CN107073755A - 用于热成形热塑性材料的方法和实施设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于成形由热塑性材料制成的预成型件的方法，以及用于实现所述方法的设备。该方法包括以下步骤：a)提供由具有表面(30)的由热塑性材料制成的预成型件(15)；b)通过辐射提供热能到所述预成型件(15)，以使其具有延展性；和c)在成形模具(26)内成形所述可延展预成型件(15)。此外，步骤b)涉及同时将气态流体喷射到所述预成型件(15)的表面(30)上，以便保护所述表面。

Description

用于热成形热塑性材料的方法和实施设备

本发明涉及用于成形由热塑性材料制成的预成型件的方法，以及用于实现它的设备。

用于成形由热塑性聚合物材料形成的预成型件(通常被称为热成形)的方法允许产生三维件。因此，首先提供热塑性材料的板，其由于红外加热构件而具有延展性。然后，将延展板传送到成形模具内，该成形模具安装在压机中，并且适于通过使延展板变形而能够在三维中成形该件。最后，冷却模制件，使得热塑性聚合物材料恢复其刚性，然后将该件从成形模具中弹出。

加热构件安装在外壳中，成形模具位于外壳的下游，以便能够将延展板从外壳顺序地传送到成形模具，同时使能量损失最小化。

为了降低每个成形件的生产成本，需要减少这些件的制造时间。因此，变形顺序中的限制步骤是软化热塑性材料。因此，存在增加加热构件的功率的驱动，以精确地减少用于软化材料以便获得延展板的该步骤的时间。在这种情况下的风险是促进了材料表面的氧化，并且因此降低该表面的美学外观，并且在极端情况下，使其燃烧。此外，存在材料损失其一些特性，特别是机械特性，以及由于其添加剂的损失而具有的性能的风险。

此外，出现的并且本发明旨在解决的问题是提供一种成形方法，其使得可以减少热成形件的制造周期时间，而不会使它们从中成形的热塑性材料退化。

为此，根据第一方面，本发明提出一种成形由热塑性材料制成的预成型件的方法，包括以下步骤：a)提供由具有表面的热塑性材料制成的预成型件；然后通过辐射提供热能到所述预成型件，以使其具有延展性；以及，在成形模具内形成所述延展预成型件。此外，在步骤a)中，提供热塑性复合材料，并且在步骤b)中，气态流体同时喷射在所述预成型件的表面，以保护所述表面。

因此，本发明的特征是使用气态流体，例如空气，其在材料的加热期间以均匀流的形式喷射到预成型件的表面上。因此，提供了更多的热功率同时限制了表面的温度上升。以这种方式，并以令人惊讶的方式，可以将热塑性材料加热至其熔融温度，而不一定氧化其表面或使其燃烧。结果，充分地降低了预成型件的温度升高的时间。例如，在预成型件相对较厚的条件下，其减少50％。此外，材料的表面状态显示没有使其退化的迹象，或显示了抑制氧化的迹象。由于预成型件温度升高的时间减少了，所以成形完全循环时间也减少了同样多，因此，制造件的成本也因此降低。

热塑性复合材料是指包括由热塑性聚合物和增强元件(例如纺织材料的层)制成的基质的材料。热塑性聚合物例如是聚酰胺或更刚性的材料，例如聚醚醚酮。纺织材料例如由玻璃或碳纤维编织纺织品制成。以这种方式，复合材料对应力下的变形具有比没有增强材料的热塑性材料大的抗变形性。

根据实施本发明的特别有利的方法，在步骤a)和步骤b)之间，热能通过传导进一步提供给所述预成型件，以便预热所述预成型件。因此，由于在通过辐射加热的步骤的上游的通过传导预热的这一步骤，已经向预成型件供应了大量的热能，而不使其表面退化。因此，预成型件达到基本上小于其熔融温度的温度，使得其表面不发粘。以这种方式，通过组合两种能量供应模式，通过传导和通过辐射，件制造周期时间进一步减少。因此，不仅循环时间减少，因此生产率降低，而且，用于成形预成型件所需的能量总量减少。

有利地，所述气态流体在基本垂直于所述预成型件表面的方向上喷射。这种取向允许在预成型件的表面处的更好的热交换，并且因此允许其被更好地保护。

此外，以优选的方式，使所述预成型件与加热板接触，以便通过传导提供热能到所述预成型件。由于使所述预成型件与加热板接触，因此材料表面的氧化的可能性降低，因为空气的量以及因此氧的量在界面处是较低的。因此，热能通过材料内部的传导更快地扩散以到达预成型件的芯。

此外，根据特别有利的替代实施例，在步骤b)，通过红外辐射提供热能。红外辐射是指电磁辐射，其波长在红外波长的范围内，在对应于可见光和微波的波长范围之间。以这种方式，快速且容易地加热预成型件。优选地，红外辐射在短波长范围内发射，并且具有低惯性。

优选地，在步骤b)中，所述气态流体是空气。空气确实是有利的，因为它具有有利的成本。因此，如下文所述，在一些情况下，需要惰性气态流体以进一步减少由聚合物材料制成的预成型件的表面的氧化现象。

