CN111448548A - 注塑成型的预测模拟系统和方法 - Google Patents
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Abstract
用于模拟注塑成型进程的示例性方法可以包括：首先生成结构的网格模型，以及生成注塑单元成型机的网格模型，该注塑单元成型机至少包括注塑单元的螺杆尖端。然后，该方法可以包括：提供指定待注入到结构中的材料的能力；在至少注入单元的不同区域中配置参数；结合结构和注入单元的网格模型；以及提供应用在至少一个螺钉尖端的速度和压力数据图表的能力。该方法可以包括运行注塑单元和结构的组合网格模型的模拟操作。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年12月7日提交的美国临时专利申请序列号62/595,705的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本公开涉及用于注塑成型进程的预测模拟系统和方法。
背景技术
注塑成型是一种常见的制造进程，其中将包括但不限于将热塑性、热固性或弹性体材料的材料注塑到模具中。典型的注塑成型系统包括注塑单元、模具和夹具单元，其中注塑单元在某些参数和条件下将材料注塑到模具中，在此期间夹具单元保持模具闭合。
模拟程序已经被开发来模拟注塑成型进程，从而可以在实际大量注塑成型零件之前优化模具、注塑参数等，以确保零件的更高质量和一致性。这样的模拟程序主要侧重于仅对模具建模。结果，注塑压力不能被一致地预测，因为它被称为“压力损失”或“注入口压力”，因此发现了预测压力与实际成型零件之间的差异，例如模腔压力、零件尺寸、夹紧力要求等。
因此，提出了一种改进的系统和方法，其可以更有效地模拟注塑成型进程，以最小化注塑成型进程中的差异并避免所得产品中的任何缺陷。
附图简要说明
现在参考附图，详细示出了说明性实施例。尽管附图表示一些实施例，但是附图不一定按比例绘制，并且某些特征可能被放大、移除或部分剖开以更好地示出和解释本公开。此外，本文阐述的实施例并非旨在穷举或将权利要求限制或约束为附图中所示和以下详细描述中公开的精确形式和配置。
图1是示例性模拟系统以及其中的数据交换的示意性系统和数据流程图；
图2是图1的模拟系统的注塑成型机的力和压力分布的示意图；
图3是用于使用图1的模拟系统示例性方法的示意性流程图，以准确获取要在实时注塑成型进程中使用的变量；
图4是用于模拟注塑成型进程的示例性模拟方法的示意性流程图。
图5A是在图4的模拟方法期间生成的模具结构的示例性网格域；
图5B是在图4的模拟方法期间产生的气孔结构的示例性网格域；
图6A-6C是模拟方法的进展的图形说明；
图7A和7B是由图3的模拟得出、现有的仿真方法得出、以及实际的注塑成型输出得出的注塑压力和模腔压力随时间变化的图形比较；
图8是由图1的系统输出的预测数据的示例性图；
图9是来自图8的预测数据与实际测量数据的图形比较；
图10和11是由图1的系统输出的预测数据的示例性曲线图。
详细说明
方法、系统和装置，包括被编码以执行计算的计算机程序、预测关键注塑成型机规格的要求、模具型腔填充和进展的置信度、无需模拟输入的任何先前测量数据或试用操作的成型机相关的工艺参数以及潜在的成型问题。该方法进行网格化并连接注塑模具和机器部件尺寸，包括但不限于注塑单元配置及其工艺参数。该方法可以模拟螺杆/柱塞的动态移动并计算从注塑单元或热流道(如果适用于模具型腔)的熔体转移。这种方法可以更精确地评估模具和机器的工艺兼容性，并且可以在工具试用之前优化和完成工艺开发。
