CN103085249B - 一种可视化聚合物熔体注塑充模流动系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可视化聚合物熔体注塑充模流动系统，该系统由换向阀、控制装置、摄像机、图像处理系统、密闭容器、可调流量泵、流量计、两个压力表、透明模具工装、节流阀以及连接上述部件的压力管道和通信电线或电缆组成。本发明提出的系统的主要功能是实现不同注射流量、不同注射压力条件下熔体流动规律的可视化分析，其显著特点是能够清晰地观测到流体中微细颗粒的运动，且具有结构紧凑、操作简单、能耗小、构建和运行成本低等特点。

Description

一种可视化聚合物熔体注塑充模流动系统

技术领域

本发明涉及一种流体填充流动过程可视化监测系统，特别涉及一种面向注塑成型工艺的可视化聚合物熔体充模流动系统，可用于定量观测注塑填充过程中聚合物熔体流动行为及熔体中异相固体颗粒的迁移运动规律。

背景技术

聚合物熔体充模过程是注塑成型工艺的一个重要阶段，填充过程中熔体流动状态直接影响聚合物高分子链的取向、熔体结晶行为、熔体中异相颗粒的取向与分布等，从而影响聚合物塑料的微观结构与最终成形产品的力学性能。另外，填充过程不稳定还容易导致塑件出现喷射痕、流痕、流线、云纹等表面缺陷，严重影响产品的品质。此外，填充过程控制不良还可能导致塑件出现严重的熔接痕、浮纤、形状尺寸精度差、短射等缺陷。总之，熔体填充阶段对最终成形的产品的力学性能、外观质量和形状尺寸精度等均具有十分重要的影响。为了获得高品质的产品和保证工艺稳定性，有必要研究填充阶段聚合物熔体的流动行为，以期通过调整工艺参数、改进模具结构等使熔体充模流动达到最优状态。关于注塑过程熔体充填流动的研究一直以来都是工业界和学术界关注的热点。由于填充阶段聚合物熔体流动通常是在闭合且不透明的金属模具内完成的，所以很难直接观测到熔体的流动状态。为此，一般通过多次短射的方法间接观察填充阶段熔体流动状态的变化，但是这种方法无法了解熔体流动的连续变化过程。注塑成型可视化技术是研究填充过程中聚合物熔体流动行为的一种有效方法，该技术可以实现熔体流动全过程的实时监测，已经成为研究熔体充模流动行为的一种最为常用的方法，在业界获得了广泛的应用和认可。

围绕注塑成型过程可视化技术，国内外已经开展的大量的研究，构建了多种注塑填充阶段熔体充模流动可视化装置和方法。在国外，日本东京大学产业技术研究所横井课题组构基于玻璃镶块模具、光路传输系统以及双摄像头的注塑成型可视化系统，两个高速摄像机可以动态追踪和测量熔体的流动前沿；东京工业大学佐藤薰课题组构建了一种基于透明视窗和摄像机的可视化装置，研究了塑件表面波纹状流痕的形成机理；美国密歇根大学机械工程与应用力学系布雷斯课题组构建了一种三面透光的可视化注塑模具，研究了工艺参数对熔体流动状态的影响；伊朗塔比阿特莫达勒斯大学贝赫拉维什课题组基于玻璃型腔板、反射镜及摄像机等构建了微发泡注塑流动可视化系统，观测了熔体中泡孔的形态变化。在国内，西北工业大学林德宽等人构建了基于透明模具、光路系统及摄像机可视化注塑系统，对充模流变过程进行了定量动态研究；大连理工大学张强课题组构建了基于石英玻璃型腔的经济实用的可视化注塑模具；北京化工大学杨卫民课题组构建了基于玻璃镶块、反光镜及高速摄像机的注塑成型可视化系统，并利用该系统研究了熔体流动状态对熔接痕的影响。上述注塑成型可视化系统均是通过在常规注塑模具中置入玻璃镶块或玻璃型腔板，然后利用高速摄像机通过设计的光路系统监测注塑过程中熔体在模具型腔中的流动状态。这些系统和方法最为突出的缺点就是只能观测熔体的宏观流动状态，而无法清楚的捕捉熔体中微小异相颗粒的运动状态。另外，上述注塑可视化系统一般均是在商用注塑机和注塑模具的上构建的，这导致系统结构和操作相对复杂，构建成本和运行成本较高。此外，填充过程中高温高压塑料熔体容易损坏玻璃型腔板或镶块，从而导致可视化模具的寿命不高。

