用于基本上恒压注塑薄壁部件的方法和设备的制作方法

用于基本上恒压注塑薄壁部件的方法和设备的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基本上恒压注塑的方法和机器，其通过在基本上恒定的压力下将熔融热塑性材料注入模具腔体中而形成模塑部件。因此，所述模具腔体通过将热塑性材料的连续流动前沿从浇口推进到所述模具腔体的端部而填充有熔融热塑性材料。
【专利说明】用于基本上恒压注塑薄壁部件的方法和设备
[0001]相关专利申请
[0002]本专利申请为非临时性专利申请，其要求分别于2011年5月20日、2011年5月20日、2011年5月20日、2011年5月20日、2011年5月20日、2012年2月24日、2012年2月24日和2012年5月2日提交的美国临时专利申请61/488，564、61/488，547、61/488，553、61/488，555,61/488, 559,61/602, 650,61/602, 781、以及 61/641，349 的优先权益。美国临时专利申请 61/488，564,61/488, 547,61/488, 553,61/488, 555,61/488, 559,61/602, 650、61/602, 781、以及61/641，349据此以引用方式并入本文。
【技术领域】
[0003]本发明涉及用于注塑的设备和方法，并且更具体地，涉及在基本上恒定的注射压力下制备薄壁注塑部件的设备和方法。
【背景技术】
[0004]注塑是一种通常用于大批量制造由能够熔融的材料制成的部件，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、压力和剪切力下使所述树脂珠熔融。将这样熔融的树脂强力地注入到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所述腔体中。模塑部件可具有一个或多个浇口。常见的是大部件具有两个、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。
[0005]在注塑过程中，将熔融塑性树脂注入模具腔体中，并且通过注塑机迫使所述塑性树脂注入腔体中，直至塑性树脂到达腔体中的最远离浇口的位置。此后，塑性树脂从背对着浇口的端部填充腔体。所得该部件的长度和壁厚起因于模具腔体的形状。
[0006]在一些情况下，可能期望减小注塑部件的壁厚以减少塑料含量，并由此降低最终部件的成本。使用常规高可变压力注塑法减小壁厚可能是昂贵且不易完成的任务。事实上，常规的高可变压力注塑机(例如在介于约8，OOOpsi至约20，OOOpsi之间注射熔融塑性树脂的机器)具有关于可模塑的部件的薄壁的实际限制。一般来讲，常规的高可变压力注塑机不能模塑具有大于约200的薄壁比率(如由下文所示的L/T比率定义)的部件。此外，模塑具有大于100的薄壁比率的薄壁部件要求在电流容量高端点处的压力，并因此要求能够处理这些压力的压机。[0007]当填充薄壁部件时，当前的行业惯例是在模塑机可达到的最高可能速率下填充模具腔体。这种方法确保聚合物在模具中“冻结”之前填充模具腔体，并提供最低可能的循环时间，因此使聚合物尽可能快地暴露在冷却的模具腔体中。这种方法具有两个缺点。第一是为实现非常高的填充速度要求非常高的功率负荷，并且这要求非常昂贵的模塑设备。另外，大多数电压机不能提供足够的功率以实现这些高填充速率，或者要求非常复杂且昂贵的驱动系统，所述驱动系统显著增加了模塑设备的成本使得它们在经济上不实际。
[0008]第二个缺点是高填充速率导致非常高的压力。这些高压力导致需要非常高的夹紧力以在填充期间保持模具闭合，并且这些高夹紧力导致非常昂贵的模塑设备。高压力还要求非常高强度的注射模具，通常由硬质工具钢制成。这些高强度模具也非常昂贵，并且对于很多模塑组件而言，可以是经济上不切实际的。即使具有这些基本的缺点，但是对薄壁注塑组件的需求仍然很高，因为这些组件使用较少的聚合物材料来构建模塑部件，从而导致多于抵消较高设备成本的节约。另外，一些模塑组件需要非常薄的设计元件以适当地运行，诸如需要挠曲的设计元件，或必须与非常小的结构配合的设计元件。
