高热导率共注塑系统的制作方法

高热导率共注塑系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种低恒定压力共注塑机，所述低恒定压力共注塑机通过在6,000psi和更小的低恒定压力下将熔融热塑性材料注入模具腔体中来形成模塑部件。因此，所述低恒定压力注塑机包括由易机加工的材料形成的模具，所述模具在制造上比典型的注塑模具更便宜且更快速。可以使用嵌入的可持续材料，诸如聚乳酸(PLA)、淀粉、消费后可再循环物(PCR)以及工业后可再循环物(PIR)来共注L/T比大于100的薄壁部件，所述可持续材料通过厚度小于0.5mm的耐滤出材料的阻隔层与表面隔离。所述共注塑机设有包含平均热导率大于30BTU/HR FT℉的材料的螺杆。
【专利说明】高热导率共注塑系统

【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共注 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。在重复注塑过程中，将塑性树脂（最常见的为小珠或粒料 形式）引入到注塑机中，注塑机在加热、压力和剪切下使所述树脂小珠熔融。此类树脂可包 括母料材料连同一种或多种着色剂、添加剂、填料等。现在熔融树脂被强力注入到具有特定 腔体形状的模具腔体中。注入的塑料在模具腔体中在压力下保持，冷却，然后作为固化部件 取出，所述固化部件具有基上复制了模具的腔体形状的形状。模具自身可具有单一腔体或 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。常见的是大部件具有两个、三个或更多个浇口以减少聚 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诸如基本上圆形或以1.1或更大的纵横比成 型。因此，典型的注塑规程包括四个基本操作：（1)将塑料在注塑机中加热，以使其在压力 下流动；（2)将熔融塑料注入被限定在已闭合的两个模具半块之间的一个或多个模具腔体 中；（3)使塑料在一个或多个腔体中在压力下冷却并硬化；以及（4)打开模具半块以使部件 从模具中被顶出。
[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，直至塑 性树脂到达腔体中的最远离浇口的位置。所得的该部件的长度和壁厚取决于模具腔体的形 状。
[0004] 虽然可期望减小注塑部件的壁厚以减少塑料含量，从而降低最终部件的成本；但 是使用常规的注塑方法减小壁厚可能是昂贵且不易完成的任务，特别是当壁厚的设计小于 约1.0毫米时。在以常规注塑方法将液态塑性树脂引入到注塑模具中时，邻近腔体壁的材 料立即开始"冻结"或硬化或固化，因为液态塑性树脂冷却至低于材料的不流动温度的温度 并且液态塑料的一些部分开始静止。当材料流过模具时，材料的边界层抵靠模具的侧面而 形成。随着模具的继续填充，边界层继续增厚，最终会封闭住材料流动的路径并且阻止额外 的材料流入模具中。当模具冷却时，塑性树脂在模具壁上冻结的问题会变得更严重，使用某 种技术来缩短每个部件的循环时间并增加机器的通过量。
[0005] 也可期望设计出一种部件和对应的模具，使得液体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。增加模具的某些区中的厚度可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"厚向薄"的流动路径要求可导致塑料的使用效率低，并且对 于注塑部件的制造商来讲会导致更高的部件成本，因为额外的材料必须在其中不必需要材 料的位置被模塑成部件。
[0006] -种用以减小部件的壁厚的方法是，当液体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体材料进入模具中。然 而，增加压力会具有成本和性能两方面的缺点。当模塑组件所需的压力增加时，模塑设备必 须具有足够的强度以承受额外的压力，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，减小给定部件的壁厚可产生用以通过常规注塑 技术实现所述制造的大量资本费用。
[0007] 另外，当液态塑性材料流入注塑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，所冻结的聚合物分子 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、具有减小的机械性能、以及具有减小的对化学暴露的抗性。对 于注塑的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 的机械性能是尤其重要的。
[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该剪切力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 之前冻结。
