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1 外文資料名稱： F 文 資 料 出 處 ： 1999 件： 指導(dǎo)教師評(píng)語： 簽名： 年 月 日 2 可控注塑成型的發(fā)展趨勢(shì) 海榮譯 摘要 ： 過程控制已被確認(rèn)為提高穩(wěn)定性和熱塑性 的 一項(xiàng)重要手段，然而沒有一個(gè)單一的控制策略或系統(tǒng)設(shè)計(jì)已被普遍接受。注塑過程是成型系統(tǒng)繼續(xù)生產(chǎn)有限的熱和流動(dòng)力學(xué)的加熱聚合物熔體缺陷部件的生產(chǎn)過程。 本文討論的是一些困難所造成的復(fù)雜和分發(fā)性質(zhì)注塑過程。相對(duì)于運(yùn)輸和流變對(duì)流動(dòng)和熱動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)行了分析。然后，兩個(gè)新的加 工方法被描述為循環(huán)流量、壓力和熱控制。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這些創(chuàng)新的有效性可以增加聚合物加工的一致性和靈活性。 關(guān)鍵詞 ： 過程控制，成型系統(tǒng)，注塑過程。 1 導(dǎo)言 注塑能夠產(chǎn)生非常復(fù)雜且標(biāo)準(zhǔn)的部件。這個(gè)過程包括以下幾個(gè)階段：塑料化，注塑，包裝，冷卻和脫模。在注塑成型及其變種（注射壓縮天然氣協(xié)助成型等）中，熱塑性塑料顆粒被輸入一個(gè)旋轉(zhuǎn)螺釘并融化。隨著均勻的熔體收集前的螺絲釘是向前發(fā)展的軸向控制，隨時(shí)間變化的速度，以推動(dòng)融入一個(gè)疏散腔。一旦熔體凝固和成型元件有足夠的剛性，模具被打開和部分脫落，周期范圍從不到 4 秒的 光盤到超過三分鐘的汽車零部件。 控制注塑明顯挑戰(zhàn)的是非線性行為的高分子材料，動(dòng)力和耦合過程的物理和錯(cuò)綜復(fù)雜的相互作用模具幾何和最終產(chǎn)品的質(zhì)量屬性。訂正系統(tǒng)的觀點(diǎn)，現(xiàn)代常規(guī)注塑過程圖中提出的機(jī)器參數(shù)會(huì)顯示在左側(cè)的數(shù)字和一些常見的成型質(zhì)量的一部分措施是列于右側(cè)。這個(gè)過程分為五個(gè)不同的階段。輸出的每個(gè)階段不僅直接決定了下一階段的初始條件，而且影響最后成型部分的質(zhì)量。 圖 1 ：注塑過程的系統(tǒng)觀點(diǎn) 圖 2 ：注塑成型控制的系統(tǒng)圖 3 2 工藝開發(fā) 注塑成型控制如圖 2 所示：在最低級(jí)只有機(jī)驅(qū)動(dòng)器調(diào)節(jié)，這種控制將確保機(jī)器投入妥善地執(zhí)行方案（圖 1 ） 。在第二級(jí)為狀態(tài)變量，如熔體溫度和熔體壓力的控制，跟蹤預(yù)先指定的配置 文件，這將提供更精確的融化控制狀況。在外層一級(jí)，調(diào)整機(jī)投入，通過提供更好的盤末點(diǎn)的質(zhì)量反饋以提高產(chǎn)品質(zhì)量的組成部分。 顯然自動(dòng)控制是重要的，它是聚合物狀態(tài)直接決定了成型零件質(zhì)量。因此，本文的重點(diǎn)是關(guān)閉機(jī)器之間的回路參數(shù)和聚合物狀態(tài)。如果實(shí)現(xiàn)，這些先進(jìn)的控制策略將提高成型零件的質(zhì)量和一致性。 3 模腔壓力控制 模腔壓力是可以規(guī)定成型周期的一個(gè)基本狀態(tài)變量。閉環(huán)控制的模腔壓力可以自動(dòng)補(bǔ)償不同的熔體噴油壓力，以實(shí)現(xiàn)一致的過程和一套統(tǒng)一的產(chǎn)品屬性。曼恩推出的第一個(gè)壓力控制計(jì)劃用調(diào)制泄壓閥 ，并制定了有關(guān)反應(yīng)開環(huán)擾 動(dòng)的阿布法拉過程控制模型的模腔壓力 。