[0009]当以常规高可变压力注塑方法将液态塑性树脂引入注射模具中时，邻近腔体壁的材料立即开始“冻结”、或硬化、或固化，并且在结晶聚合物的情况下，塑性树脂开始结晶，因为液态塑性树脂冷却至低于材料的不流动温度的温度，并且液态塑料的一部分变成静态。这种邻近模具壁的冻结材料使热塑性材料在其向模具腔体的端部前进时所行进的流动通道变窄。邻近模具壁的冻结材料层的厚度随着模具腔体填充的进行而增加，这造成聚合物必须流动通过以继续填充模具腔体的横截面积逐渐减小。随着材料冻结，其还收缩、从模具腔体壁脱离，这减少了材料通过模具腔体壁的有效冷却。因此，常规的高可变压力注塑机非常快速地用塑料填充模具腔体，然后保持填料压力以将材料推向模具腔体侧，来增强冷却并保持模塑部件的正确形状。常规的高变压模塑机通常具有由约10%注射时间，约50%填料时间，以及约40%冷却时间组成的循环时间。
[0010]当模具腔体中的塑料冻结时，常规的高可变压力注塑机增加注射压力(以保持基本上恒定的体积流量，由于变小的横截面流动面积)。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经受附加的压力，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能够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。
[0011]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特性。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，由此使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完全填充模具之前完全冻结。
[0012]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模塑压力更高以提高剪切，从而降低粘度。通常，高输出注塑系统(即，101级和30级系统)在通常15，OOOpsi或更高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。压机制造商和加工工程师通常推荐在所述范围的顶端或显著更高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。即使使用剪切致稀塑料，对于薄壁部件的高可变压力注塑也存在实际限制。目前该限制在具有200或更大的薄壁比率的薄壁部件的范围内。此外，SP使具有介于100至200之间的薄壁比率的部件也可能变得成本过高，因为这些部件一般要求注射压力介于约15，OOOpsi和约20，OOOpsi之间。
[0013]生产薄壁消费品的高产注塑机(S卩，101级和30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经受至少每年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经受重复的高压夹紧操作。然而，高硬度材料如大多数工具钢，具有相对低的热导率，一般小于20BTU/HR FT °F，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。
[0014]即使现有的高可变压力注塑机具有不断增加的注射压力范围，在常规的高(20，OOOpsi)可变压力注塑机中模塑薄壁部件的实际限制也仍然为约200 (L/T比率)，并且对于很多制造商而言，具有介于约100至约200之间的薄壁比率的薄壁部件可能是成本过闻的。
【专利附图】

【附图说明】
[0015]附图中示出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:
[0016]图1示出了根据本公开构造的基本上恒压注塑机的示意图；
[0017]图2示出了在图1的基本上恒压注塑机中形成的薄壁部件的一个实施例；
[0018]图3示出了图1的基本上恒压注塑机的腔体压力对时间的图，其叠加于常规高可变压力注塑机的腔体压力对时间的图之上；
[0019]图4为图1的基本上恒压注塑机的腔体压力对时间的另一图，其叠加于常规高可变压力注塑机的腔体压力对时间的图之上，所述图示出了用于某些填充步骤的填充时间的百分比；
[0020]图5A-?为在通过常规高可变压力注塑机填充的各个阶段中，薄壁模具腔体的一部分的侧面剖视图；并且
[0021]图6A-6D为在通过图1的基本上恒压注塑机填充的各个阶段中，薄壁模具腔体的一部分的侧面剖视图。
【具体实施方式】
[0022]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基本上恒压注塑制备产品的系统、产品、以及方法。[0023]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6000psi和更低的注塑机的喷嘴附近的熔体压力。