[0009] 粘度的减少与在塑性材料和给料系统之间，以及在塑性材料和模具腔体壁之间产 生的剪切力的量值直接相关。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 融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 最小熔融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顶端。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。
[0010] 用于注塑机的模具必须能够承受这些高熔融压力。此外，形成模具的材料必须具 有能够承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，模具制造商通常从具有大于30RC，且更通常大于50RC的高硬度材料诸如工具 钢来形成模具。这些高硬度材料是耐用的并被装备成承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。另外，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（即，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。高产注塑机通常生产500, 000个部件或更多。工业品质生产 模具必须被设计成生产至少500, 000个部件，优选地多于1，000, 000个部件，更优选地多于 5, 000, 000个部件，以及甚至更优选地多于10, 000, 000个部件。这些高产注塑机具有多腔 体模具以及复杂的冷却系统以提高生产速率。上述高硬度材料比低硬度材料更能够承受重 复的高压夹紧和注射操作。然而，高硬度材料诸如大多数工具钢，具有相对低的热导率，一 般小于约20BTU/HR FT °F，这导致在将热经由高硬度材料从熔融塑性材料传递到冷却流体 时的较长的冷却时间。
[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级模具或401级模具中，可制备多于1百万或2百万个部件，有时将这些 模具称为"超高产量模具"。在行业内，有时将以300吨或更大压力运行的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诸如工具钢，一般相当难以 机加工。因此，已知的高生产量注塑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。
[0014] 在一种类型的共注塑中，将两种或更多种材料注入注塑模具腔体，其中所述多种 材料同时（或几乎同时）经由一个或多个浇口流入所述模具腔体。构造材料的流动以使第 二材料被第一材料包封。第三材料将被第二材料包封，以此类推。这种方法导致多种材料 在成品模塑部件内分层，其中第一材料将暴露于部件的最外表面，且第二材料将被第一材 料完全覆盖，并且第三材料将被第二材料完全覆盖，以此类推。应当理解在材料进入模具腔 体的浇口区域中，少量第二材料，以及任何额外的材料可能暴露于外表面。共注入时的常用 操作是开始引入第一材料略早于第二材料和额外的材料，以便阻止额外的材料渗入流动前 沿并到达部件的表面。共注入时还常用的操作是在模具正要被完全充满之前停止额外的材 料的流动，因为这使得第一材料完全填充浇口区域并完全包封额外的材料。
[0015] 相反，共注入材料可在注塑部件上彼此重叠或邻接，而不将一种或多种材料包封 在另一种材料中。因此，虽然共注入可用于将一种材料嵌入另一种材料内以便隔离表面不 与嵌入的材料接触，但是共注入还可提供其它方式以增加对模具制造商可用的美观选择。 例如，通过改变多种不同着色的共注入材料（即具有可通过人眼检测而彼此可识别的不 同彦页色的材料，其常常按照由 International Commission on Illumination (Commission Internationale d'Eclairage)所指定的颜色空间 CIE 1976 (L*，a*，b*)被量化为至少 I. 0 的A-E(dE))中一种或多种的引入速率，可以在单个部件内实现颜色漩涡或渐变，而不限 于在给定模塑部件内从一种期望的颜色到另一种颜色的突然的明显过渡。
[0016] 共注入方法通常需要用于每种材料的单独的注射系统，以在将材料注入模具腔体 中之前对材料加压。给料系统被设计成将每种材料流畅地传输到单个浇口中，在所述浇口 中材料被混合在一起。在一些共注入技术中，可在邻近引入第一材料的浇口的位置处将第 二材料引入到模具腔体中，其中第二材料仅在第一材料已流过第二材料浇口位置之后才按 顺序开始流动。这导致第二材料渗入第一材料的冻结表层并流到材料流的液体中心部分。
