资源描述
附录1： 外文翻译注塑成型的可控性 程序的材料处理研讨会:1999 ASME国际机械工程大会&博览会,11月14 - 19、1999、田纳西州纳什维尔大卫Kazmer 机械部门，& Ind，工程,马萨诸塞阿默斯特大学大卫Hatch 机械部门，& Ind，工程,马萨诸塞阿默斯特大学文摘：过程控制已被认为是提高性能和一致性的热塑性部分的一个重要的手段。但是,没有一个控制策略或系统设计被普遍接受,成型系统继续在生产过程中产生有缺陷的组件。这个由热、流动态加热的聚合物熔体注塑工艺的能力是有限的。本文讨论了一些困难带来的复杂的和分布式的注射成型工艺。流和热动力学分析的过程对运输和流变学的影响。然后,描述了两种新颖的加工方法,使多样的循环冗余流量、压力和温度控制。仿真和实验结果证明有效性的这些创新,提高一致性和灵活性在聚合物加工。这样的系统设计简化必要的控制结构变化而改善过程的鲁棒性和效率。介绍： 注射成型生产非常复杂的组件能够来严格规范。这个过程包括几个阶段:塑炼、注塑、包装、冷却、脱模。在注塑和它的变体(共注射成型,注射压缩、气体辅助成型等)，热塑性颗粒被送入一个旋转的螺杆和融化。用一个均匀熔体收集在前面的螺丝,螺丝是在控制前进的轴向速度和时变，融化成一个疏散腔。一旦熔体凝固和足够的刚性模组件拆下,模具被打开和部分喷射而下一周期的热塑性塑料熔体是增塑的自攻螺丝。周期时间范围从低于四秒钟光盘到超过三分钟的汽车零部件。控制注塑明显受到非线性行为的高分子材料,动态耦合物理过程,复杂的几何形状和模具之间的相互作用最终影响产品质量属性。修改后系统的观点在现代传统注射成型过程1呈现在图1。机器参数显示左边的图,和一些常见的模制品质量的措施都列在右边。在这个图中,这个过程应该分为五个不同的耦合阶段。每个阶段的输出不仅直接决定了初始条件的下一个阶段,而且也影响一些最终品质的模制品。 图1:系统视图的注射成型工艺薄腔填充的聚合物熔体对应蠕动流(Re 1)周围的热核心区域2。作为一个例子,考虑一个参考速度10厘米/秒,参考厚度3毫米的,和一个粘度100 Pa秒。在此基础上的雷诺数情况下是非常小的,J(球),指示的有效性高粘性蠕动流的假设。此外,流区域充分考虑发达,都摇摇晃晃、重力效应可以忽略由于当地加速度可以忽略不计。另一方面,热扩散系数= k / Cp,典型的聚合物熔体是J(球)立方厘米/秒,运动粘度= h/ = 103平方厘米/秒;因此,普朗特号码是关于J(106)和沛克莱数、Pe= Re*Pr, is J(103)。使用这些假设,质量,动量,能量方程在笛卡儿坐标系统归纳为以下形式:在z和x方向的厚度和回水区;v是速度分量;P是压力;h是剪切粘度;r、Cp和k是热性质;是剪切率,是粘性加热术语。解决方案的压力场在注射成型是通过耦合质量和动量方程。通常,质量方程提供了一种收敛性判据对流量哪些动量方程的迭代求解产生一个精确的压力场。对于每个瞬间的时候,所有的节点压力解决网格上的同时。迭代是需要更新的剪切率、粘度、流速估计直到完全收敛。对于一个可压缩流,网络质量流量必须等于任何大规模的收益或损失在元素中3。必要的方程组可以开发,组装,解决了使用传统的伽辽金配方固定网和瞬态熔体前沿。这样一个仿真已经被开发出来,并将用于评估策略发展过程以及实验验证。过程开发：概述注塑控制是显示在图2。在最内层的级别,只有机执行机构监管。这种级别的控制将确保正确执行的程序机输入(图1)。第二层次,状态变量如熔体温度和熔体压力控制跟踪预定义的配置文件。这将提供更精确的控制状态的融化。