CN102959149A - 用于成型纤维材料的装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于生产三维形状的固化产品的装置，包括转筒，其被限定为旋转传送机，具有在圆周方向上延伸的外围表面，在所述外围表面上具有至少一个腔体形式的产品成形区域，所述外围表面至少在产品成形区域上是空气可渗透的，至少一个材料供给装置，其将基本材料供给进入至少一个腔体，真空装置，其被设计为至少在上述至少一个腔体内生成负压，由此生成的抽力对准旋转传送机的内部，其中，至少一个固化装置位于所述材料供给装置的下游，使得被填满的腔体的至少一部分经受固化处理，从而基本材料至少部分地粘接相邻材料。

Description

用于成型纤维材料的装置
技术领域
本发明涉及一种用于制造三维形状的纤维垫的生产装置，该纤维垫用作汽车消音部件或用于汽车消音部件之中。
背景技术
在汽车工业中，纤维毡材料被用在各种产品中用于消音，例如用在车门、车顶衬里、地板区域中，或被用作内部隔板覆层。这些产品由较大的毛毡坯料切割成型以适应可用的空间。这种部件的某些区域需要大量材料来获得局部的较高噪音衰减。特别地，位于车厢内部且覆盖发动机隔间区域和车厢之间壁面的内部隔板以及地板覆盖材料的某些区域具有增加的纤维密度区域。毛毡产品能够结合有其他例如质量层之类的材料以形成弹性质量系统，或者它们能够被独立使用来起到消音层的作用。在所有情况下，它们亦能够结合有美感的或声学的覆盖层，例如薄无纺毯、细针穿孔毯或簇绒地毯。这些产品需要具有所要覆盖的区域的形状和轮廓，并且需要具有例如用于紧固装置和围绕车辆内器具的无纤维区域。
纤维毡产品典型地由包含粘结纤维或树脂的预成型的恒定密度纤维垫制成，它们在加热模具中被压制并切割得到所需的形状和刚度。这种方法的缺点在于产品的(每平方米)克重取决于纤维垫的密度，因而这是受限的，或者所使用的垫子的密度对于大多数模制的表面区域来说太高，或者具有较高(每平方米)克重的区域仅能通过手工额外供给材料来获得。这是耗时并且/或者非常昂贵的。此外，由于纤维垫是作为滚筒商品或者作为预切割的垫子来传送，生产过程必然导致大量的废料。使用预成型纤维垫的另一个缺点在于当它们在更极端的轮廓模具中被压制时易于撕裂或者破损。因为产品仅能在粘接步骤之后进行切割，切割后的碎屑属于混合热定形材料，不能在工艺流程中继续使用。该材料由于其混合特性而难以循环利用。这是汽车工业的现实问题。
WO 2007/134812描述了制造无纺产品的设备和方法。所述设备包括转筒，其上设有模腔形式的材料成型区域。模腔对应所需产品的阴模。在转筒内，设有真空装置以通过模腔壁面上的开口抽吸空气。纤维材料借助纤维供给装置进入模腔。纤维以及其成形的所需产品因而通过施加到模腔的负压被固持在模腔内，也就是说，材料通过抽吸气流固持在模腔内，同时转筒旋转并携带模腔到转换装置，在此成型材料被脱模。真空将纤维压紧到足以保持特定形状，然而在脱模时该形状会拉平，因为在纤维之间没有实际的粘接。当合成纤维被单独使用或用在混合纤维中时这种影响可能更加严重，因为它们更光滑和易于滑动。
在脱模步骤之后，成型的无粘着材料能够被供给到另一个模具，尤其是压模，或者能够直接在热风炉中经受热处理。在进一步的模塑步骤中，具有最终形状的无纺产品通过施加热量或压强由成型材料形成。
所描述的方法和设备具有的优点在于，至少成型材料能够借助于转筒的连续旋转来以连续的方式制造。然而，由于成型材料通常由无粘着纤维材料构成，在成型材料脱模步骤过程中以及之后直到热定形期间的处理是棘手的。在这个操作期间成型材料可能失去其所需形状甚至碎裂。尤其是无纤维区域将会在脱模过程中再次填满。此外，成型材料的不稳定结构难以精确地进入后续模具中，因为在放入之后不再可能进行校正。轻微的偏移可能发生并且最终制成的产品由于不适合所需3D形状而倾向于在质量控制上被拒绝。
