CN105593000A - 用于制造簇成制品的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于由热塑性材料制造簇成制品的方法，其包括根据压力支配算法控制注射压力，包括在模具腔体的前端上游检测每秒至少100个熔体压力测量结果。本发明还公开了一种设备，该设备包括用于监测和根据压力支配算法调节注射压力的压力控制机构，其中压力控制机构包括位于模具腔体的前端上游的至少一个高频压力传感器。

Description

用于制造簇成制品的方法和设备

技术领域

本发明涉及用于通过注塑生产簇成制品的注塑机和方法，并且更具体地涉及注塑方法和设备，其中通过压力支配算法(pressure-dominatedalgorithm)控制低压注塑。

背景技术

注塑是一种通常用于大批量制造由可熔融材料制成的部件(最常见的是由热塑性聚合物制成的部件)的技术。典型的注塑程序包括以下基本操作：在注塑机中加热塑性材料，以允许塑料在压力下流动；将熔融的塑料注射到限定于已闭合的两个模具部件之间的一个或多个模具腔体中；允许塑料在压力下在一个或多个腔体中冷却并硬化；打开一个或多个模具腔体；以及将模塑制品从模具中顶出。每个模具腔体均可通过浇口连接至流动通道，浇口将熔融树脂流引导到腔体中。可存在一个或多个浇口。

在注塑过程中，通过注塑机将熔融的塑性树脂注射到模具腔体中，直到塑性树脂到达腔体中离浇口最远的位置。此后，塑性树脂从背对着浇口的端部填充腔体。在常规的高变压注塑机中，一旦液体塑性树脂被引入注模中，邻近腔体壁的材料就立即开始“冻结”或固化、或硬化。就结晶聚合物而言，塑性树脂开始结晶，因为液体塑性树脂冷却至低于该材料的不流动温度的温度，并且液体塑料的部分固化且变得静止。这种邻近模具壁的冻结材料使热塑性材料在其向模具腔体的端部前进时所行进的流动通道变窄。邻近模具壁的冻结材料层的厚度随着模具腔体填充的进行而增加，这造成聚合物必须流动通过以继续填充模具腔体的横截面积逐渐减小。随着材料冻结，其还收缩、从模具腔体壁脱离，这减少了材料通过模具腔体壁的有效冷却。因此，常规的高变压注塑机被设计成非常快速地用塑料填充模具腔体且保持填料压力以将材料推向模具腔体侧，来增强冷却并保持模塑部件的正确形状。常规的高变压模塑机通常具有由约10％注射时间、约50％填料时间、以及约40％冷却时间组成的循环时间。

当模具腔体中的塑料冻结时，常规的高变压注塑机增加注射压力(以保持基本上恒定的体积流量，由于更小的横截面流动面积)。然而，增加压力会具有成本和性能两方面的缺点。当模塑部件所需的压力增加时，模塑设备必须具有足够的强度以耐受附加的压力，这通常导致设备更昂贵。制造商可能不得不购买新的设备以适应这些增加的压力，这自然导致显著的资本费用。

为了避免上述的一些缺点，很多常规的注塑操作者使用剪切致稀塑性材料以改善塑性材料在模具腔体中的流动特征。在将剪切致稀塑性材料注射到模具腔体中时，在塑性材料和模具腔体壁之间产生剪切力并且模具腔体壁趋于减小塑性材料的粘度，由此使塑性材料更自由且容易地流入模具腔体中。因此，可足够快地填充模具腔体以避免材料在完全填充模具之前冻结。

粘度的减少与塑性材料和进料系统之间、以及塑性材料和模具腔体壁之间产生的剪切力的量级直接相关。因此，这些剪切致稀材料的制造商和注塑系统的操作者已努力驱使模塑压力更高以提高剪切，从而降低粘度。通常，高输出注塑系统(例如，101级和30级系统)在通常15,000psi或更高的熔体压力下将塑性材料注射到模具腔体中。剪切致稀塑性材料的制造商教导注塑操作者在高于最小熔体压力下将塑性材料注射到模具腔体中。例如，通常在大于6,000psi(由聚丙烯树脂制造商推荐的范围，通常为大于6,000psi至约15,000psi)的压力下加工聚丙烯树脂。压机制造商和加工工程师通常推荐在所述范围的顶端或显著更高下加工剪切致稀聚合物，以实现最大的潜在剪切致稀，其通常大于15,000psi，以从塑性材料中提取最大致稀和更好的流动特性。剪切致稀热塑性聚合物一般在超过6,000psi至约30,000psi的范围内加工。

高生产注塑机(即，101级和30级模塑机)通常经历每年500,000次循环或更多。优质工业生产模具必须被设计成耐受至少每年500,000次循环，优选地多于每年1,000,000次循环，更优选地多于每年5,000,000次循环，且甚至更优选地多于每年10,000,000次循环。这些机器具有多腔体模具和复杂的冷却系统以提高生产率。高硬度材料比低硬度材料更能够耐受重复的高压夹紧操作。但是高硬度材料诸如大多数工具钢具有相对低的热导率，一般小于20BTU/HRFT℉，这导致长的冷却时间，因为热从熔融塑性材料传递通过高硬度材料。

在常规的机器中，用于控制和调节注射参数的控制系统通常基于顺序的速率支配算法，接着是压力支配算法。常规的机器通常以最高的可能注射速率注射第一个90％-98％的塑料射流体积——以利用大多数热塑性材料的剪切致稀性质。在分型线处在模具面之间的塑料渗流的出现，通常已知为“飞边”，通常发生在注射循环结束或接近结束时，这是由于腔体的最终填充造成的压力峰值，或发生在控制算法的压力支配阶段中在高压下填料期间。可使用注塑控制系统在注射循环结束或接近结束时准确地减小腔体压力。为了防止可能在注射结束时发生的压力峰值，对于注射循环的最终部分，机器可切换至压力控制算法。美国专利6,060,005，例如，教导了控制算法(包括顺序应用速率支配控制、接着是压力支配控制)以保持熔融流动前沿在模制过程中基本上不破碎。由于希望尽可能快地注射塑性材料并且尽可能快地达到阈值注射压力，提供速率受控的初始注射期看起来是符合逻辑的。在一些情况下，似乎希望限制模塑循环早期的注射压力，以防止极高的注射速度造成浇口或其它高剪切区域上的过度磨损；但是在那些情况下，压力通常限于30,000psi或更小、或者20,000psi或更小、或者低于构成注口的材料的疲劳极限的一些水平。在那些情况下，可设定压力阈值，以保护模塑部件免于磨损或过早失效，并且最终模塑部件的质量不是确定此压力阈值的因素。包括速率支配方案和压力支配方案的顺序应用的控制算法将因此满足许多应用，其中所制造的部件的质量对于注射循环起点附近的腔体压力的历史相对不敏感。

