CN1946531B - 使用活性材料元件的注射压缩模制的方法和装置 - Google Patents

使用活性材料元件的注射压缩模制的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供用于在一注射模具中压缩熔化物和/或补偿熔化物收缩的方法和装置。所述装置包括一邻近于一腔板(701)的腔模具部分(703)、一邻近于一芯板(704)的芯模具部分(702)、一形成于所述模具部分之间的模腔和至少一个压电陶瓷致动器(708)，所述压电陶瓷致动器(708)设置于所述芯板(704)与所述芯模具部分(702)之间和/或所述腔板(701)与所述腔模具部分(703)之间。一控制器连接到所述至少一个压电陶瓷致动器(708)且对其实行致动，从而使得模腔容积减小，进而压缩熔化物。

Description

使用活性材料元件的注射压缩模制的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种方法和装置，其中在注射模制机设备(例如插入物堆叠或热流道喷嘴组合件)中使活性材料元件，以便提供模腔内部的熔化物压缩，从而改进模制物品的质量，包括其表面抛光和尺寸准确性，且补偿塑料收缩。“活性材料”是一类形变材料，例如压电陶瓷、电致伸缩体、磁致伸缩体、形状记忆合金和类似物。在本发明中，其还可用作传感器。
背景技术
活性材料的特征是作为可将一种形式的能量转换成另一种形式的能量的换能器。举例来说，压电致动器(或马达)将输入电能转换成导致元件的尺寸变化的机械能，而压电传感器(或发电机)将机械能(元件的尺寸形状的变化)转换成电能。Berghaus的美国专利第5,237,238号中展示压电陶瓷换能器的一个实例。压电致动器的一个供应商是德国D-85221 Dachau，Hans--Str.2的Marco Systemanalyse und Entwicklung GmbH，且它们的广告资料和网站说明此类器件。通常，向压电陶瓷插入物施加1000伏的电位将导致其厚度“生长”约0.0015″/英寸(0.15％)。另一供应商，Maine的Medford的Midé Technology Corporation，具有包括磁致伸缩体和形状记忆合金的多种活性材料，且其广告资料和网站说明此类器件，包括材料说明书和其它公开细节。
注射压缩模制用于许多应用中以改进正模制的物品的特性。Maus的第4,828,769号美国专利揭示了用于模制压缩盘的此应用。Kawaguchi的第4,420,454号美国专利揭示了用于模制塑料罐的此应用。通常，在这些实例中，液压致动汽缸或机械式致动器用于引发用于实现产品压缩的最终夹持动作。
因此，需要一种能够压缩模制的新技术，其提供一可调整的控制水平，且优选地提供嵌入式传感器和压缩模制过程的封闭回路控制。
发明内容
本发明的一个优点在于提供注射模制机装置和方法以克服前述问题，并提供一种用于在注射模制机中执行压缩模制的有效且高效率构件。
根据本发明的第一方面，提供用于在注射模腔内压缩熔化物的结构和/或步骤，其包括以下步骤：在一注射模具中提供至少一个固定表面；将至少一个活性材料元件安装在所述至少一个固定表面上；在所述注射模具中邻近所述至少一个活性材料元件处提供至少一个可移动模具表面；使用熔化物填充注射模具；和启动所述至少一个活性材料元件以迫使所述至少一个可移动模具表面离开所述至少一个固定表面，从而压缩所述熔化物。
根据本发明的第二方面，为一装置提供用于在注射模腔中压缩熔化物的结构和/或步骤，其包括：在注射模具内的至少一个稳定表面；在注射模具内的至少一个可移动表面；至少一个活性材料元件，其粘附到每个稳定表面且邻近每个可移动表面；和控制构件，其用于使所述至少一个活性材料元件供能，以将所述可移动表面移离所述稳定表面，从而减小所述注射模腔的大小且压缩熔化物。
根据本发明的第三方面，提供用于补偿注射模具内的熔化物收缩的结构和/或步骤，其包括以下步骤：提供一注射模具，其具有一芯插入物、一芯板、一腔插入物和一歧管板；将至少一个活性材料元件安装在所述插入物与所述板之间；提供一控制器，其与所述至少一个活性材料元件通信；和使用所述控制器而与所述至少一个活性材料元件通信，以在填充期间扩大一位于所述芯插入物与所述腔插入物之间的模腔。
附图说明
