CN101312815A - 模制方法和设备 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于通过如下方式模制物品的方法和设备：将熔融的塑性材料供应到计量腔(16)中，从所述计量腔将预定量的所述材料经由与模腔相邻的过渡通道(26)供给到所述模腔中，以及利用填充活塞(24)的工作行程迫使熔融塑性材料从所述过渡通道进入所述模腔，直至所述填充活塞封闭限定在所述过渡通道和所述模腔之间的端口(28)，并且所述填充活塞的前面(32)形成模具的围壁的部分。当所述填充活塞开始其工作行程时，所述模腔的小于90％填充有熔融塑性材料，并且在熔融塑性材料仍正在从所述计量腔供给的同时，所述填充活塞开始其工作行程。

Description

模制方法和设备
技术领域
本发明涉及一种模制方法和设备，所述模制方法和设备在塑性材料的模制中具有特别的应用。
背景技术
在传统的注射模型成形机中，将合成塑料加热到熔融状态，然后在高压下迫使熔融的塑性材料通过浇口、注口和浇道到达模腔。
可对模腔进行填充的速度受限于熔融塑性材料能够流过窄的注口、浇道和浇口的速度。熔融塑性材料必须在高压下供应到模腔，这种应用成本高，并且需要模具、进料设备等的足够的结构强度。通过增大通道的横截面能够克服这些缺点，熔融塑性材料经由该通道供应到模具，该通道还允许使用带有诸如长纤维、来自回收塑料的颗粒物质等的夹杂物的熔融塑性材料。通过增大进料通道的横截面，需要更低的进料压力。
然而，到模腔的大横截面供给具有如下缺点：当熔融塑性材料可以在模具中凝固时，需要封闭供给物进入模具的端口。这可通过将填充模腔所需的熔融塑性材料积聚在与模具相邻的圆柱形保持室中并用活塞封闭该端口而实现，当封闭时，该活塞的前面成为模腔的围壁的部分。然而，在这种类型的设备中，保持室与模腔相通，并且流入保持室中的熔融塑性材料与紧邻进料端口的模腔部分接触，在活塞迫使熔融塑性材料进入该室之前它开始在此处凝固。
此外，当模腔中的熔融塑性材料凝固时，在此类型的模具设备中的活塞面通常在内部冷却以冷却模具壁的其余部分。当缩回活塞以为随后的注模周期重新填充保持室时，流入保持室的熔融塑性材料与该冷却的活塞面接触并开始凝固。在活塞填充模具之前，某些区域中的熔融塑性材料的部分凝固增加了熔融塑性材料的粘度，从而需要更高的进料压力来填充模腔并易于在模制产品上留下痕迹。
在迫使熔融塑性材料进入模腔之前，填充与该模腔相邻的大横截面的保持室的缺点在Smorgon等人的美国专利No.6464910中公开的发明中得到了某种程度的改进。该专利公开了一种模塑周期，在该模塑周期中将熔融塑性材料供应到贮料器，从此处在低压下经由大横截面通道将它供应到模腔，并且其中，通道的通向模腔的进料端口通过阀门活塞关闭。熔融塑性材料从而不会积聚在紧邻模具的保持腔中，此处一些熔融塑性材料可能已经凝固。
然而，在Smorgon等人的处理中，熔融塑性材料持续从挤压机供应到贮料器并从该贮料器供应到模腔，从而对于供应到模腔的熔融塑性材料的量没有体积控制。相反的，对模腔内的压力进行测量。结果是在阀门活塞开始封闭对模具的供应之前，模腔被完全充满。阀门具有较大的横截面尺寸，并且该阀门活塞的前进将相当大体积的额外的熔融塑性材料供给到模具中，从而引起模具的过度填充。Smorgon没有说明怎样处理供应到模具的熔融塑性材料的溢出，但是估计就是将它接收在溢出储料罐中并且浪费掉。
此外，在Smorgon等人的处理中，熔融塑性材料在低压下持续从贮料器供应到模腔，直至该模腔充满并且模具内的压力升高。只有当此压力的升高被检测到时，阀门活塞才开始移动以关闭模具。因而可以安全地确定在阀门活塞的移动开始之前，熔融塑性材料的流动被暂时中断。流动的暂时中断增加了与模具相邻的阀门中的熔融塑性材料的停留时间，并导致塑性材料的流变能力的改变。然后阀门活塞迫使此塑性材料进入模腔，结果产生可见的痕迹和/或产品内的局部弱化。除阀门内出现的停滞之外，流入模具中的熔融塑性材料的熔体前沿速度也被暂时中断，这影响模制产品的物理性质和外观。