我们现在已经发现，速率支配的控制算法可有益地完全消除，有利于仅使用压力支配的控制算法，尤其是对于其中最终产品的物理特征和外观可受到在注射循环起点附近发生的压力的明显影响的应用而言。我们另外发现，压力支配的控制算法在用于构造对注射压力波动敏感的部件的注塑方法中的排他性使用可提供成品的优异质量。我们还发现，在一些应用中在低的恒定压力下注射第一塑料射流是有益的。

发明内容

一种用于制造簇成制品的方法，包括：使至少第一模具部件和第二模具部件在两者间形成第一模具腔体，第一模具部件具有工作表面和在其中形成的用以接收多个刷毛簇的多个孔，每个刷毛簇包括多个独立的刷毛，第一模具腔体具有体积、前端、以及与前端相对的后端；将多个刷毛簇插入到第一模具部件中的多个孔中，刷毛簇中的每一个具有第一端部、与第一端部相对的第二端部、以及延伸穿过第一端部和第二端部的纵向轴线，刷毛簇的第一端部设置在第一模具部件内部，同时刷毛簇的第二端部延伸到第一模具腔体中；通过其前端将熔融的第一热塑性材料注射到第一模具腔体中，从而用第一热塑性材料将多个刷毛簇的第二端部互连，熔融的第一热塑性材料具有约0.1g/10min至约500g/10min的熔体流动指数和约10psi至约2000psi的第一模具腔体中的熔体压力；根据压力支配算法控制和调节熔融的第一热塑性材料的熔体压力，包括在第一模具腔体的前端上游检测每秒至少100个熔体压力测量结果；将熔融的第一热塑性材料冷却，从而使第一热塑性材料在第一模具腔体内部固化；以及使第一模具部件和第二模具部件脱离，从而将具有嵌入其中的多个刷毛簇的固化的第一热塑性材料释放。

一种用于通过注塑制造簇成主体的设备，包括：至少第一模具部件和第二模具部件，第一模具部件和第二模具部件在两者间形成用于在其中接收熔融的第一热塑性材料的第一模具腔体，第一模具腔体具有体积、前端、以及与前端相对的后端，第一模具部件具有工作表面和在其中形成的用以接收多个刷毛簇的多个孔，每个刷毛簇包括多个单独的刷毛；注射装置，其包括用于将熔融的第一热塑性材料注射到第一模具腔体中的至少第一注射喷嘴；以及压力控制机构，其用于监测熔融的第一热塑性材料的熔体压力并且基于熔融的第一热塑性材料在第一模具腔体内部的熔体压力根据压力支配算法调节由注射装置施加在熔融的第一热塑性材料上的注射压力。

附图说明

附图所示的实施例在性质上为例示性和示例性的，而并不旨在限制由权利要求所限定的主题。当结合附图阅读时，能够理解对例示性实施例的详细描述，其中用类似的附图标号表示类似的结构，并且其中：

图1和2示意性地示出根据本公开的低恒压注塑机的实施例；

图3为示出图1的低恒压注塑机的腔体压力对时间的图，其叠加于示出常规的高变压注塑机的腔体压力对时间的图之上；

图4为示出图1的低恒压注塑机的腔体压力对时间的另一个图，其叠加于示出常规的高变压注塑机的腔体压力对时间的图之上，所述图示出了用于若干填充步骤的填充时间的百分比；

图5A–5H为根据本公开的用于制造簇成制品的注塑方法的若干步骤的示意图。

图6为示出在其一个端部具有熔合球的一个簇的局部示意性剖视图。

具体实施方式

如本文所用，下列术语具有下述含义。

热塑性材料的术语“低压”是指6000psi和更低的熔体压力，如在注塑设备的注射喷嘴处测量的。提及“在喷嘴处测量的”压力(等等)是指在注射喷嘴的出口上游(在注射喷嘴内部或刚好在注射喷嘴上游的区域中)进行的熔融材料的压力的测量。

术语“浇口尺寸”一般是指由流道和模具腔体相交而形成的浇口的横截面积。对于热流道系统而言，浇口可以为开口设计，其中在浇口处不存在材料流的主动切断，或闭合设计，其中使用阀销以机械切断通过浇口进入模具腔体的材料流。(后一种浇口通常被称为“阀门浇口”。)例如，具有1mm浇口直径的浇口是指所具有的横截面积等于在浇口与模具腔体相交的点处具有1mm直径的浇口的横截面积的浇口。浇口的横截面可以为任何期望的形状。

术语“停顿”一般是指某个点，在所述点处流动前沿的速度最小化到足够使聚合物的一部分下降至低于其不流动温度并开始冻结。

术语“低恒压注塑机”是使用小于6000psi的基本上恒定的注射压力的101级或30级注塑机。低恒压注塑机可为高产量注塑机(例如，101级或30级注塑机，或“超高产量模塑机”)，诸如，例如，美国专利申请13/601,514中公开的高产量注塑机，其公开内容以引用方式并入本文。

本文可使用术语“基本上”、“约”和“大约”等来表示可属于任何定量比较、值、量度或其它表示的不确定性的内在程度。本文也使用这些术语来表示定量表示可不同于所述参考值而不造成在讨论中主题的基本功能有变化的程度。此外，本文所公开的量纲和值不旨在被理解为严格地限于所述的精确值。相反，除非另外指明，否则每个这样的量纲旨在表示所述值以及围绕该值功能上等同的范围。例如，公开为“50％”的值旨在表示“约50％”。因此，例如，热塑性材料的术语“基本上恒定的压力”是指与基线熔体压力的偏差不对热塑性材料的物理特性(诸如，例如，粘度)产生有意义的变化。

