CN114438830B - 用于制造模制纤维产品的模具 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于制造模制纤维产品的模具。所述模具(10，11)包括通过增材制造制成的多孔产品表面(16)。所述产品表面(16)的至少一部分是层(17)的形式，而没有被限定的孔来形成未被限定的网格。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于制造模制纤维产品的模具，该模具包括通过增材制造制成的多孔产品表面。
背景技术
EP专利号EP3237680公开了一种以例如3D打印工艺这样的增材制造工艺生产的模具。这种增材制造工艺可以包括对具有平均尺寸为1-50微米、优选5-30微米的颗粒的粉末材料进行选择性烧结。在烧结过程中，粉末材料通过利用激光束添加能量而完全熔化。在增材制造过程中，为模具的壁提供多个小通孔以实现密集穿孔。因此，模具的产品表面是多孔的。
具有传统实心结构的模具制造费力。此外，部分产品表面会被过度穿孔或者通孔太大，但是另一方面通孔又容易被堵塞。被过度穿孔的产品表面会使最终的模制纤维产品变得粗糙，从而因为斑点(marking)而仅适用于低质量的产品。而且上述的已知模具通常仅用于作为纤维悬浮液或纤维浆料的纸浆，在此只是将模具浸入其中，并将纤维产品从水悬浮液吸到模具表面或者通过通道注入过量的水。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于制造模制纤维产品的新型模具，该模具比以前更通用，但制造更容易和更快速。根据本发明的模具包括通过增材制造制成的多孔产品表面，其特征在于，该产品表面的至少一部分是层的形式，而没有被限定的孔来形成未被限定的网格。模具的特性能够容易地改变并因此获得新的多孔结构和一些组合。此外，模具制造时间更短，从而节约了成本。而且，即使模具的形状可能很复杂，模具也能够具有良好的强度。
附图说明
下面参照附图来详细描述本发明，附图中示出了本发明的一些实施例，其中：
图1a示出了根据本发明的用于成型模制纤维产品的一对模具的横截面，
图1b示出了根据图1a的模具的局部放大视图，
图2a示出了根据本发明的模具的俯视图，
图2b示出了根据本发明的一组模具的俯视图，
图3a示出了根据本发明的用于热压模制纤维产品的一对模具的横截面，
图3b示出了用于热压模制纤维产品的另一对模具。
具体实施方式
模制纤维产品，也称为MFP，是由纤维素纤维制成。此类产品例如是一次性杯子或盘子。纤维素纤维首先分散在水中，然后成型、排水和干燥。制造模制纤维产品的一种具体方式是热成型。在成型之后，利用高温和高压压制产品，它们联合将产品中的水和湿气排出并蒸发掉。因此，不需要烘箱干燥，并且在制造之后即可准备好高质量、薄壁的产品。尺寸精度和刚性良好，产品表面光滑。
对于每个产品而言，成型、特别是压制需要两个模具，即，一个阴模和一个阳模。其中至少一个模具必须具有被穿孔的或其它方式的多孔产品表面用于排水。模具也被称为工具。产品表面是模具的外表面，其在制造过程中与产品接触并赋予产品最终形状。水、蒸汽和空气在成型和压制期间流经多孔产品表面。
