專利名稱：模塑復(fù)合工件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及注射模塑工件的制造。這種工件可以由聚合物熱固性樹脂模塑而成，也可以是復(fù)合工件，該工件是在固化的樹脂基體內(nèi)具有纖維增強(qiáng)網(wǎng)格的工件。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及注射模塑這種聚合物和復(fù)合工件的方法。
背景技術(shù)：
反應(yīng)注射模塑和樹脂轉(zhuǎn)移模塑是這樣一種工藝，其中干纖維增強(qiáng)層(預(yù)成型坯)被放入到模腔內(nèi)，該模腔的表面限定了將制造的工件的最終外形，于是可流動(dòng)樹脂在壓力的作用下被注入或吸入模具空腔(模腔)，從而制造出該工件，或者飽和/濕潤(rùn)纖維增強(qiáng)預(yù)成型坯。當(dāng)浸透了樹脂的預(yù)成型坯在模腔內(nèi)固化后，從模具中取出已完成的工件。
現(xiàn)有技術(shù)披露了一種注射模塑設(shè)備，它包括一對(duì)具有模塑表面的互補(bǔ)或“相配”的工具，每個(gè)工具由例如與要結(jié)合使用的樹脂呈相對(duì)惰性的剛性金屬加工而成。這種相配的金屬模具制造成本昂貴，并且只限于給定設(shè)計(jì)的單個(gè)工件的制造。另外，即使對(duì)要制造的工件的所需外形作輕微的改變，也必須加工出全部的新替代工具。
另外，這種已知的金屬工具一般具有很大的熱質(zhì)量，這在模具熱量偏離所要求的加工溫度時(shí)愈加會(huì)產(chǎn)生問題。相應(yīng)的，這種工具通常設(shè)有內(nèi)部加熱和/或冷卻管或通道的整體系統(tǒng)，外界提供的熱/冷流體可以通過(guò)它們而進(jìn)行循環(huán)。但是，對(duì)于這些現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)計(jì)，熱/冷通道相對(duì)于工具表面來(lái)設(shè)置，從而在它們之間留下約2英寸(5厘米)的最小空間，來(lái)確保所得到的工件將沒有熱和冷線或帶，這些線或帶在樹脂的固化過(guò)程中會(huì)因?yàn)椴煌募訜?冷卻速度而在工件中產(chǎn)生。而該最小的空間又內(nèi)在地限制了這些現(xiàn)有技術(shù)的工具在注射模塑過(guò)程中準(zhǔn)確控制溫度的能力，特別是在這些過(guò)程放熱時(shí)。在制造可變厚度的工件時(shí)，假設(shè)該工件的較厚部分會(huì)較早聚合，并易于達(dá)到比其較薄的部分更高的溫度，這時(shí)模腔的溫度控制也成為一個(gè)問題。
因此，這種相配的金屬工具必須周期性地停止足夠的時(shí)間，以使該模具冷卻至可接受的操作溫度，所以使用這種工具明顯提高了工件的制造成本。
為了提供改善的溫度控制，同時(shí)易于從模塑設(shè)備中取出完成的工件，現(xiàn)有技術(shù)披露了一種改進(jìn)的模塑設(shè)備，其中一個(gè)模具表面被由例如橡膠形成的柔性膜來(lái)限定。另一個(gè)模具表面仍然由剛性導(dǎo)熱金屬工具限定，其后面有加壓流體例如蒸汽，因此固化熱被傳遞給模腔，用于吸熱模塑操作。不幸的是，對(duì)于這種吸熱過(guò)程，只加熱模腔的一側(cè)會(huì)限制表面加工的靈活性以及所得到的工件的其它性能，并且還限制了樹脂固化可能被加速的程度。另外，在放熱過(guò)程中使用這種模塑設(shè)備時(shí)，所產(chǎn)生的熱加速了該柔性模具表面的損壞，因此妨礙了工具的長(zhǎng)期使用。并且這種模塑設(shè)備通常需要在注入樹脂之前對(duì)模腔抽真空，這使得這種模塑設(shè)備的使用和維護(hù)更加復(fù)雜，并且使得采用這種設(shè)備的工藝更加費(fèi)時(shí)和昂貴。
另外，在閉合式模塑中應(yīng)用的工具一般由昂貴的材料例如鋁金屬、復(fù)合物或合金等加工或澆鑄而成。這種工具會(huì)有許多問題，例如高的工具成本、15-52周的較長(zhǎng)交付時(shí)間、難以或基本不能進(jìn)行改變以及高的維修或翻新成本。因此需要一種工具相配的注射模塑設(shè)備，其與已知的剛性或柔性工具相比具有制造更容易并且成本更低的可替換模具表面，同時(shí)還在吸熱和放熱過(guò)程中都可提供改善的溫度控制，從而以低的生產(chǎn)周期提供質(zhì)量改善的工件。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的方法中，采用一對(duì)模具部件，其中每個(gè)模具部件本身包括剛性外殼和可移動(dòng)地安裝在該外殼上而在其中限定了密封腔室的半剛性膜。限定了模塑表面的每個(gè)模具部件的膜優(yōu)選地由廉價(jià)的復(fù)合材料例如纖維增強(qiáng)塑料或其它適合材料構(gòu)成；并且根據(jù)本發(fā)明，每個(gè)模具部件的膜可以選擇不同的膜材料和/或特性。
