CN101253030B - 使用感应加热加工材料的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于加工材料、尤其是复合材料的设备，其包括：两个可相互移动的模壳(10、20)，该模壳是导电的并包括设计成与待加工材料接触的模制区(12、22)，以及用于产生磁场的感应装置(30)，除所述模制区(12、22)之外的模壳(10、20)之一的设置为相对于所述感应装置的表面涂覆有由防止磁场透入所述模壳(10、20)的非磁性材料制成的屏蔽涂层(14、24)，所述模壳相对于彼此电绝缘，以便其相对表面限定空气间隙，在所述空气间隙中流动在所述模制区(12、22)的表面处感生电流的磁场，由此使得加热局部化于所述模制区/材料界面处。

Description

使用感应加热加工材料的设备

技术领域

本发明涉及一种使用感应加热的设备和方法，尤其是为了加工或模制材料，尤其是热塑性基体复合材料或热固性材料。

背景技术

为了实现塑料部件或复合材料部件的模制，现有技术的感应加热法具有加热大部分模壳的缺点。

发明内容

本发明将感应加热限制于表面，以使加热局部化于模具/材料界面处，由此限制能量消耗并因此提高了设备的能量效率。因为模具体积的很小部分进行了感应加热，所以随着加热时间和冷却时间的减少还提高了生产率。

本发明的目的还在于降低设备的成本。

本发明由此涉及一种用于加工(尤其是通过模制)材料尤其是热塑性基体复合材料或热固性材料的设备，该设备包括：

-两个相对于彼此可移动的模壳，所述模壳由导电材料制成，每一个模壳包括设计成与待加工材料接触的模制区，以及

-感应装置，所述感应装置用于产生包围所述模壳的频率为F的磁场，

-除模制区之外，两个模壳的至少一个的设置为面对感应装置的面涂覆有防止磁场透入模壳的由非磁性材料制成的屏蔽层。

在模制阶段期间模壳彼此电绝缘，使得两个模壳的面限定空气间隙，在所述空气间隙中流动在每个模壳的模制区表面处感生电流的磁场，因此将加热局部化于模制区和待加工材料之间的界面处。

根据一个实施方案，两个模壳涂覆有屏蔽层。

根据一个实施方案，模壳包含磁性化合物，其优选具有高的相对磁导率和电阻率，例如基于镍的钢、基于铬的钢和/或基于钛的钢。

根据一个实施方案，仅一个模壳涂覆有屏蔽层，而另一个模壳包含非磁性材料，所述非磁性材料优选具有低的电阻率，例如铝。

根据一个实施方案，涂覆有屏蔽层的模壳包含磁性化合物，其优选具有高的相对磁导率和电阻率，例如基于镍的钢、基于铬的钢和/或基于钛的钢。

根据一个实施方案，屏蔽层还覆盖两个模壳的两个相互面对的面的至少一个的不构成模制区的部分。

根据一个实施方案，屏蔽区还包括固定到磁性模壳的金属片，该金属片例如是通过钎焊或螺纹连接固定的。

根据一个实施方案，屏蔽层包括沉积的材料，尤其是电镀的材料。

根据一个实施方案，屏蔽层的厚度e至少等于：

e＝50＊(ρ/F)^1/2

ρ是非磁性材料的电阻率，F是磁场的频率。

根据一个实施方案，频率F至少等于25KHz，并优选至多等于100KHz。

根据一个实施方案，屏蔽层包含低电阻率的非磁性材料，例如铜或铝。

根据一个实施方案，将电绝缘层施加到至少一个模壳的模制区，以完善这些壳的电绝缘，尤其是在待加工的材料是导电材料时。

根据一个实施方案，感应装置包括两个部分，每一部分固定连接到模壳之一上以使设备能够打开，并能够随各自的模壳移动。

根据一个实施方案，感应装置的两个部分通过至少一个电接触器电连接，所述电接触器能够在加工阶段期间在一个模壳相对另一个模壳移动期间保持接触。

本发明还涉及一种使用以上限定的设备制造部件、尤其是大批量制造部件的方法。

附图说明

通过参照附图的非限制性的实施例，从下面的描述会显示出本发明的其它特征和优点，其中：

-图1显示根据本发明的设备，

-图2显示在材料加工过程中的图1的设备，

-图3a和3b显示用于如图1所示设备的感应器的两种不同的布置，这些图对应于沿图2的剖线3-3的图，

-图4显示设备的一个变化方案，以及

-图5显示第二变化方案。

具体实施方式

如图1和2所示的模制设备包括两个相对于彼此移动的模壳10和20。所述模壳10、20由磁性材料制成，其一部分分别构成模壳10的模制区12和模壳20的模制区22。模制区12、22位于模壳的两个相互面对的面上。

