包括具有热可控阵列的模具腔体表面的注塑设备和方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]注塑常常在制备成型聚合物部件时执行。此模塑通常使用两个或更多个模具部件(部件)，将这些模具部件(部件)放在一起(例如，在台板上)以形成模具腔体。此类模具部件常常维持在大体静态温度下，或者作为一个单元进行加热或冷却。
【发明内容】
[0002]概括地说，本文公开了用于注塑的设备和方法，其中限定模具腔体的至少一个腔体表面的至少一部分包括热可控阵列。本发明的这些方面和其他方面在下面的【具体实施方式】中将显而易见。然而，在任何情况下，无论可受权利要求书保护的主题是在最初提交的专利申请中的权利要求书中还是在修订的权利要求书中或换句话讲在申请过程中呈现，都不应将上述
【发明内容】
视为是对此主题的限制。
【附图说明】
[0003]图1是局部剖切到模具腔体中的透视图，该模具腔体包括具有示例性热可控阵列的模塑表面。
[0004]图2是示例性的温度可控阵列和与其相关联的部件的正面透视图。
[0005]图3是图2的示例性设备的端部俯视图，该视图还包括以局部剖视图示出的模具腔体的一部分。
[0006]图4是图2的示例性设备的后平面图。
[0007]图5是图2的示例性设备的温度可控阵列的温度可控元件的分离的正面透视图。
[0008]图6是图2的示例性设备的示例性支撑构件的分离的侧面透视图。
[0009]图7是温度可控阵列和用于操作温度可控阵列的相关联部件的示意图。
[0010]图8是包括温度可控阵列和与其相关联的部件的另一个示例性设备的正面透视图。
[0011]图9是图8的示例性设备的后面透视图。
[0012]图10是局部剖切到模具腔体中的透视图，该模具腔体包括具有示例性热可控阵列的模塑表面。
[0013]在多张图中，类似的参考标号表示类似的元件。一些元件可能以相同或相等的倍数存在；在此类情况下，参考标号可能仅标出一个或多个代表性元件，但应当理解，此类参考标号适用于所有此类相同的元件。除非另外指明，否则本文档中的所有图和附图均未按比例绘制，并且被选择用于示出本发明的不同实施例。具体地讲，除非另外指明，否则仅用示例性术语描述各种部件的尺寸，并且不应从附图推断各种部件的尺寸之间的关系。虽然在本公开中可以使用诸如“顶部”、“底部”、“上部”、“下部”、“下方”、“上方”、“前面”、“后面”、“向外”、“向内”、“向上”和“向下”、以及“第一”和“第二”的术语，但应当理解，除非另外指明，否则这些术语仅以它们的相对意义使用，以便参照所示的具体附图进行描述。如本文所用，诸如前面、朝前面、朝前面地、面向前面、最前面、向前、向前地、最向前地、面向向前等术语表示朝模具腔体的方向，该模具腔体在将第一模具部件和第二模具部件放在一起时形成。诸如后、向后、向后地、最后地、面向后等术语表示远离此模具腔体的方向。
[0014]如本文中用作性质或属性的修饰语，除非另外特别限定，否则术语“大体”意指性质或属性可易于由普通技术人员识别，而不需要绝对精确或完全匹配(例如对于可定量特性在+/-20%内)；术语“基本上”意指高度近似(例如对于可定量特性在+/-10%内)，但同样不需要绝对精确或完全匹配。除非本文另外具体地定义，否则应用于可计量性质或属性的术语(诸如严格地、相同、相等、均一、恒定等)意指在+/-5%内。
【具体实施方式】
[0015]本文所公开的是用于在时间和空间上控制注模腔体的模塑表面中的热能的设备和方法。示例性模具腔体8在图1中以通用表示形式示出。本领域的普通技术人员将会知道，模具腔体8可例如通过将包括至少第一模塑表面4的第一模具部件5和包括至少第二模塑表面6的第二模具部件7放在一起来提供。(应当强调的是，图1是模具腔体的简化表示，其中为清楚起见，省略诸如在第一模具部件与第二模具部件之间的分模线、直浇口、浇口、流道、起模杆等的特征结构。)如本文所公开的，模具腔体外皮3的前表面4限定模具腔体8的至少一部分。在表面4的一些区域上方提供至少一个热可控阵列I。术语“热可控阵列”在本文中广义地用来涵盖表面4的任意多个(即，至少两个或更多个)区域2，该区域的温度可独立地且单独地操纵(应当注意，此处和本文中其他地方使用的术语“阵列”并不暗示阵列的区域不可避免地布置成规则、均一或对称的图案)。鉴于阵列I的各个区域2的温度可能未必能够被直接监测(但在需要时可以这样做)的事实，在本文中为了方便起见，阵列I被称为热可控阵列而不是温度可控阵列。该命名将区分热可控阵列I与下述温度可控阵列，所述温度可控阵列的各个元件的温度可被直接监测和控制。