现在参考附图。图1示出了示例性系统10，其可用于执行注塑成型进程的预测模拟。系统10通常可以包括注塑成型机12以及计算设备141和142。计算设备141和142可用于运行注塑成型进程的模拟、预测、获取和处理数据、存储数据等。应当理解，单个计算设备可以用于执行计算设备141和142的所有功能。系统10还可以包括一个或多个数据存储器(未示出)，其可以存储诸如机器参数、历史输出等数据。应当理解，数据存储可以在计算设备141和142中的任何一个的内部，并且注塑成型机可以在外部和/或位于远程。注塑成型机12以及计算设备141和142可以通过通信网络彼此通信。这样的通信网络可以包括但不限于以太网、蓝牙、Wi-Fi、Wi-Fi协议(802.1lb、802.11g、802.11h等)、3G、4G、5G、FTE或任何其他有线或无线通信机制的任意组合。注塑成型机12还可以包括控制器或其他计算设备(未示出)，其可以通过通信网络与计算设备141和142通信。
注塑成型机12可以包括：注塑单元16，其可将材料18注塑到注塑模具20中；以及夹紧单元22，其被配置为在注塑成型进程中保持注塑模具20闭合。如图1和2所示，注塑单元16通常可以具有枪管17，其中有螺杆或柱塞19，以通过喷嘴21将材料18输送到注塑模具20中。注塑单元16可以包括连接枪管17和喷嘴21的端盖23。注塑模具20又可以包括半模24和26，它们一起限定一个或多个模腔28。注塑模具20还可以包括一个或多个流道25，材料18从喷嘴21进入该流道25，并进入一个或多个腔28。应当理解，模腔28可具有任何限定的形状。还应当理解，在一种模具构造中可以形成多个模腔。
注塑成型机10可以实现位于注塑单元16、注塑模具20和/或夹具单元22内的不同位置处的各种传感器，并且可以被配置为在每个位置处测量不同的测量值。传感器可以包括但不限于用于测量螺杆的位置和/或速度的冲程传感器，用于在将材料18注入模腔28中时测量模腔内的压力的压力传感器，温度传感器，以及被配置为检测模具20是否开闭的接近传感器。传感器可以与计算设备141和142中的一个或多个以及注塑成型机12的控制器通信，如果其配备有可以提供数据处理和/或存储的装置，例如通过通信网络。
现在参考图3，其示出了用于使用系统10来准确地确定要在实时注塑成型进程中使用的变量的示例性方法100。方法100可以从步骤102开始，在步骤102中，可以将传感器安装在可以是新的或现有的模具中以及目标注塑成型机中。在步骤104，可以例如经由计算装置142运行目标注塑成型机和模具的模拟，以获得模拟对象的预测的工艺条件、压力和夹紧力曲线以及随时间变化的压力/温度动画。可以根据图4所示并在下面描述的方法200来执行模拟。
现在参考图4，其示出了示例性模拟方法200。模拟方法200可以从步骤202开始，在步骤202中可以生成要注入的结构的网格模型。该结构可以是由模具20限定的模腔，其可以包括流道系统(一个或多个流道)和一个或多个模腔，或者可替代物气腔。在该结构是气腔的情况下，可以使用预测为注塑成型机的空气喷射压力的压力。在步骤204，可以生成注塑单元的网格模型。网格模型可以包括但不限于至少螺杆，包括螺杆直径、螺杆尖端及其在三个区域中的轮廓、止回阀机制、枪管尺寸和直径、端盖设计以及喷嘴设计和配置。示例性网格在图5A(带有模具)和5B(带有气腔)中示出。
螺杆尖端的表面网格可以指示成型进程中的冲程位置或注塑量。尖端轮廓可用作移动边界，以将熔体(材料)推向结构。边界的运动可以体现为在注塑成型进程中螺杆的运动，该运动可以通过注塑单元的速度或压力设置或诸如腔体压力之类的外部信号来控制。
在步骤206，可以指定材料，并且可以配置注塑单元和结构的每个区域的熔融温度和环境温度。如果结构是模具，则区域可包括热流道系统(如果适用)。在步骤208，可以组合结构(模腔或气腔)域和注塑单元域的网格模型，并且可以应用螺杆尖端的速度和压力分布。在步骤210，可以运行模拟。当成型机处于速度控制阶段时，需要压缩力才能将熔体在螺杆之前转移到结构中。作为使螺杆运动的成型机的输出，注塑压力由合力乘以螺杆的横截面积来预测。当成型机处于压力控制阶段时，根据以下公式，成型机的施加压力等于力除以螺杆的横截面积：
F(t)＝P(t)*A
该模拟方法可以确定整个成型进程中注塑单元和模腔域的物理场的历史，包括压力、温度、速度、剪切速率、颗粒运动、粘度、填料取向/百分比和密度。然后，可以对螺杆的往复运动进行建模以确定在结构和注塑成型机中的材料的熔融行为，如图6A-6C所示。
