其中限定出一个不漏流体的室。每个塑模部件的、本身又限定出其模塑型面的膜片最好由一种不贵的合成材料制成，例如玻璃纤维或强化尼龙，或其它合适的材料；并且，根据本发明，可为每个塑模部件各自的膜片选用不同的膜片材料和/或特性。当使两个塑模部件的模塑型面彼此相对地将两个部件组合到一起时，就限定出一个用来在其中制造所需物品的模塑型腔。于是，在本发明中，对于物品在设计上的改变可通过改造或替换低成本的膜片很容易地实现。换句话说，在本发明中，一种给定的塑模部件外壳可以配备有多种相对较便宜的用于制造不同形状、尺寸和特性的合成物品的合成膜片，从而与现有技术相比大大降低了工具成本。
根据本发明，一种不可压缩的流体被置于并充满每个塑模部件的室，从而其各自的膜片受到支持，以使得在树脂注入过程中允许轻微尺寸挠曲而将膜片所受的任何注入压力均匀分布到其整个表面上的同时，确保成品有合适的尺寸。在树脂注入步骤中遇到注入压峰值的情形中，后一特点可证明尤其有利。作为一个进一步的优点，在树脂注入过程中膜片的这种轻微尺寸挠曲相信可改善或加强树脂在塑模型腔中的流动。一个与一个或两个塑模部件的室流体连通的膨胀室在树脂注入塑模型腔前，且在成品固化之后用来容纳膜片支承流体的热膨胀，同时有一个阀可在树脂注入及固化的过程中可操作地将该室与膨胀室隔绝开。
并且，根据本发明的另一个特点，支承流体自身最好是导热的，并且模塑设备还包括与一个或两个与塑模部件中的支承流体热连通的用于调节支承流体温度的装置。例如，在一个优先选用的实施例中，温度调节装置包括一个在每个室中延伸的线圈系统，以及一个传统设计的外加热/冷却单元，该件连接到线圈系统上且工作起来可使一种温度控制流体以预定的温度在其中进行循环。以这种方式，支承流体的温度，以及与之相关地，以及每个塑模部件的模塑型面的温度可被精细调节以提供更好的成品特性和/或对处理参数，例如固化时间和温度，更好的控制。对于模塑型面的这样的温度调节的另外的好处包括，例如，减少苯乙烯聚集，同时与现有技术的模塑设备相比，还附带减少了塑模的非工作时间和塑模维修成本。附图简要说明
图1是一个根据本发明的一种注入式模塑设备的部分示意，部分分解的立体图；以及图2是示出图1的设备上塑模部件组合到下塑模部件上之后，沿通过其上的线2-2的垂直平面剖开后的截面图。优先选用的实施例的详细说明参看图1，依本发明的用于模塑合成制品的一个示例性设备10包括一个具有一个上塑模部件14和一个下塑模部件16的塑模组件12，靠定位销18和与其互补的定位长孔20，上塑模部件14组合到下塑模部件16上，借助于这一组合，限定出一个具有匹配的模塑型面24，26的塑模型腔22。特别地，下塑模部件和上塑模部件14，16分别包括一个刚性外壳28，30和一个相对较薄的、半刚性的膜片32，34，膜片32，34通过一个箍紧环36沿着膜片的周边可拆卸地并且可密封地扣紧到各自的外壳28，30上。像这样组合好后，每个塑模部件14，16的外壳28，30和膜片32，34共同限定出位于其中的不漏流体的室38，40。
根据本发明的一个特点，每个膜片32，34本身最好由一个合成覆盖层制成，该覆盖层的最精巧形式可能只包含容纳待制造物品的空腔的防溅壳。而且，尽管每个膜片32，34可方便地由玻璃纤维或强化尼龙制成，本发明还设想使用由其它合适材料，如轻金属片，制成的半刚性膜片32，34，这样的膜片32，34可以以精通此技术的人所知的方式在一个压力室中方便而廉价地制造、成形和重新整形。在这方面，人们可注意到本发明设想每个塑模部件14，16各自的膜片32，34使用相同或不同的材料，这取决于，例如，片材的所需特性(例如，其热传导性，可模塑性，以及使用寿命)，所制造的物品的所需特性(如表面光洁度和光泽度)，和/或整个处理参数(如树脂注入压、树脂固化时间和塑模组件循环时间)。