根据另一方面，本发明涉及一种用于成形由热塑性材料制成的预成型件的设备，其包括：首先，辐射加热外壳，用于接收由热塑性材料制成的预成型件，以便能够通过辐射向所述预成型件提供热量以使其具有延展性；其次，位于所述加热外壳下游的成形模具，以便能够成形所述延展预成型件。该设备还包括安装在所述辐射加热外壳内部的气态流体喷射装置，以便当所述预成型件通过辐射接收热能时，能够在所述预成型件的表面处喷射所述气态流体，以便保护所述预成型件的表面。

用于实施上述方法的这种设备提供了与其相同的优点。优选地，用于喷射气态流体的装置在基本上垂直于预成型件的表面的方向上取向。因此，在预成型件的表面处获得湍流气态流体流，这使得可以进一步保护表面。

有利地，其包括位于所述辐射加热外壳的上游的传导加热装置，以便能够通过传导提供热能到所述预成型件。优选地，所述传导加热装置包括用于与所述预成型件接触的加热板，以便通过传导提供热能到所述预成型件。因此，加热板可以在彼此间隔开的位置和彼此靠近的位置之间相对于彼此移动，以便在彼此间隔开的位置接收由热塑性材料制成的预成型件，在彼此靠近的位置它们压靠预成型件。因此，后者在加热板之间进行，在有限存在空气的空间中，或在必要时通过例如抽真空而被去除空气的受限空间中。

此外，所述辐射加热外壳包括红外发射灯。

通过阅读以下对本发明的具体实施例的描述，本发明的其它特征和优点将显现，该实施例是以非限制性方式指示性地给出的，在附图中：

-图1A是用于成形根据本发明的由复合材料制成的预成型件的设备的第一站；

-图1B是在图1A所示的第一站之后的设备的第二站的示意图；

-图1C是在图1B所示的第二站之后的设备的第三站的示意图；以及

-图2是示出在图1B所示的设备第二站处观察到的现象的示意图。

图1A、1B和1C示出了用于加工由热塑性材料制成的预成型件的三个连续的站。

首先参考图1B，示意性地示出了加热外壳10，其形成根据本发明的方法的主要加工站。它包括加工空间12，其具有入口14和相对的出口16。在加工空间12内部，热塑性复合预成型件15水平地保持在固定位置。在这种情况下，预成型件15具有各种厚度的部分。加热外壳10在其上部具有位于加工空间12的顶部并朝向加工空间12取向的上红外辐射18。它在其下部，在加工空间12的下方，也具有朝向该空间取向的下红外辐射20。此外，加热外壳10包括气态流体喷射装置22，用于将气态流体沿着预成型件15的方向通过红外辐射18、20朝向加工空间12的内部喷射。喷射装置22包括例如在红外辐射20、18的元件之间延伸的喷嘴24。在这种情况下，通过装置22喷射的气态流体是空气。

在加热外壳10的下游，如图1C示意性所示，是用于接收由热塑性复合材料制成的预成型件15的成形模具26，如将在下文中解释的。

因此，由热塑性复合材料制成的预成型件15具有例如聚酰胺6或聚酰胺6.6基体和例如由玻璃纤维或碳纤维制成的织物增强层。预成型件15是板的一般形状或多厚度层状预成型件，其未被加强，并且保持在未示出的穿孔平台上的加工空间12内的固定位置上。多厚度预成型件具有各个厚度的区域。

以这种方式，红外辐射18、20通过辐射提供热能到在其两个相对面上的预成型件15。

如图2中更详细地示出，辐射穿过预成型件15的表面30进入表面层，在大约几微米或更大的厚度上，然后热能通过预成型件15内的传导传递以到达材料的芯。

红外辐射18、20的强度被调整为使得能够使预成型件15的材料的温度基本上超过其熔融温度。同时，空气以基本上垂直于预成型件15的表面30的方向喷射通过红外辐射20、18的元件。为了实现这一点，根据本发明的设备包括位于辐射之间的空气喷射喷嘴。这些空气喷射喷嘴朝向预成型件15取向，并且它们例如使用压缩空气网络供给。

喷射的空气最初处于环境温度，并且使得可以冷却复合预成型件15的表面30，以便减少材料的氧化，而不会阻碍红外辐射通过表面层的作用。根据本发明的替代实施例，不喷射环境空气，而是氮中性气体，以排出空气，因此消除了在预成型件15的表面30处的氧的存在。以这个方式，材料的氧化可能性进一步降低。

因此，通过红外辐射18、20的功率，用于将最大可能的热能传递到复合材料，并且所喷射的空气的作用使得可以保护预成型件15的表面30，热塑性材料被软化并在极短的时间段内变成可延展的，而不影响其表面。

有利地，在多厚度预成型件的情况下，通过在较小厚度的区域上测量预成型件15的表面30温度来调节红外辐射18、20的强度。以这种方式，可以将热塑性材料加热至其熔融温度而不会使其退化。因此，与根据现有技术的解决方案相比，可以减少大约50％的加热时间，并且可以加工具有各种厚度，特别是大厚度的复合材料。