在最外层,机器的输入进行调整,以提高零件的质量通过更好的设置点给定质量反馈。 图2:系统图的注塑控制虽然机控制是很重要的,它是聚合物状态(压力,温度,和莫粒度),它直接决定了模制品质量4,5。因此,本文着重于关闭之间的循环机器参数和聚合物状态。如果实现,这些先进的控制策略将提供增加模制品的质量和一致性。腔压力控制：一个基本的状态变量,该变量可以调节成型周期是腔压力。闭环控制腔压力能自动补偿变化和注射压力cosity融化力来实现一个一致的处理过程和制服组产品属性6。曼介绍第一个压力控制方案通过使用调制压力释放阀7,阿布法拉开发了一个过程控制模型,由有关的空腔压力应对开环扰动8。斯里尼瓦桑后使用这些模型来提出一个学习控制器闭环腔压力控制9。自适应控制方法已经被提出跟踪腔压力曲线在通常一个位置在模具10 - 12。不幸的是,空腔压力控制缺少一个系统的方法确定压力分布图。此外,它是因缺乏合适的执行机构为分布式压力控制,作为传统的成型机器配备了只有一个传动装置(螺旋),不允许同时腔压力控制在多个点在模具。考虑到交通系统在传统熔体冷流道模具见图3。很明显,这个几何是“天生”就进入模具。跑步者的位置是固定的,浇口尺寸也是固定的。由此产生的压力分布无法控制没有更不用说重整模具钢。 图3:典型的包装压力分布探讨可控性的注塑工艺,实验设计一半阶乘13是实验来确定主要工艺参数之间的影响和部分关键尺寸:在这个方程式中,机器参数有所缩减,范围为0到1,表明最大可行处理范围对于这个应用程序。由此产生的系数的线性模型是实际变化部分尺寸以毫米。应该指出的是,一旦加工完成,尺寸变化可以通过处理相当有限,尽管功能显著。主要的结论,应该是从eq.(4),然而,是所有维度的反应类似的变化过程设置。因此,成型过程的行为作为一个自由度的过程只有一个质量属性是可控的。南Suh之一的公理14指出,“独立的设计应该保持的功能需求。“这公理应用开发多个自由度控制熔体流动和压力在模具型腔。如图所示图4中,阀门计流动的熔体从跑步者进入模具型腔。压降和流量的动态变化的融化是轴向运动控制的每个阀杆阀杆之间的差距和模壁。通过分离控制熔体在不同的阀杆位置,融化在每个门的控制可以覆盖的影响,并且提供更好的压机时间响应和微分控制的融化。每个阀作为一个个体喷射装置,减轻依赖机器动力学。对于闭环控制、歧管压力传感器是用于跑步滴而不是在空腔。这个实现不仅提供更低的成本和更高的可靠性,但也使得传统的外观为系统。图4:动态流量调节的设计由此产生的可控制性的注射成型工艺是在图5展示了在多个压力曲线可以维持在模具型腔的一个部分。在同一周期中,三个不同等级的熔体压力都施加在不同盖茨在同一模腔。控制压力保持在门1阶段41.4 MPa(6000 psi。),门2是41.4 MPa(6000 psi。),门3是20.7 MPa(3000 psi。),门4是62.1 MPa(9000 psi。)。在传统注塑、熔体压力将是相同的在所有盖茨。这种级别的过程控制此前还没有通过任何成型技术迄今为止。每个门可以施加特定的保压压力。 图5:动态流量调节的设计材料收缩和尺寸变化在不同的地点在部分基于轮廓和周围的压力历史的大门。能力改变个体维度或其他质量属性没有更不用说重整模具钢提供了重要过程的灵活性。它可以增强情商(4)有额外的自由度和复试的可控性三个部分尺寸:有两个重要的影响这一结果。首先,闭环控制腔压力大大降低的部分维度上的依赖机器设置,可以减少的幅度系数的主要机设置。这种效应也可以减少标准差的多个部分维度平均五个因素,从而提高过程能力指数,Cp,从不足1到远远超出2。