CN101909839A - 聚合物成形系统和方法 - Google Patents

Abstract

提供使用加热流体成形聚合物部件的各种系统和方法。在本发明的一种实施方式中，成形聚合物的方法包括：使用包括加热流体的第一热能源将模塑设备加热至第一模具温度，然后使用不同于第一能量源的第二能量源加热模塑设备。第二能量源将模具表面加热至高于第一模具温度的第二模具温度以成形部件，从而达到聚合物部件所需的表面光洁度。

Description

聚合物成形系统和方法

发明领域

本发明涉及利用加热流体来加热模具以将聚合物成形为部件的系统和方法。更具体而言，本发明涉及利用温度循环将聚合物成形为部件的系统和方法。

发明背景

用于制造所需部件的常规模塑方法包括：向模具体传导热量，以使模具体内模腔的表面温度允许聚合物充分流动来填充模腔。愈加期望的是使模具循环至较高的温度，从而除了改善部件的物理性能以外，还改善部件的表面或外观质量。然而，发现加热和冷却模具的温度循环延长了循环时间，这是因为为了升高和降低模具体温度需要时间来提供和消除热能。

感应加热是一种用于实现模具快速加热的方法。用于模塑或成形聚合物的现有感应加热方法使用环绕模具外表面的导电线圈。在另一实例中，在模具打开时将感应线圈插在半模之间来加热模具，然后在关闭模具之前将感应线圈抽出，从而制成部件。其它现有方法使用导电聚合物采用感应加热，所述导电聚合物包括分散在聚合物基体中的磁性增强材料(magnetic reinforcement)，也称作感应材料(susceptor)。感应加热线圈将置于两个非磁性模具表面之间的导电聚合物基体加热。在一些情况下，加快的感应加热循环时间证实使用塑性材料作为较大结构部件例如汽车的金属底板(metal body panel)的替代品是正确的。

用于实现模具快速加热的其它方法例如包括红外加热、电阻加热、激光加热和微波加热。这些加热方法允许定向加热模具的特定区域以达到比整体模具高的温度。模具的这些区域通常是接触和/或接近聚合物部件表面的区域。因而，需要较少的能量来实现良好外观质量/美观性所需的模具表面温度。此外，由于加热速度较快，因而可以用明显较快的循环时间来制造聚合物部件。不仅可通过上述快速加热方法加快制造聚合物部件的模塑循环时间，还可通过在部件脱出之前冷却模具来缩减循环时间。即一旦将聚合物加热至所需的部件成形温度，随即可使冷却介质通过模具体以将模具冷却至预定的脱模或脱出温度。

然而，尽管这些加热方法可快速加热模具表面，但仍可能造成对于需要大型部件和/或大量部件的应用而言无法接受的循环时间。

发明内容

本发明提供使用至少两个不同的热能源来加热模具和聚合物的聚合物部件制造系统和方法。

在一种实施方式中，本发明提供制造聚合物部件的系统。该系统包括模塑设备和向模塑设备提供热量的两个不同的热能源。第一能量源提供流动接触模塑设备的加热流体以升高模具温度，第二热能源提供升高模具温度的热能，使模具温度超过通过所述加热流体达到的第一模具温度，以成形聚合物。在另一实施方式中，该系统还包括流动接触模塑设备的冷却介质，以在聚合物成形为所需形状之后冷却模具。

在本发明的另一实施方式中，成形聚合物的方法包括使用包括加热流体的第一热能源加热模塑设备的步骤和使用第二能量源加热模塑设备的步骤。第二能量源将模具表面加热至比通过加热流体达到的模具温度高的模具温度。使用加热流体并结合替换性热源可降低第二能量源所需的峰值功率要求。第二能量源将模具加热到至少与预定成形温度相同的温度，其中成形温度可根据待成形材料和/或聚合物部件所需的表面光洁度而改变。在另一实施方式中，该方法还包括在第二能量源启动之后将聚合物置于模具的模腔和成形聚合物部件。在另一实施方式中，该方法还包括：冷却模具，打开模具以将聚合物部件从模具中脱出，以及在模具开着的同时加热模具。

在另一实施方式中，成形聚合物的方法包括：通过加热流体加热模具，随后通过感应加热将模具加热至比通过加热流体升高的模具温度高的模具表面温度。在另一实施方式中，该方法还包括：将聚合物置于模腔并将模具表面冷却至预定的脱模或脱出温度，通过使冷却介质通过模具的流体通道冷却模具表面。

在又一实施方式中，成形聚合物的方法还包括：打开模具以将部件从模具中脱出，在打开模具至关闭模具的时间段内使用加热流体来加热开着的模具。在聚合物部件脱模或脱出过程中加热开着的模具缩短了加工的总循环时间。

