CN101890792B - 塑料注塑和挤出过程中的能量分配与消耗控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于改善注塑成型或挤出成型机械的控制方法，包括实现对从螺杆驱动装置和加热器所提供的输入塑料熔体的能量的控制。一种或多种传感器用于测量至少一个与熔体质量相关的工艺参数的当前值。一种控制算法可以比较熔体质量参数的当前值与设定值。如果此熔体质量参数的当前值偏离设定值达到一个预定范围，至少有一个工艺操作参数的设定值将被自动调整。一种控制算法可以控制从加热源和机械驱动源所传递到塑料熔体的能量值，并且通过自动调整过程工艺参数的设定值来优化系统能量的消耗和熔体的质量。

Description

塑料注塑和挤出过程中的能量分配与消耗控制方法

技术领域

本发明涉及塑料注塑成型和挤出成型的机械设备，控制方法以及塑料注射成型和挤出控制系统，特别是一种基于提高塑料注塑和挤出过程熔体质量的能量分配与消耗控制方法。

背景技术

以下段落所讨论的并非承认其是现有技术或是本领域技术人员公知的部分。

加拿大专利号：2,576,883(Wyrwoll)公开了一种将生产设备的所有操作工艺用计算机技术集成的方法。该技术涉及塑料加工装置，特别是塑料挤出机和注塑机。为使塑料产品能够在考虑了必要的操作工艺条件下实质地以全自动方式生产，其首先提供了记录功能用于原材料的使用或更改记录，其次提供了记录功能用于记录加工工艺条件或材料加工参数。提供的控制装置包含判断准则用以决定所期望的原材料的消耗，生产时间，以及在通过第一和第二记录条件和所给定产量的前提下所期望的生产成本。

PCT公开号：WO2009/026673(Zhang)公开了一种用于注塑单元的闭环控制技术。该方法用于提高注塑单元的熔体塑化过程。该注塑装置使用了至少一个操作参数对闭环控制系统进行调整。该技术使用了一个传感器测量驱动注射螺杆旋转的电机运行时的负载当前值，使用了一个处理器比较电机负载的设定值与当前值。如果负载的当前值与设定值的差值变化超出了一个预定范围，处理器则进行调整至少一个工艺操作参数设定值。工艺参数组可以包括料筒加热段的温度，螺杆塑化背压和螺杆转速。。

发明内容

本发明的目的是提供一种对一台注塑机或挤出机的至少一种熔体相关参数进行控制的方法。

本发明的技术方案如下：

一种注塑成型和挤出机械的控制方法，该方法包含的步骤有：a)测量至少一组指示能量消耗或熔体质量的工艺参数值；b)提供一种机械控制算法，该算法将比较至少一组工艺参数当前值与至少一组工艺参数设定值；c)如果所选的至少一组工艺参数的当前值偏离设定值达到所预定的范围，控制算法将调整至少一组操作工艺参数的设定值以调整机械的运行过程。

本发明的实施方式可以提供对一台注塑机或挤出机的至少一种熔体相关参数进行控制，例如：熔体出口温度或熔体的质量参数将会维持在或接近预期或预设值并通过控制过程参数组数值的改变来实现。欲实现此项功能，需要提供一种基于工艺过程工艺参数组值的测量值来进行每一个独立的控制工艺参数设定的控制算法。该工艺参数组可以包括一个或多个沿料筒方向的温度值和注塑机或挤出机的螺杆转速值，以及对注塑机而言的塑化背压，注射速度，注射压力或其它参数。该方法包括优化控制从料筒加热器输入的加热能量和从螺杆驱动装置输入的机械能量，并用以匹配所需要的熔体温度和温度分布均匀程度的要求，而此项要求将通过塑料加工理论和树脂材料的加工特性进行计算得出。

该方法提供了一个第一首要或外闭环控制系统，在此系统中，通过控制算法对工艺参数现场值进行测量和处理，并自动决定每一个参数的期望或设定值。每一个工艺参数可以通过独立的控制环进行控制，例如，对于每一个加热段的温度，同时进行当前值跟踪和期望设定值的控制。其它输入控制算法的参数包括熔体特征表征参数组，如熔体温度，熔体质量表征值和所传递的能量。控制算法的输出控制参数包括料筒加热温度设定值、螺杆转速设定值、塑化背压设定、注射压力设定值和注射速度设定值等。