在将树脂注入塑模型腔22之前，限定于每一塑模部件14，16中的不漏流体的室38，40中完全充满了一种由流体供应网路44供应的基本不可压缩的导热流体42。因此，每个室38，40中的流体42就在树脂注入的过程中以一种下面将要进一步描述的方式为每个受压的膜片32，34提供支持。
在示于图1的优先选用的实施例中，膜片支承流体42可方便地选用自来水，自来水通过各自的入口控制阀46和快速管接头48由网路44供应到上、下塑模组件14，16中。在不同的工作范围(如具有更高的蒸发温度)有用的其它合适的支承流体是精通此技术的人所知的。可在每个入口阀46的下游使用一个压力计50以监测支承液体42流入每一塑模部件14，16的室38，40的流速。为便于充满和排空每个室38，40，每个塑模部件14，16具有一个通气孔52，通过它，每个室38，40中的空气可在向其中充入支承流体42时排掉。一旦充满后，每个室的通气孔52用一个通气孔塞54封住，从而给每个塑模部件的膜片/模塑型面24，26以必要的刚度。
如图2中所见到的，其中，相对尺寸，例如膜片32，34和塑模型腔22的相对尺寸被夸大了以易于图解说明，每个塑模部件14，16包括一个在其不漏流体的室38，40内延伸的加热/冷却线圈56系统，线圈系统自身通过快速管接头58接合到一个传统设计的外加热/冷却单元60上。象这样，线圈56和加热/冷却单元60一起工作以在注入式模塑的全过程中精确调节支承流体42的温度，从而也精确调节每个膜片32，34的模塑型面24，26的温度。而且，当线圈以接近合成膜片后侧布置的情形被示于图2中时，在本发明中，支承流体42的热传导性允许每个塑模部件14，16的室38，40中的线圈56的布置有相当大的设计误差，而这又便于将一个给定的塑模部件的外壳28，30以及线圈系统56与各种各样的膜片32，34一起使用。确实，在本发明中，当示例性设备10的膜片32，34以厚度比较均匀的情形被示出图2中时，本发明中控制塑模温度的效率允许使用厚度变化的膜片32，34，如可能所需的那样，例如，当给成品加加强肋时。
充满于每个塑模部件14，16的支承流体42以不同于所需处理温度的温度供应，在这方面来说，流体供应网路44还包括一个低压膨胀室62。因此，当每个塑模部件14，16随后被加热或冷却到所需温度时，每个室38，49中的支承流体42由此产生的任何热膨胀将由膨胀室62容纳，从而防止膜片32，34的变形和/或有害应力。
回到附图，在图2中可看到一个注入阀(sprew)64，该阀从上塑模部件14中伸过而提供一个通路，通过该通路，来自树脂供应源66的所需的热固性树脂可由一个合适的泵68在压力之下注入模塑型腔22中。这样的阀64的数目和布置，以一种精通此技术的人所知的方式，取决于要模塑的物品的结构和所需特性，以及所用的树脂的流动特性。在这方面，可看到在上、下塑模部件14，16的相对的箍紧环36之间有一系列小通气孔70，通过这些孔，被封入的空气可在树脂注入模塑型腔22的过程中流出到大气中。
根据本发明的另一特点，该示例性的模塑设备10还包括一个在下塑模部件16上的大致如参照号72所指的结构，该结构用于振动塑模组件12或者至少是包含于下塑模部件16中的支承流体42。在注入树脂的过程中振动塑模组件12/支承流体42相信有助于树脂在模塑型腔22中的流动，也改善了位于其中的纤维强化的预型件(未示出)的浸润和湿润。
根据本发明，展示于附图中的示例性的模塑设备可按如下方法使用一个或更多的纤维强化的预型件被置于由下塑模部件16的“阴”塑模型面26所限定的塑模空腔中。然后上塑模部件14下落到下塑模部件16上以使每个定位销18与各自的定位长孔20接合(在需要的地方，上塑模部件14可然后通过使用合适的夹子，未示出，而扣紧到下塑模部件16上)。每个塑模部件14，16然后被连接到支承流体(水)供应网路44上，其各个通气孔52被打开，入口阀46被开动，从而使其中的室38，40完全充满水。
