TW201808575A - 用於加熱模具的方法和裝置 - Google Patents

Abstract

本發明係關於一種模具，其特別地用於射出模製，該模具包含：a.一外殼，其包含一模製表面；b.一蓄熱器；c.感應加熱部件，其經組態以加熱該蓄熱器；d.該模具之特徵在於其包含用以將該外殼之除該模製表面外的被稱作接納表面之一表面曝露於該蓄熱器之熱且為該表面阻擋來自該蓄熱器之該熱的機構。

Description

用於加熱模具的方法和裝置

本發明係關於一種用於加熱模具之方法及裝置。本發明更特定地(但非排他地)適合於加熱塑膠注入模具。此模具含有模製空腔，熔融塑膠經注入該模製空腔中。該空腔由模製表面劃界，模製表面之形狀由模製零件再現。該等模製表面由至少兩個外殼攜載，該至少兩個外殼可彼此分離，以便打開模具且將凝固零件脫模。

在模製操作期間，模製空腔經受熱循環以使得該空腔之溫度足以使所注入之材料保持為流體且令人滿意地填充該空腔。此後，溫度降低(必要時藉由強制冷卻)以便使零件凝固直至將模具打開且將零件脫模，且模製表面之溫度在該等模製表面經重新加熱且循環重新開始之前下降。因此，循環時間(其為批量生產情況中之特別關鍵參數)係由用於加熱及冷卻模製空腔之時間判定。所製作零件之品質(特別係其外觀)取決於將溫度均勻地分佈於空腔之模製表面上之能力，且在一些情境中，所製作零件之結構品質取決於與模製表面接觸之模製材料之加熱及冷卻速度。感應加熱技術特別適合於解決彼等需要。

文件EP1924415描述一種用於塑膠注入模具之模製空腔之 感應加熱的裝置，其中電感器在承載模製表面之凹模中循環。然而，在使用由鋁合金製成之模具(此為塑膠注入領域中之常見情況)時實現的能量效率導致具有相當大的電功率之設施。

文件EP2861399描述一種用於預加熱塑膠注入模具之方法及裝置。該裝置基本上包含兩個加熱部件以儘可能直接地加熱空腔之模製表面。在先前技術之彼裝置中，藉由將承載該模製面之凹模置放成與導電芯對置(該凹模與該導電芯電絕緣)來加熱模製表面中之一者，以使得該凹模之模製表面形成與該芯具有間隙之面中之一者。將芯與凹模總成置放在感應電路內部。模製表面係藉由使感應電流在具有間隙之表面上循環來加熱。由構成模具之其他凹模攜載的其他模製表面係藉由使其與首先經加熱之芯接觸或將其曝露於該芯而藉助輻射或傳導進行加熱。先前技術之彼解決方案使模具開口必需足夠用於將芯插入兩個凹模之間。在任何情況下，此僅為預加熱解決方案，其不允許在模製空腔閉合之後調節該空腔之溫度。

先前技術之彼等解決方案為令人滿意的，但其必需具有相當大的額定電功率之設施，此係因為加熱凹模中之一者所需要之功率通常為約100kW。在製造場所包含此類型之若干設施時，對應電設施之功率變成缺點。

本發明旨在改善先前技術之缺陷且因此係關於一種模具，其特別地用於射出模製，該模具包含：a.一外殼，其包含一模製表面； b.一蓄熱器；c.感應加熱部件，其經組態以加熱該蓄熱器；d.用以將該外殼之除該模製表面外之一表面曝露於該蓄熱器之熱且為該表面阻擋來自該蓄熱器之該熱的部件

