專利名稱：使用感應(yīng)加熱加工材料的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用感應(yīng)加熱的設(shè)備和方法，尤其是為了加工或模制 材料，尤其是熱塑性基體復(fù)合材料或熱固性材料。
背景技術(shù)：
為了實現(xiàn)塑料部件或復(fù)合材料部件的模制，現(xiàn)有技術(shù)的感應(yīng)加熱法 具有加熱大部分模殼的缺點。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明將感應(yīng)加熱限制于表面，以使加熱局部化于模具/材料界面 處，由此限制能量消耗并因此提高了設(shè)備的能量效率。因為模具體積的 很小部分進(jìn)行了感應(yīng)加熱，所以隨著加熱時間和冷卻時間的減少還提高 了生產(chǎn)率。本發(fā)明的目的還在于降低設(shè)備的成本。本發(fā)明由此涉及一種用于加工(尤其是通過模制)材料尤其是熱塑 性基體復(fù)合材料或熱固性材料的設(shè)備，該設(shè)備包括-兩個相對于彼此可移動的模殼，所述模殼由導(dǎo)電材料制成，每一 個模殼包括設(shè)計成與待加工材料接觸的模制區(qū)，以及-感應(yīng)裝置，所述感應(yīng)裝置用于產(chǎn)生包圍所述模殼的頻率為F的磁場，-除模制區(qū)之外，兩個模殼的至少一個的設(shè)置為面對感應(yīng)裝置的面 涂覆有防止磁場透入模殼的由非磁性材料制成的屏蔽層。在模制階段期間模殼彼此電絕緣，使得兩個模殼的面限定空氣間 隙，在所述空氣間隙中流動在每個模殼的模制區(qū)表面處感生電流的磁 場，因此將加熱局部化于模制區(qū)和待加工材料之間的界面處。根據(jù)一個實施方案，兩個模殼涂覆有屏蔽層。根據(jù)一個實施方案，模殼包含磁性化合物，其優(yōu)選具有高的相對磁 導(dǎo)率和電阻率，例如基于鎳的鋼、基于鉻的鋼和/或基于鈦的鋼。根據(jù)一個實施方案，僅一個模殼涂覆有屏蔽層，而另一個模殼包含 非磁性材料，所述非磁性材料優(yōu)選具有低的電阻率，例如鋁。根據(jù)一個實施方案，涂覆有屏蔽層的模殼包含磁性化合物，其優(yōu)選 具有高的相對磁導(dǎo)率和電阻率，例如基于鎳的鋼、基于鉻的鋼和/或基 于鈦的鋼。根據(jù)一個實施方案，屏蔽層還覆蓋兩個模殼的兩個相互面對的面的 至少一個的不構(gòu)成模制區(qū)的部分。根據(jù)一個實施方案，屏蔽區(qū)還包括固定到磁性模殼的金屬片，該金 屬片例如是通過釬焊或螺紋連接固定的。根據(jù)一個實施方案，屏蔽層包括沉積的材料，尤其是電鍍的材料。根據(jù)一個實施方案，屏蔽層的厚度e至少等于e = 50*(p/F)1/2 p是非磁性材料的電阻率，F(xiàn)是磁場的頻率。才艮據(jù)一個實施方案，頻率F至少等于25KHz，并優(yōu)選至多等于100 KHz。根據(jù)一個實施方案，屏蔽層包含低電阻率的非磁性材料，例如銅或鋁。根據(jù)一個實施方案，將電絕緣層施加到至少一個模殼的模制區(qū)，以 完善這些殼的電絕緣，尤其是在待加工的材料是導(dǎo)電材料時。根據(jù)一個實施方案，感應(yīng)裝置包括兩個部分，每一部分固定連接到 模殼之一上以使設(shè)備能夠打開，并能夠隨各自的模殼移動。根據(jù)一個實施方案，感應(yīng)裝置的兩個部分通過至少一個電接觸器電連接，所述電接觸器能夠在加工階段期間在一個模殼相對另 一個模殼移 動期間保持接觸。本發(fā)明還涉及一種使用以上限定的設(shè)備制造部件、尤其是大批量制 造部件的方法。


通過參照附圖的非限制性的實施例，從下面的描述會顯示出本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點，其中一圖1顯示根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備，-圖2顯示在材料加工過程中的圖1的設(shè)備，-圖3a和3b顯示用于如圖l所示設(shè)備的感應(yīng)器的兩種不同的布置， 這些圖對應(yīng)于沿圖2的剖線3-3的圖，-圖4顯示設(shè)備的一個變化方案，以及-圖5顯示第二變化方案。
