CN110171102B - 一种汽车零件样品快速成型工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种汽车零件样品快速成型工艺，属于汽车零件开发的技术领域。本发明的汽车零件样品快速成型工艺采用木质模具，设置有由电加热单元构成的加热型腔的加热机构，所述电加热单元由填充在上模上的加热槽内的电加热棒组成，并且所述模具内不含加热管道。成型工艺过程中升温主要集中于型腔，有利于提高产品质量，低成本地实现了车型零件样品的快速开发以及验证，相比于现有的加热和冷却方式能够节能约80％。
Description
技术领域
本发明涉及汽车零件开发的技术领域，更具体地说，本发明涉及一种汽车零件样品快速成型工艺。
背景技术
节能减排是汽车技术发展的主要目标之一，目前新能源汽车是实现节能减排目标的主要技术发展方向也是各国政府所重点关注的对象，但是由于成本的制约以及技术的不成熟，当前新能源汽车的推广应用较为缓慢。在这种现实状况下，汽车轻量化是节能减排最现实的选择，汽车轻量化是在保证车身的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车车身质量，同时要保证汽车车身的制造成本在合理范围内。实验已经证明如果汽车整体重量下降10％，燃油效率可以提高6～10％，而汽车重量每降低1％，油耗可降低约0.7％，相应地，碳排放可降低 0.3～0.5％。
欧盟已经批准了一项降低CO2排放的协议，到2020年欧盟地区新车单位里程二氧化碳排放都必须控制在每公里95克的水平。如果按照燃烧-排放计算，该排放水平大约对应百公里油耗4L。为了应对逐渐严苛的政府节能减排政策，汽车的轻量化已经成为车企解决排放问题的重要途径。
复合材料自20世纪60年代开始应用于汽车，其在汽车上的应用主要分为装饰件、结构件和功能件。复合材料以其质量轻、强度高的特点，具有质量轻、集成化、制造工艺简单的三大优点，成为汽车轻量化的主要发展方向。以往汽车零件的开发设计通常采用长寿命的金属模具，但其不仅成本较高，而且当前汽车的外观车型更新换代迅速，而车型的设计开发要伴随多种结构件和功能件样品的设计、开发，并且每个样品的开发需要多次调整模具，从而不仅导致开发成本高、并且导致研发周期大大延长。为此，现有技术中也尝试利用树脂模具、木质模具等，但由于现有的木制模具采用传统的流道加热系统不仅制作工艺复杂，控制操作复杂，而且耗能大，另外木制模具不耐热，采用管道加热和冷却系统，在工作中容易导致模具变形，使用寿命很短，并且能耗高。
发明内容
针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种汽车零件样品快速成型工艺。
为了实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种汽车零件样品快速成型工艺。
本发明的汽车零件样品快速成型工艺，提供一种包括注入模块、成型模块和控制模块组成的快速成型系统，所述成型模块包括注射成型机和设置在注射成型机中的模具；所述注入模块用于给所述注射成型机的喷嘴提供混合料液；所述混合料液通过注射成型机的喷嘴注入模具的型腔中，并通过所述控制模块控制加热固化得到所述汽车零件样品；其特征在于：所述模具为由上模和下模组成的木质模具，所述上模上开设有主浇道；所述上模的下表面板上形成有上型腔面，所述下模的上表面板上形成有下型腔面；所述模具内设置有由电加热单元构成的加热型腔的加热机构，所述电加热单元由填充在上模上的加热槽内的电加热棒组成，并且所述模具内不含加热管道。
其中，所述加热机构设置在上模上，并且所述上模上还设置有温度传感器；锁模后控制模块控制所述加热机构加热型腔，并使得温度传感器的测量值达到并保持预设温度值，然后在型腔中通过注射成型机喷嘴注射混合料液；达到第一预设时间值后控制模块关闭所述加热机构，达到第二预设时间时停止注入混合料液；待所述温度传感器的测量值达到预设的开模温度值后，打开模具，并取出汽车零件样品。