本发明的一个目的是提供一种改进的模制方法和设备，所述方法和设备使得熔融塑性材料能够不中断地通过大横截面的通道供应到模腔。
本发明的另一目的是提供一种改进的模制方法和设备，所述方法和设备通过限制不中断地供应到模腔的熔融塑性材料对模腔的过度填充而减少浪费。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种模制物品的方法，所述方法包括：
将可模制材料供应到计量腔中；
从所述计量腔将所述可模制材料经由过渡通道供给到模腔中，所述过渡通道与所述模腔相邻地限定；以及
利用填充活塞的工作行程迫使一些可模制材料从所述过渡通道进入所述模腔，直至所述填充活塞封闭限定在所述过渡通道和所述模腔之间的端口，并且所述填充活塞的前面形成模具的围壁的部分；
其中，将预定量的所述可模制材料从所述计量腔供给到所述模腔。
当所述填充活塞开始其工作行程时，所述模腔的小于90％填充有所述可模制材料。
在可模制材料仍正在从所述计量腔供给的同时，所述填充活塞开始其工作行程，并且在所述工作行程期间，填充活塞可封闭从所述计量腔进入所述过渡通道的入口。
通过可在所述计量腔内移动的计量活塞的工作行程，可从所述计量腔供给所述可模制材料，并且所述计量活塞在所述计量腔内的移动可被监控，以控制从所述计量腔供给的可模制材料的体积。
在填充活塞的工作行程末端，可对所述填充活塞相对于所述端口的位置进行监控，以确定所述模腔是否已填充了所需量的可模制材料，即确定它是否已过度填充或不足填充，并且可自动调节在随后的工作行程期间所述计量活塞移动的距离以修正从所述计量腔供给到所述模腔的可模制材料的量，即补偿任何的过度填充或不足填充。
代替地，通过在所述计量腔内可移动的往复式注塑螺杆的工作行程，可将所述可模制材料从所述计量腔供给到所述模腔。
所述过渡通道的壁和/或所述填充活塞的面的温度可以被控制。
所述可模制材料可从单个计量腔供给到多个过渡通道，并从所述过渡通道供给到单个模腔或多个模腔。在迫使可模制材料从多个过渡通道进入单个模腔的情形中，所述过渡通道的所述填充活塞可在不同时段执行它们的工作行程。
代替地，可模制材料可从多个计量腔供给到单个模腔。
所述可模制材料可至少部分地包括熔融塑性材料或任何其它的可模制材料。
根据本发明的另一方面，提供了用于模制物品的设备，所述设备包括：
计量室和可移动构件，所述计量室和所述可移动构件一起限定计量腔，通过可移动构件在计量腔中的往复移动，所述计量腔的容积是可变的，并且所述计量腔可连接到可模制材料的供给设备；
填充室和填充活塞，所述填充室和所述填充活塞一起限定过渡通道，所述通道经由端口与模具的内腔流动连通，并且经由通道与该计量腔流动连通，填充活塞可在该过渡通道内在缩回位置和向前位置之间往复移动，当填充活塞处于所述向前位置时，填充活塞封闭位于过渡通道和模腔之间的所述端口，并且填充活塞的前面形成模腔的围壁的部分；
其中计量腔的容积配置为在可移动构件的往复移动期间以预定量变化。
所述填充活塞可配置为当所述模腔的小于90％填充有可模制材料时开始从其缩回位置到其向前位置的工作行程，并且可配置为在仍正在从所述计量腔供给可模制材料的同时开始其工作行程。
所述可移动构件可以是计量活塞或注塑螺杆。
所述填充活塞可包括用于控制其前面的温度的装置，以及类似地，所述填充室可包括用于控制所述过渡通道的温度的装置。
所述设备可限定计量腔，所述计量腔连接到多个过渡通道，所述过渡通道又可与多个模腔或单个模腔流动连通。
代替地，所述设备可限定多个计量腔，所述多个计量腔经由多个过渡通道连接到单个模腔。
附图说明
为了更好的理解本发明，现在将参照附图通过非限定性实例示出如何实施本发明，附图中：
图1示出根据本发明的处于第一运行状态的模制设备的截面图；
图2和图3是与图1相似的视图，并与图1一起示出了设备的运行周期。
具体实施方式
参照附图，一般地用附图标记10指示根据本发明的模制设备。设备10的某些特征仅在某些视图中可见。
