用於由纖維材料製造成型件的設備和方法
2023-05-29 17:13:11
專利名稱：用於由纖維材料製造成型件的設備和方法
用於由纖維材料製造成型件的設備和方法技術領域
本發明涉及一種用於在使用多件式穿孔模具的情況下由纖維材料製造三維成型件1特別是形式為墊式實心體的成型件的方法和設備，所述多件式模具包括至少一個內腔，所述多件式模具的內側至少部分地確定所述成型件的輪廓，所述方法包括下列步驟將纖維材料吹入模具的內腔；使纖維積聚在所述模具的內側上，以及使纖維接合以製成成型件。
這種成型件優選應用在車輛結構中，特別是例如在發動機罩下作為消聲墊，例如在腳部空間中或在行李艙中或在坐墊或車內地毯的區域中等作為襯墊。
本發明還涉及一種用於由纖維材料製造這種三維成型件的設備，該設備尤其適合於實施根據權利要求l至5中至少一項所述的方法，所述設備包括多件式模具，所述多件式模具包括至少一個內腔，其中模具的內側至少部分地確定待造成型件的輪廓；一個或多個嘴部，所述一個或多個嘴部用於將所述纖維吹入內腔；在所述模具中的空氣開口，所述空氣開口用於使空氣從所述內腔逸出並且用於使纖維積聚在模具的內側上；和用於使纖維接合以製成成型件的裝置。
背景技術：
這種方法或這種設備例如從w。2009／062646中已知，該文獻公開了用於由纖維材料製造三維成型件的設備。為此應用包括上模和下模的兩件式模具。在此，上模和下模的相應內側部分地確定成型件的輪廓。經由多個嘴部1通過空氣流將纖維吹入位於上模與下模之間的中間腔中。該空氣流通過上模和下模的開口逸出，使得纖維積聚在上模和下模的內側上。然後，可能還在局部使纖維緊實以使之在另一步驟中通過熱輸入而彼此粘結。在冷卻纖維後，最後可以從模具中取出製成的成型件。在此，纖維在模具中形成所謂的無定向纖維網(wirrfaSerV「eS)，即非織造織物的纖維的各自取向是任意的。發明內容
本發明基於以下認識應使這種成型件的與製造相關的特性更好地匹配於隨後的應用可能性。
因此本發明的目的是，提供用於由纖維材料製造三維成型件的方法和設備，以改善成型件應用可能性和特性。
對於根據權利要求l的前序部分所述的方法，所述目的以下述方式實現使所述纖維在被吹入模具時至少部分地在內腔中受到一個或多個電場的作用，由此使所述纖維至少部分地沿所述電場的相應方向取向，所述電場的相應方向與成型件中纖維的一個或多個希望的優選方向至少是近似相同。
而對於根據權利要求9的前序部分所述的設備所述目的以下述方式實現設有用於產生一個或多個電場的裝置，該裝置使內腔至少部分地受到一個或多個電場的作用，由此使纖維在被吹入模具時至少部分地沿所述電場的相應方向取向，所述電場的相應方向與成型件中纖維的一個或多個希望的優選方向至少是近似相同。
通過根據本發明的方法和/或根據本發明的設備實現了，使纖維在模具的內腔中 與一個或多個電場相應地取向或者說沿所述電場的各場線取向。然後，使纖維沿一可預定 的優選方向積聚在模具的內側上。如果模具被完全充滿這樣取向的纖維，則使纖維彼此粘 結並且在粘結時保持所述相應電場的方向。由此形成一種在特定區域中或者在整個成型件 中使纖維具有特定取向的成型件。選擇電場的方向或場線，使得纖維的相應方向與對於特 定特性優選的一個或多個優選方向相同。由此提高了成型件的應用可能性，使該成型件還 可以應用在例如由於存在負載而不適合使用成型件的其它領域中。如果成型件例如在特定 應用中被在特定方向上加載，則選擇電場的方向以使纖維與該加載的方向平行。這樣實現 了提高成型件抵抗外力的恢復力。由此明顯延長了成型件的使用壽命和功效。