现将参看附图来描述本发明的当前优选特征的示范性实施例，其中：
图1描绘结合本发明的模具堆叠；
图2描绘在向前或压缩位置中的结合本发明的模具堆叠；
图3描绘在向后或模具填充位置中的结合本发明的芯锁式预成型模制堆叠；和
图4描绘在向前或压缩位置中的结合本发明的芯锁式预成型模制堆叠。
具体实施方式
1.引言
现将参照若干实施例来描述本发明，其中向塑料注射模制机供应用于引起注射模腔内部熔化物压缩的一个或一个以上活性材料元件。此类活性材料元件的其它应用在以下相关申请案中加以论述，所述申请案标题为：(1)“Method and Apparatus for Countering Mold Deflection and Misalignment Using Active Material Elements”(PCT/CA2005/000415)；(2)“ Method and Apparatus for Adjustable Hot Runner Assembly Seals and Tip Height Using Active Material
如上所论述，在此项技术中需要用于使用活性材料元件来致动模具部分(例如芯)以引起模腔内部的熔化物压缩的方法和装置。在以下描述中，压电陶瓷插入物被描述为优选的活性材料。然而，根据本发明也可使用来自活性材料族的其它材料，例如磁致伸缩体和形状记忆合金。下文在表1中陈述可能的替代性活性材料及其特征的列表，且根据本发明可使用这些活性材料中的任一种。
表1.活性材料比较
Figure GSB00000519921800031
(信息源自www.mide.com)
2.第一实施例的结构
图1和2中展示本发明的第一优选实施例，其描绘冷流道边缘浇口模具堆叠，所述堆叠包含腔块701和芯块702、可移动腔插入物703和可移动芯插入物704。所述可移动插入物由配备垫圈706和弹簧垫圈707的螺栓705保持，使得弹簧垫圈707恒定地将插入物驱使朝向各自块中的各自凹进切口。
所述可移动腔插入物703和可移动芯插入物704可具备压电陶瓷器件708，使得可致动插入物703、704中的任一者或两者以引起模腔内熔化物压缩。压电陶瓷器件708由管道709连接到控制器(未图示)。
通过向压电陶瓷器件708和类似物供能而移动可移动腔和芯插入物703和704，以引起所述插入物远离压电陶瓷器件708并朝向模腔移动，从而减小邻近正移动的腔和/或芯插入物的正被模制的零件的壁厚度。压电陶瓷器件708通过管道709而连接到控制器(未图示)，且可被供能以引起熔化的树脂压缩。此类在将树脂注射到腔中期间和/或之后立即引起的压缩导致制成的模制零件具有改进的机械特性。
塑料通过浇道710、流道711和浇口712而注射到腔中。块和插入物中的冷却沟道713使所述塑料冷却，以使得其迅速凝固成模制形状。在已打开模具之后致动顶出销714，以引起模制零件以常规方式从芯中顶出。替代实施例是在模制堆叠的一半部分中仅使用一个可移动插入物。单个插入物可足以引发模腔中满意的熔化物压缩。单个插入物系统的使用降低了用于压缩模具中熔化物的构件的安装成本。
根据本发明当前优选实施例，活性材料(例如，压电陶瓷)插入物708位于腔块701与可移动腔插入物703之间以及芯块702与可移动芯插入物704之间。活性材料插入物708优选为由控制器(未图示)通过布线管道709而驱动的致动器，但也可利用无线控制方法。同样预见，插入物708可位于模具组合件内的其它位置中，只要所述位置允许致动所述元件以导致注射模具组件以引起模具中所含的熔化的树脂压缩的方式移动。举例来说，致动器还可定位于腔块701与芯块702之间的界面处，可使用单个致动器来代替若干致动器，作为替代配置或除图1中所示的配置之外的配置。
压电陶瓷插入物708优选地为矩形的单个致动器。根据当前优选实施例，致动器约为30.0mm厚，且其长度可根据需要那样长。当通过管道709来施加1000V的电压时，其厚度增加约50微米。然而，多个致动器和/或具有其它形状的致动器的使用涵盖在本发明范围内，且因此本发明不限于插入物708的任何特定配置。