[0016]为了便于描述，阵列I的各个区域2在本文中可被称为像素。应当理解，阵列I的像素2是表面4的区域，该区域可能未必具有、并且在大多数情况下将不具有在两者间或彼此在视觉上可区分的任何物理边界或分离特征结构。相反，像素2仅仅是外皮3的表面4的区域，其能够通过热联接到本文稍后讨论的温度可控阵列的温度可控元件而单独地受到热控制(例如，稳定地保持在彼此不同的温度下)。像素2可以根据需要以任何合适的数量、尺寸、形状和间距存在(并且其布置可通过使用本文中更详细描述的温度可控阵列的温度可控元件的所需数量、尺寸、形状和间距而实现)。
[0017]如上所述，阵列I设置在模具腔体外皮3的前表面4中。在一些实施例中，腔体外皮3可以是薄外皮，这意味着外皮3在阵列I的像素2的侧向范围内的平均厚度为不超过约5mm。在另外的实施例中，外皮3的厚度可为小于约2、1、0.5或0.3mm。在一些实施例中，腔体外皮3可以是低热导率外皮，这意味着在阵列I的任何特定像素2中的外皮3的材料具有小于约100W/m-°C的热导率。在各种实施例中，外皮3的材料可具有小于约80、60或40W/m-°C的热导率。在另外的实施例中，外皮3的材料可具有大于约5、10、20或25W/m_°C的热导率。在一些实施例中，外皮3的材料热导率可为小于外皮上覆并且热联接到的温度可控元件主体材料热导率的80%、60%、40%或20%。
[0018]概括地说，阵列I和其各个像素2可以通过包括单独温度可控元件的温度可控阵列而受到热控制(例如，差动地热控制)，温度可控元件中的每个可热联接到热可控阵列I的各个不同像素2，使得每个单独的像素2可通过改变其热联接到的温度可控元件的温度而受到热控制。在实施过程中，这可通过提供温度可控阵列使得温度可控阵列的每个元件的前表面在所需区域中热联接到(例如，紧密接触)模具腔体外皮3的后表面而实现(其中在该区域中的外皮3的前表面4因此变成阵列I的像素2)。虽然任何温度可控阵列都可用于此目的，但可能特别合适的示例性温度可控阵列在图2-4和图8-9中示出并且本文稍后将进一步详细讨论。
[0019]温度可控阵列的各个温度可控元件可彼此侧向地热隔离，如本文详细讨论的。然而，这不一定排除用于在由腔体外皮3提供的相邻像素之间传导热能的侧向通路的存在。相反(例如，通过使外皮3足够薄和/或由低热导率材料组成)，在一些实施例中，可以假设，与沿着外皮侧向传导热能(即，从一个像素2至相邻像素2)相比，通过外皮3的厚度尺寸(即，通过外皮的最短尺寸，其从外皮的后表面(其接触温度可控元件的正面)延伸至外皮的前表面(其提供模具腔体8的模塑表面))传导热能是用于通过外皮传输热能的主要通路。这可以假设，任何特定像素2都可通过热联接到该像素2的外皮3的后表面的温度控制元件而合格地受到热控制，这通常与最近的相邻像素可受到热控制的条件无关。例如，如果第一像素保持在特定温度下或温度范围内，则相邻像素仍可保持在显著高于或低于第一像素的温度或温度范围的温度下或温度范围内(由热联接到其的温度可控元件决定)，而不损失到第一像素的过量的热能或从第一像素接收过量的热能，从而使得不能将相邻像素合格地保持在所需温度范围内。