各种实施方式的组合将提供一个或多个如下所列的特征：(a)获得更好的熔体质量；(b)使注塑机和挤出机获得更高的产量；(c)防止熔体过热；(d)防止螺杆表面和熔体截止阀外环表面(对注塑机而言)的过度磨损以及熔体的过度剪切；(e)使用户获得一种基于塑料加工理论的以自适应调节为基础的工艺参数自动设定方法；(f)降低设备能量消耗；(g)使注塑机和挤出机设备性能参数能够实现自优化调节和控制，以获得优良的熔体和产品质量；(h)提供一种基于聚合物的加工理论的控制方法，即保证熔体所得的能量约80％来自于机械驱动系统，而约20％来自于料筒加热系统；(i)表明在熔体中机械能转换成热能的方式和重要性，以及提供一种方式控制能量的分布和传递程度，获得熔体温度相对较低的优良熔体从而降低整个体系的能量消耗；(j)提供一种基于塑料加工理论和树脂加工特性的动态控制系统，以同时获得更好的熔体质量和更低的熔体温度。

对下述特定的内容的描述及公布属于普通的知识范畴，其它相关的外观特征和细节也将逐一讨论。

附图说明

以下图示中包含各种案例，即文字，方法和装置中的细节特征范围并不仅局限于所述方式。在这些图例中：

图1是注塑机的例子的示意图；

图2是基本控制原理流程图；

图3和图4a，4b，4c是控制程序子程序流程图；

图5是计算机人机控制界面的例图。

具体实施方式

在下文中的描述将涉及各种不同的装置和工艺过程，其将作为该发明中每项声明的实体引用例子。每项实施例均不会限制任何本发明的权利要求，并且任何本发明的权利要求可能包含其它下文中并没有描述的装置和工艺。该要求保护的发明项不局限于下文中描述的任何一种装置或工艺所具有的各种特征，或者其所描述的所有装置所具有的普遍的直至各种特殊的组合特征。下文中描述的某些装置或工艺有可能不是所要求保护的发明的实施例。本申请人，发明者或专利拥有者保留所有其它的权利，即他们可以拥有任何在下文中描述和公布的内容中没有申报的装置或工艺的发明，以及申报进一步应用发明的权利。下文中公布的发明描述并不意味着上述权利的拥有者具有有意放弃、撤销公布或无偿公开此项发明的任何实质部分的意图。

在塑料螺杆塑化过程中，挤出生产工艺提供了将塑料原料塑化和从挤出机口模中施压挤出或挤入模具成型的功能。注塑成型机可以通过往复式运动的螺杆提供塑化和注射功能将塑料熔体经过喷嘴注射进入模具成型，或者利用非往复式螺杆结合另一个注射单元完成塑化和注射功能。例如，在典型的二阶式注射成型机中，塑料熔体连续从挤出单元进入储料缸中，随后熔体从储料缸中注射进入模具。

在这两种情况下，都要求塑料熔体能够按照所要求的加工参数，即熔体温度，熔体质量和在单位时间或产量要求下的熔体流率进行输送。在注射机和挤出机中有很多加工变量或参数影响加工工艺过程和塑料熔体的最终质量和性能。

另一种情况是在挤出成型过程中，塑料熔体连续挤出形成特定的型坯管或型材。

在这些塑料熔体加工参数中，最为关键的是通过料筒加热器提供的热能和通过电机驱动单元提供螺杆旋转的机械能。这两者能量的大部分最终都将转变成传递给熔体的热能。螺杆的机械运动将产生熔体剪切粘性发热，其主要的能量都将以热能的形式分散到塑料熔体中。