其次,第二个矩阵在eq.(5)是提高尺寸可控性的证据提供的动态调节的腔压力分布。一般来说,改变腔压力靠近门口的一个维度提供了主要影响部分尺寸。另外,独立的控制阀门的茎提供能力来改变尺寸在一个位置不干扰维度在另一个位置。这种灵活性不存在传统的造型因为持有压力变化旨在影响一个人区域的部分可能会传播到其他地区的部分通过静态给水系统。应当指出,然而,总级的可用空间的变化与动态压力调节大约是相同的对于传统的成型。这些结果可能产生重大影响的产品和工具的发展过程。目前,数值模填充模拟和专家判断结合起来估计过程的行为和做出重要的设计决策。如果这些决策是错误的,那么工具可能需要修改。改进的可控制性的注塑工艺对许多设计不允许修正在模具调试阶段没有重组。这种变化在开发过程中可以大大降低工具开发成本,缩短开发周期,加速投放市场的时间。 上述过程的重要性还在于它移动聚合物控制从成型机,模具本身。这减少了成型机“聚合物泵。的变化在注射压力,流量,压力,或包次包装都是通过动态补偿的压力和温度控制。市场的影响将是重大的,因为1)老机没有闭环控制可以提供一致性等于现代机器,和2)模具委托在成型机在美国是确保生产一致的部分在成型机海外。模具就变成自己的独立的质量控制机制。因此,潜在的生产力和质量的提高是实质性的。温度控制:典型的热路径在冷却阶段的注射成型是热量从热的聚合物进行到相对较冷的模子,然后通过模具进行冷却线,这是迁移走的冷却剂。最近的研究试图动态控制热、流体性质的熔体在成型周期。而动态压力控制已被证明可行15和被商业化,相对较慢热防止类似的涨幅瞬态热管理。冷却阶段的注塑周期并不适合多种原因影响产品质量和产量都经济学。物理过程决定了,模具温度必须低于聚合物热挠曲温度,这样刚性部分是驱逐。然而,冷模具温度导热聚合物熔体从热到冷模在注射过程中造成皮肤的发展在外部的部分和传播的冷冻层向核心的部分。这些冻层增加流动阻力,使模具型腔难以填补。因为冷冻层持续发展在注入和冷却,他们“锁定”不同程度的压力和取向。这种变化在聚合物形态作为一个函数的厚度减少了光学、结构、和其他部件的属性(16 - 19)。为了弥补的负面影响冷模具墙壁,制造商可能运行在更高的模具模温、高温度、高熔体注射压力、注射速度和更高(20、21)。另外,较低的粘度聚合物或更高的可能需要部分壁厚与成本和/或性能的缺点。所有这些选项产生负面影响的经济生产。事实上,经济驱动程序规定在注射过程中较高的模温(允许薄部分壁厚和较低的注射压力),但降低模具温度在冷却(允许快速凝固)。这个最优模具温度控制策略不可行鉴于目前控制策略和材料技术。模具的大小,加上其高的热容和热惯性,防止动态闭环控制的模具表面。这个声明是基于客观分析以及观察之前的学术和工业22- 34。例如,詹森35,陈36,和其他研究人员利用一个热电装置在模具壁动态加热和冷却部分模具。然而,时间响应这些主动控制元素速度相对较慢,在订单的秒。同样,有诱导能力有限大热微分由于质量和性能的模具。替代人员(25、26、31、32利用薄绝缘涂层表面的模具来延迟发作的冻结直到聚合物注入。这种涂料没有提供足够的耐久性,但类似的技术被成功地利用金属压模生产的背后在光学媒体减少周期时间0.2秒。在一个更广泛的范围,模具插入与高导热27-29被更频繁地用来增加传热的速度在厚和/或热节的部分。如前所述,没有热电或其他热致动器的存在,将提供所需的瞬态模壁温度控制。此外,其他被动元素(如绝缘体和导体)只能延迟或增大热流从聚合物熔体冷却线。它是可以从这些先前的动态闭环控制策略已经无法增加模制品的性能或降低生产成本。