因此，在將蓄熱器加熱至恰當溫度之後，蓄熱器僅維持在彼溫度，此降低功率要求。

本發明可有利地實施於下文所描述之實施例及替代例中，該等實施例及替代例可個別地或以任何技術操作組合加以考慮。

有利地，為了冷卻該外殼，該外殼包含用於使熱轉移流體循環之迴路。因此，根據本發明之模具使得有可能將強制冷卻應用於模製空腔而不影響蓄熱器之溫度。

在替代實施例中，蓄熱器為石墨塊。此實施例尤其使得有可能偏好輻射加熱外殼。

在與前一實施例相容之另一替代實施例中，蓄熱器包含相變材料。此實施例使得有可能將熱能儲存在該材料之相變潛熱中。

本發明亦係關於根據其實施例中之任一者的一種加熱模具之表面的方法，該方法包含以下步驟：i.加熱蓄熱器；ii.將外殼曝露於該蓄熱器之熱。

有利地，步驟(ii)包含加熱蓄熱器。此實施例尤其使得有可能調節模製空腔之溫度。

在一項實施例中，藉由移動與蓄熱器對置之外殼來進行步驟 (ii)。因此，將蓄熱器加熱至高溫且保持固定。此實施例使得尤其有可能根據擺動週期(pendulum cycle)曝露若干模具，其中藉由將安裝功率限於加熱僅一個蓄熱器所需之功率來在模具中之一者冷卻時加熱另一模具。

在此實施例中，自蓄熱器至外殼之熱轉移較佳地由輻射實現。

另外，自蓄熱器至外殼之熱轉移部分地涉及氣體之強制對流。因此，熱轉移較快速。

在另一實施例中，藉由使蓄熱器與外殼之表面接觸來進行步驟(ii)。此實施例特別地(但非排他地)適合於製作獨立加熱之模具，從而自本發明之優點獲益。

在彼最後實施例中，藉由熱膨脹及蓄熱器來進行步驟(ii)。因此，曝露外殼之接納表面不必使用位移機構。

下文在本發明之較佳實施例(其無論如何並非限制性)中且藉由參看圖1至4描述本發明，其中：圖1為根據本發明之模具之一項例示性實施例中的模具之外殼的橫向剖面圖；圖2為使用圖1中之模具的注入系統之示意性說明

圖3展示根據本發明之模具之外殼的另一例示性實施例；圖3A展示在加熱表面未經加熱時之外殼，且圖3B展示在加熱表面經加熱時之外殼；且圖4為圖3中之外殼之替代實施例的部分視圖；圖4A展示在模製表面未經加熱時之外殼且圖4B展示在模製表面經加熱時之外殼。

在例示性實施例之圖1中，根據本發明之模具包含2個外殼(111、112)，每一外殼承載若干空腔(121、122)，其中每一空腔對應於模製表面，該等模製表面用於在使兩個外殼(111、112)彼此接觸時(亦即，在使模具閉合時)藉由將材料注入於由空腔中之每一對(121、122)構成之空腔中來製作零件。該等外殼由導熱材料(較佳地，金屬材料，諸如鋁合金或工具鋼)製成。在此例示性實施例中，每一外殼包含用於使呈液相或氣相的熱轉移流體循環(用以冷卻該外殼)的導管(131、132)。有利地，該等導管(131、132)包含紊流器(圖中未示)以改良熱轉移流體與外殼之間的對流交換。

在此例示性實施例中，每一外殼(111、112)包含與此例示性實施例中之空腔對置之表面(被稱作接納表面(141、142))。亦在此例示性實施例中，接納表面包含塗層，該塗層有助於吸收紅外線輻射。作為非限制性實例，該塗層由以氣相或使用PVD(物理氣相沈積之首字母縮寫)實體地沈積在該接納表面上的非晶碳形成，或藉由稱作表面拋光之化學處理或藉由電鍍黑鉻來實現。

在使用根據本發明之模具之例示性設施的圖2A中，該設施包含(例如)交替地用於擺動自動化系統中之2個模具(201、202)。為此，該設施包含2個卸載站(291、292)及包含注入頭(250)之一注入站，該注入頭經調適以將塑膠注入於模具(201、202)之空腔中。該設施進一步包括用以將模具(201、202)自其卸載站轉移至注入站之機構(圖中未示)。替代地，該設施包含置放於轉盤上之多於兩個卸載站。

注入站包含(例如)由石墨塊構成之兩個蓄熱器(241、242)。在第一例示性實施例中，每一蓄熱器由感應電路加熱，例如，藉由將蓄熱器中之每一者置放在攜載高頻交流電(例如，在10KHz與100KHz之間)之線圈中，以便將蓄熱器加熱至高溫，例如，介於700℃與1200℃之間的溫度。