与电流发生器并联或串联电连接的感应器30的网络位于模壳的周围。每个感应器30包括导电线圈并包括两个可分离的部分32、34，每个可分离的部分分别固定连接到模壳10、20。

除模制区12、22之外，每个模壳10、20的一部分外表面衬有屏蔽层14、24。在该实施例中，所述屏蔽层覆盖模壳的设置为面对感应器30的外表面和两个模壳的相互面对的面的一部分。然而，模壳不面对感应器的外表面(即与图1的平面平行的面)不必涂覆屏蔽层，这是因为所产生的磁场对这些面的影响非常有限。

图1显示模制前彼此隔开一定距离的两个模壳，图2与图1类似并且显示在模制操作期间的两个模壳。

如图2所示，在材料40的加工过程中，该材料夹紧在两个模壳的模制区12、22之间并保持在压力下。然后该材料在这两个模壳10、20之间提供电绝缘。通过该电绝缘，由两个模壳的相对表面限定的空间构成能够使磁场在该空间中环流的空气间隙42。

当包括导电线圈30的感应装置通过频率为F例如25～100KHz的交变电流Ii时，所述感应器产生包围模壳10、20的磁场。

如此产生的磁场跨越模壳并在空气间隙中即在模壳之间环流。

磁场在与电流Ii的方向相反的方向感生电流，并且空气间隙的存在使得能够产生在两个模壳的每一个的表面上流动的感生电流Ic1和Ic2。

屏蔽层防止磁场到达除模制区之外的模壳。因此这些感生电流Ic1和Ic2主要在模制区的表面上具有热作用，从而所述模制区的表面是通过感应器的作用而被加热的主要区域。由于所述屏蔽是非磁性的，所以其几乎没有被感应加热。

为了可以使设备有效地工作，屏蔽层的厚度必须大于磁场的穿透深度(外皮厚度(épaisseur de peau))。因此，防止磁场到达模壳并防止在除模制区之外的地方加热模壳。

为了确定所需的屏蔽层的厚度，使用下式：

e＝50＊(ρ/F.μr)^1/2

其中，ρ是非磁性材料的电阻率，μr是材料的相对磁导率，并且F是感生电流的频率。对于非磁性材料，μr＝1，上式变为：e＝50＊(ρ/F)^1/2。为了使磁性屏蔽能够有效，非磁性材料层的厚度必须大于在25KHz到100KHz的上述频率时的外皮厚度，所述外皮厚度小于1毫米。

由于空气间隙42的存在具有使磁通量在其内集中的作用，所以本发明的设备是尤其有效的，由此进一步增强磁场在模制区处的作用，并且因此将感应能量提供于模制区的表面。

因此，根据本发明的一个设备具有直接在模制区/材料界面处而不是模壳的厚度内来局部加热模制区的优点。这相当于明显节省了能量。这类的设备还具有简单和制造成本低廉的优点。

因为空气间隙42(图3a和3b)使由感应器提供的能量“均匀分布”，所以空气间隙还具有限制感应器的几何形状和/或分布对所产生加热的影响的作用。因此，均匀地分布在模具长度上的感应线圈30′₁～30′₄(图3b)实际上具有与分布在较短长度上的相同数量的感应线圈30₁～30₄(图3a)相同的效果。该布置使得可以随意地选择感应线圈的分布。

