CN112218751A - 用于与塑料熔体压力和塑料熔体流动位置相关的注射模制过程中气体辅助和气体背压的同时闭环控制的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于注射模制系统的控制器，所述控制器与熔体流动控制单元、气体辅助控制单元和气体背压控制单元连通。所述控制器可以根据熔体压力或流动前沿位置实现对气体辅助压力和/或气体背压进行实时调整。

Description

用于与塑料熔体压力和塑料熔体流动位置相关的注射模制过 程中气体辅助和气体背压的同时闭环控制的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年6月5日提交的申请号为62/704,009的美国临时申请的提交日的权益，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本申请总体上涉及注塑模制，并且更具体地，涉及一种用于在注射模制过程中对可变的空气压力以及内部气体压力(“气体辅助”)和外部气体压力(“气体背压”)的持续时间进行同时闭环控制的方法，所述注射模制过程使用了结合有腔压力传感器、热电偶、应变仪或无传感器选项的熔体压力变换器以替代用于正在模制的部件的模腔内的熔体行进位置。特别地，本公开涉及通过至少一个腔压力变换器、热电偶或应变仪标识表观熔体压力、气体辅助和气体背压之间的关系，并且基于例如注射模具内的腔的熔体流动前沿的位置来实时地可变地改变内部气体压力、外部气体压力和/或腔压力。

背景技术

在注塑过程开始时，热塑性颗粒通过料斗进料到加热的料筒中，并被往复螺杆驱动到加热的料筒的端部。热塑性粒料熔融成熔融热塑性材料，并通过喷嘴注入热塑性材料的粒料。然后，熔融热塑性材料通过冷流道或热流道流到模具的每个单独腔的浇口。进入浇口后，熔融热塑性材料填充模腔，该模腔形成在模具的两个或更多个侧面之间，该两个或更多个侧面在通过按压或夹紧单元加压下被保持在一起。一旦将熔融热塑性材料的粒料注入到模腔中，往复螺杆便停止向前行进。熔融热塑性材料采取模腔的形式，并在模具内部冷却直至固化。然后，夹紧单元释放模具侧面，并且完成的部件从模具中被弹出。

注射模制工艺可以包含辅助装备，该辅助装备有助于将塑料填充到模具中，以帮助实现更好的部件质量或缩短周期时间，或两者兼而有之。例如，气体辅助模制在填充模具期间使用被注入塑料熔体中的氮气或其他惰性气体，以将塑料置换到较厚壁部件的中央，从而减小了整个塑料壁的厚度，并通常缩短了周期时间。所得的部件通常在部件的内部具有气泡，这对于终端用户来说通常不会被看见或不容易被察觉或重视，除非部件被切成两半或以其他方式切成段。气体背压在用塑料填充之前和/或期间使用氮气或其他惰性气体对模具的腔加压，并对熔体流动前沿施加气压，以影响润版液流动，进而影响部件的表皮层和外观。按照惯例，当在单个注射模制粒料中使用气体辅助和气体背压两者时，气体辅助和气体背压过程都不会向其他过程发送/从其他过程接收模拟或数字输入/输出来影响对气体压力的幅值和/或气体压力的加速或减速和/或气体加压的时间的控制。换句话说，缺乏对气体辅助、气体背压和腔压力的相互依赖的控制。

当前可用于气体辅助和气体背压过程两者的大多数辅助装备主要使用开环控制系统。尽管注塑机可能有与特定事件(例如，合模、启动注射、注射位置或填充结束)有关的数字输出，但仍无法与模具内的任何温度或压力传感器持续通讯来打开或关闭气体压力，或相应地增加或减少压力。通常，配置文件由技术人员或操作者基于先前的经验和/或反复试验来预设。一旦建立了该配置文件，则其将在从注塑机接收到适当的输出时开始，有时添加有延迟计时器，这会增加机器在较长的生产过程内的周期之间发生变化的机会。例如，气体背压通常是在检测到在周期开始时模具关闭时才发起的。气体辅助压力可以被设置为基于延迟计时器而发起，该延迟计时器在熔融聚合物材料开始注入时开始。然后，气体背压和气体辅助压力中的每一个可以在从它们发起开始的相应预定延迟之后切断。然而，在某些情况下，这种与时间有关的操作可能不足以适当地担负对相应操作的适当控制。例如，如果基于与延迟计时器相关的信号发起气体辅助压力，则在经过某个先前事件后延迟计时器检测到预定时间时自动发起气体辅助压力，但是如果阀卡在在闭合位置，则熔融聚合物材料可能尚未开始流入模腔，而气体辅助气体被不希望地过早引入到模腔中。或者，在气体背压气体或气体辅助气体的引入终止仅取决于延迟计时器的情况下，模具的过早打开会导致在腔打开时仍引入气体背压气体或气体辅助气体，从而不利地导致累积的气体背压或气体辅助压力突然释放。

理想情况下，应结合控制算法来使用用于在注射模制过程中监测注射模具中的熔体压力、内部气体压力、外部气体压力和熔体流动前沿位置，以基于其进入模腔时实际达到的模具填充情况和熔体压力大小以及与使用中的其他气体注射装备(内部的或外部的)的相互作用的实时反馈来允许内部和外部气体压力开始、增加、减少和/或停止。

