CN109986808B - 精确和可控地调节注射成型工艺的装置和相关工业方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于精确和可控地调节注射成型工艺的装置和相关的工业方法。该装置通过供应入口和借助于混合头在高压下向密封的模具供应流体反应型树脂，以浸渍装载在模具腔内的复合材料的树脂纤维，其中，提供至少一个储存容器，用于在完成注射阶段之前储存预定量的经历反应的残余树脂。该装置可以在注射阶段期间、特别是在流体反应型树脂最终注射模具的腔体期间填充，以制造零件或部件，然后可以在压力下释放可精确调节量的反应型树脂，补偿了聚合阶段的体积收缩；该储存装置能够在精细可调的流量、温度和压力条件下使用。

Description

精确和可控地调节注射成型工艺的装置和相关工业方法

技术领域

本发明涉及一种用于精确和可控地调节注射成型工艺的装置和相关工业方法。

本发明特别涉及一种用于精确和可控地调节反应注射成型工艺的装置，其中通过供应入口和借助于混合头在高压下向密封模具供应流体反应型树脂，以用所述反应型树脂浸渍装载在模具腔内的复合材料纤维，并且其中提供至少一个储存容器，用于在完成注射阶段之前储存预定量的经历反应的残余树脂。

本发明还涉及HPRTM(高压树脂传递成型)类型的工业方法，其中注射成型在高压下进行。

背景技术

鉴于迫切需要减少化石燃料的使用和生产电动汽车的需要，最近在汽车行业中开发了HPRTM工艺，这是为了从复合材料(例如碳纤维)制造具有非常高的结构和美学质量的部件，并且主要是为了减轻机动车辆的支撑结构或其零部件的重量。

正是由于汽车制造商需要在相对短的时间内使用快速且可重复的工业过程制造数千个具有相同尺寸和特征的部件，因此该技术已经比较完善。

HPRTM技术最初广泛用于制造碳纤维基复合材料部件。在过去的三十多年中，这些材料已经为人们所知并用于运动、休闲和航空航天工业和/或运输工具的应用，例如使用仅限于奢侈品市场或小批量制造的传统制造方法制造的汽车和船只。

最古老的现有技术开发了许多方法，下面简要描述这些方法及其优点和缺点。

称为“RTM真空工艺”的方法是已知的，其主要包括用在真空下传递的反应型树脂进行浸渍。

将复合材料织物切割并成形并适当地分成几层，然后在所需方向放入具有所需厚度的模具中。然后封装该叠层织物层，用柔性不渗透片材覆盖，该片材沿着模具边缘用胶泥密封。

对片材施加真空以吸入已经与试剂混合的树脂并防止在树脂内部形成气泡，并且还通过真空吸入进行反应的树脂。

该技术已经应用于例如使用玻璃纤维制造船只。

另一种已知的技术解决方案(即PREPREG技术)使用预先浸渍有尚未完全反应的树脂的纤维。使用对每种单一织物进行的涂布工艺预浸渍纤维。根据该方法，浸渍树脂是半固体的，但是可以凝固，当加热到例如高于100度的温度时发生反应。

在这种情况下，也制备预浸渍织物，将其切割成形并在适当的方向上分层布置在模具内。然后用不渗透性的薄片或用反模具覆盖织物，反模具在高压釜内加热和加压期间或使用特殊的压力机按压织物。

上述两种技术都不适合大规模生产，因为在RTM真空工艺过程中树脂的反应性极慢，而PREPREG工艺在任何情况下都要求使用非常昂贵的预浸材料，除了大量的废渣，还涉及几十分钟的聚合时间。

另一方面，HPRTM工艺使用非浸渍、原始或再生纤维层，其基本成本和供应成本是可承受的且与RTM真空工艺相比具有显著竞争力，但浸渍和聚合时间甚至要快两个数量级，即与几十分钟相比是几百秒。

在HPRTM工艺中，纤维必须被切割并分成多层，使得它可以在半模内预成型，如上述方法。

然而，HPRTM工艺使用完整的模具，该模具位于高吨位压力机内。

模具可以由若干部分组成，使得它能够更好地再现待制造零件的形状，或者可以设置有底切部分以便于抽出。通常，模具还设有脱模器和密封件，该密封件允许在注射树脂之前形成和保持真空。

这些工业上使用的模具通常配备有一个或多个真空阀以及安装在混合注射头上的入口以及模具内的一个或多个压力传感器。

在HPRTM工艺中，反应型树脂也通过高压射流冲击混合头混合，反应的化合物在中心位置或在任何情况下在合适的位置注射到模腔内，以覆盖所有插入其中的纤维。

注射操作持续几秒到几十秒，反应型树脂从注射点扩散穿过整个纤维，直到它到达扩散区的更外围端。

当反应型树脂浸渍纤维并填充腔和凹陷时，模腔内的压力在注射点和初始扩散区域中增加。当反应型树脂填满整个腔时，形成突然的压力峰值，所述峰值通过混合头的关闭得到限制。

压力峰值具有压缩反应型树脂和消除任何小的残留气泡的功能，这些气泡在任何情况下都位于树脂积聚的某些周边区域中。

通常，靠近树脂入口区安装的压力传感器检测模腔内的压力，并提供关闭混合头的信号，以停止填充并将压力峰值限制在所需值。

同时，将模具保持在适于加速反应的温度(例如高于100℃)，并且一旦注射完成，注射的反应型树脂开始快速聚合直至其凝固并形成待获得的零件的机械特性。

树脂本身的反应产生的热量也刺激了聚合，从而实现了从模具中移除零件所需的聚合，即所谓的脱模。

尽管HPRTM工艺在各个方面都是有利的并且越来越可能在工业中使用，但是它具有许多严重的缺点，这些缺点限制了其应用仅限于要制造的部件非常昂贵的应用领域。

事实上，上述过程非常快速和有效，因为它设法在使用传统工艺难以达到的点处填充腔，并且因为它允许制造复杂且必须精确重复的形状；然而，在最终注射峰值期间达到的高压需要使用非常精确且成品良好的模具，这些模具非常昂贵，并且使用高吨位压力机来控制由于中型到大型部件的制造期间涉及的压力产生的力，这也需要相当大的支出。

