部分加强的塑料部件的制造方法

本发明涉及一个通过热成形来制造热塑性部分加强的塑料部件 的方法。

常见的是将一个金属加强件与热成形部件机械地连接或粘贴起 来。这里的缺点是，金属的比重大且制造成本高。

在现有技术中，也可通过加进筛网来对由热成形制成的部件进 行部分的加强。但由此只能实现一个很有限的加强效应。

此外还进一步公知，加强材料作为内装件而被放置在一个压铸 模或压模中，然后将压注塑料或压塑料加入模具从而使部件成形。 绝大多数都使用金属或纤维加强的塑料作为内装件的材料。但是， 这些方法主要是适于大批量系列生产，而对于小的产品件数由于高 昂的模具制造费用是不经济的。

在对热塑性塑料浸渍织物(Organo-板)的热成形中，该方法 的经济性又由于高的材料价格而降低。此外，使用这样的材料只能 对部件进行全部而不是部分的加强。

本发明的任务是研制一个即便在产品件数小时也能以低生产成 本制造出部分加强的热塑性塑料部件的方法。

根据本发明这一任务是以如下方式解决的，即，为了形成部分 加强的部件区域，使用含有长度大于1mm的纤维的可被加热成形的 加强材料，该加强材料由于热传递而变成软弹性状态，然后在确定 的位置和确定的方向被打褶并覆置在一个深拉伸阳模上，在此之后， 将一个预先已被增塑的塑料板套置在该业已由加强材料覆置其上的 模具上，并且将该塑料板通过在模具中抽真空而在大气压力作用下 如此压紧模具表面和加强材料，使得加强材料现存的热量将其与塑 料板焊接在一起。

必须将可被加热成形的加强材料变成软弹性状态，以便能形成 同模具一样的轮廓。但是因为加强材料的结构(几何形状、纤维长 度、纤维走向)应该保持不变，所以只能对其进行热传递而不需诸 如裁剪之类的工作。作为热源，可以使用例如红外线辐射器、温箱 和流动的热空气。

在制造简单几何形状的部件时，可使用热塑性塑料浸渍的粗纱 (Roving)材料作为加强材料。因为这种材料与压铸或压加工相反 不能对其进行再加强，所以只能使用100％浸渍度的材料，由于纤维 之间的摩擦，较小浸渍度的材料在动载荷的作用下失效。

对于复杂几何形状的结构零件和由此而导致的加强材料在模具 上的费时的安置和覆盖，简单的热塑性塑料浸渍的粗纱由于其小的 热容量是不适用的。

为了确保加强材料和塑料板之间的焊接连接，加强材料必须有 足够的热量。但在加强材料在模具上的费时的打褶和覆盖过程中， 已成软弹性状态的加强材料的温度降低到低于所要求的加工温度。 在此，加强材料在模具上的打褶和覆盖所需的时间根据所需加强材 料的几何形状和数量而处于大约10到120秒之间。如果加强材料有 过小的热量和/或过高的导热能力，预先已被增塑的塑料板就必须将 足够的热量传递到加强材料上。在此，可以认为，这一热输出只能 由塑料板的一个大约1mm厚的边界层进行。

为了提高加强材料的热容量，也可以提高这个边界层的厚度。 在此，使用一个复合层材料作为加强材料是适于此目的的，该复合 层材料具有至少一个含纤维的加强层和一个用作热量储存器的由非 加强塑料构成的层。与均质的加强材料相比，这样的复合层在重量 和特别是相对于冷的模具的隔热作用上都显示出优越性。

纤维可在加强材料中呈单一方向的走向，在这种场合纤维的加 强作用被充分地利用。在纤维多方向地分布在加强材料中的场合， 纤维的加强效果较小；然而在此，防止分层的可靠性增高，这是有 好处的。