图1a示出了根据本发明的一对模具。该模具用于制造模制纤维产品。图1a中的一对模具由上模具10和下模具11形成。这对模具用于成型模制纤维产品。因此，在模具之间存在用于供给纤维的通道12。在此，通道12位于下模具11中，下模具优选是静止的而上模具10可竖直移动。由此易于布置通道。在成型过程中，空气和水通过布置在模具11和10中的出口13排出。在此，一些出口可以用作特定的连接，其将吹气和真空相结合。在此，上模具10包括两个特定的连接部14，并且吹气通过具有虚线的箭头示出。通过吹气，刚成型的产品在成型后很容易从上模具上脱离。该特定的连接在下模具和上模具两者中都很有用。另一方面，该特定的连接还可以将纤维供应到由这对模具所限定的腔体15中，然后在成型过程中水通过相同的连接部流出。这确保了腔体的均匀填充。有一些供应通道在产品表面外部是可能的，其也使得整个产品表面都能够制成多孔结构。此外，出口13的距离和数量可以用于控制脱水效率。例如，产品的竖直壁可能需要比产品的水平底部更有效的脱水。侧壁和上拐角远离底部上的出口。因此，可以存在更多的出口。
如前所述，模具10或11包括通过增材制造制成的多孔产品表面16。根据本发明，产品表面16的至少一部分是没有被限定的孔的层17的形式。因此，该层的孔隙度小到足以在成型和压制过程中将空气和水从产品中排除，但仍将纤维保持在模具的产品表面上。换句话说，该多孔层能够使纤维与流体分离。这一点在使用泡沫时是很重要的，其中纤维、水和空气的混合物在两个模具之间被引导。在实践中，泡沫会携带用于成型的纤维。在泡沫成型技术中，使用水性泡沫代替水作为纤维基产品制造工艺中的载体介质。
根据本发明的多孔性不同于最接近的现有技术的多孔性。根据本发明，多孔层并没有被限定的孔，而先前教导的多孔是指从一侧到另一侧的通道或孔。根据本发明，穿孔通常用来描述穿过模具的一部分制成的、非常小的通道，例如仅穿过表面。另外还具有用于更大和更长的入口或出口通道的、限定的孔或通道，这些通道从模具的背部到达产品区域上的格栅(lattice)并仅在产品之间穿过模具。
在某些应用中，穿孔和多孔层的组合是有利的。例如，通过使模具具有不同的产品表面，可以比以前更容易和更多样化地调整产品特性。例如，多孔层是产品表面的主要部分，一些被限定的穿孔或通道可以用于特定的需求，例如入口或保持真空点。
可以是激光打印孔，但是它们会太大。换句话说，表面层的开放度(openness)会过大，并且纤维会被吸入制成的孔中。但是激光打印孔在会被切除的侧表面中、入口通道中、甚至在产品的背侧是可用的。令人惊讶的是，层17至少是半随机地通过增材制造制成的。半随机结构具有不受控制的几何结构(geometry)，没有通孔。因此，该层就像网格(mesh)一样对空气和水具有良好的孔隙度，但是对纤维仍具有良好的约束力。这确保了具有良好的成型和压制特性并具有低能量和良好的最终产品特性。层的特性由打印工艺中的各种参数决定，例如激光功率、激光速度、层高、扫描线距离以及整体(over all)扫描策略。此外，可以使用电子束。
有利地，层17由具有不同特性的几个部分18和19组成。通过这种方式，可以随心所欲地排水。例如，在模具的拐角处，层的孔隙度应该大于其它地方。现在可以使层不同。如图1b所示，层17的外表面16的一部分18在拐角处比在其它地方有更多孔。因此，水被排出更多，从而使得产品的该部分更致密。这使得有更多机会更精确地成型最终产品。通过更致密的部分，可以使产品更易弯曲，或者在一些其它产品中加强产品本身。
利用本发明，模具的制造相比以前花费更少的时间和精力。有利地，层17具有0.5-5mm的厚度。由此，代替整个模具地，产品表面的至少一部分以及有利地还有背衬结构是通过增材制造制成。这缩短了模具的制造并降低了成本。
此外，新的制造工艺提供了新的选项。例如，层17的厚度在模具的不同部分中可以是不均匀的。这可以通过增材制造容易地实现。在此，层有利地由金属3D打印而成。然后，可以根据需要容易地调整模具和最终产品的特性。