设备10包括计量室12，在该计量室内具有计量活塞14形式的往复式可移动构件，从而在该计量室内限定了可变容积的计量腔16。计量腔16具有可连接到熔融塑性材料的供给设备例如从挤压机或混配机引出的热导管的进口18，并具有引入具有熔体流路20的形式的通道的出口。计量活塞14可在图1中所示的最下方位置和图2和图3中所示的提升位置之间上下移动，并通过诸如双动式液压缸(未示出)的外部装置驱动。通过使用数字电位计精确监控计量活塞14的位置和移动，并精确控制计量活塞14升高到其提升位置的高度。
本领域的技术人员将会理解熔融塑性材料的供给可包括增塑和/或混合聚合物和/或添加剂的方法或如上所述的加强方法，这可通过使用诸如单螺旋或双螺旋、连续的、间断的或停止/启动型等不同类型的螺杆实现。
计量腔16可用传统的往复式注塑螺杆替代，这种往复式注塑螺杆可提供到达模腔的熔融塑性材料的计量的量。然而，尽管如上所述的计量活塞24可具有给出较好计量精度的达到20∶1的行程长度/直径比，但是传统的注塑螺杆优选用于增塑，而不是用于行程能力或测量。
该设备还包括桶形的填充室22，在该填充室22内具有往复式可移动填充活塞24，从而在该填充室内限定了过渡通道26形式的腔(在图3中可最好地看出)。填充室22在其壁中限定了从熔体流路20进入该过渡通道的入口28。
过渡通道26紧邻模腔(未示出)限定并与该模腔相通，从而限定了端口30，在此处该过渡通道通向模腔。附图中省去了限定模腔的模具，因为它是可具有无限定数量的形状和尺寸的腔并且因而很难对它进行图示。对于本领域的技术人员将很明显的是，在使用中，模腔将直接地位于过渡通道26的左边，如图所示。
填充活塞24是在外部例如通过双动式液压活塞驱动的，以在图3中所示的缩回位置与图1和图2中所示的向前位置之间可移动。当填充活塞24处于其向前位置时，它封闭过渡通道26和模腔之间的端口30，并且填充活塞的前面32形成了模腔围壁的一部分。当处于其向前位置时，填充活塞24还封闭入口28。当填充活塞24缩回时，入口28和端口30打开，并且入口28与活塞前面32间隔一小段距离。
本领域的技术人员将会理解计量活塞14和填充活塞24的移动可通过许多方式进行控制，例如通过使用带有线性编码器和比例控制阀的液压系统，利用电力可调节的螺纹限位器、由伺服马达和线性马达等操作的往复式滚珠螺杆进行液压驱动。
在使用中，当用可凝固以形成模制物品或部分的熔融塑性材料填充模腔时，该设备处于图1中所示的状态，其中填充活塞24处于其向前位置而计量活塞处于其最下方位置。
当模腔中的熔融塑性材料凝固时，用经由进口18进入计量腔的熔融塑性材料填充计量腔16，并且计量活塞14逐渐升高以增加计量腔的容积从而容纳流入物，直到设备10处于图2中所示的状态，在此状态中计量活塞14处在预定的提升位置，从而可通过位于其提升和最下方位置之间的计量活塞改变预定的计量容积。因而即使当模腔中的材料仍在凝固时计量腔16也接收熔融塑性材料，从而保持较短的用于模制过程的周期时间。
一旦模腔中的塑性材料已经凝固，则将模具打开并取出物品。然后重新关闭模具，并准备对模腔填充熔融塑性材料以在下一周期的操作中制造另一物品，填充活塞24收回到图3中所示的位置以打开入口28和端口30。
计量活塞14从其提升位置下降预定距离到达最下方位置，从而预定计量容积的熔融塑性材料由于该计量活塞而移动，从计量腔16经由熔体流路20和入口28进入过渡通道26，从这里它无间断地流过端口30进入模腔。在计量活塞14的此行程期间从计量腔16供给的熔融塑性材料的体积通常等于在模腔中制造优质物品所需的体积。
当计量活塞14向下移动时，熔融塑性材料连续且不间断地从计量腔16流到模腔，从而保持塑性材料在过渡通道26中的停留时间最短。
当计量活塞14仍向下移动，正接近其最下方位置时，填充活塞24启动从其缩回位置向端口30的工作行程。当填充活塞24到达入口28时，它关闭入口28。在本发明的示例实施例中，在填充活塞24到达入口28的边缘之前，填充活塞24首先从其缩回位置起移动较短距离，并关闭该入口。这不是必须的，但它允许填充活塞24加速并开始从过渡通道26移动熔融塑性材料，而且在填充活塞到达入口28之前，允许计量活塞14到达其最下方位置，从而熔体流路20中的流动停止。设备10如此配置使得计量活塞14恰好在填充活塞24即将开始关闭入口28时到达其底部位置。
