CN102031642A - 用于由纤维材料制造成型件的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在使用多件式模具的情况下由纤维材料制造三维成型件的方法和设备，所述多件式模具包括至少一个内腔，所述多件式模具的内侧至少部分地确定所述成型件的轮廓，所述方法包括下列步骤：将纤维材料吹入模具的内腔；使纤维积聚在所述模具的内侧上，以及使纤维接合以制成成型件。根据本发明：所述纤维在被吹入模具时至少部分地在内腔中受到一个或多个电场的作用，由此所述纤维至少部分地沿所述电场的相应方向取向，所述电场的相应方向与所述成型件中纤维的一个或多个希望的优选方向至少是近似相同。

Description

用于由纤维材料制造成型件的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于在使用多件式穿孔模具的情况下由纤维材料制造三维成型件、特别是形式为垫式实心体的成型件的方法和设备，所述多件式模具包括至少一个内腔，所述多件式模具的内侧至少部分地确定所述成型件的轮廓，所述方法包括下列步骤：将纤维材料吹入模具的内腔；使纤维积聚在所述模具的内侧上，以及使纤维接合以制成成型件。
这种成型件优选应用在车辆结构中，特别是例如在发动机罩下作为消声垫，例如在脚部空间中或在行李舱中或在坐垫或车内地毯的区域中等作为衬垫。
本发明还涉及一种用于由纤维材料制造这种三维成型件的设备，该设备尤其适合于实施根据权利要求1至5中至少一项所述的方法，所述设备包括：多件式模具，所述多件式模具包括至少一个内腔，其中模具的内侧至少部分地确定待造成型件的轮廓；一个或多个嘴部，所述一个或多个嘴部用于将所述纤维吹入内腔；在所述模具中的空气开口，所述空气开口用于使空气从所述内腔逸出并且用于使纤维积聚在模具的内侧上；和用于使纤维接合以制成成型件的装置。
背景技术
这种方法或这种设备例如从WO 2009/062646中已知，该文献公开了用于由纤维材料制造三维成型件的设备。为此应用包括上模和下模的两件式模具。在此，上模和下模的相应内侧部分地确定成型件的轮廓。经由多个嘴部、通过空气流将纤维吹入位于上模与下模之间的中间腔中。该空气流通过上模和下模的开口逸出，使得纤维积聚在上模和下模的内侧上。然后，可能还在局部使纤维紧实以使之在另一步骤中通过热输入而彼此粘结。在冷却纤维后，最后可以从模具中取出制成的成型件。在此，纤维在模具中形成所谓的无定向纤维网(Wirrfaservlies)，即非织造织物的纤维的各自取向是任意的。
发明内容
本发明基于以下认识：应使这种成型件的与制造相关的特性更好地匹配于随后的应用可能性。
因此本发明的目的是，提供用于由纤维材料制造三维成型件的方法和设备，以改善成型件应用可能性和特性。
对于根据权利要求1的前序部分所述的方法，所述目的以下述方式实现：使所述纤维在被吹入模具时至少部分地在内腔中受到一个或多个电场的作用，由此使所述纤维至少部分地沿所述电场的相应方向取向，所述电场的相应方向与成型件中纤维的一个或多个希望的优选方向至少是近似相同。
而对于根据权利要求9的前序部分所述的设备所述目的以下述方式实现：设有用于产生一个或多个电场的装置，该装置使内腔至少部分地受到一个或多个电场的作用，由此使纤维在被吹入模具时至少部分地沿所述电场的相应方向取向，所述电场的相应方向与成型件中纤维的一个或多个希望的优选方向至少是近似相同。