在实践中，层17具有20-40％的孔隙度。然后，空气和水会流出，而纤维会沉积在模具的产品表面上。孔隙度水平将容易地通过3D打印进行调整。换句话说，在模具的不同部分中可以存在不同的孔隙度水平。而且，层的流动阻力会随着层厚度而近似于线性地增加。例如，当厚度加倍时，流动阻力也加倍。而且，在层本身中的孔隙度水平可以是变化的。例如，层在这里由具有不同特性(例如孔隙度)的两个子层组成。这特别是在图1b中用两条虚线示出。可以存在两个以上的子层。
该层具有极好的特性，同时有利的是在模具10或11中存在用于支撑层17的支撑结构20。通过这种方式，层可以很薄，同时能够有效地排水。而且，即使是经过多次生产周期以及在压制过程中进行重压，支撑结构也将保持层的形状。
实际上，如图1a所示，支撑结构20包括实心(solid)基部21，该实心基部具有一个或多个用于流体的出口13。此外，支撑结构20包括在层17下方的、即在基部与层之间的三维格栅22。因此，像空气和水这样的流体首先流过层，然后通过格栅流向出口。如图1a所示，首先是实心支撑结构20，然后是支撑层17的格栅22。通过格栅，流体也将沿格栅中的横向方向和任何方向流动。因此，排水将是有效的并且有很好的指向性。有利地，在出口连接抽吸件来协助去除空气和水。格栅可以在模具内部变化。换句话说，可以根据模具中的负载需求来生成结构。
在图1b中，多孔表面层17是在支撑结构20的顶部上，在此是位于实心基部21顶部的格栅22上。替代地，该层可位于开口远离产品表面的至少部分大格栅上，该大格栅作为基部的一部分具有出口和/或通道。流体将穿过形成多孔产品表面的层和支撑格栅，该支撑格栅然后允许流体沿横向方向流动到出口。格栅在其侧面和底部是封闭的，以将流体引导至出口。格栅内部的通道在穿过模具的流动方向上更加开放。而且，格栅的支撑结构优选地沿加载方向或与加载方向成一定角度地布置。因此，格栅具有穿孔壁或带有弧和柱的网格结构。格栅是沿加载方向类似于网格的三维结构，其中在至少两个方向上布置有平行的网格。
图2a示出了从上方看到的一个下模具11。在此，产品是带有圆角的方形板。下模具11在此具有五个通道12，并且在图1b中以较小的黑点示出的多孔层17在此是以十字符号示出并具有光滑的、带有极小颗粒度的金属表面或网格。实际上，模具的外表面看起来像是没有明显孔洞的网格。
图2b示出了一组模具，其中模具并排设置并且附接到框架(未示出)。通过这种方式，可以同时制造二十四个产品。模具的数量根据产品尺寸而改变。在成型和压制之后，产品被切下，基体材料被返回到发泡过程(foaming process)。切下的产品无需干燥即可包装。可以在切割之前喷涂涂层剂来调整至少产品侧面的特性。
图3a和图3b示出了两对用于热压的模具。有利地，成型产品被热压两次，但是更普遍地，成型产品被热压一到三次。在图3a中，下模具11是光滑的，并且有根据应用提高工具性能的冷却或加热通道23。在增材制造中，通道可以容易地施加在模具的任何部分内部，如支撑结构或多孔层本身。在此，上模具10是多孔的，并且流体通过出口13排出。
在图3b中，下模具11是多孔的，而上模具10具有用于加热模具的电加热器24。通过这种两阶段工艺，产品的两侧都将是光滑和致密的。
在3D打印之后，该层上可能会有些粗糙，从而损害最终产品的表面。粗糙的表面也可能会集聚杂质。为了避免于此，对层的产品表面进行振动整饰(vibration finished，振动光饰)。通过这种方式，层被抛光而不会被弄脏。所述振动整饰或抛光过程是温和的，并且可以避免胡乱涂抹。由此，在不牺牲穿过多孔层的流动性的情况下获得了光滑的表面。这些测试是在没有任何可能堵塞多孔结构的研磨化合物添加剂的情况下进行的。仍然可以达到良好的抛光结果。