在本發(fā)明的實(shí)踐中，將模塑流體注入任何由模塑部件形成的模腔中。以受到監(jiān)測(cè)且受到控制的流速將模塑流體導(dǎo)入該模腔中。在將模塑流體注入模腔期間和之后，對(duì)指示所述模腔正在被充入的至少一個(gè)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。另外，保持并控制對(duì)應(yīng)于上述參數(shù)的流速。為此目的而可以被監(jiān)測(cè)的參數(shù)包括注入模塑流體的壓力、在至少一個(gè)模具部件中的壓力、模塑流體進(jìn)入模腔中的特定部分的情況。此外，對(duì)模塑流體的監(jiān)測(cè)功能可以通過(guò)監(jiān)測(cè)出第一和第二模具部件之間的線性位移或通過(guò)檢測(cè)出模塑流體穿過(guò)這些部件前進(jìn)或進(jìn)入模腔的不同部分的流動(dòng)的前沿進(jìn)行。當(dāng)兩個(gè)模具部件通過(guò)使它們各自的模塑表面相對(duì)置而裝配起來(lái)時(shí)，就限定了一個(gè)將在其中制造所需工件的模腔。因此，在本發(fā)明中，可以通過(guò)改變或替換其中的一個(gè)或兩個(gè)低成本膜的方式來(lái)很容易地改變工件形狀。另外，在本發(fā)明中，給定的模具部件外殼可以配備有寬范圍內(nèi)的各種較為廉價(jià)的用于制造具有各種形狀、尺寸和特性的復(fù)合工件的復(fù)合膜，因此與現(xiàn)有技術(shù)相比極大的降低了工具成本。模具部件外殼的尺寸限定了工作包絡(luò)面，在該包絡(luò)面內(nèi)可以采用各種不同外形的膜?？梢圆捎萌魏伪辉O(shè)計(jì)用于裝設(shè)在工作包絡(luò)面尺寸內(nèi)的結(jié)構(gòu)，而不需要更換模具部件外殼。
根據(jù)本發(fā)明，不可壓縮的流體被注入并充滿每個(gè)模具部件的腔室，從而它們各自的膜被支撐，從而確保了所完成的工件的正確尺寸，同時(shí)在樹脂注入過(guò)程中允許輕微的尺寸變化，從而使該膜的任何注入壓力負(fù)載均勻地分配在其整個(gè)表面上。后一個(gè)特征在樹脂注入步驟中出現(xiàn)注入壓力峰值時(shí)具有特別的優(yōu)點(diǎn)。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，在樹脂注入過(guò)程中膜的輕微尺寸變化被認(rèn)為能改善或增強(qiáng)樹脂穿過(guò)模腔的流動(dòng)。與模具部件的一個(gè)或兩個(gè)腔流體相通的膨脹腔被用于在樹脂注入膜之前調(diào)節(jié)支撐膜的流體的熱膨脹，隨后固化所加工的工件，并具有一個(gè)閥，用于在樹脂注入和固化過(guò)程使該腔與膨脹腔隔開。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)特征，支撐流體本身優(yōu)選是導(dǎo)熱的；該模塑設(shè)備還包括與模具部件中的一個(gè)或兩個(gè)內(nèi)的支撐流體熱交換的裝置，用于調(diào)整支撐流體的溫度。例如，在優(yōu)選的實(shí)施例中，溫度調(diào)整裝置包括在每個(gè)腔內(nèi)延伸的線圈系統(tǒng)和常規(guī)設(shè)計(jì)的外部加熱裝置/冷卻裝置單元，該單元被連接在該線圈系統(tǒng)上，并用來(lái)使以預(yù)定的溫度從中通過(guò)的溫度控制流體循環(huán)流動(dòng)。這樣，可以精密地調(diào)節(jié)支撐流體的溫度以及相關(guān)的每個(gè)模具部件的模具表面的溫度，從而能夠改善所完成的工件的特性和/或改善工藝參數(shù)(例如時(shí)間和溫度)的控制。
Swenor等人的美國(guó)專利No.5,518,388披露了一種樹脂轉(zhuǎn)移模塑工藝和設(shè)備，其中模塑流體被泵送并通過(guò)監(jiān)測(cè)泵送速率和泵送循環(huán)來(lái)控制。采用這種技術(shù)，能夠確定出在樹脂容器和模具之間從泵中轉(zhuǎn)移到模具中的模塑流體的量，以便進(jìn)行控制。McCollum等人的PCT專利申請(qǐng)WO 98/12034(美國(guó)專利No.5,971,742)披露了一種用于模塑復(fù)合工件的設(shè)備。該設(shè)備包括流體支撐的模塑部件，它具有能夠提供快速的生產(chǎn)率的精確模塑結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的其它細(xì)節(jié)、目的和優(yōu)點(diǎn)將在以下優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述和附圖中變得更清楚。


通過(guò)結(jié)合附圖閱讀以下的詳細(xì)說(shuō)明可以獲得對(duì)本發(fā)明的更全面的了解，其中圖1為根據(jù)本發(fā)明的注射模塑設(shè)備的局部分解軸測(cè)圖；圖2為在將上模具部件裝配到下模具部件上之后沿著經(jīng)過(guò)直線II-II的垂直平面剖開的在圖1中所示的設(shè)備的剖視圖。
圖3為類似于圖1的注射模塑設(shè)備的另一個(gè)實(shí)施例的局部分解軸測(cè)圖，但是它還包括用于提供反饋以優(yōu)化模塑工藝的裝置。
圖4為圖1中的設(shè)備的一個(gè)實(shí)施例的分解透視圖，顯示出用于模塑一艇身。
圖5為與圖2類似的在圖4中所示的完全裝配好的模塑設(shè)備的剖視圖。
圖6為在圖4中所示的設(shè)備的簡(jiǎn)化示意圖，顯示出膜的可互換性。
圖7顯示出澆口組合式隔板裝配件的優(yōu)選實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
