CN106965395B - 微发泡注塑成型制品内泡孔尺寸的超声检测方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微发泡注塑成型制品内泡孔尺寸的超声检测方法和装置，包括：(1)针对在线的注塑系统，在垂直于塑料熔体流动方向上，向成型过程中的制品发射一系列超声波，采集该系列超声波的回波信息；(2)确定接收到包含反射波信号的回波信息的起始时间差Δt；(3)将起始时间差Δt代入预先得到的起始时间差Δt与泡孔尺寸d间的拟合公式，得到微发泡注塑成型制品中的泡孔尺寸d。本发明具有如下优点：微发泡注塑成型制品中的泡孔尺寸的测量不需要破坏制品，具有无损检测的优点；通过超声波信号得到泡孔尺寸，不需要等制品脱模后离线操作，可以进行实时在线的无损测量，省时，省力。
Description
技术领域
本发明涉及塑料成型技术，具体涉及一种微发泡注塑成型过程中泡孔尺寸的超声在线检测方法及装置。
背景技术
微发泡注塑成型，是一种在聚合物内部生成无数微小泡孔的精密注塑技术。微发泡注塑成型工艺突破了传统注塑成型的诸多局限，可显著减轻制件的重量，缩短成型周期，并极大地改善了制件的翘曲变形和尺寸稳定性。微发泡注塑成型工艺对生产高质量要求的精密制品具有很大的优势，得到了越来越多的重视和越来越广泛的应用。
微发泡注塑成型中，泡孔的尺寸是影响微发泡注塑成型制品的机械和力学性能的关键参数之一。实现对泡孔尺寸的有效检测和有效控制，是微发泡注塑成型工艺投入大规模生产应用的关键因素。
泡孔的尺寸检测至关重要，但又困难重重。由于泡孔在注塑件的内部，被表层材料所覆盖。因此，无法通过光学方法来测量。目前泡孔的尺寸都是通过离线的，将制品切开得到横截面来机械测量。但这种方法有其不可避免的缺点：
(1)这种方法需要破坏制品，具有破坏性。
(2)新产品开发时，需要进行大量的实验来调整工艺参数，以得到合适的泡孔尺寸，费时费力。
(3)一旦更改模具，则需要重新做大量实验来调整工艺参数，该方法灵活性差。
面对目前检测手段的种种弊端，世界上多家科研机构的专家学者都在寻找一种经济有效的，可以实时在线表征泡孔尺寸的检测手段，以便实时调整工艺参数，以优化制品的成型效果。
发明内容
本发明旨在提供一种成本低廉，使用方便，精度易控制，无损的用于微发泡注塑成型中泡孔尺寸的超声实时在线检测方法和装置。
在微发泡注塑成型制品内部，会弥散有无数微小泡孔。在不同的发泡工艺参数下，泡孔的尺寸和参数会有很大的不同。当塑料熔体注入前，超声波会被注塑系统内的空气散射，使反射信号基本消失；当塑料熔体进入注塑系统初期，其内部的气泡在形核，长大，此阶段会产生反射波信号；当气泡最终成型后，泡孔的散射作用已足够强大，使反射信号基本消失。泡孔尺寸越大，则其泡孔数量越少，反射波跨度的时间区间也就越长，由此根据反射波跨度的时间区间，即可得到泡孔尺寸的大小。本发明即是建立在上述理论上。
一种微发泡注塑成型制品内泡孔尺寸的超声在线检测方法，包括如下步骤：
(1)针对在线的注塑系统，在垂直于塑料熔体流动方向上，向成型过程中的制品发射一系列超声波，采集该系列超声波的回波信息；
(2)确定接收到包含反射波信号的回波信息的起始时间差Δt；
(3)将起始时间差Δt代入预先得到的起始时间差Δt与泡孔尺寸d间的拟合公式，得到微发泡注塑成型制品中的泡孔尺寸d。
本发明中，所述的起始时间差Δt与泡孔的成长时间对应。泡孔越大，则意味着生长时间越长，进而上述起始时间差也就越大，通过寻找两者之间的关系，可以最终实现对内部泡孔尺寸的在线检测。