具體實施方式
如圖1和2所示的模制設(shè)備包括兩個相對于彼此移動的模殼10和 20。所述模殼10、 20由磁性材料制成，其一部分分別構(gòu)成模殼10的模 制區(qū)12和模殼20的模制區(qū)22。模制區(qū)12、 22位于模殼的兩個相互面 對的面上。與電流發(fā)生器并聯(lián)或串聯(lián)電連接的感應(yīng)器30的網(wǎng)絡(luò)位于模殼的周 圍。每個感應(yīng)器30包括導(dǎo)電線團(tuán)并包括兩個可分離的部分32、 34，每 個可分離的部分分別固定連接到模殼10、 20。除模制區(qū)12、 22之外，每個模殼IO、 20的一部分外表面襯有屏蔽 層14、 24。在該實施例中，所述屏蔽層覆蓋模殼的設(shè)置為面對感應(yīng)器 30的外表面和兩個模殼的相互面對的面的一部分。然而，模殼不面對感 應(yīng)器的外表面(即與圖1的平面平行的面)不必涂覆屏蔽層，這是因為所 產(chǎn)生的磁場對這些面的影響非常有限。圖l顯示模制前彼此隔開一定距離的兩個模殼，圖2與圖l類似并 且顯示在模制操作期間的兩個模殼。如圖2所示，在材料40的加工過程中，該材料夾緊在兩個模殼的 模制區(qū)12、 22之間并保持在壓力下。然后該材料在這兩個模殼10、 20 之間提供電絕緣。通過該電絕緣，由兩個模殼的相對表面限定的空間構(gòu) 成能夠使磁場在該空間中環(huán)流的空氣間隙42。當(dāng)包括導(dǎo)電線團(tuán)30的感應(yīng)裝置通過頻率為F例如25 ~ 100 KHz的 交變電流Ii時，所述感應(yīng)器產(chǎn)生包圍模殼10、 20的磁場。如此產(chǎn)生的磁場跨越模殼并在空氣間隙中即在模殼之間環(huán)流。磁場在與電流Ii的方向相反的方向感生電流，并且空氣間隙的存在 使得能夠產(chǎn)生在兩個模殼的每一個的表面上流動的感生電流Icl和Ic2。屏蔽層防止磁場到達(dá)除模制區(qū)之外的模殼。因此這些感生電流Icl 和Ic2主要在模制區(qū)的表面上具有熱作用，從而所述模制區(qū)的表面是通 過感應(yīng)器的作用而被加熱的主要區(qū)域。由于所述屏蔽是非磁性的，所以 其幾乎沒有被感應(yīng)加熱。為了可以使設(shè)備有效地工作，屏蔽層的厚度必須大于磁場的穿透深 度(夕卜皮厚度(6paisseurdepeau))。因此，防止磁場到達(dá)模殼并防止在除 模制區(qū)之外的地方加熱模殼。為了確定所需的屏蔽層的厚度，使用下式<formula>formula see original document page 7</formula>其中，p是非磁性材料的電阻率，^tr是材料的相對磁導(dǎo)率，并且F是感 生電流的頻率。對于非磁性材料，jtr=l,上式變?yōu)閑 = 50*(p/F)1/2。 為了使磁性屏蔽能夠有效，非磁性材料層的厚度必須大于在25 KHz到 100 KHz的上述頻率時的外皮厚度，所述外皮厚度小于1亳米。由于空氣間隙42的存在具有使磁通量在其內(nèi)集中的作用，所以本 發(fā)明的設(shè)備是尤其有效的，由此進(jìn)一步增強磁場在模制區(qū)處的作用，并 且因此將感應(yīng)能量提供于模制區(qū)的表面。因此，根據(jù)本發(fā)明的一個設(shè)備具有直接在模制區(qū)/材料界面處而不是 模殼的厚度內(nèi)來局部加熱模制區(qū)的優(yōu)點。這相當(dāng)于明顯節(jié)省了能量。這 類的設(shè)備還具有簡單和制造成本低廉的優(yōu)點。因為空氣間隙42(圖3a和3b)使由感應(yīng)器提供的能量"均勻分布"， 所以空氣間隙還具有限制感應(yīng)器的幾何形狀和/或分布對所產(chǎn)生加熱的 影響的作用。因此，均勻地分布在模具長度上的感應(yīng)線圏30、 30'4(圖 3b)實際上具有與分布在較短長度上的相同數(shù)量的感應(yīng)線圏3(K 304(圖 3a)相同的效果。