与已知类型的HPRTM方法相关的第二个缺点是在聚合和冷却树脂块之后浸渍树脂基质的收缩。

事实上，在聚合反应期间，树脂基质由于树脂本身的交联和聚合相结束时的温度下降而体积减小。

在任何情况下，高聚合温度和使用具有非常精确和复杂几何形状以及完美表面光洁度而没有变形的模具会产生如何在聚合完成并且零件冷却时避免或补偿材料收缩的问题。

材料的收缩可能在具有复杂形状的零件中引起甚至显著的变形，其中肋的存在倾向于放大由树脂基体的收缩引起的变形，即使在非常小的收缩体积的情况下。

因此，由于其复杂的几何形状和设备的成本，因此希望在复杂且昂贵的部零件克服这些技术问题。

由反应型树脂的体积收缩引起的变形可能导致主要的经济成本，特别是在复杂零件的情况下，其中每个零件的制备需要用于切割和组装碳纤维织物片的大量劳动和专用制造周期，这些碳纤维织物片必须在模具内部分层排列在一起，它们必须完美贴合。

由于体积收缩引起的变形即使非常小通常也会引起美学或甚至功能性质的损坏，因为所产生的零件可能具有凸起、凹陷或变形，这些凸起、凹陷或变形通常对光明显可见，并且因此必须从要安装在顶级设备、装备或机动车辆上的零件组中丢弃。

在过去，在与本发明相关的技术领域中，已经提出使用与用于反应型树脂的附加储存空间相关联的模具，所述储存空间能够在注射模具期间被填充并且在树脂聚合期间被清空，从而释放额外量的反应型树脂并防止形成气泡或空隙。该解决方案描述于例如第4,314,955号美国专利中。储存空间基本上构造成容纳活塞的腔室，该活塞在模具填充步骤结束时被启动，以提供适合于补偿任何体积收缩的反应型树脂的进一步供应。

尽管在许多方面是有利的，但该解决方案是不完整的并且不适用于旨在制造顶级部件的现代工业设备的最终高压注射成型操作。

实际上，成功的结果取决于装置的设置，并且不能保证随着时间的推移可以保持的高质量水平，即使在设置条件存在变化时也是如此。

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于允许精确和可控地调节高压反应注射成型工艺的装置和相关的工业方法；所述装置和所述方法具有各自的结构和功能特征，以克服迄今为止影响现有技术的HPRTM方法的缺点。

本发明的另一个目的是提供一种上述类型的装置和方法，该装置和方法能够在树脂基质仍然是流体并且在反应过程中由于交联相而发生体积的生理收缩时完美地补偿树脂基质的收缩。

本发明的另一个目的是设计一种方法，该方法可以按照相对低的成本在工业环境中应用和实施，同时确保在通过成型大规模制造的组件可获得的质量方面具有非常高的性能。

发明内容

构成本发明基础的所提出的解决方案是提供一种用于流体反应型树脂的储存装置，该装置可以在注射阶段期间、特别是在流体反应型树脂最终注射的模具的腔体期间填充，以制造零件或部件，然后可以在压力下释放可精确调节量的反应型树脂，补偿了聚合阶段的体积收缩；该储存装置能够在精细可调的流量、温度和压力条件下使用。

在所提出的解决方案的基础上，该技术问题通过上述类型的装置解决，其特征在于，储存容器或腔室是在内部限定储存腔室的缸体，储存腔室内滑动地容纳由被配置为气缸/活塞组件的致动器操作的柱塞，气缸/活塞组件设置为缸体的同轴延伸部分并包括致动活塞，致动活塞具有与柱塞的杆重合的杆；储存腔室的圆的横截面筒和致动器的缸体具有不同的横截面。

此外，有利地，致动器由包括旁通阀的液压控制单元控制，该旁通阀可以被启动，以在储存的树脂的受控分配期间使致动器缸体的腔室流体连通。

还提供温度调节套筒，套筒以预定游隙围绕缸体的外表面从而限定空隙，在空隙内，流体以预定温度流通，以控制和调节储存容器内的温度。

有利地，储存容器的储存腔室是自清洁的并且被设计为高强度钢的缸体，所述缸体具有光滑内表面和长形形状，以及合适的密封垫圈，该长形形状限定了柱塞直径的五至十倍的冲程(stroke)，柱塞在高强度钢的缸体中以预定游隙滑动。

更具体地，柱塞具有以精确的方式与缸体接合的表面(具有5至50微米的游隙)并且设置有硬化表面处理和涂层以及密封环。

应该注意的是，在柱塞的推力面和致动活塞的推力面之间存在预定的尺寸比率，柱塞的推力面和致动活塞的推力面之间的所述比率介于至少四到二十五之间。

更具体地，储存容器可以配置成使得柱塞和致动活塞的相对孔径比在1：1至1：8的值之间。

该技术问题还通过一种用于精确和可控地调节反应注射成型工艺的方法来解决，其中至少一个密封模具在高压下通过供应入口和通过混合注射头供应混合流体树脂，以用所述树脂浸渍装载在模腔内的复合材料的纤维，并且其中提供至少一个储存容器，该储存容器具有与注射头的出口流体连通的入口/出口开口，以在注射阶段完成之前储存预定量的残留的活性树脂；其特征在于，所述方法包括以下步骤：