參照?qǐng)D1，本發(fā)明用于模塑復(fù)合工件的典型設(shè)備10包括模具組件12，它具有上模具部件14和下模具部件16，這兩個(gè)模具部件通過(guò)設(shè)置銷釘18和互補(bǔ)的銷釘接受件20將上模具部件14裝配到下模具部件16上，從而限定了一個(gè)具有相配合的模塑表面24、26的模腔22。具體地說(shuō)，每個(gè)上、下模具部件14、16包括剛性外殼28、30以及半剛性膜32、34，這些膜沿著膜的周邊(如通過(guò)凸緣36)被可移動(dòng)地和可密封地固定在相應(yīng)的外殼28、30上。凸緣36可以具有其幾何形狀對(duì)應(yīng)于半剛性膜32、34的幾何形狀的內(nèi)圓周以及其幾何形狀對(duì)應(yīng)于外殼38、30的幾何形狀的外圓周。因此，凸緣36是可重復(fù)使用的，從而當(dāng)半剛性膜32、34被脫開時(shí)，該凸緣36可以與舊的膜分離并安裝到一個(gè)新的上面。一旦被裝配好，外殼28、30和每個(gè)中空模具部件14、16的膜32、34共同在其中限定出密封的腔室38、40。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)特征，每塊膜32、34優(yōu)選相對(duì)較薄并且由一種復(fù)合涂覆層形成，該涂覆層在其最美觀的形式中可以簡(jiǎn)單地包括所要制作的工件的濺射坯料。而且，雖然每個(gè)膜32、34一般可以用纖維增強(qiáng)塑料制成，但是本發(fā)明還可以考慮采用由其它合適的材料如輕金屬板制成的半剛性膜32、34，這樣膜32、34就可以以對(duì)于那些本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)所公知的方式在壓力腔室中被方便地而又廉價(jià)地生產(chǎn)、成形和再成形。在這點(diǎn)上，應(yīng)該指出的是，本發(fā)明還可以考慮對(duì)每個(gè)模具部件14、16的相應(yīng)膜32、34采用相同的或不同的材料，這取決于如這些膜的所要求的特性(如其導(dǎo)熱性、可成形性和使用壽命)和/或總體工藝參數(shù)(如樹脂注入壓力、樹脂固化時(shí)間和模具裝配周期)。
每個(gè)中空模具部件14、16完全充滿一種由流體供應(yīng)管路44提供的基本上不可壓縮的導(dǎo)熱流體42。一旦中空模具部件14、16被充滿，則模具10就準(zhǔn)備好用來(lái)制造工件。每個(gè)中空模具部件14、16中的流體42在樹脂注入期間以在下面所進(jìn)一步描述的方式為每個(gè)受壓的膜32、34提供支撐。由于該流體是基本上不可壓縮的，所以任何施加在膜32、34上的力如內(nèi)部注入壓力可以通過(guò)該流體被轉(zhuǎn)移到剛性外殼28、30的壁上。
在圖2中所示的實(shí)施例中，支撐膜的流體42通?？梢允亲詠?lái)水，該自來(lái)水通過(guò)相應(yīng)的入口控制閥46和快接聯(lián)接件48由管路44被供應(yīng)給上、下模具部件14、16。一般來(lái)說(shuō)水是優(yōu)選的流體，因?yàn)樗阋?、易得到且環(huán)保。但是，用在不同的工作范圍的其它合適的支撐流體(如具有更高的蒸發(fā)溫度)對(duì)于那些本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是公知的。在每個(gè)入口閥46的下游可以采用壓力表50來(lái)監(jiān)測(cè)支撐流體進(jìn)入每個(gè)模具部件14、16的腔室38、40中的流速。為了方便每個(gè)腔室38、40的充入和排放，每個(gè)模具部件38、40可以具有通氣孔52，通過(guò)該通氣孔每個(gè)腔室38、40中的空氣就能夠在其充入支撐流體42的時(shí)候逸出。一旦被充滿，用通氣孔閥54將每個(gè)腔室的通氣孔52封住，從而為每個(gè)模具部件的膜/模塑表面24、26提供必要的剛度。
如圖2中所示，其中如膜32、34和模腔22的相對(duì)尺寸被放大，以便于說(shuō)明，每個(gè)模具部件14、16可以設(shè)有一種在密封腔室38、40中延伸的加熱/冷卻線圈系統(tǒng)，用來(lái)調(diào)節(jié)模塑腔22的溫度?？蛇x擇的加熱/冷卻線圈56可以通過(guò)快接聯(lián)接件58與普通的外部加熱裝置60和冷卻裝置61相連。這樣，線圈56連同加熱裝置60和冷卻裝置61一起操作，以精確地調(diào)節(jié)支撐流體42的溫度以及在整個(gè)注射模塑工藝過(guò)程中的每個(gè)膜32、34的模塑表面的溫度。雖然這些線圈在圖2中被顯示為位于膜32、34的后面附近，但是支撐流體42的導(dǎo)熱性使得在線圈56在每個(gè)模塑部分14、16中的布置方面可以有大的設(shè)計(jì)變化。因此，即使在使用這些線圈56的地方，支撐流體42的導(dǎo)熱性使得在線圈56在每個(gè)模塑部分14、16中的布置方面可以有大的設(shè)計(jì)變化，這會(huì)有利于給定的模具部件14、16以及線圈系統(tǒng)56采用多種多樣的膜32、34。實(shí)際上，在本發(fā)明中，雖然所例舉的設(shè)備10的膜32、34在圖2中被顯示為其厚度相對(duì)均勻，但是在本發(fā)明中，為控制模塑溫度的效率，允許采用厚度可變的膜32、34，這例如在生產(chǎn)具有加強(qiáng)筋的制成品時(shí)是理想的。
在每個(gè)模塑部件14、16中所充入的支撐流體42在與所要求的工藝溫度不同的溫度下被輸送的情況下，流體供應(yīng)管路44還可以包括膨脹腔室62，該腔室可以是一種低壓膨脹腔室。因此，在隨后將每個(gè)模具部件14、16加熱或冷卻到所要求的溫度時(shí)，任何在每個(gè)腔室38、40中所導(dǎo)致的熱膨脹都會(huì)由膨脹腔室62來(lái)調(diào)節(jié)，從而防止在膜32、34上出現(xiàn)扭曲和/或有害應(yīng)力。
