JP4712091B2 - 誘導加熱により材料を変形させる装置 - Google Patents

Description

本発明は、特に材料、特に熱可塑性基質複合材料または熱硬化性材料の変形または成形を目的とする、誘導加熱を使用する装置および方法に関する。

プラスチック部品または複合部品の成形を達成するために、先行技術の誘導加熱方法は、金型ケーシングの主要部品が加熱するという欠点を有する。

本発明は、金型／材料の境界面における加熱を局所化し、したがってエネルギ消費を制限し、装置のエネルギ効率を改善するために、表面の誘導加熱を制限する。加熱および冷却時間が短縮して、生産性も向上する。というのは、金型の体積の非常に小さい部分が誘導加熱されるからである。
本発明は、工具類の費用削減も目的とする。

したがって、本発明は、材料、特に熱可塑性基質複合材料または熱硬化性材料を特に成形によって変形させる装置で、
−相互に対して移動可能であり、導電性材料から作成され、それぞれが変形される材料と接触するように設計された成形ゾーンを含む２つの金型ケーシングと、
−金型のケーシングを囲む周波数Ｆの磁界を生成する誘導手段と、を備え
−２つの金型ケーシングの少なくとも一方の面が、成形ゾーンを除いて誘導手段に面するように配置され、磁界が金型ケーシングに透過するのを防止する非磁気材料で作成された遮蔽層で被覆され、
金型ケーシングが、成形段階中に相互から電気的に絶縁され、したがって２つの金型ケーシングの面が、各金型ケーシングの成形ゾーンの表面に電流を誘導する磁界が流れるエアギャップを仕切り、したがって成形ゾーンと変形される材料との境界面で加熱を局所化する装置に関する。

１つの実施形態によると、２つの金型ケーシングが遮蔽層で被覆される。

１つの実施形態によると、金型ケーシングは、好ましくは高い比誘磁率および抵抗率を有する磁気化合物、例えばニッケル鋼、クロム鋼および／またはチタン鋼を備える。

１つの実施形態によると、一方の金型ケーシングのみが遮蔽層で被覆され、他方の金型ケーシングは、好ましくは抵抗率が低い非磁気材料、例えばアルミニウムを備える。

１つの実施形態によると、遮蔽層で被覆された金型ケーシングは、好ましくは高い比誘磁率および抵抗率を有する磁気化合物、例えばニッケル鋼、クロム鋼および／またはチタン鋼を備える。

１つの実施形態によると、遮蔽層は、２つの金型ケーシングの２つの相互に対面する面の少なくとも一方の、成形ゾーンを構成しない部分とも重なる。

１つの実施形態によると、遮蔽ゾーンは、磁気金型ケーシングに取り付けられた薄板金も備え、この薄板金は例えばはんだ付けまたはねじ込まれる。

１つの実施形態によると、遮蔽層は材料の析出物、特に電解析出物を備える。
１つの実施形態によると、遮蔽層の厚さｅは少なくとも
ｅ＝５０＊（ρ／Ｆ）^１／２
に等しく、
ρは非磁気材料の抵抗率、Ｆは磁界の周波数である。

１つの実施形態によると、周波数Ｆは少なくとも２５ＫＨｚに等しく、好ましくはせいぜい１００ＫＨｚに等しい。

１つの実施形態によると、遮蔽層は電気抵抗が低い非磁気材料、例えば銅またはアルミニウムを備える。

１つの実施形態によると、電気絶縁層が少なくとも１つの金型ケーシングの成形ゾーンに適用されて、特に変形される材料が導電性の場合に、これらのケーシングの電気絶縁を完成される。

１つの実施形態によると、誘導手段は２つの部品を備え、それぞれ１つが金型ケーシングの一方と固定状態で接合して、装置の開放を可能にし、個々の金型ケーシングとともにシフト可能である。

１つの実施形態によると、変形段階中に一方の金型ケーシングが他方に対して相対的にシフトする間に、接触の維持を可能にする少なくとも１つの電気接触器によって、誘導手段の２つの部品が電気的に接続される。