[0024]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。
[0025]如本文所用，术语“熔体夹持器”是指包含与机器喷嘴流体连通的熔融塑料的注塑机的部分。将熔体夹持器加热，使得聚合物可在期望的温度下制备并保持。将熔体夹持器连接至电源，例如液压缸或电动伺服马达，所述电源与中央控制单元连通，并可被控制以推进隔膜来迫使熔融塑料穿过机器喷嘴。然后熔融材料流动穿过流道系统进入模具腔体中。熔体夹持器的横截面可为圆柱形，或具有可供选择的横截面，所述横截面将允许隔膜迫使聚合物在范围可从低至IOOpsi至40，OOOpsi或更高的压力下穿过机器喷嘴。隔膜可任选地整体地连接至往复式螺杆，所述往复式螺杆具有设计成在注射前使聚合物材料塑化的刮片。
[0026]术语“高L/T比率” 一般是指100或更大的L/T比率，且更具体地是指200或更大的L/T比率。L/T比率的计算定义如下。
[0027]术语“峰值流量” 一般是指如在机器喷嘴处测量的最大体积流量。
[0028]术语“峰值注射速率”一般是指注射活塞在迫使聚合物进入进料系统的过程中行进的最大线性速度。所述活塞可以为往复式螺杆，如在单级注射系统的情况下，或液压式活塞，如在二级注射系统的情况下。
[0029]术语“活塞速率” 一般是指注射活塞在迫使聚合物进入进料系统的过程中行进的线性速度。
[0030]术语“流量” 一般是指如在机器喷嘴处测量的聚合物的体积流量。该流量可基于活塞速率和活塞横截面积来计算，或用位于机器喷嘴中的合适的传感器来测量。
[0031]术语“腔体填充百分比”一般是指按体积计填充的腔体的百分比。例如，如果腔体被填充了 95%，则被填充的模具腔体的总体积占模具腔体总体积容量的95%。
[0032]术语“熔体温度” 一般是指使用热流道系统时，熔体夹持器中以及材料进料系统中所保持的聚合物温度，所述温度使聚合物保持在熔融状态。熔体温度按材料而变化，然而，期望的熔体温度一般理解为落入材料制造商推荐的范围内。
[0033]术语“浇口尺寸”一般是指由流道和模具腔体相交而形成的浇口的横截面积。对于热流道系统而言，浇口可以为开口设计，其中在浇口处不存在材料流的主动切断，或闭合设计，其中使用阀销以机械切断通过浇口进入模具腔体的材料流(通常被称为阀门浇口)。浇口尺寸是指横截面积，例如Imm浇口直径是指在浇口与模具腔体相遇的点处，浇口的横截面积为1mm。浇口的横截面可以为任何期望的形状。
[0034]术语“增强比”是指在注射活塞迫使熔融聚合物穿过机器喷嘴时，注射电源具有的机械效益。对于液压式电源而言，常见的是液压式活塞将具有超过注射活塞10:1的机械效益。然而，所述机械效益的范围可从非常低的比率如2:1至非常高的机械效益比率如50:1。
[0035]术语“峰值功率”一般是指在填充模具腔体时产生的最大功率。峰值功率可在填充周期中的任何点处产生。峰值功率通过在机械喷嘴处测量的塑性压力乘以机械喷嘴处测量的流量的乘积来测定。功率由式P=P*Q计算，其中P为压力并且Q为体积流量。
[0036]术语“体积流量” 一般是指如在机器喷嘴处测量的流量。该流量可基于活塞速率和活塞横截面积来计算，或用位于机器喷嘴中的合适的传感器来测量。
[0037]当相对于包含热塑性材料的模具腔体使用时，术语“填充”和“充满”可互换，并且两个术语均是指热塑性材料停止流入模具腔体中。
[0038]术语“注射量”一般是指待从熔体夹持器中注射以完全填充一个或多个模具腔体的聚合物的体积。注射量体积基于注射前熔体夹持器中的聚合物的温度和压力来测定。换句话讲，注射量是在给定温度和压力下的注塑活塞的一次冲程中注射的熔融塑性材料的总体积。注射量可包括穿过一个或多个浇口将熔融塑性材料注入一个或多个注射腔体中。熔融塑性材料的射流还可通过一个或多个熔体夹持器来制备和注射。
[0039]术语“停顿”一般是指某个点，在所述点处流动前沿的速度最小化到足够使聚合物的一部分下降至低于其不流动温度并开始冻结。
[0040]当用于本文时，术语“电动马达”或“电压机”包括电动伺服马达和电动线性马达。
[0041]术语“峰值功率流量因子”是指在单个注塑循环中注塑系统所要求的峰值功率的归一化量度，并且可将所述峰值功率流量因子用于直接比较不同注塑系统的功率要求。峰值功率流量因子通过首先测定峰值功率，所述峰值功率对应于填充循环(如本文定义)期间的模塑压力乘以流量的最大乘积，然后测定待填充模具腔体的注射量来计算。然后，峰值功率流量因子通过峰值功率除以注射量来计算。
