CN101213548A - 模拟塑料部件表面外观中的偏差的方法 - Google Patents

Abstract

示出了一种模拟由塑料部件的成型工艺造成的塑料部件表面外观中的偏差的方法，其包括以下步骤：a)模拟塑料部件的成型工艺，b)检测超出至少一种限定的临界极限的塑料颗粒的位置和时间，c)计算那些颗粒在塑料部件表面层中的最终位置，d)将那些颗粒在表面层中的位置限定为表面外观中具有偏差的位置。

Description

模拟塑料部件表面外观中的偏差的方法

发明技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的模拟由塑料部件的成型工艺造成的塑料部件表面外观中的偏差的方法，和相应的计算机系统、计算机程序和计算机程序产品。

引言

在塑料工业中，塑料产品的表面外观是非常重要的课题。塑料产品质量的主要标准是表面外观。塑料部件的表面质量被表面结构、成型工艺参数和聚合物材料本身所影响。尽管作出了改善表面外观的大量努力，但结果并非总是令人满意的。所谓的表面外观的老虎条纹(tiger stripe)现象已经成为科学世界的目标许多年。

定义

塑料部件由特定几何设计的聚合物材料构成，并且可以包括热塑性塑料和/或热固性塑料(包括duroplastics和弹性体聚合物材料)。

塑料部件通过成型工艺制造。

成型工艺是一种其中在成型能量的消耗下使聚合物原料成型为特定塑料部件的工艺。在大多数情形中，聚合物原料具有粒料的形式。不同的成型工艺是塑料工业中常见的：例如注塑，包括特殊类型的注塑工艺：比如气体辅助的注塑、共注塑、背面模塑(backside molding)、压缩模塑和注塑与压缩模塑的任何组合，聚合物挤出，吹塑和发泡。

塑料颗粒或聚合物颗粒被定义为塑料部件的体积部分。塑料部件的所有塑料颗粒的体积总和与塑料部件的体积一致。

在任何详述中，塑料部件的表面被定义为塑料部件的总面(表面)。由于塑料部件通常薄的事实，因此塑料部件面与塑料部件体积之间的比值十分高。该事实也突出了塑料部件的表面质量的重要性。

在塑料工业中，塑料部件的表面外观是非常重要的质量问题。表面外观一方面由材料物理性能和由聚合物的固有性能以及非常小尺寸的聚合物形态例如有色颜料、结晶度、组分、分子类型决定。另一方面，表面外观由塑料部件的表面结构决定，该表面外观是其中注入塑料熔体的模具的空腔表面的负片。就塑料部件的表面质量而言，空腔表面的纹理和粗糙度是主要的结构参数。显然，成型工艺参数影响了塑料部件的表面外观。

表面层限定了薄的聚合物材料层，这影响了部件的表面外观。不同的表面外观效果由不同的物理组成决定，并且因此表面层的厚度可以伴随着所检验的效果而改变。定义了正好位于塑料部件表面上的体积颗粒是表面层的一部分，但下面的聚合物颗粒也可以是表面层的一部分。

“老虎条纹”现象是塑料工业中常见的问题并且描绘了一种特定的表面缺陷。在塑料工业中已知的老虎条纹描绘了表面光泽度的可见的周期性不均匀。通常，这些是在注塑或挤出的塑料部件表面上交替的暗淡(或粗糙)和光泽(或光滑)的区域，该表面应该是全部光泽(或光滑)的。

热塑性聚合物可以由聚烯烃例如聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)组成，但也由聚酰胺(PA)、聚碳酸酯(PC)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚醚酰亚胺(PEI)以及热塑性聚合物的配混物和共混物组成。配混物是多种聚合物或者聚合物与每种组分比如滑石、矿物质、玻璃、橡胶和颜料的共混物。另外，聚合物配混物配有添加剂包(additivation package)。

现有技术

成型工艺的模拟是塑料工业中常用的并且基于与有限元和/或有限差方法结合的连续区机理。模拟成型工艺的有限差的基于计算机的求解算法(软件)可在市场上获得，例如Moldflow Corporation的软件，参见例如EP1218163B1。EP1218163B1的内容在此引入作为本专利申请的发明披露内容。

EP1218163B1披露了一种将流体(塑料熔体)注入模具的三维建模方法。该模型的基础是质量、动量和能量的守恒方程，并且可以EP1218163B1中的方程(3)-(6)所示出的形式或者以例如Navier-Stokes方程的形式表示(还参见EP1218163B1的9页，31-32行)：

$\frac{\∂\mathrm{\ρ}}{\∂t}+\▿\·\left(\mathrm{\ρu}\right)=0$

$\frac{\∂u}{\∂t}+(u\·\▿)u=-\frac{1}{\mathrm{\ρ}}\▿p-\▿\mathrm{\φ}+\frac{u}{\mathrm{\ρ}}{\▿}^{2}u,$