本発明は、以上で定義した装置を使用して、特に大きいバッチで部品を製造する方法にも関する。

本発明の他の特徴および利点は、添付図面に関する非制限的な実施例により記される以下の説明から明白になるはずである。

図１および図２に示す成形装置は、相互に対して移動する２つの金型ケーシング１０および２０を備える。金型ケーシング１０、２０は磁気材料で作成され、その１つの部品が、それぞれ金型ケーシング１０の成形ゾーン１２および金型ケーシング２０の成形ゾーン２２を構成する。成形ゾーン１２、２２は、金型ケーシングの相互に対面する２つの面に位置する。

並列または直列で電流発生器に電気的に接続された誘導器３０のネットワークが、金型ケーシングの周囲に配置される。各誘導器３０は、導電性巻線を備え、それぞれ金型ケーシング１０、２０に固定状態で接合される２つの分離可能な部品３２、３４を備える。

成形ゾーン１２、２２を除き、各金型ケーシング１０、２０の外面の一部分が、遮蔽層１４、２４と整列している。実施例では、遮蔽材が、誘導器３０に対面するように配置された金型ケーシングの外面と、２つの金型ケーシングの相互に対面する面の一部分を被覆している。しかし、誘導器に対面していない金型ケーシングの外面（つまり図１の面に平行な面）を、遮蔽層で被覆する必要はない。というのは、発生した磁界がこれらの面に及ぼす影響が非常に限られているからである。

図１は、成形前に相互からある距離にある２つの金型ケーシングを示し、図２は図１と同様であり、成形作業中の２つの金型ケーシングを示す。

図２に示すような材料４０の変形中に、２つの金型ケーシングの成形ゾーン１２、２２間の圧力で、この材料を把持して保持する。これで、材料は、これらの２つの金型ケーシング１０、２０間に電気絶縁を提供する。この電気絶縁を通して、２つの金型ケーシングの対面する表面によって仕切られた空間が、エアギャップ４２を構成し、これによってこの空間内で磁界が流れることができる。

導電性巻線３０を備える誘導器手段に、例えば２５ＫＨｚから１００ＫＨｚの範囲の周波数Ｆの交流電流Ｉｉが交差すると、誘導器が、金型ケーシング１０、２０を囲む磁界を発生する。

このように発生した磁界は金型ケーシングを交差し、これもエアギャップ中、つまり金型ケーシング間を流れる。

磁界は、電流Ｉｉの方向とは逆方向の電流を誘導し、エアギャップが存在することによって、２つの金型ケーシングそれぞれの表面に流れる誘導電流Ｉｃ１およびＩｃ２を発生することができる。

遮蔽層は、磁界が成形ゾーンを除く金型ケーシングに到達するのを防止する。したがって、これらの誘導された電流Ｉｃ１およびＩｃ２は、主に成形ゾーンの表面に熱作用し、したがってこれは、誘導器の作用によって加熱される主なゾーンとなる。遮蔽は非磁気であるので、誘導によってはほとんど加熱されない。
装置が効率的に作業できるために、遮蔽層は磁界の透過深さ（スキン層の厚さ）より厚くなければならない。したがって、磁界が金型ケーシングに到達して、成形ゾーン以外の場所でそれを加熱することが防止される。

必要な遮蔽層の厚さを割り出すために、下式を使用する。
ｅ＝５０＊（ρ／Ｆ．μｒ）^１／２
ここでρは磁界以外の抵抗率であり、μｒは材料の比誘磁率、Ｆは誘導電流の周波数である。非磁気材料の場合はμｒ＝１となり、式はｅ＝５０＊（ρ／Ｆ）^１／２となる。磁気遮蔽が効果的であるために、非磁気材料の層の厚さは、上述した周波数が２５ＫＨｚから１００ＫＨｚの範囲である状態で、スキン層の厚さより大きくなければならず、スキン層の厚さは１ミリメートル未満である。