图1示出本发明的低恒压注塑设备10的实施例。设备10包括注射系统12。第一热塑性材料(例如，为热塑性粒料16的形式)可通过料斗18引入注射系统12，料斗18将第一热塑性材料16进料到加热圆筒20中。粒料16在被进料到加热圆筒20中之后可由往复式螺杆22驱动至加热圆筒20的端部，该往复式螺杆22由螺杆控制机构36控制。加热所述加热圆筒20以及通过螺杆22压缩粒料16导致粒料16熔融，从而形成熔融热塑性材料24。通常在约130℃至约410℃的温度下处理熔融的第一热塑性材料24。

螺杆22朝向第一喷嘴26(图1中的箭头A)推动熔融热塑性材料24以形成热塑性材料的射流，所述射流将经由一个或多个浇口30被注射到模具28的第一模具腔体32中。螺杆22可由螺杆控制机构36来控制。在一些实施例中，可通过进料系统(未示出)将第一喷嘴26与一个或多个浇口30隔开。模具腔体32形成于第一模具部件25和第二模具部件27之间。第一模具部件25和第二模具部件27可由本领域中已知的任何装置，例如，挤压或夹紧单元在压力下保持在一起。在模塑过程中，夹紧单元施加夹紧力，该夹紧力大于注射压力所施加的用于分开两个模具部件25,27的力。这将第一模具侧25和第二模具侧27保持在一起，同时将熔融热塑性材料24注射到模具腔体32中。第一喷嘴26通过第一浇口30与第一模具腔体32流体连通。

一旦将熔融的第一热塑性材料24的射流注射到模具腔体32中，往复式螺杆22就停止向前行进。熔融的第一热塑性材料24呈模具腔体32的形式，并且在模具28内部冷却，直到其固化为止。一旦第一热塑性材料24已固化，就可使第一模具部件25和第二模具部件27脱离，从而将构成成品部件的固化的第一热塑性材料释放。模具28可包括多个模具腔体32以增加总体生产率。多个模具腔体的形状可为彼此相同或相似的，或彼此不同。(后者可称为“一套模具腔体”)。

本发明的注塑方法仅通过压力支配算法控制。这包括在第一模具腔体32上游高频监测熔融的第一热塑性材料24的至少第一熔体压力。这种高频监测可在与第一模具腔体32的前端32a相邻设置(且通过第一浇口30与其流体连通)的第一注射喷嘴26处进行。第一高频压力传感器52位于模具腔体32的前端32a上游和注射系统12(包括螺杆22)下游。传感器52可设置在例如第一注射喷嘴26的内部或刚好在第一注射喷嘴26的上游，以检测离开注射系统12且进入第一模具腔体的熔融的第一材料24的所得压力。第二高频压力传感器53可位于第一模具腔体32的后端32b处，接近流动位置的端部，以监测在熔融的第一材料24的前沿到达第一模具腔体24的端部时熔融的第一热塑性材料24的第二熔体压力。第二传感器53检测当约90％至约99％的第一模具腔体32的总体积容量填充有熔融的第一热塑性材料24时的压力。

第一传感器52和/或第二传感器53可与控制器50可通信地连接。控制器50可包括中央处理单元(CPU)，其包括微处理器、存储器、以及包括至少一个输入端和至少一个输出端的一个或多个通信链路。控制器50可被配置成接收和分析来自传感器52,53中的至少一个的高频注射压力读数。压力读数的分析可包括使压力测量结果平均化以及计算注塑过程的给定阶段的最佳压力。控制器50可被配置成与注射系统12通信，以根据期望算法控制注射压力。这可包括基于从传感器52,53中的至少一个接收的高频读数以高频维持、改变和调节注射压力。控制器50还可被配置成将注射压力的控制转移至另一个注塑控制系统或从另一个注塑控制系统转移。也可利用可操作地连接至控制器50的其它传感器(未示出)，诸如，例如，光学、气动式、温度、以及机械传感器。这些传感器可提供熔融的热塑性材料24接近模具腔体32中填充端部时的指示。

可将来自传感器52,53中的至少一个的测量结果传递给控制器50以允许控制器50实时校正过程，以确保熔体前沿压力在熔体前沿到达模具腔体的那个端部之前被解除，以避免模具飞边以及另一个压力和功率峰值。此外，控制器50可使用压力测量来调节所述过程中的峰值功率和峰值流量点，以实现一致的加工条件。除了使用压力测量以在当前注射循环期间对过程进行实时微调之外，控制器也可随时间推移(例如，经过多个注射循环)来调节过程。以这种方式，当前注射循环可基于在较早时间点处的一个或多个循环期间发生的测量来校正。在一些实施例中，可将压力读数对许多循环平均，以便实现过程一致性。

可使用每秒可检测至少100、至少200、至少300、至少400、或至少500个压力测量结果的任何类型的高频传感器52,53。示例包括压电换能器、声换能器、超声换能器、表面下换能器(sub-surfacetransducer)、平齐安装换能器(flush-mounttransducer)、机械换能器、可加工换能器、库伦电荷生成换能器、以及适用于此类目的的其它装置。合适的换能器的一个实例可见于专利申请US20100242616A1中，其公开内容以引用方式并入本文。

第一高频传感器52和/或第二高频传感器53可通过本领域中已知的任何装置安装。例如，传感器52可安装在第一喷嘴26处，这通过以下实现：在其中形成孔，以在喷嘴腔体的熔融塑料侧和大气环境之间建立流体连通，并且将换能器嵌入该孔中，然后将该孔再次密封，以防止熔融材料泄露到注射喷嘴的外表面。在另一个实施例中，该孔可被钻成从大气环境侧为盲的，例如，以改善喷嘴塑料侧的密封。在任何实施例中，可通过传感器的外表面上针对此目的设计的螺纹将传感器保持在适当位置。另选地，传感器可通过摩擦固定在该孔内部，摩擦是由传感器外壳的外表面和孔的表面之间的物理接触造成的。