优选地，可邻近致动器708处(或在上文所述的有关表面的任何一者之间)提供一个或一个以上单独压电陶瓷传感器，以检测由可移动腔插入物703与可移动芯插入物704之间的熔化物的存在所导致的压力，且/或检测由元件708的致动而给予熔化物的压缩程度。优选地，传感器向控制器(未图示)提供感测信号。根据本发明优选实施例而使用的压电元件(即，压电传感器和/或压电致动器)可包含由Marco Systemanalyse und Entwicklung GmbH制造的器件中的任何一者。压电传感器检测使用元件708而施加到熔化物的压力和/或压缩，并通过布线连接件709传输相应感测信号，从而允许控制器实现封闭回路反馈控制。压电致动器708将通过布线连接件709来接收致动信号，根据所述致动信号而改变尺寸，且在腔块701与可移动腔插入物703之间以及在芯块702与可移动芯插入物704之间施加相应的力，从而可调节地控制给予设置在可移动腔插入物703与可移动芯插入物704之间的熔化物的压缩程度。
注意，可提供所述压电传感器以在任何期望位置处感测压力。同样，可提供一个以上压电致动器以形成元件708，所述一个以上压电致动器串联或串接安装以便实现扩展移动、角度移动等。另外，每一压电致动器可分割成一个或一个以上弓形、梯形、矩形等形状，所述形状可被单独控制以在表面之间的各个位置处提供不同的力。另外，压电致动器和/或致动器区段可堆叠成两层或两层以上，以视需要实现精确的压缩控制。
布线管道709耦合到任何期望形式的控制器或处理电路以便读取压电传感器信号且/或向压电致动器提供致动信号。举例来说，一个或一个以上通用计算机、专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、门阵列、模拟电路、专用数字和/或模拟处理器、硬连线电路等可控制或感测本文所述的压电元件31。用于控制所述一个或一个以上处理器的指令可存储在任何期望的计算机可读媒介和/或数据结构中，例如软盘、硬盘驱动器、CD-ROM、RAM、EEPROM、磁性媒介、光学媒介、磁光媒介等。
根据本实施例的元件708的使用还允许上述注射模具组合件的各种组件被制造成具有较低公差，从而降低制造注射模制机组件本身的成本。其它益处包括更有效地调节模具内所含有的熔化物的压缩量的能力，从而改进正生产的模制物品的质量。
3.第一实施例的过程
在操作中，通过浇道710、流道711和浇口712来注射树脂以填充腔。压电陶瓷器件708通过管道709而被供能以彼此相向移动，从而减小其之间的塑料壁厚度。图2展示在此供能或致动位置中的压电陶瓷器件708和因此形成的具有减小的壁厚度的面板。还可根据替代实施例来使用从模腔一侧开始动作的单个插入物来压缩熔化物，并以较低设备成本在零件中形成更薄壁区域，且在某些应用中这个替代实施例为优选的。在零件已凝固，模具被打开且零件被顶出之后，压电陶瓷器件708被断能且回到其先前(收回)位置以用于下一周期。这项技术可用于其中零件的壁厚度需要比常规注射模制的更薄、或形成局部无应力面板等的应用中。
当压电元件708与封闭回路控制配置一起使用时，传感器元件响应于可移动腔板703与可移动芯板704之间的压力和/或压缩而产生信号，且通过管道709将所述信号传输到控制器(未图示)。基于从传感器接收到的信号，控制器接着产生适当的致动信号，所述致动信号通过管道709传输到致动器元件708，从而根据从传感器接收到的数据而向致动器元件708供能，以完成包含在可移动腔板703与可移动芯板704之间的熔化物的合适压缩。举例来说，可对控制器进行编程以致使压缩力保持恒定，或基于时间、温度和/或周期数目，根据预定进度表而增加和/或减少压缩。
4.第二实施例的结构
参照本发明的第二优选实施例，图3和4描绘包括半芯的预成型模制堆叠601，所述半芯包括一对颈环622a和622b、锁定环624、芯623、芯冷却管660、芯密封640、芯压电陶瓷致动套管631、电源连接件633、芯弹簧组661和锁定环螺栓662。锁定环624具有凸缘625，螺栓662穿过所述凸缘625将锁定环固定到芯板629。芯623由插口664定位在芯板629中，且由弹簧组661驱使以抵靠芯板629，所述弹簧组661包括一个或一个以上Belleville型弹簧垫圈。