回到附圖上，在圖2中可以看出，注入澆口64延伸穿過(guò)上模具部件14以提供一條通道，通過(guò)該通道來(lái)自模塑流體源66的所要求的熱固性樹脂可以在壓力的作用下通過(guò)合適的注入泵68被注入進(jìn)模腔22中。這種澆口64的數(shù)量和位置以本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所公知的方式取決于所要模塑的工件的結(jié)構(gòu)和所要求的特性以及所采用的模塑流體的流動(dòng)特性。在這點(diǎn)上，可以看出，在上、下模具部件14、16的相對(duì)的凸緣36之間設(shè)有一系列小通氣孔70，通過(guò)這些通氣孔，在將模塑流體注入進(jìn)模腔22期間夾帶的空氣可以被排放到大氣中?；蛘撸部梢圆捎闷渌脕?lái)使被夾帶的空氣從模腔22中逸出的常規(guī)方法。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)特征，該模塑設(shè)備10還可以包括在下模具部件16上大體上由參考數(shù)字72所示的機(jī)構(gòu)，用來(lái)使模具組件12或裝在下模具部件16中的支撐流體42振動(dòng)。模具組件12或支撐流體42在樹脂注入期間的振動(dòng)會(huì)有利于樹脂流動(dòng)穿過(guò)模腔22，并且還會(huì)提高任意位于其中的纖維增強(qiáng)坯件的飽和度和潤(rùn)濕性能。
根據(jù)本發(fā)明，在這些圖中所示的模塑設(shè)備10可以如下方式使用將一個(gè)或多個(gè)增強(qiáng)纖維坯件放進(jìn)由下模具部件16的“陰”模塑表面26所限定的模腔中。然后使上模具部件14下降到下模具部件16上，從而使每個(gè)模具部件14、16上的零件接合對(duì)準(zhǔn)，例如使銷釘18和相應(yīng)的銷釘接受件20定位。一旦合乎要求，然后上模具部件15就能夠例如通過(guò)使用合適的夾具(未示出)被固定在下模具部件16上。然后每個(gè)模具部件14、16與支撐流體供應(yīng)管路44相連，并且打開其相應(yīng)的通氣孔52并且操縱入口閥46，從而在開始注射模塑該工件之前用支撐流體將其中的腔室38、40充滿。在這點(diǎn)上，應(yīng)該理解的是，在開始注入工序之前，模具部件14、16只需要用支撐流體42充填一次。沒有必要在模塑工件之后排空每個(gè)模具部件14、16然后在模塑另外的工件之前再重新充填它們。
一旦這些腔室38、40被完全充滿，則用其相應(yīng)的通氣孔閥54將每個(gè)模具部件封住，并且操縱加熱裝置60和冷卻裝置61，以使每個(gè)模具部件14、16達(dá)到所要求的工作溫度。然后關(guān)閉每個(gè)模具部件14、16的入口閥46，以使其相應(yīng)的腔室38、40與流體供應(yīng)管路的膨脹腔室62隔離(該膨脹腔室在溫度正?；陂g已經(jīng)調(diào)節(jié)了支撐流體42的任何膨脹)。
然后在壓力的作用下通過(guò)注入澆口64將所要求的模塑流體注入模腔22中。對(duì)于那些本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所公知的是，注射模塑流體所選擇的流速取決于許多因素。
一旦模腔22完全充滿模塑流體，則注入停止。模腔22是否充滿可以通過(guò)模塑流體借助于形成在每個(gè)模具部件14、16的凸緣36中的進(jìn)氣口的排出而在視覺上來(lái)確認(rèn)，或者可以用傳感器來(lái)自動(dòng)地確認(rèn)。使用來(lái)自不同類型的傳感器的反饋來(lái)優(yōu)化該模塑工藝，這在下面將結(jié)合圖3的說(shuō)明來(lái)進(jìn)行詳細(xì)地描述。
每個(gè)模塑表面24、26的溫度可以通過(guò)操縱加熱裝置60和冷卻裝置61來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而提供最優(yōu)的固化速度，以使完成的工件得到所要求的表面光潔度和/或其它所要求的特性，或者優(yōu)化該模塑工藝。然后使模具部件14、16分開，并且可以用手或使用自動(dòng)推出機(jī)把完成的工件從模腔中取出。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)特征，由于膜32、34的半剛性特點(diǎn)，所以這些膜在模塑流體注入期間當(dāng)支撐流體42將所受到的注入壓力分布到膜32、34的整個(gè)表面上時(shí)，其尺寸可以稍微變化。這樣，這些半剛性膜32、34避免了有害應(yīng)力在注入期間集中在模塑表面24、26上。實(shí)際上，在注入期間，一個(gè)或兩個(gè)膜32、34的模塑表面24、26的稍微撓曲被認(rèn)為能進(jìn)一步改善或提高模塑流體流動(dòng)穿過(guò)模腔22，這個(gè)效果還可以通過(guò)有意地使所注入的模塑流體波動(dòng)來(lái)提高，所有這些都不會(huì)在模塑工具(膜32、34)上形成有害的沖擊。
為了優(yōu)化該模塑工藝，可以采用各種裝置來(lái)提供反饋，該反饋可以被用來(lái)調(diào)整模塑工序的不同參數(shù)例如注入速度，從而改善所模塑的工件的質(zhì)量。在圖3中所示為第二種類型的模塑設(shè)備110，它具有帶有類似于在圖1中所示的模塑設(shè)備10的模具114、116的模具組件112。如圖所示，模塑流體可以在注入泵168的作用下從模塑流體存放容器166中被排出。優(yōu)選地，該系統(tǒng)還可以包括位于泵168和注入澆口164之間的樹脂加熱裝置170、流速計(jì)172、壓力傳感器174以及混合頭176。