当通过高频传感器52,53中的至少一个测量热塑性材料24的压力时，该传感器将指示压力的信号发送至控制器50，以提供完成填充时模具腔体32或喷嘴26中保持的目标压力。该信号一般可用于控制模塑过程，使得材料粘度、模具温度、熔体温度的变化、以及影响填充速率的其它变化因素通过控制器50来调节。这些调节可在模塑循环期间立即进行，或可在后续循环中进行校正。此外，可将多个信号对多次循环平均，然后用于通过控制器50对模塑过程进行调节。控制器50可分别经由电线连接54,56连接至传感器52,53和螺杆控制机构36(图1)。在其它实施例中，控制器50可经由无线连接、机械连接、液压式连接、气动式连接、或任何其它类型的通信连接与传感器52、53以及螺杆控制56中的任一个通信。

尽管在图1的实施例中示出有源的闭合回路控制器50，但是可替代地使用其它调压装置，诸如，例如，调压阀或减压阀(均未示出)。这些阀可防止模具28的过压。用于防止模具28的过压的另一种机制可包括当检测到过压状态时激活警报。

通常相信，在基本上恒定压力下填充将允许相对于常规的填充方法减小填充速率。减小的填充速率将导致在模具完全填充之前，聚合物与冷的模塑表面接触较长时间。因此，在填充之前将需要移除更多的热。可预期这导致材料冻结，从而在填充模具之前堵塞模具腔体。

已经发现，即使当经受基本上恒定的低压时，即使当模具腔体的一部分可低于热塑性材料的不流动温度，热塑性材料也将流动。不旨在受理论的束缚，我们相信，基本上恒定的低注射压力将导致填充期间整个模具腔体中的有益的动态流动条件(即，不断移动熔体前沿)。在其流动以填充模具腔体时熔融热塑性材料的流动没有停顿，因此尽管事实是模具腔体的至少一部分低于热塑性材料的不流动温度，但是流体没有冻结的机会。由于包括剪切加热的动态流动条件，尽管在模具腔体中经受不流动温度，但是熔融热塑性材料将能够保持高于不流动温度的温度。在开始冻结过程时，动态流动条件干扰热塑性材料中晶体结构的形成。晶体结构的形成增加了热塑性材料的粘度，这可阻止用以填充腔体的适宜流动。晶体结构形成的干扰和减小，包括晶体结构元素的尺寸减小，将导致当流体流动到腔体中时热塑性材料粘度的降低，虽然它经受低于不流动温度的温度。

注塑设备10可包括使整个模具腔体32保持在低于不流动温度的温度下的冷却系统(未示出)。接触熔融热塑性材料24的模具腔体的内部表面可被冷却，以保持较低的温度。可使用任何适宜的冷却温度。例如，可使模具28基本上保持在室温。结合此类冷却系统可有利地提高冷却注塑部件的速率并易于从模具28中顶出。

图5A–5H示意性地示出根据本公开的一种用于制造簇成制品的方法的若干步骤。第一模具部件25具有工作表面28和在其中形成的用以接收多个刷毛簇40的多个孔29，每个刷毛簇包括多个单独的刷毛。各自具有第一端部43和与第一端部43相对的第二端部45的多个刷毛簇40可插入到第一模具部件25中的多个孔29中，使得刷毛簇40的第一端部43设置在第一模具部件25内部，而第二端部45延伸到第一模具腔体32中。孔29的图案，包括它们的深度、剖面、以及它们延伸到第一模具部件25中的角度，由成品簇成制品上多个簇40的期望构型确定。在图1和2中，例如，孔29具有不同的深度和不同的角度。这将导致成品上的簇40具有对应于图1和2中所示的总体剖面。

簇40的自由的第二端部45可接着通过本领域中已知的任何装置互连，以将它们牢固地保持在正在形成的制品中。例如，细丝的自由端45可通过加热、辐射、化学或以其它方式处理，以熔融第二端部45，从而通过将刷毛簇40中的每一个中的单独刷毛熔合在一起来将第二端部45互连，如图5B中所示。由于这种熔融，可形成图6的包括互连的第二端部45的“增厚部分”或“球”46。这些球46将帮助将簇固定在成品内。有关该方法的这个方面的一些细节可见于例如美国专利4,892,698和5,823,633，所述专利的公开内容出于解释球或增厚部分46的形成的目的通过引用并入本文。

如上文所述，第一模具腔体32可通过以下方式形式：将第一模具部件25和第二模具部件27彼此抵靠地牢固夹紧以在两者间形成第一模具腔体32。可使用任何合适的挤压或夹紧单元(未示出)来施加足够的夹紧力，该夹紧力大于第一模具腔体32内部的注射压力所施加的且作用来将两个模具部件25,27分开的力。第一模具腔体32具有体积、前端32a、以及与前端32a相对的后端32b(图2和5C)。根据该方法的实施例，第一模具腔体32可具有与正在制造的簇成制品的成品簇保持部分的形状、或簇成制品的部分制造的簇保持部分的形状相对应的形状。前者发生在包括单个注塑操作的方法的一个实施例中，而后者，在图5A-5H中示出，发生在包括两个或更多个注塑操作的方法的一个实施例中。

通过其前端32A将熔融的第一热塑性材料24注射到第一模具腔体32中并且根据压力支配算法控制和调节熔融的第一热塑性材料24的熔体压力的步骤在上文一般性地描述(图1、2和5D)。熔融的第一热塑性材料24的射流可介于0.5g和100g之间，并且可通过多个浇口被推入模具腔体中。在一些实施例中，浇口尺寸可介于0.5mm和3mm之间。

