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外文資料名稱：TOWARDS CONTROLLABILITY OF
INJECTION MOLDING
外文資料出處：1999 ASME International Mechanical Engineering Congress & Exposition
附 件： 1.外文資料翻譯譯文
2.外文原文
指導(dǎo)教師評語：
簽名：
年 月 日
可控注塑成型的發(fā)展趨勢
David Kazmer ，David Hatch
王海榮譯
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重要手段，然而沒有一個單一的控制策略或系統(tǒng)設(shè)計已被普遍接受。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。相對于運輸和流變對流動和熱動力學(xué)過程進行了分析。然后，兩個新的加工方法被描述為循環(huán)流量、壓力和熱控制。仿真和實驗結(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。這個過程包括以下幾個階段：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，隨時間變化的速度，以推動融入一個疏散腔。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，動力和耦合過程的物理和錯綜復(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，現(xiàn)代常規(guī)注塑過程圖中提出的機器參數(shù)會顯示在左側(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)。這個過程分為五個不同的階段。輸出的每個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 圖2 ：注塑成型控制的系統(tǒng)圖
2 工藝開發(fā)
注塑成型控制如圖2所示：在最低級只有機驅(qū)動器調(diào)節(jié)，這種控制將確保機器投入妥善地執(zhí)行方案（圖1 ） 。在第二級為狀態(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，調(diào)整機投入，通過提供更好的盤末點的質(zhì)量反饋以提高產(chǎn)品質(zhì)量的組成部分。
顯然自動控制是重要的，它是聚合物狀態(tài)直接決定了成型零件質(zhì)量。因此，本文的重點是關(guān)閉機器之間的回路參數(shù)和聚合物狀態(tài)。如果實現(xiàn)，這些先進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)定成型周期的一個基本狀態(tài)變量。閉環(huán)控制的模腔壓力可以自動補償不同的熔體噴油壓力，以實現(xiàn)一致的過程和一套統(tǒng)一的產(chǎn)品屬性。曼恩推出的第一個壓力控制計劃用調(diào)制泄壓閥 ，并制定了有關(guān)反應(yīng)開環(huán)擾動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地點 。
不幸的是模腔壓力控制因缺少一個系統(tǒng)的方法來確定壓力。此外，由于沒有適當(dāng)驅(qū)動器控制壓力，所以它是不完整的。因為傳統(tǒng)的注塑機都只配備了一個驅(qū)動器（螺釘）不允許同時控制多個點的模腔壓力。熔體運輸系統(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，進行實驗設(shè)計，以確定關(guān)鍵的工藝參數(shù)和部分尺寸：公式中機器參數(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。
Nam suh的公理設(shè)計指出“應(yīng)保持獨立功能”它適用于開發(fā)控制多種自由度熔體流動和模腔壓力。圖4所示閥門熔體的流動從入口到型腔壓降和流速熔體動態(tài)多樣性，熔體控制在每門可以覆蓋影響成型機并提供更好的響應(yīng)時間和融化的差別控制。每個閥門作為獨立注射單位減少依賴于機器的動力。本實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 ：動態(tài)流量調(diào)節(jié)設(shè)計 圖5 ：動態(tài)流量調(diào)節(jié)設(shè)計
由此產(chǎn)生的可控注塑成型過程中如圖5有多個壓力概況可以保持在型腔一個組成部分。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號門是41.4兆帕（6000磅），2號門是41.4兆帕（6000磅），3號門是20.7兆帕（3000磅）和4號門是62.1兆帕（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器的設(shè)置，并且減少多個零件尺寸標(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，獨立的控制閥產(chǎn)生提供了不同層面的能力在一個地點同時又不干預(yù)層面另一地點。應(yīng)當(dāng)指出的是，總規(guī)?？扇S變化的動態(tài)壓力調(diào)節(jié)是大致相同的常規(guī)成型。
