CN101678570B - 用于聚合物成型的模塑设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了利用感应热能成型聚合物的各种模塑设备和方法。在本发明的一种实施方案中，聚合物成型用模塑设备包括具有上模具部分和磁性上模具表面的模具。模具的下模具部分包括向模具提供感应热能且至少部分地嵌入下模具部分的感应加热装置。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。模具下部中的感应加热装置快速加热上模具表面以在使用较少能量的同时在较短的模塑循环时间内提供高表面质量的聚合物零件。

Description

用于聚合物成型的模塑设备和方法
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：
1. 一种聚合物成型用模塑设备，包括：上模具部分，该上模具部分包括磁性的上模具表面；下模具部分，该下模具部分包括感应加热装置，该感应加热装置向所述模塑设备提供感应热能且至少部分地嵌入所述下模具部分；并且其中所述模塑设备经构造和布置以使大于50%的感应热能耗散在所述上模具部分中；以及所述下模具部分包括磁性的且不导电性的下模具表面或非磁性的下模具表面。
2. 项1的模塑设备，其中所述上模具部分不包括感应加热装置。
3. 项1-2中任一项的模塑设备，其中所述感应加热装置以多相方式产生热量。
4. 一种聚合物成型用模塑设备，包括：上模具部分，该上模具部分包括磁性的上模具表面；下模具部分，该下模具部分包括感应加热装置，该感应加热装置向所述模塑设备提供感应热能且至少部分地嵌入所述下模具部分；其中所述感应加热装置以多相方式产生热量；以及其中所述模塑设备经构造和布置以使大于50%的感应热能耗散在所述上模具部分中；以及所述下模具部分包括磁性的且不导电性的下模具表面或非磁性的下模具表面。
5. 项4的模塑设备，其中所述下模具表面是磁性的且不导电的。
6. 项1或5中任一项的模塑设备，其中所述下模具表面的饱和磁通密度为0.4特斯拉至2.2特斯拉。
7. 项4的模塑设备，其中所述下模具表面是非磁性的。
8. 项4的模塑设备，其中所述下模具表面具有不连续的磁性表面区域和非磁性表面区域。
9. 项8的模塑设备，其中所述下模具部分的磁性表面具有0.4特斯拉至2.2特斯拉的饱和磁通密度。
10. 项1、2、4或9中任一项的模塑设备，其中所述感应加热装置包括定子和至少一个缠绕在所述定子上的线圈。
11. 项10的模塑设备，其中所述至少一个线圈以横向环路布置缠绕所述定子。
12. 项10的模塑设备，其中所述至少一个线圈以竖向环路布置缠绕所述定子。
13. 项12的模塑设备，其中所述下模具部分还包括设置在所述定子和所述竖向环路布置的至少一个线圈之间的底座。
14. 项10的模塑设备，其中当所述模具处于闭合位置时所述感应加热装置和所述上模具表面之间的距离小于60毫米。
15. 项10的模塑设备，其中所述定子包括选自下列中的材料：硅钢、铁氧体、帕门德铁钴磁性合金、海波可磁性合金、非晶态材料及其混合物。
16. 项1、2、5、6、9或15中任一项的模塑设备，其中所述感应加热装置和所述下模具表面之间的距离为30毫米或以下。
17. 项1或4中任一项的模塑设备，其中所述感应加热装置以单相方式产生热量。
18. 项1或4中任一项的模塑设备，其中所述感应加热装置包括至少一个线圈，且所述至少一个线圈以多相和多极方式配置。
19. 项1或4中任一项的模塑设备，其中所述感应加热装置包括至少一个线圈，且所述至少一个线圈与所述上模具表面基本上等间距以在所述磁性模具表面上提供基本上相等的磁通分布。
20. 项19的模塑设备，其中所述至少一个线圈的节距基本上恒定以沿所述上模具表面提供均匀的磁场分布。
21. 项19的模塑设备，其中所述至少一个线圈的节距改变以沿所述上模具表面提供均匀的磁场分布。
22. 项1或4中任一项的模塑设备，其中所述上模具部分包括用于冷却所述模具的流体通道。
23. 项1或4中任一项的模塑设备，其中所述下模具部分包括用于冷却所述模具的流体通道。