通过多种方法可以将非磁性材料层固定到模壳上，例如通过金属片的固定或通过材料的沉积例如通过电镀。

用于形成屏蔽的非磁性材料优选具有低电阻率，以限制能量损失。所述材料例如为铜或铝。

用于模壳的磁性材料是磁性化合物，其可以具有高于铜的居里(Curie)温度以及电阻率，例如基于镍的钢合金、基于铬的钢合金和/或基于钛的钢合金。因为模壳的高电阻率能够更有效地感应加热，所以其是优点。然而，必须注意到构成模壳的材料的磁导率也影响感应加热的效率。实际上，如果我们参考上式，则高的相对磁导率导致较低的磁场穿透深度，因此相同量的能量分布在更有限的区域上，其结果是更强地加热。

当材料具有居里点时，在接近于该居里点的温度下模壳的材料失去其磁性，并且感应加热急剧减小，由此能够将加热温度调节到居里点附近。

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制造或加工部件，在两个加工操作之间进行所述冷却。为此，在每个模壳中，提供能够使冷却液体在模制表面12、22附近流动的通道18、28的网络。第一因为所述金属模壳是高度导热的、第二因为所述通道可以设置得尽可能靠近模制区12、22，所以如此得到的冷却进行得非常好。

在模制复合材料的情况下，在加热和成形循环后，利用冷却使复合材料以其限定的形式凝固。

与已知的系统不同，本发明的装置将磁场作用和热效应集中在模制区附近。结果，由于使加热更局部化，所以在冷却过程中散逸的热能更少，因此冷却过程更快。由此，降低了设备的循环时间，因此显著地提高了生产率。

图1标出每个模壳10、20和衬于其上的非磁性材料层之间的边界f。该边界f相对于模制区12、22的位置对加热性能有影响，因此对模制有影响。利用本发明的设备，通过增加材料或除去材料容易地改变边界f的位置，由此在设备的设计中提供极大的灵活性。实际上，能够在加工测试尤其是模制之后在实际条件下调整边界的位置。

由于感应器由固定连接到模具上的两个可分离的部分32、34构成，所以两个模壳易于分离。这能够在模制之后快速地取出部件40，因此有助于以高的速率制造。在材料加工期间，通过电接触器36确保感应器网络的两个部分32、34之间的电连续性。该接触器允许感应器网络的两个部分32、34相对移动，这是因为材料的加工通常在恒定压力下进行，但这导致材料厚度的减小，由此导致两个模壳10、20之间的距离减小。

导电复合材料的加工必须使用所述设备的变体。实际上，在导体材料例如基于碳纤维的材料时，不总是完全确保两个模壳之间的电绝缘，局部可能出现短路，产生可能影响待加工材料表面和/或模制区表面的电弧。为了改进电绝缘并因此防止任何短路的危险，将电绝缘层沉积到两个模制区12、22的至少一个上。这样的层包括例如Teflon、无定形碳、玻璃纤维或基于陶瓷的材料。该层在约1微米的厚度时必须具有温度稳定性和合适的机械强度。

常规地，还设置了用于弹出所制造部件的机械装置(未示出)。

因此，如此进行的制造方法主要包括四个步骤：

-将待加工部件的一种或更多种材料置于设备的下模壳上，

-加热两个模制区，并对所述两个模制区之间的材料施加压力给定的时间，

-对所述模壳进行冷却，以冷却所述部件；

-升高上模壳并弹出/移出所述部件。

如此进行的方法广泛地受益于通过根据本发明的设备提供的优点，尤其是在生产率方面：对模制区的局部加热使循环时间最小化。

通过增加或除去屏蔽层的部分易于调整加热区，这提供大的灵活性：根据第一次测试期间得到的结果，容易改变设备。

最后，因为屏蔽层14、24不需要任何复杂或昂贵的制造，所以经济地制造设备。

如图4所示的根据本发明的一个变化方案能够得到更简单的设备，尤其是在加工非常精细部件的情况下，尤其是厚度小于1毫米的部件。实际上，使用这样的厚度以将加热限制于部件的仅一个面。本发明使用其中两个模壳中的一个不衬有屏蔽层的设备，该模壳(70)包含非磁性材料。因此，不透过磁场的该模壳(70)总能提供空气间隙，在所述空气间隙中流动由感应网络(74)产生的磁场。因此，主要在涂覆有屏蔽层的模壳72的模制区处进行感应加热。因为模壳(70)不包括任何屏蔽层，所以这样的设备制造价格低廉。在图4的实施例中，模壳70没有任何冷却回路。

