CN103847064A

CN103847064A - 用于制造模制件的方法和装置

Info

Publication number: CN103847064A
Application number: CN201310640135.XA
Authority: CN
Inventors: J.维尔特; J.戈伊尔; M.尚贝格
Original assignee: Hennecke GmbH
Current assignee: Hennecke GmbH
Priority date: 2012-12-04
Filing date: 2013-12-04
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2033-12-04
Also published as: CN103847064B; DE102012023608B4; JP2014111372A; ES2598819T3; KR20140071915A; US20140151917A1; EP2740585B1; EP2740585A1; DE102012023608A1; US9186831B2

Abstract

本发明涉及一种用于制造模制件的方法和装置，用于在模具中制造模制件－尤其平的、薄壁的纤维复合构件－的方法，包括以下步骤：a)提供模具，其中，模具具有带有名义模型容积的、用于引入反应混合物的空腔，其中，空腔由至少一个空腔壁区段限制，该空腔壁区段可在引入反应混合物时弹性地变形，并且其中，空腔的压缩模量在2000bar与10000bar之间；b)将反应混合物引入到空腔中，其中，将反应混合物以这样的压力引入到空腔中，即，空腔容积在引入反应混合物时由于至少一个空腔壁区段的弹性变形而变大超过名义模型容积；c)使反应混合物在空腔中凝固；d)将制成的模制件从模具中脱模。此外，本发明涉及一种用于实施该方法的装置。

Description

用于制造模制件的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于在模具中制造模制件(Formteil)－尤其平的、薄壁的纤维复合构件－的方法。此外，本发明涉及一种用于执行该方法的装置。

本发明尤其涉及一种这样的方法，在其中，将至少两种成分的反应混合物注入到工具的封闭的模型容积(Formvolumen)中；预先将纤维置入物(Fasergelege)插入到该空腔中。至少两种反应成分在此首先被混合并且然后被注入到封闭的模具中。在取决于材料的硬化时间之后，打开该模具并且取出制成的纤维复合构件。

背景技术

作为这样的工艺是已知的并且多次地应用。通常还已知该问题：由于在硬化期间在模具中的化学的和/或热的收缩可发生与模具壁(空腔壁)的材料分离，并且可由此在构件表面处导致损伤(Störung)或质量损害。

同样可在混合成分时或在填充过程期间将空气散开到反应混合物中，其然后可在构件表面处引起缺陷处(Fehlstelle)和颜色条纹(Farbschlieren)。这两种现象是充分已知的。在文件DE 43 16 154 C1、EP 0 206 100 B1以及EP 0 024 610 A1中讨论了该问题。

在此，在所提到的文件DE 43 16 154 C1中说明了一种用于内部构件的可见侧的涂覆的方法，在其中，在硬化期间将提高的压力施加到反应混合物上，以便使存在的空气溶解在树脂中。为了该目的使用与密封件相结合的浸入式边缘工具(Tauchkantenwerkzeug)。为了施加压力，两个工具半部在硬化期间朝彼此运动，由此减小模型容积并且使在工具中的压力保持恒定。作为浸入式边缘工具的工具设计方案在此花费非常大并且因此很昂贵。此外，工具的取决于时间的封闭对挤压设计方案(Pressengestaltung)提出提高的要求，这比带有仅仅一个封闭位置的工具成本高得多。

在提到的文件EP 0 206 100 B1中同样说明了一种方法，在其中，工具具有两个不同的封闭位置，从而如在文件DE 43 16 154 C1的情况下一样必须对挤压提出相应很高的要求。如果应使用这样的工具，其应仅一次就封闭且接下来仍然应仅保持封闭，在此所说明的方法工作得并未令人满意。

此外，所提到的文件EP 0 024 610 A1说明了一种这样的方法，其中，使用带有可弹性变形的模具壁的工具。虽然在该文件中仅教导在5升的模型容积的情况下借助于弹性的模具壁来补偿在可达100ml的填充容积中的总误差。同时指明须在工具中避免很高的压力上升，因为其不可避免地影响混合条件且可损害混合质量。为此实施成(第7页第13至17行)在原本的混合过程期间不应发生空心腔室的填满，以避免对混合不利的反作用。由此得到极端弹性的系统，其一方面非常不利地影响待制造的构件的尺寸稳定性，并且其另一方面导致工具壁变得非常薄壁，使得该工具壁在模具内部压力提高时持久地变形。

