考慮注塑運行期間材料特性變化的注塑機和方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及生產(chǎn)注塑部件的注塑機和方法，更具體地，涉及在注塑運行期間調(diào)節(jié) 注塑機的操作參數(shù)來考慮注塑材料的材料特性變化的注塑機，以及考慮注塑運行期間注塑 材料特性變化的方法。
【背景技術】
[0002] 注塑是一種通常用于大批量制造由可熔融材料制成的部件(最常見的是由塑料制 成的部件)的技術。在重復性注塑過程中，將塑性樹脂(最常見的為小珠或粒料形式）引入注 塑機中，注塑機在熱、壓力和剪切下使所述樹脂珠熔融。將這樣的熔融樹脂強力地注入到具 有特定腔體形狀的模具腔體中。所注入的塑料在壓力下被保持在模具腔體中、冷卻、然后作 為固化部件被移出，所述固化部件具有的形狀基本上復制了模具的腔體形狀。模具自身可 具有單一腔體或多個腔體。每個腔體均可通過澆口連接到流動通道，澆口將熔融樹脂流引 導至腔體中。模塑部件可具有一個或多個澆口。常見的是大部件具有兩個、三個或更多個澆 口以縮短聚合物為填充模塑部件而必須行進的流動距離。每個腔體的一個或多個澆口可位 于部件幾何形狀上的任何位置，并具有任何橫截面形狀如基本上圓形或以1.1或更大的縱 橫比成型。因此，典型的注塑程序包括四個基本操作：（1)將塑性材料在注塑機中加熱，以允 許所述塑性材料在壓力下流動；（2)將熔融塑性材料注入到限定于已閉合的兩個模具半塊 之間的一個或多個模具腔體中；（3)允許所述塑性材料在所述一個或多個腔體中冷卻并硬 化同時處于壓力下；以及(4)打開模具半塊并將部件從模具中彈出。
[0003] 在注塑過程中，將熔融塑性樹脂注入模具腔體中，并且通過注塑機迫使所述塑性 樹脂注入到腔體中，直至塑性樹脂到達腔體中的最遠離澆口的位置。此后，塑性樹脂從背對 著澆口的端部填充腔體。所得的該部件的長度和壁厚取決于模具腔體的形狀。
[0004] 在一些情況下，可能期望減小注塑部件的壁厚以減少塑性材料含量，并因此降低 最終部件的成本。使用常規(guī)高可變壓力注塑法減小壁厚可能是昂貴且不易完成的任務。事 實上，常規(guī)的注塑機(例如在介于約8,000psi至約20,000psi之間注射熔融塑性樹脂的機 器)具有關于可模塑的部件的薄壁的實際限制。一般來講，常規(guī)的注塑機不能模塑具有大于 約200的薄壁比率(如由下文所示的L/T比率定義)的部件。此外，模塑具有大于100的薄壁比 率的薄壁部件要求在電流容量高端點處的壓力，并因此要求能夠處理這些壓力的壓機。
[0005] 當填充薄壁部件時，當前的行業(yè)慣例是在模塑機可達到的最高可能速率下填充模 具腔體。這種方法確保聚合物在模具中固化或"凍結"之前填充模具腔體，并提供最低可能 的循環(huán)時間，因此使聚合物盡可能快地暴露在冷卻的模具腔體中。這種方法具有兩個缺點。 第一是為實現(xiàn)非常高的填充速度要求非常高的功率負荷，并且這要求非常昂貴的模塑設 備。另外，大多數(shù)電壓機不能提供足夠的功率以實現(xiàn)這些高填充速率，或者要求非常復雜且 昂貴的驅(qū)動系統(tǒng)，所述驅(qū)動系統(tǒng)顯著增加了模塑設備的成本使得它們在經(jīng)濟上不實際。
[0006] 第二個缺點是高填充速率需要非常高的壓力。這些高壓力導致需要非常高的夾緊 力以在填充期間保持模具閉合，并且這些高夾緊力導致非常昂貴的模塑設備。高壓力還需 要由非常高強度的材料，通常為硬質(zhì)工具鋼制成的注塑芯。這些高強度模具也非常昂貴，并 且對于很多模塑組件而言，可以是經(jīng)濟上不切實際的。即使具有這些基本的缺點，但是對薄 壁注塑組件的需求仍然很高，因為這些組件使用較少的聚合物材料來形成模塑部件，從而 導致多于抵消較高設備成本的材料節(jié)約。另外，一些模塑組件需要非常薄的設計元件以適 當?shù)剡\行，諸如需要撓曲的設計元件，或必須與其它設計元件的非常小的結構配合的設計 元件。