替代地，蓄熱器(241、242)由鐵磁性材料製成，且至少在其側面中之一者上包含用以改良其熱發射率之塗層。

在感應電路之替代實施例中，蓄熱器(241、242)係由置放於該等蓄熱器中之中空管道中的感應器加熱。

在使用擺動自動化系統之例示性實施之圖2B中，當模具中之一者(201)在注入站中時，另一模具(202)在卸載站(292)中。當模具(201)到達注入站時，該模具在其接納表面上曝露於來自蓄熱器(241、242)之輻射。作為實例，由來自經加熱至1000℃之由石墨製成的蓄熱器之輻射發射之熱流達到約150.103W.m-2之值。有利地，裝置(圖中未示)使得有可能對模具吹動由於與該等蓄熱器(241、242)接觸而變暖之氣體，以便引起藉由強制對流而與模具之表面的熱交換。有利地，注入站包含殼體(251)，該殼體填充有中性氣體，該中性氣體保護模具及蓄熱器免於氧化。

在經受此熱流時，模具(201)快速變熱直至在其模製空腔中達到適合於注入之溫度。接著進行注入。一旦注入完成，模具(201)便自注入站轉移至卸載站，此情形將另一模具(202)移至注入站且使其經受來自蓄熱器之輻射。卸載站有利地包含用於使熱轉移流體在模具之導管中循環的部件，以便加速冷卻。該熱轉移流體為(例如)水、油或氣體。在 例示性實施例中，該熱轉移流體在包含製冷單元之閉合迴路中循環。

除蓄熱器(241、242)之初始加熱的階段(其在足以限制對功率之需求之時間中完成)外，所消耗之能量對應於對該等蓄熱器之溫度之維持，其中功率要求低於藉由感應直接加熱冷模具之彼等功率要求。然而，使用感應來加熱蓄熱器使得有可能在蓄熱器藉由輻射、對流或傳導將其熱轉移至模具時繼續對蓄熱器加熱。

在用於製作根據本發明之模具之外殼(310)的另一例示性實施例之圖3A中，外殼包含(例如)由鋁合金製成之兩個零件(311、312)。兩個零件中之一者(311)含有構成模製表面之空腔(320)，及用於使熱轉移流體循環以冷卻該模製表面之導管(330)。該第一零件(311)包含接納表面(341)。

外殼之固定至第一零件的第二零件(312)包含電感器(360)延伸所在之管道。在特定實施例中，該第二零件由對磁場透明之非金屬耐火材料(例如，陶瓷或混凝土)製成。舉例而言，電感器由銅管或銅線編帶製成。該等電感器構成感應電路。蓄熱器(340)經插入於外殼之兩個零件(311、312)之間。該蓄熱器(例如)由具有高居里點之磁鐵性鋼製成，例如，由鐵(Fe)及矽(Si)或鐵(Fe)及鈷(Co)製成之合金。該蓄熱器較佳與外殼之第二零件(312)熱絕緣。該等電感器(360)連接至高頻產生器(圖中未示)。

在蓄熱器藉助於電感器(360)經加熱至被稱作保持溫度之溫度時，該蓄熱器不與外殼之第一零件(311)之接納表面(341)接觸。蓄熱器(340)與接納表面之間的接觸電阻為高的，且蓄熱器(340)與外殼之 具有空腔(320)的零件(311)之間的熱轉移減少。

在圖3B中，為了加熱外殼之第一零件，使用電感器使蓄熱器之溫度上升，且該蓄熱器接著膨脹且與接納表面(341)緊密接觸。接觸電阻下降且蓄熱器將其熱傳輸至外殼之具有空腔(320)之零件(311)。有利地，外殼之第一零件之接納表面(341)包含界面層(342)，該界面層由可延展或可壓扁之導熱材料薄片製成，且經銅焊或焊接至接納表面。作為非限制性實例，該薄片由銅，或銅、鎳或石墨合金製成。因此，當蓄熱器(340)接觸該薄片時，其使薄片變形，以便補償蓄熱器與接納表面之間的形狀之輕微差異，且因此允許兩者之間的最佳熱轉移。因此，蓄熱器維持在相對於加熱階段中之溫度低50℃到100℃之保持溫度。此保持需要使用較少電功率，且此外，在加熱階段所需要之功率亦歸因於蓄熱器之變暖而較低。