一旦室38，40完全充满，每个塑模部件的通气孔52用各自的通气孔塞54封住，加热/冷却单元60被开动以使每个塑模部件达到所需的处理温度。通向每个塑模部件14，16的入口阀46然后被关闭以将各个室38，40与流体供应网路的膨胀室62隔绝(否则的话，膨胀室62在温度常态化的过程中会容纳支承流体42的任何热膨胀)。例如，要注入的树脂是热固性的聚酯或乙烯酯树脂，为给定的热固性聚酯或乙烯酯树酯提供所需流动特性所必需的理想工作温度已显示为140°F到约150°F。
所需的树脂然后通过注入阀64在压力之下注入到模塑型腔22中。在膜片由，例如，公称厚度大概约为0.375英寸(0.95cm)的玻璃纤维制成的情形中，用于将粘度在约400和500厘泊之间的热固性聚酯或乙烯酯树脂注入塑模型腔22的典型注入压最好小于约200磅/英寸2(690KPa)，尤其是小于约60磅/英寸2(410KPa)。当然，树脂注入的最佳流速取决于精通此技术的人所熟知的若干因素。
一旦塑模型腔22完全充满树脂，这可用眼观察到树脂通过每个塑模部件14，16的箍紧环36上的排气孔流出来确定，树脂注入即告停止。随后，每个模塑型面24，26的温度通过加热/冷却单元60的动作来调节以提供最优的固化速度，以得到成品所需的表面光洁度和/或其它所需的特性，或者优化模塑工艺。然后，塑模部件14，16被分开，并以传统方式将成品从塑模型腔中取出。
根据本发明的另一特点，由于下塑模部件的膜片34的半刚性特性，在树脂注入过程中，在支承流体42将最后得到的注入压力分布在膜片34的整个表面上的同时，膜片34会发生轻微尺寸挠曲。以这种方式，在树脂注入过程中，半刚性的膜片34避免了其模塑型面26上的有害应力集中。确实，在树脂注入过程中，一个或两个膜片32，34的模塑型面24，26的轻微挠曲相信进一步改善或加强了树脂在塑模型腔22中的流动，这一效果可通过有意使注入的树脂产生脉动而得到进一步加强，所有这些都不会对模塑工具(膜片)32，34产生有害的影响。
尽管本发明优先选用的实施例已被揭示，但是应该估计到在不违反本发明的精神或附加权利要求的范围的情况下，本发明容许改变。例如，尽管优先选用的实施例使用的膜片支承流体42自身完全包含于每个塑模部件14，16的室38，40中以待由加热/冷却单元60通过线圈56对其进行加热或冷却，本发明也设想使用一个闭环温度调节系统，其中，支承流体42自身在每个塑模部件的内室38，40和加热/冷却单元60之间循环。
权利要求
1.一种包含一对相对的塑模部件的注入式模塑设备，其特征在于，每个所述塑模部件包括一个刚性外壳和一个半刚性膜片，膜片可拆卸地安装到外壳上以在每个所述塑模部件中限定出一个不漏液体的室，每个所述塑模部件的膜片限定出一个其模塑型面，所述塑模部件的相对模塑型面限定出一个塑模型腔；另外还包括一种被置于并充满每个所述塑模部件的室的第一不可压缩流体。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述塑模部件当中的一个的膜片由一种合成材料制成。
3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述塑模部件当中的一个的膜片由一种第一材料制成，所述塑模部件当中的另一个的膜片由一种第二材料制成。
4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括一个与所述塑模部件当中的一个室流体连通的膨胀室，以及用于将所述膨胀室与所述塑模部件当中的一个的室隔绝开的阀件。
5.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一流体是导热的；并且还包括与置于所述塑模部件当中的一个的室中的所述第一流体热连通的、用于调节所述第一流体温度的装置。
6.如权利要求5所述的设备，其特征在于，所述温度调节装置包括一个在所述塑模部件当中的所述一个的室中延伸的线圈系统和一个连接到所述线圈系统上的温度控制单元，该控制单元可操作地通过所述线圈系统控制一种第二流体使之处于一个稳定的温度。