本発明の装置が特に効率的であるのは、エアギャップ４２の存在がその内部に磁気の流れを集中させ、したがって成形材料における磁界の作用をさらに増加させ、したがって成形ゾーンの表面に与えられる誘導エネルギを増加させる効果を有するからである。

したがって、本発明による１つの装置は、金型ケーシングの厚さの中ではなく、成形ゾーン／材料の境界面で成形ゾーンを局所的に直接加熱するという利点を有する。これは、大幅なエネルギの節約になる。この種の装置は、単純で、製造費が少ないという利点も有する。

エアギャップは、誘導器の幾何学的形状および／または分布が、結果となる加熱に及ぼす影響を制限するという効果も有する。というのは、エアギャップ４２（図３ａおよび図３ｂ）が、誘導器によって提供されるエネルギを「平らにする」からである。したがって、金型の長さに均一に分布した導電性巻線３０’_１から３０’_４（図３ｂ）は実際的に、これより短い長さに分布した同数の誘導器巻線３０_１から３０_４（図３ａ）と同じ効果を有する。この配置構成によって、導電性巻線の分布を思い通りに選択することが可能になる。

非磁気材料層の金型ケーシングへの固定は様々な方法で、例えば薄板金を固定することによって、または材料を付着させることによって、例えば電解析出によって実行することができる。

遮蔽材の形成に使用される非磁気材料は、エネルギ損失を制限するように、低い抵抗率を有することが好ましい。材料は、例えば銅またはアルミニウムである。

金型ケーシングに使用される磁気材料は、例えばニッケル鋼、クロム鋼および／またはチタン鋼合金の場合のように、銅より高いキュリー温度、さらに電気抵抗率を有することができる磁気化合物である。金型ケーシングの電気抵抗率が高いのは、誘導加熱をさらに効率化できるので有利である。しかし、金型ケーシングを構成する材料の透磁率も、誘導加熱の効率に影響することに留意されたい。実際、本明細書で上述した式に言及すると、比誘磁率が高いと、磁界の透過深さが小さくなり、したがって同量のエネルギがより限られたゾーンに分布し、その結果、加熱が大きくなる。

材料が、このキュリー温度に近い温度にキュリー温度を有する場合、金型ケーシングの材料はその磁性を喪失して、誘導加熱が大幅に減少し、したがってキュリー温度の周囲で加熱温度を調整することができる。

図１および図２に示す装置には、高速で加熱することによって部品の作成または変形を可能にする冷却システムが設けられ、冷却は２つの処理作業の間に実行される。そのために、各金型ケーシング内に、冷却液が成形表面１２、２２の近傍を流れることができるようにする流路１８、２８のネットワークを設ける。このように獲得された冷却が非常に良好に機能するのは、第一に、金型ケーシングの熱伝導性が高く、第二に流路を可能な限り成形ゾーン１２、２２の近くにレイアウトできるからである。

複合材料の成形の場合は、加熱および形成サイクルの後に、冷却を使用して複合材料をその最終的形態に固定する。

既知のシステムとは異なり、本発明の装置は、磁界および熱効果の作用を成形ゾーンの近傍に集中させる。その結果、加熱がさらに局所化されるので、冷却中に散逸する熱エネルギが少なくなり、したがって冷却がさらに迅速になる。したがって、装置のサイクル時間が短縮され、生産性が大幅に向上する。

図１は、各金型ケーシング１０、２０と、それを裏打ちする非磁気材料の層との境界ｆを識別する。成形ゾーン１２、２２に対するこの境界ｆの位置は、加熱の品質に、したがって成形に影響を及ぼす。本発明の装置では、材料を追加するか、除去することによって、境界ｆの位置の改造が容易であり、したがって成形用具の設計に大きい融通性を提供する。実際、実際の状態で処理試験の後に、特に成形の境界の位置を調節することが可能になる。