当注射阶段接近充满模具时，启动在储存容器或腔室中的反应型树脂的储存，打开入口/出口开口；

将入口/出口开口与缸体的储存腔室流体连通，由致动器操作的自清洁型柱塞能够在缸体的储存腔室内滑动；

同时保持储存腔室的温度调节；

当在腔室内达到对抗柱塞的作用的预定体积量的反应型树脂时，中断来自混合注射头的出口的流体反应型树脂流；

通过入口并通过精细控制的注入将至少一部分预定量的储存的反应型树脂释放到模具中，以补偿注射的树脂的部分收缩；

储存的反应型树脂的释放通过柱塞在受控压力下进行，柱塞受到驱动液压控制单元的控制单元的控制。

有利地，该方法设想通过具有自清洁柱塞的速度(流速)和位置(体积)的反馈的闭合控制回路来控制反应型树脂的储存。

此外，在再生回路中通过连接到柱塞的活塞的操作来释放在受控压力下储存的树脂。

最后，一旦发生聚合，通过操作压力柱塞和致动自清洁柱塞的活塞的全液压推力面排出储存腔室中的残余储存量的树脂(芯体)。

根据本发明的装置和方法的特征和优点将从下面参考附图的实施例的非限制性示例的描述中显现出来。

附图说明

图1显示了根据本发明提供的用于精确和可控地调节反应注射成型过程的装置的示意图；

图2示出了根据图1的装置的部件的立体示意图，更具体地是储存缸体和相关的液压致动系统；

图3示出了根据图2的部件的纵向剖视示意图；

图4和5分别示出了根据本发明的装置在两种不同操作条件下的细节示意图；

图6和7分别示出了在两个另外的不同操作条件下与图4或5相同细节的相应示意图；

图8示出了根据本发明提供的装置在注射成型过程结束时的示意图；

图9示出了使用根据本发明的装置通过注射成型制造的部件的示意性立体图；

图10示出了与图2和3中所示的根据本发明的装置的部件相关联的调节和控制单元的示意图。

具体实施方式

参考这些图，1表示总体上并且以示意图形式示出了根据本发明提供的用于精细和受控地调节注射成型工艺的装置，以快速制造由复合材料制成的零件或部件。

本发明特别适用于快速制造在结构和外观方面具有非常高质量的用于机动车辆领域零件。下面的描述特别参考该示例性实施例，以简化其说明为目的。

装置1与传统模具2相关联，在传统模具2内注射在高压下混合的反应型树脂(例如环氧树脂或聚氨酯树脂)。

模具2由多个不一定具有相同的形状或尺寸的半壳形成。例如，除了至少一对侧壁4'和4”之外，下半壳3可以形成为用于通过成型制造的部件的底部三维模具，而上半壳5可以简单地是模具2的盖子并形成用于容纳所述侧壁的肩部。在优选实施例中，模具2的侧壁是三个形成圆柱形壁的区段。

图8示出了例如具有下半壳3的模具2，该下半壳3形成为类似于环形元件的基部、与侧壁4'和4”一起允许获得基本上圆柱形的形状并且可以例如用于制造机动车辆的轮缘28，例如在图9中示出。还为该模具2提供了镶嵌铸件(male insert)4，并且镶嵌铸件4在其内部限定了空隙6，部件28在该空隙中形成。上半壳5形成盖子，该盖子密封地装配在由下半壳3、侧壁4'和4”以及镶嵌铸件4组成的圆柱形上。

将模具2的各种部件即下半壳3、侧壁4'和4”、镶嵌铸件4和上半壳5连接在一起形成注射有树脂的空隙或内腔6。

本发明特别涉及HPRTM(高压树脂传递成型)类型的工艺，该工艺包括首先在模具2的腔6内沉积未经浸渍的纤维层(例如原始或再生纤维)，该纤维层构成要制造的部件的结构增强部分。该纤维通常被切割、成形并分成多层，使得它可以在下半模3上预成型。

根据HPRTM工艺，模具2被容纳并定位在压力机或相当大吨位的夹具内，这是传统的并且在附图中未示出。

如已经提到的，这里描述的示例仅通过申请人的权利的非限制性示例来提供，并且不需要详细描述模具2可以包括凹陷或者也可以由附图未示出的不同部分组成的事实，而是旨在精确地限定待制造的零件或部件的形状。用作盖子或内部镶嵌铸件4的上半壳5或下半壳3可具有底切边缘和相应的可移动插件以于拔出部件28，而下半壳3设置有脱模器和密封垫圈，密封垫圈允许在注射树脂之前在内腔6内形成真空。

模具2在底部配备有一个或多个用于真空的阀7，而在顶部设有入口8，混合头9安装在入口8上。在所述入口8附近，在腔6内部具有一个或多个压力传感器12。

而且，在HPRTM工艺中，反应型树脂通过在高冲击压力下操作的上述混合头9混合在一起，并且反应性化合物通过入口8注射入模具的腔6中，以能够覆盖所有插在那里的纤维。根据要制造的部件的需要、尺寸和形式，可以提供一个以上的用于注入反应型树脂的入口。

通过施加真空，空气从腔6中移除，直到达到适于随后注射反应型树脂的负压(例如，绝对压力在10和0.1毫巴之间)。

注射操作通常持续几秒到几十秒，并且流体反应型树脂自由地从注射入口8扩散穿过所有纤维，直到它到达扩散区的更外周端。

当反应型树脂浸渍了先前沉积在模具内的所有纤维并填充每个腔或凹陷时，由于混合头引入的树脂的连续供应，模具的腔6内的压力迅速增加，这产生了突然压力峰值，该压力峰值通过关闭混合头9的出口13来限制。