24. 项1或4中任一项的模塑设备，其中供给所述感应加热装置的功率小于3兆瓦/平方米。
25. 项1或4中任一项的模塑设备，其中所述上模具部分还包括至少一个邻近所述上模具表面的绝缘件。
26. 项1或4中任一项的模塑设备，其中所述上模具表面包括选自下列的材料：铁、钢、碳、镁及其合金；并且其中下模具部分的与上模具表面相对的下模具表面包括：钴基材料、非晶态材料、铍、陶瓷、玻璃、木材、聚合物、铜、铝、非磁性不锈钢及其混合物。
27. 项1或5中任一项的模塑设备，其中所述下模具表面包括选自下列的材料：铜、铝、铍、青铜、陶瓷材料、玻璃、木材、非磁性不锈钢及其混合物。
28. 一种使用前述任一项的模塑设备的聚合物成型方法，包括：将聚合物置于模具中位于上模具部分的上模具表面和下模具部分的下模具表面之间，所述上模具表面为磁性的；感应加热所述上模具表面，以将邻近所述上模具表面的聚合物加热到至少等于该聚合物的熔融温度的温度；大于约50%的感应热能耗散在上模具部分中；将所述上模具表面冷却至低于所述聚合物的熔融温度；和将所述聚合物从所述上模具部分和下模具部分之间脱出。
29. 项28的方法，其中所述磁性上模具表面通过使流体经过所述模具的上模具部分来冷却。
30. 项28-29中任一项的方法，其中该方法还包括在所述聚合物从模具中脱出的过程中或脱出之后使气体吹扫通过所述上模具部分。
31. 项28-29中任一项的方法，其中所述聚合物是基本上为平面的片状。
32. 项28-29中任一项的方法，其中所述聚合物呈预先成型的几何形状。
33. 项28-29中任一项的方法，其中所述聚合物为熔融的。
附图说明
可通过以下附图理解本发明的各实施方案。部件无需按照比例。
图1是根据本发明实施方案的图1所示聚合物成型用模塑设备的截面图；
图2是根据本发明实施方案的图1所示聚合物成型用模塑设备的分解图；
图3A-3D是根据本发明各示例性实施方案的单相系统和多相系统的电源电路的各种电路图；
图4是根据本发明实施方案的图1所示聚合物成型用模塑设备的定子支撑横向环路感应加热装置(stator supporting transverse loop induction heating unit)的顶视图；
图5是根据本发明实施方案的图1所示聚合物成型用模塑设备的定子支撑竖向环路感应加热装置(stator supporting vertical loop induction heating unit)的透视图；
图6是根据本发明实施方案的感应线圈设计的顶视图；
图7是根据本发明实施方案的聚合物成型用模塑设备的分解图，示出了打开的模具部分和由其成型的聚合物零件的几何形状；和
图8是根据本发明实施方案沿图7所示的聚合物成型用模塑设备的线8-8截取的截面图。
具体实施方式
本发明提供通过感应加热成型聚合物的模塑设备。通过感应加热模具和经由该模具成型的聚合物，使置于该模具内的聚合物成型。在一种实施方案中，接触聚合物一面的一半模具包括感应加热装置，该感应加热装置加热接触聚合物另一面的第二半模具。该聚合物成型用模塑设备可用于多种热成型和模塑方法。例如，热成型方法包括真空成型法、柱塞辅助热成型法、压力成型法、金属对模成型法等。另外，模塑设备10可用于多种模塑方法，例如注塑法、压塑法和塑印法(plastic stamping)。
图1是用于加热聚合物的模塑设备10的截面示意图。聚合物可以是无填充的纯树脂或者可包含增强纤维和/或矿物增强材料。模塑设备10包括上模具部分12和下模具部分14。上模具部分12包括具有上模具表面16的上模具层15，下模具部分14包括具有下模具表面18的下模具层17。上模具表面16和下模具表面18与聚合物19面接。如图所示，在模塑设备10处于闭合位置的情况下，聚合物19压在上模具部分12和下模具部分14之间，该聚合物19例如可以是熔融聚合物或聚合物工件。图2为图1的模塑设备10的分解图。