$\mathrm{\ρ}(\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{\∂t}+u\·\▿\mathrm{\ϵ})-\▿\·(K_H\▿T)+p\▿\·u=0.$

其中：

ρ是流体的密度，

u是速度，

p是压力，

Φ是每单位质量的势能，

T是温度，

μ是剪切粘度系数，

ε是每单位质量的内能，

K_H是热导率。

由于该模型中包括能量守恒，因此在成型工艺期间可以考虑热效应，并且因此可以考虑例如从液态到固态的相变的热效应。在EP1218163B1中描述了可以将以下传热机理建模：对流(来自进入的熔体)、传导(从模具壁上出来)和粘性耗散(其与由于流动的塑料材料内的剪切所产生的热能相关)。还将考虑其它机理，例如压缩加热效应(归因于由压缩产生的热)和冷却效应形成释压(参见4页，8-11行)。

描述液体热塑性材料的流动的上述方程通过离散的数值方法例如有限元方法或任何其它合适的方法求解，参见例如EP1218163B1的8页，14-16行。采用有限元方法，将模具空腔体积分成单个有限元(有限体积)并且对有限元的节点重复计算场变量(例如压力、温度、速度)和材料性能(例如粘度)，并且然后将其内插入所述有限元体积内。

然而，就检测和预测塑料部件的表面缺陷而言，EP1218163B1没有记载。

发明目的

本发明的目的是提供一种通过模拟塑料部件的成型工艺而预测表面缺陷的出现的方法。给出的发明将通过预测塑料部件的表面质量、通过计算机迭代比如有限元方法求解成型工艺的连续区机理方程而给予工程师支持。该目的在根据权利要求1的方法中实现。本发明的有利实施方案在权利要求2-12中示出。

发明概述

形成表面缺陷例如老虎条纹的机理是本研究的目的。直至本发明人目前的认知，没有公开能够计算表面缺陷的类似理论。

本发明的发明人发现，如果成型工艺模拟结果显示某些塑料颗粒经历特定临界能状态并且之后变成表面层的一部分，则表面缺陷(表面外观中的偏差)的计算位置与在制造的塑料部件上测得的表面缺陷位置一致。

在成型工艺期间，能量穿过塑料颗粒边界(特定塑料颗粒体积的面)传送给每一塑料颗粒。在某一加工时间下，塑料颗粒的能量状态是穿过所述颗粒体积边界传送的能量的结果。

从本性上，在特定的物理组成中聚合物材料在特定的能量状态上反应。取决于聚合物以及负载能量的数量和类型，可能出现塑料颗粒的许多不同反应。例如，如果特定的塑料颗粒负载有比其自身的热能更高的热能，则将出现塑料颗粒温度的升高。如果特定的塑料颗粒负载有剪切应力，则聚合物将通过内在聚合物链变形而对所述负载作出反应，这因此还将造成特定颗粒通过内摩擦的内在加热。在任何时间下认为体系(外部负载和内在反应)内能量守恒。

例如当考察注塑工艺时，在装填空腔之前熔体(填料)中每一塑料颗粒的温度为240℃。在该工艺时间下，每一塑料颗粒将具有相同的能量状态。借助于在装填阶段期间通过螺杆位移而施加机械能，将塑料颗粒强制流过浇口系统进入模具空腔。由于剪切流动的性质，因此施加的剪切应力在壁厚上发生变化。因此在壁厚横截面中的不同层上流动的塑料颗粒(分层剪切流动)暴露在不同的剪切应力和不同的能量下。伴随着增加的距离空腔表面的距离，冷却效应降低，但归因于剪切应力的内部加热造成塑料颗粒的温度升高。接近或者与固体冷却的空腔表面接触的塑料颗粒遭受了温度降低或者甚至固化。

发明描述

成型工艺的冷却性能将聚合物熔体冷却，使得一些塑料颗粒可以变得固化，而另一些仍然处于液相中。在成型工艺期间，固化的塑料颗粒会遭受从固体到液体的第二次相变。根据本发明的一种解决方式是通过模拟它们到达部件表面的路线而追踪这些颗粒。因此，具有不同历史(不同数目的相变)的表面层颗粒将造成不同的表面外观。另外，塑料颗粒的相变的时间、位置和速度决定了它们的聚合物形态和因此决定了表面外观。