通过根据本发明的方法和/或根据本发明的设备实现了，使纤维在模具的内腔中与一个或多个电场相应地取向或者说沿所述电场的各场线取向。然后，使纤维沿一可预定的优选方向积聚在模具的内侧上。如果模具被完全充满这样取向的纤维，则使纤维彼此粘结并且在粘结时保持所述相应电场的方向。由此形成一种在特定区域中或者在整个成型件中使纤维具有特定取向的成型件。选择电场的方向或场线，使得纤维的相应方向与对于特定特性优选的一个或多个优选方向相同。由此提高了成型件的应用可能性，使该成型件还可以应用在例如由于存在负载而不适合使用成型件的其它领域中。如果成型件例如在特定应用中被在特定方向上加载，则选择电场的方向以使纤维与该加载的方向平行。这样实现了提高成型件抵抗外力的恢复力。由此明显延长了成型件的使用寿命和功效。
有利地，在吹入前和/或在吹入期间，为纤维加载静电/静电充电，和/或使已带电的纤维被增强电荷。然后，在一个或多个电场处使纤维取向以形成具有一个或多个希望的纤维优选方向的成型件。对于已带电的纤维可以增强其电荷以使之快速、可靠地在内腔中与电场的场线相应地取向，并最终以所述取向存在于制得的成型件中。
为了简单、经济地产生电场，合适地借助模具的传导性部段产生电场。在此，模具的传导性部段设置成，使得电场的方向或场线与纤维的希望的优选方向相对应。模具的传导性部段可以彼此绝缘。由此不需要附加的用于产生电场的装置，从而能经济地实施所述方法。
为了提高电场的均匀性，同时为了实现尽可能简单的维修，所述至少一个电场也可以通过电极产生，所述电极设置多件式模具的外侧上或者向外隔开地设置在该模具上。由此确保能简单地触及电极，并使电极的维修很简单。此外，在定位电极时需要考虑的边界条件、例如突起等更少，从而能实现更大的电极，这一点有利于在各电极之间的电场的均匀性，其原因是电场在电极的相应边缘处的边缘效应的作用更小。
为了尽可能少地设置用于产生电场的附加装置，合适地通过至少一个嘴部将纤维材料吹入所述内腔，所述嘴部本身设计成用于至少一个电场的电极。在此，嘴部包括彼此绝缘的部件，以沿不同方向产生独立的分电场。当然，也可以将多个嘴部设计成电极。
在此，相应的用于电场的第二电极不必同样是嘴部的形式，而是例如也可以具有任何其它适合的形式，特别是所述第二电极也可以通过模具的传导性部段形成，所述传导性部段必要时彼此电绝缘。
在根据本发明的设备中有利的是，设有用于为纤维充电的装置，从而使不带电的纤维被充电和/或使已带电的纤维被增强电荷。如果使用不带电的纤维，则该纤维在不被充电的情况下不在电场中取向。因此，当设有用于为纤维充电的装置时明显提高了设备的灵活性。此外，通过所述装置使已带电的纤维被增强电荷。例如使由于彼此摩擦已带有一定、但少量电荷——该少量电荷可能不足以在电场的作用下充分和/或足够迅速地取向——的纤维被增强电荷，从而使所述纤维在电场作用下可靠地在模具内腔中取向。
在此尤其有利地，用于充电的装置设置在所述至少一个嘴部上，和/或设置在嘴部的输入管路之一上。如果充电装置设置在嘴部上，则由此能实现设备的紧凑结构。如果该装置设置在用于至少一个嘴部的输入管路上，纤维在被吹入内腔前便已获得希望的电荷。由此，一方面可以较为简单、经济地制造嘴部，同时避免了用于充电的装置当设置在嘴部本身上时对模具内腔中电场的影响，进而使纤维在内腔中通过所述电场可靠地取向。
有利地，用于为纤维充电的装置包括一环电极。这样便能将该装置特别简单地集成在用于嘴部的现有输入管路中或者集成到嘴部本身中，其中该环电极例如直接设计成输入管路的部段或者简单地围绕输入管路设置在其外侧上。