压力峰值具有压缩反应型树脂和平滑任何小的残留气泡的功能，所述小气泡在任何情况下都位于树脂积聚的某些周边区域中。

通常，靠近入口8(树脂通过该入口注射)安装的压力传感器12检测模腔6内的压力并提供关闭注射头9的出口的信号，以限制压力峰值达到预期值。

同时，模具2保持在适于加速反应的温度(例如高于80-100℃)，并且一旦注入完成，注射的反应型树脂就开始快速聚合，直至其凝固并形成要获得的零件的机械特性。聚合阶段之前是状态变化，其中流体反应型树脂变得如此粘稠以至于它具有一种凝胶的外观。该状态不再允许树脂在纤维内流动并指示从液相到固相的转变状态。

聚合也受到树脂本身反应产生的热量的刺激，从而实现从模具中移除零件所需的聚合，即所谓的脱模。这个阶段可能持续一百秒到几分钟。

在反应型树脂基质仍然是流体的时期，即在所谓的“凝胶时间(gel t ime)”之前，树脂以逐渐增加粘度的液体的方式起作用。在达到凝胶时间之前，因此可以在压力下保持为零件供应另外的反应型树脂，以补偿其收缩，但是也可以使模具2的整个腔6保持在压力下，以消除任何分散的气体和获得最终也是适当吸引人的表面光洁度。

有利地，根据本发明，装置1配备有用于流体反应型树脂的储存容器或腔室10，储存容器或腔室10具有开口11，开口11形成位于注射头的出口13和模具2的入口8之间的储存入口/排放出口。

该储存容器或腔室10与致动器25(例如流体气缸/活塞组件，例如出于尺寸原因为液压类型)相关联。然而，同样可以采用具有气动类型的缸体的解决方案或者也可以使用电动致动器，例如由齿轮马达操作的螺杆或由齿轮马达再次操作的再循环滚柱螺杆。

更具体地，具体参考图2和图3中所示的示例，可以看到储存容器或腔室10如何采用金属缸体18的形式，该金属缸体18在内部限定用于储存反应型树脂的腔室16，腔室16进而是圆柱形的，并且在周边设置有密封垫圈24或环的储存柱塞21或活塞21在腔室16内部滑动。

柱塞21和储存腔室16具有精确接合的表面(优选地具有6至60微米的游隙)并且设置有硬化表面处理和涂层。

温度调节套筒20围绕缸体18设置，以允许调节储存容器或腔室10内的温度。套筒和缸体18的温度由特殊传感器监控。

更具体地说，由于反应型树脂的反应性也取决于其温度，因此控制储存容器10或储存腔室16的温度是有用的，通过围绕金属缸体18的外壁的温度调节套筒20来保持其温度调节或冷却。

这防止了模具2的热量和温度在储存容器10或储存腔室16内传递，并且由于实际的聚合过程中不受控的反应、加料和加速导致内源性加热，反应型树脂的温度也开始增加。

有利地，套筒20安装在缸体18的外壁上并以预定游隙围绕缸体18的外壁，以在套筒20的内表面和缸体18的外表面之间限定空隙38。还设置了入口开口和出口开口36和37，所述开口连接到导热油分配回路，该导热油分配回路允许进给和排出，即在空隙38内在预定温度下使油再循环。

通过在空隙38内供应和/或排出油来调节套筒20的温度对于延长混合树脂的工作寿命(即树脂可以在不引起其性能恶化的情况下传递和移动的时间)特别有效。

以受控的方式在金属缸体18的腔室16内缩回的柱塞21在受控的压力和流速条件下管理流体反应型树脂的储存。

腔室16基本上延伸至连接凸缘19，连接凸缘19允许储存容器10与装置1紧固在一起。

具有储存腔室16的储存容器10以连续的顺序与气缸/活塞组件25相关联，气缸/活塞组件25布置成与容器10同轴地延伸。

如已经提到的，气缸/活塞组件25形成储存容器10的致动器并且包括缸体14和液压致动活塞15。

有利地，致动活塞15具有杆22，杆22基本上与柱塞21的杆重合。基本上，致动活塞15和柱塞21具有共同的单杆22和相对设置的混合注射头。

气缸/活塞组件25是液压的并且与储存容器或腔室10的缸体18轴向对准。提供凸缘接头23，用于将储存容器或腔室10的缸体18和14以及气缸/活塞组件25分别固定在一起。

在缸体14内滑动的致动活塞15限定了通过压力传感器控制的两个可变容积腔室。

液压致动活塞15的冲程以及因此柱塞21的冲程通过插入在液压活塞15的杆22内纵向延伸的腔内的线性位置传感器17来控制。

杆22的所述腔还具有在其内部安装的在致动器25所在的一侧上的压力传感器27，压力传感器27与线性位置传感器17一起允许PLC型可编程电子控制单元30(通过带有液压控制单元的位置和速度控制回路操作)检测致动器25的线性位移信号，并自动控制致动活塞15以及因此柱塞21的位置和速度，其中相应地调节每个瞬间储存的反应型树脂的压力和流速。

有利地，储存容器或储存腔室16的缸体18设计成可自清洁。这种特殊的特征是通过一种基本的高强度钢结构获得的，该结构具有特别光滑用特殊涂层处理的内表面和长形形式，该长形形式为柱塞21限定了所述缸体18的直径的五到十倍的冲程。