其中，所述木质模具内不含有水冷机构。
其中，所述加热机构包括第一电加热单元和第二电加热单元。所述第二电加热单元设置在靠近主浇道的中心区域；所述第一电加热单元设置在所述中心区域以外的外围区域。所述上模上设置有第一温度传感器和第二温度传感器，其中第一温度传感器设置在外围区域，第二温度传感器设置在中心区域。
其中，所述控制模块通过控制所述第一电加热单元加热所述型腔，并使得第一温度传感器的测量值达到第一预设温度值，然后在型腔中通过注射成型机喷嘴注射混合料液；达到第一时间值后控制模块关闭第一电加热单元，并开启第二电加热单元加热型腔，并使得第二温度传感器的测量值达到第二预设温度值时关闭所述第二电加热单元，达到第二时间后停止注入混合料液；待所述第一温度传感器和第二温度传感器的测量值达到预设的开模温度值后，打开模具，并取出汽车零件样品。
本发明的第二方面还提供了一种汽车零件样品快速成型系统，其包括注入模块、成型模块和控制模块；
所述注入模块包括储料罐、流量计和混合泵；
所述成型模块包括注射成型机和设置在注射成型机中的模具；所述模具为木质模具并且包括上模和下模，上模和下模闭合时形成用于注射成型的型腔；所述上模上开设有从上表面板延伸至下表面板的主浇道；所述上模的下表面板上形成有上型腔面，所述上模上还设置有用于加热型腔且由电加热单元组成的加热机构，所述电加热单元由填充在上模上的加热槽内的电加热棒组成，所述上模上还设置有温度传感器；所述下模的上表面板上形成有上型腔面；
所述控制模块包括微处理器，其通过采集、分析设置在木质模具上的温度传感器传输的温度信号来生成用于控制加热机构的控制信号。
其中，所述加热机构包括第一电加热单元和第二电加热单元。所述第二电加热单元设置在靠近主浇道的中心区域；所述第一电加热单元设置在所述中心区域以外的外围区域。所述上模上设置有第一温度传感器和第二温度传感器，其中第一温度传感器设置在外围区域，第二温度传感器设置在中心区域。
与现有技术相比，本发明的汽车零件样品快速成型工艺具有以下有益效果：
本发明的汽车零件样品快速成型工艺采用了木质模具不仅显著降低了成本，而且改进了木质模具的加热结构和加热工艺，使得升温过程主要集中于型腔附近区域，而不进行模具整体的加热，可以省略水冷机构，相比于现有的加热方式能够节能约80％，能够低成本地实现车型的快速开发以及验证。
附图说明
图1为本发明的工艺采用的快速成型系统的结构示意图。
图2为木质模具的上模采用的加热结构的示意图。
图3为木质模具的上模下表面板的加热棒的分布示意图。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明的汽车零件样品快速成型工艺做进一步的阐述，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
为了实现车型的快速开发以及验证，并且提供一种低成本，快速组装建模的工艺技术。本发明提供了一种汽车零件样品快速成型工艺及其系统，在该工艺及系统中，采用木质模具，并且无需采用水热管、油热管以及水冷部件，且采用的木质模具可由车型开发部门或厂家自行制作，不需要模具厂家加工，具有成本低且零件样品开发速度快，而且对于车型开发而言，具有相匹配的使用寿命。
本发明提供了一种汽车零件样品快速成型工艺，提供一种包括注入模块、成型模块和控制模块组成的快速成型系统，所述成型模块包括注射成型机和设置在注射成型机中的模具；所述注入模块用于给所述注射成型机的喷嘴提供混合料液；所述混合料液通过注射成型机的喷嘴注入模具的型腔中，并通过所述控制模块控制加热固化得到所述汽车零件样品。所述模具为由上模和下模组成的木质模具，并且所述模具内设置有加热型腔的加热机构，所述电加热单元由填充在上模上的加热槽内的电加热棒组成，并且所述模具内不含加热管道以及水冷机构。所述上模上开设有主浇道；所述上模的下表面板上形成有上型腔面，所述下模的上表面板上形成有下型腔面；所述加热机构设置在上模上，并且所述上模上还设置有温度传感器；所述控制模块控制所述加热机构加热型腔，并使得温度传感器的测量值达到并保持预设温度值，然后在型腔中通过注射成型机喷嘴注射混合料液；达到第一预设时间值后控制模块关闭所述加热机构，达到第二预设时间时停止注入混合料液；待所述温度传感器的测量值达到预设的开模温度值后，打开模具，并取出汽车零件样品。