該蓄熱器(340)在外殼中不具有結構功能。其組合物因此經選擇以使其對感應加熱之回應及其將其熱轉移至外殼之第一零件(311)之能力最佳化。在特定實施例中，在細節Z中，該蓄熱器之結構為蜂巢式，且每一小室(345)填滿具有轉變潛熱之相變材料。有利地，相變材料經選擇以使得其轉變溫度接近於蓄熱器之保持溫度。作為實例，若保持溫度為約200℃，則相變材料為(例如)有機材料，諸如聚醇。若保持溫度較高，例如，約400℃或高於400℃，則相變材料(例如)為鹽。在此等實例中，相變材料藉由吸收轉變潛熱而自低溫下之固態改變至較高溫度下之液態。隨著相變材料自高溫相改變至低溫相，相變材料凝固且釋放該轉變潛熱。蜂巢式結構與相變材料之存在的組合使得有可能在蓄熱器(340)維持在保 持溫度時增加其視在熱慣性，同時保持快速地加熱至加熱溫度之能力。

空腔係藉由外殼之第一零件(311)之導管(330)中的熱轉移流體之循環來冷卻。有利地，外殼之第二零件(312)包含用於圍繞蓄熱器(340)供應熱轉移流體之通道(332)，以便在加熱階段之後加速冷卻至保持溫度且將空腔(320)維持在所要溫度。

在圖3中表示之替代實施例之圖4中，外殼之第一零件(411)與蓄熱器(440)之間的界面並非扁平的，但具有互補輪廓。此實施例使得有可能增大外殼之攜載空腔的該第一零件(411)與蓄熱器(440)之間的潛在接觸表面。在圖4A中，當第一零件(411)未經加熱時，兩個輪廓在接納表面處分離。在圖4B中，在加熱期間，蓄熱器(440)因其溫度上升而熱膨脹，此使其輪廓與外殼之第一零件(411)之接納表面接觸，因此減少兩者之間的熱接觸電阻且有助於藉由傳導進行熱轉移。

上文之描述及例示性實施例展示本發明實現其目標，且使得有可能利用感應加熱之益處來加熱由非鐵磁性材料(例如，鋁合金)製成之模具之模製空腔，同時降低對加熱之功率要求且因此保持供電電路之合理額定值。

Claims (11)

1. 一種模具，其特別地用於射出模製，該模具包含：a.一外殼(111、112、310)，其包含一模製表面(121、122、320)；b.一蓄熱器(241、242、340、440)；c.感應加熱部件(360)，其建構成加熱該蓄熱器；d.該模具之特徵在於其包含用於將該外殼之除該模製表面外的被稱作接納表面(131、132、330)之一表面曝露於該蓄熱器(241、242、340、440)之熱且為該表面阻擋來自該蓄熱器(241、242、340、440)之該熱的機構。
2. 如申請專利範圍第1項之模具，其中為了冷卻該外殼，該外殼包含用於使熱轉移流體循環之一迴路(131、132、330)。
3. 如申請專利範圍第1項之模具，其中該蓄熱器(241、242)為一石墨塊。
4. 如申請專利範圍第1項之模具，其中該蓄熱器(340)包含相變材料。
5. 一種用於加熱如申請專利範圍第1項之一模具之該表面的方法，該方法之特徵在於其包含以下步驟：i.加熱該蓄熱器(440)；ii.將該外殼(211、212、310)曝露於該蓄熱器之該熱。
6. 如申請專利範圍第5項之方法，其中步驟(ii)包含加熱該蓄熱器。
7. 如申請專利範圍第5項之方法，其中藉由移動與該蓄熱器(241、242)對置之該外殼(111、112)來進行步驟(ii)。
8. 如申請專利範圍第7項之方法，其中藉由輻射實現自該蓄熱器至該外殼之熱轉移。
9. 如申請專利範圍第8項之方法，其中自該蓄熱器至該外殼之該熱轉移部分地涉及一氣體之強制對流。
10. 如申請專利範圍第5項之方法，其中藉由使該蓄熱器(340、440)與該外殼之該表面接觸來進行步驟(ii)。
11. 如申請專利範圍第10項之方法，其中藉由該蓄熱器(440、340)之熱膨脹來進行步驟(ii)。