发明内容
因此，本发明的目的在于进一步改进现有技术中的装置，尤其解决上述缺点。
权利要求1的装置实现了这个目的。根据权利要求1的装置包括：
转筒，其被限定为旋转传送机，具有在圆周方向上延伸的外围表面，在所述外围表面上具有至少一个腔体形式的产品成形区域，外围表面至少在产品成形区域上是空气可渗透的，
至少一个材料供给装置，其将基本材料供给进入至少一个腔体，真空装置，其被设计为至少在上述至少一个腔体内生成负压，由此生成的抽力对准旋转传送机的内部，
其中，至少一个固化装置位于纤维供给装置的下游，使得所填满的腔体的至少一部分经受固化处理，从而基本材料至少部分地粘接相邻材料。
通过根据本发明的装置获得的产品是一种由基本材料例如纤维制成的固化的三维形状的部件，其能够被直接用作车辆的装饰部件或者能够被进一步加工，例如通过增加额外的层或通过在第二模塑步骤中进一步形成材料。进一步加工的步骤可包括修剪、切割、穿孔、层压，但不是必须包括进一步的成形步骤。
转筒
转筒是圆柱形筒，具有平行于圆周表面的旋转轴。转筒由不同的加工区环绕，加工区平行于包含产品成形区域(腔体)的转筒的圆周表面定位。转筒的圆周表面优选大致处于水平位置，并且第一加工区(将基本材料送入腔体)大致位于转筒的最高位以获得不用抵抗重力的纤维输入。至少第二加工区是位于旋转方向的下游并包含对腔体内基本材料的固化。最后第三加工区(冷却所固化的材料)位于其后。清空腔体的末尾加工区最终位于第二或第三加工区之后。该末尾加工区优选是配备的，使得重力增强了腔体的清空。旋转传送机的旋转轴优选位于一平面内，该平面基本上垂直于地心引力的方向布置。产品成形区域(腔体)优选垂直于或至少基本垂直于从旋转传送机的旋转轴发散出的径向线延伸。
转筒在其圆周表面上包含至少一个被形成为腔体的产品成形区域。产品能够沿旋转方向在整个圆周表面或仅部分圆周表面上拉伸。取决于将要生产的产品的尺寸，产品成形区域的尺寸以及这样的区域在一个转筒上的数量可以变化。不同的产品成形区域还可布置在一个转筒上以生产不同的产品。还可以具有一种环状的产品成形区域来提供连续的产品，如纤维垫或连续带。
腔体的深度能够变化以获得三维形式的预成型件，在该预成型件的宽度和长度上具有面积重量分配。
至少腔体被内衬有空气渗透材料，以使得气流流动通过但纤维无法通过，从而腔体均匀地填满基本材料。如果需要，腔体内衬能够具有不同的空气阻力以增加或减少空气和基本材料的混合物在局部上的流动。该内衬能够由单层或多层制成，优选由直接接触基本材料的金属网或细金属丝织物以及由远离材料一侧更牢固的材料如大金属网或粗金属丝制成，从而获得3D形状所需的稳固形式。转筒的表面优选是易于可替换的。例如通过滑动机构或使用容易的紧固机构来封闭围绕转筒的周向具有腔体的表面。转筒的可替换表面在本领域内是已知的。
至少在渗透区域的下方，配备有真空装置来生成朝向旋转传送机内部的负压。真空压强不仅在供给过程期间固定了基本材料，还可在后续加工步骤如加热和/或冷却步骤中使空气通过部件。
真空压强在不同处理区可被调节，尤其是在热定形和随后冷却加工期间降低，以及在脱模加工期间降低至零。
真空装置被设计为在空气渗透的产品成形区域上施加负压，用以在至少一个、几个或所有加工步骤中吸住和固持住腔体内的基本材料。真空装置优选被设计为在不同加工区内的产品成形区域上施加负压。在本发明的一种优选实施方式中，用于产生负压的装置被设计为使得不同加工区能够被独立调节且不受其他加工区的影响，甚至可选地在一加工区内，可以在次级区域内调节真空来进一步优化。
