专利名称：使用感应加热和可变形压紧装置转化材料的设备的制作方法
使用感应加热和可变形压紧装置转化材料的设备本发明涉及一种使用感应加热和可变形按压装置的设备和方法，尤其为了实现 对材料(特别是热塑性或热固性基质复合材料)的转化或模塑成型。已知在例如国际申请号W02005/094127中说明的设备，该设备允许通过表面感 应来局限加热，以便将加热限定在模具和材料之间的界面上。这种设备包括围绕着两个模体的感应器，这两个模体由导电材料制成，包括用 于接近待转化材料或与待转化材料接触的加热区，并且模体彼此间电绝缘。因此，借助 于这两个模体之间的电断开，这两个模体的相对的面限定气隙，由感应器产生的磁场分 布在该气隙中。这样，该磁场在模体表面、特别是在每个模体的加热区的表面感应出电 流，从而允许将加热局限于表面上。由于感应器产生的能量被直接注入到加热区的表面(注入到表面上相当小的厚 度之内，该厚度通常为零点几毫米)，因此该设备允许加热区的温度非常快速且非常显著 地升高。然而，这需要制造符合机械约束和严格的转化约束的两个半模。因此尽管该设 备性能良好，但其较为昂贵。另一方面，当希望实现几何形状复杂的部件(尤其是形状不可展开的部件，特 别是在这些部件具有垂直于模接合面、或有脆弱表层的表面的情况下)时，该设备的作 用有限。实际上，部件在下半模(阴模)上经受由上半模(阳模)所施加的压力。为 此，阳模的模塑区的形状与阴模的模塑区的形状互补，并且阳模可以沿垂直于接合面的 轴运动。这种平移允许在部件上对基本上与模接合面平行(即垂直于阳模的位移方向)、 或者相对于模接合面略微倾斜的表面施加所需的压力。相反，由于该唯一的平移，对于 垂直(即垂直于接合面)的、或拔模角小的表面，阳模不能够施加足够的压力来将部件正 确地按压在阴模的模塑区上。因此，这导致所制造的部件最终的质量问题(表面状态、 机械强度、纤维浇注等)。本发明的目的在于通过提出一种如下所述的材料加热设备来应付现有技术的缺 陷，该设备允许以相当高的精确度非常快速且可控地升高温度，并允许以所要求的质量 形成几何形状复杂的部件。因此，本发明涉及一种利用与气隙耦合的感应加热、并配备 有可变形按压装置的设备。更确切而言，本发明涉及一种用于材料转化的加热设备，该设备包括-下模体(或阴模)，由导电材料制成并包括用于与待转化材料接触的模塑区；-上体，不具有模塑区并由导电材料制成；-感应装置，用于生成笼罩阴模和上体的磁场；在感应加热阶段期间阴模和上 体彼此电绝缘，使得这两个体的相对的面限定气隙，磁场分布在该气隙中，在阴模的模 塑区表面处感生出电流，从而允许将感应装置的作用局限于模塑区和待转化材料之间的 界面处；-可变形按压装置，被置于阴模和上体之间，用于在待转化材料上施加均勻的压 力。因此，本发明允许将感应加热限制在表面上，以便将加热局限于模具和材料之
4间的界面处，这允许限制能量消耗，从而改善设备的能量效率，同时确保压力均勻地分 布在部件上。实际上，可变形的按压((或压紧)装置确保独立于部件形状地在部件上施 加等同的压力。通过使用可变形的按压装置，相对于已知的设备还提高了生产率，由于 加热和冷却的时间减少，因此只对模具体积的很小一部分进行感应加热。在一种实施方式中，对于磁场透明的垫块确保阴模和上体之间的电绝缘。在一种实施方式中，绝缘的垫块还确保可变形按压装置与阴模和/或上体之间 的密封性。在一种实施方式中，按压装置包括柔性膜。在一种实施方式中，柔性膜以密封方式连接至阴模，这允许在膜和阴模之间产 生负压。在一种实施方式中，柔性膜以密封方式连接至上体，这允许在膜和上体之间产 生超压。在一种实施方式中，设备包括用于在膜和阴模之间产生负压的装置，和用于在 膜和上体之间产生超压的装置，这些装置能够被同时或依次地启动。在一种实施方式中，设备包括两个柔性膜，第一个为负压膜，第二个为超压膜。在一种实施方式中，按压装置与上体相连。在一种实施方式中，按压装置与阴模相连。在一种实施方式中，模塑区包括优选地具有高相对磁导率和高电阻率的磁性成 分，例如基于镍、铬和/或钛的钢。在一种实施方式中，阴模的其余部分包含与构成模塑区的材料不同的材料，尤 其是非磁性材料或微磁性材料，例如不锈钢。在一种实施方式中，阴模包含磁性材料，除模塑区的表面之外，阴模的与感应 装置相对的面被覆有防止磁场透入阴模的由非磁性材料制成的屏蔽层。在一种实施方式中，上体包含优选地具有低电阻率的非磁性材料，例如铝。在一种实施方式中，模塑区包括冷却通道的网络。在一种实施方式中，上体包括冷却通道的网络。在一种实施方式中，由感应装置产生的磁场的频率F至少等于10kHz，并且优选 地至多等于100kHz。在在一种实施方式中，感应装置包括分别与阴模和上体相连的可分离的两个部 分。最后，本发明还涉及一种使用以上限定的设备来制造部件的方法。通过以下参照附图进行的作为非限制性的示例的说明，本发明的其它特征和优 点将显而易见，在附图中-
