用于低恒压注塑设备的可供选择的压力控制的制作方法

用于低恒压注塑设备的可供选择的压力控制的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于注塑设备的熔体压力调节机构，所述注塑设备具有在熔融塑料注入模具中之前对所述熔融塑料加压的熔体夹持器，所述熔融塑料具有熔体压力；以及用于将所述熔融塑料从所述熔体夹持器推进到所述模具中的注射元件，所述熔体压力调节机构包括：设置在所述熔体夹持器和所述模具之间的压力调节装置，所述压力调节装置保持所述模具腔体内的基本上恒定的熔体压力，所述压力调节装置包括流体压力调节阀和减压阀之一。注塑机通过在6,000psi和更低的低恒压下将熔融热塑性材料注入模具腔体中而形成模塑部件。
【专利说明】用于低恒压注塑设备的可供选择的压力控制
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于注塑的设备和方法，并且更具体地，涉及在低恒定压力下制备注塑部件的设备和方法。
【背景技术】
[0002]注塑是一种通常用于大批量制造由可熔融材料制成的部件(最常见的是由热塑性聚合物制成的部件)的技术。在重复性注塑过程中，将塑性树脂(最常见的为小珠或粒料形式)引入注塑机中，注塑机在热、压力和剪切下使所述树脂珠熔融。将这样熔融的树脂强力地注入具有特定腔体形状的模具腔体中。注入的塑料在模具腔体中被保持在压力下，冷却，然后作为固化部件被取出，所述固化部件具有基本上复制了模具的腔体形状的形状。模具自身可具有单个腔体或多个腔体。每个腔体均可通过浇口连接至流动通道，所述浇口将熔融树脂流引导至腔体中。因此，典型的注塑程序包括四个基本的操作:(I)将塑料在注塑机中加热，以允许其在压力下流动；(2)将熔化的塑料注入限定于已闭合的两个模具半块之间的一个或多个模具腔体中；(3)允许所述塑料处于压力下的同时在所述一个或多个腔体中冷却并硬化；以及(4)打开模具半块以使部件从模具中弹出。
[0003]将熔融塑性树脂注入模具腔体中，并且通过注塑机的注射元件迫使所述塑性树脂挤过腔体，直至所述塑性树脂到达腔体中的最远离所述浇口的位置。部件的所得长度和壁厚起因于模具腔体的形状。
[0004]尽管可能期望减小注塑部件的壁厚以减少塑料含量，并因此降低最终部件的成本；但是使用常规注塑法减小壁厚可能是昂贵且不易完成的任务，尤其是当壁厚的设计小于1.0毫米时。在常规注塑方法中，当液态塑性树脂被引入注射模具中时，邻近腔体壁的材料会立即开始“冻结”或硬化和固化。随着材料流动通过模具，抵靠模具的侧面会形成材料的边界层。随着模具的继续填充，边界层继续增厚，最终封闭住材料流动的路径并阻止附加材料流入模具中。当模具冷却时，塑性树脂在模具壁上冻结的问题变得更严重，使用某种技术来减小每个部件的循环时间并增加机器的吞吐量。
[0005]也可能期望设计出一种部件和对应的模具，使得液态塑性树脂从具有最厚壁厚的区域流向具有最薄壁厚的区域。增加模具的某些区域中厚度能够确保有足够的材料流入其中需要强度和厚度的区域中。这种“厚处向薄处”的流动路径要求可导致对塑料的低效使用，并且对于注塑部件的制造商来讲会导致更高的部件成本，因为附加的材料必须在其中不需要材料的位置模塑成部件。