有利地，在吹入前和/或在吹入期間，為纖維加載靜電/靜電充電，和/或使已帶 電的纖維被增強電荷。然後，在一個或多個電場處使纖維取向以形成具有一個或多個希望 的纖維優選方向的成型件。對於已帶電的纖維可以增強其電荷以使之快速、可靠地在內腔 中與電場的場線相應地取向，並最終以所述取向存在於製得的成型件中。
為了簡單、經濟地產生電場，合適地藉助模具的傳導性部段產生電場。在此，模具 的傳導性部段設置成，使得電場的方向或場線與纖維的希望的優選方向相對應。模具的傳 導性部段可以彼此絕緣。由此不需要附加的用於產生電場的裝置，從而能經濟地實施所述 方法。
為了提高電場的均勻性，同時為了實現儘可能簡單的維修，所述至少一個電場也 可以通過電極產生，所述電極設置多件式模具的外側上或者向外隔開地設置在該模具上。 由此確保能簡單地觸及電極，並使電極的維修很簡單。此外，在定位電極時需要考慮的邊界 條件、例如突起等更少，從而能實現更大的電極，這一點有利於在各電極之間的電場的均勻 性，其原因是電場在電極的相應邊緣處的邊緣效應的作用更小。
為了儘可能少地設置用於產生電場的附加裝置，合適地通過至少一個嘴部將纖維 材料吹入所述內腔，所述嘴部本身設計成用於至少一個電場的電極。在此，嘴部包括彼此絕 緣的部件，以沿不同方向產生獨立的分電場。當然，也可以將多個嘴部設計成電極。
在此，相應的用於電場的第二電極不必同樣是嘴部的形式，而是例如也可以具有 任何其它適合的形式，特別是所述第二電極也可以通過模具的傳導性部段形成，所述傳導 性部段必要時彼此電絕緣。
在根據本發明的設備中有利的是，設有用於為纖維充電的裝置，從而使不帶電的 纖維被充電和/或使已帶電的纖維被增強電荷。如果使用不帶電的纖維，則該纖維在不 被充電的情況下不在電場中取向。因此，當設有用於為纖維充電的裝置時明顯提高了設備 的靈活性。此外，通過所述裝置使已帶電的纖維被增強電荷。例如使由於彼此摩擦已帶 有一定、但少量電荷——該少量電荷可能不足以在電場的作用下充分和/或足夠迅速地取 向——的纖維被增強電荷，從而使所述纖維在電場作用下可靠地在模具內腔中取向。
在此尤其有利地，用於充電的裝置設置在所述至少一個嘴部上，和/或設置在嘴 部的輸入管路之一上。如果充電裝置設置在嘴部上，則由此能實現設備的緊湊結構。如果該 裝置設置在用於至少一個嘴部的輸入管路上，纖維在被吹入內腔前便已獲得希望的電荷。 由此，一方面可以較為簡單、經濟地製造嘴部，同時避免了用於充電的裝置當設置在嘴部本 身上時對模具內腔中電場的影響，進而使纖維在內腔中通過所述電場可靠地取向。
有利地，用於為纖維充電的裝置包括一環電極。這樣便能將該裝置特別簡單地集 成在用於嘴部的現有輸入管路中或者集成到嘴部本身中，其中該環電極例如直接設計成輸 入管路的部段或者簡單地圍繞輸入管路設置在其外側上。
為了儘可能經濟地製造、並簡單地布置用於產生電場的裝置，還可以考慮板式和/ 或杆式電極。在此，這兩種類型的電極還可以一起用於產生電場，例如其中在模具的一側上 設置杆電極，而在對置一側上設置板式電極。在這種情況下，場線由杆式電極起，垂直於該 杆式電極的表面延伸，並平行地終止於板式電極的表面上。
為了能儘可能緊湊地設計該設備，合適地將所述多件式模具的至少一部分至少部 分地設計成電極。將電極「埋入」模具一方面實現了模具的更緊湊設計，另一方面使電場基 本均化，其原因是不必在電場範圍內設置形成幹擾的附加引線，所述附加引線的設置會幹 擾電場的均勻性。