斯里尼瓦桑以后使用這些模式提出了學(xué)習(xí)控制器閉環(huán)腔壓力控制。為適應(yīng)控制方法還提出了在模具中跟蹤腔壓力通常分布在一個(gè)地點(diǎn) 。 不幸的是模腔壓力控制因缺少一個(gè)系統(tǒng)的方法來確定壓力。此外，由于沒有適當(dāng)驅(qū)動(dòng)器控制壓力 ，所以 它是不完整的。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的注塑機(jī)都只配備了一個(gè)驅(qū)動(dòng)器（螺釘）不允許同時(shí)控制多個(gè)點(diǎn)的模腔壓力。熔體運(yùn)輸系統(tǒng)在常規(guī)冷流道模具如圖 3所示，很明顯幾何是“硬線”入模。其次位置是固定的，尺寸也被修復(fù)。 圖 3 ：典型包裝壓力分布 在可控的注塑成型過程中，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，以確定關(guān)鍵的工藝參數(shù)和部分尺寸：公式中機(jī)器參數(shù)從 0 縮減到 1 ，表明了可行的最高 加工范圍。由此產(chǎn)生的線性模型的系數(shù)改變零件實(shí)際尺寸。應(yīng)當(dāng)指出的是，一次加工完成后，雖然功能顯著但尺寸變化可通過處理卻十分有限。 公理設(shè)計(jì)指出“應(yīng)保持獨(dú)立功能”它適用于開發(fā)控制多種自由度熔體 4 流動(dòng)和模腔壓力。圖 4 所示閥門熔體的流動(dòng)從入口到型腔壓降和流速熔體動(dòng)態(tài)多樣性，熔體控制在每門可以覆蓋影響成型機(jī)并提供更好的響應(yīng)時(shí)間和融化的差別控制。每個(gè)閥門作為獨(dú)立注射單位減少依賴于機(jī)器的動(dòng)力。本實(shí)施不僅能提供更低的成本和更高的可靠性，而且還繼承了傳統(tǒng)的外觀系統(tǒng)。 圖 4 ：動(dòng)態(tài)流量調(diào)節(jié)設(shè)計(jì) 圖 5 ：動(dòng)態(tài)流量調(diào)節(jié)設(shè)計(jì) 由此產(chǎn)生的可控注塑成型過程中如圖 5 有多個(gè)壓力概況 可以保持在型腔一個(gè)組成部分。在同一周期內(nèi)，三種不同程度的熔體施加了壓力。該壓力控制階段， 1 號(hào)門是 帕（ 6000 磅）， 2 號(hào)門是 帕（ 6000 磅）， 3 號(hào)門是 帕（ 3000磅）和 4 號(hào)門是 帕（ 9000 磅）。在傳統(tǒng)的注塑成型中熔體壓力將是相同的所有大門。 由上式知有兩大影響因素：首先 閉環(huán)控制腔壓力，大大減少了零件尺寸依賴于機(jī)器的設(shè)置，并且減少多個(gè)零件尺寸標(biāo)準(zhǔn)偏差的 5 倍，從而增加了過程能力指數(shù)，從不到 1 到遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出 2 。第二如公式 改善所提供的三維可控性的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)腔壓力分布。一般情況下，改變了在門口最接近的模腔壓力影響零件尺寸。此外，獨(dú)立的控制閥產(chǎn)生提供了不同層面的能力在一個(gè)地點(diǎn)同時(shí)又不干預(yù)層面另一地點(diǎn)。應(yīng)當(dāng)指出的是，總規(guī)?？扇S變化的動(dòng)態(tài)壓力調(diào)節(jié)是大致相同的常規(guī)成型。 這些結(jié)論對(duì)產(chǎn)品和加工的發(fā)展進(jìn)程可能有 重大影響。目前，充型數(shù)值模擬和專家判斷相結(jié)合估計(jì)這一進(jìn)程的行為 關(guān)鍵的 是 設(shè)計(jì)決策。改進(jìn)可控的注塑成型過程中允許改正錯(cuò)誤，許多設(shè)計(jì)在模具調(diào)試階段沒有重組。