加强材料的所有变型都毫无问题地使得单个地加工部分加强的 塑料部件成为可能。由此就使得部件原理上新的概念成为可能，该 新的概念可以被运用到单个照顾病人的假肢或矫形件上。

可以对纤维长度大于25mm的加强材料进行加工。这样的加强 材料具有高的振动疲劳强度和一个通过变化纤维种类、纤维浓度和 层厚而可调的抗弯刚度。因此，根据本发明的方法所制造的塑料部 件也可以作为弹簧元件(例如作为一个动力假脚中的弹簧元件)而 集成于部件之中。

此外，如下系统也是可以想象的，在该系统中，加强材料在确 定的力导入之下能够有一个给出一个关节功能的弯曲角。同时，加 强材料又作为弹簧元件起作用，由此，一旦为弯曲所需的力不再作 用在该部件上，就形成一个回动功能。

为了准备要根据本发明加工的塑料板，适宜的是，将要被增塑 的塑料板夹紧在一个框架上，一直对其加热直到它到达软弹性状态 为止，它在框架上下垂并因此向前伸出。但也可用压力空气使已被 增塑的塑料板向前伸出。

深拉伸阳模可由金属、木材、抗热变形的塑料材料以及泡沫塑 料、石膏及类似的材料制成。表面必须封闭和光滑，以避免模具和 硬化的热塑性塑料粘在一起。在模具由石膏或类似的多孔材料制成 时，对深拉伸阳模表面涂层或用一个抗热变形的织物或一个相应的 薄膜覆盖是适宜的。在此应注意不能对织物或涂层施行与热塑性塑 料的焊接连接，并且织物或涂层应无褶地安置在表面上。

在小批量和单件加工或者在相应长的循环时间场合，不必要将 深拉伸阳模调节到一个确定的温度，但是，在特别是系列生产和由 此而导致的短的循环时间中，调节模具温度，这是有优点的。

根据本发明的方法可按如下方式进行：

首先，加热加强材料，直到它到达软弹性状态为止。接着，将 其打褶并覆置在深拉伸阳模的指定位置上。同时，将一块塑料板夹 紧在一个框架上，一直对其加热直到它处于软弹性状态为止。由于 它本身的重量，从一定的温度开始，该塑料板就下垂并从而向前伸 出。如果到达了所希望的温度及所希望的伸展度，将框架连同塑料 板一起降到模具上并降到已处于模具上的加强材料之上。然后通过 抽真空，软弹性塑料就在大气压力的作用下被压紧在模具的表面及 加强材料上，并由此而形成模制件。此时加强材料必须仍处于软弹 性状态，或者塑料板必须能够传递足够的热量来软化加强材料。然 后，在这样的条件下调节出塑料板和加强材料之间的焊接。

根据本发明方法的一个本质上的优点在于，可以只是在深拉伸 部件的对功能有益的位置做加强，而在部件的其他位置可以容许有 较高的柔性。

对于所说的焊接所必需的热量预算可在如下的过程参数下实 现：

a)深拉伸阳模：

使用一个套置尼龙织物的未调节温度的石膏模具。

加强材料：

—成分：        60％重量百分比的单向玻璃纤维，40％重

                量百分比的聚丙烯

—尺寸：        0.05×0.5×20cm＝1cm3

—热学性质：    热容量Cp＝1.54J/gK

                导热能力λ＝0.42 W/m K

—温度：        25℃(在打褶及覆置之后要冷却到室温！)

—所需的热量    对每个加强条160 J(由25℃加热到165

                ℃)