在网格模型中包括注入单元导致了更高的精度，如图7A和7B所示，分别以图形方式示出了作为时间函数的注塑压力和腔压力。在图7A中，与仅具有模域的模拟相比，利用注塑单元模型的模拟呈现出非常相似的注塑压力曲线波形。在图7B中，与仅对模具建模的模拟方法的曲线600相比，由模拟方法200产生的曲线400更接近由腔压力传感器实际测量的曲线500。尤其是，压力幅值和熔体前沿到达时间要接近得多，这是因为使用注塑单元模型进行的模拟会已数值方式计算注塑单元中熔体的可压缩性。
回到参照图3和方法100，在步骤106，数据获取系统(例如，计算设备141)可以显示和存储从模拟方法200得到的数据。数据可以是曲线的形式，其可以包括但不限于，冲程位置与时间的曲线、预测的塑料注塑压力曲线、预测的腔压力历史曲线、模具温度历史曲线、塑料温度曲线和喷嘴压力曲线。模具温度曲线可能适用于金属或塑料。图8示出了可以在步骤106处显示的示例性的模腔的示例性预测流锋图案和压力分布，预测的浇口后压力曲线以及相应的夹紧力曲线历史。
在步骤108，当考虑到由模拟方法200确定的预测压力和由腔体压力传感器测量的测量压力时，可以确定并输出校准的夹紧力曲线，例如在计算设备141上。作为示例输出，图9示出了与预测的夹紧力相比较的校准的夹紧力。图10示出了具有流锋累进腔压力的校准夹紧力显示。绘制的流锋模型可以显示为静态显示，也可以显示为动态显示，以显示在不同时间和冲程位置的不同填充百分比/压力分布。通过移动光标，系统中模型显示的填充百分比可能会更改。图11示出了在填充模腔之后的校准的夹持力显示以及腔压力分布。通过在X轴(时间)图上移动光标，腔压力图可能会改变。尽管传感器读数和夹紧力将保持相似的波形，但注塑速度、填充/保持压力和/或材料的变化也可能会改变压力测量值。
在步骤110，工具操作者，例如建模者，可以遵循曲线和模拟图来确定用于实时注塑的关键工艺变量。例如，预测的塑料压力曲线可以以数字格式保存，以显示在机器面板或外部进程监视设备上，以供建模者用作机器进程模板来相应地设置进程参数。类似地，预测的腔压力历史曲线可以以数字格式保存，以显示在机器面板或外部进程监视设备上，以供建模者用作腔压力模板，以在模具装有传感器的情况下匹配腔压力曲线。此外，预测的夹紧力历史可用于估计各种工艺条件下的夹紧吨位需求，以防止成型问题。曲线可在机器面板或外部进程监控设备上输出，以供建模者设置足够的夹紧力。当将模具转移到具有不同螺杆尺寸和夹紧吨位容量的其他成型机时，可以通过方法200在模拟域中对注塑单元进行重塑，并且可以相应地评估性能和与机器相关的工艺参数。应当理解，可以将例如在步骤106中生成的所有曲线保存为机器进程模板，以供建模者使用。
如上所述和附图所示，系统10和方法100允许在与注塑单元和热流道系统关联的情况下预测更现实的流速，因为它与注塑单元和热流道系统中的螺杆运动和熔体的可压缩性有关(如果适用)。如图7A和7B所示，在传统的模制模拟中(即，在没有注塑单元模型的情况下)幅度和波形上的注塑压力和腔压力预测更加敏感，而系统10和方法100导致波形和幅度两者都更接近于实际通过传感器从注塑成型机收集的数据。
通常，诸如计算设备141和142之类的计算系统和/或设备可以包括至少一个存储器和至少一个处理器。此外，他们可以使用许多计算机操作系统中的任何一种，包括但不限于以下版本和/或变体：Microsoft
操作系统，Unix操作系统(例如，由加利福尼亚州红木海岸的甲骨文公司发行的
操作系统)，CentOS，纽约阿蒙克的国际商业机器公司发行的AIX UNIX操作系统，Linux操作系统，由加利福尼亚州库比蒂诺的苹果公司发行Mac OS X和iOS操作系统，由加拿大滑铁卢的行动研究公司发行的黑莓OS，以及由开放手机联盟开发的Android操作系统。计算设备的示例包括但不限于计算机工作站、服务器、台式机、笔记本、膝上型计算机、手持计算机、智能手机、平板电脑或某些其他计算系统和/或设备。