在三维模制热定形纤维产品的连接生产过程中，转筒优选以无级变速运转。转速可根据将要生产的产品调节。一旦发现最优速度，该速度能够在部件的连续生产过程中保持恒定。如果使用恒定速度，所有不同的处理过程，腔体的填充、材料的热定形和最后的冷却以及脱模都必须被调节到转筒的这一恒定速度。
供给装置
在第一加工区，基本材料利用供给装置输送进入至少部分产品成形腔体，而产品成形区域在旋转方向上优选以恒定速度持续移动。这样，产品成形腔体可能扩张到大于基本材料供给装置覆盖的面积，在这种情况下产品成形腔体将随着该腔体沿旋转方向在基本材料供给装置下方移动而逐渐填充。基本材料供给装置在垂直于转筒周向的方向上至少覆盖腔体的最大宽度。
基本材料优选为纤维如天然纤维，例如棉纤维和/或合成纤维、热塑性纤维和/或矿物纤维或者其组合。除了纤维，基本材料还可包括例如棉絮、液体、粉末等形式的材料。举例来说，循环材料的碎屑如泡沫、软再生毛等与纤维的组合也是可能的。部分基本材料可以是粘接材料如粘接纤维、粉末或薄片，在相邻加工步骤和/或后一阶段的热处理过程中该材料开始起作用。具有不同激活机制或激活过程或激活位置的粘接材料还能够以例如不同的熔化温度来使用。材料能够在成形过程中预定形，随后例如结合有额外的层，并且最后在激活第二粘接材料的另一温度下模塑和层压。
为了将基本材料传送至纤维供给装置，可使用现有的纤维清洁、混合和配料装置。为确保腔体内良好的纤维分布，有利的是打开纤维束或纤维簇并且材料基本上以单一纤维或颗粒进入。基本材料能够使用一个或多个传送辊(进料辊)或使用气流成网法或其组合来被传送到腔体。纤维供给装置被相应设计。通过使用传送辊，基本材料尤其是纤维被铺设在模腔内，而在气流成网法中，基本材料尤其是纤维被吹入模腔。
基本材料进料区包括至少一个沿转筒圆周和旋转方向的基本材料供给装置。如果希望材料分层或者获得特定的材料分布，使用多个纤维供给装置可能是优先的。使用抗燃剂来对基本材料进行处理的额外的喷雾装置还可关于转筒的宽度定位，优选在至少第一个基本材料供给装置的旋转方向的下游。
纤维供给装置最优选地包括具有分梳辊的梳理单元。分梳辊的作用在于细化纤维并从进料辊向产品成形区域移动纤维。梳理单元的进一步的作用在于刮掉过量纤维。纤维供给装置的基本材料供给部分优选仅沿旋转方向上相对短的外围距离延伸，用以在模腔内达到高的纤维密度。
由于转筒的转速是恒定的且连续的，首选的是基本材料的进料量能够被调整。调整材料进料流的方式在本领域是已知的。
加热
至少一个加热装置被配备到随后的第二加工区。在第二加工区内，成形的产品被加热以固化材料。可以进行部分固化以获得在传送过程中保持其形状的稳固的预成型件，或者完全固化以直接使用3D形状的材料作为或用于最终产品，不需要进一步的固化或成形。
作为加热装置，可使用不同的技术例如使用红外线照射的热辐射，或者例如使用热流体优选热空气或热蒸汽的对流热交换。同样，这些技术的组合也可后续使用或并行使用。加热技术的选择取决于使用的基本材料以及最终产品的尺寸和形状。接触式加热对于所强调的产品的固化来说是较少推荐的，因为完全加热材料的时间太长，这可能会损坏表面。然而，举例来说，如果层压基本材料的可见表面同时在腔体内仍然有额外的覆盖层，这种方法可能是一种选择。
所有的加热装置至少在垂直于转筒周向的方向上覆盖腔体的最大宽度。
因为转筒在旋转方向上连续且恒定地移动，加热区域的停留时间仅取决于在周向上被加热装置覆盖的区域。然而，产品的加热过程以及因此固化的量可通过产品和热负荷之间的温度差来调整。优选地，加热装置能够被调整到在旋转方向上形成具有不同加热温度的不同区域来控制加工。例如，通过使用一个加热源但在不同区域具有不同压强和/或气流。