在螺杆塑化过程中，有两种基本能量来源用于塑料颗粒的融化。第一种也是最重要的能量来源是螺杆提供的机械能，螺杆粘性剪切生热过程将机械能转换成熔体的热能。第二能量来源是由料筒外部加热器或螺杆内部加热器提供的热能。在大多数的挤出机中，螺杆旋转提供了熔体能量的主要部分，所以挤出机螺杆塑化能力的关键在于聚合物熔体粘性热能的产生高低。当料筒温度上升时，热传导增加，但是粘性发热能力将会由于熔体温度升高造成的粘度下降而降低。如果粘性发热量的下降大于熔体外部热导入量的上升，其净结果是导致熔化速率的下降。此情况将发生在熔体粘度对热相对敏感的聚合物材料上(如：不止局限于，PMMA，PVC，PA等材料)。对于熔体粘度相对于熔体温度不敏感的聚合物(如：不止局限于，PS，PE，PP等材料)，粘性发热的降低受料筒温度的上升的影响较小，其结果是熔化速率会随料筒温度上升而增加。因此，不同的塑料材料具有不同的对优化工艺条件的要求。

常规的塑料熔体塑化过程控制方法是试图保持注塑机或挤出机不同加料段的实际温度达到设定温度，维持螺杆转速和背压(对于注塑机而言)处于设定值。各种不同的工艺参数决定了塑化熔体的质量。

熔体的流动能力采用MFI(“熔体流动指数”)来衡量。MFI值表示，例如，在测试标准要求的负载和温度下，10分钟内通过特定熔体指数仪的口模的熔体质量克数。(例如：对于HDPE，测试条件为190℃，2.16Kg负载。特定熔体的MFI值越高，表明其流动性越好，MFI值越低，其流动性越差，并且在熔体塑化过程中会产生较大的剪切生热。

在加工低MFI聚合物时，或者在低的加工温度下亦或是在螺杆高速运行时，高熔体剪切粘度会在熔体中产生更高粘性发热，从而导致熔体温度的上升过高，同时造成螺杆表面和其头部截止阀表面(对注塑机螺杆而言)的磨损加剧。这是所有注塑螺杆塑化过程面临的关键问题，特别是当螺杆的结构设计不能提供所需要的熔体塑化能力，而且料筒表面的纵向加热各段温度设置不合理时更是如此。例如，如果一种聚合物的牌号或等级改变了，其加工条件变得很困难，则加工设备就需要在更高的驱动功率下运行，以获得更高的螺杆转速从而获得更高的产量，其结果是导致熔体质量的下降和熔体温度的过热。过热的低质量塑料熔体将会引起后续模塑或下游生产线成型工艺实施生产过程的困难。

在注塑机和挤出机常规控制原理中，每一个过程变量都是独立控制的。例如，每一个独立的料筒加热器都是独立地的进行控制，使当前温度维持在设定温度，并不考虑其它过程参数波动对其的影响。工艺参数通常根据操作者的经验或者塑料原料供应商提供的加工手册来设定。因此，对于所有的自动化控制装置，料筒温度控制器的控制参数，螺杆驱动控制系统和液压控制系统来说，都是尽量使实际控制参数尽量接近设定参数，在此范畴并不包括考虑熔体的实际温度和质量。

图1所示一个注塑机常规单元10，包括一个料筒12和料筒12之中的螺杆14。加料斗16提供将塑料原料从内部通道18送入料筒12。多组加热圈20包裹料筒12和注射喷嘴22外层。注塑单元10可以包括安装在喷嘴头附近的喷嘴熔体温度传感器24。

螺杆14的机械驱动装置包含液压油马达或驱动电机提供旋转功能和螺杆往复运动驱动单元28；在连续化挤出生产过程中不需要螺杆往复驱动单元28。

图2所示为一个主要控制环40.此控制环40包含一个决定操作控制工艺参数的控制算法器42.所选择的加工工艺参数的期望值或设定值通过44输入，工艺参数的当前值通过46输入。输入值44和输入值46经过比较器判断送给算法器42.在常规控制过程中，输入值44和输入值46可以有一组或多组或没有过程控制参数.输入值44可以包括熔体温度，熔体质量表征参数，产量或注射周期时间期望值，能量消耗期望值或其它控制参数.