[0042]将术语“腔体填充百分比”定义为按体积计的被填充腔体％。因此，如果腔体被填充了 95%，则被填充的模具腔体的总体积占模具腔体总体积容量的95%。
[0043]详细地参见图，图1示出了用于大批量生产薄壁部件，尤其是L/T比率为100或更大的薄壁部件的示例性的基本上恒压注塑设备10 (例如101级或30级注射模具，或“超高产量模具”)。所述基本上恒压注塑设备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喂送到注射系统12的加热圆筒20中。热塑性粒料16在被喂送到加热圆筒20中之后可通过往复式螺杆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会导致热塑性粒料16熔化，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。
[0044]往复式螺杆22迫使熔融热塑性材料24朝向喷嘴26以形成热塑性材料的射流，所述射流将经由一个或多个浇口被注入模具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。在其它实施例中，可通过进料系统(未示出)将喷嘴26与一个或多个浇口 30隔开。模具腔体32在模具28的第一模具侧25和第二模具侧27之间形成，并且第一模具侧25和第二模具侧27通过压机或合模装置34在压力下保持在一起。压机或合模装置34在模塑过程中施加夹紧力，所述夹紧力大于由用于分离两个模具半块25，27的注射压力所施加的力，由此在将熔融热塑性材料24注入模具腔体32中的同时使第一模具侧25和第二模具侧27保持在一起。在典型的高可变压力注塑机中，压机通常施加30，OOOpsi或更大，因为夹紧力与注射压力直接相关。为支持这些夹紧力，夹紧系统14可包括模具架和模具基座。
[0045]一旦将熔融热塑性材料24的射流注入到模具腔体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已固化，压机34就释放第一模具侧25和第二模具侧27，所述第一模具侧25和第二模具侧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以增加总体生产率。所述多个模具腔体的腔体形状可以彼此相同、相似或不同。(可认为后者是一套模具腔体)。
[0046]控制器50与位于喷嘴26和螺杆36附近的传感器52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也可任选地连接至位于模具腔体32的端部近侧的传感器53。该传感器32可提供热塑性材料接近模具腔体32中填充端部时的指示。传感器32可通过光学方式、气动方式、机械方式或换句话讲感测热塑性材料的压力和/或温度来感测热塑性材料的存在。当通过传感器52测量热塑性材料的压力和温度时，该传感器52可将压力或温度的信号指示发送至控制器50，以向控制器50提供完成填充时模具腔体32 (或喷嘴26)中保持的目标压力。该信号一般可用于控制模塑过程，使得材料粘度、模具温度、熔体温度的变化、以及影响填充速率的其它变化通过控制器50来调节。这些调节可在模塑循环期间立即进行，或可在后续循环中进行校正。此外，可将多个信号对多次循环平均，然后用于通过控制器50对模塑过程进行调节。控制器50可分别经由有线连接54，56而连接至传感器52、和/或传感器53、以及螺杆控制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控制器50与传感器52，53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52，53和螺杆控制56。
[0047]在图1的实施例中，传感器52是测量(直接或间接)喷嘴26附近的熔融热塑性材料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，则可向所测量的特性施用适当的校正因子以计算喷嘴26中的熔体压力的估计值。传感器52不需要与注射流体直接接触，并可供选择地与流体动态通信，并能够感测流体压力和/或其它流体特性。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不需要设置在与喷嘴流体连接的位置处。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之间的模具分模线处产生的夹紧力。在一个方面，控制器50可根据来自传感器52的输入而保持压力。作为另外一种选择，传感器可测量电压机所需的电力，这可用于计算喷嘴中压力的估计值。