在固化加工区，加热装置必须能够传递足够的热量到腔体内可能具有不同厚度的基本材料，该厚度例如从50mm到300mm，用以分别实现固化或凝固，或者分别实现预凝固或预固化。因此，优选使用吹出的热空气或热蒸汽来加热成形的产品。但是，如果空气速度太高，不稳定的成形产品可能发生变形甚至破坏。气流优选在径向上朝向旋转传送机的旋转轴，即从转筒的外侧到内侧。该气流得益于转筒内部已有的真空抽吸，并且该真空抽吸已经用于腔体的填充。优选地，该真空被设置为使得不同的加工区不会影响彼此。
在包含加热装置的第二加工区内，可设有一个、两个甚至多于两个分别具有不同温度的加热区或温度区。在这些加热区内，温度优选能够单独设置且分别独立于其他加热区或温度区。
由于产品成形腔内基本材料的热定形，基本材料被固定就位，这就预防了现有技术中的缺点，尤其是材料在脱模时不再可能滑动错位，因而保持了所需的3D形状。此外，新零件的技术设计中获得保留锋利的边缘和最终孔洞现在是可能的，而不需要随后再次将其切割。在没有热定形的系统中，这是不可能实现的，因为纤维会在脱模时滑动，这就软化了零件边缘进而纤维材料再次填充小的孔洞。
脱模
在固化加工区的下游，固化的产品能够在后续加工区内脱模。3D形状的固化的产品从产品成形腔中移出。在最简单的形式中，产品能够被传送到工作台，或者用于收集所固化的产品的其他形式的固定装置，或者用于传送所固化的产品到进一步加工的输送装置，例如输送带或机械运输，或者是取决于所生产的实际产品的一种组合。
冷却
在本发明的进一步演变中，产品成形装置在脱模前还包括额外的区域，冷却装置配备在该区域。冷却区在固化区和脱模区之间沿旋转传送机的圆周且在旋转方向上布置。在冷却加工区，之前被加热的成形产品被冷却作为初始固化的进一步的步骤。在所固化的3D产品的生产过程中，纤维供给装置、至少一个加热装置、最终冷却装置和传送装置以及相应的加工区是在旋转传送机的外围表面旁边固定设置的。可选地，冷却区内的冷却装置能够由额外的加热装置来替换以实现在使用机器时的最佳适应性。冷却产品的最佳方案是使用优选气流形式的流体流，或者是在室温下或者被冷却以最优化冷却加工。零件的冷却还可借助使用产品成形腔内的负压。
其他加工
除了腔体的填充、材料的固化以及最终脱模之外，额外的加工步骤可加入到根据本发明的机器和方法中。在加热和/或冷却加工步骤之前或期间，基本材料可被压紧。例如通过在加热和/或冷却阶段，或者在纤维供给之后刚开始固化之前增加压强。例如在填充有基本材料的至少一部分腔体内使用压紧辊或利用气流或增加负压。
虽然本发明以优选实施方式进行了描述，应清楚理解的是本发明并非限制于此，而是在权利要求的范围内可以多样化地实施和实践。
附图说明
图1示出了根据本发明的装置的示意图；
图2示出了根据本发明的装置的不同角度的示意图；
图3示出了固化的产品预成形件或成品的一个实例。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的装置。该装置的中心部分形成具有至少一个腔体4的转筒3。在腔体的形成所需产品形状的区域处的表面是至少部分可渗透的。在腔体内面向纤维流的一侧，纤维被收集直到填满腔体。在固化区之前，优选提供去除多余材料的装置。去除辊或刮刀或本领域已知的可选方案都可用于这个目的。另一种方案是结合有供给装置。
用于在腔体内产生负压的装置或设备位于转筒内形成产品的位置。该装置或设备例如可以是真空装置或者通向外部真空装置的连接件。这些通向真空装置的连接件可以独立装配用于不同的加工区。通过腔体的气流以箭头示出。