聚合物材料是温度敏感的。热塑性材料的大多数成型工艺在液相中进行，但聚合物的温度低于特定临界温度，在这种情况下产生了一定的聚合物链开裂的可能性。由剪切造成的内部加热可能导致塑料颗粒的急剧温度升高。因此根据本发明的另一种解决方式是通过超出特定临界温度而模拟它们到达部件表面的路线而追踪所有的塑料颗粒。因此，在流动历史期间超出临界温度的表面层颗粒会造成不同的表面外观。

着色的聚合物配混物含有温度敏感的有色颜料。如果超出一定的临界温度，则颜料的颜色会改变。因此根据本发明的另一种解决方式是通过超出特定临界温度而模拟它们到达部件表面的路线而追踪所有的塑料颗粒。因此，在流动历史期间超出临界温度的表面层颗粒会造成不同的表面外观(颜色)。

聚合物材料是剪切应力敏感的。如果施加给塑料颗粒的剪切应力超出一定极限，则聚合物链将拉伸并且高度取向。该取向会导致不同的聚合物形态或者甚至导致不同的结晶度。因此根据本发明的另一种解决方式是通过超出特定临界剪切应力或特定临界剪切能而模拟它们到达部件表面的路线而追踪所有的塑料颗粒。因此，在流动历史期间超出临界剪切应力或剪切能的表面层颗粒会造成不同的表面外观。

许多聚合物配混物含有相对于聚合物具有不同密度的组分(填料)。由于聚合物和组分的不同密度，因此在成型工艺期间施加的力将导致聚合物和组分不同的加速度和负加速度。配混物的部分分层是该物理过程的结果。因此根据本发明的另一种解决方式是通过超出特定临界加速度或负加速度而模拟它们到达部件表面的路线而追踪所有的塑料颗粒。因此，在流动历史期间超出临界加速度或负加速度的表面层颗粒会造成不同的表面外观。

如前所述，在成型工艺期间塑料颗粒被暴露于不同类型的能量例如温度、剪切应力、剪切能、加速力和其它物理场下。因此根据本发明的另一种解决方式是通过超出所述物理场的组合而模拟它们到达部件表面的路线而追踪所有的塑料颗粒。超出组合的临界物理场的限定极限的表面层的塑料颗粒将最有可能造成塑料部件的不同表面外观。

上面限定的临界值例如温度、剪切应力、加速度和不同物理场的组合也可以是时间、压力和涉及的所有其它物理参数的函数。

上面限定的临界值例如温度、剪切应力、加速度和不同物理场的组合不需要是离散值，但也可以被限定为数值范围。

在将颗粒在表面层中的位置确定为在表面外观中具有偏差的位置之后，本发明的一个可能的实施方案是例如用图将那些颗粒在塑料部件的表面层中的最终位置可视化。例如，如图5中所示，可以将具有表面缺陷的区域绘制成塑料部件的图像。

本发明可以作为计算机程序实施。

实施例：

以下描述主要提及了聚烯烃的注塑，但本发明不限于注塑或聚烯烃。

在注塑工艺的工业实际中，持久地将模具空腔(模具)冷却以使液体聚合物熔体固化。塑料颗粒经历从液体到固体的相变。由于正在进行的空腔装填，因此可能出现局部温度升高。该温度升高可能导致某些颗粒从固体到液体的第二次相变。在模拟过程中标记这些颗粒的加工时间和位置。因此塑料颗粒可以到达表面层。在模拟过程中计算这些颗粒的最终位置。这些颗粒的最终位置是表面层的一部分，它们表明了不同表面外观的位置。

根据示意图通过例子描述本发明：

图1示出了通过注塑制造的塑料部件的示意图。

图2示出了在装填阶段期间特定横截面的计算的冷冻层分数作为时间的函数。

图3示出了当图2中的冷冻层分数开始降低时，计算的在加工时间下的空腔装填状态。

图4示出了当图2中标记的塑料颗粒到达表面层时，计算的空腔装填状态。

图5示出了塑料部件的模拟的(计算的)表面外观缺陷相对测量的表面外观的图。

图6示出了作为温度的函数的特定塑料等级的比热。

图7示出了作为温度的函数的特定塑料等级的热导率。

图8示出了对于不同熔体温度而言，作为剪切速率的函数的特定塑料等级的粘度。

图9示出了对于不同压力而言，作为温度的函数的特定塑料等级的比容。

图1示出了通过通常的注塑工艺制造的塑料部件1的示意图。该塑料部件的尺寸为200mm长(L)、150mm宽(W)和3mm的壁厚。在装填空腔期间，熔体流过冷流道2(浅灰色)，该流道具有直径为3mm-6mm和长度为95mm的圆形横截面。分配器3(暗灰色)具有恒定的5mm壁厚。膜状浇口4(黑色)被设计为0.6mm的壁厚。出于简化的原因，描述了具有特定浇口系统的特定部件，但当然本发明还适用于具有任何其它浇口系统的任何其它空腔(几何结构)。