另一个变化方案(图5)仅提供一个周围布置感应线圈52的模壳50。在该结构中，围绕模壳的屏蔽层在不存在任何空气间隙时使加热局部化于模制区60上。不存在该空气间隙使得所述设备耐感应器网络的几何形状更敏感，但是通过屏蔽层使加热局部化于模制区的表面上。

Claims (21)

1.一种用于通过加热加工材料的设备，该设备包括：

-两个相对于彼此可移动的模壳(10、20)，所述两个模壳由导电材料制成并包括设计成与所述待加工材料接触的模制区(12、22)，以及

-感应装置(30)，所述感应装置用于产生包围所述模壳的频率为F的磁场，

-除所述模制区(12、22)之外，所述两个模壳(10、20)中的至少一个的设置为面对感应装置的面涂覆有防止所述磁场透入所述模壳(10、20)的由非磁性材料制成的屏蔽层(14、24)，

在模制阶段期间所述模壳彼此电绝缘，使得所述两个模壳的面限定空气间隙(42)，所述磁场在所述空气间隙中流动并在每个模壳(10、20)的所述模制区(12、22)的表面处感生电流，因此使加热局部化于所述模制区和所述待加工材料之间的界面处。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述两个模壳(10、20)涂覆有屏蔽层(14、24)。

3.根据权利要求2所述的设备，其中所述模壳(10、20)包含磁性化合物。

4.根据权利要求3所述的设备，其中所述磁性化合物是基于镍的钢、基于铬的钢和/或基于钛的钢。

5.根据权利要求1所述的设备，其中仅一个模壳(72)涂覆有屏蔽层，而另一个模壳(70)包含非磁性材料。

6.根据权利要求5所述的设备，其中所述模壳(70)包含的非磁性材料是铝。

7.根据权利要求5所述的设备，其中所述涂覆有屏蔽层的模壳(72)包含磁性化合物。

8.根据权利要求7所述的设备，其中所述磁性化合物是基于镍的钢、基于铬的钢和/或基于钛的钢。

9.根据权利要求1～4之一所述的设备，其中所述屏蔽层(14、24)还覆盖所述两个模壳的两个相互面对的面中至少一个的不构成模制区的部分。

10.根据权利要求3和7之一所述的设备，其中所述屏蔽层(14、24)还包括固定到所述包含磁性化合物的模壳的金属片。

11.根据权利要求10所述的设备，其中所述金属片是钎焊的或螺纹连接固定的。

12.根据权利要求1～8之一所述的设备，其中所述屏蔽层(14、24)包含沉积的材料。

13.根据权利要求12所述的设备，其中所述沉积的材料是电镀的材料。

14.根据权利要求1～8之一所述的设备，其中所述屏蔽层(14、24)的厚度e至少等于：

e＝50＊(ρ/F)1/2

ρ是所述非磁性材料的电阻率，F是所述磁场的频率。

15.根据权利要求1～8之一所述的设备，其中所述频率F至少等于25KHz。

16.根据权利要求15所述的设备，其中所述频率F至多等于100KHz。

17.根据权利要求16所述的设备，其中所述屏蔽层(14、24)包含铜或铝。

18.根据权利要求1～8之一所述的设备，其中将电绝缘层施加到至少一个模壳的所述模制区，以改善所述模壳之间的电绝缘。

19.根据权利要求1～8之一所述的设备，其中所述感应装置(30)包括两部分(32、34)，每一部分固定连接到所述模壳之一，并能够随各自的模壳移动。

20.根据权利要求19所述的设备，其中所述感应装置的两个部分(33、34)通过至少一个电接触器(36)电连接，所述电接触器能够在加工阶段期间在一个模壳(10、20)相对另一个模壳移动的过程中维持接触。

21.一种制造部件的方法，所述方法使用根据上述权利要求之一的设备，并包括如下步骤：

-将待加工的部件的一种或更多种材料(40)置于所述设备的下模壳(10)上，

-加热所述两个模制区(12、22)，并对所述两个模制区之间的材料(40)施加压力给定的时间。

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