例如，取代基于注塑机参数或计时器而开始增加气体辅助压力并将其引入到塑料熔体流中，基于进入模具的塑料材料的实时熔体压力超过预定阈值来发起(或增加)气体辅助压力会更准确。另外，模腔内部的熔体流动前沿的相应位置可以用作触发器。此外，来自同时使用中的外部气体背压单元的反馈对于适应引入该附加装备的过程中的变化将是更理想的。同样的理由也可以用于控制气体背压，因为其涉及在与气体辅助压力相互作用的同时填充模具本身。此外，如果注射模制系统的控制器能够影响气体辅助或气体背压中的一种的变化(基于另一种的检测到的状况或基于对某种其他状况的检测)，则可以维持气体背压和气体辅助压力之间的期望关系。

监测和控制更靠近被填充中的腔用塑料填充模具或腔的方式可以产生更准确和可重复的控制，这对于制造和过程验证至关重要，尤其是在汽车或医疗市场。

发明内容

本公开范围内的实施方式涉及这样的方法：在对气体辅助和气体背压两者同时使用闭环控制的同时，对塑料材料注入注射模具进行控制，以辅助将塑料引入模具的腔并随后填充模具的腔的方式。所描述的方法将涉及一种基本上低恒压的填充技术，该技术使用熔体压力变换器来监测进入模具的塑料材料的实际熔体压力，但可以应用于其他填充技术，诸如使用对塑料熔体压力的类似监测的标准注射速度控制。

在注射模制过程中整个塑料注射过程中，注塑机用于熔体压力的典型替代方案是施加在注射活塞后部的液压或施加在螺杆后部的荷重元上的力的大小。然后，通过比较被测量中的力或压力的面积与施加在塑料熔体上的螺杆尖端面积之间的差，可以计算出注射过程中螺杆前部实际塑料熔体压力的近似值。所使用的方法取决于是以液压方式还是以电动方式控制机器注射。这种计算实际熔体压力的方法可能会由于螺杆尖端前部处的几何形状变化以及因以下各项中的一项或多项引起的压降而受到损害：螺杆与料筒之间的间隙，螺杆止回环性能，或其他部件(诸如混合器或延长的喷嘴)的几何形状。

理想情况下，使用较接近注射单元喷嘴尖端的实际熔体压力变换器可以更准确地测量进入模具的塑料的实际塑料熔体压力。

除了确定进入模具或腔的塑料的实际熔体压力外，在注射周期期间指示模腔在给定时刻的填充程度也是有用的。在注射塑料材料期间对腔的填充程度最准确的指示是模腔内部的实际熔体流动前沿的位置。大多数塑料部件制造商通过在注射期间将螺杆位置用作对熔体流动前沿位置的替代来实现这一目标。尽管这种方法被广泛使用，但由于许多因素(仅举几例，诸如止回环性能，螺杆和料筒磨损，螺杆的减压不一致，或材料的粘度变化等)，仍可能出现错误或不准确。

用于确定熔体流动前沿位置的替代性方法包括：采用直接位于腔的模制表面上或与腔的模制表面间接关联的腔压力变换器，以在塑料流过传感器时获取实际压力读数。尽管该方法比使用螺杆位置作为熔体流动前沿位置的替代要准确得多，但由于许多因素(诸如不正确的安装，电气或连接问题，或者传感器在模腔内的放置)，仍可能出现错误或不一致。例如，位于沿部件流动长度的中部位置的传感器将提供与放置在流动长度的25％或75％处的传感器不同的信息。另外，腔压力变换器可能是昂贵的(需要硬件、软件以及对注射模具的额外设计和加工)，并且需要在模制部件上留有证示线，这在对于某些塑料部件来说在美学上是不可接受的，并且可能需要一定程度的模制后处理才能去除或遮盖。

用于在没有腔压力变换器的情况下确定熔体流动前沿位置的方法会比单独使用螺杆位置更准确，还可以减少或消除硬件成本，并避免对模制品的美观产生影响(诸如由证示线造成的影响)，或避免在模制后处理期间消除这种视觉损伤所需的工作。熔体流动前沿位置的这种替代方法可以包括热电偶或应变仪。

气体辅助模制利用氮气或其他惰性气体来辅助完成注射模制部件的填充和包装。在一定数量的塑料进入模具后，位于塑料流动区域中的销钉会打开并将气体注入熔融塑料材料中，以吹出通常在150-2500psi的加压气泡，从而通过用惰性气体而不是塑料填充模制品内部的一部分来帮助完成填充腔。然后，销钉允许加压气体排放到大气压，以防止部件在开模期间破裂。在给定的注射周期期间开始空气注射的时间点取决于已经注射的塑料量。需要有足够量的塑料来完全封装所得的气泡。如果没有足够的塑料材料，则在注射气体时，塑料壁厚度会变得非常薄，并且会在填充腔的外部容积之前破裂。

气体注射的配置文件通常是基于操作者或技术人员的先前经验来确定的，并且通常实质上是基于反复试验的过程。优选的是，使用来自塑料熔体压力和流动前沿位置的实时反馈以及来自其他辅助装备(诸如气体背压单元)的附加反馈来建立气体注射配置文件。