這種變化在發(fā)展過程中可能大 5 幅度減少工具的開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期，并加快產(chǎn)品上市時(shí)間。 4 溫度控制 典型的熱路徑在冷卻階段的注射成型模具是熱量進(jìn)行熱聚合物的相對(duì)冷卻，然后通過模具的冷卻線。雖然動(dòng)態(tài)壓力控制已經(jīng)證明是可行的，并正在商業(yè)化。 冷卻階段注塑周期是不理想的，很多 原因 影響了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)學(xué)。物理過程的模具溫度必須低于聚合物熱變形溫度，例 如，一個(gè)剛性部分彈出。然而，冷卻的模具溫度進(jìn)行熱量發(fā)展造成皮膚外觀的 一部分和繁殖的冷 凍層實(shí)現(xiàn)的核心部分。這些冰凍層的流動(dòng)阻力增加，使模具型腔難以填補(bǔ)。由于凍結(jié)層的不斷發(fā)展，在注射液和冷卻不同程度的壓力和聚合物形態(tài)的變化作為一個(gè)功能的厚度減少了光學(xué)、結(jié)構(gòu)、性能和其他部分。 目前的研究目標(biāo)是開發(fā)一種新的更具實(shí)力的模具壁溫動(dòng)態(tài)控制方法。應(yīng)該使高模壁溫度在注射和包裝階段，以促進(jìn)聚合物的流動(dòng)，隨后引起低模壁溫度，以促進(jìn)凝固的成型部分。最理想的是，在填充過程中模具壁溫應(yīng)與熔體溫度平衡。這種模具溫度在成型周期尚未實(shí)現(xiàn)。動(dòng)態(tài)溫度控制有三個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)： 1 、 更高質(zhì)量的零件 ： 在注聚合物時(shí)提高 模具溫度可以完全避免發(fā)展外皮膚和冰凍層。壓力和熱梯度部分將減少到最低限度，從而降低雙折射，低殘余應(yīng)力等。 2 、 減少壁厚 ： 在注聚合物時(shí)維持一個(gè) 高模具溫度，流量電導(dǎo)將大大增加，這將能夠大幅度減少壁厚 。 3 、 縮短周期 ： 通過在冷卻階段減少模具壁溫，部分更迅速地鞏固，生產(chǎn)力得到很大的提高。此外，氣溫較低的彈射將大大減少后成型收縮從而減少了多方面的變化。 目前的辦法包括三個(gè)簡(jiǎn)單的概念圖 6 所示。首先，與傳統(tǒng)注塑成型相比模具冷卻液維持在較低的溫度比通常是可行的。其次，重要的是溫度瞬時(shí)異型模具鋼在開始前注 射液對(duì)流加熱的天然氣，通過表面的模具根據(jù)已知的時(shí)間 /溫度 /流量的資料。最后，成型周期的開始與傳熱動(dòng)態(tài)程序“開環(huán)” ，以獲取所需的動(dòng)態(tài)模具壁溫行為作為時(shí)間函數(shù)。 為提供準(zhǔn)確代表性的進(jìn)程， 20 個(gè)成型周期的熱模擬的前一個(gè)周期結(jié)果是下一個(gè)周期的初始條件的。如果有模具一直在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行生產(chǎn)。這將允許估計(jì)整個(gè)模具在開始的周期溫度分布。 6 常規(guī) 動(dòng)態(tài)冷卻 圖 6 ：動(dòng)態(tài)冷卻控制 圖 7 ：通過截面零件及模具的溫度 由此產(chǎn)生的溫度分布通過截面聚合物（陰影區(qū)）和模具繪制的大量時(shí)間如圖 7，微量＃ 0 表明聚合物注入模具的最初溫度曲線。在傳統(tǒng)的過程中，模具是在低溫時(shí)注射，造成聚合物 100℃差別的皮膚和核心。在擬議過程中，熱瞬時(shí)啟動(dòng)，以提供高模具表面溫度。改變氣體溫度和時(shí)間的接觸可以修改初始溫度分布。隨后曲線代表溫度分布在一秒鐘的間隔，冷卻期間注塑模具墻將導(dǎo)致流動(dòng)阻力增加和減少的部分財(cái)產(chǎn)，而 降低熱冷卻的模具是傳熱冷卻過程中的一部分，減少了模具冷卻溫度顯著提高了換熱冷卻，這是減少周期時(shí)間所必須的。