[0020]上述原理可以用于热可控阵列I的像素2的纵横比来表征。此纵横比可以两个参数来限定。第一参数是沿着外皮的厚度尺寸的像素2内的腔体外皮3的厚度“t” (示例性的距离“t”在图3中示出)。第二参数是在像素2的中心点与最近的相邻像素2的最近中心点之间的中心至中心距离“I”。示例性的距离“I”在图1中示出。(应当理解，如上所述，阵列I的像素2的形状、尺寸和中心点可以在很大程度上由热联接到腔体外皮3的温度可控元件的前表面(例如，图2和图3的表面61)的形状、尺寸和中心点来决定)。如果像素2包括不规则或不对称的形状，则该像素2的质心(几何中心)可用作中心点以用于该目的。利用这些参数，像素纵横比然后可计算为Ι/t比率。在各种实施例中，热可控阵列I的像素2可包括至少约2:1、4:1、8:1或16:1的纵横比。
[0021]因此，概括地说，上述布置使得相邻像素2单独地(例如，差动地)受到热控制(例如，以便达到和/或维持在可能彼此相差至少例如5、10或20°C的温度下)。因此，可以在腔体8的模塑表面4的所选区域上(例如，在阵列I内和/或在阵列I与模塑表面4的其他非阵列区域之间)有利地建立和/或维持显著的热梯度。应当理解，即使此类差热控制是可能的，但在一些情况下，阵列的两个或更多个像素可被控制在类似或相同的温度范围。还应当理解，如上所述，可能发生热能沿着模具腔体外皮3的一些侧向传导(例如，从一个像素到相邻像素)。然而，只要可以维持所需的热梯度，沿着模具腔体外皮的一定量的热传导就可能并非是不利的。事实上，在相邻像素之间沿着模具腔体外皮的一定量的热传导可能是有利地，前提条件是相邻像素2之间的温度变化不会如此突然以至于例如在与相邻像素2接触的可流动(例如，熔融)树脂中引起不利地陡峭热梯度。
[0022]因此，应当理解，对于任意两个像素的相邻边缘来说，温度梯度可存在于邻近该像素的相邻边缘的每个像素的边界区域中，而不是例如温度的接近垂直的阶跃变化准确地存在于这两个像素之间的边界处。还应当理解，在甚至不邻近像素的边缘的像素的侧向内部区域内的温度分布可能未必是完全平坦的。即，在一些情况下，在此侧向区域内的温度可表现出偏差(例如，5、2、1或0.51或更小)。还应当理解，在一些情况下，甚至像素的此侧向内部区域的温度也可暂时地波动。此类情况可能例如在像素与高温熔融树脂接触时出现。
[0023]本领域普通技术人员应当理解，这些温度偏差中的任一个的量(例如，远离标称设定点，该标称设定点由在特定区域中热联接到腔体外皮以在其上提供像素的温度可控元件建立)均可发生，并且可能取决于例如各种因素，诸如像素尺寸和与其他像素的接近度、像素可被控制到的标称温度、像素的上述纵横比、与像素接触的模塑树脂的温度等。然而，应当理解，例如，除了任何此类微小和/或暂时波动之外，并且尽管在像素的侧向边缘处或附近有任何偏差，但在各种实施例中，阵列I的像素2的侧向内部区域的温度可被精确地控制(例如，控制在±5°C、±2°C、或甚至±1°C内)。不论像素的温度实际上是否被直接监测，都可能存在这种情况。
[0024]图2-4的示例性实施例示出了示例性的温度可控阵列50，其可热联接到腔体外皮以提供热可控阵列I。虽然阵列50仅仅是此类温度可控阵列的一个代表性类型，但它将用来讨论此类阵列的一般概念和原理。示例性的温度可控阵列50由单独地温度可控元件60构成。如图2所示并且特别地如图3所示，阵列50的每个单独的元件60可包括具有前表面61的主体70，所述前表面61被构造成设置为与腔体外皮3的后表面紧密热接触。在一些实施例中，主体70可具有高的热导率(例如，大于约80W/m-°C )，并且在另外的实施例中可具有至少约100、150、200或250W/m-°C的热导率。在一些实施例中，元件60的主体70可由金属组成。在特定实施例中，它可以由包含铜或铜合金的组合物组成。在一些实施例中，此铜合金可以是铍-铜合金。在其他实施例中，此铜合金可以是高热导率的无铍铜合金，如由以商品名MOLDSTAR购自威斯康星州杰曼敦的性能合金公司(PerformanceAlloys, Germantown, WI)的材料示例性示出的。
[0025]在图2的示例性实施例中，前表面61设置在元件60的主体70的部分62上，该部分62可用作承载构件。即，当以与注塑操作中使用的注入压力相当的力将与温度可控阵列50 一起使用的第一模具部件