图1和图2表示根据本发明的设备；-图3和图4表示前述设备的变型；-图5a和图5b示出用于图2的设备的感应器的两种不同设置，这些视图对应于 沿图2的剖线AA的简化截面图；-图6表示图1的设备的一种变型的截面图；该截面沿着类似于图5a和图5b的方向获得；以及-图7a和图7b分别在两种不同的结构下显示图6的设备的细节。图1和2中所示的设备10包括模体12，该模体12为下半模(或阴模)。该模 体12由导电材料制成，其一部分14构成加热区(或模塑区)。与模塑区14相对地设置 上体20，该上体20由导电材料制成并且不具有模塑区。上体20可以沿垂直轴(垂直于 模接合面)相对阴模运动。上体20的基本功能是用作导电载体以便在阴模12和上体之 间形成气隙该上体20没有与材料的模塑阶段直接相关的任何功能。因此，上模体20 始终不与待模塑的材料直接接触、不在该材料上施加作用力，并且，与阴模12不同，上 模体20不具有模塑(或加热)区。在阴模12和上体20之间设置有密封的柔性膜42(例如“真空 罩”(bSche a vide)),用于使待转化材料44处于压力之下，使得待转化材料44紧贴在 模塑区14的表面16上。在阴模12和上体20形成的整体的周围设置感应器30的网络，所述感应器30被 并联或串联地电连接并被连接到电流发生器。每个感应器30包括导电线圈并包含可分离 的两个部分32、34。下部34与阴模12相连，而上部32与上体20相连。图1示出操作前的阴模12和上体20，阴模12和上体20彼此分离以允许放置待 转化材料。在放置材料44之后，如图2所示，上体20向阴模12移动以便限定尺寸适当的 气隙。在该示例中，为此可在上体20和阴模12之间布置电绝缘(并且因此对于磁场透 明)的垫块24。这些垫块构成上体20的基准限位块(上体20不应该贴靠材料44或与材 料44接触)，同时确保装置运行所必需的在上体20和阴模12之间的电绝缘。同样地， 借助于垫块24的适当高度还获得所希望的气隙高度。然而，可以想到用任何可选的方案 (例如，上体和阴模之间直接接触并且两者之一被覆有电绝缘物)来替换。在一种变型 中，垫块24还使得能够确保柔性膜42和阴模12之间的密封性。在这种情况下，这些垫 块24可以采用限定模塑区的周缘的边框的形式。该边框可用任何适当的材料(例如，陶 瓷材料、热固性材料、热塑性材料、硅等)来制成。相反，由于可变形按压装置(将用电 绝缘材料制成)的存在，即使在转化由导电材料制成的部件(例如，包含碳纤维的部件) 的情况下，模塑区也不需要特别的预防措施。在垫块24不确保阴模12和上体20之间的 密封性的情况下，可布置在两侧贴靠垫块24的垫圈25，如图6中所示。在一种变型中， 可以通过膜42自身来确保密封性而无需布置额外的垫圈。在转化阶段期间，如图2中所示，在加压状态下，用膜42包裹材料44并在压力 下维持材料44与阴模的模塑区14的表面16相紧贴，其中，在膜42内通过真空泵(未示 出)抽真空，为此，阴模包括排气通道17(在图6中可见)的网络。上体20(对于电磁 场不透明)允许由阴模12和上体20的相对的表面所限定的空间构成气隙40，因此将磁场 的分布限制在该空间中。因此，当频率为F (例如包括在10kHz到100kHz之间)的交变 电流Ii通过包含导电线圈的感应装置30时，感应器产生笼罩阴模12和上体20的磁场。如此产生的磁场跨这两个体并且还分布在气隙中(即在阴模12和上体20之 间)。磁场感生出方向与电流Ii的方向相反的电流，并且气隙的存在使得能够产生分别 在阴模12和上体20的表面上流动的感应电流ICl和Ic2。因此这些感应电流ICl和Ic2仅对这两个体的表面有热作用。