誘導器は、金型に固定状態で接合された２つの分離可能な部品３２、３４で構成されるので、２つの金型ケーシングの分離は容易である。これによって、成形後に部品４０を迅速に抽出することができ、したがって高速製造に寄与する。材料の変形中に、電気接触器３６によって、誘導器のネットワークの２つの部品３２、３４間の電気的導通を確保する。この接触器によって、誘導器のネットワークの２つの部品３２、３４を相対的にシフトさせることができる。というのは、材料の変形が通常、一定の圧力で実行されるが、材料の厚さの減少につながり、したがって２つの金型ケーシング１０、２０間の距離が減少するからである。

導電性複合材料の変形には、装置の変形を使用する必要がある。実際、例えば炭素繊維系材料などの導体材料では、２つの金型ケーシング間の電気絶縁が必ずしも完全には確保されず、局所的に短絡が発生し、変形される材料の表面および／または成形ゾーンの表面に影響するような電気アークを発生することがある。電気絶縁を改善し、したがって短絡の危険を防止するために、電気絶縁層を２つの成形ゾーン１２、２２の少なくとも一方に付着させる。このような層は、例えばテフロン（登録商標）、非晶質炭素、ガラス繊維または再びセラミック系材料を含む。この層は、約１マイクロメートルの厚さで、温度耐性および適応した機械的抵抗を有していなければならない。

従来、製造した部品を排出する機械的手段（図示せず）も計画されている。
したがって、このように実現される製造方法は、主に次の４つの段階を含む。
−処理される部品の１つまたは複数の材料を、装置の下部金型ケーシングに配置する。
−２つの成形ゾーンを加熱し、２つの成形ゾーン間の材料に所与の期間だけ加圧する。
−部品を冷却するために、金型ケーシングの冷却を実行する。
−上部金型ケーシングを上昇させ、部品を排出／除去する。

このように実現した方法は、特に生産性に関して、本発明による装置によって提供される利点から包括的な恩恵を受ける。つまり、成形ゾーンに関連する局所的加熱が、サイクル時間を最小限に抑える。

遮蔽層の一部を追加または除去することによって、加熱されるゾーンが容易に調節されることは、大きい融通性を提供する。つまり、第１試験中に獲得された結果の関数として、成形用具が容易に改造される。

最後に、成形用具は、遮蔽層１４、２４が複雑または費用がかかる製造を必要としないので、経済的に生産される。

本発明による装置の図４に示す１つの変形によって、特に非常に細かい部品、特に１ミリメートル未満の厚さの部品の変形の状況で、より単純な成形用具を獲得することが可能になる。実際、このような厚さを使用して、加熱を部品の１つの面のみに制限する。本発明は、２つの金型ケーシングのうち一方が遮蔽層と整列していない装置を使用し、この金型ケーシング（７０）は非磁気材料を含む。したがって、磁界に対して透過性ではないこの金型ケーシング（７０）によって、誘導ネットワーク（７４）が生成した磁界が流れるエアギャップを常に使用可能になる。したがって、誘導加熱は、主に遮蔽層で被覆された金型ケーシング７２の成形ゾーンで実行される。このような装置は、金型ケーシング（７０）が遮蔽層を一切含まないので、作成費用が低下する。図４の実施例では、金型ケーシング７０に冷却回路が一切ない。

別の変形（図５）は金型ケーシング５０が１つしかなく、その周囲に導電巻線５２が配置構成される。この構成では、エアギャップが存在しない状態で、金型ケーシングを囲む遮蔽層が成形ゾーン６０の加熱を局所化する。このエアギャップがないので、このような装置は誘導器のネットワークの幾何学的形状から影響を受けやすくなるが、加熱は、遮蔽層を通して主に成形ゾーンの表面に局所化される。

本発明による装置を示す。 材料の変形中の図１の装置を示す。 AおよびBは、図１に示した装置の誘導器の２つの異なる配置構成を示し、図２の線３−３に沿った図に対応する。 装置の変形を示す。 第２の変形を示す。

Claims (15)