在注射的第一阶段期间，当约90％至约99％的第一模具腔体32的总体积容量填充有熔融的第一热塑性材料24时，熔体压力可保持在约400psi至约4000psi、更具体地约600psi至约3000psi、甚至更具体地约1000psi至约2000psi的恒定低水平。如上文所述，保持低恒定压力可通过利用与控制器50通信的第一高频传感器52来实现。一旦检测到(例如，经由位于模具腔体的已知的填充端部位置附近的第二换能器)约90％至约99％的第一模具腔体32的总体积容量已填充有熔融的第一热塑性材料24，就可降低熔体压力，使得第一模具腔体32的剩余体积容量，约10％至约1％，可填充有从小于约90％的第一压力至约20％的初始压力、更具体地从约90％至约50％的初始压力的压力。可选地，在一些应用中，在90％至99％的第一模具腔体32的总体积容量已填充有熔融的第一热塑性材料24之后，熔体压力可增大。所注射的第一熔融材料24用第一热塑性材料24将在多个刷毛簇40的第二端部45处形成的球46互连，从而将簇40固定在所制造的制品(或其部分)内部(图5C-5H)。

在第一模具腔体32完全填充之后，可将熔融的第一热塑性材料24冷却，以使其在第一模具腔体32内部固化。接着，第一模具部件25和第二模具部件27可彼此脱离(图5E)。如果具有嵌入其中的多个刷毛簇40的固化的第一热塑性材料24构成成品簇成产品，那么它可通过本领域中已知的任何手段从与第一模具部件25和第二模具部件27的接合中释放并且从其移除，所述手段例如，顶出、倾卸、抽取(手动或经由自动工艺)、拉、推、重力、或将冷却的热塑性材料与第一模具部件25和第二模具部件27分开的任何其它方法。在将固化的热塑性材料24从第一模具部件25和第二模具部件27移除之后，第一模具部件25和第二模具部件27可闭合，重新形成模具腔体为接收熔融的第一热塑性材料24的新射流做准备，从而完成单个注塑循环。

如果需要另一个注塑步骤来完成成品簇成制品的构造，那么该方法可使用另一个模具腔体基本上重复。例如，可在第一模具部件25和第三模具部件47之间形成第二模具腔体42。第二注塑步骤可通过常规手段控制，即，速率支配方案和压力支配方案的组合，或通过本文所述的手段控制，即，仅使用压力支配算法。可使用其它压力控制手段，例如，美国专利6,506,902和5,441,680以及美国专利申请2012/0294963中所公开的那些，每个所述专利的公开内容以引用方式并入本文。

多种热塑性材料可被用于本公开的方法中。在一个实施例中，熔融热塑性材料具有粘度，所述粘度如由在约23℃的温度和2.16kg重量下进行的ASTMD1238所测量的、约0.1g/10min至约500g/10min的熔体流动指数(MFI)来定义。对于聚丙烯，MFI可在约0.5g/10min至约200g/10min的范围内。其它合适的MFI范围包括约1g/10min至约400g/10min、约10g/10min至约300g/10min、约20g/10min至约200g/10min、约30g/10min至约100g/10min、约50g/10min至约75g/10min、约0.1g/10min至约1g/10min、以及约1g/10min至约25g/10min。材料的MFI基于模塑制品的应用和用途进行选择。例如，MFI为约0.1g/10min至约5g/10min的热塑性材料可适用作注拉吹塑(ISBM)应用的预成型件。MFI为约1.0g/min至约100g/min的热塑性材料可适用于模塑所有类型的簇成制品。由MFI在约1.0g/min和约100g/min之间的材料的混合物制成的热塑性材料也可适用于模塑所有簇成制品。

此类热塑性材料的制造商一般教导材料应使用超过6000psi，并常常超过6000psi的熔体压力来注塑。与关于此类热塑性材料的注塑的常规教导内容相反，本公开的低恒压注塑方法和装置的实施例有利地允许使用此类热塑性材料形成优质注塑簇成制品或它们的部件并在低于6000psi的熔体压力下加工。

所述热塑性材料可以例如为聚烯烃。示例性聚烯烃包括但不限于聚丙烯、聚乙烯、聚甲基戊烯、以及聚丁烯-1。前述聚烯烃的任一种都可来源于生物基原料，诸如甘蔗或其它农业产品，以制备生物-聚丙烯或生物-聚乙烯。在熔融状态时，聚烯烃有利地展示剪切致稀。剪切致稀是流体在置于压缩应力下时粘度降低。剪切致稀可有益地允许使热塑性材料在整个注塑过程中保持流动。尽管无意于受理论的束缚，我们相信，热塑性材料，具体地聚烯烃的剪切致稀特性，导致在恒定的压力下加工所述材料时，材料粘度的较少变化。因此，本公开的方法和装置的实施例可对热塑性材料的变化较不敏感，所述变化例如由于着色剂或其它添加剂以及加工条件导致。这种对热塑性材料特性的批次间变化的降低的敏感度还可有利地允许使用本公开的方法和装置的实施例加工工业后和消费后可再循环塑料。工业后、消费后可再循环塑料来源于作为消费品本身已结束其生命周期和换句话讲将作为固体废品丢弃的最终产品。此类可再循环的塑料，以及热塑性材料的共混物本身具有其材料特性的显著的批次间变化。

热塑性材料还可以为聚酯。示例性聚酯包括但不限于聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。PET聚合物可来源于生物基原料，诸如甘蔗或其它农业产品，以部分或完全地制备生物-PET聚合物。其它合适的热塑性材料包括聚丙烯和聚乙烯的共聚物、热塑性弹性体的聚合物和共聚物、聚酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)、聚(乳酸)、生物基聚酯诸如聚(呋喃甲酸乙烯酯)多羟基链烷酸酯、聚(乙烯呋喃酯)、(被认为是对PET的替代或简易替换)、多羟基链烷酸酯、聚酰胺、聚缩醛、乙烯-α-烯烃橡胶、以及苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物。热塑性材料还可以为多重聚合物材料和非聚合物材料的共混物。热塑性材料可以为例如产生多模态或双模态共混物的高、中、以及低分子量聚合物的共混物。多模态材料能够以获得具有优异的流动特性，还具有令人满意的化学/物理特性的热塑性材料的方式设计。

热塑性材料还可以为聚合物与一种或多种小分子添加剂的共混物。小分子可以为，例如硅氧烷或当加入热塑性材料中时，改善聚合物材料的流动性的其它润滑分子。其它添加剂可包括无机填料诸如碳酸钙、硫酸钙、滑石、粘土(例如纳米粘土)、氢氧化铝、CaSiO3、形成纤维或微球的玻璃、结晶二氧化硅(例如，石英、novacite、crystallobite)、氢氧化镁、云母、硫酸钠、锌钡白、碳酸镁、氧化铁；或有机填料诸如稻壳、秸秆、大麻纤维、木粉、或木纤维、竹纤维或甘蔗纤维。