[0007] 當以常規(guī)注塑方法將液態(tài)塑性樹脂引入注射模具中時，鄰近腔體壁的材料立即開 始"凍結"、或硬化、或固化，或在結晶聚合物的情況下，塑性樹脂開始結晶，因為液態(tài)塑性樹 脂冷卻至低于材料的不流動溫度的溫度，并且液態(tài)塑料的一部分變成靜態(tài)。這種鄰近模具 壁的凍結材料使熱塑性材料在其向模具腔體的端部前進時所行進的流動通道變窄。鄰近模 具壁的凍結材料層的厚度隨著模具腔體填充的進行而增加，這造成聚合物必須流動通過以 繼續(xù)填充模具腔體的橫截面積逐漸減小。隨著材料凍結，其還收縮、從模具腔體壁脫離，這 減少了材料通過模具腔體壁的有效冷卻。因此，常規(guī)注塑機非常快速地用塑料填充模具腔 體，然后保持填料壓力以將材料推向模具腔體側，來增強冷卻并保持模塑部件的正確形狀。 常規(guī)模塑機通常具有由約1 〇 %注射時間，約50 %填料時間，以及約40 %冷卻時間組成的循 環(huán)時間。
[0008] 當模具腔體中的塑料凍結時，常規(guī)注塑機增加注射壓力（以保持基本上恒定的體 積流量，由于變小的橫截面流動面積）。然而，增加壓力會具有成本和性能兩方面的缺點。當 模塑組件所需的壓力增加時，模塑設備必須具有足夠的強度以耐受附加的壓力，這一般等 同于更昂貴的費用。制造商可能不得不購買新的設備以適應于這些增加的壓力。因此，減小 給定部件的壁厚可產(chǎn)生用以通過常規(guī)注塑技術實現(xiàn)所述制造的大量資本費用。
[0009] 為了避免上述的一些缺點，很多常規(guī)的注塑操作使用剪切致稀塑性材料以改善塑 性材料進入模具腔體中的流動特性。在將剪切致稀塑性材料注入到模具腔體中時，在塑性 材料和模具腔體壁之間產(chǎn)生剪切力并且模具腔體壁趨于減小塑性材料的粘度，由此使塑性 材料更自由且容易地流入模具腔體中。因此，可足夠快地填充薄壁部件以避免材料在完全 填充模具之前完全凍結。
[0010] 粘度的減少與塑性材料和進料系統(tǒng)之間、以及塑性材料和模具腔體壁之間產(chǎn)生的 剪切力的量級直接相關。因此，這些剪切致稀材料的制造商和注塑系統(tǒng)的操作者已努力驅(qū) 使模塑壓力更高以提高剪切，從而降低粘度。通常，高輸出注塑系統(tǒng)（即，101級和30級系統(tǒng)） 在通常15，000psi或更高的熔體壓力下將塑性材料注入到模具腔體中。剪切致稀塑性材料 的制造商教導注塑操作者在高于最小熔體壓力下將塑性材料注入到模具腔體中。例如，通 常在大于6,000psi (由聚丙稀樹脂制造商推薦的范圍通常為大于6,000psi至約15,000psi) 的壓力下加工聚丙烯樹脂。壓機制造商和加工工程師通常推薦在所述范圍的頂端或顯著更 高下加工剪切致稀聚合物，以實現(xiàn)最大的潛在剪切致稀，其通常大于15,000psi，以從塑性 材料中提取最大致稀和更好的流動性能。剪切致稀熱塑性聚合物一般在超過6,000psi至約 30，000psi的范圍內(nèi)加工。即使使用剪切致稀塑料，對于薄壁部件的高可變壓力注塑也存在 實際限制。目前該限制在具有200或更大的薄壁比率的薄壁部件的范圍內(nèi)。此外，即使具有 介于100至200之間的薄壁比率的部件也可能變得成本過高，因為這些部件一般要求注射壓 力介于約15,000psi和約20,000psi之間。
[0011] 生產(chǎn)薄壁消費品的高產(chǎn)注塑機（8卩，101級和30級模塑機)僅使用模具中的大部分 由高硬度材料制成的模具。高產(chǎn)注塑機通常每年經(jīng)歷500,000次循環(huán)或更多。優(yōu)質(zhì)工業(yè)生產(chǎn) 模具必須被設計成經(jīng)受至少每年500，000次循環(huán)，優(yōu)選地多于每年1，000，000次循環(huán)，更優(yōu) 選地多于每年5，000，000次循環(huán)，且甚至更優(yōu)選地多于每年10，000，000次循環(huán)。這些機器具 有多腔體模具和復雜的冷卻系統(tǒng)以提高生產(chǎn)率。高硬度材料比低硬度材料更能夠經(jīng)受重復 的高壓夾緊操作。然而，高硬度材料如大多數(shù)工具鋼，具有相對低的熱導率，一般小于 20BTU/HR FT 7，這導致較長的冷卻時間，因為熱從熔融塑性材料傳遞通過高硬度材料。
[0012] 即使現(xiàn)有的高可變壓力注塑機具有不斷增加的注射壓力范圍，在常規(guī)的高（20， OOOpsi)可變壓力注塑機中模塑薄壁部件的實際限制也仍然為約200(L/T比率），并且對于 很多制造商而言，具有介于約100至約200之間的薄壁比率的薄壁部件可能是成本過高的。