為了能使用於設備維修的可觸及性更簡單，有利的是，在多件式模具的外側設置 電極，特別是多件式模具部分地由非傳導性材料製成。如果電極設置在所述外側，則能容易 地從外部觸及該電極。同時，特別是多件式模具部分地由非傳導性材料製成，以避免由於法 拉第效應(Faradayeffekt)而部分地屏蔽電場。在此，也可以藉助傳導性和非傳導性材料 相應地形成模具以充分利用法拉第效應，從而針對性地在場強和幾何取向方面影響所述電 場。
如果電極設置在多件式模具的外側，則不需要使所述電極與多件式模具連接。如 果例如將電極放置成距所述多件式模具更遠，則所述電極能設計成比模具或者至少比模具 的部段大得多。同時，由此避免了電場中的邊緣效應(場線在電極的邊緣處彎曲；對於直接 面對的板式電極，基本上僅在所述板之間的內腔中具有均勻的電場)。
為了能更緊湊地設計該設備，合適地將至少一個嘴部設計成電極。在此，可以由具 有其它形式的電極的一個嘴部、也可以由兩個相應的嘴部來形成用於產生電場的裝置。
為了確保儘可能無故障地製造成型件以及避免在用於產生電場的裝置之間的短 路等，合適地特別是在多件式模具的各部件之間設有用於電絕緣的裝置。由此使傳導性區 域彼此絕緣，從而能無故障地製造成型件。
本發明的其它特徵和優點由從屬權利要求和下面對實施例的描述以及附圖給出。 其中示出了
圖1示出根據本發明的多件式模具在吹入纖維前的透視圖2示出在吹入纖維期間在施加電場的情況下的根據圖1的本發明模具；
圖3示出在未施加電場的情況下的根據圖2的模具；
圖4a，4b分別示出利用定向纖維以及利用無定向纖維製造的成型件的剖面；
圖5示出根據本發明的多件式模具；
圖6a至6c分別示出上模和下模的透視圖7示出具有電極的輸入管路的局部透視圖；和
圖8示出纖維定向裝置/調整裝置的豎立剖面。
具體實施例方式圖1示出用於根據本發明的設備的多件式模具1。在此，該模具1包括兩個被穿孔 的殼式部件——上模0和下模U，在所述上模和下模之間形成一具有待造成型件的形狀的 內腔I。在上模0和下模U的外側上設置兩個板狀電極2a，2b，該板狀電極2a，2b用於產生 在內腔I中起作用的電場E。在圖1中，在下模U的右側上設置一用於將纖維F1,F2吹入內 腔I中的嘴部D。此外，在內腔I中、在嘴部D上安裝一用於在將纖維F1, F2吹入內腔I中 時為所述纖維加載靜電的電極2c。在纖維F1, F2被吹入前、最遲在吹入時對內腔加載電場 E0
圖2示出一種情況，其中藉助嘴部D、沿方向4將纖維1吹入在上模0和下模U之 間的內腔I中。在吹入和在此形成渦旋纏結時，儘管纖維F1受到內腔I中的電場E作用， 但首先並沒有被定向。由於空氣流的減速，纖維F1, F2在進一步進入內腔I時失去動能，這 時在電場E力的作用下對應於場線、即在圖2中大致垂直於模具上側和下側延伸的場線被 定向成從板狀電極2a朝向板狀電極2b彼此平行(纖維F2)。在下一步驟中(未示出)，纖維F2按其相應的取向積聚在上模0和/或下模U的 內側上，而吹入的空氣通過被穿孔的上模和下模逸出。如果內腔I被完全填充以(被定向 的)纖維F2，纖維F2例如通過熱壓粘合彼此連接。然後，必要時冷卻模具和/或已粘合的 纖維F2。從而形成牢固的成型件，可以在打開模具1後取出所述成型件。圖3特別是示出當內腔I中無電場E作用時纖維F1在內腔I中呈現出的取向。纖 維F1任意取向，從而形成具有非同向纖維F1的、所謂的無定向纖維網。圖4a示出利用通過電場E定向的纖維F2製造(圖4a)的成型件5的剖面，4b示出 利用在無電場E的情況下在內腔I中形成的無定向纖維F1製造的成型件5的剖面。此外， 示出一從上方作用在這樣製得的成型件5上的力。