[0048]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启动警报。
[0049]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。对于具有更复杂的几何形状的模具腔体，所述L/T比率可通过从浇口 30到模具腔体32的端部，将T尺寸对模具腔体32的长度积分，并测定从浇口 30到模具腔体32的端部的最长流动长度来计算。然后，L/T比率可通过将最长流动长度除以平均部件厚度来测定。在模具腔体32具有多于一个浇口 30的情况下，L/T比率通过对由每个独立浇口填充的模具腔体32的部分的L和T积分来测定，并且给定模具腔体的总体L/T比率为对浇口中任一个计算的最高L/T比率。在一些注塑行业中，可将薄壁部件定义为具有L/T>100，或具有L/T>200的部件。流动通道的长度L为从浇口 30到模具腔体的端部104测量的最长流动长度。薄壁部件在消费品行业中是尤其普遍的。
[0050]高L/T比率部件通常存在于具有小于约IOmm的平均厚度的模塑部件中。在消费品中，具有高L/T比率的产品一般具有小于约5mm的平均厚度。例如，尽管具有高L/T比率的机动车缓冲器面板一般具有IOmm或更小的平均厚度，但是具有高L/T比率的高脚酒杯一般具有约5mm或更小的平均厚度，具有高L/T比率的容器(诸如桶或小瓶)一般具有约3mm或更小的平均厚度，具有高L/T比率的瓶盖包装一般具有约2mm或更小的平均厚度，并且具有高L/T比率的各个牙刷刷毛一般具有约Imm或更小的平均厚度。本文所公开的基本上恒压方法和装置对于具有5_或更小的厚度的部件而言是尤其有利的，并且本发明所公开的方法和装置对较薄的部件更有利。
[0051]具有高L/T比率的薄壁部件在注塑中存在某些障碍。例如，流动通道的薄度趋于在材料到达流动通道端部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可能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。此外，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。
[0052]当在恒压下填充时，一般认为填充速率将需要相对于常规填充方法降低。这是指在模具完全填充之前，聚合物将与冷的模塑表面接触较长时间。因此，在填充前需要除去更多热，并且这将预期导致材料在模具被填充之前冻结。已经出人意料地发现，当经受基本上恒定的压力条件时，尽管模具腔体的一部分低于热塑性材料的不流动温度，但是热塑性材料将流动。本领域的普通技术人员一般将预期此类条件将造成热塑性材料冻结并堵塞模具腔体，而不是继续流动并填充整个模具腔体。不旨在受理论的束缚，据信，本文所公开的方法和装置的实施例的基本上恒压条件允许填充期间整个模具腔体中的动态流动条件(即不断移动熔体前沿)。在其流动以填充模具腔体时熔融热塑性材料的流动没有停顿，从而尽管至少模具腔体的至少一部分低于热塑性材料的不流动温度，但是流体没有冻结的机会。
[0053]另外，据信由于动态流动条件，尽管经受模具腔体中的这种温度，但是由于剪切加热，因此熔融热塑性材料能够保持高于不流动温度的温度。还据信在开始冻结过程时，动态流动条件干扰热塑性材料中晶体结构的形成。晶体结构形成增加了热塑性材料的粘度，这可阻止用以填充腔体的适宜流动。在晶体结构形成和/或晶体结构尺寸方面的减小可允许在热塑性材料流入腔体中并经受低于材料的不流动温度的模具的低温时，所述热塑性材料粘度减小。
[0054]本发明所公开的基本上恒压注塑方法和系统可使用位于靠近流动位点端部的传感器(如上图1中的传感器53)以监测材料粘度的变化、材料温度的变化、以及其它材料特性的变化。可将来自该传感器的测量传递给控制器以允许控制器实时校正过程，以确保熔体前沿压力在熔体前沿到达模具腔体的端部之前被解除，这可造成模具飞边、另一压力和功率峰值。此外，控制器可使用传感器测量以调节所述过程中的峰值功率和峰值流量点，以便实现一致的加工条件。除了使用传感器测量以在当前注射循环期间对过程进行实时微调之外，还可使用控制器随时间推移(即经过多个注射循环)来调节过程。以这种方式，当前注射循环可基于在较早时间点处的一个或多个循环期间发生的测量来校正。在一个实施例中，可将传感器读数对许多循环平均，以便实现过程一致性。