其它合适的热塑性材料包括可再生的聚合物如直接由生物体产生的聚合物的非限制性例子，诸如多羟基链烷酸酯(例如，聚(β-羟基链烷酸酯)、聚(3-羟基丁酸酯-共聚-3-羟基戊酸酯，NODAX(注册商标))，以及细菌纤维素；从植物、农作物和林木、以及生物质中提取的聚合物，如多糖及其衍生物(例如树胶、纤维素、纤维素酯、甲壳质、脱乙酰壳多糖、淀粉、化学改性的淀粉、乙酸纤维素的颗粒)、蛋白质(例如玉米素、乳清、谷蛋白、胶原)、脂质、木质素和天然橡胶；由淀粉和化学淀粉制备的热塑性淀粉、以及衍生自天然来源的单体的现有聚合物以及衍生物，诸如生物聚乙烯、生物聚丙烯、聚对苯二甲酸亚丙基酯、聚乳酸、NYLON11、醇酸树脂、基于琥珀酸的树脂、以及生物聚对苯二甲酸乙二醇酯。

合适的热塑性材料可包括如上所列例子中的不同热塑性材料的共混物或多种共混物。不同材料也可以为来源于天然生物衍生或石油衍生材料的材料、或生物衍生或石油衍生材料的可再循环材料的组合。共混物中的一种或多种热塑性材料可以为能够生物降解的。并且对于非共混的热塑性材料而言，材料可以为能够生物降解的。

利用压力支配算法控制熔体压力的本发明公开的低恒压注塑方法和设备可实现优于使用速率支配算法的常规的高变压注塑方法的一个或多个优点。据信前者更节省成本且更有效；它消除了平衡模具腔体和热塑性材料的注射前压力的需要并且允许使用大气环境模具腔体压力。这继而允许制造商使用简化的模具结构，所述结构消除了加压装置、具有较低硬度和高热导率的模具腔体材料的必要性；这些材料更节省成本且更易加工。这进一步允许制造商使用更稳健的加工方法，所述方法对热塑性材料的温度、粘度、以及其它材料特性的变化较不敏感，并且允许在基本上恒定的低压下生产优质注塑簇成产品或其部件的能力，其中热塑性材料不在模具腔体中过早硬化且无需加热或保持模具腔体中的恒定温度。

第一模具部件27和第二模具部件27中的至少一个可具有大于51.9W/m-℃(30BTU/HRFT℉)和小于或等于385.79W/m-℃(223BTU/HRFT℉)的平均热导率。在一些实施例中，第一模具侧和第二模具侧两者均可具有大于51.9W/m-℃(30BTU/HRFT℉)并小于或等于385.79W/m-℃(223BTU/HRFT℉)的平均热导率。可用于制造第一模具部件25和/或第二模具部件27的材料的示例包括：铝(例如，2024铝、2090铝、2124铝、2195铝、2219铝、2324铝、2618铝、5052铝、5059铝、航空级铝、6000系列铝、6013铝、6056铝、6061铝、6063铝、7000系列铝、7050铝、7055铝、7068铝、7075铝、7076铝、7150铝、7475铝、QC-10、Alumold^TM、Hokotol^TM、Duramold2^TM、Duramold5^TM以及Alumec99^TM)；BeCu(例如，C17200、C18000、C61900、C62500、C64700、C82500、MoldmaxLH^TM、MoldmaxHH^TM以及Protherm^TM)；铜；以及任何铝的合金(例如，铍、铋、铬、铜、镓、铁、铅、镁、锰、硅、钛、钒、锌、锆)；任何铜的(例如，镁、锌、镍、硅、铬、铝、青铜)。这些材料可具有介于0.5Rc和20Rc之间，具体地介于2Rc和20Rc之间，更具体地介于3Rc和15Rc之间，甚至更具体地介于4Rc和10Rc之间的洛氏C(Rc)硬度。虽然这些材料比工具钢软，但热导率特性更加可取。本发明公开的方法和设备有利地在使得由这些较软、较高热导率的材料制成的模具进行多于1百万次循环、或介于125万次循环和1千万次循环之间，或介于2百万次循环和5百万次循环之间的使用寿命的模塑条件下操作。

在图3中，虚线200表示常规的高变压注塑方法的典型压力-时间曲线，并且实线20表示本发明公开的低恒压注塑机的压力-时间曲线。在常规方法中，使熔体压力快速增加至远超过15,000psi，然后在大于15,000psi的相对高的压力下保持第一时间段220。在常规方法中，第一时间段220是其中熔融塑性材料流入模具腔体的填充时间。然后，熔体压力降低并且在通常为10,000psi或更高的较低但仍相对高水平下保持第二时间段230——所谓的“填料”时间，在此期间保持熔体压力，以确保模具腔体中的所有间隙均被填充。在完成填料之后，可任选地使压力再次下降并持续第三时间段232，所述时间段为冷却时间。常规系统中的模具腔体被从流动通道的端部向浇口回填。模具中的材料通常在腔体的端部附近冻结；然后材料的完全冻结区域逐渐向一个或多个浇口位置移动。因此，模具腔体的端部附近的材料以比更靠近一个浇口位置(或多个浇口位置，如果存在多于一个浇口的话)的材料更短的时间并在降低的压力下填料。所构造的部件的具体几何结构，诸如，例如，在浇口和模具腔体端部中间的非常薄的横截面区域，也可影响模具腔体区域中的填料压力的水平。如上文所讨论的，不一致的填料压力将可能导致成品的不一致性。此外，塑料在各固化阶段中的常规填料导致一些不理想的材料特性，例如，模塑在内的应力、凹陷、以及非最佳光学特性。

