專(zhuān)利名稱(chēng)：部分加強(qiáng)的塑料部件的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一個(gè)通過(guò)熱成形來(lái)制造熱塑性部分加強(qiáng)的塑料部件的方法。
常見(jiàn)的是將一個(gè)金屬加強(qiáng)件與熱成形部件機(jī)械地連接或粘貼起來(lái)。這里的缺點(diǎn)是，金屬的比重大且制造成本高。
在現(xiàn)有技術(shù)中，也可通過(guò)加進(jìn)篩網(wǎng)來(lái)對(duì)由熱成形制成的部件進(jìn)行部分的加強(qiáng)。但由此只能實(shí)現(xiàn)一個(gè)很有限的加強(qiáng)效應(yīng)。
此外還進(jìn)一步公知，加強(qiáng)材料作為內(nèi)裝件而被放置在一個(gè)壓鑄?；驂耗Ｖ?，然后將壓注塑料或壓塑料加入模具從而使部件成形。絕大多數(shù)都使用金屬或纖維加強(qiáng)的塑料作為內(nèi)裝件的材料。但是，這些方法主要是適于大批量系列生產(chǎn)，而對(duì)于小的產(chǎn)品件數(shù)由于高昂的模具制造費(fèi)用是不經(jīng)濟(jì)的。
在對(duì)熱塑性塑料浸漬織物(Organo-板)的熱成形中，該方法的經(jīng)濟(jì)性又由于高的材料價(jià)格而降低。此外，使用這樣的材料只能對(duì)部件進(jìn)行全部而不是部分的加強(qiáng)。
本發(fā)明的任務(wù)是研制一個(gè)即便在產(chǎn)品件數(shù)小時(shí)也能以低生產(chǎn)成本制造出部分加強(qiáng)的熱塑性塑料部件的方法。
根據(jù)本發(fā)明這一任務(wù)是以如下方式解決的，即，為了形成部分加強(qiáng)的部件區(qū)域，使用含有長(zhǎng)度大于1mm的纖維的可被加熱成形的加強(qiáng)材料，該加強(qiáng)材料由于熱傳遞而變成軟彈性狀態(tài)，然后在確定的位置和確定的方向被打褶并覆置在一個(gè)深拉伸陽(yáng)模上，在此之后，將一個(gè)預(yù)先已被增塑的塑料板套置在該業(yè)已由加強(qiáng)材料覆置其上的模具上，并且將該塑料板通過(guò)在模具中抽真空而在大氣壓力作用下如此壓緊模具表面和加強(qiáng)材料，使得加強(qiáng)材料現(xiàn)存的熱量將其與塑料板焊接在一起。
必須將可被加熱成形的加強(qiáng)材料變成軟彈性狀態(tài)，以便能形成同模具一樣的輪廓。但是因?yàn)榧訌?qiáng)材料的結(jié)構(gòu)(幾何形狀、纖維長(zhǎng)度、纖維走向)應(yīng)該保持不變，所以只能對(duì)其進(jìn)行熱傳遞而不需諸如裁剪之類(lèi)的工作。作為熱源，可以使用例如紅外線(xiàn)輻射器、溫箱和流動(dòng)的熱空氣。
在制造簡(jiǎn)單幾何形狀的部件時(shí)，可使用熱塑性塑料浸漬的粗紗(Roving)材料作為加強(qiáng)材料。因?yàn)檫@種材料與壓鑄或壓加工相反不能對(duì)其進(jìn)行再加強(qiáng)，所以只能使用100％浸漬度的材料，由于纖維之間的摩擦，較小浸漬度的材料在動(dòng)載荷的作用下失效。
對(duì)于復(fù)雜幾何形狀的結(jié)構(gòu)零件和由此而導(dǎo)致的加強(qiáng)材料在模具上的費(fèi)時(shí)的安置和覆蓋，簡(jiǎn)單的熱塑性塑料浸漬的粗紗由于其小的熱容量是不適用的。