由于气隙40的存在具有使磁通量在其内部集中的作用，因此根据本发明的设备 尤为有效，这进一步增强磁场在模塑区处的作用，并因此加大提供给模塑区表面的感应 能量。因此，能够直接在模塑区和材料之间的界面处而不是在一定厚度的模体内来快速 且局部地加热模塑区14的表面，这意味着在通过柔性膜实现对部件施加适当的压力的同 时还显著地节省能量。因为气隙40具有使感应器提供的能量均勻地分布的作用，因此气隙还具有限制 感应器的几何形状和/或分布影响所获得的加热的作用。因此，在模具四周无规则地分 布在长度L上的感应线圈30' 1至30' 4(图5b)实际上具有与规则地分布在相同长度上 的相同数量的感应线圈301至304(图5a)相同的效果。该布置使得能够随意地选择感应线 圈的分布。正相反，具有线圈感应器和导电负载而没有气隙的传统配置产生不均勻的能 量分布，所注入的能量在各感应线圈的轴线上具有最大值。在本发明的设备的实物中， 由于感应线圈围绕模具，并且模具可能配备有一定数量的突出部件(例如抬高垫块、出 模器等)，因此感应器线圈能够不均勻分布显得尤其有利。不但注入能量的理想分布使得模塑区表面的温度均勻，气隙的存在还使得能够 非常精细地调节和控制该温度。因此能够非常精确地控制升温速率(单位为。C /min(摄 氏度每分钟))，这对于某些需要遵循恒定升温速率的材料来说很有必要。根据本发明的设备还具有降低模具的设计和制造成本的优点。实际上，可以将 上体20设计为通过例如铸造或锻造获得的整体工件，并且，与阴模12、尤其是模塑区14 相反，上体20不需要特定的表面状态，从而不需要昂贵的转化。此外，上体20不用于 对待转化材料施加压力，这对上体20的机械强度几乎没有任何限制，因此在材料的选择 上留下很大的自由度。在有些情况下，与阴模12相比，上体20的厚度还会很小，由此 进一步降低上体20的制造成本，从而更广义而言降低根据本发明的设备的成本。本发明的另一个优点在于，由于上体20不用于与待转化材料直接接触、加热待 转化材料或者对待转化材料施加作用力，因此在其形状的限定上保有很大的自由度由 于上体20不起任何对模的作用，因此上体20的与模塑区14相对的表面22的形状可以独 立于模塑区的形状(从而独立于最终部件的形状)。该表面22在形状限定上的自由度例 如允许非常精细地调节通过利用感应和阻抗现象获得的加热。尤其能够利用气隙的高度 来限制加热不足或过度加热。例如，如图7b中所示，局部地降低气隙的高度，也就是 说，在高度被降低的位置处，上体20将比在其它位置处距离阴模12更近，气隙的降低使 得在该位置处穿过气隙的磁通量更集中，从而增强其效果。从图7a和图7b中还可看到 由感应器30产生的磁场分布、尤其是气隙40内部的磁场分布。图7a示出厚度恒定的气 隙40，可以看到，当气隙不笔直时，由于磁通量取道于磁阻更小的路径，因此，磁力线 更多地集中气隙所呈现的曲线的内侧而不是外侧。因此，在弯曲位置处，分别在曲线的 内侧和曲线的外侧出现过度加热和加热不足。图7b示出厚度不恒定的气隙42，其厚度尤 其在气隙呈现出弯曲的位置处有变化。根据这些情况，该厚度的增加或减小允许校正图 7a中观察到的磁通量的非均勻分布。用于构成上体20的磁性材料优选地具有低电阻率，例如铜或铝。这允许最大程 度地避免能量损失。实际上，尽管由于上体20是导电的，因此磁场感生出的电流流过上体20，但感应器产生的能量几乎全部被注入阴模。例如，如果上体20由铝制成，则其接 收的能量相当于被注入阴模12的能量的约5%。为了使阴模12中的能量损失最小化，模塑区14包含必要时可具有居里(Curie) 点的磁性材料，而阴模12的其余部分包含非磁性或微磁性成分。构成模塑区14的磁性 材料优选地具有高于铜的电阻率，例如为基于镍、铬和/或钛的钢合金。由于模塑区的 电阻率高能够使感应加热更有效，因此高电阻率成为一个优点。然而，应当注意，材料 的磁导率也会影响感应加热的效率。阴模12的其余部分包含在机械特征和电磁特性之间 实现良好折衷的材料。实际上，为了限制能量损失并且将所有加热作用集中在模塑区14 的表面16上，构成阴模12的材料还必须具有尽可能小的磁性和阻抗，同时具有应对模塑 阶段的反复的高应力所需的机械强度。有鉴于此，不锈钢和铜表现出不错的折衷。