[0017] 在常规变压共注入系统中，普遍的制造挑战是保持被引入模具腔体中的材料的同 步流动前沿速度（即，期望保持被共注入的每种材料的流动前沿之间的相对速度相等，以 便保持模具腔体中材料的一致性分布，且每种材料不管粘度如何均以相同速率移动，但是 这是困难的）。即使在用计算机控制操作供应单独材料的圆筒，传感器检测并连通控制注塑 机螺杆旋转速度的控制器以便控制共注入材料的速度的情况下，也需要重复程序以在模塑 过程中实现并保持材料的同步流速，并避免待注塑部件中不期望的材料分布的不一致性。
[0018] 常规共注入方法的另一个缺点在于相比于单一材料注塑，变压共注入需要的部件 厚度为至少Imm以避免内层冲破外层（对于在其中共注入另一种材料的每个层而言，厚度 为0. 5mm)。换句话讲，为实现待与第一材料共注入的第二材料的足够流量，常规共注入系统 中的第一材料的厚度必须为至少〇. 5mm。如果期望三种材料共注入，则第一材料和第二材料 的组合厚度将需要至少I. 〇mm。

【专利附图】

【附图说明】
[0019] 附图所示的实施例在性质上为例证性和示例性的，而并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详细描述，其中用类 似的附图标号表示类似的结构，并且其中：
[0020] 图1示出了根据本公开构造的注塑机的示意图；
[0021] 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；
[0022] 图3是图1的注塑机的模具中模具腔体的腔体压力对时间的图；
[0023] 图4是图1的注塑机的模具组件的一个实施例的剖面图；
[0024] 图5是给料系统的透视图；
[0025] 图6A和6B是各种给料系统的示意图；
[0026] 图7是本公开的模塑组件的剖面图，所述模塑组件包括多腔体膜具和共注入歧 管；
[0027] 图8是消费品顶盖的局部剖切的透视图，所述消费品的顶盖以根据本公开的方式 共注塑并具有芯材料，所述芯材料在邻近于顶盖端部的顶盖连接区中增强；
[0028] 图9是沿图8的线9-9截取的图8顶盖的剖面图；
[0029] 图IOa-IOd是随时间排序的剖面图，其示出在共注入图8和9的顶盖期间，本公开 模塑组件的模具腔体和浇口；
[0030] 图11是类似于图8和9的顶盖但是具有增强区的顶盖的剖面图，所述增强区在比 邻近于图8和9顶盖末端的经增强连接区与顶盖末端相隔更远间距的区中；
[0031] 图12a_12d是随时间排序的剖面图，其示出在共注塑图11的顶盖期间，本公开模 塑组件的模具腔体和浇口；
[0032] 图13是具有活动组件的双组件开关式顶盖的透视图，所述双组件开关式顶盖以 根据本公开的方式共注塑；
[0033] 图14是图13的双组件开关式顶盖的主顶盖部件的剖面图；
[0034] 图15是图13的双组件开关式顶盖的活动组件的平面图；以及
[0035] 图16a_16c是按时间排序的剖面图，其表示在共注塑图11和13的双组件开关式 顶盖的活动组件期间，本公开的模塑组件的模具腔体和浇口。

【具体实施方式】
[0036] 本发明的实施例一般涉及通过注塑来制备产品的系统、机器、产品、以及方法，并 且更具体地涉及通过低恒压注塑来制备产品的系统、产品、以及方法。
[0037] 如本文所用，相对于热塑性材料的熔融压力的术语"低压"，是指大约6000psi和 更低的注塑机的喷嘴附近的熔融压力。
[0038] 如本文所用，相对于热塑性材料的熔融压力的术语"基本上恒定的压力"，是指与 基线熔融压力的偏差不产生热塑性材料物理性能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"包括与基线熔融压力大约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。熔融压力被视为基本上恒定的，只要熔融压力波动不超过所 列举压力的30*%。
[0039] 在共注入方法中使用恒定压力具有优于常规变压方法的若干优点。在常规变压方 法中，难以实现第一材料相对于第二材料或第三材料等的恒定流速。这是困难的，因为材料 流动受两个独立的注射系统控制，并且当材料遇到不同程度的流动阻力时，压力将增大或 减少。这种压力的变化导致两种材料流之间的流速不一致，因此材料层将具有不同的厚度。 因此，采用复杂的算法、昂贵的设备来控制所述流动尽可能均匀是必要的。此外，运行许多 尝试是必要的，并在每次尝试之后调整过程设置以实现期望的流动一致性。这种迭代过程 是非常耗时且昂贵的。另外，每次部件设计的改变或如果将新材料用于一个或多个层时，必 须进行这种迭代过程。
[0040] 在恒定压力的情况下，流速本质上更稳定，因为压力是恒定的并且在某种程度上 为保持期望的压力必需进行压力调整，所以对控制系统进行实时调整以保持两个注射系统 的该恒定压力。因此，如果两个注射系统（即，用于彼此共注入模具腔体中的两种材料中的 每一种的注射系统）均处于相等的压力下，则进入模具腔体中的流速也将相等。这提供了 更一致的层厚度，并且消除了对高度复杂的控制演算法、昂贵的设备、以及用于限定合格的 过程设置以实现期望层厚度的费时的迭代过程的需要。这种更简单、更便宜、更快速的方法 使得其可以将共注入用于先前主要由于经济原因而不可行的应用中。一些例子为：