在缸体18内可滑动的柱塞21是允许在仍然是流体的储存的反应型树脂中产生压力的构件，同时它能够从缸体18刮去并排出任何残留的已经反应和凝固的树脂。

柱塞21由液压致动活塞15液压操作，液压致动活塞15通过公共杆22在结构上与其连接。应当注意，活塞15的1推力面和柱塞21的推力面之间也存在预定比率，该比率在从至少4：1到至少25：1的范围内变化。

换句话说，致动活塞15的推力面为柱塞21的推力面的至少4到至少25倍。由于柱塞21和活塞15的这些不同的推力面，基本上对应于相应的缸体18和14的不同横截面，可以获得由活塞15施加的推力的倍增。

优选地，活塞15和柱塞21的推力面之间的比率在8：1和10：1之间，以同样保持对流体反应型树脂的推力的良好控制，并且避免由于油压管理的小瞬态引起的压力峰值。

缸体14和缸体18的相应孔也具有2：1和8：1之间的相对尺寸比，使得一旦已经反应的树脂被排出，致动活塞15可以产生合适的推力压力。

为了描述的完整性，下面仅通过非限制性示例提供多个尺寸值。

柱塞21和活塞15的杆22的直径为45mm。

对于约360cc的有用的储存容积，柱塞21在储存容器或腔室10的缸体18内的冲程为250mm。

举例来说，需要指出的是，优选地，储存容器或腔室10构造成使得柱塞21和液压致动活塞15的相对孔径比在1：1和1：8之间。

根据操作步骤和操作储存要求，根据本发明的装置在4至270巴的压力下执行储存和释放反应型树脂的操作。

相反，液压致动活塞15具有125mm的孔，并且设置有线性位置传感器17(其发出4至20mA之间的信号)，该线性位置传感器由安装在液压控制单元31上的比例阀29或伺服阀控制，如图10所示。

液压致动活塞15由液压控制单元31供应，液压控制单元31提供压力油并将油流供应到由活塞15分开的缸体14的两个腔室33和34中。活塞15的运动由伺服阀29的控制，即具有双向位置控制、可变开口，滑块或滑动阀的液压分配器，该液压分配器借助于电磁控制系统或弹簧召回电动机在位置和速度控制阶段期间闭环控制活塞15的位置和/或速度来执行致动油的分配，而其他备用电磁阀26和35用于压力控制运动。

特别地，用于将旁通阀或再生阀26连接到缸体14的回路执行所述缸体的运动，其中腔室33和34在位置控制、速度控制和排出阶段期间在反应的树脂芯的全压下液压地断开。在压力调节备用阶段期间，在树脂初始地被注射至腔6中时，在填充该腔期间以及在补偿模具内部收缩的过程中在压力下供给树脂的受控供应期间，腔室33和34以所谓的再生模式液压地连接在一起。

由控制单元30控制的比例电控调压阀35调节用于在模具的腔6内注入反应型树脂并随后排出反应的树脂芯的压力，所有这些都是如图10的图所示。

设想的树脂的最大流量(在填充储存容器或腔室10期间)是10cc/s，相当于约6000cc/分钟的油。

在储存期间，高压不用于操作油，而是在注射以及随后的收缩期间，通过阀35以大约5-10cc/分钟的流量对操作油施加约50巴的压力(因此几乎静态地执行计量)，腔室33和34通过阀26彼此流体连通。

利用这种在下文称为“再生模式(regenerat ive mode)”的操作模式，可以精确地调节腔室16内的树脂存储的最终阶段和流入模具的树脂释放期间的压力。

我们现在将考虑工业方法，其中根据本发明，可以使用上述装置1。

通常，在HPRTM工艺期间，当由纤维留下的模具2的腔部分6由通过模具2的入口8流出混合头9的出口13的树脂填充并压实，终止流体反应型树脂的注射，如图4所示。

在达到极限压力(通常在30和100巴或更高之间)时确定注射结束，该极限压力由操作者根据他/她的经验设定或基于根据要制造的部件的配置预定义的实验数据计算。

当混合注射头9的出口13关闭时，存在于腔6中的流体反应型树脂停止在纤维之间流动，并且不久之后化学反应开始。

反应型树脂在加热时密度减小，但在注射结束后不久，聚合物链的逐渐形成导致密度增加，由于现已关闭的系统内部的质量保持，这导致腔6内的树脂体积减少。

如果由于化学反应导致体积的这种显著收缩不能被同时添加新的反应型树脂所抵消，那么该零件将会变形，或者至少对零件的外观产生负面影响的至少一些表面不规则，特别是织物的形式的表面纤维的外观，因为在纬纱和经纱之间的每个交叉处，单独存在少量树脂，这加剧了由于收缩引起的变形。

然而，体积收缩是一种相对缓慢的现象，其持续几十秒到几百秒并且与注射的反应型树脂的体积成比例，占其3-6％，这取决于所使用的树脂的化学性质。

重要的是要注意，鉴于反应的缓慢性质，使用相同的混合头9注射抵消收缩所需的反应型树脂是不可能的，因为所需的流量很小并且在每秒十分之一克的范围内，这远小于可以进行分配和混合过程的最小流速。

借助于本发明的特殊特征，可以解决该技术问题并将预定量的反应型树脂储存在储存容器或腔室10内，使其保持流体状态直至其可以使用的时刻，如图5所示。

就在注射阶段结束之前，将流体反应型树脂混合并储存在储存容器10内，以在该储备树脂开始反应之前具有尽可能长的时间间隔。在这方面还明显的是将储存容器或腔室10定位成尽可能靠近模具2的入口8上游的注射头9的出口13的特殊特征。