附图说明

可通过下述附图来理解各实施方式。部件无需按照比例。

图1是根据实施方式制造聚合物部件的系统的示意图；

图2是根据实施方式的图1所示系统中用于成形聚合物的设备的截面图；

图3是根据实施方式的模塑循环流程图；和

图4是根据实施方式的模塑循环过程中温度和时间的关系图。

具体实施方式

图1是根据本发明实施方式制造聚合物部件的系统10的顶视图。系统10包括支承成形聚合物所用模塑设备14的平板12，该模塑设备14可通过平板12的杆16开合。系统10还包括向模塑设备14提供热能的热能源20，对热能源20的细节下文会进行进一步地说明。例如，热能源20可以是向模塑设备14提供能量的感应加热装置。对于包括模塑之前预热聚合物的应用，例如在聚合物为固体并在置于模具之前加热的热成形操作中，任选地包括预热炉22。传热设备24在模塑循环过程中向模塑设备提供热介质和冷介质。如进一步的说明所述，传热设备24包括加热流体储料器26和冷却介质储料器28以及任选的空气吹扫装置(air purge)30以从模塑设备14循环或清除热介质和冷介质。

通过将模具加热至预定成形温度并随后在模具中成形聚合物，而使置于模塑设备14中的聚合物成形。本申请在多种情形下使用的术语“成形温度”可根据待成形聚合物的类型和所需的表面光洁度而改变。因而，成形温度可改变，并且可以是与结晶聚合物或半结晶聚合物的熔融温度至少一样高的模具温度，或者例如可以是比无定形聚合物的玻璃化转变温度Tg高出约30℃至约100℃的模具温度，成形温度还可以是达到部件所需表面光洁度的模具温度，这是本领域技术人员已知的。术语“模具温度”至少涉及模具表面例如模腔表面，并且可以是模具的一部分例如上模具部分或下模具部分或者这两者的表面。成形聚合物的模塑设备可用于多种类型的热成形方法和模塑方法。例如，热成形方法包括真空成形、模塞助压热成形、压力成形、金属对模成形等。另外，模塑设备13可用于多种模塑方法，例如注塑、压塑和塑料冲压。

在本发明的一种实施方式中，成形聚合物的方法包括下述步骤：使用第一能量源加热模具，使用不同于第一能量源的第二能量源加热模具，在将模具加热至较高温度时切断第一能量源。第一能量源为加热流体，该加热流体接触模具并将模具温度升至低于聚合物成形温度的温度。第二能量源将模具加热至比通过加热流体达到的模具温度高的温度，加热至与成形温度至少一样高的温度或稍高于成形温度的温度，以制造可具有高质量的表面光洁度或“美观”表面的聚合物部件。加热流体中的术语“流体”与液体或气体或者液体和气体的混合物的已确立的含义一致。加热流体的实例包括但不限于例如水和油。如本领域技术人员所知，可升高流体温度以使流体过热并具有与升高的压力成函数关系的温度。

图2是沿图1的线2-2截取的用于成形聚合物的模塑设备14的截面图。模塑设备10在模塑循环过程中开合，平板12(图1)使上模具部分32和下模具部分34之一或两者沿杆16(图1)移动。当如图所示模塑设备14处于闭合位置时，上模具部分32的上模具表面36和下模具层37的下模具表面38与聚合物40接合。聚合物可以是未填充的纯树脂或者可以包含增强纤维和/或无机增强材料。聚合物还可由多层构成，所述各层可具有相同或不同的组成。进而，所述各层可以是未填充的纯树脂或者可以包含增强纤维和/或无机增强材料。

模塑设备14据图示装配有感应加热装置45，该感应加热装置45至少部分地嵌在模塑设备内。然而，应当理解的是还可预想到具有替换性加热技术和能量源的替换性模塑设备。热能源例如可包括但不限于红外加热器、电阻加热器、激光器、微波加热器。在替换性实施方式中，例如可将基于辐射的热源置于半模之间，或者可将电阻加热元件嵌于模具中。如图2所示，模塑设备14的下模具部分34包括感应加热装置45，该感应加热装置45包括定子46和由定子槽48支承的感应加热线圈47。多种线圈布置均是可行的，一个或多个线圈可以横向环路布置或竖向环路布置设置在定子46周围。在任一实施方式中，感应加热装置可连接在热能源20上(图1)，例如单相或多相或者单极或多极布置的频率发生器。2007年6月8日提交的未决美国专利申请60/942800描述了部分地嵌于模塑设备中的感应加热装置，在此引入该专利申请作为参考。

然而，应当理解的是替换性模塑设备可具有线圈布置可能不同的替代性感应加热装置。例如，系统10可具有感应加热线圈环绕模具外表面的模塑设备。在另一实例中，模塑设备可包括感应线圈，在模具开着时将该感应线圈插在半模之间，加热模具，然后在闭合模具之前将该感应线圈抽出，从而制成部件。