图1和图2显示下模具部分14包括感应加热装置20，该感应加热装置20包括具有多条槽22的定子21和一个或多个缠绕定子槽的感应加热线圈23。线圈23由绝缘套24包裹并通过槽绝缘件(slot insulator)25楔入定子槽22内的位置。槽绝缘件25可为独立部件，或者可与下模具层17为一体，例如使槽绝缘件25为下模具层17的向下突起。线圈23可部分地或完全嵌入下模具部分14。下模具部分14可任选地包括置于定子21之下的底座26。
位于下模具部分14中的感应加热装置20快速加热上模具表面16。上模具表面16和下模具表面18的材料构成不同。上模具表面16由磁性材料制成，该磁性材料为高涡电流损耗材料或磁芯损耗材料，而下模具表面18由低涡电流磁滞损耗材料制成。因而，当电流流过高频感应加热线圈23时，大部分(至少约50%)的感应热能被上模具部分12耗散。根据模塑设备10的构造、布局和材料组成，功率的至少约80%以及在另一实例中感应加热装置20产生的热能的至少约90%施加于上模具表面16。即使得感应加热装置20产生的大部分磁通量与上模具部分12磁连接(magnetically link)并朝向上模具表面16。
然而，应当理解的是，本发明涉及数个可供选择的模具取向，例如模塑设备沿可供选择的轴如纵轴或横轴打开。此外，感应加热装置不必位于下模具部分14中。在可供选择的示例性实施方案中，感应加热装置20位于上模具部分20中以快速加热下模具表面18(磁性模具表面)。在本文所述的任意示例性实施方案中，支撑感应加热装置的半模或模具部分加热相对模具部分的磁性模具表面。
在参照图1和2描述的实施方案中，将上模具表面16快速加热到例如聚合物熔融温度或以上的高温。从而，受热聚合物与上模具表面16的几何形状相符，形成聚合物零件的“美观表面”。聚合物零件的美观表面可具有极高的光泽度，例如满足A类表面光洁度标准。在零件的一面比另一面更需要表面质量的情况下，下模具表面18中产生热量所形成的温度较低，在一些实例中明显低于上模具表面16，并造成“不美观”的零件表面。因而，在本发明的一种实施方案中，具有单侧感应加热装置而在一个模具部分中没有感应加热装置的模塑设备可将模具表面加热至明显不同的温度。
一些常规的模具系统具有感应线圈，所述感应线圈环绕模具并加热位于聚合物的相对侧的模具部分。要求大量能量透过模具体并将模具内表面加热至基本相同的温度。本发明允许感应加热装置处于模具的一部分之中且紧邻上模具表面16的模塑设备的输入功率降低。
用于具有上模具表面16的上模具层15的材料为磁性的且即导电也导热。通常将磁性材料定义为具有大于约1.0的磁导率。上模具层15的上模具表面16具有大于约0.2特斯拉，在另一实施中大于约0.4特斯拉，在又一替换性实例中约0.4特斯拉至约2.5特斯拉的饱和磁通密度。磁性材料包括但不限于铁、钢、碳、镁及其合金。具有高热导率的磁性材料将改善上模具表面16的热耗。用于上模具表面16的磁性材料的实例包括但不限于钢，例如H13、S7、4140、P20和400系列不锈钢。这些磁性材料是本领域公知的并应进行选择以具有耐受聚合物成型工艺压力的合适机械强度。上模具层15的厚度通常大于约5毫米且通常可为例如约5毫米至约30毫米。
与聚合物19面接的下模具表面18的材料组成可根据下模具部分14的可供选择的构造而变化。例如，图1示出了下模具表面18为下模具层17的表面。在可供选择的构造中，不存在下模具层17，下模具表面30由定子21和插入的槽绝缘件25的不连续区域组成，所述槽绝缘件25与聚合物19面接。在这种布置下，线圈23可更紧邻聚合物19和上模具表面16。然而，在下模具部分14任意可供选择的构造中，下模具表面18具有在聚合物成型工艺过程中耐受压力且抗变形的机械强度。
下模具表面，无论是下模具层17的表面18还是定子21和槽绝缘件25的表面30，均可由磁性材料或非磁性材料或者所述两者制成。如果下模具表面为磁性的，则构成下模具表面的磁性材料具有约0.4特斯拉至约2.2特斯拉的饱和磁通密度。所述饱和磁通密度使得感应加热装置20产生的大部分磁通能够与上模具部分12磁连接，而不是耗散在下模具部分14中。如上所述，下模具表面可以是下模具层17的表面18或定子21和插入的槽绝缘件25构成的不连续区域的表面30。因而，下模具表面的低功率损耗材料的实例包括但不限于磁性材料(例如钴基材料、非晶态材料、陶瓷材料、铍及其混合物)以及非磁性材料(例如陶瓷材料、玻璃、木材、聚合物、铜、铝、非磁性不锈钢如300系列不锈钢及其混合物)。