涂料和插入方法不采用主动控制元素,已经证明有效的和正在接受有些和渗透在成型行业。对于塑料行业,任何成功的技术必须需要小额外的复杂性和成本而被足够健壮的高批量生产。当前研究的目的是开发一种新的、更能够动态控制方法的模壁温度在整个注塑过程。由此产生的技术应该使高模壁温度在注射和包装阶段促进聚合物流和均匀的部分属性,然后诱导低模壁温度促进凝固的模制品。理想情况下,模壁温度应该等于熔体温度在充填,但等于室温冷却过程。这种解耦的模具温度在成型周期尚未实现。动态温度控制将使三个主要的好处:1。高质量的零件。通过增加模具温度在聚合物注入,开发一个外层皮肤和冻层将是完全可以避免的。压力和热梯度在部分将被最小化,进而减少双折射、低残余应力等。2。减少壁厚。通过维护一个高模具温度在聚合物注入,流电导将大大增加。这将允许剧烈的壁厚减少或更少的盖茨。3。减少周期时间。通过减少模具壁温度在冷却阶段,部分将更迅速凝固,导致显著的生产力的提高。此外,较低的温度会导致显著的喷射成型后收缩从而减少少需要尺寸的变化。当前的方法包括三个简单概念图6所示。首先,模具冷却液保持在较低的温度比通常与传统注射成型是可行的。接下来,一个重要的临时过后瞬态是异形的模具钢开始前可使对流加热的气体注入一整个表面的模具根据已知的时间/温度/流量剖面。最后,成型周期开始与传热动力学进行“开环”获得所需的动态模壁温度行为作为时间的函数在成型周期。 图6:动态冷却控制这个简单的过程概念利用现有实践塑料产业的顺利实施。例如,对流加热的气体有助于快速加热的模具表面但需要气体加热的气体通道退出。这些气体通道已经存在于通风口的所有现有的注塑模具。另外一个例子,考虑所需能量移除热量从模具现有基础设施的冷却剂管线和模具冷水机组是足够的。因此,只有一个高温、高压气体供应是必要的,甚至这种类型的辅助设备被用于气体辅助注射成型。因为实验工作是不完整的,系统的方程(1),(3)已经解决了与一个三对角解算器提供一个温度剖面通过厚度的每个流元素对于每个时间步的流程解决方案。粘性流动和传热分析因此耦合提供非等温、非牛顿、可压缩仿真的所有阶段的注射成型工艺。这个过渡过程仿真将被用来分析传统造型的1.2毫米厚的光盘在塑造整洁聚碳酸酯熔体温度300 c和模具冷却剂温度100 c。拟议的过程也会建模与初始加热模具表面温度260 c和模具冷却剂温度0 c。其他重要的工艺参数如充填压力、注射速度、模具开放时间,和其他人一直保持不变的一面镜子观察生产光学媒体。提供一个准确的表示过程,二十成型周期进行模拟,结果前面的热循环是初始状态到下一个循环。这将允许一个估计的温度曲线在整个模具周期开始的时候,如果模具一直在生产运行稳定状态。结果通过截面温度分布的聚合物(阴影区域)和模具绘制重要时间事件图7。跟踪# 0表示初始温度剖面的模具当聚合物注入。在传统的过程中,模具是在较低的温度下在注射过程中,造成100 c微分之间的聚合物的皮肤和核心。在拟议的过程,一个热瞬态启动,提供一个高模具表面温度。改变气体温度和时间曝光可以修改初始温度分布在模具。 图7:温度通过截面部分&模具随后的温度分布曲线代表每隔一秒钟。这一点体现在这些图表,传统造型已经完全反向温度行为从什么是期望的。冷模具壁在注射过程中会导致增加流动阻力和减少部件的属性而热模具冷却剂降低了传热在部分冷却。减少模具冷却剂温度显著增加了传热在冷却但进一步降低了模壁温度在注入这是必要的对于周期时间减少。拟议的过程提供了最小热瞬态在注射过程中但仍允许快速的后续部分冷却。