[0055]在各种实施例中，模具可包括使整个模具腔体保持在低于不流动温度的温度下的冷却系统。例如，甚至可使接触包含熔融热塑性材料的射流的模具腔体表面冷却以保持较低温度。可使用任何适宜的冷却温度。例如，可使模具基本上保持在室温下。结合此类冷却系统可有利地提高冷却形成注塑部件的速度并易于从模具中弹出。
[0056]热塑性材料:
[0057]在本公开的基本上恒压注塑方法和装置中可使用多种热塑性材料。在一个实施例中，熔融热塑性材料具有粘度，所述粘度如由在约230°C的温度和2.16kg重量下进行的ASTM D1238所测量的、约0.lg/10min至约500g/10min的熔体流动指数来定义。例如，对于聚丙烯而言，熔体流动指数可在约0.5g/10min至约200g/10min的范围内。其它适宜的熔体流动指数包括约lg/10min至约400g/10min,约10g/10min至约300g/10min,约20至约200g/10min,约 30g/10min 至约 100g/10min,约 50g/10min 至约 75g/10min,约 0.lg/10min至约lg/10min,或约lg/10min至约25g/10min。基于模塑制品的应用和用途来选择材料的MF10例如，MFI为0.lg/10min至约5g/10min的热塑性材料可适用于注拉吹塑(ISBM)用预成型件。MFI为5g/10min至约50g/10min的热塑性材料可适用于包装制品用盖和塞。MFI为50g/10min至约150g/10min的热塑性材料可适用于制造桶或盆。MFI为150g/10min至约500g/10min的热塑性材料可适用于具有极高L/T比率的模塑制品，诸如薄板。此类热塑性材料的制造一般教导材料应使用超过6000psi，并常常大大超过6000psi的熔体压力来注塑。与关于此类热塑性材料的注塑的常规教导内容相反，本公开的恒压注塑方法和装置的实施例有利地允许使用此类热塑性材料形成优质注塑部件并在低于6000psi，并且可能远低于6000psi的熔体压力下加工。
[0058]所述热塑性材料可以例如为聚烯烃。示例性聚烯烃包括但不限于聚丙烯、聚乙烯、聚甲基戊烯、以及聚丁烯-1。前述聚烯烃的任一种都可来源于生物基给料，诸如甘蔗或其它农业产品，以制备生物-聚丙烯或生物-聚乙烯。在熔融状态时，聚烯烃有利地展示剪切致稀。剪切致稀是流体在置于压缩应力下时粘度降低。剪切致稀可有益地允许使热塑性材料在整个注塑过程中保持流动。不旨在受理论束缚，据信热塑性材料，具体地聚烯烃的剪切致稀性能，导致在恒定的压力下加工所述材料时，材料粘度的较少变化。因此，本公开的方法和装置的实施例可对热塑性材料的变化较不敏感，所述变化例如由于着色剂或其它添加剂以及加工条件导致。这种对热塑性材料特性的批次间变化的降低的敏感度还可有利地允许使用本公开的方法和装置的实施例加工工业后和消费后可再循环塑料。工业后、消费后可再循环塑料来源于作为消费品本身已结束其生命周期和换句话讲将作为固体废品丢弃的终产品。此类可再循环的塑料，以及热塑性材料的共混物本身具有其材料特性的显著的批次间变化。
[0059]热塑性材料还可以为例如聚酯。示例性聚酯包括但不限于聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)0 PET聚合物可来源于生物基给料，诸如甘蔗或其它农业产品，以部分或完全地制备生物-PET聚合物。其它适宜的热塑性材料包括聚丙烯和聚乙烯的共聚物、热塑性弹性体的聚合物和共聚物、聚酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)、聚(乳酸)、生物基聚酯诸如聚(呋喃甲酸乙烯酯)多羟基链烷酸酯、聚(乙烯呋喃酯)、(被认为是对PET的替代或简易替换)、多羟基链烷酸酯、聚酰胺、聚缩醛、乙烯-a -烯烃橡胶、以及苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物。热塑性材料还可以为多重聚合物材料和非聚合物材料的共混物。热塑性材料可以为例如产生多模态或双模态共混物的高、中、以及低分子量聚合物的共混物。多模态材料能够以获得具有优异的流动性能，还具有令人满意的化学/物理性能的热塑性材料的方式设计。热塑性材料还可以为聚合物与一种或多种小分子添加剂的共混物。小分子可以为例如硅氧烷或当加入热塑性材料中时，改善聚合物材料的流动性的其它润滑分子。