定子21可以是实心或叠层磁性材料，并可用于聚焦磁场，以通过降低所需的能量或减少加热时间或者所述两者来提高感应加热效率。如果定子21为叠层磁性材料，则定子21具有一系列厚度为几微米至几百微米的磁性层。用有机或非有机电绝缘材料涂覆各层，以降低通过定子21的涡电流损失。可用于定子的材料包括但不限于例如硅钢、铁氧体、帕门德铁钴磁性合金(permandur)、海波可磁性合金、非晶态材料及其混合物。
置于定子21的槽22内的槽绝缘件25由非磁性材料制成。非磁性材料防止磁通从槽22之间沿x轴水平分流穿过定子21。因而，非磁性槽绝缘件25引导线圈23和定子21中产生的磁通与上模具表面16连接。槽绝缘件可与下模具层17成一体或者可以是独立于下模具层17的部件，以使槽绝缘件25为层17的突起。
线圈23由实心金属材料(例如铜和铝)或者其它非磁性导电材料制成。线圈23通过绝缘层24与定子21电绝缘。构成绝缘层24的材料包括多种热塑性和热固性材料并且是公知的。在可供选择的实施方案中，线圈23为超导材料。超导材料的实例包括铌基材料。
使用具有低阻抗的线圈导体降低了线圈23的损耗，降低了冷却的要求，并降低了频率发生器(frequency generator)的功率水平。低阻抗线圈的实例为李兹线(Litz wire)。李兹线由上千根细铜线构成，所述细铜线各自具有小的直径(例如每束的直径为约0.001英寸)并具有围绕各束施用的电绝缘层。对李兹线的结构进行设计以使实心导体由于高频电流集中于导体表面的趋势而表现出的功率损耗最小化。李兹线的结构通过在不明显增大导体尺寸的情况下增大表面积来抵消这种影响。
另外，感应加热装置包括由能够传送冷却介质的中空管制成的线圈。中空管由导电材料如铜或铝制成时能够传输足够大的电流。
聚合物成型用模塑设备10任选地可包括沿上模具部分12侧面的绝缘件27和28。由于模具表面16和环境温度之间存在大的温差，因而上模具表面16中产生的热量可沿上模具部分12的横边29散失。因而，绝缘件27和28降低了加热模具时的热损失。
上模具部分12和下模具部分14还分别包括在聚合物成型过程中冷却聚合物20和模具部分12、14的流体通道31和32。例如，可使冷却介质通过流体通道31和32，从而，如将要进一步描述的，降低聚合物成型为聚合物零件的循环时间。
至少部分地嵌入下模具部分14的感应加热装置20的紧密相邻可在使用较小功率的同时有效加热聚合物。线圈嵌入模具使线圈免于经受工业环境的作用，延长线圈寿命并形成更坚固的系统。参照图1，可将定子21放置于尽可能邻近上下模具表面16、18之处，以使源于加热装置20的磁通朝向并集中于上模具表面16。感应加热装置20(例如定子21的上表面30)和下模具表面18之间的距离d1可小于约30毫米，在另一实例中可为约1毫米至约10毫米以及其间的所有范围。根据距离d1和聚合物19的厚度，感应加热装置20(即沿定子21的上表面30)和磁性上模具表面16之间的距离d2小于约60毫米，且例如可为约1毫米至约25毫米以及其间的所有范围。如果感应加热装置20和上模具表面16之间的距离d2过大，则磁通将与上模具表面16磁连接而足以加热上模具表面16。假设磁性上模具表面16的功率耗散恒定的情况下，通常距离d2越小(至少部分地取决于上模具表面16和下模具表面18之间的间隙大小(距离d2-d1))，加热上模具表面16的伏安要求越低。如果没有下模具层17，那么上模具表面30更接近上模具表面16。
在本发明的另一方面中，模塑设备10以可控的方式快速加热上模具表面16。热量可均匀施加在磁性模具表面16上，使得沿磁性上模具表面16的温差相对恒定。例如，沿上模具表面16的任意位置处的温差可保持在约10°C或更低温度以内，在另一实施方案中可保持在5°C或更低温度以内。沿模具表面一致或均匀的温度避免了有害于聚合物的“热点”出现。