气体背压工艺也可以使用氮气或其他惰性气体。在材料在模腔内前进的同时，气体背压作用在熔融材料的外部以辅助填充塑料部件。使用气体背压的一个益处是其可以使模制品具有改善的表面外观。使用气体背压的大多数注射模制工艺是在泡沫塑料中进行的，然而其也用于非泡沫应用中。施加在熔融塑料流动前沿上的背压有助于形成部件的树脂含量更高的外表面，同时还有助于在填充期间帮助维持熔融塑料与芯部和腔壁的恒定接触。

像气体辅助那样，气体背压工艺通常是基于操作者或技术人员的先前经验来建立的，并且通常基于反复试验的过程。同样类似于气体辅助，使用来自塑料熔体压力和流动前沿位置的实时反馈以及来自其他辅助装备(诸如气体辅助单元)的任何附加反馈来建立气体背压也是有利的。

附图说明

尽管本说明书通过特别指出并明确要求保护被视为本公开的主题的权利要求书作出结论，但相信通过以下结合附图的描述将更全面地理解本公开。为了更清楚地示出其它元件的目的，可通过省略选择的元件来简化一些附图。在一些图中这样省略元件未必指示特定元件在任何示例性实施方式中存在或不存在，除非可能在相应文字描述中明确如此叙述。所有附图都不一定按比例绘制。

图1半示意性地例示了注射模制设备，其中，控制器利用来自熔体压力变换器、虚拟(或实际)熔体流动前沿位置传感器、气体辅助设备和气体背压设备的输入。控制器与各种输入和部件联网，以便监测和控制气体辅助和气体背压过程中塑料的注射以及气体的注射，并具有发起、停止和改变这三种能力中的任何一种；

图2半示意性地例示了在从气体背压源开始引入气体之后，刚开始将熔融聚合物材料引入到腔中之后以及在从气体辅助压力源开始引入气体之前的模腔的内部；

图3半示意性地例示了在即将从气体辅助压力源引入气体之前图2中例示的模腔的内部；

图4半示意性地例示了在从气体辅助压力源引入气体之后图2和图3中例示的模腔的内部；

图5半示意性地示出了填充结束时图2至图4中例示的模腔的内部；

图6例示了包括气体辅助和气体背压闭环控制的模制工艺的示例性曲线图；以及

图7是描述图5的曲线图所描绘的模制工艺的操作中的一系列步骤的流程图。

具体实施方式

详细地参考附图，图1例示了示例性注射模制设备10，该设备使用控制系统20，该控制系统被配置为至少部分地基于所确定的熔体压力或所确定的流动前沿位置来改变气体辅助压力和气体背压。该示例性控制系统包括控制器和其他控制系统单元，所述控制系统单元包括：熔体压力控制单元22、气体辅助控制单元24、气体背压控制单元26、熔体行程控制单元28和虚拟腔传感器30。控制器32与上述控制系统单元中的每个通信连接。

控制器32可以包括微处理器、存储器以及一个或多个通信链路。通过通信链路，控制器32可以将命令或其他信息发送到控制系统20中的其他单元，以发起、启用或调整注射模制周期、熔体压力变化、气体辅助压力、气体背压和/或可以由相应单元控制的其他过程。例如，对于注射模制过程的每个方面，包括熔体压力控制和气体控制，除其他可能性外，控制器可以更改从一个操作状态到另一操作状态的设定点或过渡时间，如下文更详细描述的。控制器32还可以通过通信链路接收关于工艺条件、环境条件、操作者命令等的信息。该信息可以从其他单元、操作者和/或设置在注射模制设备10处或外部的各种传感器(未示出)发送到控制器32。控制器32可以使用接收到的信息来计算注射模制过程中所需的变化，并将这些变化传送给控制系统中的其他单元。

熔体压力控制单元22可以从控制器32接收命令以发起注射模制周期。熔体压力控制单元22可以通信地连接到致动器34，该致动器又可以机械地连接到往复螺杆36。致动器34可以基于来自熔体压力控制单元22的命令开始旋转往复螺杆36，并且可以基于来自熔体压力控制单元22的信号来调整往复螺杆的旋转速率。

供给到料斗40的粒料P可以通过加热器熔融，并且可以供给或替换由螺杆36通过喷嘴42移位并进入模腔44的熔融热塑性材料。

熔体压力控制单元22还与熔体压力传感器46进行信号通信，以用于确定注射的熔融热塑性材料的熔体压力。熔体压力控制单元22可以从熔体压力传感器46接收指示熔体压力的熔体压力信号，并且可以鉴于熔体压力信号数据通过向致动器34发信号来调整螺杆36的致动以实现期望的调整。熔体压力传感器46可以与熔融热塑性材料流体连通，或者替代地，指示熔体压力的传感器可以设置在其他地方，作为熔体压力的替代。熔体压力传感器46是感测装置，该感测装置在以下各处中的一处感测压力：(i)活塞的后部；(ii)螺杆后部的荷重元；或(iii)在位于螺杆36尖端下游的位置处的熔体流中，或螺杆尖端与腔浇口之间的任何位置。