在图6中示出的一种变型中，可根据国际申请号2007/031660中所描述的方法制 作阴模，由磁性材料整体地构成阴模12以及模塑区14，阴模的与感应装置相对的面被覆 有由非磁性材料(例如铜)制成的屏蔽层12”但模塑区14的表面16除外。在该配置 下，屏蔽层是厚度大于磁场的穿透深度的屏蔽层。因此，感应电流在屏蔽层中流动，基 本不引起发热以及能量损失，但在模塑区表面的位置(该位置中材料对感应加热非常灵 敏)除外。当构成模塑区14的材料具有居里点时，在接近于该居里点的温度下材料失去其 磁性，并且感应加热急剧减小，这是在居里点附近调节加热温度的可能情况之一。如图1和2所示的设备具有冷却系统，以能够高速率地通过加热来制造或转化部 件，该冷却在两个处理之间进行。为此，在模塑区12的阴模12中可设置能够使冷却液 在模塑表面附近流动的通道18的网络。一方面，因为金属模体是高导热的，另一方面， 因为通道可被设置得尽可能接近模塑区14的表面16，所以获得的冷却非常有效。由此实 现由于在整个部件上快速且均勻从而非常有效的冷却。后一特性对于某些材料(例如聚 酯)具有至关重要的作用，对于这些材料，如果在整个冷却期间没有保持好形状(部件被 缠绕等)的话，则在冷却时存在应力松弛的问题。因此，对于某些材料，可以从制造中 省去整个被称为“成型步骤”的步骤(该步骤需要例如支架、用于有控制的降温的干燥 箱等)。上体20还优选地具有冷却通道19的网络，但该网络主要用于当上体20随着周 期逐渐发热时冷却上体20。在实际中，上体20的升温将相当缓慢，从而可以定期地、在 一定数量的加热周期之后实施冷却。感应器30由分别与阴模12和上体20上相连的可分离的两个部分32、34构成， 这使得能够在模塑之后迅速地取出部件44，因此有助于高速率的制造。在材料转化期 间，通过电接触器36确保感应器网络的两个部分之间的电连续性。图3表示本发明的一种变型，其中，柔性膜不再与阴模12相连而是与上体20相 连。在该配置下，通过超压(也就是说，通过膨胀)将柔性膜按压在阴模和待转化材料 上。为此，膜是弹性的并能够承受较大压强(例如，包括在1到15bars(巴)之间的压 强)，因此能够在不需使用较大的机械装置(压力机等)的情况下对待转化部件施加较大 的作用力。在形状较复杂的情况下，还可以利用形状适合于模塑区的可膨胀囊。在这种 配置下，上体20具有允许膜46和上体20的表面22之间所包括的空间与压强源(未示出)相连通的通道26。为了在保持对部件的压力的同时便于快速冷却，可设想压强源允许在 膜的内部生成具有期望压强的空气流通。为此，可例如形成进气通道和出气通道，后者 配备有调整至所期望的最小压强的压强限制器，而压强源供应压强显著增大的空气。为了实现膜46，可例如利用比如硅或者能够承受100%或更高的相对形变的热 塑材料等材料。优选地，所使用的材料应该能承受300°C左右的温度。如果希望实施利用RTM (resin transfer molding,树脂传递模塑成型)型的树脂传 递的方法，则可设置树脂的进入通道17工的网络，如图6中所示，在这种情况下，排气通 道17的网络还用来排出树脂。树脂的进入管道和排出管道将被布置得便于最佳的树脂填 充及分散。在图6的示例中，树脂的进入管道和排出管道位于阴模12的相对侧上。在一种变型中，可使用组合在一起的两个压紧装置被布置在上体20上的可膨 胀膜，与被布置在阴模12上的负压膜。这样的配置对于控制完成的部件的孔隙度将尤 其有用。实际上，由于在利用可膨胀膜施加较大压力之前在负压膜下方抽真空，因此能 够对部件施加较大的作用力，同时避免空气进入该部件。为同一目的，还可使用唯一的 膜，该膜由一种材料制成或者包括基于两种不同材料的至少两层，该唯一的膜同时承受 负压和超压。在一种变型中，可设置为将负压膜42固定在上体20上。这样，布置和移除膜 42变得更简便，膜42的位移与体20的位移相关联。传统上还设置推出所制造成的部件的机械装置(未示出)。
权利要求