参照图1，示出了感应加热装置20，该感应加热装置20具有一个或多个穿过定子21的槽22的线圈23。线圈通常横跨与上模具表面16的面积相同的总表面积。将线圈的样式构造为能够符合上模具表面16的几何形状的各种三维几何布局。如图所示，线圈23沿Z轴基本上与磁性模具表面等间距。线圈节距P为线圈之间的间距大小，其相应于定子21的槽22的宽度。可调节线圈节距的尺寸以获得均匀的磁通密度分布，从而沿上模具表面16和下模具表面18实现并保持均匀的温度梯度。
在另一实施方案中，感应加热装置20以多相方式产生热量以使磁场基本均匀地沿上模具表面16分布。图2的分解图示出了感应加热装置20，该感应加热装置20包括多个横穿定子21的槽22形成环路的线圈23。线圈经由多根引线34与感应发电机(未示出)连接以向感应加热装置20供电。线圈为空间分布式并由多相频率发生器馈送，该多相频率发生器的输出电压在穿过各线圈时发生相移。定子产生移动磁场即“行波”，该磁场与电源频率成正比并与布置在定子中的磁极数成反比。以这种方式消除或减少热点。
图3A至3D是示意频率发生器和各实例的感应加热装置之间电连接的可选实施方案的电路图，所述感应加热装置可具有一个或多个磁极。在图3A中，电路图40示出了与单相频率发生器41连接的单相线圈。图3B的电路43是频率发生器41向具有两个线圈(线圈44和线圈45)的感应加热装置提供两相电流的示例性实施方案。频率发生器41提供两相电流，例如A相供给线圈44，B相供给线圈45，其中电流相差90°的电角度。图3C是分别向线圈47、48和49提供A相、B相和C相电流的三相电路图46的实例。线圈可以标准星形或Δ形电连接方式连接，电流相差约120°的电角度。在图3D中，四相电路图50包括与频率发生器41连接的感应加热线圈51、52、53和54，且电流彼此相移90°的电角度。
频率发生器41输出的功率近似但不限于在定子、线圈、下模具部分14和上模具表面部分12中的功率损失的总和，假设系统内的损失极小。因而，频率发生器41所需的功率输出主要取决于输出电压、频率和上模具部分12的材料性质(例如磁导率、电阻率和饱和磁通密度水平)，假设下模具部分14中存在明显较少的功率损失。根据本发明的示例性实施方案，功率输出通常小于约1兆瓦/平方米，在另一实施方案中小于约0.5兆瓦/平方米，在又一实施方案中为约0.01至约0.3兆瓦/平方米。例如，如果频率发生器的功率输出为约1兆瓦，则至少约0.5兆瓦/平方米，在另一实例中至少约0.8兆瓦/平方米，在又一实例中至少约0.9兆瓦/平方米的功率耗散在上模具部分12中。
图4是示意模塑设备的下模具部分60的顶视图的示例性实施方案，其中双极感应加热装置的多个线圈以横向环路布置，更具体地以两极三相布置缠绕定子62。通常，感应加热装置中存在的磁极数越多，产生的磁通分布越均匀且沿上模具表面的温度分布越均匀。线圈的第一磁极以“磁极距”PP1所示的尺度跨越定子且包括具有相应引线66、67和68的线圈63、64和65。线圈的第二磁极以第二磁极距PP2所示的尺度跨越定子且包括分别具有相应引线73、74和75的线圈70、71和72。
沿第一磁极距PP1的线圈可与具有第二磁极距PP2的线圈连接以形成多相多极线圈，从而减少与频率发生器连接所需的电引线或连接线的数量。线圈之间可存在数种可供选择的连线布置。例如，在三相结构中，线圈63和70可具有相同的电流波形(相A)并具有大小相同的相电流从其中流过。线圈64和71可具有相同的电流波形(相B)，线圈65和72可具有相同的电流波形(相C)。线圈63和70、64和71、63和70可以串联或并联组合方式电连接。然后，将这些电连接的线圈连接到三相频率发生器上。