对于在文件EP 0 024 610 A1中提及的数例，在模具内部压力例如为10bar的情况下－其实际上已经处在根据该文件的教导之外，因为在混合腔中应尽可能地不出现压力提高－得到仅仅500bar的空腔的压缩模量。

此处关注的压缩模量说明在空腔中必需哪种压力变化，以便引起空腔的确定的容积变化。在此，压缩模量由此得到

其中，

K：压缩模量，

Δp：在空腔中的压力变化，

ΔV：空腔由于压力变化的容积变化，

V：空腔的名义模型容积。

关于所讨论的文件EP 0 024 610 A1，适用的是压缩模量在还要更小的模具内部压力的情况下进一步降低。如果从外部利用很高的压力来加载从该文件中已知的工具，以便提高模具内部压力且由此压缩散开的空气，则这一方面导致工具壁塑性地变形，并且另一方面导致获得非常为受到限定的构件几何结构(对此同样参见在文件EP 0 024 610 A1中的实施方案，第8页第10至16行：在此实施成模具的空心腔室的壁配备有弹性的膜片或者构造为弹性的膜片。然而这仅仅适宜于当模具在弹性的膜片的区域中的轮廓的精度不重要时。)

因此在文件EP 0 024 610 A1中说明的解决方案仅对于这种工具是有意义的，即，在其中，一开始就没有空气散开，从而空气还不必通过提高的模具内部压力来压缩，并且在其中，仅对构件尺寸的精确性提出很小的要求，或者在其中，弹性的膜片位于原本的构件几何结构外部并且不是限制构件的模具壁的部件。

因此，对于开头所提到的类型的方法，文件EP 0 024 610 A1的教导是不适合的。空气至少在注射开始(Schussbeginn)时的散开通常不可避免并且在平且薄壁的构件中不可避免地导致视觉上的表面损伤，即导致质量损害。存储容积定位在限制构件的模具壁外部在大多应用情况下导致流动路径太远，从而在硬化阶段期间不可在整个构件中补偿容积的材料收缩，并且在构件表面处产生缺陷处或所谓的“桔皮效应(Orangenhauteffekten)”。

发明内容

因此，本发明的目的在于如此改进开头所提到的类型的方法和所属的装置使得避免所提到的缺点。相应地应使得能够以简单且工艺可靠的方式来制造带有无缺陷的模制件表面和精确限定的几何尺寸的同样非常平的和薄壁的模制件。尤其应可靠地防止表面纹痕和缺陷处并且可因此制造高质量的模制件。

根据本方法，该目的解决方案的特征在于，该方法包括以下步骤：

a) 提供模具，其中，模具具有带有名义模型容积的、用于引入反应混合物的空腔，其中，该空腔由至少一个空腔壁区段限制，该空腔壁区段可在引入反应混合物时弹性地变形，并且其中，空腔的压缩模量在2000bar与10000bar之间；

b) 将反应混合物引入到空腔中，其中，将反应混合物以这样的压力引入到空腔中，即，空腔容积在引入反应混合物时由于至少一个空腔壁区段的弹性变形而变大超过名义模型容积；

c) 使反应混合物在空腔中凝固；

d) 将制成的模制件从模具中脱模。

在根据上述的步骤b)将反应混合物引入到空腔中之前，优选地将纤维置入物引入－尤其插入－到空腔中。

在此，在执行上述的步骤b)时，优选地如此引入反应混合物，即，将模具内部压力设定在10bar与100bar之间。在最简单的情况下，选择这样的压力：其一方面使模具－即，特别弹性的空腔壁区段－充分地变形，从而得到所期望的存储容积，并且对于该压力，另一方面空腔壁的弹性负责在实现硬化和进而发生收缩之后使空腔壁重新到达其(未变形的)原始状况。为了该目的，必须精确地如此高地选取压力使得由此产生的存储容积相应于材料收缩。

在执行上述的步骤b)之后并且在执行步骤d)之前，可将压力－尤其气动的和液压的压力－从外部施加到至少一个空腔壁区段上，使得至少一个空腔壁区段变形并且空腔的容积变小。于是，因此在反应混合物硬化之前以外部的附加的压力加载弹性的空腔壁，由此如此提高在模具中的压力，即在流经置入物时将包含的或者在注射开始时散开在混合腔室中的空气气泡带到溶液中或至少压缩到如此程度，即，在硬化之后在构件内部中和在构件表面处不可识别出可见的空气气孔。所述弹性的空腔壁的变形与此同时并且由于化学的和热的收缩在填充过程之后部分地或完全地重新恢复原状，其中，借助于外部压力将在空腔内部的压力即使在硬化期间也保持在一定的水平上，在其中，将在反应混合物中的空气压缩到如此程度使得在硬化之后在构件内部中和在构件表面处不可识别出可见的空气气孔。