为了尽可能经济地制造、并简单地布置用于产生电场的装置，还可以考虑板式和/或杆式电极。在此，这两种类型的电极还可以一起用于产生电场，例如其中在模具的一侧上设置杆电极，而在对置一侧上设置板式电极。在这种情况下，场线由杆式电极起，垂直于该杆式电极的表面延伸，并平行地终止于板式电极的表面上。
为了能尽可能紧凑地设计该设备，合适地将所述多件式模具的至少一部分至少部分地设计成电极。将电极“埋入”模具一方面实现了模具的更紧凑设计，另一方面使电场基本均化，其原因是不必在电场范围内设置形成干扰的附加引线，所述附加引线的设置会干扰电场的均匀性。
为了能使用于设备维修的可触及性更简单，有利的是，在多件式模具的外侧设置电极，特别是多件式模具部分地由非传导性材料制成。如果电极设置在所述外侧，则能容易地从外部触及该电极。同时，特别是多件式模具部分地由非传导性材料制成，以避免由于法拉第效应(Faradayeffekt)而部分地屏蔽电场。在此，也可以借助传导性和非传导性材料相应地形成模具以充分利用法拉第效应，从而针对性地在场强和几何取向方面影响所述电场。
如果电极设置在多件式模具的外侧，则不需要使所述电极与多件式模具连接。如果例如将电极放置成距所述多件式模具更远，则所述电极能设计成比模具或者至少比模具的部段大得多。同时，由此避免了电场中的边缘效应(场线在电极的边缘处弯曲；对于直接面对的板式电极，基本上仅在所述板之间的内腔中具有均匀的电场)。
为了能更紧凑地设计该设备，合适地将至少一个嘴部设计成电极。在此，可以由具有其它形式的电极的一个嘴部、也可以由两个相应的嘴部来形成用于产生电场的装置。
为了确保尽可能无故障地制造成型件以及避免在用于产生电场的装置之间的短路等，合适地特别是在多件式模具的各部件之间设有用于电绝缘的装置。由此使传导性区域彼此绝缘，从而能无故障地制造成型件。
附图说明
本发明的其它特征和优点由从属权利要求和下面对实施例的描述以及附图给出。其中示出了：
图1示出根据本发明的多件式模具在吹入纤维前的透视图；
图2示出在吹入纤维期间在施加电场的情况下的根据图1的本发明模具；
图3示出在未施加电场的情况下的根据图2的模具；
图4a，4b分别示出利用定向纤维以及利用无定向纤维制造的成型件的剖面；
图5示出根据本发明的多件式模具；
图6a至6c分别示出上模和下模的透视图；
图7示出具有电极的输入管路的局部透视图；和
图8示出纤维定向装置/调整装置的竖立剖面。
具体实施方式
图1示出用于根据本发明的设备的多件式模具1。在此，该模具1包括两个被穿孔的壳式部件——上模O和下模U，在所述上模和下模之间形成一具有待造成型件的形状的内腔I。在上模O和下模U的外侧上设置两个板状电极2a，2b，该板状电极2a，2b用于产生在内腔I中起作用的电场E。在图1中，在下模U的右侧上设置一用于将纤维F1，F2吹入内腔I中的嘴部D。此外，在内腔I中、在嘴部D上安装一用于在将纤维F1，F2吹入内腔I中时为所述纤维加载静电的电极2c。在纤维F1，F2被吹入前、最迟在吹入时对内腔加载电场E。
图2示出一种情况，其中借助嘴部D、沿方向4将纤维1吹入在上模O和下模U之间的内腔I中。在吹入和在此形成涡旋缠结时，尽管纤维F1受到内腔I中的电场E作用，但首先并没有被定向。由于空气流的减速，纤维F1，F2在进一步进入内腔I时失去动能，这时在电场E力的作用下对应于场线、即在图2中大致垂直于模具上侧和下侧延伸的场线被定向成从板状电极2a朝向板状电极2b彼此平行(纤维F2)。