进一步优选地，所述加热机构包括第一电加热单元和第二电加热单元。所述第二电加热单元设置在靠近主浇道的中心区域；所述第一电加热单元设置在所述中心区域以外的外围区域。所述上模上设置有第一温度传感器和第二温度传感器，其中第一温度传感器设置在外围区域，第二温度传感器设置在中心区域。所述控制模块通过控制所述第一电加热单元加热所述型腔，并使得第一温度传感器的测量值达到第一预设温度值，然后在型腔中通过注射成型机喷嘴注射混合料液；达到第一时间值后控制模块关闭第一电加热单元，并开启第二电加热单元加热型腔，并使得第二温度传感器的测量值达到第二预设温度值时关闭所述第二电加热单元，达到第二时间后停止注入混合料液；待所述第一温度传感器和第二温度传感器的测量值达到预设的开模温度值后，打开模具，并取出汽车零件样品。
本发明还提供了一种汽车零件样品快速成型系统，提供一种包括注入模块、成型模块和控制模块组成的快速成型系统，所述成型模块包括注射成型机和设置在注射成型机中的模具；所述注入模块包括储料罐、流量计和混合泵；所述模具为木质模具并且包括上模和下模，上模和下模闭合时形成用于注射成型的型腔；所述上模上开设有从上表面板延伸至下表面板的主浇道；所述上模的下表面板上形成有上型腔面，所述上模上还设置有用于加热型腔且由电加热单元组成的加热机构，所述电加热单元由填充在上模上的加热槽内的电加热棒组成，所述上模上还设置有温度传感器；所述下模的上表面板上形成有上型腔面；所述控制模块包括微处理器，其通过采集、分析设置在木质模具上的温度传感器传输的温度信号来生成用于控制加热机构的控制信号。
作为优选地，所述加热机构包括第一电加热单元和第二电加热单元。所述第二电加热单元设置在靠近主浇道的中心区域；所述第一电加热单元设置在所述中心区域以外的外围区域。所述上模上设置有第一温度传感器和第二温度传感器，其中第一温度传感器设置在外围区域，第二温度传感器设置在中心区域。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种汽车零件样品快速成型系统，其主要包括注入模块10、成型模块20和控制模块50组成。成型模块20包括注射成型机和设置在注射成型机中的木质模具30。所述木质模具30包括上模31和下模32，上模31和下模32闭合时可以形成用于注射成型的型腔33。注射成型时所述型腔33内可预先设置有增强的芯材从而可以通过注射热固性树脂形成三明治的增强结构。所述注射成型机设置有控制木质模具30开模或锁模的控制机构，例如可以在下模32的下方设置控制机构来控制下模32与所述上模31闭合(锁模)或分离(开模)。
注入模块10包括储料罐11、流量计12和混合泵13等。根据树脂的种类和工艺要求，储料罐11通常设置为2个，当然根据工艺需要还可以设置一些单独的储料罐，例如用于存储填料、添加剂等。以环氧树脂为例，在图1中示出了储存A料和B料的两个储料罐11，储料罐11内可设置有搅拌、加热装置，储料罐11可采用压力容器，例如可以将储料罐11中的A 料和B料控制在稳定适合的温度和压力(以控制原料合适的粘度、反应活性等)，例如一般地根据A料和B料的组分含量，例如一般可以控制在25～50℃(温度控制精度为±1℃的水平)，压力0.1～0.3MPa。流量计12(例如流量泵)可以计量并控制成型工艺所需的各原料的量，流量计12可以根据控制模块50通过采集成型工艺中的各参数(例如压力等)来控制A 料和B料的流量并将控制值发送给相应的流量计(流量泵，计量精度控制在±1％)。A料和 B料经过流量计(例如流量泵)泵送至混合泵13中得到混合料液，然后将其与成型模块20 中的注射成型机喷嘴(图中未示出)连接在木质模具30中进行注射成型(注射压力一般控制在3.5～10.5MPa)，注射成型时根据环氧树脂的种类，一般可以型腔的温度一般控制在75℃～125℃。