由于旋转运动，腔体将经历不同的加工步骤或区域。这些不同的加工步骤或区域如下：
A、将基本材料供给到腔体内；
B、在腔体内固化所收集的基本材料；
C、在腔体内最后冷却所固化的材料；
D、从腔体中脱模所固化的3D形状的材料。
区域A中的装置2是根据本发明可使用的这种基本材料供给装置的一个实例。纤维流利用分梳辊进入腔体，该分梳辊同时也移除了剩余的材料，如WO 2007/134812所公开的。
被填满的腔体4经过区域B中至少一个固化装置，例如用于对填充有基本材料的腔体进行热处理以热定形材料的加热装置。在该实例中，使用了两个热区b1和b2，由此温度Tb1不同于Tb2。因为热量的传递取决于材料性能以及材料的温度，在所使用的流体温度和产品温度之间保持恒定的增量可能是有必要的。尤其要注意表面上的材料不被损坏(过热并烧坏)，因为这可能对产品质量具有负面影响。使用不同温度区的优点在于能够更优化地调节所传递热量。温度区的一个实例可以是加热区和温度在较高水平保持恒定的区域。基本材料的固化取决于施加到材料的整体温度。优选地，处理区内热气流、热气的温度以及最终压强都能够调节。
图2示出了具有两个腔体的转筒3，该转筒围绕旋转轴9转动并具有特定的宽度w和特定的半径r。固化区B以虚线示出，其至少延伸超过腔体的最大宽度，但优选超过转筒的整个宽度W。停留时间取决于转筒的转速，还有腔体的进料、冷却以及卸料也取决于该因素，因此停留时间能够仅由与虚线所示固化装置相对的周向区域的长度L来调节。
举例来说，图1中的冷却区域C可被调节以延伸固化区域。
图3示出了根据本发明由例如纤维的基本材料制成的3D形状的固化产品8的一个实例，其具有技术设计特征，包括凹入部分12、孔洞10和厚度缩减的区域11。

Claims (8)

1.用于生产三维形状的固化产品的装置，包括转筒，其被限定为旋转传送机，具有在圆周方向上延伸的外围表面，在所述外围表面上具有至少一个腔体形式的产品成形区域，所述外围表面至少在产品成形区域上是空气可渗透的，至少一个材料供给装置，其将基本材料供给进入所述至少一个腔体，真空装置，其被设计为至少在所述至少一个腔体内生成负压，由此生成的抽力对准旋转传送机的内部，其特征在于，至少一个固化装置位于所述材料供给装置的下游，使得所填满的腔体的至少一部分经受固化处理，从而基本材料至少部分地粘接相邻材料。
2.根据权利要求1的装置，其特征在于，所述固化装置(4)包括至少一个加热装置，以施加热辐射和/或对流热交换到所述供给区下游的所述转筒(11)的至少一个区域。
3.根据前述任一权利要求的装置，其特征在于，所述固化区在旋转方向上被划分为不同的处理区，如具有不同温度和/或压强和/或气流的区域。
4.根据前述任一权利要求的装置，其特征在于，在所述固化区之后，所固化产品被脱模并被传送到固定区域，如工作台或收集单元，或输送装置，如输送带或机械手。
5.根据前述任一权利要求的装置，其特征在于，在所述固化区和脱模区之间配备有额外的冷却区以冷却所固化的材料。
6.根据权利要求6的装置，其特征在于，所述冷却区包括至少一个生成气流的冷却装置，所述气流对准所述转筒的旋转轴。
7.根据前述任一权利要求的装置，其特征在于，所述材料供给装置和所述固化装置以及所述脱模装置都围绕所述转筒的所述圆周表面固定定位，由此这些装置至少覆盖产品成形腔的最大宽度且优选覆盖所述转筒的整个宽度w。
8.根据前述任一权利要求的装置，其特征在于，所述抽吸装置能够被调节以根据旋转过程中所述腔体的位置来改变所述腔体内的所述负压。
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