继续参照图2，根据实例，实施方式示出了包括定子46的感应加热装置45，感应加热线圈47至少部分地嵌在下模具部分34中并快速加热上模具表面36。上模具表面36由磁性材料制成，该磁性材料为高涡流损失或铁心损耗材料，而下模具表面38由低涡流和磁滞损耗材料制成。因而，当电流流过高频感应加热线圈47时，大部分感应热能(大于或等于约50％)由上模具部分32消耗。根据模塑设备14的结构、布置和材料组成，感应加热装置45产生的大于或等于约80％的能量，在另一实例中大于或等于约90％的热能施加于上模具表面36。即致使感应加热装置45产生的大部分磁通量与上模具部分32磁性连接并作用于上模具表面36。

具有上模具表面36的上模具部分32所使用的材料为磁性材料并同时导电和导热。磁性材料通常定义为磁导率大于约1.0的材料。上模具部分32的上模具表面36具有大于约0.2特斯拉，在另一实例中大于约0.4特斯拉，在又一实例中约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。具有高导热性的磁性材料会改善上模具表面36的加热速度。用于上模具表面36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。这种磁性材料是本领域公知的并应选择适当的机械强度来耐受聚合物成形工艺压力。上模具部分32的厚度通常大于约5毫米，并且通常可为例如约5毫米至约30毫米。

与聚合物40接合的下模具表面38的材料组成可根据下模具部分34的替换性结构而改变。例如，图2示出了下模具表面38为下模具层37的最上层表面。在替换性结构中，下模具层37不存在，下模具表面38由定子46和插入的槽绝缘件(slot insulator)44的不连续区域构成，所述不连续区域与聚合物40接合。在该布置下，线圈47可更接近聚合物40和上模具表面36。然而，在下模具部分34的任意替换性结构中，下模具表面37例如具有在聚合物成形加工过程中耐压且抗变形的机械强度。

下模具表面，无论是下模具部分34的表面37还是定子46和槽绝缘件44的最上层表面，都可由磁性或非磁性材料或者磁性和非磁性材料两者制成。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。所述饱和磁通密度能够使感应加热装置45产生的大部分磁通量与上模具部分32磁性连接，而不是消散在下模具部分34中。因而，构成下模具表面的低功耗材料的实例可包括但不限于磁性材料例如钴基材料、无定形材料、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、铝和非磁性不锈钢(如300系列不锈钢)及其混合物。

定子46可以是实心或层压磁性材料。如果为层压磁性材料，则定子45具有厚度为数微米至数百微米的一系列磁性层。各层涂覆有有机或非有机电绝缘材料，使得通过定子45的涡流损失较低。可用于定子的材料例如包括但不限于硅钢、铁氧体、帕门德铁钴磁性合金(帕门德铁钴磁性合金)、海波可磁性合金、无定形材料及其混合物。

置于定子46的槽48中的槽绝缘件44由非磁性材料制成。非磁性材料防止磁通量从槽48之间沿x轴水平分流通过定子45。因而，非磁性槽绝缘件44引导线圈47和定子46中产生的磁通量与上模具表面36连接。槽绝缘件可与下模具层37为一体或者为独立部件，使得槽绝缘件44为层37的突起部。

线圈47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。环绕线圈47的绝缘体使线圈47与定子46电绝缘。构成绝缘体的材料包括数种热塑性材料和热固性材料并且是公知的。在替换性实施方式中，线圈47为超导体。超导体的实例包括铌基材料。

使用低阻线圈导体减少了在线圈47中的损耗、降低了冷却要求并降低了频率发生器的功率水平。低阻线圈的实例为李兹线(Litz wire)。李兹线由数千根细铜丝构成，每根细铜丝各自具有微小的直径(例如每股的直径为约0.001英寸)并具有围绕各股施用的电绝缘体。李兹线的结构设计要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。

上模具部分32和下模具部分34还分别包括在聚合物成形循环过程中用于加热和冷却模具的流体通道42和43，对此将进行进一步地说明。隔热体49可用于防止热量从模具各部分的外表面损失。流体通道42和43例如与系统10(图1)的加热流体储料器26和系统10(图1)的冷却介质储料器28流体连通。如下文所述，加热流体和冷却介质可在不同的时刻流过流体通道，然而，加热流体和冷却介质也可流过同一的或独立的流体通道。系统10(图1)还可包括连接加热流体储料器26和冷却介质储料器28与流体通道42、43的管道，所述管道沿着进入到模具的不同流体通道的不同流径(flowstream)，或者所述管道沿着相交的通道(along intersecting passageway)使得加热流体和冷却介质流过模具中重叠(overlapping)或相同的流体通道。