為了確保加強(qiáng)材料和塑料板之間的焊接連接，加強(qiáng)材料必須有足夠的熱量。但在加強(qiáng)材料在模具上的費(fèi)時(shí)的打褶和覆蓋過(guò)程中，已成軟彈性狀態(tài)的加強(qiáng)材料的溫度降低到低于所要求的加工溫度。在此，加強(qiáng)材料在模具上的打褶和覆蓋所需的時(shí)間根據(jù)所需加強(qiáng)材料的幾何形狀和數(shù)量而處于大約10到120秒之間。如果加強(qiáng)材料有過(guò)小的熱量和/或過(guò)高的導(dǎo)熱能力，預(yù)先已被增塑的塑料板就必須將足夠的熱量傳遞到加強(qiáng)材料上。在此，可以認(rèn)為，這一熱輸出只能由塑料板的一個(gè)大約1mm厚的邊界層進(jìn)行。
為了提高加強(qiáng)材料的熱容量，也可以提高這個(gè)邊界層的厚度。在此，使用一個(gè)復(fù)合層材料作為加強(qiáng)材料是適于此目的的，該復(fù)合層材料具有至少一個(gè)含纖維的加強(qiáng)層和一個(gè)用作熱量?jī)?chǔ)存器的由非加強(qiáng)塑料構(gòu)成的層。與均質(zhì)的加強(qiáng)材料相比，這樣的復(fù)合層在重量和特別是相對(duì)于冷的模具的隔熱作用上都顯示出優(yōu)越性。
纖維可在加強(qiáng)材料中呈單一方向的走向，在這種場(chǎng)合纖維的加強(qiáng)作用被充分地利用。在纖維多方向地分布在加強(qiáng)材料中的場(chǎng)合，纖維的加強(qiáng)效果較??；然而在此，防止分層的可靠性增高，這是有好處的。
加強(qiáng)材料的所有變型都毫無(wú)問(wèn)題地使得單個(gè)地加工部分加強(qiáng)的塑料部件成為可能。由此就使得部件原理上新的概念成為可能，該新的概念可以被運(yùn)用到單個(gè)照顧病人的假肢或矯形件上。
可以對(duì)纖維長(zhǎng)度大于25mm的加強(qiáng)材料進(jìn)行加工。這樣的加強(qiáng)材料具有高的振動(dòng)疲勞強(qiáng)度和一個(gè)通過(guò)變化纖維種類(lèi)、纖維濃度和層厚而可調(diào)的抗彎剛度。因此，根據(jù)本發(fā)明的方法所制造的塑料部件也可以作為彈簧元件(例如作為一個(gè)動(dòng)力假腳中的彈簧元件)而集成于部件之中。
此外，如下系統(tǒng)也是可以想象的，在該系統(tǒng)中，加強(qiáng)材料在確定的力導(dǎo)入之下能夠有一個(gè)給出一個(gè)關(guān)節(jié)功能的彎曲角。同時(shí)，加強(qiáng)材料又作為彈簧元件起作用，由此，一旦為彎曲所需的力不再作用在該部件上，就形成一個(gè)回動(dòng)功能。
為了準(zhǔn)備要根據(jù)本發(fā)明加工的塑料板，適宜的是，將要被增塑的塑料板夾緊在一個(gè)框架上，一直對(duì)其加熱直到它到達(dá)軟彈性狀態(tài)為止，它在框架上下垂并因此向前伸出。但也可用壓力空氣使已被增塑的塑料板向前伸出。
深拉伸陽(yáng)?？捎山饘?、木材、抗熱變形的塑料材料以及泡沫塑料、石膏及類(lèi)似的材料制成。表面必須封閉和光滑，以避免模具和硬化的熱塑性塑料粘在一起。在模具由石膏或類(lèi)似的多孔材料制成時(shí)，對(duì)深拉伸陽(yáng)模表面涂層或用一個(gè)抗熱變形的織物或一個(gè)相應(yīng)的薄膜覆蓋是適宜的。在此應(yīng)注意不能對(duì)織物或涂層施行與熱塑性塑料的焊接連接，并且織物或涂層應(yīng)無(wú)褶地安置在表面上。
在小批量和單件加工或者在相應(yīng)長(zhǎng)的循環(huán)時(shí)間場(chǎng)合，不必要將深拉伸陽(yáng)模調(diào)節(jié)到一個(gè)確定的溫度，但是，在特別是系列生產(chǎn)和由此而導(dǎo)致的短的循環(huán)時(shí)間中，調(diào)節(jié)模具溫度，這是有優(yōu)點(diǎn)的。