這些結(jié)論對產(chǎn)品和加工的發(fā)展進程可能有重大影響。目前，充型數(shù)值模擬和專家判斷相結(jié)合估計這一進程的行為關(guān)鍵的是設(shè)計決策。改進可控的注塑成型過程中允許改正錯誤，許多設(shè)計在模具調(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行熱聚合物的相對冷卻，然后通過模具的冷卻線。雖然動態(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，一個剛性部分彈出。然而，冷卻的模具溫度進行熱量發(fā)展造成皮膚外觀的一部分和繁殖的冷凍層實現(xiàn)的核心部分。這些冰凍層的流動阻力增加，使模具型腔難以填補。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)一種新的更具實力的模具壁溫動態(tài)控制方法。應(yīng)該使高模壁溫度在注射和包裝階段，以促進聚合物的流動，隨后引起低模壁溫度，以促進凝固的成型部分。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現(xiàn)。動態(tài)溫度控制有三個主要優(yōu)點：
1 、更高質(zhì)量的零件：在注聚合物時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：在注聚合物時維持一個高模具溫度，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簡單的概念圖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，重要的是溫度瞬時異型模具鋼在開始前注射液對流加熱的天然氣，通過表面的模具根據(jù)已知的時間/溫度/流量的資料。最后，成型周期的開始與傳熱動態(tài)程序“開環(huán)” ，以獲取所需的動態(tài)模具壁溫行為作為時間函數(shù)。
為提供準(zhǔn)確代表性的進程， 20個成型周期的熱模擬的前一個周期結(jié)果是下一個周期的初始條件的。如果有模具一直在穩(wěn)態(tài)運行生產(chǎn)。這將允許估計整個模具在開始的周期溫度分布。
常規(guī) 動態(tài)冷卻
圖6 ：動態(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，熱瞬時啟動，以提供高模具表面溫度。改變氣體溫度和時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)致流動阻力增加和減少的部分財產(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，這是減少周期時間所必須的。擬議的進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)測和控制其他進程的動態(tài)和隨后的部分屬性。例如，理想的是增加流動電導(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實的痕跡。裝載過程中，高流量和流動阻力將會造成大量的注射壓力以填補型腔。圖8所示，傳統(tǒng)的成型需要大約1的壓力以填補模具。擬議的進程使近等溫填補模具減少了注射壓力到12Mpa。這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。
常規(guī) 動態(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。例如我們會考慮雙折射，這是所造成的光學(xué)性質(zhì)變化，兩個或兩個以上的不同傳播速度，同時通過光盤，某一等級的聚碳酸酯，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)束包裝階段和整個冷卻階段這兩種情況。
常規(guī) 動態(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)量的實現(xiàn)。由于模具填補等溫條件下，沒有凝固層開發(fā)一直到包裝階段模腔壓力均勻整個腔。這種一致性將使以前沒有實現(xiàn)的表面復(fù)制，低雙折射，和三維屬性得以實現(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。動態(tài)溫度控制使顳解耦注射和凝固階段的進程性能提高。因此，潛在的生產(chǎn)率和質(zhì)量收益得到巨大的提高
事先和正在進行的研究、制造給我們更廣泛的研究提供堅實的成功例子，以激勵和鼓舞了類似的項目以外的聚合物加工。雖然這種方法目前不存在在實踐中，但我們相信，一個嚴(yán)格的設(shè)計方法是可以實現(xiàn)的。
這種制造工藝的設(shè)計可以提供突破性的競爭優(yōu)勢。最近的研究制造和設(shè)計過于集中性和一致性。工業(yè)繼續(xù)降低其研究項目的優(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)任和機會，也是更大的風(fēng)險。
致謝
這項工作是通過資助期間1992 — 2002年通過（順序）通用電氣塑料， Dynisco儀器，斯坦福大學(xué)集成制造協(xié)會，科納公司，美國能源部的創(chuàng)新工藝方案，國家科學(xué)基金會司設(shè)計，制造和工業(yè)創(chuàng)新，惠普公司，美國美國海軍研究辦公室。
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