[0006]一种用以减小部件壁厚的方法是，当液态塑性树脂被引入模具中时增加其压力。通过增加压力，模塑机能够在流动路径被封闭之前继续迫使液态材料进入到模具中。然而，增加压力会具有成本和性能两方面的缺点。当模塑所述组件所需的压力增加时，模塑设备必须具有足够的强度以耐受附加的压力，这一般等同于更昂贵的费用。制造商可能不得不购买新的设备以适应这些增加的压力。因此，给定部件的壁厚的减小可导致显著的用以通过常规注塑技术实现所述制造的资本费用。[0007]另外，当液态塑性材料流入注射模具中并快速冻结时，聚合物链会保持当聚合物处于液态形式时所存在的高水平的应力。当分子取向在部件中被锁定时，冻结聚合物分子保持较高水平的流动诱发的取向，从而导致冻结内应力态。这些“模塑在内的”应力可导致部件在模塑之后翘曲或凹陷、具有降低的机械特性、以及具有减小的对化学暴露的抗性。对于注塑部件诸如薄壁盆状物、活动铰链部件、和闭合件来讲，控制和/或最小化这种降低的机械特性是尤其重要的。
[0008]为了避免上述的一些缺点，很多常规的注塑操作使用剪切致稀塑性材料以改善塑性材料进入模具腔体中的流动。在将剪切致稀塑性材料注入模具腔体中时，在塑性材料和模具腔体壁之间产生剪切力并且模具腔体壁趋于减小塑性材料的粘度，由此允许塑性材料更自由且容易地流入模具腔体中。因此，可足够快地填充薄壁部件以避免材料在模具被完全填充之前冻结。
[0009]粘度的减小与塑性材料和进料系统之间、以及塑性材料和模具腔体壁之间产生的剪切力的量级直接相关。因此，这些剪切致稀材料的制造商和注塑系统的操作者已努力驱使注塑压力更高以提高剪切，从而降低粘度。通常，注塑系统在15，OOOpsi或更大的熔体压力下将塑性材料注入模具腔体中。剪切致稀塑性材料的制造商教导注塑操作者在高于最小熔体压力下将塑性材料注入模具腔体中。例如，通常在大于6，OOOpsi (由聚丙烯树脂制造商推荐的范围，通常为大于6，OOOpsi至约15，OOOpsi)的压力下加工聚丙烯树脂。树脂制造商推荐不超过所述范围的上限。压机制造商和加工工程师通常推荐在所述范围的上限或显著更高的压力下加工剪切致稀聚合物，以实现最大的潜在剪切致稀，其通常大于15，OOOpsi,以从塑性材料中提取最大致稀和更好的流动性能。剪切致稀热塑性聚合物一般在超过6，OOOpsi至约30，OOOpsi的范围内加工。
[0010]用于注塑机的模具必须能够承受这些高熔体压力。此外，形成模具的材料必须具有能够耐受对于模具在其寿命过程中被预期运行的总循环数而言的最大循环应力的疲劳极限。因此，模具制造商通常由具有高硬度，通常大于30RC，且更通常大于50Rc的材料来形成模具。这些高硬度材料是耐久的并被装备成耐受注塑加工期间使模具组件保持相对于彼此压紧所需的高夹紧压力。这些高硬度材料也能够更好地抵抗来自模塑表面和聚合物流之间重复接触的磨损。
[0011]生产薄壁消费品的高产注塑机(B卩，101级和102级模塑机)仅使用模具中的大部分由高硬度材料制成的模具。高产注塑机通常每年生产500，000次循环或更多。优质工业生产模具必须被设计成耐受至少每年500，000次循环，优选地多于每年1，000, 000次循环，更优选地多于每年5，000, 000次循环，且甚至更优选地多于每年10，000, 000次循环。这些机器具有多腔体模具和复杂的冷却系统以提高生产率。高硬度材料比低硬度材料更能够耐受重复的高压夹紧操作。然而，高硬度材料(例如大多数工具钢)具有相对低的热导率，一般小于20BTU/HR FTT，这导致较长的冷却时间，因为热从熔融塑性材料传递通过高硬度材料。
[0012]为了减少循环时间，典型的具有由高硬度材料制成的高产注塑机包括使冷却流体在模具内循环的相对复杂的内部冷却系统。这些冷却系统加速模塑部件的冷却，由此允许机器在给定量的时间内完成更多循环，这增加了生产速率并由此增加了生产的模塑部件的总量。在一些101级中，可运行大于I或2百万次循环每年，有时将这些模具称为“超高产模具”或“401级模具”。