因此，本发明的一种改进方案设置成如此控制或调节从外部施加到至少一个空腔壁区段上的压力，即，将在反应混合物尚未凝固期间在空腔中的压力保持在预定的水平上，尤其保持在恒定的值上。因为模具内部压力由于反应混合物的凝固和反应物质的与之相关的化学的收缩而随着时间的消逝逐渐变小，相应地可通过提高外部压力保持模具内部压力恒定。

此外可设置成在反应混合物的硬化期间提高从外部施加到至少一个空腔壁区段上的压力。此外，但还可在反应混合物的硬化期间降低从外部施加到至少一个空腔壁上的压力。还可行的是不仅压力的提高而且压力的下降以压力分布图的形式来进行。

此外，一种特别和有利的设计方案设置成如此控制或调节从外部施加到至少一个空腔区段上的压力，即，在执行根据上述步骤c)的凝固期间，使在反应混合物尚未凝固期间在空腔中的压力从就在根据上述步骤b)引入反应混合物之后至少50bar的压力水平下降。

根据改进方案由此确保待制造的模制件的非常精确的几何结构，即，如此控制或调节从外部施加到至少一个空腔壁区段上的压力使得至少一个空腔壁区段的变形在根据上述步骤c)的凝固结束时变成零。因此可如此调节外部压力直至反应结束，即，使得模具壁的变形提高且因此制成带有精确限定的壁厚的构件。

所提出的装置包括带有空腔的模具，该空腔带有名义模型容积。本发明设置成空腔具有至少一个限制其的空腔壁区段，该空腔壁区段构造成以便在引入反应混合物时弹性地变形，其中，空腔的压缩模量在2000bar与10000bar之间。

至少一个可弹性变形的空腔壁区段可与器件相连接，利用该器件可从外部将压力建立到空腔壁区段上。

在利用非常不同的模制件几何结构和模型容积尝试期间，在使用所提出的方法时已经令人惊讶地显示出该方法不取决于不同的边界条件满足于大多数的应用，如此设计模具：该模具具有确定的弹性，其可类似于液体的压缩模量来定义(为了定义压缩模量，如其在这里使用的那样，参见上文)。因此成功实现相对简单的大面积的部件，例如大面积的机动车结构构件，而未产生表面损伤，而用于小件的构件的模具(例如手机壳)经常很硬。

如果根据普遍成型的规则使用相应的标准制造模具，模具通常建造得太硬。通过根据本发明的解决方案的工具的改型方案实现同样制造小件的构件，而无表面损伤和缺陷处。因此将找到非常简单的参数，借助于该参数可利用现代的软件工具(利用其非常准确地计算出取决于内部压力的变形)的辅助如此设计工具，即，可避免在构件中的表面损伤的问题。

因此，所提出的思想尤其适应于用于制造平的纤维复合构件的方法，在其中，将反应混合物注入到封闭的模型容积中，在该模型容积中插入有纤维置入物，其中，限制模型容积的模具壁的区域实施成可弹性地变形。在此，有针对性地充满模具使得限制模型容积的模具壁的可弹性变形的区域如此变形，即，模型容积在填充期间变得更大。模具在此如此设计或构建，即其具有在从2000bar至10000bar的范围中的压缩模量(定义参见上文)。

压缩模量在此类似于例如液体的压缩模量来定义。压缩模量说明模型容积或空腔容积取决于压力变化或取决于在空腔中的压力如何改变。

在此，根据本发明提出的范围界限是重要的：

在太小的模具弹性的情况下，即在高于10000bar的压缩模量的情况下，必须在模具中建立太高的压力，以便实现由于模型容积的扩大的充足的存储容积，以便其可平衡化学的和热的收缩。太高的注入压力一方面负面地影响用于液体的反应混合物的配料单元，另一方面其尤其在大面积的构件中需要用于模具的极高的夹紧力和因此很难的且昂贵的挤压。因为这个原因，需要模具的足够高的弹性，相应于在10000bar之下的压缩模量。