在结合图2描述的实施方式中，将上模具表面36快速加热至高温，例如上述成形温度。成形温度可以为例如聚合物40的熔融温度Tm或高于熔融温度Tm，或者高于例如聚合物40的玻璃化转变温度Tg，或者可以为实现聚合物部件所需表面光洁度的模具温度。经加热的聚合物从而与上模具表面36的几何形状一致，以形成聚合物部件的“美观表面”。聚合物部件的美观表面可具有极高的光泽度，例如符合A类表面光洁度标准。在部件的一侧比另一侧更需要表面质量的情况下，下模具表面38由于热量产生所达到的温度较低，在一些实例中明显低于上模具表面36的温度，形成“不美观的”部件表面。因而，在所述示例性系统10中，紧邻磁性模具表面36具有单侧感应加热装置的模塑设备14可允许模塑设备的输入功率降低。

此外还应当理解的是，本发明的系统和方法适于数种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式中，感应加热装置35位于上模具部分32中以快速加热下模具部分34的磁性模具表面。在本文所述的任一示例性实施方式中，支承感应加热装置的半模或模具部分加热相对的模具部分的磁性模具表面。

聚合物40例如在其注入模具时可为熔融聚合物或者为固体聚合物工件，并置于上模具部分32和下模具部分34之间。当模塑设备14处于闭合位置时，上模具表面36和下模具表面38的间隔距离等于聚合物40的厚度，所述间隔距离允许下模具部分的感应线圈的磁通量与上模具部分的上模具表面36连接，以向聚合物提供额外的热量。

可参照图3所示的流程图来说明本发明示例性实施方式的成形聚合物部件的方法。图3示出了初始步骤50，该方法可适用于多循环模塑工艺，所述初始步骤可以是图3所示数个独立步骤之一。在步骤50中，闭合两个半模例如上模具部分32和下模具部分34(图2)，并向模塑设备14的热能源或加热装置施加电压。应当指出的是，提及模具或模具温度时可涉及整个模具或一个模具部分。在本发明的一种实施方式中，模具部分例如上模具部分32和下模具部分34的温度可独立控制，从而将一个模具部分加热或冷却至不同的温度和/或以不同的加热速度加热或冷却一个模具部分。启动热能源以将模具的温度升至高温，例如最高约250℃，在另一实例中最高约300℃，在另一实例中最高约350℃，在另一实例中最高约400℃，以模塑或成形具有高熔融温度或高玻璃化转变温度的聚合物。

如果聚合物由熔融聚合物形成并注入闭合模具(例如在注塑工艺情况下)，则在步骤51中将聚合物注入模具并成形。如果聚合物由固体聚合物部件形成，则在步骤52中打开模具以将聚合物纳入模具中。接着，在步骤53中将固体聚合物部件例如片材或预成形聚合物固体置于半模之间。在步骤54中，闭合上模具部分和下模具部分并将模具继续加热至所需的温度。可预热聚合物片材或预成形件，然而还可加热模腔的模具表面以达到成形聚合物部件所需的表面光洁度。为达到优异的表面光洁度，可将一个或两个模具表面36、38(图2)至少加热至结晶聚合物或半结晶聚合物的熔融温度Tm，或者可加热至例如比无定形聚合物的玻璃化转变温度Tg高出约30℃至约100℃的温度，或者如上所述加热超过形成聚合物部件所需美观表面的成形温度。经加热的聚合物从而与模具表面的几何形状一致，并形成具有至少一个“美观表面”的聚合物部件。

在步骤56中，切断供给模具的热能。在步骤57中，该方法还包括使冷却介质通过模具的流体通道例如流体通道42、44(图2)，从而以较快的速度冷却模具和已成形聚合物。进行冷却，直至模具达到所需的脱模或脱出温度，此时在步骤58中将模具打开。在模具打开之后，随即在步骤59中将聚合物部件从至少一个半模中脱模和/或脱出。在步骤60中清除冷却介质。可在达到脱模或脱出温度之前、之中或之后清除冷却介质，然而在达到脱模或脱出温度时将冷却介质从系统中强制排出，可缩短循环时间。

在步骤61中通过加热流体加热打开的模具。可通过气体例如空气或流经模具流体通道的加热流体，清除上述冷却介质。在模具打开或闭合时或者在模具打开和闭合时，加热流体流过模具的流体通道，以便为下一个待成形的部件升高模具的温度。按照这种方式，在模具能够闭合之前以及在第二能量源能够开启或启动之前，通过加热流体加热模具。例如，在部件脱模或脱出时并在模具闭合之前，在步骤61中流过模具的加热流体升高模具的温度。令人惊奇地发现采用热流体介质例如热水或热油时的热通量可接近于采用其它加热方法例如感应加热时的热通量。热流体介质供给模具的热通量是模具和加热流体之间温差的函数。即当模具温度明显低于加热流体时，模具和加热流体之间大的温差保证加热流体向模具快速传热。因而，可通过在使用第二热能源加热模具之前使用加热流体加热模具，节省时间并缩短模塑循环。