在圖4a中纖維F2與所述作用力F平行， 而在圖4b中所述纖維相對於從上方作用的力F具有不確定的取向、即具有隨機/任意的取 向。因為在圖4a中纖維F2與作用到成型件5上的力F平行，所以當被力F加載時圖4a的 成型件的恢復力R明顯大於圖4b的成型件5的恢復力R，原因是當纖維F2與作用到成型件 5上的力F平行時，恢復力、即抵抗力F作用的力最大。由於使纖維F2沿一個或多個優選方 向取向，在此為平行於作用到成型件上的力(根據圖4a)，明顯改善了成型件的無疲勞恢復 能力、進而改善了其使用壽命。圖5示出根據本發明的模具1，該模具1包括上模0和下模U。這兩個模具以已知 的方式由被穿孔的壁部件製得，所述壁部件被可拆松地彼此連接。在吹入纖維時，上模和下 模形成一閉合箱。在被吹入的纖維粘合後以已知的方式打開所述箱。在下模U的右側壁上，大致垂直於該側壁設置一用於將纖維材料吹入模具1的內 腔I中的嘴部D。嘴部D帶有一用於在吹入期間為纖維FnF2加載靜電的電極2c。此外，上 模0 —部分設計成電極2a，相應地下模U的一部分同樣設計成電極2b。必要時與電極2c 相組合地，可以通過施加電壓而在電極2a和2b之間產生電場E。選擇電極上的電壓以形成 5kV/cm到10kV/cm、特別是6kV/cm到8kV/cm的電場強度。上模0和下模U具有篩狀布置的孔5，所述孔用於使空氣流能從內腔I逸出。通過 空氣的逸出，使纖維F1, F2被輸送到上模0和下模U的內側並積聚在所述內側上，從而可以 在使內腔I完全充滿纖維F1, F2後，通過使纖維F1, F2彼此粘結來製造成型件。在此，上模O和下模U可以在局部由非傳導性材料製造，當然其中各電極2a，2b由傳導性材料製成。 圖6a示出模具1的下模U。在此，下模U具有一孔板5且通常形成負極。此外，下 模U基本設計成殼狀，其中下模U的邊緣整體上具有一基本為矩形的剖面。圖6b，6c示出與圖6a的下模U相應的上模0，所述上模基本上具有相同的結構並 形成正極。在此，或者是上模0由非傳導性材料製成，並在其外側直接設置有電極2a(圖 6b)；或者是上模0本身完全形成電極2a(圖6c)，並因此而具有一設置在上模0邊緣上的、 環繞的電絕緣部6，從而當將上模0安裝在下模U上以形成內腔I時，使上模0與下模U彼 此電絕緣。圖7示出一用於嘴部D的輸入管路Z，在所述輸入管路Z中沿方向R藉助空氣流輸 送纖維材料，然後經由嘴部D將其輸入內腔I中。為了進行加載靜電，在輸入管路Z的外側 上設置一環電極2d，該環電極2d為不帶電的纖維F1, F2充電並使已帶電的纖維F1, F2的電 量被增強，從而在吹入纖維F1, F2不久後使所述纖維在內腔I中的電場E的作用下被定向。 在此，電極2d緊鄰在嘴部D或吹入開口上遊。電極2d或者包括設置在輸入管路Z中的、金 屬的管段2d，或者包括設置在塑料質輸入管路軟管Z的外側上的所示環電極2d。當然在本 發明的範圍內，電極還可以設計成其它形式。圖8示出本發明的一種特別有利的改進方案。其示出了用於在纖維進入嘴部前對 纖維進行預定向的裝置10的豎直剖面。定向裝置包括環繞的傳送帶11，所述傳送帶11將置於其上的纖維——必要時在 一定的分隔以使之僅形成小的散纖維堆(Flocken)後——向左輸送至給料輥對12a，12b。 所述給料輥對包括兩個沿相反方向運行的、以小間隙彼此平行設置的輥，所述輥的外周面 被粗糙化處理、特別是略呈齒狀。所述輥接納來自傳送帶11的纖維，通過其間隙繼續向左 輸送所述纖維。為了避免阻塞，可將所述兩輥中的至少一個在豎直方向上支承成能克服彈 簧力移位。