在下一步骤中(未示出)，纤维F2按其相应的取向积聚在上模O和/或下模U的内侧上，而吹入的空气通过被穿孔的上模和下模逸出。如果内腔I被完全填充以(被定向的)纤维F2，纤维F2例如通过热压粘合彼此连接。然后，必要时冷却模具和/或已粘合的纤维F2。从而形成牢固的成型件，可以在打开模具1后取出所述成型件。
图3特别是示出当内腔I中无电场E作用时纤维F1在内腔I中呈现出的取向。纤维F1任意取向，从而形成具有非同向纤维F1的、所谓的无定向纤维网。
图4a示出利用通过电场E定向的纤维F2制造(图4a)的成型件5的剖面，4b示出利用在无电场E的情况下在内腔I中形成的无定向纤维F1制造的成型件5的剖面。此外，示出一从上方作用在这样制得的成型件5上的力。在图4a中纤维F2与所述作用力F平行，而在图4b中所述纤维相对于从上方作用的力F具有不确定的取向、即具有随机/任意的取向。因为在图4a中纤维F2与作用到成型件5上的力F平行，所以当被力F加载时图4a的成型件的恢复力R明显大于图4b的成型件5的恢复力R，原因是当纤维F2与作用到成型件5上的力F平行时，恢复力、即抵抗力F作用的力最大。由于使纤维F2沿一个或多个优选方向取向，在此为平行于作用到成型件上的力(根据图4a)，明显改善了成型件的无疲劳恢复能力、进而改善了其使用寿命。
图5示出根据本发明的模具1，该模具1包括上模O和下模U。这两个模具以已知的方式由被穿孔的壁部件制得，所述壁部件被可拆松地彼此连接。在吹入纤维时，上模和下模形成一闭合箱。在被吹入的纤维粘合后以已知的方式打开所述箱。
在下模U的右侧壁上，大致垂直于该侧壁设置一用于将纤维材料吹入模具1的内腔I中的嘴部D。嘴部D带有一用于在吹入期间为纤维F1，F2加载静电的电极2c。此外，上模O一部分设计成电极2a，相应地下模U的一部分同样设计成电极2b。必要时与电极2c相组合地，可以通过施加电压而在电极2a和2b之间产生电场E。选择电极上的电压以形成5kV/cm到10kV/cm、特别是6kV/cm到8kV/cm的电场强度。
上模O和下模U具有筛状布置的孔5，所述孔用于使空气流能从内腔I逸出。通过空气的逸出，使纤维F1，F2被输送到上模O和下模U的内侧并积聚在所述内侧上，从而可以在使内腔I完全充满纤维F1，F2后，通过使纤维F1，F2彼此粘结来制造成型件。在此，上模O和下模U可以在局部由非传导性材料制造，当然其中各电极2a，2b由传导性材料制成。
图6a示出模具1的下模U。在此，下模U具有一孔板5且通常形成负极。此外，下模U基本设计成壳状，其中下模U的边缘整体上具有一基本为矩形的剖面。
图6b，6c示出与图6a的下模U相应的上模O，所述上模基本上具有相同的结构并形成正极。在此，或者是上模O由非传导性材料制成，并在其外侧直接设置有电极2a(图6b)；或者是上模O本身完全形成电极2a(图6c)，并因此而具有一设置在上模O边缘上的、环绕的电绝缘部6，从而当将上模O安装在下模U上以形成内腔I时，使上模O与下模U彼此电绝缘。
图7示出一用于嘴部D的输入管路Z，在所述输入管路Z中沿方向R借助空气流输送纤维材料，然后经由嘴部D将其输入内腔I中。为了进行加载静电，在输入管路Z的外侧上设置一环电极2d，该环电极2d为不带电的纤维F1，F2充电并使已带电的纤维F1，F2的电量被增强，从而在吹入纤维F1，F2不久后使所述纤维在内腔I中的电场E的作用下被定向。在此，电极2d紧邻在嘴部D或吹入开口上游。电极2d或者包括设置在输入管路Z中的、金属的管段2d，或者包括设置在塑料质输入管路软管Z的外侧上的所示环电极2d。当然在本发明的范围内，电极还可以设计成其它形式。