深圳市昌红模具科技有限公司在2010年8月2日申请的授权公开的中国专利CN201800189U《多孔板模具注塑过程的可视化实验机构》中揭示了一种多孔板模具注塑过程的可视化实验机构，该机构由进光孔、观察孔、影像系统及模架组成。该机构的特点是在模具型腔板内部置入由透明玻璃型腔镶块、反射镜、平面玻璃灯组成的光路系统，基于该光路系统，透过模具一侧的观察孔可以直接观测熔体在模具型腔中的流动状态，并利用高速摄像机拍摄和记录实时影响。另外，该机构还在型腔板上设置了一个进光孔，以增强入射光强度，从而有利于提高影响清晰度。该专利所涉及的注塑成型可视化机构与前述各种可视化装置类似，具有同样的缺陷或不足。

发明内容

本发明根据上述现有注塑成型阶段聚合物熔体流动可视化装置与方法存在的结构复杂、运行成本高、模具使用寿命低、无法观测到熔体中细小异相颗粒运动状态等不足，提出一种新的结构简单、操作方便、经济可行的用于观测和研究聚合物熔体及其中细小异相颗粒流动行为的可视化装置。

为了实现上述目的，本发明是通过以下技术解决方案实现的：

一种可视化聚合物熔体注塑充模流动系统，包含两个闭环回路，其中，第一个回路包括依次连接的密闭容器、流量泵、第一换向阀、流量计、进口压力表、透明模具工装、出口压力表、节流阀、第二换向阀、密闭容器，第二个回路包括依次连接的密闭容器、流量泵、第三换向阀、密闭容器。与常规注塑成型流动可视化装置中的由注塑机构成的注射系统相比，该系统具有结构简单、能耗低、成本低等特点。

作为本发明的进一步改进，所述可视化聚合物熔体注塑充模流动系统还包括排残与余料回收系统，所述的排残与余料回收系统包括依次连接的高压气体源、调压阀、第四换向阀、流量计、进口压力表、透明模具工装、出口压力表、第五换向阀、回收容器。该系统的主要作用是排除流道系统中残留的所谓高粘度聚合物熔体，并实现残留高粘度聚合物熔体的回收利用，有效减少原材料浪费和降低实验成本。

本发明中所使用的高粘度聚合物流体为具有高透明度和高粘度的硅油或环氧树脂。由于硅油或环氧树脂在常温下为流体状态，故充模流动实验可在常温下进行，从而省去了注塑机料筒和螺杆对聚合物材料的加热和剪切作用，有利于减少能耗，另外还降低了高温聚合物熔体对透明注塑模具的损坏，提高了模具寿命。

进一步地，所述透明模具工装包括透明型腔板、发光管、密封垫和透明型芯板，透明型腔板内设有安装孔，发光管安装在透明型腔板内的安装孔中，密封垫位于透明型腔板和透明型芯板之间，透明型腔板和透明型芯板固定连接，所述透明型腔板上设有入口流道和出口流道，透明型腔板内部还设有型腔，型腔分别与入口流道和出口流道连接。透明型腔板、透明型芯板均可使用玻璃制作。当所述的高粘度透明聚合物流体流过由透明型腔板内的密闭的型腔时，所述的安装于透明型腔板中的发光管通过发光可以显著增强聚合物熔体的亮度和通透性，从而可清楚地观测高粘度透明聚合物熔体中微小异相颗粒的运动状态。

所述可视化聚合物熔体注塑充模流动系统还包括摄像监测系统，所述的摄像监测系统包括摄像机和图像处理系统，摄像机安置于所述透明模具工装的正上方，并与所述图像处理系统连接，所述图像处理系统能够完成图像的记录与显示。该摄像监测系统与所述透明模具工装相结合，可以十分清楚地捕捉聚合物熔体及其中微细颗粒在模具型腔中的运动状态。

所述可视化聚合物熔体注塑充模流动系统还包括控制系统，所述控制系统包括可编程逻辑控制器（PLC）、人机界面（HMI）及控制电路。PLC通过相应的通讯电缆与HMI连接，并通过控制电路与流量泵、各个换向阀、发光管以及摄像机等连接。基于专门开发的控制程序，PLC可以发出控制指令以操作流量泵、换向阀、发光管、摄像机等动作；HMI通过PLC反馈的信息实时监测整个聚合物熔体充填流动可视化系统各组成单元的工作状态。