重要的是，由一較大的旋轉柱形件13帶動纖維。該柱形件被一大致半柱形的外壁 14以小間距圍繞。通過該柱形件的粗糙的、特別是呈齒狀的外柱面，該柱形件將纖維拉過位 於柱形件13和外壁14之間的間隙。在此，通過與外壁14的摩擦使纖維逐漸地、或多或少 地沿柱形件13的旋轉方向取向、即優選沿周向方向取向。在柱形件13的半圈後、部分地在 一圈半後，使纖維沿該方向到達輸出間隙15，然後由該輸出間隙處將纖維繼續輸送到所述 嘴部，即輸入模具1。為了使纖維脫離柱形件13，為了改善纖維在輸出間隙15中朝向向下延伸的線路 16的過渡，合理的是，對過濾區域加載大致沿切向的空氣流。該空氣流還負責穿過管路16 將纖維進一步輸送到模具1中。由於在通過柱形件13帶動纖維期間作用在纖維上的摩擦力，該纖維獲得沿輸送 方向的優選取向。這種機械式的預定向使稍後在模具內部藉助一個或多個電場實現的定向 更容易。在被輸送至所述嘴部前的纖維預定向如上所述藉助一機械式滾筒來實現，其中在 間隙中的摩擦力產生取向力。當然在本發明的範圍內，纖維的預定向也可以利用其它的機 械方法或氣動方法來實施。總之，本發明具有如下優點能以簡單的方式使用於製造成型件的纖維沿一個或多個優選方向取向，以使纖維在製成的成型件中位於特定的方向上，從而使成型件在特定 應用中具有增強的希望特性。特別是由此還能夠有針對性地影響成型件的強度和彈性，進 而影響其使用 壽命。
權利要求
1.一種方法，所述方法用於在使用多件式模具(1)的情況下由纖維(F1, F2)製造三 維——特別是墊式——成型件，所述多件式模具包括至少一個內腔(I)，其中所述多件式模 具(1)的內側至少部分地確定所述成型件的輪廓，所述方法包括下列步驟 將所述纖維(FpF2)吹入所述模具⑴的內腔⑴中， 使纖維積聚在所述模具(1)的內側上，和 使所述纖維(FnF2)接合以製成所述成型件，其特徵在於，使所述纖維(F」F2)在被吹入所述模具(1)時至少部分地在所述內腔(I)中受到一個 或多個電場(E)的作用，由此使所述纖維(F1W2)至少部分地沿所述電場(E)的相應方向取 向，所述電場的相應方向與在所述成型件中纖維(F1, F2)的一個或多個希望的優選方向至 少是近似相同。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，在吹入前和/或在吹入期間，為不帶電的 纖維(FijF2)加載靜電，和/或使已帶電的纖維(F1, F2)被增強電荷。
3.根據權利要求1至2中至少一項所述的方法，其特徵在於，藉助所述模具(1)的傳導 性部段( ，2b)產生所述一個或多個電場(E)。
4.根據權利要求1至3中至少一項所述的方法，其特徵在於，至少一個電場(E)通過電 極( ，2b)產生，所述電極設置在所述模具(1)上、或者與所述模具間隔地設置在所述模具 外。
5.根據權利要求1至4中至少一項所述的方法，其特徵在於，所述電場具有5kV/cm到 10kV/cm、特別是6kV/cm到8kV/cm的電場強度。
6.根據權利要求1至5中至少一項所述的方法，其特徵在於，所使用的纖維的最小長度 為約10mm、優選約15mm、特別是約20mm，所述纖維的最大長度為約60mm、優選約50mm、特別 是約40mm。
7.根據權利要求1至4中至少一項所述的方法，其特徵在於，通過至少一個嘴部(D)將 纖維材料(F1, F2)吹入所述內腔(I)，所述嘴部設計成用於至少一個電場(E)的電極Ca， 2b)。