[0013]对于模具，使用高硬度材料的另一个缺点是高硬度材料(如工具钢)一般相当难以机加工。因此，已知的高生产量注射模具要求大量机加工时间和昂贵的机加工设备来形成，以及昂贵和费时的后机加工步骤来释放应力并优化材料硬度。
【专利附图】

【附图说明】
[0014]附图所示的实施例在性质上为例证性和示例性的，并且不旨在限制由权利要求所限定的主题。当结合以下附图阅读时，能够理解对以下例证性实施例的发明详述，其中用类似的附图标号表示类似的结构，并且其中:
[0015]图1示出了根据本公开构造的注塑机的示意图；
[0016]图2示出了形成于图1的注塑机中的薄壁部件的一个实施例；
[0017]图3是图1的注塑机的腔体压力对时间的图；
[0018]图4是图1的注塑机的模具的一个实施例的剖面图；
[0019]图5是进料系统的透视图；并且
[0020]图6A和图6B是自然平衡的进料系统的顶视图和前视图。
[0021]图7A和图7B是另一个自然平衡的进料系统的顶视图和前视图。
[0022]图8是可用于图1的注塑机中的人工平衡进料系统的顶视图。
[0023]图9A和图9B是可用于图1的注塑机中的非平衡进料系统的顶视图。
[0024]图10是根据本公开的教导内容构造的注塑机的第一可供选择的实施例的示意图，其包括用于控制熔体压力的压力调节阀。
[0025]图11是图10的压力调节阀剖面图。
[0026]图12是根据本公开的教导内容构造的注塑机的第二可供选择的实施例的示意图，其包括用于控制熔体压力的压力调节阀。
【具体实施方式】
[0027]本发明的实施例一般涉及通过注塑制备产品的系统、机器、产品、以及方法，并且更具体地涉及通过低恒压注塑制备产品的系统、产品、以及方法。
[0028]如本文所用，相对于热塑性材料的熔体压力的术语“低压”，是指大约6000psi和更低的注塑机的喷嘴附近的熔体压力。
[0029]如本文所用，相对于热塑性材料的熔体压力的术语“基本上恒定的压力”，是指与基线熔体压力的偏差不产生热塑性材料物理特性方面的有意义的变化。例如，“基本上恒定的压力”包括但不限于熔融热塑性材料的粘度不为此发生有意义变化的压力变化。在这方面，术语“基本上恒定”包括与基线熔体压力大约30%的偏差。例如，术语“大约4600psi的基本上恒定的压力”包括在约6000psi (30%高于4600psi)至约3200psi (30%低于4600psi)范围内的压力波动。只要熔体压力波动不超过所列举压力的30%，就认为熔体压力是基本上恒定的。
[0030]详细地参见图，图1示出用于大批量生产薄壁部件的示例性低恒压注塑设备10(例如101级或102级注射模具，或“超高产量模具”)。注塑设备10 —般包括注射系统12和夹紧系统14。可以热塑性粒料16的形式将热塑性材料引入注射系统12中。可将热塑性粒料16置于料斗18中，所述料斗将热塑性粒料16喂入注射系统12的加热圆筒20中。热塑性粒料16在被喂入加热圆筒20中之后可由往复式螺杆22驱动至加热圆筒20的端部。加热所述加热圆筒20以及通过往复式螺杆22压缩热塑性粒料16导致热塑性粒料16融化，从而形成熔融热塑性材料24。通常在约130°C至约410°C的温度下对所述熔融热塑性材料进行加工。