这样的计算设备通常包括计算机可执行指令，其中该指令可以由诸如上面列出的那些的一个或多个计算设备执行。可以从使用多种编程语言和/或技术创建的计算机程序中编译或解释计算机可执行指令，包括但不限于JavaTM，C，C++，C#，Objective C，VisualBasic，Java Script,Perl,Tomcat,代表性状态转移(REST)等的单独或组合使用。通常，处理器(例如，微处理器)从存储器、计算机可读介质等接收指令，并执行这些指令，从而执行一个或多个进程，包括本文所述的一个或多个进程。可以使用各种计算机可读介质来存储和传输这样的指令和其他数据。
计算机可读介质(也称为处理器可读介质)包括参与提供可由计算机(例如，计算机的处理器)读取数据(例如，指令)的任何非暂时性(例如，有形)介质。这样的介质可以采取许多形式，包括但不限于非易失性介质和易失性介质。非易失性介质可以包括例如光盘或磁盘以及其他持久性存储器。易失性介质可以包括例如动态随机存取存储器(DRAM)，其通常构成主存储器。可以通过一种或多种传输介质来传输这样的指令，所述传输介质包括但不限于同轴电缆、铜线和光纤，包括耦合到计算机处理器的系统总线的线。计算机可读介质的常见形式包括，例如，软盘、软磁盘、磁带、任何其他磁介质、CD-ROM、DVD、任何其他光学介质、打孔卡、纸带、任何其他带有孔的图案的物理介质、RAM、PROM、EPROM、FLASH-EEPROM、任何其他存储芯片或盒带或计算机可以读取的任何其他介质。
数据库、数据存储库或其他数据存储可以包括用于存储、访问和检索各种数据的各种机制，包括层次数据库、文件系统中的一组文件、专有格式的应用程序数据库、关系型数据库管理系统(RDBMS)等。每个这样的数据存储区通常都包含在采用计算机操作系统(例如上述操作系统之一)的计算设备中，并且可以通过网络以多种方式中的任何一种或多种方式进行访问。文件系统可以从计算机操作系统访问，并且可以包括以各种格式存储的文件。除了用于创建、存储、编辑和执行存储过程的语言外，RDBMS通常还使用结构化查询语言(SQL)，例如上述的PL/SQL语言。
在一些示例中，系统元件可以被实现为存储在与其相关联的计算机可读介质(例如，磁盘，存储器等)上的一个或多个计算设备(例如，服务器，个人计算机等)上的计算机可读指令(例如，软件)。计算机程序产品可以包括存储在计算机可读介质上的用于执行本文所述功能的指令。可替代地，可以将应用软件产品提供为硬件或固件，或者软件、硬件和/或固件的组合。
关于本文描述的进程、系统、方法、试探法等，应当理解，尽管已经描述了这样的进程等的步骤是根据一定有序的顺序发生的，但是可以通过不同于本文描述顺序的顺序来执行所描述的步骤，以便实践这些进程。还应理解，某些步骤可以同时执行，可以添加其他步骤，或者可以省略本文所述的某些步骤。换句话说，本文中对进程的描述是出于说明某些实施方案的目的而提供的，并且绝不应解释为限制权利要求。
将理解的是，前述方法和设备可以被修改为去除一些组件和步骤，或者可以添加其他组件和步骤，所有这些都被认为在本公开的精神之内。即使已经参考特定实施例详细描述了本公开，但是应当理解，可以对这些实施例进行各种修改和改变，而不脱离如权利要求中阐述的本公开的范围。说明书和附图应被认为是说明性的思想，而不仅仅是限制性的思想。
权利要求中使用的所有术语旨在被赋予其最广泛的合理构造和其通常的含义，如本文所述的技术领域的技术人员所理解的，除非本文做出相反的明确指示。特别地，应将诸如“一个”，“该”，“所述”等单数冠词的使用理解为列举一个或多个所指示的要素，除非权利要求书中指出相反的明确限制。
Claims (20)
1.所要求的是
一种用于模拟注塑成型进程的方法，包括：
生成结构的网格模型；
生成注塑成型机的注塑单元的网格模型，所述注塑单元至少包括注塑单元的螺杆尖端；
提供指定注入结构的材料的能力；
至少在注塑单元的不同区域中配置参数；
组合结构和注塑单元的网格模型；
提供施加螺杆尖端的速度和压力分布至少之一的能力；和
