CN117841316A - 基于充填过程压力积分的模内聚合物流动状态检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于充填过程压力积分的模内聚合物流动状态检测方法，在型腔流道表面布置压力传感器，得到压力‑时间曲线，记开始充填时刻为t₀，速度与压力切换的时刻为t_v；得到聚合物熔体的平均速度u_z,avg，对[t₀,t_v]时间域内的压力变化进行积分，得到黏度与压力变化的积分的关系；进而得到等效黏度，对等效黏度与标准数据库中的真实黏度进行相关性分析，并建立等效黏度与真实黏度之间的关联模型。本发明拓展了压力传感器的功能，基于压力信息获得熔体的真实黏度状态，提高了在线获取真实黏度数据的精度。

Description

基于充填过程压力积分的模内聚合物流动状态检测方法

技术领域

本发明涉及注塑成型检测领域，尤其涉及一种基于充填过程压力积分的模内聚合物流动状态检测方法。

背景技术

注塑成型加工过程中，聚合物流动性(黏度)评估取决于材料的组成、工艺参数和制造场景，其在线检测可以极大地简化传统工艺参数的优化工作，并实现聚合物熔体状态的调控。通过传统的毛细管、旋转、平板流变仪等测量的离线黏度忽略了注射成型中熔融树脂的真实加热和剪切波动历史，无法满足实际制造需求。

狭缝和毛细管结构为熔体流动状态的在线检测创造了条件，两种结构均可表征成型加工过程中物料的流变状态，包含真实的加工历程。前者限制结构的厚度，简化为准二维模型。后者在柱坐标下，采用Hagen-Poiseuille原理开展计算。在实际应用过程中，尤其在注塑成型中，狭缝和毛细管结构并不多见，实际的模具型腔形状各异，限制了整个结构的应用场景。因此现有技术仍无法直接应用于实际生产过程中，在注塑成型过程中实现复杂模具结构中熔体流动状态的在线检测识别仍存在诸多困难。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种基于充填过程压力积分的模内聚合物流动状态检测方法。

具体技术方案如下：

一种基于充填过程压力积分的模内聚合物流动状态检测方法，包括以下步骤：

步骤一：注塑模具内部设置有型腔流道，聚合物熔体在型腔流道中流动，取聚合物熔体流动方向为z轴，在型腔流道外表面设置压力传感器；

步骤二：开展注塑成型试验，使用压力传感器测量充填过程中型腔流道的壁面熔体压力，得到压力-时间曲线P(t)，记开始充填时刻为t₀，速度与压力切换的时刻为t_v；

步骤三：根据哈根-泊肃叶流动模型，得到聚合物熔体的平均速度u_z,avg，表达式如下：

式中，u_z为型腔流道内的熔体速度，η为聚合物熔体在充填过程的黏度，Δp为充填过程的压力变化值，Δt为充填过程的时间变化值，D为型腔流道内径，L为型腔流道长度；

对[t₀,t_v]时间域内的压力变化进行积分，确定黏度η与压力变化的积分的关系，表达式如下：

步骤四：由于D、L已知，得到等效黏度η_flow，表达式如下：

步骤五：对等效黏度η_flow数据与标准数据库中的真实黏度η_real数据进行相关性分析，并建立等效黏度η_flow与真实黏度η_real之间的关联模型。

进一步地，所述步骤五中，相关性分析具体通过以下操作实现：

通过Pearson相关系数Cor进行相关分析，以确定等效黏度η_flow与真实黏度η_real之间的线性关系程度，相关系数Cor的表达式如下：

式中：x表示等效黏度η_flow中的变量，y表示真实黏度η_real中的变量，为x的均值，/>为y的均值。

进一步地，若|Cor|≤0.3，则等效黏度η_flow与真实黏度η_real之间不存在线性相关；

若0.3≤|Cor|≤0.5，则等效黏度η_flow与真实黏度η_real之间为低度线性关系；

若0.5≤|Cor|≤0.8，则等效黏度η_flow与真实黏度η_real之间为显著线性关系；

若|Cor|>0.8，则等效黏度η_flow与真实黏度η_real之间为高度线性关系。

进一步地，若η_flow与η_real之间为显著线性关系或高度线性关系，则建立等效黏度η_flow与真实黏度η_real之间的关联模型，该关联模型的表达式如下：

η_flow＝Aη_real+B

式中，A和B分别为拟合系数。

进一步地，所述注塑模具内部设置有型腔流道，型腔流道末端为型腔浇口，聚合物熔体沿z轴流动到此处注塑成型得到型腔制品。

本发明的有益效果是：

(1)本发明拓展了压力传感器的功能，基于压力信息获得熔体的真实黏度状态，实现了在线的、基于充填过程压力积分的模内聚合物流动状态检测，最终获得熔体充填过程中的真实黏度数据，提高了在线获取真实黏度数据的精度。