熔体压力传感器46可以有助于(直接或间接)检测喷嘴42中、该喷嘴处或该喷嘴附近的熔融热塑性材料的实际熔体压力(例如，测量的熔体压力)。熔体压力传感器46可以或可以不与熔融热塑性材料直接接触。在一个实施方式中，熔体压力传感器46可以是压力变换器，其响应于喷嘴42处的熔体压力将电信号传输到控制系统20的输入。在其他实施方式中，熔体压力传感器46可以有助于监测喷嘴42处的熔融热塑性材料的多种附加或替代特性中的任何特性，例如，这些附加或替代特性可以指示熔体压力，诸如温度、粘度和/或流速。如果熔体压力传感器46不位于喷嘴42内，而是位于喷嘴42的上游或下游，则可以利用逻辑、命令和/或可执行程序指令来设置、配置和/或编程控制系统20以提供适当的校正因子，从而基于熔体压力传感器46的实际位置来估计或计算喷嘴42中测得的特性的值。应当理解，可以采用除熔体压力传感器以外的传感器来测量熔融热塑性材料、螺杆36、料筒48等的本领域已知的任何其他特性，诸如温度、粘度、流率、应变、速度或指示这些特性中的任何特性的任何其他特性中的一个或多个特性。

熔体压力传感器46可以或可以不与熔体直接接触。在一些实施方案中，熔体压力传感器46可以由生成可用于估计熔体压力的信号的不同的传感器代替。附加地或替代地，熔体压力控制单元22可以与不同的传感器进行信号通信，所述不同的传感器指示注入到模腔中的热塑性材料的注入速率或总量，由此可以确定注入的材料的熔体压力。

来自熔体压力传感器46的信号可以由熔体压力控制单元22处理。例如，熔体压力控制单元22可以计算通过测量确定的熔体压力与控制器32传送的目标熔体压力之间的熔体压力误差。使用熔体压力误差，熔体压力控制单元22可以计算驱动往复螺杆36的致动器34的信号。致动器34可以增加施加到往复螺杆36的扭矩或力，从而增加熔体压力，或者相反地，减小施加到往复螺杆36的扭矩或力，从而减小熔体压力。以这种方式，可以实施对熔体压力的闭环控制。在一些实施方案中，可以为注射模制周期的至少一部分规定熔体压力的目标摆率(即变化率)。控制器可以将目标摆率传送到熔体压力控制单元，并且控制单元可以致动往复螺杆以最小化摆率误差，即，从例如熔体压力传感器数据计算出的摆率与熔体压力的目标摆率之间的差。鉴于测得的熔体压力对往复螺杆36的致动的控制在下文中更详细地描述。

控制器还与气体辅助控制单元(GACU)24进行信号通讯。GACU 24被配置为通过气体辅助销50将气体注入模腔44中，该气体辅助销可以例如设置在被钻孔到注射模制系统10的模芯54中的气动通道52中。所注射的气体(其可以包括氮气、二氧化碳、诸如空气的混合物或另一种合适的气体，但优选为惰性气体)可以从储气罐、气体发生器或压缩机(未示出)被供给到气体辅助销50。GACU24可以控制阀，该阀调节从气体辅助销50进入模腔44的气体流动。阀的开度可以增加进入模腔的气体流量，并使得形成气体辅助压力。GACU 24可以包括气体辅助压力传感器49，该气体辅助压力传感器感测模腔上游或模腔自身内的气体的压力。GACU 24可以使用气体辅助压力传感器的信号来计算阀的控制信号，从而允许对气体辅助压力进行闭环控制。GACU 24可以使用闭环控制算法来最小化气体辅助压力设定点与测量和计算的气体辅助压力之间的误差。气体辅助压力的设定点可以通过控制器32被传送到GACU 24。控制器32可以遵循存储在其存储器中的气体辅助设定点的预定时间序列，或者可以基于所测量的工艺条件来调整设定点。所测量的工艺条件可以包括：填充模腔的进度，熔体流动前沿位置，确定的熔体粘度，环境温度和湿度，和/或其他因素。下面讨论基于各种测量的气体辅助周期的设定点的变化。

控制器还可以与气体背压控制单元(GCPCU)26通信连接。GCPCU 26被配置为通过气体背压(GCP)供给端口56将气体注入模腔。GCP气体也可以通过GCP排气端口58从模腔中排出，该排气端口像气体辅助供给管线那样可以被钻孔到模芯54中。GCP气体(其可以包括氮气、二氧化碳、诸如空气的混合物或另一种合适的气体，但优选为惰性气体)可以从储气罐、气体发生器或压缩机(未示出)被供给到GCP供给端口56。GCPCU 26可以控制这样的阀：该阀调节从GCP供给端口56进入模腔的背压气体的流动。阀的开度可以增加进入模腔的气体流量，并使得气体背压增加。GCPCU 26可以包括GCP传感器59，该传感器感测模腔内的流动前沿下游的气体的压力。GCPCU 26可以使用GCP传感器59的信号来计算阀的控制信号，从而允许对GCP过程进行闭环控制。GCPCU可以使用闭环控制算法来最小化GCP压力设定点与测量和计算的GCP压力之间的误差。控制器可以将GCP的设定点传送到GCPCU。控制器可以遵循存储在其存储器中的GCP设定点的预定时间序列，或者可以根据测量的工艺条件调整设定点。所测量的工艺条件可以包括：填充模腔的进度，熔体流动前沿位置，确定的熔体粘度，环境温度和湿度，和/或其他因素。下文讨论了基于各种测量的GCP周期的设定点的变化。

附加地或替代地，GACU 24或GPCU 26(或两者)可以控制相应气体的体积流率或质量流率。在相应的实施方案中，GACU 24和/或GCPCU 26可以包括一个或多个流体流量传感器。因此，作为替代或除压力控制之外，气体辅助过程和/或气体背压的闭环控制可以包括控制气体流率。