[0041] 可以将较低成本的可再循环树脂包封在模塑组件的中间或芯中，并实现成品部件 的成本节约。先前，设备的成本将导致成品部件的较高成本。封装可再循环材料（包括可 再循环树脂诸如消费后可再循环物（PCR)和工业后可再循环物（PIR)，为方便起见，在本文 中单独地或统一地称为PCR和PIR)的优点在于其不仅隔离这些材料不与共注入部件中可 能包含的消耗材料的任何不可取的直接接触，而且还遮盖了 PCR和PIR材料使其不被看见。 例如，当将PCR和PIR重新研磨以用于注塑过程时，通常加入深色着色剂诸如黑色着色剂， 以避免成品部件中的视觉不一致性。然而，使深色或黑色PCR和PIR材料暴露在部件上，可 能让消费者看起来不舒服，所以将所述材料包封在具有更令人愉悦的颜色的材料表层中是 有利的，并且能够以根据本公开的方法和系统的成本有效的方式这样做的能力将鼓励注塑 产品的制造商在部件上更多的使用PCR和PIR，从而导致更环境友好的生产。
[0042] 诸如通过改变将两种或更多种共注入材料递送到模塑腔体时的相对压力，可以实 现共注入材料的相对浓度的局部变化。这允许例如通过在共注入中用较强的可能更昂贵的 更大厚度模塑材料来增强所述连接区，然而可将所述相同顶盖的其它区与较低浓度的较强 材料共注入来加强消费品的顶盖的连接区，从而节约成本。
[0043] 可以模塑装饰性多色薄壁部件。可模塑总体壁厚薄至0. 5_的部件，所述部件具 有一个或多个离散的内层。先前，使用多重注塑需要复杂的设备和模具。此外，当在高压下 注塑时，常规的高产量（例如，101级和102级）模塑工艺只能模塑单一材料的薄壁部件。 多层结构将要求每个层的厚度为约〇.5mm或更大以避免第二（芯）材料突破或冲破第一 (表皮）材料。因此，当使用昂贵的材料诸如EVOH阻隔层时，恒压共注入是特别有利的，因 为EVOH材料比通用树脂如PP贵得多。在恒压共注入系统中，EVOH可以薄至0. 1mm，而不是 多重注射系统中的约〇. 5_，并且不产生不可取的第二材料冲破第一材料的情形。
[0044] 可由本公开的低恒压模塑系统和方法实现的其它共注入方案包括共注入重叠的 两种或更多种材料，但不包括将一种材料完全封装在另一种材料中。可符合这些使用本公 开系统和方法的方案进行共注入的产品的多材料结构的例子在美国公布2005/0170113A1 和2009/0194915A1中举例说明和描述，上述专利文献以引用方式并入本文。
[0045] 在本公开范围内的其它替代方式是共注入材料在成品模塑部件中彼此邻接但不 重叠。可符合这些使用本公开系统和方法的方案进行共注入的产品的多材料结构的例子在 美国公布2005/0170114A1中举例说明和描述，上述专利文献以引用方式并入本文。
[0046] 因为资源节约举措使对于在注塑产品中使用可持续材料（即，衍生自可再生资 源的材料）（诸如聚乳酸（PLA)、淀粉、消费后可再循环物（PCR)、以及工业后可再循环物 (PIR))的接受度和需求增加，所以根据本公开的低恒压共注入提出了具有吸引力的解决方 案，使得在越来越多的模塑产品中能够使用此类材料而不管它们较差的物理性能，诸如PLA 的脆性、淀粉的水敏性、以及PCR和PIR的臭味和不连续性。当暴露于水分时表现不良好但 是如果与水分隔离则可用作注塑部件中的芯材料的各种聚合物材料，包括但不限于聚（乙 烯醇）（PVOH)、聚（乙烯-共聚-乙烯醇）（EVOH)、聚（乙烯基吡咯烷酮）（PVP)、聚（_唑 啉）、聚（乙二醇）也称为聚（氧亚甲基）、聚（丙烯酸）、聚酰胺诸如聚（六亚甲基己二酰 二胺）、亲水改性的聚酯、热塑性淀粉（TPS)、以及未改性的淀粉和混合的共混物。在一般消 费品领域，具体地在个人卫生用品领域中，增加材料诸如PLA、淀粉、PCR和PIR的应用的障 碍是对于此类材料暴露于皮肤接触表面，或相对于模塑包装中含有的消耗流体或凝胶产品 暴露并潜在浸出于这些消耗产品中的关注。另一个障碍是PCR的难看的性质，如上所述，在 很多情况下PCR与黑色或深色着色剂混合以掩盖稠度或颜色的变化。虽然已知共注入作为 将一种材料嵌入另一种材料中以隔离嵌入材料接触暴露表面的方式，但是如上所述，常规 的共注入技术要求最外层材料具有大约至少0. 5mm的相对厚壁，以实现待嵌入材料足够流 量并避免芯材料突破或冲破最外层材料。聚烯烃（包括聚丙烯和聚乙烯）也可以为适用于 作为共注入产品组件的芯的材料。
[0047] 通过采用由具有高热导率的材料制成的模具，可在较低压力下将熔融材料引入此 类模具中。还存在对被引入材料的相对速度的更多控制，从而有助于流动前沿同步。当在 较低压力下将这些材料共注入到由具有高热导率的材料制成的模具中时，较少需要提供此 类厚外层材料来实现第二材料相对于第一材料的流动。因此，可将PLA、淀粉、PCR和PIR嵌 入具有优异物理性能的薄层（即小于〇. 5mm)天然模塑材料诸如乙烯-乙烯醇（EVOH)或聚 丙烯中，其中一个或多个PLA、淀粉、和/或PCR层保持与模塑部件的暴露表面隔离并被遮蔽 不被看见。如上文所述，EVOH或PP层可薄至0.1mm。因此，多层共注入部件的总体厚度可 达到甚至小于0. 5mm。