通过计量活塞14移动的计量容积通常等于模腔的容积，而过渡通道26的容积制造的尽可能小。然而，由于上面提供的原因，过渡通道26的横截面应优选是大的，并且填充活塞的行程长度不能小于诸如模具壁厚度、熔体流路20的直径等物理约束所允许的长度。过渡通道26的容积优选大约为计量容积的10％到49％，并且在用由填充活塞的移动供给的材料填充模腔的最后10％到49％之前，用由计量活塞的移动供给的熔融塑性材料填充该模腔的大约51％到90％。
计量活塞14和填充活塞24的重叠地往复移动引起熔融塑性材料从过渡通道26持续流入模具中，从而当材料流入模腔时保持熔体前沿速度。当两个活塞14、24都移动时该流动可短暂加速，但通常这并不重要。重要地是熔融塑性材料的流动在过渡通道26中不停滞，并且保持熔融材料在该过渡通道中的停留时间最短。当模制注在射周期期间能够受到长停留时间的不利影响的材料时，材料在该过程期间的不间断流动是特别有益的。
因为由于当对模腔的壁(包括活塞面32)冷却以在模具中形成物品时产生的热损失，填充活塞24的面32和与模腔相邻的过渡通道26的壁可能比计量腔16和熔体流路20的内壁更凉，所以保持塑性材料在过渡通道26中的停留时间最短是很有利的。在本发明的优选实施例中，活塞面32和/或填充室22可被分别且独立地冷却和/或加热，并且可保持在与模腔的冷却壁的温度不同的温度。本领域的技术人员会理解通常可根据需要对所有的设备10进行加热和/或冷却，以保持该设备处在塑性材料保持处于熔融状态的温度，但在此温度热劣化保持最小。然而，模具的外壁(在已经对活塞面32提供冷却的实施例中，该外壁可包括该活塞面32)必须被冷却以使熔融塑性材料凝固在模腔中，并且来自紧邻模具的设备的部分的热损失实际上是不可避免的。
能够内部冷却的填充活塞24的行程应优选保持尽可能的短以限制劣化并得到最佳的表面光洁度。填充活塞24的长度/直径比可在7∶1的范围内。
当填充活塞24到达其向前位置时，它的面32形成模具壁的部分，并且模具中的熔融塑性材料能够凝固。现在设备10将再次如图1中所示，并且周期结束。尽管在大多数情况下，模具在注射周期的开始是封闭的，但是与传统的注射压缩成型技术相似，在模制周期的开始期间，该模具也可稍微打开并可在填充活塞的工作行程期间或之后开始封闭。
在当它到达其向前位置时的阶段对填充活塞24相对于端口30的位置进行监控，以监控用从计量腔供给的所述体积的熔融塑性材料对模腔的填充程度。可自动调节计量活塞14的行程，即在随后的操作周期中它被提升的高度以修正对模腔的过度或不足填充，该模腔的过度或不足填充与处于其向前行程中的填充活塞的停止位置有关。
进口18、熔体流路20、入口28、过渡通道26和端口30的横截面直径全都远超过传统注模设备的窄的注口、浇道和浇口的直径。端口30的尺寸至少是传统注模设备中的浇口尺寸的两倍。由此，熔融塑性材料在端口30处的熔体流速至少比在优选的传统注模过程中的情形小10倍。此外，填充模腔所需的时间比在传统注模过程中填充模腔所需的时间少一半，并且由于填充进行的如此之快，填充活塞24的前面32的温度可以如此方式控制以便在模制部分中得到最优的表面光洁度和/或特性，这会导致总的周期时间的减少以及模制物品的尺寸不稳性(变形)的降低。应优选保持填充活塞24的工作行程尽可能的短以便限制劣化并得到最好的表面光洁度。
这种通过大浇口的低剪力模制过程的附加益处在于可使用更薄的模内装饰表层和其它层，所述层不像传统注模过程中观察到的那样容易被刺穿。其它模内层可包括纤维垫、PET、金属、织物等。
由于在进入模具之前复合材料必须通过的不间断的、最小限制性通道或浇口，所以在聚烯烃基质中具有平均长度超过4mm的长玻璃纤维的模制可通过使用本发明的方法实现。