由于生产过程中的高压和高温，层是由金属3D打印而成。此外，格栅可以被3D打印。有利地，层和/或格栅由不锈工具钢制成。钛也可以是In718或In625。这些奥氏体镍-铬基超合金具有耐热性和耐压性。
为了使用泡沫纤维(foamed fiber)，该工艺需要特定的模具，其比以前的更致密但仍然开放至足以使流体排出。增材制造除了可以构建精细的穿孔之外，还可以实现多孔金属结构。多孔金属结构可以用于替代限定的穿孔并且模仿非常精细的未限定的网格，由3D打印机的工艺参数决定。通过这种方式，即使金属结构的微观结构是未限定的，也可以控制金属结构的整体孔隙度。多孔层由支撑结构支撑，支撑结构可以在构建过程中融合(fused)到多孔层，通常是合适的格栅结构。多孔层具有与实心基部相似的CAD数据。与限定的穿孔结构相比，多孔金属结构的一个优点是数据准备要少得多。
所述模具是通过上述方法中的任何一种方法或组合来完成的，其是利用基于粉末床的金属增材制造。有利地，粉末为20-70微米，更具体地为40-50微米。有利地，多孔层位于支撑几何结构(如上述的格栅)的顶部。多孔层是相对于支撑几何结构的独立部分，但可以在制造过程中融合在一起。多孔层使得能够排出流体，同时将纤维留在层的顶部。增材制造使得能够优化模具几何结构以适应应用和生产的高度灵活性。泡沫成型也是可能的。换句话说，根据本发明的模具用于制造泡沫纤维的模制纤维产品。因此，与浆料相比，需要排出的水更少。这缩短了成型和压制的时间。同时，消耗的能量更少。
Claims (16)
1.一种用于制造模制纤维产品的模具，所述模具(10，11)包括通过增材制造制成的多孔产品表面(16)，其特征在于，所述产品表面(16)的至少一部分是层(17)的形式，而没有被限定的孔来形成未被限定的网格，其中所述层半随机地通过3D打印工艺制成。
2.根据权利要求1所述的模具，其特征在于，所述层(17)由具有不同特性的多个部分(18，19)组成。
3.根据权利要求1或2所述的模具，其特征在于，所述层(17)具有0.5-5mm的厚度。
4.根据权利要求1或2所述的模具，其特征在于，所述层(17)的厚度在所述模具(10，11)的不同部分中是不均匀的。
5.根据权利要求1或2所述的模具，其特征在于，所述层(17)具有20-40％的孔隙度。
6.根据权利要求5所述的模具，其特征在于，在所述模具(10，11)的不同部分中存在不同的孔隙度水平。
7.根据权利要求1或2所述的模具，其特征在于，所述层(17)的产品表面被振动整饰。
8.根据权利要求1或2所述的模具，其特征在于，所述层(17)由不锈工具钢制成。
9.根据权利要求1所述的模具，其特征在于，在所述模具(10，11)中存在用于支撑所述层(17)的支撑结构(20)。
10.根据权利要求9所述的模具，其特征在于，所述支撑结构(20)包括具有一个或多个出口(13)的实心基部(21)。
11.根据权利要求9所述的模具，其特征在于，所述支撑结构(20)包括在所述层(17)下方的三维的格栅(22)。
12.根据权利要求10所述的模具，其特征在于，所述支撑结构(20)包括在所述层(17)下方的三维的格栅(22)。
13.根据权利要求11或12所述的模具，其特征在于，所述格栅(22)被融合到所述层(17)。
14.根据权利要求9至12中任一项所述的模具，其特征在于，所述支撑结构(20)对于具有不同产品几何结构的多个层(17)具有统一的几何结构。
15.根据权利要求13所述的模具，其特征在于，所述支撑结构(20)对于具有不同产品几何结构的多个层(17)具有统一的几何结构。
16.根据权利要求1所述的模具，其特征在于，所述层(17)具有特性不同的子层。
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