步骤(1)中，一般是将超声探头设置在模具的外壁上。
作为优选，步骤(3)中所述拟合公式的具体求法如下：
(3-1)针对同一注塑系统，在垂直于塑料熔体流动方向上，向成型过程中的制品发射一系列超声波，采集该系列超声波的回波信息；
(3-2)确定接收到包含反射波信号的回波信息的起始时间差Δt′；
(3-3)将对应注塑件取出，在超声波探测部位切开，得到该注塑件内的泡孔平均尺寸d’；
(3-4)改变注塑系统的工艺参数，重复步骤(1)-(3)，得到多组Δt′和d’数据；
(3-5)对得到的多组数据进行拟合，得到起始时间差Δt′和泡孔平均尺寸d’的函数关系式。
作为优选，拟合采用的方法为线性拟合或多项式拟合。作为进一步优选，该拟合最好采用二项式拟合。采用二项式拟合既可以保证相关度，又可减少计算量。
作为优选，步骤(2)中起始时间差Δt由下述方法得到：
(2-1)利用matlab程序对原始接收的回波信息进行处理，得到回波信息图谱；
(2-2)从回波信息图谱中计算得到所述的起始时间差Δt。
为进一步提高检测精度，作为优选，步骤(1)中设置多个超声检测点，取各个检测点上泡孔尺寸的平均值，得到所述的微发泡注塑成型制品中的泡孔尺寸d。
由于原始接收的回波信息量巨大，为了提高计算机计算效率，作为优选，步骤(2-1)中，间隔提取所述回波信息，对提取的回波信息进行处理，得到回波信息图谱。作为进一步优选，提取所述回波信息的间隔时间为(1～5)％×Δt，或(1～5)％×t0，其中t0为预估的泡孔成长时间。实际确定间隔时间时，可通过预先的实验，预估出泡孔成长时间t0。采用该技术方案，保证在泡孔形成过程中，提取出尽量多的超声波进行计算，进一步提高起始时间差的准确度，进而进一步保证最终泡孔尺寸的精确度，同时也保证了计算效率。
本发明还提供了一种微发泡注塑成型制品内泡孔尺寸的超声在线检测装置，包括：
设置在线的、在注塑系统中垂直于塑料熔体流动方向上的超声探头；
控制超声探头发出脉冲超声波的超声卡，用于接收和采集回波信息，并将采集到的回波信息输出；
计算机，用于接收所述回波信息，并对采集到的回波信息进行处理，计算接收到包含反射波信号的回波信息的起始时间差Δt，得到泡孔尺寸d。
作为优选，在平行于塑料熔体的流动方向上，设置多组探头。
微发泡注塑成型制品在注塑完成，冷却降温后，其泡孔已经定型，脱模前和脱模后的泡孔尺寸相差无几，可忽略不计。所以，由本发明方法得到的脱模前制件中的泡孔尺寸可作为脱模后的最终产品的泡孔尺寸。
本发明可应用于现有的微发泡注塑成型系统，比如现有的微发泡注塑成型一般包括模具，超临界流体辅助装置，注塑成型机等。
本发明中，所述回波信息是指收集信号时间区间内收集到的信息，包括基础信号信息、反射波信息，或者也可能包括干扰信息等。通过计算起始包含反射波的回波信息的时间差，可以得到所述的起始时间差Δt，进而进一步确定泡孔大小。
发明中，所述超声卡可以是数字式超声卡，也可以是一体式的超声探伤仪。数字式超声卡用于控制超声探头发出脉冲超声波，还用于接收和采集穿过泡孔之后的模具型腔表面的超声反射波。PC机对采集到的超声信号进行处理，计算泡孔尺寸。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：微发泡注塑成型制品中的泡孔尺寸的测量不需要破坏制品，具有无损检测的优点；通过超声波信号得到泡孔尺寸，不需要等制品脱模后离线操作，可以进行实时在线的无损测量，省时，省力。
附图说明
图1为本发明的微发泡注塑成型中泡孔尺寸的超声在线检测装置及超声波传播的示意图。