另一方面，低恒压注塑系统将允许制造商在基本上恒定的注射压力下以图3的填充时间240将熔融的塑性材料注射到模具腔体中。在填充模具腔体后，随着模塑部件冷却，低恒压系统经过第二时间段242逐渐降低压力。在基本上恒定的压力下，熔融热塑性材料保持连续的熔体流动前沿，其通过流动通道从浇口向流动通道的端部推进。换句话讲，熔融热塑性材料在整个模具腔体中保持移动，这防止过早冻结。从而，塑性材料在沿流动通道的任意点处保持相对均匀，这得到更均匀和一致的成品。在相对均匀的压力下填充模具的过程导致成品模塑部件形成可具有比常规模塑部件更好的机械特性和光学特性的结晶结构。此外，在恒定压力下模塑的部件表现出优于常规模塑部件的“皮肤”层的特征，因此具有比常规模塑部件更好的光学特性。

在图4中，将填充的各个阶段以占总体填充时间的百分比形式分解。例如，在常规高变压过程中，速率支配的填充时段220占总填充时间的约10％，填料时段230占总填充时间的约50％，并且冷却时段232占总填充时间的约40％。在另一方面，在低恒压注塑过程中，压力支配的填充时段240占总填充时间的约90％，而冷却时段242仅占总填充时间的约10％。低恒压工艺需要较少的冷却时间，因为熔融塑性材料在其流入模具腔体中时冷却。因此，在模具腔体被填充时，尽管不太足以在模具腔体的中心横截面中冻结，但是塑性材料已显著冷却，并且为完成冻结过程而移除的总热量较少。另外，因为塑性材料在整个填充中保持液态，并且填料压力通过该熔融中心横截面传递，所以塑性材料仍然与模具腔体壁接触(与冻结和退缩相对)。因此，使用低恒压方法可在比常规的高变压方法中更少的总时间内填充和冷却模塑部件。

本发明公开的方法和设备有利地减小模塑过程的循环时间，同时增加由此生产的部件的质量。此外，在一些实施例中，本发明所公开的方法和设备可使用电压机，所述电压机一般更节能并且要求比液压式压机更少的维护。另外，本发明所公开的设备能够使用更具挠性的支撑结构和适应性更强的递送结构，诸如更宽的台板宽度、增加的拉杆间距、消除拉杆、有利于更快移动的较轻重量的构造、以及非自然平衡的进料系统。因此，该机器可易于改进，以适合生产需要并且针对具体模塑部件进行定制。

另外，本发明公开的方法和设备允许模具由更柔软的材料(例如，具有小于约30的Rc的材料)制成，所述材料可具有较高的热导率(例如热导率大于约20BTU/HRFT℉)。这将使得使用具有改善的冷却能力和更均匀的冷却的模具成为可能且为有利的。另外，本发明公开的设备的改善的冷却能力将促进简化冷却系统的使用，所述冷却系统可包括较少的冷却通道；并且冷却通道可变得更直、具有更少的纵向轴线。具有简化的冷却系统的注塑模具的一个示例公开于美国专利申请61/602,781中，其公开内容以引用方式并入本文。

此外，本发明的设备的更低的注射压力允许由这些更软的材料制成的模具执行1百万或更多个模塑循环。这在常规的高变压注塑机上将使不可能的，因为经历常规机器中所用的非常高的压力的这些材料可能在达到1百万模塑循环之前失效。

除非明确排除或换句话讲有所限制，本文中引用的每一篇文献的公开内容，包括任何交叉引用或相关专利或专利申请以及本申请对其要求优先权或其有益效果的任何专利申请或专利，均据此全文以引用方式并入本文。任何文献的引用均不是对其作为本文所公开的或受权利要求书保护的任何发明的现有技术，或其单独地或与任何其它参考文献的任何组合，或者参考、提出、建议或公开任何此类发明的认可。此外，如果此文献中术语的任何含义或定义与以引用方式并入本文的文献中相同或类似术语的任何含义或定义相冲突，将以此文献中赋予该术语的含义或定义为准。

本发明公开的方法的步骤可以与在本文的上下文中出现的步骤的顺序不同的次序执行。虽然本文说明和描述了具体的实施例，但是在不脱离本发明实质和范围的情况下可进行各种其它改变和变型。此外，虽然本文描述了本发明的各种方面，但此类方面无需以组合方式来利用。因此，所附权利要求书旨在涵盖本发明范围内的所有此类改变和变型。

Claims (15)

1.一种用于制造包括塑性主体和多个刷毛簇的簇成制品的方法，所述方法包括：

使至少第一模具部件和第二模具部件在两者间形成第一模具腔体，所述第一模具部件具有工作表面和在其中形成的用以接收多个刷毛簇的多个孔，每个刷毛簇包括多个单独的刷毛，所述第一模具腔体具有体积、前端、以及与所述前端相对的后端；

将所述多个刷毛簇插入到所述第一模具部件中的所述多个孔中，所述刷毛簇中的每一个具有第一端部、与所述第一端部相对的第二端部、以及延伸穿过所述第一端部和所述第二端部的纵向轴线，所述刷毛簇的所述第一端部设置在所述第一模具部件内部，同时所述刷毛簇的所述第二端部延伸到所述第一模具腔体中；

通过所述第一模具腔体的所述前端将熔融的第一热塑性材料注射到所述第一模具腔体中，从而用所述第一热塑性材料将所述多个刷毛簇的所述第二端部互连，所述熔融的第一热塑性材料具有约0.1g/10min至约500g/10min的熔体流动指数和约10psi至约2000psi的所述第一模具腔体中的熔体压力；

根据压力支配算法控制和调节所述熔融的第一热塑性材料的熔体压力，包括在所述第一模具腔体的所述前端上游检测每秒至少100个熔体压力测量结果；

将所述熔融的第一热塑性材料冷却，从而使所述第一热塑性材料在所述第一模具腔体内部固化；以及

使所述第一模具部件和所述第二模具部件脱离，从而将具有嵌入其中的所述多个刷毛簇的所固化的第一热塑性材料释放。

2.根据权利要求1所述的方法，其中根据压力支配算法控制和调节所述熔融的第一热塑性材料的熔体压力包括高频监测在所述第一模具腔体的所述前端上游且与其相邻设置的至少第一注射喷嘴处测量的所述熔融的第一热塑性材料的至少第一熔体压力。

