[发明专利]用于聚合物成型的模塑设备和方法

说明书

发明领域

本发明涉及用于将聚合物成型为聚合物零件的模塑设备和成型聚合物零件的方法。更具体地，本发明涉及具有感应加热能力的聚合物成型用模塑设备和通过感应加热聚合物来成型聚合物的方法。

发明背景

模塑或成型聚合物来制造所需零件的常规方法采用始终处于或低于聚合物脱模温度(ejection temperature)的模塑温度。愈加期望将模具循环至较高的温度以改善所需零件的物理性能或美观度。这是通过内部/外部热源向模具外表面传热来实现的。该方法要求聚合物零件的表面温度高于零件的脱模温度。加热和冷却模具延长了循环时间。生产过程要求较快的加热和冷却循环时间。当相应采用较高的功率密度时，较大的热梯度不利地在模具表面造成热点和冷点，影响了表面外观和循环时间。均匀加热对于零件质量和循环时间至关重要。

感应加热是一种用于实现模具快速加热的方法。感应加热通过使工件经受振荡磁场的作用来实现，所述工件至少部分是磁性的。通常通过使交变电流通过位于工件附近的导电线圈来产生磁场。外加磁场在工件中引起涡电流，涡电流由于电阻效应而产生热量。现有的聚合物成型方法使用导电聚合物来应用感应加热，所述导电聚合物包含分散在聚合物基体内的磁性增强材料(magnetic reinforcement)，也称作感应材料(susceptor)。感应加热线圈加热置于两个非磁性模具表面之间的导电聚合物基体。使用磁性增强材料的问题在于费用高、加工过程中过热以及零件粘附于模腔。

感应加热的其它实例采用缠绕模具体(mold body)的感应加热元件。模具体是非磁性的，但与聚合物工件相符的模具嵌件是磁性的并被感应加热元件加热而使聚合物成型。然而，问题在于该方法可能能耗大且难以控制热梯度，进而沿模具表面产生“热点”。感应加热方法的另一实例包括插于半模(mold half)之间的感应线圈，该感应线圈在模具开放时加热模具，然后在闭合模具制造零件之前抽出。其问题在于冷却速度，因为很难在模具表面冷却至低于目标加工温度之前抽出线圈。

因而，通常期望包含复合材料的聚合物代替结构部件中的金属零件例如汽车中的金属面板，以减轻重量并提高燃油效率，同时同样满足所需的结构要求。使用增强和未增强聚合物的现有聚合物加工方法例如手糊成型、真空袋成型、热压罐成型等造成超限的循环时间并且未用于大批量零件应用。另外，现有的方法通常采用低压工艺，低压工艺常常造成通常不一致的表面光洁度且需要繁重的再加工来制造可使用的零件。因而，现有的方法不适合大量生产的情况。

发明内容

本发明涉及通过感应加热成型聚合物的模塑设备和方法。在本发明的一种实施方案中，聚合物成型用模塑设备包括模具，该模具具有上模具部分和上模具表面以及下模具部分和与上模具表面相对的下模具表面。下模具部分包括至少部分地嵌于其中的感应加热装置。上模具表面为磁性材料，该磁性材料通过位于下模具部分中的感应加热装置加热并使得聚合物被快速加热。模塑设备经构造和布置以使大于约50%的感应热能耗散在上模具部分中。当上模具部分和下模具部分在压力的作用下布置在一起时，依照上模具表面和下模具表面的几何形状或构造成型或模塑聚合物零件。感应加热装置紧邻上模具表面使得能够快速加热并使用较少的能量。

模塑设备的感应加热装置可包括一个或多个线圈。所述至少一个线圈可以单相方式产生热量或者在替换性实施方案中可以多相方式产生热量。无论单相还是多相，线圈设计均沿上模具表面提供均匀的热分布并使得制成具有良好表面光洁度的聚合物零件。

本发明的聚合物成型方法包括：将聚合物置于或注入上模具表面和下模具表面之间，并通过感应加热装置加热上模具表面。上模具表面被加热到预定温度，例如聚合物的热挠曲温度或熔融温度。当达到预定温度时，该方法还包括冷却聚合物以准备将聚合物零件从模具中脱出。还可使液体冷却介质通过模具的上模具部分和下模具部分中的至少一个，来进一步冷却上模具表面和下模具表面。当上模具表面冷却至预定脱模温度时，将模具打开并将已成型的聚合物零件脱出。在另一示例性实施方案中，该方法还包括：在聚合物零件脱出过程中或脱出之后，使气体介质如空气通过上模具部分和下模具部分，以清除模具中的液体冷却介质。利用气体清除冷却介质使得模具能够在脱模过程中和/或脱模之后被快速加热以准备成型下一个聚合物零件，从而减少循环时间。

本发明包括：