模塑設(shè)備110還可以包括用于提供反饋以優(yōu)化模塑工藝的特定優(yōu)選裝置?？梢圆捎脙?nèi)部和外部裝置來(lái)提供用于在進(jìn)行注入期間監(jiān)測(cè)和優(yōu)化模塑工序的反饋。模具內(nèi)部的傳感器可以包括例如溫度傳感器191，這些溫度傳感器可以設(shè)置在每個(gè)模具部件114、116中的多個(gè)位置處，以監(jiān)測(cè)模腔122中的溫度。這些溫度傳感器可以是那些本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所公知的裝置，例如RTDs以及熱電偶。其它內(nèi)部反饋系統(tǒng)可以包括在模具部件114、116內(nèi)部的壓力傳感器195以及在模腔122內(nèi)部的用于在模塑流體填充模腔122的時(shí)候探測(cè)它的過(guò)程的無(wú)源傳感器。這些無(wú)源傳感器198在圖4中所示為例如安放在陽(yáng)模膜200上。但是，這些無(wú)源傳感器198還可以位于陰模203上或位于兩個(gè)膜上。
所采用的壓力傳感器195也是那些本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所公知類型的裝置，它在模塑流體正在被注入進(jìn)模腔122的時(shí)候感知裝有流體的模具部件114、116中的壓力，并且提供指示模腔122中的壓力的反饋。在模腔122裝有模塑流體時(shí)，在模具部件114、116中所感知的壓力通常會(huì)逐漸地增加。但是，在模腔122逐漸完全充滿時(shí)，所感知的壓力通常會(huì)相對(duì)快速地增加。壓力方面的相對(duì)快速的增加表示模腔122基本上被充滿了，因此可以調(diào)整注入過(guò)程。另外，可以通過(guò)將壓力傳感器設(shè)置在模具膜200、203的一個(gè)或兩個(gè)上來(lái)感知與模腔自身相關(guān)的壓力。
用于在模塑流體充入模腔122時(shí)探測(cè)模塑流體的前沿的無(wú)源傳感器198可以是無(wú)源近程開關(guān)。這些開關(guān)被設(shè)計(jì)成用來(lái)探測(cè)流體的前沿而不會(huì)妨礙該流體通過(guò)模腔122。這些無(wú)源近程開關(guān)可以是那些本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所公知的類型，例如一種優(yōu)選的類型為電容式近程開關(guān)。
另外，還可以設(shè)有用于在注入過(guò)程中感知各種其它參數(shù)的外部裝置。例如，可以設(shè)置線速度/位移傳感器(LVDTs)，以探測(cè)什么時(shí)候整個(gè)模腔或部分模腔被充滿。LVDTs在模塑流體被注入進(jìn)模腔122時(shí)探測(cè)兩個(gè)模具部件114、116之間的位移。該位移量表示該模腔是否已經(jīng)被充滿或已經(jīng)被充入多少。在這里所采用的這種LVDTs是那些本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所公知的。
可以采用流速計(jì)172來(lái)在模塑流體正在被注入的時(shí)候監(jiān)測(cè)它的流速。而且，可以設(shè)置壓力表174來(lái)測(cè)量在模塑流體正在被注入處的壓力。如果注入壓力在所要求的壓力范圍之外的話，則可以由此來(lái)調(diào)整該注入速率。用于優(yōu)化該模塑工藝的另一種裝置為模塑流體加熱裝置170，該裝置被用來(lái)加熱模塑流體。如在圖3中所示，加熱裝置170可以優(yōu)選地被設(shè)在位于注入泵168和流速計(jì)172之間的系統(tǒng)中，從而就可以監(jiān)測(cè)由加熱裝置170所引起的流速的變化。
除了這些傳感器裝置之外，還可以設(shè)置支撐流體泵，從而通過(guò)在注入結(jié)束之后將流體送進(jìn)模具部件中來(lái)增加任意一個(gè)模具部件114、116中的壓力。這就增加了模具部件中的壓力，該壓力有效地使模腔122中的壓力增加。這對(duì)于例如在模具被充滿之后用來(lái)加速樹脂的固化過(guò)程從而加快周期是理想的。
即使在模塑流體正在被注入的時(shí)候，來(lái)自所有上述內(nèi)部和外部裝置的反饋也都可以被方便地用來(lái)優(yōu)化模塑工藝。這些傳感器一起形成了一種響應(yīng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)被設(shè)計(jì)用來(lái)關(guān)閉CNC注入機(jī)構(gòu)和浮動(dòng)模具之間的回路。該響應(yīng)系統(tǒng)允許注入過(guò)程能夠根據(jù)實(shí)際的模塑條件和參數(shù)來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)地調(diào)整，以便即使在模腔122正在被充入模塑流體的時(shí)候也能優(yōu)化該注入過(guò)程。這個(gè)動(dòng)態(tài)控制并優(yōu)化模塑過(guò)程的能力還有利于降低周期并改善模塑工件的外觀以及降低設(shè)備的磨損。
