使用感應加熱加工材料的設備的製作方法

2023-06-21 11:03:56 3

專利名稱：使用感應加熱加工材料的設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種使用感應加熱的設備和方法，尤其是為了加工或模製 材料，尤其是熱塑性基體複合材料或熱固性材料。
背景技術：
為了實現塑料部件或複合材料部件的模製，現有技術的感應加熱法 具有加熱大部分模殼的缺點。發明內容本發明將感應加熱限制於表面，以使加熱局部化於模具/材料界面 處，由此限制能量消耗並因此提高了設備的能量效率。因為模具體積的 很小部分進行了感應加熱，所以隨著加熱時間和冷卻時間的減少還提高 了生產率。本發明的目的還在於降低設備的成本。本發明由此涉及一種用於加工(尤其是通過模製)材料尤其是熱塑 性基體複合材料或熱固性材料的設備，該設備包括-兩個相對於彼此可移動的模殼，所述模殼由導電材料製成，每一 個模殼包括設計成與待加工材料接觸的模製區，以及-感應裝置，所述感應裝置用於產生包圍所述模殼的頻率為F的磁場，-除模製區之外，兩個模殼的至少一個的設置為面對感應裝置的面 塗覆有防止磁場透入模殼的由非磁性材料製成的屏蔽層。在模製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製區表面處感生電流的磁 場，因此將加熱局部化於模製區和待加工材料之間的界面處。根據一個實施方案，兩個模殼塗覆有屏蔽層。根據一個實施方案，模殼包含磁性化合物，其優選具有高的相對磁 導率和電阻率，例如基於鎳的鋼、基於鉻的鋼和/或基於鈦的鋼。根據一個實施方案，僅一個模殼塗覆有屏蔽層，而另一個模殼包含 非磁性材料，所述非磁性材料優選具有低的電阻率，例如鋁。根據一個實施方案，塗覆有屏蔽層的模殼包含磁性化合物，其優選 具有高的相對磁導率和電阻率，例如基於鎳的鋼、基於鉻的鋼和/或基 於鈦的鋼。根據一個實施方案，屏蔽層還覆蓋兩個模殼的兩個相互面對的面的 至少一個的不構成模製區的部分。根據一個實施方案，屏蔽區還包括固定到磁性模殼的金屬片，該金 屬片例如是通過釺焊或螺紋連接固定的。根據一個實施方案，屏蔽層包括沉積的材料，尤其是電鍍的材料。根據一個實施方案，屏蔽層的厚度e至少等於e = 50*(p/F)1/2 p是非磁性材料的電阻率，F是磁場的頻率。才艮據一個實施方案，頻率F至少等於25KHz，並優選至多等於100 KHz。根據一個實施方案，屏蔽層包含低電阻率的非磁性材料，例如銅或鋁。根據一個實施方案，將電絕緣層施加到至少一個模殼的模製區，以 完善這些殼的電絕緣，尤其是在待加工的材料是導電材料時。根據一個實施方案，感應裝置包括兩個部分，每一部分固定連接到 模殼之一上以使設備能夠打開，並能夠隨各自的模殼移動。根據一個實施方案，感應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。本發明還涉及一種使用以上限定的設備製造部件、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明的其它特徵和優點，其中一圖1顯示根據本發明的設備，-圖2顯示在材料加工過程中的圖1的設備，-圖3a和3b顯示用於如圖l所示設備的感應器的兩種不同的布置， 這些圖對應於沿圖2的剖線3-3的圖，-圖4顯示設備的一個變化方案，以及-圖5顯示第二變化方案。
具體實施方式
如圖1和2所示的模製設備包括兩個相對於彼此移動的模殼10和 20。所述模殼10、 20由磁性材料製成，其一部分分別構成模殼10的模 制區12和模殼20的模製區22。模製區12、 22位於模殼的兩個相互面 對的面上。與電流發生器並聯或串聯電連接的感應器30的網絡位於模殼的周 圍。每個感應器30包括導電線團並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。除模製區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置為面對感應器 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 應器的外表面(即與圖1的平面平行的面)不必塗覆屏蔽層，這是因為所 產生的磁場對這些面的影響非常有限。圖l顯示模製前彼此隔開一定距離的兩個模殼，圖2與圖l類似並 且顯示在模製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 模製區12、 22之間並保持在壓力下。然後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 成能夠使磁場在該空間中環流的空氣間隙42。當包括導電線團30的感應裝置通過頻率為F例如25 ~ 100 KHz的 交變電流Ii時，所述感應器產生包圍模殼10、 20的磁場。如此產生的磁場跨越模殼並在空氣間隙中即在模殼之間環流。磁場在與電流Ii的方向相反的方向感生電流，並且空氣間隙的存在 使得能夠產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除模製區之外的模殼。因此這些感生電流Icl 和Ic2主要在模製區的表面上具有熱作用，從而所述模製區的表面是通 過感應器的作用而被加熱的主要區域。