[0031]往复式螺杆22迫使熔融热塑性材料24压向喷嘴26以形成热塑性材料的射流，所述射流将被注入模具28的模塑腔体32中。熔融热塑性材料24可通过浇口 30注射，所述浇口将熔融热塑性材料24的流体引导至模具腔体32中。模具腔体32形成于模具28的第一模具部件25和第二模具部件27之间，并且第一模具部件25和第二模具部件27通过压机或夹紧单元34在压力下保持在一起。压机或夹紧单元34在模塑过程中施加大约IOOOpsi至大约6000psi范围内的夹紧力以将第一模具部件25和第二模具部件27保持在一起，同时将熔融热塑性材料24注入模具腔体32中。为支持这些夹紧力，夹紧系统14可包括模具架和模具基座，所述模具架和模具基座由具有大于约165BHN且优选地小于260BHN的表面硬度的材料形成，但是可使用具有大于260的表面硬度BHN值的材料，只要所述材料是容易机械加工的即可，如下文进一步讨论。
[0032]一旦将熔融热塑性材料24的射流注入模具腔体32中，往复式螺杆22就停止向前行进。熔融热塑性材料24采用模具腔体32的形式，并且熔融热塑性材料24在模具28内部冷却直至热塑性材料24固化。一旦热塑性材料24固化，压机34就释放第一模具部件25和第二模具部件27，所述第一模具部件25和第二模具部件27彼此分隔开，并且成品部件可从模具28中弹出。模具28可包括多个模具腔体32以增加总体产率。
[0033]控制器50与传感器52和螺杆控制36以通信方式连接。控制器50可包括微处理器、存储器、以及一个或多个通信链路。控制器50可分别经由有线连接54，56连接至传感器52和螺杆控制36。在其它实施例中，控制器50可经由无线连接、机械连接、液压式连接、气动式连接、或本领域普通技术人员已知的将使得控制器50与传感器52和螺杆控制36两者通信的任何其它类型的通信连接而连接至传感器52和螺杆控制56。
[0034]在图1的实施例中，传感器52是测量(直接或间接地)喷嘴26中的熔融热塑性材料24的熔体压力的压力传感器。传感器52产生传播到控制器50的电信号。然后控制器50命令螺杆控制36以保持喷嘴26中的熔融热塑性材料24的基本上恒定的熔体压力的速率来推进螺杆22。虽然传感器52可直接测量熔体压力，但是传感器52可测量熔融热塑性材料24的其它特性，诸如指示熔体压力的温度、粘度、流量等。同样,传感器52不需要直接位于喷嘴26中，而是传感器52可位于与喷嘴26流体连接的注射系统12或模具28内的任何位置处。如果传感器52不位于喷嘴26内，则可对所测量的特性施用适当的校正因子以计算喷嘴26中的熔体压力。在其它实施例中，传感器52不需要与喷嘴流体连接。相反，传感器可测量由夹紧系统14在介于第一模具部件25和第二模具部件27之间的分模线处产生的夹紧力。
[0035]虽然图1示出了工作中的闭环控制器50，但是可使用其它压力调节装置代替闭环控制器50。例如，压力调节阀(未示出)或减压阀(未示出)可代替控制器50以调节熔融热塑性材料24的熔体压力。更具体地，压力调节阀和减压阀可防止模具28的过压。用于防止模具28过压的另一种可供选择的机制为当检测到过压状态时激活警报。[0036]现在转向图2，示出了模塑部件100的例子。模塑部件100为薄壁部件。一般认为当流动通道的长度L除以流动通道的厚度T大于100 (即L/T>100)时，模塑部件是薄壁的。在一些注塑行业中，可将薄壁部件定义为具有L/T>200，或具有L/T>250的部件。流动通道L的长度从浇口 102到流动通道的端部104来测量。薄壁部件在消费品行业中是尤其普遍的。
[0037]薄壁部件存在某些注塑障碍。例如，流动通道的薄度趋于在材料到达流动通道的端部104之前冷却熔融热塑性材料。当这种情况发生时，热塑性材料冻结并不再流动，这导致不完整的部件。为克服这个问题，传统的注塑机在非常高的压力下，通常大于15，OOOpsi，注射熔融热塑性材料，使得熔融热塑性材料在有机会冷却和冻结之前快速填充模具腔体。这是热塑性材料的制造商教导在非常高的压力下注射的一个原因。传统注塑机在高压下注射的另一个原因是提高剪切，这提高流动特性，如上所述。这些非常高的注射压力需要使用非常硬的材料以形成模具28和进料系统。