中空的裝有流體的模具部件14、16、114、116具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性，該導(dǎo)熱性使得能夠進(jìn)行優(yōu)良的模具溫度控制。相反，在開放式設(shè)備中，熱固性模塑工藝迫使用公式表示的液流學(xué)在室溫下工作。因此，這種模塑工藝受到室溫變化的影響。例如，有經(jīng)驗(yàn)的復(fù)合件制造者根據(jù)天氣條件會(huì)利用不同的化學(xué)公式來(lái)優(yōu)化該熱固性材料的固化，如選擇冬天和夏天的樹脂或早上和下午的催化劑量。這種特別的調(diào)節(jié)方法可以通過(guò)預(yù)測(cè)天氣來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)。相反，根據(jù)本發(fā)明的浮動(dòng)模具提供了一種穩(wěn)定的且可控制的模具表面溫度，它允許無(wú)須補(bǔ)償室溫條件就能進(jìn)行模塑。所控制的溫度范圍使得液流學(xué)的周期更快并且其附帶的優(yōu)點(diǎn)在于化學(xué)反應(yīng)的最佳控制限制條件不會(huì)受到室溫范圍的影響，該室溫范圍在別的方式中會(huì)影響生產(chǎn)率。因此，這種封閉式模具系統(tǒng)在模塑部件的生產(chǎn)中形成了新的可控制和可預(yù)見性。
在根據(jù)本發(fā)明的模塑設(shè)備的結(jié)構(gòu)中，如上面結(jié)合圖1-3所描述的一樣，可以采用一種標(biāo)準(zhǔn)模型來(lái)形成一對(duì)模塑表面。如在圖4至6中所示，制成一個(gè)陽(yáng)模膜200和一個(gè)陰模膜203以在它們之間形成適當(dāng)?shù)目涨怀叽?。?yōu)選的是，澆口164、傳感器以及其它許多通過(guò)模具膜200、203與模腔122相關(guān)的零件可以采用被可拆卸地相連的模塊式隔板裝配件，如在圖5中所示的澆口隔板裝配件235和無(wú)源近程開關(guān)裝配件。這些隔板裝配件可以被安裝在膜200、203上，作為例如在圖7中所示的澆口164的隔板裝配件。其它類型的隔板裝配件例如無(wú)源近程開關(guān)裝配件可以以類似的方式或以其它普通技術(shù)人員所公知的方法進(jìn)行安裝。在任一結(jié)構(gòu)中，組合式裝配件235、245可以被用來(lái)可拆卸地使所需的模塑零件與模具膜200、203相連。這樣，所有必要的封閉式模塑零件和傳感器都能夠被快速地與模塑膜200、203相連或被拆卸下來(lái)。該模塑零件和傳感器可以包括如澆口、自動(dòng)推出機(jī)以及各種傳感器如熱電偶和近程開關(guān)。因此，沒有必要把每個(gè)單獨(dú)的零件和傳感器直接層壓進(jìn)模具膜中。代替的是，所有零件被可拆卸地與模塊式裝配件235、245相連，以便于更換模具。當(dāng)更換這些膜200、203時(shí)，快接式零件簡(jiǎn)單地與所更換的膜200、203分離并且重新與設(shè)在更換模具膜224、227上的模塊式裝配件235、245相連。但是，這些部件以及安裝凸緣可以選擇性地被直接層壓模塑進(jìn)模具膜200、203中。
為了形成兩個(gè)模具，可以形成一對(duì)通用的容器209、212，一個(gè)用于陽(yáng)膜200，另一個(gè)用于陰膜203。每個(gè)通用容器209、212的框架設(shè)有外皮210、213，該外皮可以由例如金屬薄板來(lái)制成，以形成閉合的剛性模具部件114、116?？梢栽O(shè)有凸緣215，其內(nèi)圓周對(duì)應(yīng)于模具膜200、203的幾何形狀，其外圓周對(duì)應(yīng)于通用容器209、212的幾何形狀。凸緣215可以被連至每個(gè)模具膜200、203。每個(gè)模具膜200、203通過(guò)凸緣215被連接至其各自對(duì)應(yīng)的通用容器209、212上，以在每個(gè)通用容器和其對(duì)應(yīng)的模具膜之間形成不漏液體的密封。一旦模具膜200、203被密封至模具部件114，116，每個(gè)模具部件便充滿支撐流體42，如圖4所示。可以采用由兩個(gè)模具部件114，116以及所連接的膜200，203構(gòu)成的單個(gè)模具112，以通過(guò)更換連接在每個(gè)通用容器209，212的陽(yáng)性模具膜200和陰性模具膜203來(lái)簡(jiǎn)單地生產(chǎn)各種不同的工件。
由圖3中可以看出，中空模具部件14、16的每個(gè)剛性外殼28、30形成了一個(gè)腔，該腔由圖6中L、W和H所分別代表的外殼28、30的長(zhǎng)度、寬度和高度確定了一個(gè)固定容積。該容積，尤其是陰模具部件14的容積限定了工作包絡(luò)面，半剛性膜32、34必須與該包絡(luò)面相配合。盡管在圖2中所示的半剛性膜32、34具有簡(jiǎn)單的“輪轂”形，但是實(shí)際上該半剛性膜32、34可以被形成為任何不同的形狀，例如如圖4-6所示，它只受主要由陰模部分32的固定尺寸限定的工作包絡(luò)面的尺寸所限制。在結(jié)合圖6時(shí)將會(huì)詳細(xì)描述，通過(guò)簡(jiǎn)單地替換不同形狀的半剛性膜32、34，同樣的剛性外殼28、30可以被用來(lái)模塑不同形狀的工件。
當(dāng)模具部件114、116已經(jīng)充滿了支撐流體42并且所有的空氣從每個(gè)模具部件的內(nèi)部被排出時(shí)，該設(shè)備就已經(jīng)準(zhǔn)備好用于模塑工件。兩個(gè)裝配好的模具部件114、116可以被放置在一個(gè)提升機(jī)架(未顯示)中，該機(jī)架被用于使得模具打開和關(guān)閉以制造工件。由于支撐流體42的不可壓縮性，該浮動(dòng)模具是剛性液壓系統(tǒng)。作用在模具膜200、203上的任何力，例如內(nèi)部注入壓力，會(huì)通過(guò)支撐流體42而傳遞至通用容器209、212。該通用容器被設(shè)計(jì)成可處理由注入過(guò)程產(chǎn)生的最大潛在壓力。一般來(lái)說(shuō)，這種模具可以被在任何低壓注入過(guò)程中使用。