本实施例的快速成型系统与现有技术的主要特征在于采用了木质模具30，所述木质模具的上模中设置有加热机构，所述加热机构为用于加热型腔的电加热单元组成。所述加热机构不包含加热管道。具体来说，所述上模31上开设有从上表面板延伸至下表面板的主浇道34。如图2所示，所述上模31的下表面板上设置有加热槽，所述加热槽内填充有电加热棒35。下模32内部设置有压力传感器37，作为优选地，所述压力传感器55埋设在下模32的上表面板(下型腔面)附近。在所述上模31的下表面板上还设置有温度传感器56，温度传感器 56可邻近型腔设置，所述温度传感器可以为1个或2个以上。在本发明中，所述木质模具可由加工的多层木质板材叠合而成，多层木质板材之间可通过螺栓和螺母连接固定，或者可通过粘合剂粘合而成。采用龙门加工机根据设计的结构雕刻出型腔的上型腔面和下型腔面，在上模上加工有从上表面板连通至上型腔面上的主浇道，而下模上表面板上加工有导流槽。在本实施例中，作为优选地，下型腔面上还可以设置有隔热涂覆层。通过设置隔热涂覆层能够进一步防止热量向下模传递，使得热量主要集中于型腔以及上模中设置加热机构的区域，如此不仅能够减少热损失，同时也防止了模具整体升温而导致的冷却过程缓慢，或者需要额外施加水冷机构的问题。在现有技术中，由于在下模中设置水冷机构，因而通常并不会在下型腔面上设置隔热涂覆层。在本实施例中，所述隔热涂覆层可以为无机隔热层，或者为有机- 无机杂化隔热层，由于设置无机隔热层通常需要在较高的温度下进行固化，因而在本实例中进一步优选有机-无机杂化隔热涂覆层，当设置的隔热涂覆层的厚度达0.2mm以上，例如0.2～0.5mm的厚度就可以使得型腔与下模实现良好的隔热，例如在固化阶段可以使得下模上的隔热涂覆层的温度与距离该隔热涂覆层1cm处的温度差达到10℃，甚至15℃以上。作为优选地，所述有机-无机杂化隔热涂覆层由二氧化硅底层和所述底层上的二氧化硅杂化层组成，所述二氧化硅底层的厚度可以为0.05～0.10mm。所述二氧化硅底层可由硅溶胶、硅酸甲酯或硅烷乙酯等通过涂覆(喷涂、刷涂等)并固化得到，固化可在室温或者采用30～50℃的温度加热固化。所述二氧化硅杂化层由5～12wt％的苯基三甲氧基硅烷、3～8wt％的乙烯基三甲氧基硅烷、5.0～15.0wt％的异氰尿酸三缩水甘油酯、0.1～1.0wt％的环烷酸锌、12～35wt％的无机粉末，以及余量的溶剂组成的组合物通过在二氧化硅底层上涂覆并固化得到。所述溶剂可以为醇和水的混合物，例如可以为含乙醇50％的水溶液作为溶剂。所述无机粉末选自二氧化硅、二氧化钛、氧化镁、氧化钡、镁铝尖晶石、陶瓷微粉等，所述无机粉末的粒径为0.1μm～10μm。涂覆后的固化温度可以为30～80℃，固化时间为15～60min，形成的有机-无机杂化隔热涂覆层与下型腔面的附着力优异，划格实验表明其附着力能达到0级而且隔热性能优异，在厚度为 0.4mm(二氧化硅底层为0.1mm)时下模上的隔热涂覆层的温度与距离该隔热涂覆层1cm处的温度差可达20℃以上(例如型腔上隔热涂覆层处的热点偶温度高达120℃时，距离该隔热涂覆层1cm处的温度低于100℃)。