在步骤62中闭合半模并且加热流体可在模具闭合时继续加热模具。最终在步骤63中清除加热流体，在上述步骤50中施用第二热能源来加热模具，从而开始下一个循环。可在为了在步骤50中进行后续模塑循环而开启感应加热装置之前、开启感应加热装置的同时或开启感应加热装置之后，在步骤63中清除加热流体，这些步骤是可互换的。步骤50中的热源和加热流体可同时工作。然而，当模具温度超过加热流体的温度时，可能需要停止热介质的流动并利用气体例如空气清扫管线。当模具温度超过加热流体的温度时，加热流体相对于模具温度而言变冷，在步骤63中清除加热流体，以使加热流体不会将模具冷却或减缓模具的加热速度。施用于模具的能量源从加热流体转变为其它热能源的时刻至少部分地取决于加热流体的温度、模具的几何结构、模具材料和待成形聚合物的性质。

应用传热定律，按照下述简化公式，热能向模具传递的速度与模具和加热流体之间的温差成比例：

Q＝h·A·ΔT

其中Q为热能传递速度，h为流体和模具之间界面处的对流传热系数，A为传热通过的流体通道的表面积，ΔT为模具和加热流体之间的温差。对流传热系数主要取决于流体性质、流速和通道的几何结构。面积A为流体通道42、44(图2)的表面积。因而，对于给定的几何结构和加热流体流速，传热速度随ΔT的改变而变化。

随着模具温度升高，热通量降低且模具温度变化率相应降低。为了达到比通过加热流体升高的模具温度高的模具温度和/或以提高的速度达到较高的模具温度，使用第二能量源加热模具。成形聚合物部件的方法还可包括：在通过第一能量源加热模具的同时监测模具的热通量，当热通量降至预定热通量时启动第二能量源向模具施加热能。即该方法还包括：当热通量降至预定值时向第二热源发送信号来向模具施加热能。例如，从一种热源向另一种热源的转换可经由反馈回路动态控制，以优化所使用的热能。此外，一旦启动第二热源，随即可通过气体清除加热流体以使模具温度得以进一步升高，例如超过200℃或超过加热流体的温度。

参照图3描述了根据本发明另一实施方式的方法，其中热能特意通过加热流体和感应加热两者提供。在该实施方式中，加热流体将模具温度升至约100℃至约200℃的温度，然后启动感应加热装置以将模具温度升至明显更高的温度，例如最高约250℃，在另一实例中最高约300℃，在另一实例中最高约350℃，在另一实例中最高约400℃。图3示出了初始步骤50，闭合两个半模例如上模具部分32和下模具部分34(图2)，并向模塑设备14的感应加热装置供电。术语“闭合”在表示闭合模具时是指上模具部分32和下模具部分34相对定位，使得置于下模具部分34中的感应加热装置能够使磁场与上模具部分32的磁性模具表面36连接。因而，在模具处于闭合位置时半模之间可存在气隙。如果聚合物自熔融聚合物成形并注入闭合模具(例如在注塑工艺的情况下)，则在步骤51中将聚合物注入模具并成形。如果聚合物由固体聚合物部件形成，则在步骤52中将模具打开以将聚合物装入模具。可将感应加热装置切断，或者打开模具时半模之间所形成的气隙中止半模之间的磁通量并切断感应加热装置。接着，在步骤53中将固体聚合物部件例如片材或成形聚合物部件置于半模之间。在步骤54中，闭合上模具部分和下模具部分，然后再次向感应加热线圈施加电压以重新将上模具表面36加热至所需的成形温度。如以上针对步骤56、57、58和59所述，一旦成形聚合物部件，随即将模具冷却并将部件脱模或脱出。

在步骤61中在闭合模具之前以及开启或启动感应加热装置之前通过加热流体来加热模具。即在生产循环期间部件脱出的过程中，感应加热装置保持不被启动，其中磁性模具表面36远离感应加热装置的定子和线圈。

在步骤62中，闭合半模，并且加热流体可在模具闭合时继续加热模具。在下一模塑循环从步骤50开始之前、开始过程之中或开始之后，在步骤63中清除加热流体，并通过感应加热装置来加热闭合模具。

可在上述模塑设备中进行加工的聚合物可包括热塑性材料、热固性材料及其混合物。热塑性聚合物例如可包括但不限于聚碳酸酯(PC)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚酯(例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。热固性聚合物例如可包括但不限于环氧树脂、酚醛树脂和聚酯。可使用短、长或连续的碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维、金属纤维、无机纤维或植物纤维增强聚合物，或者可不对聚合物进行增强。