压电陶瓷致动套管631位于芯板中，且当被致动时，对芯623的底部施加力，驱使其远离芯板629，从而压缩弹簧组661。芯具有锥形对准表面639，其接触锁定环624的内表面上的互补表面636，以使得当被致动时，芯被向前保持抵靠着所述锥面，如图4所示。压电陶瓷致动套管631提供将芯623保持在这个位置中的足够力，以在模制周期的固化阶段期间确保芯稳定性和对准。压电陶瓷插入物631优选为环形和/或管状的。根据当前优选实施例，致动器的长度约为30.0mm，且直径约为25.0mm，且当通过管道633施加1000V的电压时，长度增加约50微米。
芯还具有圆柱形部分666，其接触锁定环624上的互补圆柱形部分667以实现滑动密封，从而防止模制材料通过表面666与667之间的此圆柱形界面而泄漏，且同时允许两个表面之间的相对轴向运动。
可选地，可提供一个或一个以上单独压电陶瓷传感器以检测由设置在芯623与腔665之间的熔化物导致的压力和/或压缩。这些传感器还可由管道633连接到控制器。根据本发明而使用的压电元件(即，压电传感器和/或压电致动器)可包含由Marco Systemanalyse und Entwicklung GmbH制造的器件中的任何一者。压电传感器可检测包含在芯623与腔665之间的熔化物中的压力/压缩，并通过管道633传输相应感测信号，从而实现封闭回路反馈控制。压电致动器接着通过管道633接收致动信号并施加相应的力。注意，可提供所述压电传感器以在来自任何期望位置的压力和/或压缩。同样，可提供一个以上压电致动器来代替本文所述的任何单个致动器，且所述致动器可串联或串接安装以便实现扩展移动、角度移动等。
如上所述，使用上述活性元件插入物的一个显著优点在于允许用于注射模具的组件的制造公差变宽，从而显著降低其加工成本。在上述配置中使用压电陶瓷插入物的另一优点在于其对熔化物提供改进的压缩，从而产生更高质量的模制物品，而无需庞大或昂贵的压缩装置。
5.第二实施例的过程
与第一实施例的过程相似，在操作中，通过使压电陶瓷致动套管631不活动且允许弹簧组661将芯623保持成抵靠着芯板而将芯623保持在如图3所示的向后位置中。圆柱形互补表面666和667防止所进入的树脂在其界面处泄漏。在填充时间期间或随即在已填充模腔之后，致动压电陶瓷致动套管631以驱使芯623向前且压缩模腔中的熔化物。芯由互补锥形表面636和639对准，以确保在其最终向前位置中，其在期望位置中居中且对准，使得模制物品形成为具有所需尺寸配置。在零件已经充分冷却之后，打开模具且以常规方式顶出零件。
替代操作是使用压电陶瓷致动套管631在模制周期的冷却部分期间前移模芯插入物，使得模制物品的局部部分具有更薄壁区域。一个此类应用可用于生产“智能卡”，其中在塑料卡中形成局部凹陷以在其中容纳电子芯片。
在替代实施例中，充当传感器的压电陶瓷元件(未图示)与致动元件组合使用以提供封闭回路反馈配置(如上所述)。传感器元件响应于芯623与腔665之间存在的熔化物的压力和/或压缩而产生信号，并通过电源连接件633将信号传输到控制器。基于从传感器接收到的信号，控制器接着产生其它信号，所述其它信号通过连接件633传输到致动器，从而根据从传感器接收到的数据向致动器供能以完成模具内所含有的熔化物的有效压缩。
在预成型坯的模制中利用注射压缩可补偿塑料收缩，从而缩短了模制周期，这是由于无需为提供用于补偿模腔内收缩量的额外材料而保持模具浇口打开。通过在填充期间将芯保持在收回位置中而提供的额外容积提供此“收缩补偿”量，从而允许在周期的早期关闭浇口。第二优点在于通过在芯前移时压缩熔化物来形成预成型坯的顶部密封表面(TSS)，从而改进预成型坯中此关键部件的表面抛光质量和尺寸准确度。
6.结论
因此，已描述一种在注射模制机中单独或组合地使用活性材料元件的方法和装置，以便实现对用于注射压缩模制的注射模制装置的有用改进。
根据本发明的有利特征包括：1.压电陶瓷元件单独或组合地用于移动模芯，从而提供用于填充的额外模腔容积，所述额外模腔容积可用于补偿收缩；2.使用受封闭回路控制的力产生单元在模腔内提供注射压缩模制过程；3.使用局部力产生单元使得芯插入物前移，且在制成的模制物品中提供比周围壁区域薄的局部成形壁区域；和4.使用局部力产生单元进行壁区域厚度的动态调整。
虽然本发明提供针对大体上具有垂直于预成型坯轴线的圆形横截面形状的注射模制PET塑料预成型坯的明显优点，但所属领域的技术人员将了解，本发明同样可应用于可能具有非圆形横截面形状的其它模制产品，例如提桶、漆罐、装运箱和其它类似产品。所有这些模制产品均在所附权利要求书的范围内。