該布置使得可以隨意地選擇感應(yīng)線團(tuán)的分布。通過多種方法可以將非磁性材料層固定到模殼上，例如通過金屬片 的固定或通過材料的沉積例如通過電鍍。用于形成屏蔽的非磁性材料優(yōu)選具有低電阻率，以限制能量損失。 所述材料例如為銅或鋁。用于模殼的磁性材料是磁性化合物，其可以具有高于銅的居里 (Curie)溫度以及電阻率，例如基于鎳的鋼合金、基于鉻的鋼合金和/ 或基于鈦的鋼合金。因為模殼的高電阻率能夠更有效地感應(yīng)加熱，所以 其是優(yōu)點。然而，必須注意到構(gòu)成模殼的材料的磁導(dǎo)率也影響感應(yīng)加熱 的效率。實際上，如果我們參考上式，則高的相對磁導(dǎo)率導(dǎo)致較低的磁 場穿透深度，因此相同量的能量分布在更有限的區(qū)域上，其結(jié)果是更強 地加熱。當(dāng)材料具有居里點時，在接近于該居里點的溫度下模殼的材料失去 其磁性，并且感應(yīng)加熱急劇減小，由此能夠?qū)⒓訜釡囟日{(diào)節(jié)到居里點附 近。如圖l和2所示的設(shè)備具有冷卻系統(tǒng)，以能夠高速率地通過加熱制 造或加工部件，在兩個加工操作之間進(jìn)行所述冷卻。為此，在每個模殼 中，提供能夠使冷卻液體在模制表面12、 22附近流動的通道18、 28的 網(wǎng)絡(luò)。第一因為所述金屬模殼是高度導(dǎo)熱的、第二因為所述通道可以設(shè) 置得盡可能靠近模制區(qū)12、 22,所以如此得到的冷卻進(jìn)行得非常好。在模制復(fù)合材料的情況下，在加熱和成形循環(huán)后，利用冷卻使復(fù)合 材料以其限定的形式凝固。與已知的系統(tǒng)不同，本發(fā)明的裝置將磁場作用和熱效應(yīng)集中在模制 區(qū)附近。結(jié)果，由于使加熱更局部化，所以在冷卻過程中散逸的熱能更 少，因此冷卻過程更快。由此，降低了設(shè)備的循環(huán)時間，因此顯著地提 高了生產(chǎn)率。圖l標(biāo)出每個模殼10、20和襯于其上的非磁性材料層之間的邊界f。 該邊界f相對于模制區(qū)12、 22的位置對加熱性能有影響，因此對模制 有影響。利用本發(fā)明的設(shè)備，通過增加材料或除去材料容易地改變邊界 f的位置，由此在設(shè)備的設(shè)計中提供極大的靈活性。實際上，能夠在加 工測試尤其是模制之后在實際條件下調(diào)整邊界的位置。由于感應(yīng)器由固定連接到模具上的兩個可分離的部分32、 34構(gòu)成， 所以兩個模殼易于分離。這能夠在模制之后快速地取出部件40，因此有 助于以高的速率制造。在材料加工期間，通過電接觸器36確保感應(yīng)器 網(wǎng)絡(luò)的兩個部分32、 34之間的電連續(xù)性。該接觸器允許感應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)的 兩個部分32、 34相對移動，這是因為材料的加工通常在恒定壓力下進(jìn) 行，但這導(dǎo)致材料厚度的減小，由此導(dǎo)致兩個模殼10、 20之間的距離 減小。導(dǎo)電復(fù)合材料的加工必須使用所述設(shè)備的變體。實際上，在導(dǎo)體材 料例如基于碳纖維的材料時，不總是完全確保兩個模殼之間的電絕緣， 局部可能出現(xiàn)短路，產(chǎn)生可能影響待加工材料表面和/或模制區(qū)表面的 電弧。為了改進(jìn)電絕緣并因此防止任何短路的危險，將電絕緣層沉積到 兩個模制區(qū)12、 22的至少一個上。這樣的層包括例如Teflon、無定形 碳、玻璃纖維或基于陶瓷的材料。該層在約l微米的厚度時必須具有溫 度穩(wěn)定性和合適的機械強度。常規(guī)地，還設(shè)置了用于彈出所制造部件的機械裝置(未示出)。因此，如此進(jìn)行的制造方法主要包括四個步驟-將待加工部件的一種或更多種材料置于設(shè)備的下模殼上，-加熱兩個模制區(qū)，并對所述兩個模制區(qū)之間的材料施加壓力給定 的時間，-對所述模殼進(jìn)行冷卻，以冷卻所述部件； -升高上模殼并彈出/移出所述部件。