根據(jù)本發(fā)明的方法可按如下方式進(jìn)行首先，加熱加強(qiáng)材料，直到它到達(dá)軟彈性狀態(tài)為止。接著，將其打褶并覆置在深拉伸陽(yáng)模的指定位置上。同時(shí)，將一塊塑料板夾緊在一個(gè)框架上，一直對(duì)其加熱直到它處于軟彈性狀態(tài)為止。由于它本身的重量，從一定的溫度開(kāi)始，該塑料板就下垂并從而向前伸出。如果到達(dá)了所希望的溫度及所希望的伸展度，將框架連同塑料板一起降到模具上并降到已處于模具上的加強(qiáng)材料之上。然后通過(guò)抽真空，軟彈性塑料就在大氣壓力的作用下被壓緊在模具的表面及加強(qiáng)材料上，并由此而形成模制件。此時(shí)加強(qiáng)材料必須仍處于軟彈性狀態(tài)，或者塑料板必須能夠傳遞足夠的熱量來(lái)軟化加強(qiáng)材料。然后，在這樣的條件下調(diào)節(jié)出塑料板和加強(qiáng)材料之間的焊接。
根據(jù)本發(fā)明方法的一個(gè)本質(zhì)上的優(yōu)點(diǎn)在于，可以只是在深拉伸部件的對(duì)功能有益的位置做加強(qiáng)，而在部件的其他位置可以容許有較高的柔性。
對(duì)于所說(shuō)的焊接所必需的熱量預(yù)算可在如下的過(guò)程參數(shù)下實(shí)現(xiàn)a)深拉伸陽(yáng)模使用一個(gè)套置尼龍織物的未調(diào)節(jié)溫度的石膏模具。
加強(qiáng)材料—成分60％重量百分比的單向玻璃纖維，40％重量百分比的聚丙烯—尺寸0.05×0.5×20cm＝1cm3—熱學(xué)性質(zhì)熱容量Cp＝1.54J/gK導(dǎo)熱能力λ＝0.42 W/m K—溫度25℃(在打褶及覆置之后要冷卻到室溫！)—所需的熱量對(duì)每個(gè)加強(qiáng)條160 J(由25℃加熱到165
℃)塑料板—成分100％的聚丙烯—邊界層體積 0.1×0.5×20cm＝2cm3—熱學(xué)性質(zhì)熱容量Cp＝1.9J/gK導(dǎo)熱能力λ＝0.17 W/m K—溫度250℃—可傳遞的熱量 每個(gè)加強(qiáng)條270J(由250℃冷卻到170℃)b)如果加強(qiáng)材料具有如此大的熱量，使得材料未被冷卻到為焊接所必需的溫度之下，將實(shí)現(xiàn)完全另外的一種熱量預(yù)算。當(dāng)加強(qiáng)材料具有足夠的質(zhì)量和溫度時(shí)，就存在這樣的情況。由加強(qiáng)材料傳遞到模具的熱量可通過(guò)一個(gè)大的壁厚以及通過(guò)加強(qiáng)材料的一個(gè)低導(dǎo)熱能力而減小。
c)在以下的過(guò)程參數(shù)下可以避免將由復(fù)合層組成的加強(qiáng)材料冷卻到焊接溫度以下模具套置尼龍織物的未調(diào)節(jié)溫度的石膏模具加強(qiáng)材料—加強(qiáng)層成分60％重量百分比的單向玻璃纖維，40％重量百分比的聚丙烯—加強(qiáng)層尺寸0.05×2.5×20cm＝2.5cm3(＝3.73g)—熱量?jī)?chǔ)存器和絕熱層成分100％的聚丙烯—熱量?jī)?chǔ)存器和絕熱層尺寸0.1×2.5×20cm＝5.0cm3(＝4.5g)—熱學(xué)性質(zhì) 熱容量Cp＝1.74J/gK導(dǎo)熱能力λ＝0.25W/mK
—溫度 250℃(在打褶及覆置之后要冷卻到溫度大于170℃！)—最大容許熱量損失 每個(gè)加強(qiáng)條1120J已表明，不能在120秒中由加強(qiáng)材料給出1120J的熱量。這樣就保證了焊接。
被加熱從而呈軟彈性的加強(qiáng)材料傾向于粘附在深拉伸陽(yáng)模上。因此，為了將加強(qiáng)材料固定在模具上，在很多場(chǎng)合只需將其簡(jiǎn)單地放上即已足夠。在垂直面上可用小釘將加強(qiáng)材料固定。