在示例性实施方式中，参照图2描述了成形聚合物的方法，其中聚合物为聚酯例如聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)，该方法采用加热流体和感应加热来加热模塑设备14。如上所述，模塑设备14为单侧感应加热装置，其中大部分感应热能由上模具部分消耗以制造这样的部件：紧贴上模具表面36形成基本没有缺陷的美观表面，通过温度低于上模具表面36的下模具表面38形成不美观的表面。

可使用加热流体例如过热蒸汽加热上模具表面36和下模具表面38，以使上模具表面和下模具表面升至约100℃至约200℃的温度。感应加热装置将模具表面加热至大于或等于约260℃(聚酯的熔融温度Tm)的温度。使模具表面保持高于熔融温度确保了优异的部件表面光洁度。然后关闭感应加热装置，通过使冷却介质通过模具的流体通道来冷却模具和聚合物。冷却介质的温度取决于所用材料的性质。例如，对冷却介质的温度进行选择，以保证部件的刚度高至足以经受脱模并且冷却时的收缩大至足以使部件脱离模具表面。然后打开模具，以使聚合物部件可从模具中脱出。当温度为约100℃至约200℃的加热流体至少在模具开着的同时通过模具时，缩短了循环时间。当模具闭合时加热流体可继续流过模具，直至模具的温度达到最高约200℃，即这种加热模式所期望的最高温度。

图4示出了两种不同的聚合物成形方法的模具温度与单个模塑循环的时间的关系曲线。以虚线表示的曲线A和以实线表示的曲线B适于成形固体聚合物工件(例如热成形方法中的聚合物片材或预成形件)的方法。图4的曲线仅为示例性实例，以指出不同聚合物成形方法之间的关系。曲线A表示的聚合物成形方法使用不同于加热流体的热源例如上述感应加热、辐射等，将模具表面加热至大于或等于约150℃，更通常是大于或等于约200℃的温度。曲线B表示的聚合物成形方法使用第一热能源和第二热能源，第一热源为加热流体，第二热能源将模具温度升高到比通过加热流体所达到的模具温度高的温度。曲线A和曲线B所示的两种聚合物成形方法同样在循环过程中都使用冷却介质，以在聚合物成形之后冷却模具。工艺过程中任一时刻的实际温度可根据多种因素例如特定的聚合物、待成形聚合物部件的几何形状、热源的类型而改变，以及聚合物例如是否是注入的还是具有特定温度的预成形制品等。

在图4中，起始点时间t₀相应于热能供给于闭合模具的时刻，例如图3的步骤50。参照曲线A，在循环开始时(时间t₀)模具温度为T₁，例如环境温度。在时间t₀时，例如通过能够加热模具表面的数种热源之一将闭合模具加热至接近成形温度T₄的温度，如上所述该温度适于成形聚合物和/或获得部件所需的美观表面质量。在时间t_1A时，模具的温度例如达到成形温度T₄，打开模具，以便可对固态聚合物进行成形，并将固态聚合物置于模具中。根据加热方法而定，在将固态聚合物装入模具时可切断热源。例如，在上述单侧感应加热方法中，当打开模具装入聚合物片材或预成形件时，在t_1A至t_2A之间感应加热线圈不再加热模具。在一种示例性实施方式中，模具的温度在时间t_2A时降至Td_A，同时将聚合物部件置于模具中。在时间t_2A时，将模具闭合并向感应加热装置供电以重新开始加热模具。在时间t_3A时，可任选地将模具加热至超过成形温度，例如至温度T₅。在时间t_3A时，例如通过使冷却介质循环通过模具将模具冷却。在时间t_4A时，模具表面的温度降至温度T₂，例如脱模或脱出温度，并再次打开模具以脱模并最终脱出聚合物部件。在时间t_5A时，模具在开着的同时可继续冷却至温度T₁，在所述时间t_5A时将模具闭合以进行下一个循环。在时间t_5A时，启动热能源来加热模具以在随后的循环中成形下一个部件。

参照曲线B，在循环开始时(时间t₀)，模具温度为T₃，该温度高于曲线A的聚合物成形方法的起始温度T₁。这两种方法的起始温度不同是由于模具开着时使用了加热流体。在模具温度T₃时，通过适当的热能源(包括加热流体)加热闭合模具。根据市售流体而定，在时间t_1B时，可能需要其它热能源将模具温度升至温度T₄，即聚合物的模塑或成形温度。在时间t_1B时，将模具打开，从而可将固态聚合物装入模具。当模具打开时，一些热源例如感应加热装置可不再加热模具，模具的温度降至Td_B，同时将固体聚合物片材或预成形件放入模具。在时间t_2B时，将模具闭合并向感应加热装置供电以重新开始加热模具。在时间t_3B时，可将模具任选地加热至超过成形温度，例如至温度T₅。在时间t_3B时，切断热能源例如感应加热装置，并使冷却介质循环通过模具。在时间t_4B时，即模具再次打开使聚合物部件脱模并最终从模塑设备中脱出时，模具表面的温度降至温度T₁。使加热流体循环通过模具的至少一部分例如上模具部分，以在模具开着时加热模具。加热模具并在时间t_5B时达到温度T₃。在时间t_5B时，将模具闭合，加热流体继续加热模具，或者开启其它热源以开始下一个模塑循环(图3的步骤50)。曲线A表示的模塑循环结束于模具温度T₁，曲线B表示的模塑循环结束于较高的模具温度T₃，这是因为方法B的模具在模塑循环的脱出部分过程中在模具开着时使用加热流体进行加热。