控制算法器42决定了操作工艺参数的设定值。例如，分配给料筒加热器20的电能或分配给螺杆电机驱动器26的电能以及对应独立的控制工艺参数。例如，对应每一个料筒加热器20的温度设定值和螺杆14转速设定值。因此，注塑机10的各种工艺参数均可以设定，其工艺参数包含可以测量的工艺参数和现场输入的操作参数。

控制算法器42将各个独立的输入参数传送到注塑机10。同组的过程控制参数的配置调整方式基本相似。因此，对于料筒加热温度，设定值或期望值通过48a输入并传送至累加比较单元50a，料筒实际温度通过料筒温度传感器54a经过闭环回路52a反馈至累加单元。累加器50a通过计算料筒温度设定值和来自温度传感器的实际值的差值，由控制器根据控制算法控制料筒加热器的实际运行功率，使来自温度传感器54a的温度实际值接近设定值。

料筒加热器54a的进一步延伸(对于不止一组加热器)就可以实现类似多组温度控制方式。例如输入信号46通过线56构成对应的反馈回路。如图所示，对于其他的后缀名工艺参数还可以包括，螺杆转速控制量，对于注塑机而言的螺杆塑化背压控制量，螺杆注射速度控制量和螺杆注射压力控制量。

图3所示一个对于控制原理和控制算法42的主控制图。其主闭环控制图见60。

主闭环控制图或程序60包含一个起始输入信号62。它同过程步64相连。在此64步中，HMI系统(“人机交互界面”可以包括但并不局限于一个触摸式屏幕或键盘，见图5)不断扫描当前运行状态是否处于“手动”，“半自动”或“全自动”状态。如果检测到其中一个状态被选中，通过按动相应的操作键，控制算法或系统进入中断子程序，完成后续控制过程。

进入下一步66，HMI键控子程序主控键“MK”是否处于“开”或“关”的状态。如果处于“关”的状态，程序沿路径67返回第一步64状态。

如果主控键处于“开”的状态，则HMI的键控子程序进行至第68步。在此处程序将检测系统的运行状态。如果“全自动”模式没有被选中，则显示屏幕窗口显示“超级熔体控制过程只能在全自动模式下运行”以提示操作者并提供选择系统“全自动”运行的机会(此处术语“超级熔体”只是临时给定的技术名称)。如果“全自动”模式被选中，则算法程序进入下一步。此处的屏幕显示提供3秒或一个合适的延时时间，如果“全自动”按键没有任何输入，HMI键控子程序将退出并返回至第一步64。

如果全自动模式被选中，则程序进入到第70步，HMI键控子程序进入到特定的显示界面状态，见图5。此状态可以用一个单独的屏幕页面显示所有需要显示的加工工艺参数。在此状态步，键控窗口提示“是否选择超级熔体过程控制？”此状态条将以色条闪烁方式提示用户选择“是”或者“否”。

在72步，控制算法可以决定“超级熔体过程控制”是否被选择。如果未被选择，则在73步，过程控制算法返回到初始状态64步。如果被选择，该状态将被保持下来。

HMI键控子程序转至下一步74。在此处程序将提供一个机会给用户选择是否按下“接受和退出”按键。如果用户没有按下此键，在75，键控子程序返回到第一步64。如果用户按下此键，则键控制程序进入到下一步76。

在76步，用户将按键选择运行条件“以熔体温度设置值控制运行”。如果此键按下，键控制程序进入到77，运行第一个子程序100。如果用户未选此程序，则控制算法进入到下一步78。

在78，用户将按键选择运行条件“以周期时间(对注塑机而言)和生产率设置值控制运行”。如果此键按下，键控制程序进入到79，运行第二个子程序200。如果用户未选此程序，则控制算法进入到下一步80.

在80，用户将按键选择运行条件“以过程自优化设置值控制运行”。如果此键按下，键控制程序进入到81步，运行第三个子程序300。如果用户未选此程序，则控制算法进入到最后决策步82，在此处将提示用户选择按键“接受和退出”。如果用户按键接受，则程序进入83并返回到64步。如果用户未按键接受，程序进入到84并且进入状态轮选72-82步。

图4a为子程序100的流程图。102为子程序100的说明。在104步，程序调入各种指定参数的设定值(SV)和当前值(PV)进入程序相应控制单元，如：螺杆运行最大速度，螺杆运行最小速度，最大背压，料筒温度。

在下一步106，子程序决定熔体温度的当前值是否大于熔体温度的设定值。如果熔体温度的当前值更高，则子程序进入108步；如果熔体温度当前值不大于设定值，则子程序进入109步。