在附圖中以簡(jiǎn)圖形式示出作為實(shí)施例的一些本發(fā)明的實(shí)施形式。附圖示出

圖1制造一個(gè)假腳的單個(gè)方法步驟。
圖2制造一個(gè)踝骨關(guān)節(jié)的單個(gè)方法步驟，該踝骨關(guān)節(jié)作為帶有彈簧回動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)節(jié)。
圖3形式為切諾-波士頓-威斯巴登緊身胸衣(Chneau-Boston-Wiesbaden-korsetts)的一個(gè)根據(jù)本發(fā)明所制造的塑料部件。
在圖1(a)中示意示出一個(gè)加熱爐1，在該加熱爐1中，一個(gè)安裝在繃緊框架2上的聚丙烯板3與一個(gè)由聚丙烯/玻璃纖維加強(qiáng)層和聚丙烯熱量?jī)?chǔ)存器/絕熱層組成的加強(qiáng)材料4一起被加熱到250℃。接著將加強(qiáng)材料4打褶并覆蓋在帶有真空連接件5的一個(gè)病人腳的石膏模6上(圖1b)。最遲在120秒后將聚丙烯板3套置在深拉伸陽(yáng)模6上(圖1c)。通過(guò)抽真空，該聚丙烯板材壓緊在模具6及加強(qiáng)材料4上(圖1d)。在冷卻之后，可將該部件脫模，并對(duì)其進(jìn)行切削精加工(圖1e)。
在這個(gè)假腳制造中，下列條件可被調(diào)節(jié)模具石膏模，由尼龍織物套上，室溫(未調(diào)節(jié)溫度)加強(qiáng)材料層復(fù)合材料
—0.05×2.5×20cm，60％重量百分比的單方向玻璃纖維，40％重量百分比的聚丙烯，帶有—0.3×2.5×20cm，100％重量百分比的聚丙烯作為熱量?jī)?chǔ)存器和絕熱層—預(yù)熱溫度250℃塑料板；—成分100％的聚丙烯—尺寸0.3×70×50cm—預(yù)熱溫度250℃在圖2中以簡(jiǎn)圖形式示出按照根據(jù)本發(fā)明的方法制造一個(gè)作為帶有彈簧回動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)節(jié)的踝骨關(guān)節(jié)。
兩個(gè)都是由50％重量百分比的單方向安置的碳纖維和50％重量百分比的聚酰胺12(PA12)組成的加強(qiáng)元件8被打褶并覆置在一個(gè)由聚四氟乙烯涂層的、由兩個(gè)部分組成的鋁模7上。接著將一個(gè)被增塑的PA12板3套置在帶有已被打褶并覆置在其上的條形加強(qiáng)元件8的鋁模具7上(圖a)。在冷卻之后，將該關(guān)節(jié)脫模并對(duì)其進(jìn)行切削精加工(圖b)。最后安裝上管連接接頭9(圖c)。圖(d)示出已加工好的在彎曲狀態(tài)下的關(guān)節(jié)。
圖3示出一個(gè)根據(jù)本發(fā)明方法制造的切諾-波士頓-威斯巴登-緊身胸衣。在此部件中在其背面平行于背部開(kāi)口安置了兩個(gè)加強(qiáng)元件11。在部件的前面在胸部高度有—個(gè)另外的折彎大約40°的加強(qiáng)元件12。
權(quán)利要求
1.通過(guò)熱成形來(lái)制造部分加強(qiáng)的熱塑性塑料部件的方法，其特征為，為了形成部分加強(qiáng)的部件區(qū)域，使用含有長(zhǎng)度大于1mm的纖維的可被加熱成形的加強(qiáng)材料，該加強(qiáng)材料通過(guò)熱傳遞而變成軟彈性狀態(tài)，然后在確定的位置和確定的方向被打褶并覆置(drapieren)在一個(gè)深拉伸陽(yáng)模(Positiv-Tiefziehform)上，在此之后，將一個(gè)預(yù)先已被增塑的塑料板套置在該已由加強(qiáng)材料打褶覆置其上的模具上，并且通過(guò)在模具中抽真空而在大氣壓力作用下將該塑料板如此壓緊模具表面和加強(qiáng)材料，使得加強(qiáng)材料已有的熱量將其與塑料板焊接在一起。