用于注塑设备的非自然平衡的进料系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了用于注塑设备的注射模具的非自然平衡的进料系统，所述注射模具具有多个模具腔体，所述多个模具腔体在基本上恒定的粘度下容纳熔融塑料，所述非自然平衡的进料系统包括：热流道，其具有在多个模具腔体中的第一模具腔体处终止的第一进料通道，以及在多个模具腔体中的第二模具腔体处终止的第二进料通道；以及用于容纳熔融塑料的浇口，所述浇口与所述第一进料通道和第二进料通道之一流体连通，其中所述进料系统保持90%或更大的平衡。
【专利说明】用于注塑设备的非自然平衡的进料系统
【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。模塑部件可具有一个或多个浇口。对于大部件而言常见的是具有两个、三个或更多个浇口以缩短聚合物为填充模塑部件而必须行进的流动距离。每个腔体的一个或多个浇口可位于部件几何形状上的任何位置，并具有任何横截面形状如基本上圆形，或以1.1或更大的纵横比成型。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，并且通过注塑机迫使塑性树脂挤过腔体，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，尤其是当对壁厚的设计小于15、10、3和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、具有减小的机械特性、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/或最小化这种减小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]粘度的降低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，每年可运行超过I或2百万次循环，有时将这些模具称为“超高产模具”。在行业内，有时将在400吨或更大的压机中运行的101级模具称为“400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的实施例的发明详述，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是用于图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的进料系统的顶视图。
[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。
【具体实施方式】
[0024]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。
[0025]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。
[0026]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至多大约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。
[0027]填料的平衡是用于定义给定塑料在其动态分布于整个注塑系统中时的流动平衡的术语。塑料分配系统包括热流道系统或冷流道系统，以及腔体。注塑系统可以为自然平衡的、人工平衡的或不平衡的系统。
[0028]填料的平衡通过腔体对腔体重量差来测量并提供热流道系统或冷流道系统的性能指示。其中良好性能的流道系统通过聚合物填充每个单独腔体的均匀程度来测量，并且优异的流道系统将以完全相同的时间来填充每个腔体。在常规的注塑中，重要的是具有对每个腔体平衡的流体，否则部件对部件变化可能较大并且加工能力可能不可实现。具有可接受的流动平衡的模具将降低模具中每个腔体中的部件重量变化、尺寸变化和收缩率。
[0029]不平衡程度基于相对于模具中所有腔体的平均重量所测量的模具中所有单独部件的重量的比较。测量在第一腔体填充达到100%填充时进行，停止注射加工，并且称量所有部件以比较相对于彼此的重量范围。相对于平均部件重量来计算腔体对腔体不平衡。下
式示出了使用该方法计算所述不平衡的计算结果:
[0030]
【权利要求】
1.一种用于注塑设备的注射模具的非自然平衡的进料系统，所述注射模具具有多个模具腔体，所述多个模具腔体在基本上恒定的粘度下容纳熔融塑料，所述非自然平衡的进料系统包括: 其中所述进料系统保持90%或更大的平衡 热流道，所述热流道具有在所述多个模具腔体中的第一模具腔体处终止的第一进料通道，以及在所述多个模具腔体中的第二模具腔体处终止的第二进料通道；以及 用于容纳熔融塑料的浇口，所述浇口与所述第一进料通道和第二进料通道之一流体连通。
2.根据权利要求1所述的非自然平衡的进料系统，其中所述第一进料通道的第一横截面形状沿所述第一进料通道的长度变化，并且所述第二进料通道的第二横截面形状沿所述第二进料通道的长度变化， 其中所述第一横截面形状与所述第二横截面形状不同地变化。
3.根据权利要求1所述的非自然平衡的进料系统，其中所述第一进料通道的长度与所述第二进料通道的长度不同。
4.根据权利要求3所述的非自然平衡的进料系统，还包括在所述多个模具腔体中的第三模具腔体处终止的第三进料通道， 其中所述第三进料通道的长度与所述第一进料通道和第二进料通道之一的长度不同。
5.根据权利要求4所述的非自然平衡的进料系统，其中所述第三进料通道的长度与所述第一进料通道的长度不同，并且所述第三进料通道的所述长度与所述第二进料通道的长度不同。
6.根据权利要求1所述的非自然平衡的进料系统，其中流动通过所述第一进料通道的熔融塑料的温度与流动通过所述第二进料通道的熔融塑料的温度不同。
7.根据权利要求1所述的非自然平衡的进料系统，其中所述多个模具腔体中的至少两个模具腔体在所述注射模具的共同面中彼此不同地取向。
8.根据权利要求7所述的非自然平衡的进料系统，其中所述至少两个腔体在所述注射模具的共同面中具有彼此不同的形状。
9.根据权利要求1所述的非自然平衡的进料系统，其中所述多个模具腔体中的至少两个模具腔体在所述注射模具的共同面中具有彼此不同的形状。
10.根据权利要求1所述的非自然平衡的进料系统，其中至少一个进料通道由铝形成。
11.根据权利要求1所述的非自然平衡的进料系统，还包括与所述第一进料通道热量互通的加热元件。
12.根据权利要求11所述的非自然平衡的进料系统，其中所述加热元件的热导率基本上等于形成所述模具的材料的热导率。
13.一种用于注塑设备的注射模具的非自然平衡的进料系统，所述注射模具具有多个模具腔体，所述多个模具腔体在基本上恒定的熔体压力下容纳熔融塑料，所述非自然平衡的进料系统包括: 热流道，所述热流道具有与包括至少一个模具腔体的第一组模具腔体流体连通的第一进料通道，和与包括至少一个模具腔体的第二组模具腔体流体连通的第二进料通道；以及 用于容纳熔融塑料的浇口，所述浇口与所述第一进料通道和第二进料通道之一流体连通， 其中所述第一组模具腔体中的模具腔体依次填充有熔融塑料。
14.一种填充具有非自然平衡的进料系统的注塑设备的模具中多个模具腔体的方法，所述方法包括: 在熔体夹持器中将塑性材料熔融以将所述塑性材料转化成熔融塑料； 推进所述熔融塑料通过模具浇口并进入所述非自然平衡的进料系统中； 推进所述熔融塑料的第一部分沿所述非自然平衡的进料系统中的具有第一长度的第一进料通道进入所述多个模具腔体中的第一模具腔体中；以及 推进所述熔融塑料的第二部分沿所述非自然平衡的进料系统中的具有第二长度的第二进料通道进入所述多个模具腔体中的第二模具腔体中， 其中在基本上恒定的压力下推进所述熔融塑料通过所述非自然平衡的进料系统。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括: 推进所述熔融塑料的第三部分沿所述非自然平衡的进料系统中的具有第三长度的第三进料通道进入所述多个模具腔体 中的第三模具腔体中。
【文档编号】B29C45/27GK103547427SQ201280024282
【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