继续参考图1，控制器32还可以与熔体行程控制单元(MTCU)28通信，所述熔体行程控制单元确定指示模腔填充有熔体的程度的值，诸如，例如腔内的熔体流动前沿的位置。此外，MTCU 28可以相应地为MPCU、GACU、GCPCU计算熔体压力、气体辅助压力和气体背压的设定点的调整并将其传送给控制器。MTCU 28可以与一个或多个熔体流动前沿位置传感器进行信号通信，所述熔体流动前沿位置传感器被配置为测量指示熔融聚合物的存在的值，以便检测腔44内的流动前沿位置。与MTCU 28连通的流动前沿位置传感器可以包括温度、压力、应变、超声、光学或其他类型的传感器。一个或多个流动前沿位置传感器可以设置在模具中、模具处或模具附近的某些位置，并且可以或可以不与熔融热塑性材料直接接触。流动前沿位置传感器可以是螺杆位置传感器，因为螺杆位置可以指示流动前沿位置。MTCU 28可以结合校准例程、预编程计算或机器学习算法使用来自一个或多个流动前沿位置传感器的信号来确定或至少估计注射的熔融热塑性材料的流动前沿位置。在一些实施方案中，所确定的流动前沿位置可以被传送到控制器32，而在其他应用中，如上文所讨论的，MTCU 28可以计算对设定点的调整，并且将这些调整传送给控制器32。在一些实施方案中，MTCU 28可以计算流动前沿的速度作为流动前沿位置的时间变化率，并将流动前沿速度传送给控制器32。基于来自MTCU 28的输入，无论是流动前沿位置还是速度或两者兼而有之，控制器32可以对MPCU 22、GACU 24、GCPCU 26中的任何一个或多个的操作进行调整。

控制器32还可以与虚拟腔传感器(VCS)30通信连接，以确定模具的腔44内的熔体压力，而无需直接测量腔压力。VCS 30可以将指示所确定的腔压力的数据直接传送到控制器32，或者可以使用腔压力来计算对于MPCU 22、GACU 24和/或GCPCU 26的操作的设定点的调整。

在一些实施方案中，控制器可以与传感器或传感器系统直接进行信号通信，所述传感器或传感器系统提供关于熔体注入模腔的状态和进度的信息。用于确定流动前沿或熔体行进位置的传感器可以包括例如腔压力传感器、热电偶或应变仪。控制器32可以基于来自直接连接的传感器的信号并且在使用或不使用MTCU 28或VCS 30中的一个或两个的情况下，对MPCU 22、GACU 24或GCPCU 26中的任何或全部的操作进行调整。

在其他实施方案中，熔体压力控制单元22可以集成到控制器32中。同样，VCS 30可以集成到控制器32中。

图2至图5半示意性地例示了在使用气体辅助和气体背压的注射模制过程中模腔的填充。如图2所示，当开始(甚至在开始之前)注射热塑性塑料时，可以用来自气体背压供给端口56的背压气体对腔加压。当开始注射时，注射的热塑性塑料的流动前沿经受背压气体对行进的流动前沿所施加的力，如图2至图4所示。尽管箭头都指向左侧，但气体的压力垂直作用于热塑性材料的膨胀粒料的所有表面，直到熔体到达腔壁为止，如图3所示。一旦将所需最小量的热塑性塑料注入模腔中，就可以发起气体辅助过程，如图4所示。气体辅助压力可以经由气体辅助端口50被引入，并在注射的热塑性塑料容积的内部形成一定体积的气体，该气体可以正常地对热塑性材料的膨胀气泡的所有表面施加压力，如图4所示。气体辅助压力可以部分地由气体背压力来抵消。可以控制该过程以确保气体辅助压力比背压力高出允许流动前沿继续以规定速率前进所需的量。如图5所示，当流动前沿接近填充终点时，可以减小背压，并且可以允许气体辅助过程不受气体背压的作用，直到熔融材料到达模腔的末端，并且注射可以停止，使得可以容许模制件冷却然后从模腔中被弹出。即使在流动前沿达到填充终点之后，气体辅助压力仍被维持为正值，直到热塑性材料的至少一个外部塑料层冻结(即固化)为止。

图4例示了在单个注射模制周期中结合了气体辅助和气体背压技术的注射模制过程的示例性曲线图。所示曲线图的水平轴表示时间，其中，最左边的点表示一个填充周期的开始，并且最右边的点表示一个填充周期的结束。有两个竖直轴。左边的一个是压力轴，具有用于塑料熔体压力以及气体辅助压力和气体背压的单个度量。右边的轴表示流动前部位置，其中，最高值指示在注射熔融热塑性材料之前的模腔，或者喷嘴的位置。位置轴的底部(在图的右侧)表示填充的模腔，或腔距喷嘴最远的位置(即，模腔的在周期期间接收热塑性材料的最后一部分)。位置轴上的点与模腔中的位置之间的对应关系可以取决于模具几何形状。图中的另外两条竖直线用于描绘注塑模制周期中的不同阶段。