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征為，為獲得焊接連接所必要的熱量由已被增塑的塑料板傳遞到加強(qiáng)材料上。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征為，在加強(qiáng)材料中的纖維被單向或多向安置。
4.按照上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征為，在加強(qiáng)材料中的纖維被均勻地分配。
5.按照上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征為，使用由熱塑性基體(Matrices)浸漬的纖維束組成的段作為加強(qiáng)材料。
6.按照權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征為，使用一個(gè)復(fù)合層材料作為加強(qiáng)材料，該復(fù)合層材料至少具有一個(gè)含纖維的加強(qiáng)層和一個(gè)由未被加強(qiáng)的塑料組成的用作熱量?jī)?chǔ)存器的層。
7.按照上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征為，應(yīng)被增塑的塑料板被壓緊在一個(gè)框架上并一直對(duì)其加熱直到該塑料板達(dá)到一個(gè)軟彈性狀態(tài)，在框架上下垂并從而向前伸出。
8.按照權(quán)利要求1到6之一所述的方法，其特征為，被增塑的塑料板通過(guò)壓力空氣的作用而向前伸出。
9.按照上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征為，深拉伸陽(yáng)模的表面被涂層，或者被用一個(gè)抗熱變形的織物(Gewebe)或一個(gè)相應(yīng)的薄膜套置。
10.按照上述權(quán)利要求之一的方法制造的塑料部件，其特征為，它被構(gòu)造為彈簧元件。
11.按照權(quán)利要求1到9之一的方法制造的塑料部件，其特征為，它被構(gòu)造為帶有彈簧回動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)節(jié)配件。
12.按照權(quán)利要求1到9之一的方法制造的塑料部件，其特征為，它被構(gòu)造為一個(gè)假腳或矯形件的部件。
全文摘要
通過(guò)熱成形制造部分加強(qiáng)的熱塑性塑料部件的方法。建議,使用含有長(zhǎng)度大于1mm纖維的可被加熱成形的加強(qiáng)材料構(gòu)成部分加強(qiáng)的部件區(qū)域,該加強(qiáng)材料由熱傳遞變成軟彈性狀態(tài),在確定的位置和方向上被打褶覆置在一個(gè)深拉伸陽(yáng)模上,然后將被增塑的塑料板套置在已被打褶覆置的模具上,在模具中抽真空使該塑料板在大氣壓力作用下壓緊模具表面和加強(qiáng)材料,使加強(qiáng)材料已有的熱量將其與塑料板焊接在一起。
文檔編號(hào)A61F2/50GK1242291SQ9910917
公開(kāi)日2000年1月26日 申請(qǐng)日期1999年6月18日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月20日
發(fā)明者于爾根·戴納特, 馬克西米利安·澤格爾, 雷吉娜·本德林 申請(qǐng)人:奧托·博克矯形工業(yè)兩合公司