由於所述屏蔽是非磁性的，所以 其幾乎沒有被感應加熱。為了可以使設備有效地工作，屏蔽層的厚度必須大於磁場的穿透深 度(夕卜皮厚度(6paisseurdepeau))。因此，防止磁場到達模殼並防止在除 模製區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 see original document page 7其中，p是非磁性材料的電阻率，^tr是材料的相對磁導率，並且F是感 生電流的頻率。對於非磁性材料，jtr=l,上式變為e = 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於在25 KHz到 100 KHz的上述頻率時的外皮厚度，所述外皮厚度小於1亳米。由於空氣間隙42的存在具有使磁通量在其內集中的作用，所以本 發明的設備是尤其有效的，由此進一步增強磁場在模製區處的作用，並 且因此將感應能量提供於模製區的表面。因此，根據本發明的一個設備具有直接在模製區/材料界面處而不是 模殼的厚度內來局部加熱模製區的優點。這相當於明顯節省了能量。這 類的設備還具有簡單和製造成本低廉的優點。因為空氣間隙42(圖3a和3b)使由感應器提供的能量"均勻分布"， 所以空氣間隙還具有限制感應器的幾何形狀和/或分布對所產生加熱的 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量的感應線圏3(K 304(圖 3a)相同的效果。該布置使得可以隨意地選擇感應線團的分布。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。用於形成屏蔽的非磁性材料優選具有低電阻率，以限制能量損失。 所述材料例如為銅或鋁。用於模殼的磁性材料是磁性化合物，其可以具有高於銅的居裡 (Curie)溫度以及電阻率，例如基於鎳的鋼合金、基於鉻的鋼合金和/ 或基於鈦的鋼合金。因為模殼的高電阻率能夠更有效地感應加熱，所以 其是優點。然而，必須注意到構成模殼的材料的磁導率也影響感應加熱 的效率。實際上，如果我們參考上式，則高的相對磁導率導致較低的磁 場穿透深度，因此相同量的能量分布在更有限的區域上，其結果是更強 地加熱。當材料具有居裡點時，在接近於該居裡點的溫度下模殼的材料失去 其磁性，並且感應加熱急劇減小，由此能夠將加熱溫度調節到居裡點附 近。如圖l和2所示的設備具有冷卻系統，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行所述冷卻。為此，在每個模殼 中，提供能夠使冷卻液體在模製表面12、 22附近流動的通道18、 28的 網絡。第一因為所述金屬模殼是高度導熱的、第二因為所述通道可以設 置得儘可能靠近模製區12、 22,所以如此得到的冷卻進行得非常好。在模製複合材料的情況下，在加熱和成形循環後，利用冷卻使複合 材料以其限定的形式凝固。與已知的系統不同，本發明的裝置將磁場作用和熱效應集中在模製 區附近。結果，由於使加熱更局部化，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，降低了設備的循環時間，因此顯著地提 高了生產率。圖l標出每個模殼10、20和襯於其上的非磁性材料層之間的邊界f。 該邊界f相對於模製區12、 22的位置對加熱性能有影響，因此對模製 有影響。利用本發明的設備，通過增加材料或除去材料容易地改變邊界 f的位置，由此在設備的設計中提供極大的靈活性。實際上，能夠在加 工測試尤其是模製之後在實際條件下調整邊界的位置。由於感應器由固定連接到模具上的兩個可分離的部分32、 34構成， 所以兩個模殼易於分離。這能夠在模製之後快速地取出部件40，因此有 助於以高的速率製造。在材料加工期間，通過電接觸器36確保感應器 網絡的兩個部分32、 34之間的電連續性。該接觸器允許感應器網絡的 兩個部分32、 34相對移動，這是因為材料的加工通常在恆定壓力下進 行，但這導致材料厚度的減小，由此導致兩個模殼10、 20之間的距離 減小。導電複合材料的加工必須使用所述設備的變體。實際上，在導體材 料例如基於碳纖維的材料時，不總是完全確保兩個模殼之間的電絕緣， 局部可能出現短路，產生可能影響待加工材料表面和/或模製區表面的 電弧。為了改進電絕緣並因此防止任何短路的危險，將電絕緣層沉積到 兩個模製區12、 22的至少一個上。這樣的層包括例如Teflon、無定形 碳、玻璃纖維或基於陶瓷的材料。該層在約l微米的厚度時必須具有溫 度穩定性和合適的機械強度。常規地，還設置了用於彈出所製造部件的機械裝置(未示出)。因此，如此進行的製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於設備的下模殼上，-加熱兩個模製區，並對所述兩個模製區之間的材料施加壓力給定 的時間，-對所述模殼進行冷卻，以冷卻所述部件； -升高上模殼並彈出/移出所述部件。如此進行的方法廣泛地受益於通過根據本發明的設備提供的優點， 尤其是在生產率方面對模製區的局部加熱使循環時間最小化。通過增加或除去屏蔽層的部分易於調整加熱區，這提供大的靈活 性根據第一次測試期間得到的結果，容易改變設備。最後，因為屏蔽層14、 24不需要任何複雜或昂貴的製造，所以經 濟地製造設備。