[0048] 如本文所公开，在共注入的各种实施例中，可形成在其芯中具有发泡塑料的模塑 部件。发泡芯部件可用于相对较厚的部件。在一些实施例中，还可以各种方式涂覆发泡内 层以形成平滑的外层。因此，当与由整体模塑结构制成的常规部件相比时，具有发泡芯和/ 或发泡内层的实施例可提供材料和/或成本节约。
[0049] 此外，根据本公开在低恒定压力下的共注入为成本有效地制造具有活动特征结构 的消费品提供了增加的机会，所述活动特征结构诸如按压盖，本领域中也称为开关式顶盖 或翻盖式顶盖，其是可再循环的。此类顶盖的组件通常由彼此相异的材料制造，以便避免可 移动部件粘着到固定组件的趋势。例如，用于与洗发剂瓶的顶部配合，在其内壁上具有螺 纹的按压盖的圆柱形外部通常由一种材料诸如聚丙烯制成，而用于选择性打开和关闭瓶子 的开关部分通常由相异的材料诸如聚乙烯制成，反之亦然。如果此类顶盖的两个组件均由 聚丙烯制成，或者两个组件均由聚乙烯制成，则组件的配对部分将由于内聚力而趋于彼此 粘着，从而妨碍打开或关闭瓶子的能力并且不利地影响产品的消费者接受度。然而，因为如 果产品不均匀则循环利用产品变得更困难，所以此类相异材料的使用不利地影响可再循环 性。
[0050] 通过利用本公开的低恒定压力共注入，可模塑此类多组件活动特征的顶盖，使得 接触表面相异，但是组件之一的芯诸如开关部分，由与其它组件相同的材料模塑成，从而避 免内聚力。本公开的低恒定压力共注入允许共注入开关部分的表层具有薄壁而不具有芯材 料冲破表层材料的巨大风险。因此，圆柱形外部可由聚丙烯制成，并且开关部分的芯材料也 可以为聚丙烯，其共注入到薄至〇. Imm的相异材料诸如聚乙烯的表层中。最终结果是双组 件顶盖仅有极小一部分不是聚丙烯。构成开关部分的表层的聚乙烯含量虽然足以避免共聚 问题，但是不足够大至减弱可再循环性。
[0051] 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级注塑模具，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给料至注射系统12的加热圆筒20 中。热塑性粒料16在被给料至受热的圆筒20中之后可通过往复式螺杆22驱动至受热的 圆筒20的端部。加热所述受热的圆筒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熔融，从而形成熔融热塑性材料24。通常在约130°C至约4KTC的温度下 对所述熔融热塑性材料进行加工。
[0052] 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。模具腔体32形成于模具28的第一 模具部件25与第二模具部件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施加必须大于由用于分离两个模 具半块的注射压力所施加的力的夹紧力，以在将熔融热塑性材料24注入模具腔体32中的 同时将第一模具部件25和第二模具部件27保持在一起。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表面硬度大于约165BHN且优选地小 于约260BHN的材料形成，但是可使用表面硬度BHN值大于260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。
[0053] -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硬化。一旦热塑性材料24硬化，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彼此分离，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）。
[0054] 控制器50与传感器52和螺杆控制件36以可通信方式连接。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部54, 56而连接 至传感器52和螺杆控制件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允许控制器50与传感器52和螺杆 控制件36两者进行通信的任何其它类型的通信连接而连接至传感器52和螺杆控制件56。