8.根據權利要求1至7中至少一項所述的方法，其特徵在於，在被吹入所述模具(1)前 使所述纖維(FnF2)至少部分地獲得一機械取向，特別是一大致平行於其流動方向的取向。
9.一種用於由纖維(F1, F2)製造三維成型件的設備，該設備尤其適合於實施根據權利 要求1至8中至少一項所述的方法，所述設備包括 多件式模具(1)，所述多件式模具包括至少一個內腔(I)，其中所述模具(1)的內側至 少部分地確定待造成型件的輪廓， 一個或多個嘴部O)，所述一個或多個嘴部用於將所述纖維(F1, F2)吹入所述內腔⑴， 在所述模具(1)中的空氣開口(5)，所述空氣開口用於使空氣從所述內腔(I)逸出並 且用於使所述纖維(FnF2)積聚在所述模具(1)的內側上，和 用於使所述纖維(FnF2)接合以製成所述成型件的裝置，其特徵在於，設有用於產生一個或多個電場(E)的裝置Oa，2b)，所述用於產生一個或多個電場的裝置使所述內腔⑴至少部分地受到一個或多個電場(E)的作用，由此使所述纖維(F1W2) 在被吹入模具(1)時至少部分地沿所述電場(E)的相應方向取向，所述電場的相應方向與 所述成型件中纖維(FnF2)的一個或多個希望的優選方向至少是近似相同。
10.根據權利要求9所述的設備，其特徵在於，設有用於為所述纖維(F1,F2)充電的裝 置(2d)，從而使不帶電的纖維(F1,rg被充電和/或使已帶電的纖維(F1,rg被增強電荷。
11.根據權利要求9至10中至少一項所述的設備，其特徵在於，所述用於充電的裝置 (2d)設置在所述至少一個嘴部(D)上，和/或設置在用於所述至少一個嘴部(D)的輸入管 路(Z)上。
12.根據權利要求9至11中至少一項所述的設備，其特徵在於，所述用於產生電場(E) 的裝置( ，2b)包括環狀、板狀和/或杆狀的電極Oa，2b)。
13.根據權利要求9至12中至少一項所述的設備，其特徵在於，所述多件式模具(1)的 至少一部分被至少部分地設計成電極Oa，2b)。
14.根據權利要求9至13中至少一項所述的設備，其特徵在於，在所述多件式模具(1) 的外側上設有電極Oa，2b)，特別是所述多件式模具(1)部分地由非傳導性材料製成。
15.根據權利要求9至14中至少一項所述的設備，其特徵在於，至少一個嘴部(D)設計 成電極(2a,2b)0
16.根據權利要求9至15中至少一項所述的設備，其特徵在於，特別是在所述多件式模 具(1)的各部分之間，設有用於電絕緣的裝置(6)。
17.根據權利要求9至16中至少一項所述的設備，其特徵在於，在所述嘴部(D)的上遊 設有一纖維定向裝置(10)。
18.根據權利要求17所述的設備，其特徵在於，所述纖維定向裝置(10)具有運動的輸 送部件(13)，所述輸送部件在摩擦作用下沿著相對設置的壁(14)引導所述纖維(F1;F2)。
全文摘要
本發明涉及一種用於在使用多件式模具的情況下由纖維材料製造三維成型件的方法和設備，所述多件式模具包括至少一個內腔，所述多件式模具的內側至少部分地確定所述成型件的輪廓，所述方法包括下列步驟將纖維材料吹入模具的內腔；使纖維積聚在所述模具的內側上，以及使纖維接合以製成成型件。根據本發明所述纖維在被吹入模具時至少部分地在內腔中受到一個或多個電場的作用，由此所述纖維至少部分地沿所述電場的相應方向取向，所述電場的相應方向與所述成型件中纖維的一個或多個希望的優選方向至少是近似相同。
文檔編號D04H1/74GK102031642SQ20101029938
公開日2011年4月27日 申請日期2010年9月30日 優先權日2009年10月2日
發明者E·弗爾斯特, M·海因爾 申請人:羅伯特別克勒有限公司