在传统注射模塑中，在供给到模腔的材料的重量(即注塑量)和保持模具封闭所需的夹持力之间存在直接关系。本发明允许该注塑体积相对于所需夹持力增加，由此允许使用具有100％占空循环的更小挤压机以为两个模具供给熔融塑性材料，无论是新材料还是循环材料。
可通过本发明的方法对低熔体破裂指数(MFI)的材料进行模制，模腔的不足填充(称为“注量不足”)的可能性较低。此外，由于向模腔中供给材料的速度受到控制，所以可以使用本发明对切变(dilitant)材料进行模制。由于很低的剪切和最小的增加热量，因此诸如木纤维或纤维素纤维的温度敏感材料也可模制为2/3尺寸的几何形状。
可以以具有单个、多个和/或分支产品流的多种不同构造实施本发明。特别地，可使用单个计量活塞14或增塑螺杆以将计量数量的熔融塑性材料供给到与单个模腔或多个模腔相通的多个过渡通道26。此外，填充活塞24可配置并控制为在不同时段执行它们的工作行程。这将使得熔合痕的形成能够得到控制和预测，所述熔合痕当从不同过渡通道26供给的材料在模腔中相遇时形成。可将填充活塞24级联以使得能够使用降低的压力迅速填充模腔。
在可替代实施例中，不同的熔融材料可从不同的计量腔供给，并可以预定位置和/或以预定顺序供给到模腔中。这使得能够在不同的部分或模制物品中使用不同的材料、在模制产品内的叠层构造中使用不同的材料，从而例如通过在表面层之下使用一种不同的材料来提供良好的表面光洁度等。在本发明的这些实施例中，供给到模腔的每种材料的准确体积和流速必须如本发明所允许的那样被精确控制，因为它影响模制物品的特性。因而对于可供给到模腔的不同材料的数量没有限制，而是限制计量室和模制装置的尺度、过渡通道和热浇道的长度等。
通过使用单个塑化装置向不同模制装置提供熔融材料，每个模制装置具有其自己的设备10、模具、夹持设备等，本发明使得向模制装置提供熔融塑性材料的塑化装置的生产能够得到优化。来自塑化装置的熔融材料可持续供给到不同模制装置的所有计量腔16，而不是如在传统注模中所进行的那样间断性地供给材料。这使得能够使用更小的塑化装置和/或塑化装置中更低的能耗。

Claims (27)

1.一种模制物品的方法，所述方法包括：
将可模制材料供应到计量腔中；
从所述计量腔中将所述可模制材料经由过渡通道供给到模腔中，所述过渡通道与所述模腔相邻地限定；以及
利用填充活塞的工作行程迫使一些所述可模制材料从所述过渡通道进入所述模腔，直至所述填充活塞封闭限定在所述过渡通道和所述模腔之间的端口，并且所述填充活塞的前面形成模具的围壁的一部分；
其特征在于，将预定量的所述可模制材料从所述计量腔供给到所述模腔。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述填充活塞开始其工作行程时，所述模腔的小于90％填充有所述可模制材料。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在可模制材料仍正在从所述计量腔供给的同时，所述填充活塞开始其工作行程。
4.根据前述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于，在所述工作行程期间，所述填充活塞封闭从所述计量腔进入所述过渡通道的入口。
5.根据前述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于，通过在所述计量腔内可移动的计量活塞的工作行程，从所述计量腔供给所述可模制材料。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述计量活塞在所述计量腔内的移动被监控，以控制从所述计量腔供给的可模制材料的体积。
7.根据权利要求5或权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述填充活塞的工作行程的末端，对所述填充活塞相对于所述端口的位置进行监控，以确定所述模腔是否已填充了所需量的可模制材料，以及自动调节在随后的工作行程期间所述计量活塞移动的距离以修正从所述计量腔供给到所述模腔的可模制材料的所述量。