图8示出本发明的一种特别有利的改进方案。其示出了用于在纤维进入嘴部前对纤维进行预定向的装置10的竖直剖面。
定向装置包括环绕的传送带11，所述传送带11将置于其上的纤维——必要时在一定的分隔以使之仅形成小的散纤维堆(Flocken)后——向左输送至给料辊对12a，12b。所述给料辊对包括两个沿相反方向运行的、以小间隙彼此平行设置的辊，所述辊的外周面被粗糙化处理、特别是略呈齿状。所述辊接纳来自传送带11的纤维，通过其间隙继续向左输送所述纤维。为了避免阻塞，可将所述两辊中的至少一个在竖直方向上支承成能克服弹簧力移位。
重要的是，由一较大的旋转柱形件13带动纤维。该柱形件被一大致半柱形的外壁14以小间距围绕。通过该柱形件的粗糙的、特别是呈齿状的外柱面，该柱形件将纤维拉过位于柱形件13和外壁14之间的间隙。在此，通过与外壁14的摩擦使纤维逐渐地、或多或少地沿柱形件13的旋转方向取向、即优选沿周向方向取向。在柱形件13的半圈后、部分地在一圈半后，使纤维沿该方向到达输出间隙15，然后由该输出间隙处将纤维继续输送到所述嘴部，即输入模具1。
为了使纤维脱离柱形件13，为了改善纤维在输出间隙15中朝向向下延伸的线路16的过渡，合理的是，对过滤区域加载大致沿切向的空气流。该空气流还负责穿过管路16将纤维进一步输送到模具1中。
由于在通过柱形件13带动纤维期间作用在纤维上的摩擦力，该纤维获得沿输送方向的优选取向。这种机械式的预定向使稍后在模具内部借助一个或多个电场实现的定向更容易。
在被输送至所述嘴部前的纤维预定向如上所述借助一机械式滚筒来实现，其中在间隙中的摩擦力产生取向力。当然在本发明的范围内，纤维的预定向也可以利用其它的机械方法或气动方法来实施。
总之，本发明具有如下优点：能以简单的方式使用于制造成型件的纤维沿一个或多个优选方向取向，以使纤维在制成的成型件中位于特定的方向上，从而使成型件在特定应用中具有增强的希望特性。特别是由此还能够有针对性地影响成型件的强度和弹性，进而影响其使用寿命。

Claims (18)

1.一种方法，所述方法用于在使用多件式模具(1)的情况下由纤维(F1，F2)制造三维——特别是垫式——成型件，所述多件式模具包括至少一个内腔(I)，其中所述多件式模具(1)的内侧至少部分地确定所述成型件的轮廓，所述方法包括下列步骤：
·将所述纤维(F1，F2)吹入所述模具(1)的内腔(I)中，
·使纤维积聚在所述模具(1)的内侧上，和
·使所述纤维(F1，F2)接合以制成所述成型件，
其特征在于，
使所述纤维(F1，F2)在被吹入所述模具(1)时至少部分地在所述内腔(I)中受到一个或多个电场(E)的作用，由此使所述纤维(F1，F2)至少部分地沿所述电场(E)的相应方向取向，所述电场的相应方向与在所述成型件中纤维(F1，F2)的一个或多个希望的优选方向至少是近似相同。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在吹入前和/或在吹入期间，为不带电的纤维(F1，F2)加载静电，和/或使已带电的纤维(F1，F2)被增强电荷。
3.根据权利要求1至2中至少一项所述的方法，其特征在于，借助所述模具(1)的传导性部段(2a，2b)产生所述一个或多个电场(E)。
4.根据权利要求1至3中至少一项所述的方法，其特征在于，至少一个电场(E)通过电极(2a，2b)产生，所述电极设置在所述模具(1)上、或者与所述模具间隔地设置在所述模具外。
5.根据权利要求1至4中至少一项所述的方法，其特征在于，所述电场具有5kV/cm到10kV/cm、特别是6kV/cm到8kV/cm的电场强度。