因而，曲线A和B的比较显示，当使用加热流体作为热能源时可明显缩短成形聚合物部件的总循环时间。另外，加热流体的使用可降低模塑循环过程中使用的替换性热能源所需的功率要求。比较时间t₀至t_5A和时间t₀至t_2B方法A和B的循环时间之差为Δ_t。

由曲线A和B表示的两种不同的聚合物成形方法之间循环时间之差至少与时间差Δt₁(在各方法中达到成形温度T₄所花费的时间)相等。所述关系可由下式表示：

Δt≥Δt₁实际节省的时间Δt可与循环过程中为了脱出聚合物部件开合模具所花费的时间一样长。

对于方法B，当该方法包括打开模具将固体聚合物片材或预成形件置于模具各部分之间时，可实现循环时间的额外节省。由于在装入聚合物工件的过程中模具温度可能下降，因而在通过加热流体加热模具的情况下，模具温度不会下降太多或根本不会下降。在图4中，由T_dB表示的温度下降小于由T_dA表示的温度下降。聚合物表面或界面处的模具温度不会下降太多，这是因为，与使用其它能量源而没有使用加热流体来加热模具的方法A相比，方法B中采用的加热流体加热模具达到模具更深的深度。因此，与时间Δt₂，即方法B中将模具温度升至成形温度所花费的时间相比，方法A中将模具温度提高到成形温度T₄或超过T₅需要更长时间Δt₃。因而，由曲线A和B表示的两种不同的聚合物成形方法之间循环时间的变化还可考虑恢复装料过程中的温度损失所花费的时间的不同。方法B额外节省的循环时间可由下式表达：

Δt≥Δt₃-Δt₂

因而，采用加热流体作为热源的方法B的循环时间的减少可如下表示：

Δt≥Δt₁+[Δt₃-Δt₂]

因而，使用加热流体形式的热能源并随后使用第二能量源可使得循环时间较短，然而，循环时间的减少还取决于两种能量源的相对加热速度。现已发现，当通过加热流体或其它能量源如感应加热来加热模具时，模具温度或热通量的变化率近似相等。然而，随着模具温度升高，热通量降低并可启动第二能量源将模具加热至超过加热流体的温度。

如上所述，使用加热流体并结合其它热源可降低例如吸收电能的第二能量源所需的峰值功率要求。在采用加热流体加热并随后采用感应加热的方法的实施方式中，加热流体发挥热容的作用来降低加热模具的感应加热装置的功率要求。另外，使用第二热源例如感应加热还在短的循环时间内实现了高的模具温度，这是因为直接加热了模具表面而不是整个模具体。瞬时加热加热了模具薄层，而热量没有在整个模具内部传导，因而能够实现较快速的冷却，从而提供了在短的循环时间内制造美观表面质量高的模塑制品的方法。

尽管对本发明的实施方式进行了描述，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。例如，尽管上述示例性实施方式涉及感应加热作为热源，但应当理解的是，还可结合加热流体使用多种其它类型的热源来加热模具。此外，还可使用多种不同的聚合物。另外，在不脱离本发明实质范围的情况下，可作出多种改进以使具体情况或材料适应于本发明的教导。因而，本发明不限于预期作为实施本发明的最佳方案所披露的具体实施方式，而是包括落在所附权利要求范围内的所有实施方式。

Claims (37)