[0038]传统的注塑机使用工具钢或其它硬质材料来制备模具。虽然这些工具钢足够稳固以耐受非常高的注射压力，但是工具钢是相对差的热导体。因此，可将非常复杂的冷却系统机加工成模具以在填充模具时增强冷却时间，这减少了循环时间并提高了模具的产量。然而，这些非常复杂的冷却系统极大地增加了模具制造加工的时间和费用。
[0039]本发明人已经发现剪切致稀热塑性材料(甚至是最低程度的剪切致稀热塑性材料)可在基本上恒定的低压下注入模具28中而没有任何显著的不利影响。这些材料的例子包括但不限于由以下物质构成的聚合物和共聚物:聚丙烯、聚乙烯、热塑性弹性体、聚酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)、聚(乳酸)、多羟基链烷酸酯、聚酰胺、聚缩醛、乙烯-α烯烃橡胶，以及苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物。事实上，在基本上恒定的低压下模塑的部件与在常规高压下模塑的相同部件相比表现出一些优异的性能。该发现直接违背了教导越高的注射压力越好的行业内的常规观点。不受理论的约束，据信在基本上恒定的低压下将熔融热塑性材料注入模具28中产生热塑性材料的连续流动前沿，其从浇口到模具腔体的最远部分前进通过模具。通过保持低水平的剪切，所述热塑性材料在相当低的温度和压力下保持认为在常规高压注塑系统中才可能的液态和可流动性。此外，限制模具内的压力可保护易碎的模具元件，诸如密封件、分模线以及移动模具机构。在一些情况中，可测定这些易碎模具元件的最大压力阈值并可将压力控制机构设定成使得熔体压力不超过该阈值。
[0040]现在转向图3，由虚线200示出了常规的高压注塑法的典型压力-时间曲线。相反，由实线210示出了本发明所公开的低恒压注塑机的压力-时间曲线。
[0041]在常规的情况下，使熔体压力快速增加至远超过15，OOOpsi，然后在大于
15,OOOpsi的相对高的压力下保持第一时间段220。第一时间段220是其中熔融塑性材料流入模具腔体的填充时间。此后，熔体压力降低并在10，OOOpsi或更大的较低、但是仍然相对高的压力下保持第二时间段230。第二时间段230是其中保持熔体压力以确保模具腔体中的所有间隙都被回填的填料时间。常规高压注塑系统中的模具腔体从流动通道的端部向浇口回填。因此，如上所述，各固化阶段中的塑料在彼此之上压实，这可导致成品的不一致。此外，塑料在各固化阶段中的常规填料导致一些不理想的材料特性，例如，模塑在内的应力、凹陷、以及非最佳的光学特性等。[0042]另一方面，低恒压注塑系统在基本上恒定的低压力经过单个时间段240将熔融塑性材料注入模具腔体中。注射压力小于6，OOOpsi。通过使用基本上恒定的低压，熔融热塑性材料保持连续的熔体前沿，所述熔体前沿从浇口向流动通道的端部前进通过流动通道。因此，塑性材料在沿流动通道的任意点处保持相对均匀，这得到更均匀和一致的成品。通过用相对均匀的塑性材料填充模具，成品模塑部件形成可具有比常规模塑部件更好的机械特性和光学特性的结晶结构。此外，在低恒定压力下模塑的部件的表层表现出与常规模塑部件的表层不同的特性。因此，在低恒定压力下模塑的部件的表层可具有比常规模塑部件的表层更好的光学特性。