控制模块50包括微处理器(例如具有快速信号处理能力的ARM CPU处理器)，其通过采集、分析设置在木质模具上的温度传感器56传输的温度信号52以及压力传感器55传输的压力信号54来生成用于控制A料和B料的流量信号51以及用于控制电加热棒35的控制信号(电压或功率等)53。在ARM CPU处理器中可集成有BP神经网络模型，使得所述控制模块具有自学习能力。在成型工艺中，将包覆材料(强化纤维或强化纤维包覆的芯材)按照工艺要求放入木质模具的型腔中进行环氧树脂注射，并调整注射工艺参数。注射完成后，进入固化成型阶段，通过上模中的加热机构对环氧树脂进行固化，由感应器对型腔温度进行测量。根据树脂固化的过程对温度的需求曲线，通过判定进行温度控制调整。另外，控制模块 50还可以根据压力调整在本发明中，所述微处理器、感应器以及BP神经网络模型、以及锁模和闭模的控制机构等技术均属于本领域的现有技术，在此不再赘述。
在本实施例中，作为优选地，如图3所示，加热机构包括第一电加热单元352和第二电加热单元351。所述第二电加热单元351设置在靠近主浇道34的中心区域A；所述第一电加热单元352设置在所述中心区域A以外的外围区域B。以所述上型腔面的中心至外围边界长度和宽度60％的距离所围成的矩形区域定义为中心区域A；以所述上型腔面的中心区域A以外的区域定义为外围区域B。相应地，所述温度传感器也包括2个，其中第一温度传感器设置在外围区域B，第二温度传感器设置在中心区域A。控制模块50通过控制所述第一电加热单元352加热所述木质模具型腔(第二电加热单元关闭)，并使得第一温度传感器的测量值达到第一预设温度值，然后在型腔中通过注射成型机喷嘴注射混合料液；达到第一时间值后控制模块50关闭第一电加热单元352，并通过控制第二电加热单元351加热型腔，并使得第二温度传感器的测量值达到第二预设温度值时关闭所述第二电加热单元，达到第二时间后停止注入混合料液；待所述第一温度传感器和第二温度传感器的测量值达到预设的开模温度值后，打开模具，并取出汽车零件样品。本发明的优选地成型工艺中分为两个阶段，第一阶段通过第一电加热单元对外围区域进行加热来使得固化首先在外围区域进行，可以使得树脂在型腔的外围区域初凝并固化，而中间区域通过第一电加热单元的影响以及凝固放热可以进行预热，但温度低于外围区域并且由于不断注射补充的混合料液而使得温度低于固化温度，最后在关闭第一电加热单元后开启第二电加热单元达到第二预设温度值，如此不仅可以实现型腔由外围到中心的逐渐固化过程，并且也可以使得在中心固化时外围区域即进行充分散热，从而可以使得本发明的木质模具无需冷却机构(例如水冷管道)等，不仅大大简化了模具结构，省略了冷却水机构，降低了能耗。在本实施例中，所述电加热棒包括碳芯和包覆在碳芯外围的导热胶，还设置有连接至碳芯的金属电极。所述导热胶为例如为由酚醛环氧树脂、酸酐固化剂以及作为填料的铝粉、氧化铝粉等组成的导热环氧树脂，填料中铝粉的含量例如可以为3.0～10.0wt％，氧化铝粉为55.0～70.0wt％，酸酐固化剂的含量为3.0～8.0wt％，余量为酚醛环氧树脂，得到的电加热棒具有1.5W·m-1·K-1以上的导热系数，并且耐热性好具有与木质板材相匹配的热膨胀系数，例如在50～130℃的温度范围，所述电加热棒的热膨胀系数为所述木质板材的1.2～2.5倍左右，如此既可以使得使用中的电加热棒紧固在加热槽内，同时也能避免电加热棒受热膨胀而导致木质板材开裂变形。
本实施例的快速成型工艺中，相比于现有技术中的水热管或油热管的整体式模具升温工艺而言，其温度集中于型腔的局部区域，对于模具温度影响较小，而且断电后温度下降速度快，无需配置专门的冷却机构(例如水冷结构)；而现有工艺普遍采用水热管或者油热管内置于模具内部通过对于模具的整体升温来加入器件，模具需要利用通入冷水来进行降温过程缓慢，现有工艺的能耗高，而且相应的控制系统结构复杂，根据我们的验证，对于相同的零件样品开发而言，能够较传统的采用水热管或者油热管的模具平均节能80％。工艺中的木质模具可在主机厂家自行制作，不需要模具厂家加工，较金属模具成本低，开发速度快，实现了车型的快速开发及验证。