(2)本发明可用以分析熔体在注塑成型过程中流动状态，可用于评估注塑成型充填过程熔体的流动阻力，方便实用、方法简单、通用性更强，测量精度较高。

附图说明

图1是本发明基于充填过程压力积分的模内聚合物流动状态检测方法所用的模具型腔结构示意图。

图2是本发明基于充填过程压力积分的模内聚合物流动状态检测方法的流程图。

图3是本发明注塑充填过程中模内压力P随时间t的变化示意图。

图4是本发明基于压力积分的等效黏度η_flow随注射速率和温度变化的关系曲线图。

图5是本发明实施例中选用的聚碳酸酯(Polycarbonate)熔体的真实黏度η_real随注射速率的变化示意图。

图6是本发明实施例中选用的聚碳酸酯的等效黏度η_flow和真实黏度η_real的Pearson相关性分析系数Cor示意图。

图7是本发明实施例中选用的聚碳酸酯等效黏度η_flow与真实黏度η_real的关系曲线图。

图中，型腔流道1、压力传感器2、型腔浇口3、型腔制品4。

具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，注塑模具内部设置有型腔流道1，聚合物熔体在型腔流道1中流动，取聚合物熔体流动方向为z轴，依据右手法则，将与z轴垂直的两个方向分别定为x轴和y轴。型腔流道1末端为型腔浇口3，聚合物熔体在此处注塑成型得到型腔制品4。

如图2所示，一种基于充填过程压力积分的模内聚合物流动状态检测方法，包括以下步骤：

步骤一：将压力传感器2作为检测元件布局在注塑模具内部，压力传感器2需贴近型腔流道1外表面，避免干扰注塑成型充填过程聚合物熔体流动。

步骤二：对注塑模具开展注塑成型试验，使用压力传感器2测量并记录注塑成型充填过程中型腔流道1的壁面熔体压力变化，得到如图3所示的压力-时间曲线P(t)，记开始充填时刻为t₀；基于压力-时间曲线P(t)上斜率变化，确定注塑成型过程中速度与压力切换的时刻t_v；t_v时刻后，注射速率驱动变化为保压压力驱动成型。

步骤三：根据哈根-泊肃叶流动模型，得到聚合物熔体在型腔流道1中的平均速度u_z,avg，表达式如下：

式中，u_z为型腔流道1内的熔体速度；η为聚合物熔体在充填过程中的黏度，用于反映聚合物充填过程的流动状态；Δp为充填过程的压力变化值，Δt为充填过程的时间变化值，D为型腔流道1的内径，L为型腔流道1的长度。

由上式推导得到进一步对注塑成型速度与压力切换时刻前，即[t₀,t_v]时间域内的压力变化进行积分，从而确定聚合物熔体在充填过程中的黏度η与压力变化的积分的关系，表达式如下：

步骤四：由于D、L已知，得到更易计算的等效黏度η_flow，等效黏度可以作为聚合物熔体流动状态的评价指标，表达式如下：

步骤五：对等效黏度η_flow数据与标准数据库中的真实黏度η_real数据进行相关性分析，在本实施例中，相关性分析具体通过以下操作实现：

通过Pearson相关系数Cor进行相关分析，以确定等效黏度η_flow与真实黏度η_real之间的线性关系程度，相关系数Cor的表达式如下：

式中：x表示等效黏度η_flow中的变量，y表示真实黏度η_real中的变量，和/>为两变量的均值，Cor为相关系数。

具体按照下列情况评判等效黏度η_flow与真实黏度η_real之间相关性：

若|Cor|≤0.3，则等效黏度η_flow与真实黏度η_real之间不存在线性相关；

若0.3≤|Cor|≤0.5，则等效黏度η_flow与真实黏度η_real之间为低度线性关系；

若0.5≤|Cor|≤0.8，则等效黏度η_flow与真实黏度η_real之间为显著线性关系；

若|Cor|>0.8，则等效黏度η_flow与真实黏度η_real之间为高度线性关系。

若η_flow与η_real之间为显著线性关系或高度线性关系，则建立等效黏度η_flow与真实黏度η_real之间的关联模型，该关联模型的表达式如下：

η_flow＝Aη_real+B

式中，A和B分别为拟合系数。

基于等效黏度与真实黏度的关联模型可实现在注塑成型过程中基于等效黏度η_flow确定熔体的真实黏度η_real，从而实现对注塑模具内部聚合物熔体流动状态的在线检测，确定熔体充填过程的流动阻力变化。

下面通过实施例具体说明本发明。

实施例一

步骤一：在型腔流道1外表面设置压力传感器2。

步骤二：取型腔流道1内的聚合物熔体为聚碳酸酯(Polycarbonate)，进行注塑成型实验，得到如图3所示的压力-时间曲线P(t)，记开始充填时刻为t₀，聚合物熔体速度与压力切换的时刻为t_v。实验过程的注塑工艺参数如下表1所示：

表1注塑成型工艺参数

工艺参数	值
		模具温度(℃)	100
熔体温度(℃)	270,290,310
		注射压力(MPa)	250
保压压力(MPa)	200
		螺杆直径(mm)	18
背压(MPa)	0
		速度/压力切换位置(mm)	5.5
冷却时间(s)	5.0
		锁模力(ton)	35
注射速率(mm·s-1)	25,50,75,100,125,150