对注塑单元和结构的组合网格模型进行模拟操作。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述结构是由注塑成型系统的模具限定的模腔。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述结构是气腔。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述注塑单元的网格模型至少包括所述注塑单元的螺杆尖端和直径、端盖和喷嘴。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述参数至少包括在每个区域中材料将被加热的熔融温度以及环境温度。
6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括输出冲程位置与时间的曲线作为机器处理模板。
7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括输出预测的塑料注射压力曲线、预测的腔压力历史曲线和模具温度历史曲线中的至少一个。
8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括将预测的塑料注射压力曲线保存为机器进程模板。
9.根据权利要求7所述的方法，进一步包括输出预测的腔压力历史曲线作为模具工艺匹配模板。
10.根据权利要求7所述的方法，进一步包括输出所述模具温度历史曲线作为模具工艺匹配模板。
11.根据权利要求3所述的方法，进一步包括使用预测的压力作为所述注塑成型机的空气喷射压力。
12.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在模拟操作的计算设备的显示器上将预测结果显示为静态显示或动态显示。
13.一种系统，包括：
一种注塑成型机，包括至少具有螺杆的注塑单元；至少一个计算设备，其被配置为：
生成结构的网格模型；
生成注塑单元的网格模型，至少包括螺杆；接收要注入结构的材料规格；在注塑单元和结构中的至少一个不同区域中接收参数的配置；
组合结构和注塑单元的网格模型；
提供施加螺杆尖端的速度分布和压力分布中至少之一的能力；和
对注塑单元和结构的组合网格模型进行模拟操作。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述结构是由注塑成型系统的模具限定的模腔。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述注塑单元的网格模型至少包括所述注塑单元的螺杆尖端和直径、端盖和喷嘴。
16.根据权利要求13所述的系统，其中，所述结构是气腔。
17.根据权利要求13所述的系统，其中，所述参数至少包括在每个区域中材料将被加热的熔融温度以及环境温度。
18.根据权利要求13所述的系统，其中，所述计算设备被配置为输出以下至少之一：
冲程位置与时间的曲线作为机器处理模板；
预测的塑料注射压力曲线作为机器进程模板；
预测的腔压力历史曲线作为机器进程模板；
模具温度历史曲线作为机器进程模板；
塑料温度曲线作为机器进程模板；和
喷嘴压力曲线作为机器进程模板。
19.一种非易失性计算机可读介质，有形地体现了计算机可执行指令，
该指令在由处理器执行时使处理器执行以下操作：
生成结构的网格模型；
产生注塑成型机的注塑单元的网格模型，所述注塑单元至少包括注塑单元的螺杆尖端；
提供指定要注入结构的材料的能力；
在注塑单元和结构中的至少一个不同区域中配置参数；
组合结构和注塑单元的网格模型；
提供施加螺杆尖端的速度分布和压力分布至少之一的能力；和
对注塑单元和结构的组合网格模型进行模拟操作。
20.根据权利要求19所述的非易失性计算机可读介质，其中，所述结构是以下之一：
由注塑成型系统的模具限定的模腔；或
气腔。
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