所述的高压气体源提供气体为空气或氮气，其压力控制范围优选为0.8～1.0MPa，所述的调压阀的压力调控范围优选为0.6～0.8MPa；所述发光管的光源色为白色或黄色，其光通量优选范围为3000～5000lm；所述流量泵为可调流量泵，其流量输出范围优选为0～2000L/h，最大压力范围优选为0～1.0MPa；所述压力表的量程优选为0～1.5MPa，上述参数的组合是本发明的最佳效果。

本发明的有益效果是：可以清晰地实时观测不同注射速率、不同压力条件下高粘度聚合物流体及其中添加的微细颗粒在模具型腔中的运动行为及状态，与常规的注塑成型聚合物流动可视化系统或装置相比，具有结构紧凑、操作简单、能耗小、构建和运行成本低等特点，尤其是可以更加清晰地观测到聚合物熔体中微细颗粒的运动状态。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是透明型腔板的结构图。

图3是图2中A-A向示意图。

图4是图2中B-B向示意图。

图5是透明型芯板的结构图。

图6是图5中A-A向示意图

图中，1.高压气体源；2.调压阀；3.第四换向阀；4.控制系统；5.高速摄像机；6.图像处理系统；7.密闭容器；8.可调流量泵；9.第一换向阀；10.流量计；11.进口压力表；12.紧固螺栓；13.透明型芯板；14.密封垫；15.发光管；16.透明型腔板；17.第三换向阀；18.第二换向阀；19.节流阀；20.出口压力表；21.第五换向阀；22.回收容器；23.入口流道；24.型腔；25.出口流道；26.安装孔；27.透明模具工装。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种可视化聚合物熔体注塑充模流动系统，包含两个闭环回路，其中，第一个回路包括依次连接的密闭容器7、可调流量泵8、第一换向阀9、流量计10、进口压力表11、透明模具工装27、出口压力表20、节流阀19、第二换向阀18、密闭容器7，第二个回路包括依次连接的密闭容器7、可调流量泵8、第三换向阀17、密闭容器7。

所述可视化聚合物熔体注塑充模流动系统还包括排残与余料回收系统，所述的排残与余料回收系统包括依次连接的高压气体源1、调压阀2、第四换向阀3、流量计10、进口压力表11、透明模具工装27、出口压力表20、第五换向阀21、回收容器22。

如图1-图6所示，所述透明模具工装27包括透明型腔板16、发光管15、密封垫14和透明型芯板13，透明型腔板16内设有安装孔26，发光管15安装在透明型腔板16内的安装孔26中，密封垫14位于透明型腔板16和透明型芯板13之间，透明型腔板16和透明型芯板13通过紧固螺栓12固定连接，所述透明型腔板16上设有入口流道23和出口流道25，透明型腔板16内部还设有型腔24，型腔24分别与入口流道23和出口流道25连接。

所述可视化聚合物熔体注塑充模流动系统还包括摄像监测系统，所述的摄像监测系统包括高速摄像机5和图像处理系统6，高速摄像机5安置于所述透明模具工装27的正上方，并与所述图像处理系统6连接，所述图像处理系统6能够完成图像的记录与显示。该摄像监测系统与所述透明模具工装27相结合，可以十分清楚地捕捉聚合物熔体及其中微细颗粒在模具型腔中的运动状态。

所述可视化聚合物熔体注塑充模流动系统还包括控制系统4，所述控制系统4包括可编程逻辑控制器（PLC）、人机界面（HMI）及控制电路。PLC通过相应的通讯电缆与HMI连接，并通过控制电路与可调流量泵8、第四换向阀3、第一换向阀9、第三换向阀17、第二换向阀18、第五换向阀21、发光管15以及高速摄像机5连接。

本实施例的注塑填充阶段聚合物熔体流动可视化系统的工作进程包含三个工作阶段，分别为实验准备阶段、熔体填充流动与观测阶段、排残与余料回收阶段。下面将对本发明的注塑填充阶段聚合物熔体流动可视化系统在各工作阶段的工作过程进行详细地阐述。

在实验准备阶段，首先向密闭容器7中加入以透明环氧树脂或硅油为基料的高粘度流体作为实验用聚合物熔体，然后通过控制系统4发出控制指令开启可调流量泵8。在可调流量泵8的作用下，高粘度聚合物熔体将在由密闭容器7、可调流量泵8、第三换向阀17及相应连接管路构成的回路中循环流动，这种循环流动有利于排除运行初期混入聚合物熔体中的空气，并使熔体流动达到一种稳定状态，从而为下一阶段的熔体填充流动与观测做好准备。