步骤三：根据哈根-泊肃叶流动模型，得到聚合物熔体在型腔流道1中的平均速度u_x,avg，进而得到聚合物熔体在充填过程中的黏度η与压力变化的积分的关系。

步骤四：得到在不同熔体温度和注射速率下的等效黏度η_flww，结果如图4所示。

步骤五：从标准数据库中获得在不同熔体温度和注射速率下的真实黏度η_real，如图5所示。由图4可知，基于充填过程压力积分的聚碳酸酯熔体等效黏度η_flow随注射速率增大而降低，同时等效黏度随熔体温度的升高而降低。熔体等效黏度η_flow很好反映出了非牛顿熔体的速度、温度相关性，变化过程与图5真实黏度曲线一致。

对等效黏度η_flow与真实黏度η_real进行相关性分析，如图6所示，不同熔体温度下，等效黏度η_flow和真实黏度η_real的Pearson相关性分析系数Cor均大于0.8，证明等效黏度η_flow与真实黏度η_real之间呈现高度线性关系；

如图7所示，由于聚碳酸酯等效黏度η_flow和真实黏度η_real之间呈现高度线性关系，建立等效黏度与真实黏度的关联模型，拟合曲线均方差R²大于0.9，在270℃和310℃下，等效黏度与真实黏度的关联模型在不同熔体温度下的表达式如下：

熔体温度270℃：η_flow＝0.028η_real+0.676

熔体温度310℃：η_flow＝0.015η_real+0.417

本发明方法拓展了压力传感器2的功能，基于压力信息获得熔体的黏度状态，实现了在线的充填过程压力积分的模内聚合物流动状态检测，确定熔体充填过程中的真实黏度数据，可用于评估成型充填过程熔体的流动状态和流动阻力，使测量方式更具通用性。本发明无需昂贵的传统流变仪，可将测量结构直接集成在聚合物成型加工装置中，使整个检测过程更加高效简洁。本发明不仅能够用于注塑成型的模具内部熔体流动检测，以及料筒喷嘴处的熔体流动研究，也可广泛应用于材料、化工、制药、涂料、食品等行业的黏度测量。

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于充填过程压力积分的模内聚合物流动状态检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：注塑模具内部设置有型腔流道，聚合物熔体在型腔流道中流动，取聚合物熔体流动方向为z轴，在型腔流道外表面设置压力传感器；

步骤二：开展注塑成型试验，使用压力传感器测量充填过程中型腔流道的壁面熔体压力，得到压力-时间曲线P(t)，记开始充填时刻为t₀，速度与压力切换的时刻为t_v；

步骤三：根据哈根-泊肃叶流动模型，得到聚合物熔体的平均速度u_z,avg，表达式如下：

式中，u_z为型腔流道内的熔体速度，η为聚合物熔体在充填过程的黏度，Δp为充填过程的压力变化值，Δt为充填过程的时间变化值，D为型腔流道内径，L为型腔流道长度；

对[t₀,t_v]时间域内的压力变化进行积分，确定黏度η与压力变化的积分的关系，表达式如下：

步骤四：由于D、L已知，得到等效黏度η_flow，表达式如下：

步骤五：对等效黏度η_flow数据与标准数据库中的真实黏度η_real数据进行相关性分析，并建立等效黏度η_flow与真实黏度η_real之间的关联模型。

2.根据权利要求1所述的基于充填过程压力积分的模内聚合物流动状态检测方法，其特征在于，所述步骤五中，相关性分析具体通过以下操作实现：

通过Pearson相关系数Cor进行相关分析，以确定等效黏度η_flow与真实黏度η_real之间的线性关系程度，相关系数Cor的表达式如下：

式中：x表示等效黏度η_flow中的变量，y表示真实黏度η_real中的变量，为x的均值，/>为y的均值。

3.根据权利要求2所述的基于充填过程压力积分的模内聚合物流动状态检测方法，其特征在于，若|Cor|≤0.3，则等效黏度η_flow与真实黏度η_real之间不存在线性相关；

若0.3≤|Cor|≤0.5，则等效黏度η_flow与真实黏度η_real之间为低度线性关系；

若0.5≤|Cor|≤0.8，则等效黏度η_flow与真实黏度η_real之间为显著线性关系；

若|Cor|>0.8，则等效黏度η_flow与真实黏度η_real之间为高度线性关系。

4.根据权利要求3所述的基于充填过程压力积分的模内聚合物流动状态检测方法，其特征在于，若η_flow与η_real之间为显著线性关系或高度线性关系，则建立等效黏度η_flow与真实黏度η_real之间的关联模型，该关联模型的表达式如下：

η_flow＝Aη_real+B

式中，A和B分别为拟合系数。

5.根据权利要求1所述的基于充填过程压力积分的模内聚合物流动状态检测方法，其特征在于，所述注塑模具内部设置有型腔流道，型腔流道末端为型腔浇口，聚合物熔体沿z轴流动到此处注塑成型得到型腔制品。