如圖4所示的根據本發明的一個變化方案能夠得到更簡單的設備， 尤其是在加工非常精細部件的情況下，尤其是厚度小於1毫米的部件。 實際上，使用這樣的厚度以將加熱限制於部件的僅一個面。本發明使用 其中兩個模殼中的一個不襯有屏蔽層的設備，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 隙中流動由感應網絡(74)產生的磁場。因此，主要在塗覆有屏蔽層的模 殼72的模製區處進行感應加熱。因為模殼(70)不包括任何屏蔽層，所以 這樣的設備製造價格低廉。在圖4的實施例中，模殼70沒有任何冷卻 迴路。另一個變化方案(圖5)僅提供一個周圍布置感應線團52的模殼50。在 該結構中，圍繞模殼的屏iUi:在不存在任何空氣間隙時使加熱局部化於模 制區60上。不存在該空氣間隙使得所述設備對感應器網絡的幾何形狀更敏 感，但是通#蔽層使加熱局部化於模製區的表面上。
權利要求
1.一種用於通過加熱加工、尤其是模製特別是熱塑性基體複合材料或熱固性材料的設備，其包括-兩個相對於彼此可移動的模殼(10、20)，所述兩個模殼由導電材料製成並包括設計成與所述待加工材料接觸的模製區(12、22)，以及-感應裝置(30)，所述感應裝置用於產生包圍所述模殼的頻率為F的磁場，-除所述模製區(12、22)之外，所述兩個模殼(10、20)中的至少一個的設置為面對感應裝置的面塗覆有防止所述磁場透入所述模殼(10、20)的由非磁性材料製成的屏蔽層(14、24)，在模製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)的所述模製區(12、22)的表面處感生電流的所述磁場，因此使加熱局部化於所述模製區和所述待加工材料之間的界面處。
2. 根據權利要求1所述的設備，其中所述兩個模殼(IO、 20)塗覆有屏蔽 層(14、 24)。
3. 根據權利要求2所述的設備，其中所述模殼(IO、 20)包含磁性化合物， 所述磁性化合物優選具有高的相對磁導率和電阻率，例如基於鎳的鋼、 基於鉻的鋼和/或基於鈦的鋼。
4. 根據權利要求1所述的設備，其中僅一個模殼(72)塗覆有屏蔽層，而 另 一個模殼(70)包含非磁性材料，所述非磁性材料優選具有低的電阻率， 例如鋁。
5. 根據權利要求4所述的設備，其中所述塗覆有屏蔽層的模殼(72)包含 磁性化合物，所述磁性化合物優選具有高的相對磁導率和電阻率，例如 基於鎳的鋼、基於鉻的鋼和/或基於鈥的鋼。
6. 根據權利要求1 ~ 5之一所述的設備，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成模製區的部 分。
7. 根據權利要求1 ~ 6之一所述的設備，其中所述屏蔽區(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釺焊或螺紋連接固定的。
8. 根據權利要求1~7之一所述的設備，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. 根據上述權利要求之一所述的設備，其中所述屏蔽層(14、 24)的厚度 e至少等於e = 50*(p/F)1/2 p是所述非磁性材料的電阻率，F是所述磁場的頻率。
10. 根據上述權利要求之一所述的設備，其中所述頻率F至少等於25 KHz,並優選至多等於100KHz。
11. 根據上述權利要求之一所述的設備，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. 根據上述權利要求之一所述的設備，其中將電絕緣層施加到至少一 個模殼的所述模製區，以改善所述模殼之間的電絕緣，尤其是在所述待 加工材料是導電材料時。
13. 根據上述權利要求之一所述的設備，其中所述感應裝置(30)包括兩 部分(32、 34)，每一部分固定連接到所述模殼之一，並能夠隨各自的模 殼移動。
14. 根據權利要求13所述的設備，其中所述感應裝置的兩個部分(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. —種製造部件的方法，尤其是大批量製造部件的方法，所述方法使 用根據上述權利要求之一的設備，並包括如下步驟-將待加工的部件的一種或更多種材料(40)置於所述設備的下模殼 (IO)上，-加熱所述兩個模製區(12、 22),並對所述兩個模製區之間的材料 (40)施加壓力給定的時間。
全文摘要
本發明涉及一種用於加工材料、尤其是複合材料的設備，其包括兩個可相互移動的模殼(10、20)，該模殼是導電的並包括設計成與待加工材料接觸的模製區(12、22)，以及用於產生磁場的感應裝置(30)，除所述模製區(12、22)之外的模殼(10、20)之一的設置為相對於所述感應裝置的表面塗覆有由防止磁場透入所述模殼(10、20)的非磁性材料製成的屏蔽塗層(14、24)，所述模殼相對於彼此電絕緣，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製區(12、22)的表面處感生電流的磁場，由此使得加熱局部化於所述模製區/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 優先權日2005年9月12日
發明者亞歷山大·吉夏爾, 若譯·費根布盧姆 申請人:羅克器械公司