1.一种用于材料(44)转化的加热设备(10)，包括-下模体(12)或阴模，其由导电材料制成并包括用于与待转化材料接触的模塑区 (14)；-上体(20)，其不具有模塑区，由导电材料制成；-感应装置(30)，用于生成笼罩所述阴模(12)和所述上体(20)的磁场；在感应加 热阶段期间所述阴模(12)和所述上体(20)彼此电绝缘，以便这两个体的相对的面限定气 隙(40)，，磁场分布在该气隙中，在所述阴模(12)的所述模塑区(14)的表面处感生出 电流，从而允许将所述感应装置的作用局限于所述模塑区和所述待转化材料之间的界面 处；_能够变形的按压装置(42、46)，被置于所述阴模(12)和所述上体(20)之间，用于 在所述待转化材料上施加均勻的压力。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，对于所述磁场透明的垫块(24)确保所述阴模 (12)和所述上体(20)之间的电绝缘。
3.根据权利要求9所述的设备，其中，所述绝缘垫块(24)还确保所述能够变形的按 压装置与所述阴模(12)和/或所述上体(20)之间的密封性。
4.根据权利要求1、2或3之一所述的设备，其中，所述按压装置包括柔性膜(42、46)。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述柔性膜(42)以密封方式连接至所述阴模 (12)，这允许在所述膜(42)和所述阴模(12)之间产生负压。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述柔性膜(46)以密闭方式连接至所述上体 (20)，这允许在所述膜(46)和所述上体(20)之间产生超压。
7.根据权利要求5和6所述的设备，包括用于在所述膜(42、46)和所述阴模(12)之 间产生负压的装置，和用于在所述膜(42、46)和所述上体(20)之间产生超压的装置，这 些装置能够被同时或依次地启动。
8.根据权利要求5和6所述的设备，包括两个柔性膜(42、46)，第一个为负压膜，第 二个为超压膜。
9.根据权利要求1到8之一所述的设备，其中，所述按压装置与所述上体(20)相连。
10.根据权利要求1到9之一所述的设备，其中，所述按压装置与所述阴模(12)相连。
11.根据前述权利要求之一所述的设备，其中，所述模塑区(14)包括优选地具有高相 对磁导率和高电阻率的磁性成分，例如基于镍、铬和/或钛的钢。
12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述阴模(12)的其余部分包含与构成所述 模塑区(14)的材料不同的材料，尤其是非磁性材料或微磁性材料，例如不锈钢。
13.根据权利要求1到10之一所述的设备，其中，所述阴模(12)包含磁性材料，除 所述模塑区(14)的所述表面(16)以外，所述阴模(12)的与所述感应装置相对的面被覆 有防止所述磁场透入所述阴模(12)的由非磁性材料制成的屏蔽层。
14.根据前述权利要求之一所述的设备，其中，所述上体(20)包含优选地具有低电阻 率的非磁性材料，例如铝。
15.根据前述权利要求之一所述的设备，其中，所述模塑区(14)包括冷却通道(18)的网络。
16.根据前述权利要求之一所述的设备，其中，所述上体(20)包括冷却通道(19)的 网络。
17.根据前述权利要求之一所述的设备，其中，由所述感应装置产生的所述磁场的频 率F至少等于10kHz，并且优选地至多等于100kHz。
18.根据前述权利要求之一所述的设备，其中，所述感应装置(30)包括分别与所述阴 模(12)和所述上体(20)相连的能够分离的两个部分(32、34)。
19.一种使用根据前述权利要求之一所述的设备来制造部件的方法。
全文摘要
本发明涉及一种用于材料(44)转化的加热设备(10)，包括下模体(12)或阴模，其由导电材料制成并包括用于与待转化材料接触的模塑区(14)；上体(20)，其不具有模塑区，由导电材料制成；感应装置(30)，用于生成笼罩阴模(12)和上体(20)的磁场；在感应加热阶段期间阴模(12)和上体(20)彼此电绝缘，以便这两个体的相对的面限定气隙(40)，磁场分布在该气隙中，在阴模(12)的模塑区(14)表面处感生出电流，从而允许将感应装置的作用局限于模塑区和待转化材料之间的界面处；可变形按压装置(42、46)，被置于阴模(12)和上体(20)之间，用于在待转化材料上施加均匀的压力。
文档编号B29C33/06GK102017790SQ200980109271
公开日2011年4月13日 申请日期2009年3月17日 优先权日2008年3月17日
发明者亚历山大·吉夏尔, 若泽·费根布卢姆 申请人:罗克器械公司