对于本领域技术人员而言，实施例只是对本发明进行了示例性地描述，本发明的具体实现并不受上述示例性地实施例的限制，只要采用了本发明的权利要求所蕴含的技术构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的技术构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种汽车零件样品快速成型工艺，提供一种包括注入模块、成型模块和控制模块组成的快速成型系统，所述成型模块包括注射成型机和设置在注射成型机中的模具；所述注入模块用于给所述注射成型机的喷嘴提供混合料液；所述混合料液通过注射成型机的喷嘴注入模具的型腔中，并通过所述控制模块控制加热固化得到所述汽车零件样品；其特征在于：所述模具为由上模和下模组成的木质模具，所述上模上开设有主浇道；所述上模的下表面板上形成有上型腔面，所述下模的上表面板上形成有下型腔面；所述模具内设置有由电加热单元构成的加热型腔的加热机构，所述电加热单元由填充在上模上的加热槽内的电加热棒组成，并且所述模具内不含加热管道，所述加热机构设置在上模上，并且所述上模上还设置有温度传感器；锁模后控制模块控制所述加热机构加热型腔，并使得温度传感器的测量值达到并保持预设温度值，然后在型腔中通过注射成型机喷嘴注射混合料液；达到第一预设时间值后控制模块关闭所述加热机构，达到第二预设时间时停止注入混合料液；待所述温度传感器的测量值达到预设的开模温度值后，打开模具，并取出汽车零件样品，所述加热机构包括第一电加热单元和第二电加热单元；所述第二电加热单元设置在靠近主浇道的中心区域；所述第一电加热单元设置在所述中心区域以外的外围区域；所述上模上设置有第一温度传感器和第二温度传感器，其中第一温度传感器设置在外围区域，第二温度传感器设置在中心区域。
2.根据权利要求1所述的汽车零件样品快速成型工艺，其特征在于：所述木质模具内不含有水冷机构。
3.根据权利要求1所述的汽车零件样品快速成型工艺，其特征在于：所述控制模块通过控制所述第一电加热单元加热所述型腔，并使得第一温度传感器的测量值达到第一预设温度值，然后在型腔中通过注射成型机喷嘴注射混合料液；达到第一时间值后控制模块关闭第一电加热单元，并开启第二电加热单元加热型腔，并使得第二温度传感器的测量值达到第二预设温度值时关闭所述第二电加热单元，达到第二时间后停止注入混合料液；待所述第一温度传感器和第二温度传感器的测量值达到预设的开模温度值后，打开模具，并取出汽车零件样品。
4.根据权利要求1所述的汽车零件样品快速成型工艺，其特征在于：所述快速成型工艺用于热固性树脂复合材料汽车零件样品的成型。
5.根据权利要求1所述的汽车零件样品快速成型工艺，其特征在于：所述电加热棒包括碳芯和包覆在碳芯外围的导热胶。
6.根据权利要求1所述的汽车零件样品快速成型工艺，其特征在于：所述下模的上表面板上形成有厚度为0.2mm～0.5mm的隔热涂覆层。
7.一种汽车零件样品快速成型系统，包括注入模块、成型模块和控制模块；其特征在于：
所述注入模块包括储料罐、流量计和混合泵；
所述成型模块包括注射成型机和设置在注射成型机中的模具；所述模具为木质模具并且包括上模和下模，上模和下模闭合时形成用于注射成型的型腔；所述上模上开设有从上表面板延伸至下表面板的主浇道；所述上模的下表面板上形成有上型腔面，所述上模上还设置有用于加热型腔且由电加热单元组成的加热机构，所述加热机构包括第一电加热单元和第二电加热单元，所述第二电加热单元设置在靠近主浇道的中心区域；所述第一电加热单元设置在所述中心区域以外的外围区域；所述上模上设置有第一温度传感器和第二温度传感器，其中第一温度传感器设置在外围区域，第二温度传感器设置在中心区域，所述电加热单元由填充在上模上的加热槽内的电加热棒组成，所述上模上还设置有温度传感器；所述下模的上表面板上形成有上型腔面；
所述控制模块包括微处理器，其通过采集、分析设置在木质模具上的温度传感器传输的温度信号来生成用于控制加热机构的控制信号。
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