附图中以略图展示或以方框指示的个别组件在注射模制技术中都是众所周知的，且其特定构造和操作对于执行本发明的操作或最佳模式并不重要。
虽然已参照当前认为是优选实施例的那些实施例来描述本发明，但应了解，本发明并不限于所揭示的实施例。相反，本发明希望涵盖包括在所附权利要求书的精神和范围内的各种修改和等效配置。所附权利要求书的范围符合最广泛的理解以便涵盖所有这些修改以及等效结构和功能。

Claims (14)

1.一种用于压缩一注射模腔中的熔化物的装置，其包含：
一腔块(701)；
一可移动腔插入物(703)；
一芯块(702)；
一可移动芯插入物(704)；
一第一活性材料元件(708)，其邻近于所述可移动腔插入物(703)；
一第二活性材料元件(708)，其邻近于所述可移动芯插入物(704)；
所述第一和第二活性材料元件(708)在使用中可连接到一控制构件以便给所述第一和第二活性材料元件(708)中至少一者供能以移动所述可移动芯插入物(704)或所述可移动腔插入物(703)中至少一者，从而减少所述注射模腔的大小且压缩所述熔化物；
进一步包括至少一个传感器，所述至少一个传感器用于检测在使用中因所述注射模具中熔化物的存在所导致的压力。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一活性材料元件(708)是邻近于所述可移动腔插入物(703)的复数个活性材料元件(708)。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述第二活性材料元件(708)是邻近于所述可移动芯插入物(704)的复数个活性材料元件(708)。
4.根据权利要求2所述的装置，其中所述复数个活性材料元件(708)串接安装。
5.根据权利要求2所述的装置，其中所述复数个活性材料元件(708)串联安装。
6.根据权利要求3所述的装置，其中所述第一和第二复数个活性材料元件(708)串接安装。
7.根据权利要求3所述的装置，其中所述第一和第二复数个活性材料元件(708)串联安装。
8.根据权利要求1、2、4或5所述的装置，其中所述活性材料元件(708)选自矩形、弓形或梯形形状的群组。
9.一种补偿一注射模具内熔化物收缩的方法，其包含以下步骤：
将一芯(623)固持在一向后位置；
使一树脂流动到一模具中的一腔内；
致动一压电陶瓷致动器(631)以移位所述芯(623)，以使一锁定环(624)上的一互补锥形对准表面(636)与所述芯(623)上的一锥形对准表面(639)啮合，从而在所述树脂的一固化阶段期间提供芯稳定性和对准，且其中在所述芯(623)和所述锁定环(624)之间提供一滑动密封，以在允许相对轴向运动的同时防止模制材料通过其中泄露。
10.一种用于补偿一注射模具的一腔内的熔化物收缩的装置，其包含：
一芯(623)，其邻近于一芯板(629)；
一锥形对准表面(639)，其设置在所述芯(623)的一表面上；
一锁定环(624)，其设置在所述芯(623)的一部分周围；
一互补锥形对准表面(636)，其设置在所述锁定环(624)的一表面上；和
至少一个压电陶瓷致动器(631)，其设置在所述芯板(629)与所述芯(623)之间，其中所述压电陶瓷致动器(631)的致动使所述芯(623)移位，以便使所述互补锥形对准表面(636)与所述锥形对准表面(639)啮合，从而在一固化阶段期间提供芯稳定性和对准；且所述芯(623)包含一圆柱形部分(666)，所述圆柱形部分与所述锁定环(624)上的互补圆柱形部分(667)接触以产生一滑动密封，从而在允许相对轴向运动的同时防止模制材料通过其中泄露。
11.根据权利要求10所述的装置，其进一步包含一设置在所述锁定环(624)与所述芯(623)之间的芯弹簧组(661)，其中所述芯弹簧组(661)在使用中使所述互补锥形对准表面(636)从所述锥形对准表面(639)断开。
12.根据权利要求10或11所述的装置，其进一步包含用以在使用中检测熔化物压力的传感器。
13.根据权利要求10或11所述的装置，其进一步包含用以在使用中检测压缩的传感器。
14.根据权利要求10或11所述的装置，其中多于一个的所述压电陶瓷致动器(631)被串接安装。
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