在上述三相系统的实例中，存在一个各磁极处于独立相的线圈。例如沿第一磁极距PP1向上述线圈63、64、65提供不同相的电流，沿第二磁极距PP2向线圈70、71和72提供不同相的电流。在另一实施方案中，第一磁极距PP1可具有多个以单相或多相相互连接的线圈。例如，分别供有A相、B相和C相电流的线圈63、64和65可以串联方式连接到至少一个或多个附加的线圈(未示出)上。即线圈63以串联方式连接到至少一个其它的线圈(未示出)上并供以A相电流，线圈64以串联方式连接到至少一个其它的线圈(未示出)上并供以B相电流，线圈65以串联方式连接到至少一个其它的线圈(未示出)上并供以C相电流。各自以串联方式连接到附加线圈(未示出)上的线圈70、71和72的相应线圈布置可相应地沿第二磁极距PP2供以A相、B相和C相电流。应当理解的是，上述实例构成数种可供选择的布置中的一部分，在聚合物成型用模塑设备的感应加热系统中可采用多个发电机、附加磁极、电流相位和线圈。
模具上方移动磁场的速度为21的供电频率并与21中的线圈形成的磁极数成反比。造成模具16加热的涡电流功率损失与磁通密度的平方和电源频率的平方成正比。这意味着当磁极数增加时保持相同行波速度的频率要求较高。
图4还示出了定子62的槽较少的模塑设备的实施方案。在这种情况下，可使用粘结剂将线圈牢固地粘结于定子，或者作为选择，可经由定子上表面上适当的机械布置将线圈固定于定子。如以上针对用于下模具部分14(图1)的材料所述，用于固定线圈的材料和部件同样由不导热的非磁性材料或磁性材料制成。从线圈72切下的部分显示除单芯导线以外线圈还可由多个线圈束78例如李兹线束制成。
图5是示意模塑设备的下模具部分80的透视图的示例性实施方案，其中双极感应加热装置的多个线圈以竖向环路布置缠绕定子82和任选的底座84。定子82具有6条槽且各条槽具有一个双极三相缠绕构造的线圈。例如，可向线圈85和91提供A相电流，可向线圈86和89提供B相电流，可向线圈87和90提供C相电流。线圈85和91、86和89、87和90串联或并联连接，从而形成与频率发生器连接的双极构造。在另一实例中，如果槽的数量为12，则四极三相缠绕构造每个磁极每相可具有一个线圈。
围绕定子82以竖向环路方式布置的线圈可能因线圈产生的磁通而沿定子82的底部引起热积累。可通过在线圈和定子之间建立大的空隙或者通过放置由非磁性材料例如铝或铜制成的底座84，以抑制线圈和定子82之间的磁通，来减少定子82的受热。沿尖角的磁通密度通常较大，因而受热增加。角可具有弧度或切面以减小磁通密度水平。
图6是具有定子102的下模具部分100的顶视图，线圈104与频率发生器105电连接。包括线圈104的感应加热装置可至少部分地嵌入定子102并与定子电绝缘。所述螺旋线圈为单相线圈，该单相线圈沿着与线圈104的端部107连接的引线106和与线圈104的端部109连接的引线108电连接在频率发生器上。已证实，在一些应用中螺旋线圈设计可沿上模具表面(未示出)提供基本相等的磁通分布，同时采用单相产生热量。
图7是模塑设备110的分解图，该模塑设备110具有成型聚合物零件114如车篷的上模具部分112和下模具部分116。感应加热上模具表面113形成了聚合物零件的高光洁度美观表面115。感应加热装置位于下模具部分116内处于下模具表面117以下。因而，感应加热可用于形成由包括填料和纤维增强材料的聚合物制成的较大零件。感应加热装置沿磁性模具表面113均匀加热可形成具有美观表面115的聚合物零件，该美观表面115达到了不含孔隙和缺陷的A类光洁度。在聚合物零件的几何细微或复杂部分(例如零件114的细微的角设计部分118)也可形成良好的模塑光洁度。
图8是沿图7的模塑设备110的线8-8截取的截面图。该截面图示出了具有磁性模具表面113的上模具部分112和具有下模具表面117的下模具部分116以及位于磁性模具表面113和下模具表面117之间的聚合物零件114。下模具部分116还包括支撑感应加热线圈120的定子118。上模具部分112和下模具部分116还分别包括用于冷却模具的流体通道122和124。
聚合物零件114的几何形状示出了普通的角设计部分118。角设计部分118的分解图显示线圈120之间的间距或槽间距随几何形状而改变。例如，沿聚合物114的大致为平面的部分的槽间距P1小于沿角设计部分的槽间距P2。改变槽间距，使得磁场沿零件基本均匀分布并使沿磁性模具表面113和上模具表面117的热点最小化。该分解图还示出了感应加热装置沿贯穿零件长度的轴与磁性上模具表面113相距基本相等的距离d。