在熔体充填流动与观测阶段，首先通过控制系统4发出指令开启高速摄像机5，并启动图像处理系统6，然后通过控制系统4发出控制指令同时打开第一换向阀9和第二换向阀18，并关闭第三换向阀17。在可调流量泵8的作用下，聚合物熔体将在由密闭容器7流出，依次经可调流量泵8、第一换向阀9、流量计10、进口压力表11、透明模具工装27、出口压力表16、节流阀19、第二换向阀18，流回密闭容器7。在透明模具工装27中，聚合物熔体由入口流道23流入，然后经型腔24，由出口流道25流出。在聚合物熔体流经透明模具工装27的过程中，发光管15发出的强光依次穿过透明型腔板16、流经型腔24的高聚物熔体和透明型芯板13，射入高速摄像机5，从而将聚合物熔体的流动影像清晰地成像在高速摄像机5中，高速摄像机5通过通讯电缆将图像信息传输至图像处理系统6。

在排残与余料回收阶段，首先由控制系统4发出控制指令，打开第三换向阀17，关闭第一换向阀9和第二换向阀18，从而让聚合物熔体在由密闭容器7、可调流量泵8、第三换向阀17构成的流道系统中循环流动。然后，由控制系统4发出控制指令，同时打开第四换向阀3和第五换向阀21，高压气体源1中的高压气体将依次经调压阀2、第四换向阀3、流量计10、进口压力表11、透明模具工装27、出口压力表20和第五换向阀21，流入回收容器22。在此过程中，高压、高速气体可以将残留在由第一换向阀9、流量计10、进口压力表11、透明模具工装27（入口流道23、型腔24、出口流道25）、出口压力表11、节流阀19构成的连接通道中的聚合物熔体，排入到回收容器22中，从而有效避免管道中残留的聚合物熔体对观测结果的影响，同时实现聚合物熔体的回收利用。

聚合物熔体的流量和压力可以通过可调流量泵8和节流阀19进行控制；高压气体的压力和流量可以通过调压阀2进行调节。另外，通过在透明聚合物熔体（高粘度环氧树脂或硅油）中添加微细颗粒（碳酸钙、玻璃珠、纤维等），利用该系统可以清晰地观测聚合物流经透明模具工装27的过程中，微细颗粒在型腔24中的运动和迁移规律。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种可视化聚合物熔体注塑充模流动系统，其特征是，包含两个闭环回路，其中，第一个回路包括依次连接的密闭容器、流量泵、第一换向阀、流量计、进口压力表、透明模具工装、出口压力表、节流阀、第二换向阀、密闭容器，第二个回路包括依次连接的所述密闭容器、所述流量泵、第三换向阀、所述密闭容器；

所述可视化聚合物熔体注塑充模流动系统还包括排残与余料回收系统，所述的排残与余料回收系统包括依次连接的高压气体源、调压阀、第四换向阀、所述流量计、所述进口压力表、所述透明模具工装、所述出口压力表、第五换向阀、回收容器；

所述透明模具工装包括透明型腔板、发光管、密封垫和透明型芯板，透明型腔板内设有安装孔，所述发光管安装在透明型腔板内的安装孔中，所述密封垫位于透明型腔板和透明型芯板之间，透明型腔板和透明型芯板固定连接，所述透明型腔板上设有入口流道和出口流道，透明型腔板内部还设有型腔，型腔分别与入口流道和出口流道连接；

所述可视化聚合物熔体注塑充模流动系统还包括摄像监测系统，所述的摄像监测系统包括摄像机和图像处理系统，摄像机安置于所述透明模具工装的正上方，并与所述图像处理系统连接。

2.如权利要求1所述的可视化聚合物熔体注塑充模流动系统，其特征是，所述的高压气体源提供气体为空气或氮气。

3.如权利要求1所述的可视化聚合物熔体注塑充模流动系统，其特征是，所述发光管的光源色为白色或黄色。

4.如权利要求3所述的可视化聚合物熔体注塑充模流动系统，其特征是，所述发光管的光通量为3000～5000lm。

5.如权利要求1所述的可视化聚合物熔体注塑充模流动系统，其特征是，所述可视化聚合物熔体注塑充模流动系统还包括控制系统，所述控制系统包括PLC、HMI及控制电路；PLC通过相应的通讯电缆与HMI连接，并通过控制电路与流量泵、第一换向阀、第二换向阀、第三换向阀、第四换向阀、第五换向阀、发光管以及摄像机连接。

6.如权利要求1所述的可视化聚合物熔体注塑充模流动系统，其特征是，本系统中所使用的高粘度聚合物流体为硅油或环氧树脂。