图6中例示的曲线中的四个迹线表示塑性压力(实线)、熔体行进或流动前沿位置(虚线)、气体背压(虚线)、气体辅助压力(虚线)。塑性压力迹线可以表示喷嘴附近的熔体压力。熔体行进或流动前沿位置可以指熔体沿着热塑性材料的流动方向从喷嘴行进的最远距离。气体背压可以指模腔内或气体路径中和模具上游的其他位置中的背压气体的压力。气体辅助压力可以是指模腔内、销钉下游或气体路径中和销钉上游的其他位置的背压气体的压力。在不同的实施方案中，可以以不同的方式定义迹线，其代表熔体路径中某个点处的熔体压力。气体背压和气体辅助压力可以在与腔中的相应气体流体(或气动)连通的某个点处被定义或测量。压力测量可以是绝对的或相对于约15psi的大气压。

在注射模制周期(也称为填充周期)开始时，随着背压气体填充模腔，气体背压逐渐上升，在前一周期结束时，该模腔可能已被完全抽空(例如，达到大气压)。气体背压的时间变化率(由图6的区域I中的虚线曲线的斜率表示)可以取决于：背压气体的可用供给压力，将背压供给连接至模腔的气动回路的配置，或者其他工艺因素。如上所述，区域I中的气体背压的增加可以开环的方式增加，或者由GCPCU 26以闭环的方式控制。GCPCU 26可以通过设置目标压力、设置和控制目标增加速率、或在气体背压目标分布中设置多个点来控制增加。面对可变的气体供给压力或阀性能，区域I中的气体背压的闭环控制的一个优点是可以维持填充周期的定时的一致性。

一旦气体背压达到或接近目标值，则控制器可以向MPCU 22发信号，以开始将熔融热塑性材料或树脂注入模腔中，如图6的区域II所示。熔体压力建立(例如在喷嘴附近)的速率可以取决于：往复螺杆驱动的功率，熔体的粘度，或者其他考虑因素，包括限制输送熔体的流体系统的磨损。熔体压力的增加速率还可以取决于气体背压水平。区域II中的熔体压力的增加可以以开环的方式增加或者可以由MPCU 22以闭环的方式控制。MPCU 22可以通过设置目标压力、设置和控制目标增加速率、或在熔体压力目标分布中设置多个点来控制增加。对区域II中的熔体压力进行闭环控制的一个优点是，面对可变的熔体性质、熔体输送系统中的可变机械阻力、可变的背压设置或其他因素，可以在填充周期的时间上保持一致性。

当喷嘴附近的熔体压力在区域II中开始增加时，熔体可能开始流入模腔，如同一区域中的熔体行进位置曲线所示。随着熔体开始从喷嘴和浇口流出，进入模腔，由于模腔壁施加在流动的热塑性材料上的剪切力，熔体可能会遇到很小的机械阻力。另一方面，熔体遇到来自气体背压的一些阻力，该阻力可在区域II中被维持在几乎恒定的水平。一旦某些模腔开始填充流动的热塑性材料，就会产生多种影响，导致流动阻力增加，进而导致需要增加喷嘴压力以维持熔体行进速度。一种影响可能是当熔体与腔壁接触时剪切力增加。另一种影响可能是由于热塑性材料的冷却以及随后进入模腔时其粘度的增加。因此，如从图6的区域II中的曲线可以看出的，即使当喷嘴处的熔体压力增加时，熔体流动前沿的速度(由熔体行进位置曲线的斜率表示)也可以保持相对恒定。应当理解，模腔的形状可能对喷嘴压力和熔体流动前沿速度之间的关系有相当大的影响，对于不同的实施方案或模腔几何形状，迹线及其斜率(即，时间导数)之间的关系可能不同。

控制热塑性材料的流动前沿速度以生产具有期望的美学特性以及机械特性、光学特性或其他特性的部件可能是有利的。在某些情况下，例如，可能期望维持近乎恒定的流动前沿速度，如图6所示，特别是区域II、IIIa和IIIb。例如，在申请号为15/198,556的美国专利申请中描述了不考虑模腔几何形状的变化而维持恒定的流动前沿速度的方法，该申请的全部内容通过引用并入本文。

看向图6的区域II的最右侧边缘，当已经将足够量的热塑性材料注入腔中时，响应于来自控制器32的信号，MPCU 22可以开始将喷嘴附近的熔体压力维持在预定水平，这表明转变到区域IIIa。维持恒定熔体压力的转变可以基于时间、熔体压力水平和/或流动前沿位置。

在区域IIIa中，控制器32可以向GACU 22发信号以发起气体辅助过程。发起辅助气体注射的精确定时可以基于预定时间表或至少部分地基于熔体压力水平、腔中的熔体压力、流动前沿位置，并且可以基于部件几何形状而变化。一旦控制器确定了发起气体辅助过程的时间并向GACU 24发信号，GACU 24转而就会打开阀，以允许辅助气体通过销钉流入模腔。辅助气体可以在注入腔中的热塑性材料中形成膨胀的气泡，并有助于流动前沿的继续行进。GACU 24可以基于对行进的流动前沿的位置的测量或者可以例如从多个流动前沿位置计算出的流动前沿速度来调整辅助气体的压力。在一些实施方案中，其他传感器输入可以由控制器32检测并且被集成到用于调整气体辅助、气体背压和熔体注射设定点的决策过程中。

继续看图6的区域IIIa，在气体辅助过程开始之后，GACU 24可以增加注射的气体辅助气体的压力。气体压力的增加在遇到来自熔体的阻力之后可以维持辅助气体的流率。气体压力的增加也可以维持熔体的流动前沿的行进。