储存容器或腔室10的体积能够补偿为给定部件设想的最大收缩，并且配置有由操作的排出柱塞穿过的圆柱形延伸部，以当聚合和硬化时能够排出储备树脂。

从该储存容器或腔室10中，储存的反应型树脂在受控压力下以几乎静态的方式被推向模具2的腔6，允许收缩以确定何时需要树脂，如图6所示。

在用于收缩补偿的受控压力供给周期结束时，留在储存装置内的任何剩余树脂量可在模具内零件聚合所需的时间内聚合和硬化。为了排出聚合树脂，储存容器或腔室10中的柱塞21必须能够施加相当大的压力和将反应的树脂从壁上分离的相应力，以将其刮掉并排出到外部。

在这种情况下，致动活塞15在腔室33和34彼此液压地断开并且由阀35调节的高操作压力(高达200巴或更高)的情况下操作，阀35调节其排出反应型树脂芯体所需的压力值。

如果需要，可以安装多个储存容器或腔室，以防止在一个点储存过量的树脂，这也可能引发局部聚合反应并且由于内源性热量的产生而以不可控制的方式加速聚合反应。事实上，由于树脂容纳在密闭容器内的事实，反应型树脂温度的过度升高可能导致燃烧和/或碳化。

在一种情况下，通过储存容器或腔室10具有相对小的体积并且设置有温度调节套筒20或者通过采用旨在分割储存的活性树脂的储备量的若干储存容器或腔室的事实来避免这种潜在的危险。

现在，特别参考图10，图10是受到电子控制单元30控制的液压控制单元31的示意图，该液压控制单元31旨在调节致动器25并因此调节储存容器或腔室10，描述了计量反应型树脂的储备量的方法。

通过在高压混合头9内混合反应型树脂的组分开始注射成型周期，随后通过混合头9的出口13和所述模具的入口8将反应型树脂注入模具2的腔6内。

在周期开始时，储存容器或腔室10完全是空的并且处于关闭位置，其中柱塞21朝向入口11充分地延伸，如图4所示。

有利的是，在模具内部开始注射反应型树脂时，不储存树脂，以不吸收在模具内部自由流动并进入纤维的树脂供应，而没有任何特定的流体动力阻力。此外，不希望在注射步骤开始时储存反应型树脂，因为它可能不必要地提前开始反应。

因此，柱塞21保持在受控压力下，防止反应型树脂不合需要的通过开口11进入储存容器或腔室10内。

液压致动器25内的油的压力必须足以在初始注射阶段期间抵消模具2内的压力，由此其值可以被确定为位于柱塞21的推力面上，例如高达50巴。因此，使用通过形成再生回路的一部分的压力控制阀35和连接腔室33和34预设的推力来改善用于抵消树脂推力的压力的调节设置。

套管20的温度必须使树脂保持足够热，但不能激化其硬化，例如在50℃至110℃之间，优选在80℃至100℃之间。

一旦开始注射，电子控制单元30计算注射的反应型树脂的量，并且根据从先前的实验数据获得的进入数据启动液压控制单元31，以允许储备树脂储存在容器10的腔室16内。仅当需要预定百分比量的树脂来填充模具2时或仅当在模具内达到一定压力时，该步骤才被启动，目的是在腔室16内储存预定量的树脂。

杆22的整个运动受到致动器25的运动的影响。

通过相应的可编程PLC与控制单元30相关联的自动程序使用位置传感器17的反馈来管理致动活塞15的受控位移速度和位移位置。

在该阶段期间，不应对柱塞21的表面施加主要压力，并且储存容器或腔室10应该仅在以收缩速度(即以执行储存的速率)驱动的伺服阀29的作用下抵消模具内的压力。

在腔室33和34彼此液压地断开的情况下进行储存，并且例如以受控速度(例如5cc/s)根据控制单元30中设定的值进行储存，直至到达由操作者设定或由控制单元根据树脂的注射参数和特性计算的储存量。

如果例如需要进一步降低注入模具的速率并保持模具入口处的反压较低，则可以随时间增加速度。因此，该压力是由于纤维中反应型树脂的流动阻力而在注射口8处形成的压力。

一旦达到模具内部注射结束所需的压力并且已经完成预定用于实际接近模具填充的流体反应型树脂的存储量，则关闭混合注射头9的出口13并开始聚合阶段。

因此，单元30的控制信号使致动器25能够通过液压控制单元31和比例阀29驱动，从而以高精度移动致动活塞15以及因此移动储存容器或腔室10的柱塞21。

接下来，储存容器10的柱塞21在腔室16内停止移动，并且控制单元30从位置控制切换到压力控制。

在该阶段期间，启动相关的旁路阀或再生阀26，从而以与储存容器或腔室10的缸体18内的反应型树脂相同的压力供应油；否则，由于缸体14和18的活塞的相对孔径比，在低压下进行储存的受控分配将更加困难。

旁通阀或再生阀26是如果启动则使液压致动活塞15的两个腔室33、34连通的阀。以这种方式启动再生配置。

如果两个腔室33、34流体连通，则油压作用在致动活塞15的混合注射头的两侧上，结果是液压仅施加在与杆22的表面积相等的表面积上；以这种方式，对于相同的油流量，向前运动更快。

在我们的情况下，再生配置中的腔室33和34之间的流体旁路导致在比没有再生的情况下所需的油压更高的油压下操作，以在所储存的反应型树脂中保持相同的压力，从而允许控制单元31的压力调节阀35更好地工作。

在该再生配置和模式中，通过比例阀29的“完全向前”操作在最大约50巴的稳定压力下控制杆22以产生推力。测试数据表明这是最佳值。

几乎静态的受控推力注射阶段持续长达几分钟(从试验中也获得最佳值)并且在任何情况下在树脂交联时间之前终止。

储存装置操作以在再生模式下在储存容器或腔室10的柱塞21上保持一定的压力，从而在通过阀35设定的所需压力下(通常在注射结束压力下并且在任何情况下在不高于模具设计压力的压力下)将所述储备反应型树脂推入到模具2中。