7.一种包含一对相对的塑模部件的注入式模塑设备，其特征在于，每个所述塑模部件包括一个刚性外壳和一半刚性膜片，膜片可拆卸地安装到外壳上以在每个所述塑模部件中限定出一个不漏流体的室，每个所述塑模部件的膜片限定出一个其模塑型面，所述塑模部件的相对的模塑型面限定出一个塑模型腔；还包括被置于并充满每个所述塑模部件的室的一种第一不可压缩的流体；和用于在压力之下将树脂注入塑模型腔的装置；以及用于控制每个所述塑模部件的室中的所述第一流体的温度的温度控制装置。
8.如权利要求7所述的设备，其特征在于，所述塑模部件当中的一个膜片由一种合成材料制成。
9.如权利要求7所述的设备，其特征在于，所述塑模部件当中的一个的膜片由一种第一材料制成，所述塑模部件当中的另一个的膜片由一种第二材料制成。
10.如权利要求7所述的设备，还包括一个与所述塑模部件当中的一个的室流体连通的膨胀室，以及用于将所述膨胀室与所述塑模部件当中的一个的室隔绝开的阀件。
11.如权利要求7所述的设备，其特征在于，所述第一流体是导热的；并且还包括与置于所述塑模部件当中的一个的室中的所述第一流体热连通、用于调节所述第一流体温度的装置。
12.如权利要求11所述的设备，其特征在于，所述温度调节装置包括一个在所述塑模部件当中的所述一个的室中延伸的线圈系统，以及一个连接到所述线圈系统上的温度控制单元，该控制单元可操作地通过所述线圈系统控制一种第二流体使之处于一稳定的温度。
13.一个封闭系统注入式模塑方法，该方法包含制成一对并置的、隔开的、在空间上共同扩张的、与要被模塑的工件对应的、并具有由型腔所限定的厚度的半刚性型面；封闭型腔；从外面用支持在那儿的流体来支承被封闭的型腔的型面；将模塑用树脂注入被封闭的型腔；以及通过流体向型面和型腔供热/冷以产生具有所述形状的被固化模塑的工件。
14.一种如权利要求13所述的方法，其特征在于，型面是作为相对的配套使用的塑模壳室的并置的内边界及封闭壁，并且流体被导入所述室。
15.一种如权利要求14所述的方法，其特征在于，半刚性表面受到支持以在均匀注入树脂以使任何注入压力分布在整个型面的过程中，在允许轻微尺寸挠曲的同时，确保模塑于其间的工件具有合适的尺寸。
16.一种如权利要求15所述的方法，其特征在于，在注入树脂之前，热膨胀在室外完成、并且在树脂注入和固化过程中通过将室与外部膨胀空间隔开而得到防止。
17.一种如权利要求13所述的方法，其特征在于，在模塑过程中，型面支承流体的温度被调节以得到被模塑件特性和处理参数，例如固化时间和由此产生的塑模非工作时间，的所需的变化。
18.一种如权利要求17所述的方法，其特征在于，温度是由加热/冷却流体来控制的。
19.一种如权利要求14所述的方法，其特征在于，型面可从壳室上卸下并可用形状相似或不同的分界壁型面替换，用于在同一塑模的壳室中进行相应的替换，以模塑不同形状的工件。
全文摘要
一种用于模塑合成物品的设备,包括一对相对的配套使用的塑模部件,每个部件具有一个刚性外壳(28,30)和一个薄的、半刚性膜片(32,34),膜片可拆卸地且可密封地安装到外壳上以在那儿限定出一个不漏流体的室(38,40)。每个塑模部件的室充满一种不可压缩的导热流体(42),以向每个膜片的限定出每个塑模部件(14,16)的模塑型面的部分提供流体支承。一个在每个室中延伸的温度控制线圈(56)系统被连接到一个外加热/冷却单元上,以使得一种合适的温度控制流体能通过其进行循环,从而能够产生对于支承流体(42)以及,与此相关地,膜片的模塑型面的温度的确定的控制。
文档编号B29C45/76GK1206366SQ97191526
公开日1999年1月27日 申请日期1997年9月15日 优先权日1996年9月18日
发明者罗伯特·P·麦科勒姆 申请人:罗伯特·P·麦科勒姆