[0060]其它添加剂可包括无机填料诸如碳酸钙、硫酸钙、滑石、粘土 (例如纳米粘土)、氢氧化铝、CaSiO3、形成纤维或微球的玻璃、结晶二氧化硅(例如，石英、novacite、crystallobite)、氢氧化镁、云母、硫酸钠、锌钡白、碳酸镁、氧化铁；或有机填料诸如稻壳、秸杆、大麻纤维、木粉、或木纤维、竹纤维或甘蔗纤维。
[0061]其它适宜的热塑性材料包括可再生的聚合物如直接由生物体产生的聚合物的非限制性例子，诸如多羟基链烷酸酯(例如，聚(3 -羟基链烷酸酯)、聚(3-羟基丁酸酯-共聚-3-羟基戊酸酯，NODAX (注册商标))，以及细菌纤维素；从植物、农作物和林木、以及生物质中提取的聚合物，如多糖及其衍生物(例如树胶、纤维素、纤维素酯、甲壳质、脱乙酰壳多糖、淀粉、化学改性的淀粉、乙酸纤维素的颗粒)、蛋白质(例如玉米素、乳清、谷蛋白、胶原)、脂质、木质素和天然橡胶；由淀粉和化学淀粉制备的热塑性淀粉、以及衍生自天然来源的单体的现有聚合物以及衍生物，诸如生物聚乙烯、生物聚丙烯、聚对苯二甲酸亚丙基酯、聚乳酸、NYL0N11、醇酸树脂、基于琥珀酸的树脂、以及生物聚对苯二甲酸乙二醇酯。
[0062]适宜的热塑性材料可包括如上所列例子中的不同热塑性材料的共混物或多种共混物。不同材料也可以为来源于天然生物衍生或石油衍生材料的材料、或生物衍生或石油衍生材料的可再循环材料的组合。共混物中的一种或多种热塑性材料可以为能够生物降解的。并且对于非共混的热塑性材料而言，材料可以为能够生物降解的。
[0063]示例性热塑性树脂连同其推荐的操作压力提供于下表中:
[0064]
【权利要求】
1.一种在基本上恒定的压力下注塑薄壁部件的方法，所述方法包括: 操作注射系统以在增加的功率下推进熔融热塑性材料进入模具腔体中直至达到预定的注射压力；以及 降低所述功率直至所述模具腔体基本上充满热塑性材料以保持基本上恒定的注射压力； 其中峰值功率在所述腔体被填充30%之前出现，所述模具腔体具有大于100的L/T比率，并且热塑性材料的注射量大于50cc。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述峰值功率在所述腔体被填充20%之前出现。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述峰值功率在所述腔体被填充10%之前出现。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述基本上恒定的注射压力小于6，OOOpsi。
5.根据权利要求1所述的方法，其中操作所述注射系统以在所述热塑性材料穿过所述模具腔体推进时，保持无停顿地移动的热塑性材料的流动前沿为基本上连续的且移动的。
6.根据权利要求1所述的方法，其中在所述热塑性材料的流动前沿开始冻结之前，所述模具腔体是至少99%充满的。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述模具腔体具有200或更大的L/T比率。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述模具腔体具有250或更大的L/T比率。
9.一种在基本上恒定的压力下注塑薄壁部件的方法，所述方法包括: 操作注射系统以在增加的功率下`推进熔融热塑性材料进入模具腔体中直至达到预定的注射压力；以及 降低所述功率直至所述模具腔体基本上充满热塑性材料以保持基本上恒定的注射压力； 其中对于具有给定L/T比率的给定模具腔体，将所述熔融热塑性材料注入所述模具腔体中所需的瞬时功率小于在常规高可变压力注塑法中注射所述熔融热塑性材料所需的功率。
10.根据权利要求9所述的方法，其中注射熔融热塑性材料所需的所述瞬时功率小于由下式计算的功率:
功率=138.14 (L/T) +7163.4。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述模具腔体具有介于100和250之间的L/T比率。
12.根据权利要求11所述的方法,其中注射量大于50cc。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述注射量大于lOOcc。
14.根据权利要求9所述的方法，其中所述模具腔体具有5mm或更小的最大厚度。
【文档编号】B29C45/77GK103561935SQ201280024330
【公开日】2014年2月5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, M·T·多德, N·雷蒙－马丁内斯, K·N·麦克康奈尔, D·D·伦普金, V·S·布雷登巴赫, J·R·罗森 申请人:宝洁公司