通过采用感应加热，本发明能够减少加热时间，且没有常规方法的大温度梯度。因而，复合层压体可快速固化且没有过多的孔隙和固化后分层。由于直接加热模具表面而不是整个模具体，因而采用感应加热还提供了短的循环时间。瞬时加热加热模具的薄层，热量没有在整个模具内部传导，因而能够快速冷却。因此，本发明提供可在较短的模塑循环时间内获得较高的模塑制品表面质量的方法。
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。将上模具表面加热至预定温度，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。还可通过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，来冷却上模具表面和下模具表面。当上模具表面冷却至预定的脱模温度时，将模具打开并将已成型的聚合物零件脱出。
还可通过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，进一步冷却上模具表面和下模具表面以及聚合物。当上模具表面冷却至预定的脱模温度时，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：在聚合物零件从模具中脱出的过程中或脱出之后使气体介质例如空气通过上模具部分和下模具部分，以将液体冷却介质从模具中清除。利用空气清除冷却介质使得模具在脱模过程中和/或之后能够被快速加热，以准备成型下一个聚合物零件，从而减少循环时间。
可在上述模塑设备中加工的聚合物材料可包括但不限于热塑性材料、热固性材料及其混合物。热塑性聚合物可包括但不限于例如聚碳酸酯(PC)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚酯(如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT))、聚苯醚(PPO)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、丙烯酸-苯乙烯-丙烯腈共聚物(ASA)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚酰胺及其混合物。热固性聚合物可包括但不限于例如环氧、酚醛和聚酯。聚合物可用短、长或连续碳纤维，玻璃纤维，芳族聚酰胺纤维，金属纤维、矿物纤维或植物纤维增强或未增强。
尽管参照示例性实施方案对本发明进行了描述，但本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明范围的情况下可作出各种改变并可以等同物代替本发明的要素。另外，在不脱离本发明真正范围的情况下可作出多种改变以使具体情况或物质适应本发明的教导。因而，本发明不限于预期作为实现本发明的最佳方式而披露的具体实施方案，本发明包括落在所附权利要求范围内的所有实施方案。

Claims (33)

1.一种聚合物成型用模塑设备，包括：
上模具部分，该上模具部分包括磁性的上模具表面；
下模具部分，该下模具部分包括感应加热装置，该感应加热装置向所述模塑设备提供感应热能且至少部分地嵌入所述下模具部分；并且
其中所述模塑设备经构造和布置以使大于50％的感应热能耗散在所述上模具部分中；以及
所述下模具部分包括磁性的且不导电性的下模具表面或非磁性的下模具表面。
2.权利要求1的模塑设备，其中所述上模具部分不包括感应加热装置。
3.权利要求1-2中任一项的模塑设备，其中所述感应加热装置以多相方式产生热量。
4.一种聚合物成型用模塑设备，包括：
上模具部分，该上模具部分包括磁性的上模具表面；
下模具部分，该下模具部分包括感应加热装置，该感应加热装置向所述模塑设备提供感应热能且至少部分地嵌入所述下模具部分；
其中所述感应加热装置以多相方式产生热量；以及
其中所述模塑设备经构造和布置以使大于50％的感应热能耗散在所述上模具部分中；以及
所述下模具部分包括磁性的且不导电性的下模具表面或非磁性的下模具表面。