相反，太大的模具弹性－即低于2000的压缩模量－导致关于所要求的构件尺寸的问题。在填充和硬化期间的提高的模具内部压力是必需的，以便尤其在注射开始时将散开的空气带到溶液中，或者至少以便如此降低空气容积使得在制成的构件中避免视觉上的损伤，例如条痕或缺陷处(例如干燥的纤维)。然而，如果模具内部压力导致模型容积扩张太大或模具由于填充压力甚至打开且变得不密封，则很难在构件尺寸方面遵循所要求的公差，或完全很难制造模制件。因此，模具的弹性如此限制下限，即空腔的压缩模量超过2000bar。

在请求权利的界限中的所要求的压缩模量例如由此来实现，即，相应地匹配模具的壁厚，其中，然而模具在环绕的密封边缘的区域中实施得如此坚固使得模具在填充压力的影响下并未不密封。在大面积的部件中，通常有利的是在模具壁的彼此隔开的多个区域中降低壁厚，其中，薄壁的区域通过桥接部或厚壁的区域打断。由此防止模具主要仅在中间凸出，仅在中间凸出导致在凝固期间收缩的和在该状态中仅还可受限地流动的材料必须流动太长的路径。然而，因为由此产生的轻微的凸出在带有发亮的表面的部件中是可见的，所以模具壁的弹性的区域在该情况下应处在构件的不可见侧上。

模具的空腔的压缩模量的调节专业地通过以下方式来实现，即，对至少一个弹性的壁区段在其尺寸方面进行相应地构造或选择。如果例如弹性的壁区段的厚度选取得很大，则压缩模量相应地同样很大。如果所述壁厚度减小，则还降低压缩模量。

附图说明

在附图中示出了本发明的实施例。其中：

图1显示了带有空腔和附装的混合料头的模具，其中，模具具有限制空腔的弹性的壁，

图2显示了一种模具，其类似于根据图1的模具，其中，设置有空腔的多个弹性的壁区域，以及，

图3显示了一种模具，其基于根据图2的模具，在其中，在改进方案中存在一种用于将外部的压力施加到弹性的壁区域上的器件。

参考标号列表：

1 模具

1' 工具上部件

1'' 工具下部件

2 空腔

3 弹性的空腔壁区段

4 用于施加压力的器件

5 密封件

6 真空单元

7 混合料头

8 入口

9 工具外部腔室

V 空腔的名义模型容积

K 压缩模量

Δp 在空腔中的压力变化

ΔV 空腔由于压力变化的容积变化

a 上空腔壁的变形的状态

b 下空腔壁的变形的状态。

具体实施方式

在附图中相应示出了模具1，其具有空腔2，该空腔设计成用于成形模制件。模具1包括工具上部件1'和工具下部件1''。纤维置入物(其从外部轻微地受压(verpresst)并由此来固定)相应地插入在两个工具半部之间，即插入到空腔2中。为了最小化所遗留的空气分量，当在注入反应混合物之前将空腔2连同纤维置入物抽成真空时，还进一步处在外部地布置有环绕的密封件5，其用于建立密封性。对此在图1中设置有真空单元6。

图1显示了根据本发明的第一实施方式的模具1的一种简单的实施方案。模具1经由混合料头7以至少两种成分的反应混合物(在聚氨酯加工的情况下为多元醇和异氰酸酯)填充到如此程度，即，带有弹性的空腔壁区段3的模具1少许凸出。

环绕的密封件5负责模具1在注入反应混合物之前可通过真空单元6抽成真空。通过模具1的根据本发明的设计方案，工具或空腔2的容积变大，如同通过虚线a和b表明的那样，亦即恰好到如此程度，即在附加的自由的空腔容积中可存储足够的材料(反应混合物)，以便补偿在硬化和冷却期间由于化学的和热的收缩的容积损失。

然而在更大的工具尺寸中，在硬化期间的流动路径太长，因为大多数的材料自然地存储在工具或空腔的中心中，因为工具在此处通常凸出。然而，如果以工具中的均匀的温度为出发点，化学的和热的收缩在整个工具中近似相同地起作用。于是，结果可在边缘区域中产生表面损伤或缺陷处，因为由于很长的流动路径且由于在流动通过置入物时的很高的流动阻力，主要存储在中间的材料不可足够快地流到边缘区域中。