该注塑工艺的计算机模拟采用软件Moldflow Plastics InsideRelease 5进行。选择用于模拟的工艺参数在表1中定义：

表1：模拟的工艺参数

熔体温度	℃	240
			模具表面温度	℃	40
装填时间	秒	0.5

图2示出了在特定位置下冷冻层分数的计算结果。冷冻层分数是在标记的横截面5处固化层的厚度作为总厚度的分数。该标记的横截面在冷流道2的高度的大约一半处。注塑工艺的装填阶段进行约0.5秒。可以看出，所选的横截面的冷冻层分数在宽的时间范围内保持恒定约为2％。从这一时刻，熔体通过特定标记的横截面区域，冷冻层分数迅速增至约3％。在该加工时间(0.05秒)下，3％的横截面处于固相中并且余下的约97％处于液态熔体相中。在另外约0.05秒的加工时间之后，冷冻层分数从3％降至2％，表明塑料颗粒从固体到液体的第二次相变。在模拟中标记颗粒的这些加工时间和位置用于进一步追踪。

图3示出了当在图2中所示的位置下冷冻层分数开始降低时，计算的在加工时间下空腔的装填状态。在该时刻(0.05秒)，只装填了非常小部分的空腔。标记的塑料颗粒在进一步装填步骤中可以到达表面层，并且这些最终位置将表明不同的表面外观。

图4示出了当图2中标记的塑料颗粒到达表面层时，计算的空腔的装填状态。所示出的流动前延表明其中标记的颗粒到达表面层的位置。这些位置与不同表面外观的位置一致。

图5示出了所制造和模拟的塑料部件的测量和模拟的不同表面外观的位置。所示出的表面缺陷被称为老虎条纹现象。表面光泽度由光泽度测量仪器测量，并且所测量的表面光泽度降低的位置(区域)以灰色表示。根据图4的塑料颗粒的模拟位置(区域)被虚线包围。可以看出，计算的表面缺陷的位置非常好地与测量的位置相关联。

聚合物材料参数：

注塑工艺的计算机模拟需要确定材料等级的热性能。

该实施例的模拟采用Borealis等级VB4411进行，其是旨在用于注塑工艺的10％矿物质和弹性体改性的聚丙烯配混物。该等级在汽车商业中广泛用于保险杠盘座面(facia)和外部装饰。

VB4411的比热和热导率在图6和图7中示出。

在模拟中，需要VB4411的粘度和比容。图8示出了对于不同的熔体温度而言，测量的VB4411的粘度曲线作为剪切速率的函数。图9示出了对于不同的压力而言，VB4411的比容作为温度的函数。

附图标记：

L塑料部件的长度

W塑料部件的宽度

1塑料部件

2冷流道

3分配器

4膜状浇口

5冷流道2的标记的横截面

Claims (12)

1.模拟由塑料部件的成型工艺造成的塑料部件表面外观中的偏差的方法，其包括以下步骤：

a)模拟塑料部件的成型工艺，

b)检测超出至少一种限定的临界极限的塑料颗粒的位置和时间，

c)计算那些颗粒在塑料部件表面层中的最终位置，

d)将那些颗粒在表面层中的位置限定为表面外观中具有偏差的位置。

2.根据权利要求1的方法，特征在于限定的临界极限是一定的温度。

3.根据权利要求1的方法，特征在于限定的临界极限是一定的剪切速率。

4.根据权利要求1的方法，特征在于限定的临界极限是一定的加速度或负加速度。

5.根据权利要求1-4的方法，特征在于限定的临界极限是一定范围的值。

6.根据权利要求1-5的方法，特征在于临界极限是至少两种物理场函数例如温度、剪切速率、加速度、负加速度和/或其它物理场函数的组合。

7.根据权利要求1-6的方法，特征在于临界极限是时间、压力和/或涉及的其它物理参数的函数。

8.根据权利要求1的方法，特征在于另一个步骤包括：e)将那些颗粒在塑料部件表面层中的最终位置可视化。

9.根据权利要求1-8其中一项的方法，特征在于：成型工艺是以下的其中一种：注塑、气体辅助的注塑、压缩模塑、压缩注塑、共注塑、背面模塑、吹塑。

10.当所述计算机程序在计算机上运行时，具有用于实施权利要求1-9任一项的所有步骤的程序代码单元(means)的计算机程序。

11.具有储存的根据权利要求10的计算机程序的计算机系统。

12.用于模拟由塑料部件成型工艺造成的塑料部件表面外观中的偏差的计算机程序产品，其包括：当所述计算机程序在计算机上运行时，储存在计算机可读介质上的用于实施权利要求1-9任一项的所有步骤的程序代码单元。

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