在区域IIIb中，图6例示了当控制器32增加气体背压时的情况。该增加可以例如响应于熔体流动前沿以大于最佳或规定速度的速度行进。为了减缓流动前沿的行进，GCPCU26可以将背压增加到新的水平，如气体背压迹线的增加所示。气体辅助和气体背压之间的相互作用使流动前沿不断移动。控制器可以对气体压力和气体背压之间的关系施加约束。例如，控制器可以确保气体压力和气体背压力之间的恒定比率，该比率是为模制中的特定部件设置的。压力比可以被限制在特定范围内。控制器32可以使用压力的算术差或指示气体辅助压力和气体背压之间的差的定量测量的另一数学关系来使流动前沿行进。

转变到填充过程的下一个阶段，可以减少气体背压，如图6的区域IV所示。在一些实施方案中，气体背压甚至可以下降到低于大气压，从而有效地在行进的热塑性材料上产生吸力。当模制例如硅树脂时，这种负压或真空特别有用，并且有助于流动前沿的前进。气体辅助压力继续使热塑性材料行进，以完全填满模腔，直到熔体流动前沿到达腔的与喷嘴相反的一端。随着热塑性材料冷却，塑性压力下降。最终，在接收到适当的控制信号之后，GCPCU 26在打开模腔之前排出辅助气体。替代地，当模腔打开以移除注射模制部件时，可以允许辅助气体排出。

一旦控制器发起气体辅助过程，则三个不同的压力源作用在模腔内的熔融热塑性材料上：注入的热塑性熔体压力、气体辅助压力和气体背压。这三个压力的相互作用还可能受模腔几何形状、表面化学性质和模具的热性质的影响。为了实现没有空隙、充填不足、吹散(即，气体辅助气体吹过模制品的流动前沿或某些其他壁)或其他缺陷的模制品，期望维持对气体辅助压力、气体背压和熔体压力中的每一项的控制。本公开的控制器有利地与指示所有三个的传感器通信，并且具有实时地直接调整三个中的任何或全部的能力。这使得注射模制系统例如能够调整气体辅助压力、背压或熔体压力中的任何或全部，以适应给定注射期间模腔几何形状的变化。在控制器32基于模腔几何形状的变化(诸如厚度变化、方向变化或角度变化)对这些变量中的一个或多个做出调整的情况下，可以对控制器32进行编程，以基于对到达与模腔内这种几何形状变化的位置相符合的位置的流动前沿的检测做出调整。替代地，控制器32可以被编程为基于检测到流动前沿到达模腔内这种几何形状变化的位置上游的位置来做出调整。作为另一替代方案，或另外地，控制器32可以被编程为基于检测到流动前沿到达模腔内这种几何形状变化的位置下游的位置来做出调整。

图7是描述控制器32可能的操作方式的框图。在第一框70中，在开始将熔融聚合物材料注入到模腔中之前，发起气体背压(GCP)。从发起气体背压到开始注入熔融材料所经历的时间将取决于部件。

如第二框73中所述，气体背压取决于塑料熔体压力和流动前沿位置。该比率取决于部件，但背压将小于熔体压力。

如第三框74中所述，一旦熔体流动前沿到达一个位置(在给定的模腔内用于发起气体辅助压力的最佳位置取决于部件)，就发起气体辅助压力(GAP)。气体背压保持恒定。

接下来，如在图7的框76中所描述的，气体辅助压力增加直到熔体流动前沿到达第二位置(该第二位置在模腔内的最佳位置也取决于部件)。气体背压会取决于部件的比率降低到低于气体辅助压力。

接下来转向框78，一旦流动前沿位置达到腔末端的80％-100，气体背压就降低到零(将气体背压减小到零——例如通过气体背压排气部58排气(参见图1)——的最佳位置也取决于部件)。即使在释放气体背压之后，气体辅助压力也维持恒定。

最终，如在图7的流程图的框80中所描述的，在模制中的制品固化至少一个外部塑料层已经经历了足够的时间(该时间再次取决于部件)之后，气体辅助压力减少到零。

控制器32可以被编程为不仅基于检测到的熔体压力或流动前沿位置对气体辅助压力和气体背压中的一个或多个做出调整，还可以被编程为实现某些调整，诸如基于其他检测到的状况——诸如阀卡住、压模操作完成或开始(诸如申请号为15/198,523、公布为US2017/0001346 A1的美国专利申请中所描述的，该申请的全部内容通过引用并入本文)、可折叠芯部件的运动、或检测预喷射序列——开始或停止引入气体辅助压力或气体背压。这些检测到的触发器在本文中通常称为检测到的模腔状况，并且通常是除熔体压力或流动前沿位置以外的因素，并且可以包括可折叠(或以其他方式可移动)的模具壁的致动的开始或完成。气体辅助压力和气体背压力的这种主动控制相对于气体辅助压力或气体背压的单纯取决于时间的控制的缺点提供了明显的优势。

尽管本文已经公开了各种实施方式，但是应当理解，可以做出仍在所附权利要求的范围内的变化。

Claims (20)