在预成型件15的材料已经达到大于其熔化温度的温度之后，以均匀的方式，通过出口16从加热外壳10移除预成型件，使得其可以直接插入在成形模具26内部。然后形成预成型件15，随后使用公知的实施方法冷却，以提供刚性复合件。

根据实施本发明的特别有利的方法，预成型件15在插入加热外壳内部之前通过传导预热。因此，根据本发明的设备在加热外壳10的上游包括传导加热装置32，如图1A所示。传热加热装置32包括平行的两个加热板34、36，它们可以在彼此间隔开的位置和彼此靠近的位置之间移动，在彼此靠近的位置中它们夹持多厚度预成型件15。加热板34、36由金属制成，并且例如设置有电阻器。此外，它们可以被预成型以紧密地配合预成型件15的整个表面并且均匀地预热。

在预成型件15的这种传导预热阶段中，在整个材料中提供大量的热能，特别是当预成型件具有大的厚度，特别是具有未强化的层。实际上，由于加热板34、36的轻微压力，通过限制层之间的空气空间来促进传导。这些当然达到小于热塑性材料的熔化温度的温度。这不仅使得可以防止板34、36和预成型件15的材料之间的粘附，而且不会促进表面30的氧化。例如，对于聚酰胺基的复合材料的并且具有3.5mm的最大厚度的多厚度预成型件，由于加热板34、36，预成型件15在60秒内被预热到180℃的温度。

虽然预成型件15可以具有各种厚度的部分，但是不存在加热板34、36适配预成型件15的形状的需要。这实际上是由于加热板34、36与更大厚度的部分接触的事实，因此将促进通过整个这些部分的预热，而较小厚度的部分稍后(更具体地在加热外壳10中)将容易地达到芯温度。

因此，在已经被预热之后，预成型件15被传送到加热外壳10内，以便根据上述布置被软化。尽管预成型件15的温度在该转移期间趋于降低，但是仅仅表面受到影响，并且加热外壳10的红外辐射使得可以再次快速加热它们。在通过加热外壳10内部的末端，预成型件15具有基本上高于其熔化温度的温度，并且尽管可能存在厚度差异，但是在其所有部分中均匀分布。

因此，例如，预成型件15在加热外壳10内部在小于60秒的时间段内从180℃到250℃。因此减少了在加热外壳10内部花费的时间，因为提供热能使得预成型件15的材料获得几十的附加度。结果，使材料暴露于红外辐射的时间减少，并且因此，甚至更多地，减少表面氧化的风险。

然后预成型件15可以传送到成形模具26内。因此，由于根据本发明的设备，例如对于具有3.5mm的最大厚度和1mm的最小厚度的聚酰胺基复合材料的多厚度预成型件，减少了热成形循环时间，并且循环时间可以是大约60秒。

将观察到，根据本发明的方法通常也可以用于成形热塑性材料。

Claims (10)

1.一种成形由热塑性材料制成的预成型件的方法，包括以下步骤：

a)提供由具有表面(30)的热塑性材料制成的预成型件(15)；

b)通过辐射提供热能到所述预成型件(15)，以使其具有延展性；和

c)在成形模具(26)内成形所述可延展预成型件(15)；

其特征在于，在步骤a)处，提供热塑性复合材料，

并且在于，在步骤b)处，同时将气态流体喷射到所述预成型件(15)的表面(30)上，以便保护所述表面。

2.根据权利要求1所述的成形方法，其特征在于，在步骤a)和步骤b)之间，热能通过传导进一步提供到所述预成型件(15)，以便预热所述预成型件。

3.根据权利要求2所述的成形方法，其特征在于，使所述预成型件(15)与加热板(34、36)接触，以便通过传导提供热能到所述预成型件(15)。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的成形方法，其特征在于，所述气态流体在与所述预成型件(15)的表面(30)基本上垂直的方向上被喷射。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的成形方法，其特征在于，在步骤b)处，热能通过红外辐射提供。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的成形方法，其特征在于，在步骤b)处，所述气态流体是空气。

7.一种用于成形由热塑性材料制成的预成型件的设备，包括：首先，辐射加热外壳，用于接收由热塑性材料制成的预成型件(15)，以便能够通过辐射提供热量到所述预成型件(15)以使其具有延展性；其次，位于所述加热外壳(10)下游的成形模具，以便能够成形所述延展预成型件。

其特征在于，还包括安装在所述辐射加热外壳(10)内部的气态流体喷射装置(22)，以便当所述预成型件通过辐射接收热能时，能够在所述预成型件(15)的表面(30)处喷射所述气态流体，以便保护所述预成型件(15)的表面(30)。

8.根据权利要求7所述的成形设备，其特征在于，包括位于所述辐射加热外壳(10)的上游的传导加热装置(32)，以便能够通过传导提供热能到所述预成型件。

9.根据权利要求8所述的成形设备，其特征在于，所述传导加热装置(32)包括用于与所述预成型件(15)接触的加热板(34、36)，以便通过传导提供热能到所述预成型件(15)。

10.根据权利要求7-9中任一项所述的成形设备，其特征在于，所述辐射加热外壳(10)包括红外发射灯等。