图2(a)为单个的反射回波波形图。
图2(b)为多个超声波反射波形图叠加到一块生成的超声波图谱。
图3为泡孔尺寸d和超声反射图谱中起始时间差Δt的线性拟合示意图。
图4为泡孔尺寸d和超声反射图谱中起始时间差Δt的二项式拟合示意图。
图5为微发泡注塑成型制品截断面的SEM照片。
具体实施方式
为了使本发明的目的，技术方案和优点更加明显，以下结合附图以及具体实例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围。
本发明以实验中的某一具体的微发泡注塑成型工艺为例进行说明。
如图1所示，该图为实例中的微发泡注塑成型超声实时检测系统示意图。测量系统和和注塑系统包括：超声检测装置、受超声检测装置控制的一个超声探头、模具、超临界流体辅助装置，注塑机。
在本实施例中，超声检测装置由超声卡和PC机组成，超声卡采用数字式超声卡。超声卡用于控制超声探头发出脉冲超声波，还用于接收和采集超声反射波，并将采集到的超声反射波发送给PC机。PC机对采集到的超声信号进行处理，计算起始时间差Δt。进而得到泡孔尺寸d。
在本实施例中，超声探头为纵波探头，发射超声波和接收回波信息的频率均为20KHz，预估泡孔生长时间为3s，即t0＝3s，按照(1～5)％×t0确定提取回波信息的时间间隔，在这里，我们取为0.1s，脉冲超声波垂直于塑料熔体流动方向。在本例中，聚合物材料为PP(聚丙烯)，其中，发泡气体为CO2。聚合物熔体压力为16Mpa，CO2气体压力为18Mpa，注射速度为50cm3/s，注射体积为34cm2，模具空腔总体积为39cm2。
图2(a)为单个回波信息谱图，图2(b)为超声检测装置在各个时间检测得到的回波信号的图谱，其中，A段为聚合物未注入模具，超声波信号被空气散射，没有反射波信号；B段为聚合物注入模具，泡孔形核，长大过程中得到的超声波图谱，包含反射波信号；C段为泡孔生长完成之后得到的超声波反射图谱，没有反射波信息。由于探头发送超声波的时间间隔为固定值，因而，B段在y轴上的跨度越大，证明泡孔形核、长大时间越长。B段在y轴上的长度即为Δt。另外，图2(b)中，纵坐标表示提取回波信息的时间点(间隔为0.1s)，横坐标为接收回波信息的时间跨度区间(0-400μs)。
微发泡注塑成型过程中的泡孔尺寸的超声在线表征方法具体实施步骤如下：
1)微发泡注塑成型过程中泡孔尺寸的超声在线表征系统如图1所示。在从注射聚合物熔体到冷却成型的整个过程中，都要进行超声波探测，得到若干条回波信息。
2)从上述回波信息中，间隔0.1s提取对应的回波信息，对得到回波信息进行处理，如图2(a)和图2(b)所示，得到包含泡孔长大信息的超声反射图谱，计算得到接收到第一个反射波至接收到最后一个反射波的时间差Δt(图2(b)中B部分对应的时间区间)，在本例中，起始时间差Δt为3.9s。
3)将起始时间差Δt带入我们得到的二项式拟合公式为：
d＝-14.7664Δt2+295.0081Δt+180.2937
得到泡孔尺寸为1106.2283μm。
以上步骤2)中拟合公式的具体求法如下：
(1)按以上步骤1)、步骤2)得到同型号制品在其他工艺参数下(不同于本示例，详见表1)的起始时间差Δt1，Δt1＝2.2s；
(2)将(1)中被测制品在探头UT处截断，进行SEM扫描，得到该制件的泡孔尺寸d1＝800μm。