在该压力下，储存容器或腔室10将提供在每种情况下所需的反应型树脂，随着模具内的聚合树脂的收缩产生空体积。

在释放储存的反应型树脂的过程结束时，接下来，仍然存在于储存腔室16内的树脂将开始硬化，并且必须在打开模具后从储存容器或腔室10中排出。

在交联时间结束时或之后几分钟，可以升高加热储存容器或腔室10的套管20的油的温度，以在待制造的部件的成型周期结束时促进储存容器或腔室10内残留树脂的交联。

该温度也可以与模具的温度一致，该温度可以增加10℃。这是必要的，以当模具2内的零件已经准备好提取时，不必等待留在储存容器或腔室10内的树脂的交联。

在打开模具2之前，必须消除柱塞21的杆上的推力，阀关闭。

控制电路设置为使得腔室33和34通过阀26断开。

杆22保持在其当时所在的位置。

一旦模具2打开，套筒20内的油的温度就降低到控制阶段之前预设的温度，即80℃到100℃之间的温度。

一旦模具2打开并且检查了储存容器或腔室10的入口/出口11的正确位置，操作者就开始周期以排出任何插塞39或现在已经硬化以及仍然卡在开口11内的残留的反应型树脂芯体(图8中可见)。

如果整个过程已经正确地执行，插塞39可以非常短，或者如果程序已经被中断或甚至在紧急情况下突然停止，则可以更长，甚至可以长至柱塞21的整个冲程。

再生阀或旁通阀26停用，然后通过比例阀35将油的压力设定为高值。在该阶段期间，油压也可达到150巴，并且杆22开始以低速前进，直到硬化树脂的插塞39被排出。

在排出硬化树脂的残留插塞39期间，在周期结束时，在分离活塞时可能存在高达200巴的液压，但速度非常低。

最后，操作柱塞21，以通过由阀35设定的压力在活塞15的整个表面上产生的力产生排出残留树脂的推力，但是通过伺服阀29控制其速度。

缸体18的柱塞21被完全向前推动，然后返回到冲程终点位置，即储存腔室16为空，准备好进行下一个周期。

从以上描述中可以清楚地看出，根据本发明的装置和方法如何解决技术问题并实现下面指出的许多优点。

借助于可编程电子单元30的控制系统将传感器17的位置信号转换成用于速度变化的信号(即位置随时间的变化)并且关闭速度和位置控制回路。

通过使用再生回路，使缸体14的腔室33和34彼此流体连通，可以在最终填充阶段期间和释放期间执行储存操作的压力控制，因为其启动了小的推力横截面。

然而，通过停用再生模式并使用全液压推力横截面，可以将滞留的卡在腔室16内的硬化树脂芯39排出。

借助于通过控制伺服阀29和两个阀(即压力控制阀35和限压阀，第一个阀设定为低以进行压力控制释放，而另一阀设定为高以排出残余插塞39)执行的位置控制，根据储备树脂的储存或释放，致动器25可以按照两种不同的模式有效地操作。

由于提供缸体型储存容器的特殊性，可以在比通过注射混合头9可获得的最小流速慢得多的流速下向模具2的腔6注射反应型树脂。

在注射即将结束时，当几乎所有纤维都被浸渍时，反应型树脂流过纤维的粘性摩擦的总数可能显著增加，并且如果反应型树脂的流速没有降低，则存在以下风险：纤维可能会被物理位移(“纤维冲洗(fiber flush)”)，结果会损失零件所需的机械和外观特性，如果重要的话。

如已经描述的那样，高压混合注射头9施加最小流量的限制，如果低于该最小流量，环氧树脂系统既不以最佳方式混合也不以最佳方式分配，因此不建议将流速降低到“纤维冲洗”限制以下。

通过适当地控制储存容器或腔室10的操作，可以使用两种模式以低于最小混合流速的流速将反应型树脂注射至模具内部：

第一种更直接的模式，包括储存过量的反应型树脂并随后通过简单地控制储存量将其注入；

第二种模式，包括通过从注射阶段抽出流来填充储存容器或腔室10，使得以正确操作所需的最慢可能速率执行混合，并且使得例如最小流的20％至90％被吸收作为储存流，从而避免纤维移位。

通过适当地控制储存容器或腔室10的操作，可以保持尽可能低的反应型树脂的总流速(例如10g/s)，这对于通过由喷射机(jets)诱发的湍流获得混合是必不可少的。然而，通过使树脂被储存装置抽出(例如以8g/s的速率)，可以以不会引起纤维位移的流速注射反应型树脂，因此将通过纤维的流速降低到仅2g/s。

显然，只要储存容器或腔室10没有完全充满就可以实现这些模式，此时必须停止注射。

因此，储存流量可以根据需要随时间变化。

Claims (16)

1.一种用于精确和可控地调节反应注射成型工艺的装置，其中，通过供应入口(8)和通过混合注射头(9)向密封的模具(2)供应流体反应型树脂，以用所述反应型树脂浸渍装载在所述模具(2)的腔(6)内的复合材料纤维，其中，提供至少一个储存容器(10)，所述储存容器(10)具有与所述注射头(9)的出口(13)流体连通的入口开口/出口开口(11)，以在注射阶段完成之前将预定量的残留树脂储存在储存腔室(16)内；