如此進(jìn)行的方法廣泛地受益于通過根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備提供的優(yōu)點， 尤其是在生產(chǎn)率方面對模制區(qū)的局部加熱使循環(huán)時間最小化。通過增加或除去屏蔽層的部分易于調(diào)整加熱區(qū)，這提供大的靈活 性根據(jù)第一次測試期間得到的結(jié)果，容易改變設(shè)備。最后，因為屏蔽層14、 24不需要任何復(fù)雜或昂貴的制造，所以經(jīng) 濟地制造設(shè)備。如圖4所示的根據(jù)本發(fā)明的一個變化方案能夠得到更簡單的設(shè)備， 尤其是在加工非常精細(xì)部件的情況下，尤其是厚度小于1毫米的部件。 實際上，使用這樣的厚度以將加熱限制于部件的僅一個面。本發(fā)明使用 其中兩個模殼中的一個不襯有屏蔽層的設(shè)備，該模殼(70)包含非磁性材 料。因此，不透過磁場的該模殼(70)總能提供空氣間隙，在所述空氣間 隙中流動由感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)(74)產(chǎn)生的磁場。因此，主要在涂覆有屏蔽層的模 殼72的模制區(qū)處進(jìn)行感應(yīng)加熱。因為模殼(70)不包括任何屏蔽層，所以 這樣的設(shè)備制造價格低廉。在圖4的實施例中，模殼70沒有任何冷卻 回路。另一個變化方案(圖5)僅提供一個周圍布置感應(yīng)線團(tuán)52的模殼50。在 該結(jié)構(gòu)中，圍繞模殼的屏iUi:在不存在任何空氣間隙時使加熱局部化于模 制區(qū)60上。不存在該空氣間隙使得所述設(shè)備對感應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)的幾何形狀更敏 感，但是通#蔽層使加熱局部化于模制區(qū)的表面上。
權(quán)利要求
1.一種用于通過加熱加工、尤其是模制特別是熱塑性基體復(fù)合材料或熱固性材料的設(shè)備，其包括-兩個相對于彼此可移動的模殼(10、20)，所述兩個模殼由導(dǎo)電材料制成并包括設(shè)計成與所述待加工材料接觸的模制區(qū)(12、22)，以及-感應(yīng)裝置(30)，所述感應(yīng)裝置用于產(chǎn)生包圍所述模殼的頻率為F的磁場，-除所述模制區(qū)(12、22)之外，所述兩個模殼(10、20)中的至少一個的設(shè)置為面對感應(yīng)裝置的面涂覆有防止所述磁場透入所述模殼(10、20)的由非磁性材料制成的屏蔽層(14、24)，在模制階段期間所述模殼彼此電絕緣，使得所述兩個模殼的面限定空氣間隙(42)，在所述空氣間隙中流動在每個模殼(10、20)的所述模制區(qū)(12、22)的表面處感生電流的所述磁場，因此使加熱局部化于所述模制區(qū)和所述待加工材料之間的界面處。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述兩個模殼(IO、 20)涂覆有屏蔽 層(14、 24)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中所述模殼(IO、 20)包含磁性化合物， 所述磁性化合物優(yōu)選具有高的相對磁導(dǎo)率和電阻率，例如基于鎳的鋼、 基于鉻的鋼和/或基于鈦的鋼。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中僅一個模殼(72)涂覆有屏蔽層，而 另 一個模殼(70)包含非磁性材料，所述非磁性材料優(yōu)選具有低的電阻率， 例如鋁。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中所述涂覆有屏蔽層的模殼(72)包含 磁性化合物，所述磁性化合物優(yōu)選具有高的相對磁導(dǎo)率和電阻率，例如 基于鎳的鋼、基于鉻的鋼和/或基于鈥的鋼。