1.一种成形聚合物部件的方法，包括：

通过包括加热流体的第一能量源向模具施加热能，将所述模具加热至第一模具温度；

通过不同于所述第一能量源的第二能量源向所述模具施加热能，将所述模具加热至高于所述第一模具温度的第二模具温度；和

在通过所述第二能量源向模具施加热能之后将聚合物置于所述模具的模腔中，成形聚合物部件。

2.权利要求1的方法，其中所述第二能量源选自：感应热能、红外能、电阻热能、激光热能、微波能及其组合。

3.权利要求2的方法，其中第二能量源选自：感应热能、红外能、电阻热能、激光热能、微波能及其组合。

4.权利要求1的方法，其中所述第二模具温度大于或等于约150℃。

5.权利要求4的方法，其中所述第二模具温度大于或等于约180℃。

6.权利要求5的方法，其中所述第二模具温度大于或等于约250℃。

7.权利要求1的方法，其中所述第二能量源为感应热能。

8.权利要求1的方法，其中所述模具包括流体通道；并且通过第一能量源加热所述模具包括使加热流体通过所述模具的流体通道。

9.权利要求1的方法，其中所述模具具有第一部分和第二部分；并且通过第二能量源加热所述模具包括向第一模具部分中的感应加热线圈通电来加热第二模具部分。

10.一种成形聚合物部件的方法，包括：

使用加热流体将模具加热至第一模具温度；

使用作为第二能量源的感应热源将所述模具加热至高于所述第一模具温度的第二模具温度；

在通过所述第二能量源向模具施加热能之后将聚合物置于所述模具的模腔中，成形聚合物部件。

11.前述任一项权利要求的方法，该方法还包括将聚合物置于所述模腔之后冷却所述模具。

12.权利要求11的方法，该方法还包括：在冷却时打开所述模具以将所述聚合物部件从所述模具的至少一个部分中脱出；在所述模具开着的同时通过加热流体加热所述模具。

13.权利要求12的方法，其中加热所述模具包括：在打开所述模具时使加热流体通过模具的流体通道。

14.权利要求11的方法，该方法还包括：在冷却时打开所述模具，将所述聚合物部件从模具中脱出，和闭合所述模具。

15.权利要求14的方法，该方法还包括加热所述模具，加热所述模具包括在打开模具至闭合模具的时间段期间使加热流体通过所述模具。

16.权利要求15的方法，其中冷却所述模具包括使冷却介质通过模具的流体通道，其中加热流体的物流从模具中置换冷却流体的物流。

17.前述任一项权利要求的方法，其中所述模具具有第一模具部分和第二模具部分，所述第一模具部分和第二模具部分的加热独立控制。

18.前述任一项权利要求的方法，该方法还包括：在使用加热流体加热所述模具的同时监测所述模具的热通量；当所述热通量降至预定热通量时启动所述第二能量源以向模具施加热能。

19.前述任一项权利要求的方法，其中所述模具具有第一模具部分和第二模具部分；并且加热所述模具包括独立加热所述第一模具部分和第二模具部分。

20.前述任一项权利要求的方法，该方法还包括：将聚合物置于所述模腔之前清除所述加热流体。

21.权利要求20的方法，其中在向所述模具施加第二能量源的同时清除所述加热流体。

22.前述任一项权利要求的方法，其中所述加热流体选自：水、油及其混合物。

23.前述任一项权利要求的方法，该方法还包括：将聚合物置于所述模腔之后冷却所述模具。

24.前述任一项权利要求的方法，其中通过将熔融聚合物注入所述模具的方式，将所述聚合物置于模具中。

25.权利要求1-23中任一项的方法，其中通过将固态聚合物装入所述模具的方式，将所述聚合物置于模具中。

26.前述任一项权利要求的方法，其中所述加热流体将模具温度升至约100℃至约200℃的温度。

27.权利要求1或10的方法，其中所述模具具有上模具部分和下模具部分，所述上模具部分包括磁性上模具表面，所述下模具部分包括感应加热装置，所述感应加热装置经构造和布置使所述上模具部分消耗超过约50％的感应热能。

28.前述任一项权利要求的方法，该方法还包括：当模具温度与所述第一模具温度至少一样大时清除所述加热流体。

29.一种系统，包括：

模塑设备；

第一能量源，所述第一能量源包括与所述模塑设备流体连通的加热流体供应源；和

第二能量源，所述第二能量源与所述模塑设备连通。

30.权利要求29的系统，其中所述第二能量源选自：感应热能、红外能、电阻热能、激光热能、微波能及其组合。

31.权利要求29的系统，其中：

所述第二能量源为感应发生器；和

所述模塑设备包括与所述感应发生器连通的感应加热装置。

32.权利要求29-31中任一项的系统，该系统还包括与所述模塑设备流体连通的冷却介质供应源。

33.权利要求29-32中任一项的系统，其中所述模具设备包括所述模具内与加热流体供应源流体连通的至少一条流体通道，以允许所述加热流体流过所述至少一条流体通道，从而加热所述模具。

34.权利要求29-33中任一项的系统，其中所述模塑设备包括所述模具内与冷却介质供应源流体连通的至少一条流体通道，以允许所述冷却介质流过所述至少一条流体通道，从而冷却所述模具。

35.权利要求34的系统，其中与所述冷却介质供应源流体连通的所述至少一条流体通道和与所述加热流体供应源流体连通的所述至少一条流体通道相同。

36.权利要求32的系统，该系统还包括使所述加热流体供应源和冷却介质供应源同所述模具的至少一条流体通道连接的管道。

37.权利要求29-36中任一项的系统，其中所述系统还包括与所述模塑设备连通的温度传感器，所述温度传感器监测整个模具的热通量，以在达到预定温度时启动所述第二能量源。

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