1.一种用于控制注射模制填充周期的方法，包括：

将熔融热塑性材料注入模腔中；

在初始压力下将第一气体注入到所述模腔的位于注入的所述热塑性材料的流动前沿下游的一部分中；

在初始压力下将第二气体注入到所述模腔的位于注入的所述热塑性材料的流动前沿上游的一部分中；

确定注入的所述熔融热塑性材料的熔体压力；

确定注入的所述熔融热塑性材料的流动前沿位置；

至少部分地基于以下各项中的至少一项改变所述第一气体的压力：(i)注入的所述熔融热塑性材料的所确定的熔体压力；或(ii)注入的所述熔融热塑性材料的所确定的流动前沿位置；以及

至少部分地基于以下各项中的至少一项改变所述第二气体的压力：(i)注入的所述熔融热塑性材料的所确定的熔体压力；或(ii)注入的所述熔融热塑性材料的所确定的流动前沿位置。

2.根据权利要求l所述的方法，其中，在将所述熔融热塑性材料注入所述模腔中时，注入所述熔融热塑性材料以确保作为时间的函数的所述熔体压力变化基本上符合包括所述熔体压力基本上恒定的一个或多个时间间隔的熔体压力分布。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述一个或多个时间间隔中的至少一个时间间隔期间的所述熔体压力至少部分地基于注入的所述熔融热塑性材料的所确定的流动前沿位置。

4.根据权利要求1、2或3中任一项所述的方法，还包括：至少部分地基于注入的所述熔融热塑性材料的所确定的流动前沿位置来计算流动前沿速度。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，改变所述第一气体的压力至少部分地基于计算出的所述流动前沿速度。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其中，改变所述第二气体的压力至少部分地基于计算出的所述流动前沿速度。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所确定的所述流动前沿位置与所述模腔的几何形状变化相一致，所述几何形状变化包括厚度变化、方向变化或角度变化中的至少一项。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所确定的所述流动前沿位置位于所述模腔的几何形状变化的上游，所述几何形状变化包括厚度变化、方向变化或角度变化中的至少一项。

9.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其中，所确定的所述流动前沿位置位于所述模腔的几何形状变化的下游，所述几何形状变化包括厚度变化、方向变化或角度变化中的至少一项。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，所确定的所述流动前沿位置位于所述模腔的几何形状变化的上游，所述几何形状变化包括厚度变化、方向变化或角度变化中的至少一项，以及确定位于所述模腔的几何形状变化下游的另外的流动前沿位置，并且基于所述另外的流动前沿位置实现所述第一气体或所述第二气体中的至少一项的压力的进一步变化。

11.一种控制系统，所述控制系统被配置为自动调整注射模制设备的操作，所述控制系统包括：

熔体压力感测装置；

熔体流动前沿位置感测装置；

气体辅助控制单元；和

气体背压控制单元，

所述控制系统适于：

使所述注射模制设备将熔融热塑性材料注入模腔中；

使用所述熔体压力感测装置确定注入的所述熔融热塑性材料的熔体压力；

使用所述熔体流动前沿位置感测装置确定注入的所述熔融热塑性材料的流动前沿位置；

使用所述气体辅助控制单元至少部分地基于所确定的所述熔体压力或所确定的所述流动前沿位置来改变气体辅助压力；以及

使用所述气体背压控制单元至少部分地基于所确定的所述熔体压力或所确定的所述流动前沿位置来改变气体背压。

12.根据权利要求11所述的控制系统，还包括熔体压力控制单元，所述熔体压力控制单元适于至少部分地基于所确定的所述熔体压力来改变所述熔体压力。

13.根据权利要求11或12所述的控制系统，还包括熔体行进控制单元，所述熔体行进控制单元适于至少部分地基于所确定的所述流动前沿位置来改变所述熔体压力。

14.根据权利要求11、12或13中任一项所述的控制系统，还包括虚拟腔传感器。

15.根据权利要求11至14中任一项所述的控制系统，其中：

所述注射模制设备包括螺杆，所述螺杆用于将所述熔融热塑性材料注入模腔中；并且

所述熔体流动前沿位置感测装置包括螺杆位置传感器。

16.根据权利要求11至15中任一项所述的控制系统，还包括腔压力变换器。

17.根据权利要求11至16中任一项所述的控制系统，其中，所述熔体流动前沿位置感测装置包括以下各项中的一项：(i)热电偶；或(ii)应变仪。

18.根据权利要求11至17中任一项所述的控制系统，所述控制系统还适于：响应于所述熔体流动前沿位置感测装置检测到所述流动前沿靠近所述模腔的几何形状变化来调整所述熔体压力、所述气体辅助压力和所述气体背压中的两项或更多项，所述几何形状变化是厚度变化、方向变化或角度变化中的至少一项。

19.根据权利要求11至18中任一项所述的控制系统，其中：

所述注射模制设备包括螺杆，所述螺杆用于将所述熔融热塑性材料注入模腔中，所述螺杆由包括电机的电驱动器或包括活塞的液压驱动器致动，并且

所述熔体压力感测装置在以下各处中的至少一处感测压力：(i)所述活塞的后部；(ii)所述螺杆的后部处的荷重元；或(iii)在位于所述螺杆的尖端下游的位置处的熔体流中。

20.根据权利要求11-19中任一项所述的控制系统，还适于：

使用所述气体辅助控制单元至少部分地基于在模制周期期间检测到的模腔状况触发事件来改变气体辅助压力；以及

使用所述气体背压控制单元至少部分基于在模制周期期间检测到的模腔状况触发事件来改变气体背压。

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