其特征在于，所述储存容器(10)是自清洁的，并且设计成具有光滑内表面的高强度钢的缸体(18)，所述缸体(18)在其内部限定了储存腔室(16)，由致动器(25)操作的柱塞(21)可滑动地容纳在所述储存腔室(16)的内部，所述致动器(25)构造为由与电子控制单元(30)相关联的液压控制单元(31)驱动的气缸/活塞组件，所述致动器(25)被布置为所述缸体(18)的同轴延伸部分并且包括致动活塞(15)，所述致动活塞(15)具有与所述柱塞(21)的杆重合的杆(22)；

所述储存腔室(16)的缸体(18)的横截面与所述致动器(25)的缸体(14)的横截面彼此不同；

所述致动活塞(15)的冲程通过线性位置传感器(17)控制，所述线性位置传感器插入在所述致动活塞(15)和所述柱塞(21)的杆(22)内纵向延伸的腔内，所述杆(22)的所述腔还具有安装在其内部的压力传感器(27)。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述致动器包括旁通阀(26)，所述旁通阀能够被启动以在储存的树脂的受控分配期间使所述致动器(25)的缸体(14)的腔室(33，34)流体连通。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述缸体(18)设置有温度调节套筒(20)，所述温度调节套筒以预定游隙围绕所述缸体(18)的外表面从而限定空隙(38)，流体在所述空隙内在预定温度下流通，以控制和调节所述储存容器(10)内的温度。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述储存腔室(16)具有长形形状以及合适的密封垫圈，所述长形形状限定了所述柱塞(21)的直径的五到十倍的冲程，所述柱塞(21)在所述高强度钢的缸体内部以预定游隙滑动。

5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述液压控制单元(31)还包括比例控制压力调节阀(35)，所述比例控制压力调节阀在所储存的树脂的受控分配期间和在注射的初始阶段期间作为压力储存安全元件被启动，防止了注射的树脂压力的过度增加。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述致动活塞(15)的推力面和所述柱塞(21)的推力面之间存在预定的尺寸比率，并且所述尺寸比率的值在从至少4到至少25的范围内。

7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述储存容器(10)构造成使得所述柱塞(21)和所述致动活塞(15)的相对孔径比在1：1至1：8的范围内。

8.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述气缸/活塞组件是液压式的。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述储存容器(10)的缸体(18)的孔和所述气缸/活塞致动器(25)的缸体(14)的孔的相对尺寸比在1：2和1：8之间，使得所述致动活塞(15)产生适于排出已经反应的树脂的推力。

10.一种用于精确和可控地调节反应注射成型工艺的方法，其中，至少一个密封的模具(2)在高压下通过供应入口(8)和通过混合注射头(9)供应混合流体树脂，以用所述树脂浸渍装载在所述模具(2)的腔(6)内的复合材料纤维，其中，提供至少一个储存容器(10)，所述储存容器具有与所述混合注射头(9)的出口(13)流体连通的入口开口/出口开口，以在注射阶段完成之前储存预定量的残余反应型树脂；

其特征在于，所述方法包括以下步骤：

-当注射阶段接近填满所述模具(2)时，启动所述储存容器(10)或腔室中的反应型树脂的储存，打开所述入口开口/出口开口(11)；

-将所述入口开口/出口开口(11)与具有光滑内表面的高强度钢的缸体(18)的储存腔室(16)流体连通，由致动器(25)操作的自清洁型柱塞(21)能够在所述储存腔室内滑动；

-同时保持所述储存腔室(16)的温度调节；

-当所述储存腔室(16)内达到对抗所述柱塞(21)的作用的预定体积的反应型树脂时，中断来自所述混合注射头(9)的出口(13)的流体反应型树脂流；

-通过所述入口(8)并通过精细控制的注射，将至少一部分所述预定量的储存的反应型树脂释放到所述模具(2)中，以补偿注射的树脂的部分收缩；

-所述储存的反应型树脂的释放通过所述柱塞(21)在受控压力下进行，所述柱塞(21)受到驱动液压控制单元(31)的控制单元(30)的控制；以及

其中，所述柱塞(21)受到用于执行其移位的致动器(25)控制，所述致动器在树脂储存阶段期间和储存树脂释放阶段期间都是活跃的；通过具有速度或流量反馈的闭环或者所述柱塞(21)的位置或体积反馈的闭环来控制所述反应型树脂的储存。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述致动器(25)包括受到所述控制单元(30)控制的流体操作的气缸/活塞组件(14，15)；所述气缸/活塞组件的腔室(33，34)能够在再生构造中在树脂释放期间通过旁通阀(26)彼此流体连通连接。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，在新的注射成型周期开始之前储存和聚合的任何树脂通过所述致动器(25)的用于操作所述柱塞(21)的高压操作被排出和处理，其中所述腔室(33，34)是液压断开的。

13.根据权利要求10所述的方法，其中，所述储存腔室的温度调节通过套筒(20)实现，所述套筒围绕所述缸体(18)并限定空隙(38)，所述空隙通过连接到油分配回路的所述入口开口和出口开口(36，37)访问，所述油分配回路允许在所述空隙(38)内的预定温度下供应和排出油。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述储存腔室的温度调节在80℃至100℃的温度范围内进行。

15.根据权利要求11所述的方法，其中，所述液压控制单元(31)设置有旁通阀(26)，所述旁通阀使所述气缸/活塞组件(14，15)的所述腔室(33，34)在初始注入反应型树脂期间和通过操作比例控制压力调节阀(35)启动的储存树脂的受控分配期间彼此流体连通。

16.根据权利要求10所述的方法，其中，所述液压控制单元(31)设有伺服辅助阀或比例控制阀，以用于将油供应到所述致动器(25)的所述腔室(33，34)中，以独立地执行受控体积和流量的流体树脂的储存以及反应的树脂的排出或通过所述腔室(33，34)的旁路连接实现储存的反应型树脂的受控压力流出。

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