[0043]通过保持喷嘴内基本上恒定的低熔体压力(例如小于6000psi)，可将更易机加工的材料用于形成模具28。例如，图1中所示的模具28可由以下材料形成，所述材料具有大于100%的铣削机加工指数，大于100%的钻削机加工指数，大于100%的电火花线切割指数，大于200%的石墨电火花成型加工指数，或大于150%的铜电火花成型加工指数。机加工指数基于各种材料的铣削、钻削、电火花线切割、以及电火花成型加工测试。在下文中更详细地解释了测定机加工指数的测试方法。材料样品的机加工指数的例子汇集在下表I中。
[0044]
【权利要求】
1.一种用于注塑设备的熔体压力调节机构，所述注塑设备具有在熔融塑料注入模具中之前对所述熔融塑料加压的熔体夹持器，所述熔融塑料具有熔体压力；以及用于将所述熔融塑料从所述熔体夹持器推进到所述模具中的注射元件，所述熔体压力调节机构包括: 设置在所述熔体夹持器和所述模具之间的压力调节装置，所述压力调节装置保持模具腔体内的基本上恒定的熔体压力，所述压力调节装置包括流体压力调节阀和减压阀之一。
2.根据权利要求1所述的控制机构，其中所述压力调节装置为流体压力调节阀，所述流体压力调节阀包括: 阀体，所述阀体具有通过具有孔的熔融塑料通道连接的熔融塑料入口和熔融塑料出Π ； 阀塞，所述阀塞设置在所述孔内并连接至阀杆； 阀座，所述阀座设置在所述孔内；以及 致动器，所述致动器连接至所述阀杆，所述致动器使所述阀杆和阀塞朝向或远离所述阀座移动以控制熔融塑料流动穿过所述孔， 其中所述致动器移动所述阀杆以控制移动穿过所述孔的流体的量，使得所述孔的熔融塑料下游的熔体压力保持在基本上恒定的压力下。
3.根据权利要求2所述的压力控制机构，其中所述流体压力调节阀设置在所述熔体夹持器的喷嘴中。
4.根据权利要求2所述的压力控制机构，其中所述熔融塑料通道在所述熔融塑料入口和所述熔融塑料出口之间为基本上直的。
5.根据权利要求1所述的压力控制机构，其中所述压力调节装置为减压阀。
6.根据权利要求5所述的压力控制机构，其中所述减压阀的熔体夹持器侧上的熔体压力大于所述减压阀的设定点，使得所述模具内的压力在所述减压阀的所述设定点处保持基本上恒定。
7.根据权利要求6所述的压力控制机构，其中将熔融塑料的一部分转移出所述减压阀中的减压出口。
8.根据权利要求7所述的压力控制机构，其中所述减压阀的熔体夹持器侧上的熔体压力大于所述减压阀的模具侧上的熔体压力20psi。
9.根据权利要求1所述的压力控制机构，包括串联取向的流体压力调节阀和减压阀两者。
10.根据权利要求1所述的压力控制机构，其中所述压力调节装置定位成邻近模具浇□。
11.根据权利要求10所述的压力控制机构，其中将排出所述压力调节装置的熔融塑料转移至两个或更多个模具浇口。
12.根据权利要求1所述的压力控制机构，其中所述压力调节装置位于所述注塑设备的热流道中。
13.一种用于注塑设备的熔体压力控制机构，所述注塑设备具有在熔融塑料注入模具中之前对所述熔融塑料加压的熔体夹持器，所述熔融塑料具有熔体压力；以及用于将所述熔融塑料从所述熔体夹持器推进到所述模具中的注射元件，所述熔体压力控制机构包括: 位于所述熔体夹持器中的注射元件的下游的减压阀。
14.根据权利要求13所述的压力控制机构，其中将所述减压阀设定为约6000psi的最大压力。
15.根据权利要求13所述的压力控制机构，其中将熔融塑料的转移部分通过回路返回到所述注塑设备的所述熔体 夹 持器。
【文档编号】B29C45/77GK103547429SQ201280024359
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2012年5月21日 优先权日:2011年5月20日
【发明者】G·M·艾尔托宁, C·J·小伯格, R·E·纽法斯, G·F·西勒 申请人:宝洁公司