[0055] 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的烙融压力的压力传感器。传感器52产生传播到控制器50的电信号。然后控制 器50命令螺杆控制件36以保持喷嘴26中熔融热塑性材料24的基本上恒定的熔融压力的 速率来推进螺杆22。虽然传感器52可直接测量熔融压力，但是传感器52可测量熔融热塑 性材料24的其它性能，诸如指示熔融压力的温度、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以流体方式连接的注射系统12或模具 28内的任何位置处。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连 通，并能够感测流体压力和/或其它流体性能。如果传感器52不位于喷嘴26内，则可对所 测量的性能施用适当的校正因子以计算喷嘴26中的熔融压力。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与第二模具部件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。
[0056] 虽然图1示出了有源闭环控制器50,但是可使用其它压力调节装置代替所述闭环 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的熔融压力。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构为当检测到过压条件时启动警报。
[0057] 现在转向图2,示出了模塑部件100的实例。模塑部件100为薄壁部件。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，通常认为模塑部件是薄壁的。 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和医疗保健或医疗 用品行业中尤为普及。
[0058] 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，通常认为 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 102到模具腔体32端部将T尺寸对模具腔体32的长度积分，并且确定从浇口 102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比率通过对由各单独浇 口填充的模具腔体32的部分的L和T积分来确定，并且给定模具腔体的总体L/T比率为对 于浇口中任一个计算的最高L/T比率。
[0059] 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端 部104之前冷却熔融热塑性材料。当发生这种情况时，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, OOOpsidf 熔融热塑性材料注入模具中，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 下将熔融塑性材料注入模具中的另一个原因是剪切增加，这增加了如上所述的流动性能。 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和给料系统。
[0060] 传统注塑机使用由工具钢或其它用于制备模具的硬质材料制成的模具。虽然这些 工具钢足够稳固以承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腔体时提高冷却时间，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。
[0061] 本发明人已经发现剪切致稀热塑性塑料（甚至是最低程度的剪切致稀热塑性塑 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、 聚乙烯呋喃酯（PEF)、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_ a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。该发现直接否认了教导的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推进通过模具。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。
[0062] 由于使用常规共注入时所采用的上述厚度要求，即最小第一材料厚度为0. 5mm从 而使得第二材料可被共注入其中，所以认为具有高L/T的部件的大量共注入生产，即大约 大于100个（其中第一材料具有嵌入其中的不同的第二材料）在经济上是不可行的。利用 本公开的基本上恒定的低压方法，克服了剪切效应，所述剪切效应需要较厚的第一材料壁 以获得合格的第二材料流量。另外，显著减小了与控制共注入材料的相对流动速度相关的 问题。使材料重叠或邻接而不将一种或多种材料封装在另一种材料内部的共注入还显著更 加成本有效和可预测，而不需要更多的协调或迭代地控制相对流量以实现期望的且可重复 的结果。
[0063] 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示出了本公开的低恒压注塑机的压力-时间曲线。