塑料板：

—成分：        100％的聚丙烯

—边界层体积：  0.1×0.5×20cm＝2cm3

—热学性质：    热容量Cp＝1.9J/gK

                导热能力λ＝0.17 W/m K

—温度：        250℃

—可传递的热量  每个加强条270J(由250℃冷

                却到170℃)

b)如果加强材料具有如此大的热量，使得材料未被冷却到为焊 接所必需的温度之下，将实现完全另外的一种热量预算。当加强材 料具有足够的质量和温度时，就存在这样的情况。由加强材料传递 到模具的热量可通过一个大的壁厚以及通过加强材料的一个低导热 能力而减小。

c)在以下的过程参数下可以避免将由复合层组成的加强材料冷 却到焊接温度以下：

模具：套置尼龙织物的未调节温度的石膏模具

加强材料：

—加强层成分：            60％重量百分比的单向玻璃纤

                          维，40％重量百分比的聚丙烯

—加强层尺寸：            0.05×2.5×20cm＝2.5cm3

                          (＝3.73g)

—热量储存器和绝热层成分：100％的聚丙烯

—热量储存器和绝热层尺寸：0.1×2.5×20cm＝5.0cm3

                          (＝4.5g)

—热学性质：              热容量Cp＝1.74J/gK

                          导热能力λ＝0.25W/mK

—温度：                  250℃(在打褶及覆置之后要冷

                          却到温度大于170℃！)

—最大容许热量损失：      每个加强条1120J

已表明，不能在120秒中由加强材料给出1120J的热量。这样 就保证了焊接。

被加热从而呈软弹性的加强材料倾向于粘附在深拉伸阳模上。 因此，为了将加强材料固定在模具上，在很多场合只需将其简单地 放上即已足够。在垂直面上可用小钉将加强材料固定。

在附图中以简图形式示出作为实施例的一些本发明的实施形 式。附图示出：

图1：制造一个假脚的单个方法步骤。

图2：制造一个踝骨关节的单个方法步骤，该踝骨关节作为带有 弹簧回动系统的关节。

图3：形式为切诺-波士顿-威斯巴登紧身胸衣(Chneau-Boston- Wiesbaden-korsetts)的一个根据本发明所制造的塑料部件。

在图1(a)中示意示出一个加热炉1，在该加热炉1中，一个 安装在绷紧框架2上的聚丙烯板3与一个由聚丙烯/玻璃纤维加强层 和聚丙烯热量储存器/绝热层组成的加强材料4一起被加热到250 ℃。接着将加强材料4打褶并覆盖在带有真空连接件5的一个病人 脚的石膏模6上(图1b)。最迟在120秒后将聚丙烯板3套置在深 拉伸阳模6上(图1c)。通过抽真空，该聚丙烯板材压紧在模具6 及加强材料4上(图1d)。在冷却之后，可将该部件脱模，并对其 进行切削精加工(图1e)。

在这个假脚制造中，下列条件可被调节：

模具：石膏模，由尼龙织物套上，室温(未调节温度)

加强材料：

层复合材料

—0.05×2.5×20cm，60％重量百分比的单方向玻璃纤维， 40％重量百分比的聚丙烯，带有

—0.3×2.5×20cm，100％重量百分比的聚丙烯作为热量 储存器和绝热层

—预热温度：250℃

塑料板；

—成分：    100％的聚丙烯

—尺寸：    0.3×70×50cm

—预热温度：250℃

在图2中以简图形式示出按照根据本发明的方法制造一个作为 带有弹簧回动系统的关节的踝骨关节。

两个都是由50％重量百分比的单方向安置的碳纤维和50％重量百 分比的聚酰胺12(PA12)组成的加强元件8被打褶并覆置在一个由 聚四氟乙烯涂层的、由两个部分组成的铝模7上。接着将一个被增 塑的PA12板3套置在带有已被打褶并覆置在其上的条形加强元件8 的铝模具7上(图a)。在冷却之后，将该关节脱模并对其进行切削 精加工(图b)。最后安装上管连接接头9(图c)。图(d)示出已 加工好的在弯曲状态下的关节。

图3示出一个根据本发明方法制造的切诺-波士顿-威斯巴登- 紧身胸衣。在此部件中在其背面平行于背部开口安置了两个加强元 件11。在部件的前面在胸部高度有—个另外的折弯大约40°的加强 元件12。