3.根据权利要求1和2所述的方法，其中根据压力支配算法控制和调节所述熔融的第一热塑性材料的熔体压力包括在所述第一模具腔体的所述后端处高频监测所述第一熔融热塑性材料的至少第二熔体压力。

4.根据权利要求3所述的方法，其中根据压力支配算法控制和调节所述熔融的第一热塑性材料的所述熔体压力的所述步骤包括处理和分析至少所述第一熔体压力和所述第二熔体压力的所述高频监测的结果并且基于所述监测的所述结果生成用以调节所述第一热塑性材料的注射压力的信号。

5.根据权利要求4所述的方法，其中处理和分析所述第一熔体压力和所述第二熔体压力的所述高频监测的所述结果包括使所述熔体压力测量结果平均化。

6.根据权利要求1至5所述的方法，其中根据压力支配算法控制和调节所述熔融的第一热塑性材料的所述熔体压力的所述步骤包括(a)将所述注射喷嘴中的所述熔体压力保持在400psi至4000psi，直到约90％至约99％的所述第一模具腔体的总体积容量填充有所述熔融的第一热塑性材料，然后(b)逐渐降低所述第一模具腔体内部的所述熔体压力，同时继续用所述第一熔融热塑性材料填充约剩余的10％至约剩余的1％的所述第一模具腔体的所述总体积容量。

7.根据权利要求1至6所述的方法，还包括：

使所述第一模具部件和第三模具部件在两者间形成第二模具腔体，所述第二模具腔体具有第二体积、第一端部、以及与所述第一端部相对的第二端部；

将具有的熔体流动指数为约1至约100且熔体压力为约100psi至约12,000psi的熔融的第二热塑性材料注射到所述第二模具腔体中，使得所述熔融的第二热塑性材料至少部分地覆盖所述第一热塑性材料；

根据压力支配算法控制和调节所述第二熔融的热塑性材料的熔体压力；

将所述第二热塑性材料冷却，从而使所述第二热塑性材料固化并且附接至所述第一热塑性材料；以及

使所述第一模具部件和所述第三模具部件脱离。

8.根据权利要求7所述的方法，其中根据压力支配算法控制和调节所述熔融的第二热塑性材料的所述熔体压力的所述步骤包括在所述第二模具腔体的所述第一端部上游检测所述熔融的第二热塑性材料的每秒至少100个熔体压力测量结果，优选地通过以下方式进行：(a)高频监测在与所述第二模具腔体的所述第一端部相邻设置的第二注射喷嘴处测量的所述熔融的第二热塑性材料的至少第三熔体压力，以及(b)在所述第二模具腔体的所述第二端部处高频监测所述熔融的第二热塑性材料的至少第四熔体压力。

9.根据权利要求7和8所述的方法，其中根据压力支配算法控制和调节所述熔融的第二热塑性材料的所述熔体压力的所述步骤包括处理和分析至少所述第三熔体压力和所述第四熔体压力的所述高频监测的结果并且基于所述监测的所述结果生成用以调节所述第二热塑性材料的注射压力的信号。

10.根据权利要求7至9所述的方法，其中根据压力支配算法控制和调节所述熔融的第二热塑性材料的所述熔体压力的所述步骤包括(a)将所述第二模具腔体内部的所述熔体压力保持在100psi至12,000psi，直到约90％至约99％的所述第二模具腔体的总体积容量填充有所述熔融的第二热塑性材料，然后(b)逐渐降低所述第二模具腔体内部的所述熔体压力，同时继续用所述第二熔融热塑性材料填充约剩余的10％至约剩余的1％的所述第二模具腔体的所述总体积容量。

11.根据权利要求7至10所述的方法，其中所述第一热塑性材料和所述第二热塑性材料在选自由以下项组成的组的至少一个特征或参数上彼此不同：硬度、刚度、耐久性、颜色、化学组成、质地、表面粗糙度、孔隙率、表面光洁度、透明度、半透明度、以及密度。

12.一种用于通过注塑制造簇成主体的设备，所述设备包括：

至少第一模具部件和第二模具部件，所述第一模具部件和所述第二模具部件在两者间形成用于在其中接收熔融的第一热塑性材料的第一模具腔体，所述第一模具腔体具有体积、前端、以及与所述前端相对的后端，所述第一模具部件具有工作表面和在其中形成的用于接收多个刷毛簇的多个孔，每个刷毛簇包括多个单独的刷毛；

注射装置，所述注射装置包括用于将熔融的第一热塑性材料注射到所述第一模具腔体中的至少第一注射喷嘴；以及

压力控制机构，所述压力控制机构用于监测所述熔融的第一热塑性材料的熔体压力并且基于所述熔融的第一热塑性材料的所述熔体压力根据压力支配算法调节由所述注射装置施加在所述熔融的第一热塑性材料上的注射压力，其中所述压力控制机构包括位于所述第一模具腔体的所述前端上游的至少第一高频压力传感器。

13.根据权利要求12所述的设备，还包括第三模具部件，所述第一模具部件和所述第三模具部件在两者间形成用于在其中接收第二熔融热塑性材料的第二模具腔体，所述第二模具腔体具有第二体积、第一端部、以及与所述第一端部相对的第二端部。

14.根据权利要求12和13所述的设备，其中所述压力控制机构还包括：

至少第二高频压力传感器，所述至少第二高频压力传感器位于所述第一模具腔体和所述第二模具腔体中的至少一个的所述后端处；

控制器，所述控制器与所述至少第一高频压力传感器和所述第二高频压力传感器可操作地通信，所述控制器用于计算所需注射压力的；以及

注射控制单元，所述注射控制单元与所述控制器可操作地通信，所述注射控制单元用于提供所需压力，同时将所述熔融的第一热塑性材料和所述第二热塑性材料中的至少一个注射到所述第一模具腔体和所述第二模具腔体中的至少一个中。

15.根据权利要求12至14所述的设备，其中所述至少第一高频压力传感器和第二高频压力传感器中的每一个包括被构造成在所述第一模具腔体的所述前端上游检测每秒至少100、并且优选地至少500个熔体压力测量结果的压电换能器。