盡管在圖4中沒有顯示出，但是每個(gè)模具部件114，116可以設(shè)有圖2中所描述的加熱線圈56。供選擇的加熱線圈56可同樣被連接至加熱裝置160和冷卻裝置161，用于控制支撐流體42的溫度。
為了生產(chǎn)工件，把已充滿的模具部件114，116關(guān)閉，從而開始注入過(guò)程。因?yàn)槊總€(gè)模具部件114，116都充滿了流體，因此模具具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，它可以大大改善模具表面的溫度控制，從而降低了生產(chǎn)周期，并改善了外觀。如圖6所示，模塑不同形狀的工件就是取出一套模具膜200、203并換上具有不同形狀的另一套這樣簡(jiǎn)單。浮動(dòng)模具的一些好處在于靈活、成本降低、可快速推向市場(chǎng)、以及提高閉合模塑性能。例如當(dāng)工件設(shè)計(jì)改變時(shí)，不需要制造新的模具并淘汰現(xiàn)有模具，或進(jìn)行昂貴的模具改造，只需簡(jiǎn)單的將模具膜替換即可。該模具膜可以是復(fù)合的層狀物，它可以被再造成價(jià)格可比的光面的、濺射成型的或人工層壓的模具。浮動(dòng)模具的通用容器209，212限定了所謂的“工作包絡(luò)面”。它意味著任何將被裝進(jìn)通用容器209，212并且主要是最終通用容器212的L、W和H中的工件，都可以通過(guò)簡(jiǎn)單地生產(chǎn)出新的陽(yáng)膜200和陰膜203的模具膜并將它們連接在通用容器209，212上進(jìn)行生產(chǎn)。因此通用容器209，212的模具制造成本就被優(yōu)化了。
如圖4-6所示，浮動(dòng)模具應(yīng)用的良好實(shí)例是船甲板和船身的模塑。模塑者可以容易地更換模具部件114，116的膜200，203，以在需要時(shí)制造不同的工件。浮動(dòng)模具被設(shè)計(jì)成使得能夠在不到十分鐘的時(shí)間內(nèi)來(lái)更換整個(gè)模具。
除了使用閉合循環(huán)的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)之外，裝有不可壓縮流體仍然是本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)樵摿黧w被限制在每一個(gè)模具部件14，16(或114，116)內(nèi)，并且因?yàn)榱黧w是不可壓縮的，因此它用來(lái)加強(qiáng)膜32，34(或200，203，224，227)。通過(guò)使用該流體，該模塑膜可以由非常薄的層形成。因此，增強(qiáng)了被模塑的工件的熱傳遞控制，從而就可以更容易和更廉價(jià)地形成這些模具膜。優(yōu)選的是，每一個(gè)模具膜可以由高導(dǎo)熱性材料形成。相對(duì)較大體積的流體，例如水，也可以提供相對(duì)較穩(wěn)定的溫度環(huán)境，因?yàn)樗梢宰柚箤?duì)模塑的工件有不利影響的溫度快速波動(dòng)的出現(xiàn)。
現(xiàn)參照?qǐng)D7，該圖顯示出用于將澆口164可拆卸地連接至模具膜200的模塊式隔板組件229具有三個(gè)基本部件模具外殼隔板裝配件230，它與模具外殼209相連；延伸部件232，它具有適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度，以跨越外模具外殼209至模具膜200的距離；以及模具膜隔板裝配件235，它與模具膜200相連。模具膜隔板235235包括其一端穿過(guò)模具膜200而凸出的隔板體236。隔板螺母240在模具膜200與隔板體相對(duì)的內(nèi)側(cè)上連接至隔板體236。插孔241可以設(shè)在隔板體236上，用于接收將隔板螺母240固定至隔板體236上的緊固件242?？梢圆捎盟镜膲|圈237和O形環(huán)238來(lái)進(jìn)行適當(dāng)?shù)拿芊?。延伸部?32在其一端可以具有接收部分233，用于連接至隔板體236。一旦裝配好之后，如果需要更換膜，模具膜隔板裝配件235可以容易地與模具膜200脫開?？梢岳斫?，對(duì)于將一些部件和傳感器可拆卸地連接至模具膜，普通技術(shù)人員可以采用其它的替換方式。
另外，盡管在這里已經(jīng)描述了本發(fā)明的特定優(yōu)選實(shí)施例，但是可以理解，可以對(duì)本發(fā)明作出改進(jìn)。本發(fā)明的范圍在后附權(quán)利要求書中進(jìn)行了限定。
權(quán)利要求
1.一種模塑工件的方法，包括a.將第一和第二剛性中空模具部件以相互對(duì)置并隔開的方式布置；b.在連接在所述第一中空模具部件一側(cè)上的第一半剛性膜和連接在所述第二中空模具部件一側(cè)上并與所述第一半剛性膜相鄰的第二半剛性膜之間限定出一模腔，從而當(dāng)所述第一和第二中空模具部件閉合在一起來(lái)模塑工件時(shí)，所述第一和第二半剛性膜彼此對(duì)置，以在它們之間形成所述模腔；c.將基本上不可壓縮的支撐流體充入所述第一和第二剛性中空模具部件，從而在所述模腔內(nèi)產(chǎn)生的模塑壓力從所述第一和第二半剛性膜傳遞給所述第一和第二剛性中空模具部件；d.通過(guò)一個(gè)與所述第一和第二剛性中空模具部件流體相通的膨脹腔調(diào)節(jié)支撐流體的熱膨脹；e.將模塑流體注入所述模腔，以生產(chǎn)出模塑工件；f.監(jiān)測(cè)所述注入模塑流體的流速；g.檢測(cè)指示所述模腔正在充入所述模塑流體的至少一個(gè)參數(shù)；h.根據(jù)所述至少一個(gè)參數(shù)控制所述流速；以及其中，還包括在將模塑流體注入所述模腔期間使所述剛性中空模具部件與所述膨脹腔隔離。