在108步，子程序决定螺杆转速的当前值是否大于转速最大设定值。如果转速当前值更高，则程序进入110；如果转速低于最大设定值，则子程序进入112步。

在112步，定义了一个子程序A2，其功能是改变螺杆的转速，使熔体的实际温度达到熔体温度的设定期望值。在A2，转速RPM将会改变，其变量值用ΔRPM表示。该程序将测量几个运行周期(如：5个注塑生产周期)，然后决定一个转速平均值。同时将熔体温度值输入智能模糊控制算法，输出结果决定新的RPM值。

“生产周期”在此的术语表示完成一次注塑生产顺序所需要的时间。包括：合模，螺杆旋转塑化塑料并在背压下向后移动至所需要的注塑量时停止，螺杆在注射压力下向前移动将熔体注射进入模具，保压，制品在模具中冷却，开模，制品顶出。在某些生产情况下，注射周期时间可以短至3秒或长至1分钟以上。正式的测量在几个生产周期后开始以确保机器运行参数处于稳定状态。

如114所示为新的RPM转速值的输出和对螺杆转速的控制。在116，新的转速值已经被设定，子程序退出并且返回106。

如果熔体温度的当前值低于当前熔体温度的设定值，则子程序100进入到118步。其中子程序A1进行料筒温度加热轮廓曲线的调节。如120步所示，子程序A1输入熔体温度的设定值和当前温度值，由此决定T和ΔT，并将其送入智能控制算法。该控制算法将输出结果并控制过程和加工工艺参数。

子程序进入到122步，如果在108步的螺杆当前转速值大于最大转速允许设定值，控制程序将保持在122步。此时，如果背压的当前值在背压最小设定值或背压最大设定值之间，则螺杆的转速设定值将进行算法运算和调整。如果背压在上下限区间之外，则子程序进入124步。

在124步，子程序延时20个生产周期，然后再次检查背压值进入116并返回106。

如果在122步，背压当前值在上下限区间之内，则子程序进入126。如果此时背压的当前值大于最大设定值或小于最小设定值，说明系统可能出现问题，如螺杆的RPM或者最高转速设置太高。控制流程随后将进入124然后返回到106，同时在HMI上将出现报警提示。在126步，子程序A3将完成背压设定值调节的运算功能。

在128步，背压设定值减低一档。同时计算运行周期。延时5个运算周期之后，背压的调整设定值完成输出。

图4b所示第二个子程序200，其对应的功能是以运行周期设定时间控制运算。子程序200的说明在202。在202之后的204，程序调入系统的设定值和当前值，例如：螺杆旋转的最大和最小速度，最大背压和温度。同时，控制软件运行周期时间值单元将以运行周期时间设定值赋值(CSV.cycT＝SV.cycT)。

在206步，程序将判断螺杆转矩当前值是否大于或等于转矩上限值或小于等于转矩下限值。如果实际转矩超出转矩上限值或下限值，则当前子程序转入子程序100(如图4a，208步所示)。如果实际转矩没有超出转矩上限值或下限值，则当前子程序转入209步。

在209步，程序将判断实际运行周期时间和设定值的大小。如果两者不相等，则子程序走到210步。如果两者相等，则子程序退回到204步。

在210步，程序将判断螺杆转速当前值是否大于或等于上限值或小于或等于下限值。即判断当前转矩值是否处于下限值和上限值的区间内。如果是，则程序进入220步。如果否，则子程序进入到214步。

在214步，子程序A2按所描述的方式控制转速运行，在216步，程序将计算出的螺杆转速值输出并赋值给转速控制单元。同时计数运行周期数并延时几个周期时间。在218步，子程序退出并返回到204步。

在220步，程序将比较料筒加热段的当前温度值与温度设定值的上限值和下限值。如果当前温度值在温度上下限区间内，则子程序进入到222步。如果实际温度超出上下限温度范围，则子程序返回到204步。在222步，子程序A1运行，执行224步的功能。

在212步，程序将判断背压的当前值是否大于或等于背压上限值或小于或等于背压下限值。如果背压当前值超出上下限范围，子程序进入到228步。如果背压当前值处于上限值和下限值之间，子程序即进入到226步，背压调整子程序A3开始运行。将新的背压值输出并赋值到背压控制单元。其中具体细节如图4a所示。子程序随后进入到228步。程序将延时20个运行周期，待机械系统运行周期稳定后，子程序随后返回到204步。