5.权利要求4的模塑设备，其中所述下模具表面是磁性的且不导电的。
6.权利要求1或5中任一项的模塑设备，其中所述下模具表面的饱和磁通密度为0.4特斯拉至2.2特斯拉。
7.权利要求4的模塑设备，其中所述下模具表面是非磁性的。
8.权利要求4的模塑设备，其中所述下模具表面具有不连续的磁性表面区域和非磁性表面区域。
9.权利要求8的模塑设备，其中所述下模具部分的磁性表面具有0.4特斯拉至2.2特斯拉的饱和磁通密度。
10.权利要求1、2、4或9中任一项的模塑设备，其中所述感应加热装置包括定子和至少一个缠绕在所述定子上的线圈。
11.权利要求10的模塑设备，其中所述至少一个线圈以横向环路布置缠绕所述定子。
12.权利要求10的模塑设备，其中所述至少一个线圈以竖向环路布置缠绕所述定子。
13.权利要求12的模塑设备，其中所述下模具部分还包括设置在所述定子和所述竖向环路布置的至少一个线圈之间的底座。
14.权利要求10的模塑设备，其中当所述模具处于闭合位置时所述感应加热装置和所述上模具表面之间的距离小于60毫米。
15.权利要求10的模塑设备，其中所述定子包括选自下列中的材料：硅钢、铁氧体、帕门德铁钴磁性合金、海波可磁性合金、非晶态材料及其混合物。
16.权利要求1、2、5、6、9或15中任一项的模塑设备，其中所述感应加热装置和所述下模具表面之间的距离为30毫米或以下。
17.权利要求1或4中任一项的模塑设备，其中所述感应加热装置以单相方式产生热量。
18.权利要求1或4中任一项的模塑设备，其中所述感应加热装置包括至少一个线圈，且所述至少一个线圈以多相和多极方式配置。
19.权利要求1或4中任一项的模塑设备，其中所述感应加热装置包括至少一个线圈，且所述至少一个线圈与所述上模具表面基本上等间距以在所述磁性模具表面上提供基本上相等的磁通分布。
20.权利要求19的模塑设备，其中所述至少一个线圈的节距基本上恒定以沿所述上模具表面提供均匀的磁场分布。
21.权利要求19的模塑设备，其中所述至少一个线圈的节距改变以沿所述上模具表面提供均匀的磁场分布。
22.权利要求1或4中任一项的模塑设备，其中所述上模具部分包括用于冷却所述模具的流体通道。
23.权利要求1或4中任一项的模塑设备，其中所述下模具部分包括用于冷却所述模具的流体通道。
24.权利要求1或4中任一项的模塑设备，其中供给所述感应加热装置的功率小于3兆瓦/平方米。
25.权利要求1或4中任一项的模塑设备，其中所述上模具部分还包括至少一个邻近所述上模具表面的绝缘件。
26.权利要求1或4中任一项的模塑设备，其中所述上模具表面包括选自下列的材料：铁、钢、碳、镁及其合金；并且其中下模具部分的与上模具表面相对的下模具表面包括：钴基材料、非晶态材料、铍、陶瓷、玻璃、木材、聚合物、铜、铝、非磁性不锈钢及其混合物。
27.权利要求1或5中任一项的模塑设备，其中所述下模具表面包括选自下列的材料：铜、铝、铍、青铜、陶瓷材料、玻璃、木材、非磁性不锈钢及其混合物。
28.一种使用前述权利要求任一项的模塑设备的聚合物成型方法，包括：
将聚合物置于模具中位于上模具部分的上模具表面和下模具部分的下模具表面之间，所述上模具表面为磁性的；
感应加热所述上模具表面，以将邻近所述上模具表面的聚合物加热到至少等于该聚合物的熔融温度的温度；
大于约50％的感应热能耗散在上模具部分中；
将所述上模具表面冷却至低于所述聚合物的熔融温度；和
将所述聚合物从所述上模具部分和下模具部分之间脱出。
29.权利要求28的方法，其中所述磁性上模具表面通过使流体经过所述模具的上模具部分来冷却。
30.权利要求28-29中任一项的方法，其中该方法还包括在所述聚合物从模具中脱出的过程中或脱出之后使气体吹扫通过所述上模具部分。
31.权利要求28-29中任一项的方法，其中所述聚合物是基本上为平面的片状。
32.权利要求28-29中任一项的方法，其中所述聚合物呈预先成型的几何形状。
33.权利要求28-29中任一项的方法，其中所述聚合物为熔融的。
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