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1 ~ 5之一所述的設(shè)備，其中所述屏蔽層(14、 24)還覆 蓋所述兩個模殼的兩個相互面對的面中至少一個的不構(gòu)成模制區(qū)的部 分。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1 ~ 6之一所述的設(shè)備，其中所述屏蔽區(qū)(14、 24)還包 括固定到所述磁性模殼的金屬片，該金屬片例如是通過釬焊或螺紋連接固定的。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1~7之一所述的設(shè)備，其中所述屏蔽層(14、 24)包含 沉積的材料，尤其是電鍍的材料。
9. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的設(shè)備，其中所述屏蔽層(14、 24)的厚度 e至少等于e = 50*(p/F)1/2 p是所述非磁性材料的電阻率，F(xiàn)是所述磁場的頻率。
10. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的設(shè)備，其中所述頻率F至少等于25 KHz,并優(yōu)選至多等于100KHz。
11. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的設(shè)備，其中所述屏蔽層(14、 24)包含 低電阻率的非磁性材料，例如銅或鋁。
12. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的設(shè)備，其中將電絕緣層施加到至少一 個模殼的所述模制區(qū)，以改善所述模殼之間的電絕緣，尤其是在所述待 加工材料是導(dǎo)電材料時。
13. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的設(shè)備，其中所述感應(yīng)裝置(30)包括兩 部分(32、 34)，每一部分固定連接到所述模殼之一，并能夠隨各自的模 殼移動。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其中所述感應(yīng)裝置的兩個部分(33、 34)通過至少一個電接觸器(36)電連接，所述電接觸器能夠在加工階段期 間在一個模殼(IO、 20)相對另一個模殼移動的過程中維持接觸。
15. —種制造部件的方法，尤其是大批量制造部件的方法，所述方法使 用根據(jù)上述權(quán)利要求之一的設(shè)備，并包括如下步驟-將待加工的部件的一種或更多種材料(40)置于所述設(shè)備的下模殼 (IO)上，-加熱所述兩個模制區(qū)(12、 22),并對所述兩個模制區(qū)之間的材料 (40)施加壓力給定的時間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于加工材料、尤其是復(fù)合材料的設(shè)備，其包括兩個可相互移動的模殼(10、20)，該模殼是導(dǎo)電的并包括設(shè)計成與待加工材料接觸的模制區(qū)(12、22)，以及用于產(chǎn)生磁場的感應(yīng)裝置(30)，除所述模制區(qū)(12、22)之外的模殼(10、20)之一的設(shè)置為相對于所述感應(yīng)裝置的表面涂覆有由防止磁場透入所述模殼(10、20)的非磁性材料制成的屏蔽涂層(14、24)，所述模殼相對于彼此電絕緣，以便其相對表面限定空氣間隙，在所述空氣間隙中流動在所述模制區(qū)(12、22)的表面處感生電流的磁場，由此使得加熱局部化于所述模制區(qū)/材料界面處。
文檔編號H05B6/14GK101253030SQ200680031567
公開日2008年8月27日 申請日期2006年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月12日
發(fā)明者亞歷山大·吉夏爾, 若譯·費根布盧姆 申請人:羅克器械公司