[0013] 模塑條件的變化可顯著影響熔融塑性材料的特性。更具體地，環(huán)境條件的變化(諸 如溫度的變化)可升高或降低熔融塑性材料的粘度。當熔融塑性材料的粘度變化時，可影響 模塑部件的質(zhì)量。例如，如果熔融塑性材料的粘度增加，則模塑部件可經(jīng)歷短射，或熔融塑 性材料的短缺。在另一方面，如果熔融塑性材料的粘度降低，則模塑部件可經(jīng)歷飛邊，因為 較稀的熔融塑性材料被擠壓到模具腔體的縫隙中。另外，與原始材料混合的再循環(huán)塑性材 料可改變混合的塑性材料的熔體流動指數(shù)(MFI)。常規(guī)注塑機不調(diào)節(jié)操作參數(shù)來考慮材料 特性的這些變化。因此，常規(guī)注塑機常常生產(chǎn)較低質(zhì)量的部件，所述部件必須常常在質(zhì)量控 制檢測期間被移除，從而導致操作低效性。
【附圖說明】
[0014] 附圖所示的實施例在性質(zhì)上為例證性和示例性的，而并不旨在限制由權利要求所 限定的主題。當結合以下附圖閱讀時，能夠理解對以下例示性實施例的詳細描述，其中用類 似的附圖標號表示類似的結構，并且其中：
[0015] 圖1示出了根據(jù)本公開構造的注塑機的示意圖；
[0016] 圖2示出了形成于圖1的注塑機中的薄壁部件的一個實施例；
[0017] 圖3為圖1的注塑機的腔體壓力對時間的圖，其疊加于常規(guī)注塑機的腔體壓力對時 間的圖之上；
[0018] 圖4為圖1的注塑機的腔體壓力對時間的另一圖，其疊加于常規(guī)注塑機的腔體壓力 對時間的圖之上，該圖示出了用于某些填充步驟的填充時間的百分比；
[0019] 圖5A為在常規(guī)注塑機開始將熔融熱塑性材料注入到腔體中時的薄壁模具腔體的 一部分的側剖視圖；
[0020] 圖5B為當形成冷凍邊界層，但在腔體完全填滿之前，圖5A的薄壁模具腔體的一部 分在填充的后階段的側剖視圖；
[0021] 圖5C為當邊界層變厚時，圖5B的薄壁模具腔體的一部分在填充的后階段的側剖視 圖；
[0022]圖5D為當整個模具腔體基本上被冷凍的熱塑性材料填充時，圖5C的薄壁模具腔體 的部分在填充的后階段的側剖視圖；
[0023] 圖6A為薄壁模具腔體的一部分在由圖1的注塑機填充的階段的側剖視圖。
[0024] 圖6B為圖6A的薄壁模具腔體的一部分在填充的后階段的側剖視圖；
[0025] 圖6C為圖6B的薄壁模具腔體的一部分在填充的后階段的側剖視圖；
[0026] 圖6D為圖6C的薄壁模具腔體的一部分在填充的后階段的側剖視圖；
[0027] 圖7為可在圖1的注塑機上進行的注塑循環(huán)的示意圖。
[0028] 圖8為注塑機的壓力對時間的圖，其示出了熔融塑性材料的粘度變化的影響；
[0029] 圖9為注塑機的壓力對時間的圖，其示出了可基于熔融塑性材料的粘度變化由控 制器來進行壓力調(diào)節(jié)以確保模具腔體正確填充并且熔融塑性材料在正確的時間量內(nèi)完全 填充模具腔體；
[0030] 圖10為示出考慮熔融塑性材料的粘度變化的注塑過程的邏輯圖；并且
[0031] 圖11為示出考慮模塑循環(huán)中熔融塑性材料的粘度變化的注塑過程的邏輯圖。
【具體實施方式】
[0032] 本發(fā)明的實施例一般涉及通過注塑制備產(chǎn)品的系統(tǒng)、機器、產(chǎn)品、以及方法，并且 更具體地涉及通過基本上低恒壓注塑制備產(chǎn)品的系統(tǒng)、產(chǎn)品、以及方法。然而，本文所述的 考慮熔融塑性材料的粘度變化的裝置和方法不限于基本上低恒壓注塑機和方法。相反，本 發(fā)明所公開的考慮熔融塑性材料的粘度變化的裝置和方法可結合到幾乎任何注塑機或方 法中，包括但不限于高壓方法、低壓方法、可變壓力方法以及恒壓或基本上恒壓方法。
[0033] 如本文所用，相對于熱塑性材料的熔體壓力的術語"低壓"，是指6000psi和更低的 注塑機的噴嘴附近的熔體壓力。
[0034] 如本文所用，相對于熱塑性材料的熔體壓力的術語"基本上恒定的壓力"，是指與 基線熔體壓力的偏差不產(chǎn)生熱塑性材料物理特性方面的有意義的變化。例如，"基本上恒定 的壓力"包括但不限于熔融熱塑性材料的粘度不為此發(fā)