8.根据权利要求1至5的任一项所述的方法，其特征在于，通过在所述计量腔内可移动的往复式注塑螺杆的工作行程，将所述可模制材料从所述计量腔供给到所述模腔。
9.根据前述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于，所述过渡通道的壁的温度被控制。
10.根据前述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于，所述填充活塞的面的温度被控制。
11.根据前述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于，所述可模制材料从单个计量腔供给到多个过渡通道。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述可模制材料从所述多个过渡通道供给到单个模腔。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述可模制材料从所述多个过渡通道供给到多个模腔。
14.根据前述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于，迫使所述可模制材料从多个过渡通道进入单个模腔，以及所述过渡通道的所述填充活塞在不同时段执行它们的工作行程。
15.根据前述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于，可模制材料从多个计量腔供给到单个模腔。
16.根据前述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于，所述可模制材料至少部分地包括熔融塑性材料。
17.用于模制物品的设备，所述设备包括：
计量室和可移动构件，所述计量室和所述可移动构件一起限定计量腔，通过所述可移动构件在所述计量腔中的往复移动，所述计量腔的容积是可变的，并且所述计量腔可连接到可模制材料的供给；
填充室和填充活塞，所述填充室和所述填充活塞一起限定过渡通道，所述过渡通道经由端口与模具的内腔流动连通，并且经由通道与所述计量腔流动连通，所述填充活塞可在所述过渡通道内在缩回位置和向前位置之间往复移动，当所述填充活塞处于所述向前位置时，所述填充活塞封闭位于所述过渡通道和所述模腔之间的所述端口，并且所述填充活塞的前面形成所述模腔的围壁的部分；
其特征在于，所述计量腔的容积配置为在所述可移动构件的往复移动期间以预定量变化。
18.根据权利要求17所述的设备，其特征在于，所述填充活塞配置为当所述模腔的小于90％填充有可模制材料时开始从其缩回位置到其向前位置的工作行程。
19.根据权利要求17或权利要求18所述的设备，其特征在于，所述填充活塞配置为在可模制材料仍正在从所述计量腔供给的同时开始其工作行程。
20.根据权利要求17至19的任一项所述的设备，其特征在于，所述可移动构件是计量活塞。
21.根据权利要求17至19的任一项所述的设备，其特征在于，所述可移动构件是注塑螺杆。
22.根据权利要求17至21的任一项所述的设备，其特征在于，所述填充活塞包括用于控制其前面的温度的装置。
23.根据权利要求17至22的任一项所述的设备，其特征在于，所述填充室包括用于控制所述过渡通道的温度的装置。
24.根据权利要求17至23的任一项所述的设备，其特征在于，所述设备限定了连接到多个过渡通道的计量腔。
25.根据权利要求24所述的设备，其特征在于，所述多个过渡通道与多个模腔流动连通。
26.根据权利要求24所述的设备，其特征在于，所述多个过渡通道与单个模腔流动连通。
27.根据权利要求17至26的任一项所述的设备，其特征在于，所述设备限定多个计量腔，所述多个计量腔经由多个过渡通道连接到单个模腔。
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