擬議的進(jìn)程提供了最低限度的熱瞬態(tài)期間注射，但仍得以迅速冷卻以后的部分。 熱梯度圖 7 至關(guān)重要的是預(yù)測(cè)和控 制其他進(jìn)程的動(dòng)態(tài)和隨后的部分屬性。例如，理想的是 增加流動(dòng)電導(dǎo)以減少所需的注射壓力。這將不僅使制造更大的部分給指定的機(jī)器的能力，而且還增加了 部分 的 統(tǒng)一屬性。鑒于流變和熱性能的聚碳酸酯，由此產(chǎn)生的壓力等值線從中央到邊緣的光盤中顯示如圖 8 的壓力分布在年底充型的代表是堅(jiān)實(shí)的痕跡。裝載過程中，高流量和流動(dòng)阻力將會(huì)造成大量的注射壓力以填補(bǔ)型腔。圖 8 所示，傳統(tǒng)的成型需要大約 1 的壓力以填補(bǔ)模具。擬議的進(jìn)程使近等溫填補(bǔ)模具減少了注射壓力到 12減少了噴油壓力需要較少的能源生產(chǎn)，并增加了標(biāo)準(zhǔn)零件的質(zhì)量。 7 常規(guī) 動(dòng)態(tài)冷卻 圖 8 ：徑向壓力等值線光盤 熱和壓力的重要意義如圖 7 和 8 還可以審查輸出部分屬性。例如我們會(huì)考慮雙折射，這是所造成的光學(xué)性質(zhì)變化，兩個(gè)或兩個(gè)以上的不同傳播速度，同時(shí)通過光盤，某一等級(jí)的聚碳酸酯，折射指數(shù)直接相關(guān)的具體數(shù)量的模塑部分。圖 9 顯示截面各地的具體數(shù)量， 并通過光盤上彈射?？v坐標(biāo)軸代表的徑向方向而橫坐標(biāo)代表厚度方向。該圖已被設(shè)置為同樣的規(guī)模，并可能直接比較。在傳統(tǒng)的成型中凝固層的一個(gè)重要發(fā)展附近（中心部分）已被凍結(jié)在高注射壓力和包裝。腔壓力外半徑一部分是明顯低于在結(jié)束包裝階段和整個(gè)冷卻階段這兩種情況。 常規(guī) 動(dòng)態(tài)冷卻 圖 9 ：比容截面的光盤 圖 9 也顯示了 可控?zé)崴矐B(tài) 潛在質(zhì)量 的 實(shí)現(xiàn)。由于模具填補(bǔ)等溫條件下，沒有凝固層開發(fā)一直到包裝階段模腔壓力均勻整個(gè)腔。這種一致性將使以前沒有實(shí)現(xiàn) 的 表面復(fù)制，低雙折射，和三維屬性 得以實(shí)現(xiàn) 。具體的數(shù)量幾乎是不斷跨越半徑的光盤通過前 30 ％的厚度，這是關(guān)鍵的地區(qū)，后來 是 掃描。 5 結(jié)論 本文討論了研究戰(zhàn)略，以獲得可控的注塑成型過程。所描述的是強(qiáng)大引擎 過程的成型行業(yè)。壓力控制使空間解耦增加自由度的管理質(zhì)量屬性。動(dòng)態(tài)溫度控制使顳解耦注射和凝固階段的進(jìn)程性能提高 。因此，潛在的生產(chǎn)率和質(zhì)量收益得到巨大的 8 提高 事先和正在進(jìn)行的研究、制造給我們更廣泛的研究提供堅(jiān)實(shí)的成功例子，以激勵(lì)和鼓舞了類似的項(xiàng)目以外的聚合物加工。雖然這種方法目前不存在在實(shí)踐中，但我們相信，一個(gè)嚴(yán)格的設(shè)計(jì)方法是可以實(shí)現(xiàn)的。 這種制造工藝的設(shè)計(jì)可以提供突破性的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。最近的研究制造和設(shè)計(jì)過于集中性和一致性。工業(yè)繼續(xù)降低其研究項(xiàng)目的優(yōu)先次序，并提供全新的工藝技術(shù)。這是學(xué)術(shù)界的責(zé)任和機(jī)會(huì)，也是更大的風(fēng)險(xiǎn)。 致謝 這項(xiàng)工作是通過資助期間 1992 — 2002 年通過（順序）通用電氣塑料， 坦福大學(xué)集成制造協(xié)會(huì)，科納公司，美國能源部的創(chuàng)新工藝方案，國家科學(xué)基金會(huì)司設(shè)計(jì)，制造和工業(yè)創(chuàng)新，惠普公司，美國美國海軍研究辦公室。