图4c所示为子程序300流程图。其对应的功能是保证系统按设定的能量消耗比值运行。能量消耗比值可以是附加的设定值或当前值参数。此处的能量消耗比值等于所有料筒加热器消耗的能量值与驱动螺杆运行的所有机械能量的比值。在某些运行情况下，该比值大约为20/80，或1/4。此比值将随着不同的加工条件，机器的加热条件和驱动系统设计而改变。在HMI屏幕上(见图5)将包括一个小窗口提供用户预设该比值(PV-ratio)，这是最高等级的工艺控制参数。控制系统将保持PV-ratio＝SV-ratio作为实现注塑机以尽量短的运行周期时间和尽量低的输出熔体温度进行自优化控制的基线。在实际生产过程中，很难同时获得这些工艺参数的最优值，但是，利用优化智能控制算法可以获得相对优化的工作点，并将之作为机器当前进行塑料加工能力表征的最佳参数。

在302步，子程序300将运行周期时间调入控制软件单元。子程序随后开始计算最小目标周期时间。该目标周期时间等于以下时间的组合：合模时间，合模锁紧时间，动模板向前移动时间，喷嘴打开时间，注射时间，注射保压时间，螺杆后退防涎时间+0.1秒(或其它时间)与合模后冷却时间的合集总时间，顶针前移时间，顶针后退时间，开模等待时间。

在304步，子程序判断生产循环周期的当前时间是否大于最小设定周期时间。如果否，则子程序进入306步.在306步，当前周期时间小于最小周期时间，则控制程序将返回重新检测关键点(熔体温度)。程序延时几个周期后进入302步，退出子程序300。

如果当前周期时间大于最小设定周期时间，子程序进入到308步，程序将生产循环周期设定时间值赋值给最小周期时间目标单元。随后，子程序在308步退出，并在202步进入子程序200。

图5所示为一个计算机人机控制界面HMI的例图。

以上描述提供了一组或多组工艺或装置的例子，在随后的声明范围中可能还会涉及到其它的工艺过程或装置。

Claims (9)

1.一种注塑成型和挤出机械的控制方法，该方法包含的步骤有：a)测量至少一组指示能量消耗或熔体质量的过程工艺参数当前值；b)提供一种机械控制算法，该算法将比较至少一组过程工艺参数当前值与至少一组过程工艺参数设定值;c)如果所选的至少一组过程工艺参数的当前值偏离设定值达到所预定的范围，所构造的控制算法将通过计算经过加热源和机械动力源传递到塑料熔体的各自能量与能量比值，来调整至少一组过程工艺参数设定值或至少一组机器操作参数的设定值，实现整个系统的能量消耗和熔体质量的优化控制。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：其中所述的至少一种过程工艺参数包括输出熔体的温度。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：其中所述的至少一种过程工艺参数进一步包括熔体质量表征值、生产率期望值、注塑生产循环周期时间期望值、能量消耗的期望值以及从料筒加热器输入的能量与从螺杆驱动装置输入的能量的比值中的至少一种，其中对应的熔体质量表征方法包括：a)通过记录特定输出熔体中的泡孔数量和未融化塑料颗粒的拍照定量分析法；b)通过对特定输出熔体中染色剂分散不均匀度的定量分析法。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：其中所述的至少一种机器操作参数包括料筒加热温度。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：其中所述的至少一种机器操作参数进一步包括螺杆转速值，对于注塑机而言的螺杆塑化背压值，螺杆注射速度值和螺杆注射压力值。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：其中所构造的控制算法可以用于接收多组过程工艺参数的输入和多组机器操作参数的输入。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：其中所构造的控制算法可以调节多组机器操作参数的设定值的大小。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：其中所述的至少一组过程工艺参数的设定值、至少一组机器操作参数的设定值和偏离值预定范围量可以由用户操作者进行调整。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：其中所述的对于至少一种过程工艺参数的设定值和至少一种机器操作参数的设定值的决定均取决于被机器设备所加工的具体塑料材料的加工性能。

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