(3)改变工艺参数，重复步骤(1)、步骤(2)，得到多组实验数据，Δt2＝2.3s、Δt3＝2.3s、Δt4＝5.6s、Δt5＝5.7s、Δt6＝5.6s、Δt7＝8.6、Δt8＝8.8s、Δt9＝9.1s和对应的泡孔尺寸：d2＝780μm、d3＝740μm、d4＝1400μm、d5＝1350μm、d6＝1360μm、d7＝1700μm、d8＝1590μm、d9＝1620μm。以上所列数据的具体实验参数如下：
表1工艺参数
(4)根据多组实验数据，利用计算机+拟合的方法，得到函数方程，如图4和图5所示。
图3为采用线性拟合得到的函数方程图像，函数方程为：
d＝131.2397Δt+527.9740
图4为采用二项式拟合得到的函数方程图像，函数方程为：
d＝-14.7664Δt2+295.0081Δt+180.2937
判断两条曲线拟合好坏的程度：
理论判断：线性拟合的标准差为82.1935，与此同时，二项式拟合的标准差为38.2709；实验判断，该制品在探头UT处截断后，通过其SEM照片，如图5所示，得到其泡孔直径为1100μm，此时，线性拟合曲线计算结果为1039.8089μm，拟合误差为5.472％，二项式曲线拟合结果为1106.2283μm，误差为0.56％。从中不难判断，二项式拟合精确程度明显高于线性拟合。由此，我们最终采用二项式拟合公式。
Claims (6)
1.一种微发泡注塑成型制品内泡孔尺寸的超声检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)针对在线的注塑系统，在垂直于塑料熔体流动方向上，向成型过程中的制品发射一系列超声波，采集该系列超声波的回波信息；
(2)确定接收到包含反射波信号的回波信息的起始时间差Δt；
(3)将起始时间差Δt代入预先得到的起始时间差Δt与泡孔尺寸d间的拟合公式，得到微发泡注塑成型制品中的泡孔尺寸d；
步骤(3)中所述拟合公式的具体求法如下：
(3-1)针对同一注塑系统，在垂直于塑料熔体流动方向上，向成型过程中的制品发射一系列超声波，采集该系列超声波的回波信息；
(3-2)确定接收到包含反射波信号的回波信息的起始时间差Δt′；
(3-3)将对应注塑件取出，在超声波探测部位切开，得到该注塑件内的泡孔平均尺寸d’；
(3-4)改变注塑系统的工艺参数，重复步骤(3-1)-(3-3)，得到多组Δt′和d’数据；
(3-5)对得到的多组数据进行拟合，得到起始时间差Δt′和泡孔平均尺寸d’的函数关系式。
2.根据权利要求1所述的微发泡注塑成型制品内泡孔尺寸的超声检测方法，其特征在于，拟合采用的方法为线性拟合或多项式拟合。
3.根据权利要求1所述的微发泡注塑成型制品内泡孔尺寸的超声检测方法，其特征在于，步骤(2)中起始时间差Δt由下述方法得到：
(2-1)利用matlab程序对原始接收的回波信息进行处理，得到回波信息图谱；
(2-2)从回波信息图谱中计算得到所述的起始时间差Δt。
4.根据权利要求1所述的微发泡注塑成型制品内泡孔尺寸的超声检测方法，其特征在于，步骤(1)中设置多个超声检测点，取各个检测点上泡孔尺寸的平均值，得到所述的微发泡注塑成型制品中的泡孔尺寸d。
5.根据权利要求3所述的微发泡注塑成型制品内泡孔尺寸的超声检测方法，其特征在于，步骤(2-1)中，间隔提取所述回波信息，对提取的回波信息进行处理，得到回波信息图谱。
6.根据权利要求5所述的微发泡注塑成型制品内泡孔尺寸的超声检测方法，其特征在于，提取所述回波信息的间隔时间为(1～5)％×Δt，或(1～5)％×t0，其中t0为预估的泡孔成长时间。
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