因此，根据模制件的尺寸和几何结构，可为有利的是将工具壁的弹性区域3划分成多个子区域，如图2所显示的那样。因此，所存储的容积更均匀地分布到空腔上；因此还由此使得在硬化和冷却期间的流动路径变得更短。

图3显示了另一种且特别有利的工具设计方案。此处可从反面(即从外部)仍然利用空气或其他介质且因此利用压力加载工具壁的弹性的区域3。为此设置有用于施加压力的器件4。

空气通过在工具外部腔室9中的入口8导入。在理想情况下，该压力在时间上如此控制，即，调节在工具空腔2与工具外部腔室9之间的力平衡，其中，在空腔2中的硬化和冷却期间将在工具内部腔室中的压力保持在足够高的水平上，以便保持在熔液中的散开的空气，或者至少压缩到如此程度使得在硬化之后在构件表面处不可识别出可见的空气气孔。

由此，膜片状的弹性的空腔壁区段3在硬化和冷却之后未经受或经受至少仅非常小的机械应力，使得待制成的模制件非常精确地相应于由工具或空腔几何结构限定的形状。

Claims

1. 一种用于在模具(1)中制造模制件－尤其平的、薄壁的纤维复合构件－的方法，包括步骤：

a) 提供所述模具(1)，其中，所述模具(1)具有带有名义模型容积(V)的、用于引入反应混合物的空腔(2)，其中，所述空腔(2)由至少一个空腔壁区段(3)限制，该空腔壁区段可在引入所述反应混合物时弹性地变形，并且其中，所述空腔(2)的压缩模量(K)在2000bar与10000bar之间；

b) 将所述反应混合物引入到所述空腔(2)中，其中，将所述反应混合物以这样的压力引入到所述空腔(2)中，即，所述空腔容积在引入所述反应混合物时由于所述至少一个空腔壁区段(3)的弹性变形而变大超过所述名义模型容积(V)；

c) 使所述反应混合物在所述空腔(2)中凝固；

d) 将制成的模制件从所述模具(1)中脱模。

2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在根据权利要求1的步骤b)将所述反应混合物引入到所述空腔(2)中之前，将纤维置入物引入－尤其插入－到所述空腔(2)中。

3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在执行权利要求1的步骤b)时如此引入所述反应混合物，即，将模具内部压力设定在10bar与100bar之间。

4. 根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在执行根据权利要求1的步骤b)之后和在执行权利要求1的步骤d)之前将压力－尤其气动的或液压的压力－从外部施加到所述至少一个空腔壁区段(3)上，使得所述至少一个空腔壁区段(3)变形并且所述空腔(2)的容积变小。

5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，如此控制或调节从外部施加到所述至少一个空腔壁区段(3)上的压力，即，将在所述反应混合物尚未凝固期间在所述空腔(2)中的压力保持在预定的水平上，尤其保持在恒定的值上。

6. 根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，在所述反应混合物的硬化期间提高从外部施加到所述至少一个空腔壁区段(3)上的压力。

7. 根据权利要求4至6中任一项所述的方法，其特征在于，在所述反应混合物的硬化期间降低从外部施加到所述至少一个空腔壁区段(3)上的压力。

8. 根据权利要求4至7中任一项所述的方法，其特征在于，如此控制或调节从外部施加到所述至少一个空腔壁区段(3)上的压力，即在执行根据权利要求1的步骤c)的凝固期间，使在所述反应混合物尚未凝固期间在所述空腔(2)中的压力从就在根据权利要求1的步骤b)引入所述反应混合物之后至少50bar的压力水平下降。

9. 根据权利要求4至8中任一项所述的方法，其特征在于，如此控制或调节从外部施加到所述至少一个空腔壁区段(3)上的压力，即所述至少一个壁区段(3)的变形在根据权利要求1的步骤c)的凝固结束时变成零。

10. 一种装置，其尤其用于执行根据权利要求1至9中任一项所述的方法，该装置包括带有空腔(2)的模具(1)，该空腔带有名义模型容积(V)，其特征在于，所述空腔(2)具有至少一个限定其的空腔壁区段(3)，该空腔壁区段构造成以便在引入反应混合物时弹性地变形，其中，所述空腔(2)的压缩模量(K)在2000bar与10000bar之间。

11. 根据权利要求10所述的装置，其特征在于，至少一个可弹性变形的所述空腔壁区段(3)与器件(4)相连接，利用该器件可将压力从外部建立到所述空腔壁区段(3)上。