6.根据权利要求1至5中至少一项所述的方法，其特征在于，所使用的纤维的最小长度为约10mm、优选约15mm、特别是约20mm，所述纤维的最大长度为约60mm、优选约50mm、特别是约40mm。
7.根据权利要求1至4中至少一项所述的方法，其特征在于，通过至少一个嘴部(D)将纤维材料(F1，F2)吹入所述内腔(I)，所述嘴部设计成用于至少一个电场(E)的电极(2a，2b)。
8.根据权利要求1至7中至少一项所述的方法，其特征在于，在被吹入所述模具(1)前使所述纤维(F1，F2)至少部分地获得一机械取向，特别是一大致平行于其流动方向的取向。
9.一种用于由纤维(F1，F2)制造三维成型件的设备，该设备尤其适合于实施根据权利要求1至8中至少一项所述的方法，所述设备包括：
·多件式模具(1)，所述多件式模具包括至少一个内腔(I)，其中所述模具(1)的内侧至少部分地确定待造成型件的轮廓，
·一个或多个嘴部(D)，所述一个或多个嘴部用于将所述纤维(F1，F2)吹入所述内腔(I)，
·在所述模具(1)中的空气开口(5)，所述空气开口用于使空气从所述内腔(I)逸出并且用于使所述纤维(F1，F2)积聚在所述模具(1)的内侧上，和
·用于使所述纤维(F1，F2)接合以制成所述成型件的装置，
其特征在于，
设有用于产生一个或多个电场(E)的装置(2a，2b)，所述用于产生一个或多个电场的装置使所述内腔(I)至少部分地受到一个或多个电场(E)的作用，由此使所述纤维(F1，F2)在被吹入模具(1)时至少部分地沿所述电场(E)的相应方向取向，所述电场的相应方向与所述成型件中纤维(F1，F2)的一个或多个希望的优选方向至少是近似相同。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，设有用于为所述纤维(F1，F2)充电的装置(2d)，从而使不带电的纤维(F1，F2)被充电和/或使已带电的纤维(F1，F2)被增强电荷。
11.根据权利要求9至10中至少一项所述的设备，其特征在于，所述用于充电的装置(2d)设置在所述至少一个嘴部(D)上，和/或设置在用于所述至少一个嘴部(D)的输入管路(Z)上。
12.根据权利要求9至11中至少一项所述的设备，其特征在于，所述用于产生电场(E)的装置(2a，2b)包括环状、板状和/或杆状的电极(2a，2b)。
13.根据权利要求9至12中至少一项所述的设备，其特征在于，所述多件式模具(1)的至少一部分被至少部分地设计成电极(2a，2b)。
14.根据权利要求9至13中至少一项所述的设备，其特征在于，在所述多件式模具(1)的外侧上设有电极(2a，2b)，特别是所述多件式模具(1)部分地由非传导性材料制成。
15.根据权利要求9至14中至少一项所述的设备，其特征在于，至少一个嘴部(D)设计成电极(2a，2b)。
16.根据权利要求9至15中至少一项所述的设备，其特征在于，特别是在所述多件式模具(1)的各部分之间，设有用于电绝缘的装置(6)。
17.根据权利要求9至16中至少一项所述的设备，其特征在于，在所述嘴部(D)的上游设有一纤维定向装置(10)。
18.根据权利要求17所述的设备，其特征在于，所述纤维定向装置(10)具有运动的输送部件(13)，所述输送部件在摩擦作用下沿着相对设置的壁(14)引导所述纤维(F1，F2)。
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