热梯度图7是至关重要的预测和控制其他过程动力学和随后的部分属性。在注射过程中,例如,增加流电导是理想,以减少所需的注射压力。这不仅使生产更大的部分给一个指定的设备能力,同时增加了均匀的部分属性。鉴于流变和热力性质的聚碳酸酯,由此产生的压力从中心到轮廓的边缘是光盘如图8所示。压力分布的模具填充结束时表现为固体跟踪。在填充、高流速和流动阻力将引起严重的注射压力填充模具型腔。图8所示,传统的成型需要大约19 Mpa压力填充模具。拟议的过程使近等温灌装的模具与注射压力下降到12 Mpa。这减少了注射压力确实极大地扩大产品的可塑性,需要更少的能量,使成型制造更大的部分,并增加了部分质量的均匀性。 图8:径向压力等高线在光盘一旦模具型腔充满熔融聚合物,额外的融化是被迫进入模具型腔在高压力来补偿体积收缩的冻层传播走向的核心部分。制造光学媒体和镜头,准确的表面复制和低双折射是期望的。前者属性需要高腔压力而后者属性要求均匀聚合物形态之间和通过部分。图8所示通过虚线,包括传统的造型和提议的过程提供非常均匀径向腔压力充填阶段的开始。这个的意义和压力所示的热历史Fig.7和8也可以看做是通过检查输出部件的属性。作为一个例子,我们将考虑双折射,由一种光学性质的变化,迫使光旅行在两个或两个以上的不同的速度而传播通过光盘。与给定级别的聚碳酸酯,折射率是直接相关的特定卷模制品37、38)。Fig.9显示一个截面的特定卷宽,通过光盘在弹射。纵轴代表的径向方向而横坐标代表了厚度方向扩的光盘。图表已经设置为相同的规模和可能比较直接。在传统的造型,一个显著的凝固层的发展靠门的地方(中心部分)已冻在高注入和包装压力。腔压力外半径显著较低的部分在包装阶段的结束和整个冷却阶段在这两种情况下。 图9:比容的横截面的光盘Fig.9也显示了潜在的质量改进应该可控性的热瞬态实现。因为模具是在等温条件下了,没有凝固层发展到最后的包装阶段和空腔压力是统一整个腔。这种均匀性将使以前未达到的表面复制、低双折射、维度属性。特定的体积几乎是常数在半径的光盘通过第一个30%的厚度,这是至关重要的领域,是后来metallicized和扫描。结论:本文讨论了研究策略获得可控性的注射成型工艺。上述过程是强有力的推动者成型行业。Multicavity压力控制使空间解耦增加自由度的数目,治理质量属性。动态温度控制使时间解耦的注入和凝固阶段增加过程性能。因此,潜在的生产力和质量的提高从这些流程是实质性的。这是我们的更广泛的意图提供坚实的成功案例和正在进行的研究在生产之前以激励类似项目外的聚合物加工。我们相信严格的设计方法是实现基于该基金会由美国国家研究委员会,尽管这种方法目前并不存在于实践。这种方法是基于三个基本支柱:1.建立量化的性能属性与定义良好的关系对经济measurables提供了基线合理化发展;2.使用模拟和控制实验调查理论可行性和建立绩效目标;3.结合现代设计方法提供强劲的制造过程的基于约束的管理。这种制造工艺设计可以提供竞争优势的突破。最近的研究在制造和设计已经过于集中在鲁棒性和一致性。作为行业继续降低其研究重点,这是学术界的责任和机会去冒更大的风险并从根本上提供新的加工技术。致谢：这个工作是由1992年到2002年期间通过(顺序)通用电气塑料,Dynisco仪器,斯坦福大学集成制造协会,夏威夷科纳公司,美国能源部创新过程计划,国家科学基金会部门设计、制造、和工业创新,惠普公司,和美国办公室的海军研究。:附录2： 外文原文
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