2.一種模塑復(fù)合工件的方法，包括a.將第一和第二剛性中空模具部件以相互對(duì)置并隔開的方式布置；b.在連接在所述第一中空模具部件一側(cè)上的第一半剛性膜和連接在所述第二中空模具部件一側(cè)上并與所述第一半剛性膜相鄰的第二半剛性膜之間限定出一模腔，從而當(dāng)所述第一和第二中空模具部件閉合在一起來(lái)模塑工件時(shí)，所述第一和第二半剛性膜彼此對(duì)置，以在它們之間形成所述模腔；c.將基本上不可壓縮的支撐流體充入所述第一和第二剛性中空模具部件，從而在所述模腔內(nèi)產(chǎn)生的模塑壓力從所述第一和第二半剛性膜傳遞給所述第一和第二剛性中空模具部件；d.通過(guò)一個(gè)與所述第一和第二剛性中空模具部件流體相通的膨脹腔調(diào)節(jié)支撐流體的熱膨脹；e.在將所述第一和第二模具部件閉合在一起來(lái)模塑工件之前，在所述第一和第二半剛性膜之間插入增強(qiáng)材料；f.將第一和第二模具部件相對(duì)著閉合，從而所述增強(qiáng)材料被夾在所述模腔內(nèi)；g.將所述第一和第二模具部件以及夾在所述模腔內(nèi)的增強(qiáng)材料剛性地固定一起；h.在壓力下把模塑流體注入所述模腔中，以生產(chǎn)模塑工件；i.監(jiān)測(cè)所述注入模塑流體的流速；j.檢測(cè)指示所述模腔正在充入所述模塑流體的至少一個(gè)參數(shù)；k.根據(jù)所述至少一個(gè)參數(shù)控制所述流速；以及其中，還包括在將所述模塑流體注入模腔期間使模塑流體波動(dòng)的步驟。
3.一種模塑工件的方法，包括a.將第一和第二剛性中空模具部件以相互對(duì)置并隔開的方式布置；b.在連接在所述第一中空模具部件一側(cè)上的第一半剛性膜和連接在所述第二中空模具部件一側(cè)上并與所述第一半剛性膜相鄰的第二半剛性膜之間限定出一模腔，從而當(dāng)所述第一和第二中空模具部件閉合在一起來(lái)模塑工件時(shí)，所述第一和第二半剛性膜彼此對(duì)置，以在它們之間形成所述模腔；c.將基本上不可壓縮的支撐流體充入所述第一和第二剛性中空模具部件，從而在所述模腔內(nèi)產(chǎn)生的模塑壓力從所述第一和第二半剛性膜傳遞給所述第一和第二剛性中空模具部件；d.檢測(cè)所述支撐流體的溫度；e.控制所述支撐流體的溫度，以通過(guò)一位于所述第一和第二剛性中空模具部件中的線圈系統(tǒng)調(diào)整所述模腔的溫度；f.將模塑流體注入所述模腔，以生產(chǎn)出模塑工件；g.監(jiān)測(cè)所述注入模塑流體的流速；h.檢測(cè)指示所述模腔正在充入所述模塑流體的至少一個(gè)參數(shù)；以及i.根據(jù)所述至少一個(gè)參數(shù)控制所述流速。
4.一種模塑工件的方法，包括a.將第一和第二剛性中空模具部件以相互對(duì)置并隔開的方式布置；b.可移動(dòng)地安裝連接在所述第一中空模具部件一側(cè)上的第一半剛性膜和連接在所述第二中空模具部件一側(cè)上的第二半剛性膜，以在每個(gè)模具部件中限定出一流體密封腔室；c.將所述半剛性膜布置成當(dāng)所述第一和第二中空模具部件閉合在一起來(lái)模塑工件時(shí)，所述第一和第二半剛性膜彼此對(duì)置，以在它們之間形成所述模腔；d.將基本上不可壓縮的支撐流體充入所述第一和第二剛性中空模具部件，從而在所述模腔內(nèi)產(chǎn)生的模塑壓力從所述第一和第二半剛性膜傳遞給所述第一和第二剛性中空模具部件；e.通過(guò)一個(gè)與所述第一和第二剛性中空模具部件流體相通的膨脹腔調(diào)節(jié)支撐流體的熱膨脹；f.將模塑流體注入所述模腔，以生產(chǎn)出模塑工件；g.監(jiān)測(cè)所述注入模塑流體的流速；h.檢測(cè)指示所述模腔正在充入所述模塑流體的至少一個(gè)參數(shù)；以及i.根據(jù)所述至少一個(gè)參數(shù)控制所述流速。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，包括在將所述模塑流體注入模腔期間使模塑流體波動(dòng)的步驟。
6.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，包括在將所述模塑流體注入模腔期間使模具組件振動(dòng)的步驟。
全文摘要
一種模塑復(fù)合工件的方法，包括采用帶有第一和第二模塑膜(32，34)的一對(duì)對(duì)置的中空模具部件(14，16)，所述模塑膜限定了一模腔(22)。在每個(gè)模具部件(14，16)中充滿基本上不可壓縮的導(dǎo)熱流體。模腔(22)的溫度可以通過(guò)調(diào)節(jié)該導(dǎo)熱流體的溫度來(lái)控制。通過(guò)檢測(cè)模塑流體的注入和固化過(guò)程中的各種參數(shù)(例如壓力、流速、溫度以及模腔的充填程度等)可以優(yōu)化模塑過(guò)程。
文檔編號(hào)B29C45/37GK1506208SQ20031010121
公開日2004年6月23日 申請(qǐng)日期2000年3月10日 優(yōu)先權(quán)日1999年3月12日
發(fā)明者羅伯特·P·麥科勒姆, 吉恩·E·基里拉二世, E 基里拉二世, 羅伯特 P 麥科勒姆 申請(qǐng)人:Vec技術(shù)公司