1. 特に熱可塑性基質複合材料または熱硬化性材料を、特に成形によって加熱変形させる装置であって、
   相互に対して移動可能であり、導電性材料から作成され、変形される材料と接触するように設計された成形ゾーン（１２、２２）を含む２つの金型ケーシング（１０、２０）と、
   前記金型の前記ケーシングを囲む周波数Ｆの磁界を生成する誘導手段（３０）と、を備え
   前記２つの金型ケーシング（１０、２０）の少なくとも一方の面が、前記成形ゾーンを除いて誘導手段に面するように配置され、前記磁界が前記金型ケーシング（１０、２０）に透過するのを防止する非磁気材料で作成された遮蔽層（１４、２４）で被覆され、
   前記金型ケーシングが、前記成形段階中に相互から電気的に絶縁され、したがって前記２つの金型ケーシングの前記面が、各金型ケーシング（１０、２０）の前記成形ゾーン（１２、２２）の表面に電流を誘導する前記磁界が流れるエアギャップ（４２）を仕切り、したがって前記成形ゾーンと前記変形される材料との境界面で前記加熱を局所化する装置。
2. 前記２つの金型ケーシング（１０、２０）が遮蔽層（１４、２４）で被覆される、請求項１に記載の装置。
3. 前記金型ケーシング（１０、２０）が、好ましくは高い比誘磁率および抵抗率を有する磁気化合物、例えばニッケル鋼、クロム鋼および／またはチタン鋼を備える、請求項２に記載の装置。
4. 一方の金型ケーシング（７２）のみが遮蔽層で被覆され、他方の金型ケーシング（７０）は、好ましくは抵抗率が低い非磁気材料、例えばアルミニウムを備える、請求項１に記載の装置。
5. 遮蔽層で被覆された前記金型ケーシングが、好ましくは高い比誘磁率および抵抗率を有する磁気化合物、例えばニッケル鋼、クロム鋼および／またはチタン鋼を備える、請求項４に記載の装置。
6. 前記遮蔽層（１４、２４）は、前記２つの金型ケーシングの前記２つの相互に対面する面の少なくとも一方の、成形ゾーンを構成しない部分とも重なる、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記遮蔽ゾーンは、前記磁気金型ケーシングに取り付けられた薄板金も備え、この薄板金が例えばはんだ付けまたはねじ込まれる、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記遮蔽層（１４、２４）は材料の析出物、特に電解析出物を備える、請求項１から７のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記遮蔽層の厚さｅが少なくとも
   ｅ＝５０＊（ρ／Ｆ）１／２
   に等しく、
   ρが非磁気材料の抵抗率、Ｆが磁界の周波数である、前記請求項１から８のいずれか一項に記載の装置。
10. 前記周波数Ｆが少なくとも２５ＫＨｚに等しく、好ましくはせいぜい１００ＫＨｚに等しい、前記請求項１から９に記載の装置。
11. 前記遮蔽層（１４、２４）は電気抵抗が低い非磁気材料、例えば銅またはアルミニウムを備える、前記請求項１から１０のいずれか一項に記載の装置。
12. 電気絶縁層が少なくとも１つの金型ケーシングの前記成形ゾーンに適用されて、特に前記変形される材料が導電性の場合に、前記金型ケーシング間の電気絶縁を改善する、前記請求項１から１１のいずれか一項に記載の装置。
13. 前記誘導手段（３０）が２つの部品（３２、３４）を備え、それぞれ１つが前記金型ケーシングの一方と固定状態で接合し、前記個々の金型ケーシングとともにシフト可能である、前記請求項１から１２のいずれか一項に記載の装置。
14. 前記変形段階中に一方の金型ケーシング（１０、２０）が他方に対して相対的にシフトする間に、接触の維持を可能にする少なくとも１つの電気接触器（３６）によって、前記誘導手段の前記２つの部品（３２、３４）が電気的に接続される、請求項１３に記載の装置。
15. 前記請求項１から１４のいずれか一項に記載の装置を使用して、特に大きいバッチで部品を製造する方法であって、
    処理される前記部品の１つまたは複数の前記材料を前記装置の下方金型ケーシング（１０）に配置するステップと、
    前記２つの成形ゾーン（１２、２２）を加熱するステップと、前記２つの成形ゾーン間で所与の期間だけ前記材料（４０）に加圧するステップとを含む方法。

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