[0064] 在常规的情况下，使熔融压力快速增加至远超过15,000psi，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，熔融压力降低并在更低的，10, OOOpsi或更低，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是其中保持熔融压力以确保模具腔 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，各硬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，塑料在各硬化阶段中的常规填料导致一些不理想的材料性能，例如，模塑在内的 应力、凹陷、以及非最佳的光学性能等。
[0065] 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融前沿，所述熔融前沿从浇口向流动通道的端部推进通过流动通道。 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，成品模塑部件形成具有比常规模塑部件更好的机械性能 和/或更好的光学性能的结晶结构。非晶态聚合物也可形成具有优异机械性能和/或光学 性能的结构。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 的性能。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 学性能。
[0066] 通过保持喷嘴内基本上恒定的低熔融压力（例如小于eooopsi)，可将更多可加工 的材料用于形成模具28。例如，图1中所示的模具28可由如下材料形成，所述材料具有 大于 100 % (诸如 100-1000 %、100-900 %、100-800 %、100-700 %、100-600 %、100-500 %、 100-400 %、100-300 %、100-250 %、100-225 %、100-200 %、100-180 %、100-160 %、 100-150 %、100-140 %、100-130 %、100-120 %U00-110 %、120-250 %、120-225 %、 120-200 %、120-180 %、120-160 %、120-150 %、120-140 %、120-130 %、140-400 %、 150-300%、160-250%、或180-225%、或由这些百分比值中任一个形成的任何其它范围） 的铣削机加工指数，大于 100 % (诸如 100-1000 %、100-900 %、100-800 %、100-700 %、 100-600 %、100-500 %、100-400 %、100-300 %、100-250 %、100-225 %、100-200 %、 100-180 %、100-160 %、100-150 %、100-140 %、100-130 %、100-120 %U00-110 %、 120-250 %、120-225 %、120-200 %、120-180 %、120-160 %、120-150 %、120-140 %、 120-130 %、140-400 %、150-300 %、160-250 %、或 180-225 %、或由这些百分比值中任一 个形成的任何其它范围）的钻削机加工指数，大于100% (诸如100-1000%、100-900%、 100-800 %、100-700 %、100-600 %、100-500 %、100-400 %、100-300 %、100-250 %、 100-225 %、100-200 %、100-180 %、100-160 %、100-150 %、100-140 %、100-130 %、 100-120 %U00-110 %、120-250 %、120-225 %、120-200 %、120-180 %、120-160 %、 120-150 %、120-140 %、120-130 %、140-400 %、150-300 %、160-250 %、180-225 %、或 由这些百分比值中任一个形成的任何其它范围）的钻削机加工指数，大于100% (诸 如 100-1000 %、100-900 %、100-800 %、100-700 %、100-600 %、100-500 %、100-400 %、 100-300 %、100-250 %、100-225 %、100-200 %、100-180 %、100-160 %、100-150 %、 100-140 %、100-130 %、100-120 %U00-110 %、120-250 %、120-225 %、120-200 %、 120-180 %、120-160 %、120-150 %、120-140 %、120-130 %、140-400 %、150-300 %、 160-250%、或180-225%或由这些百分比值中任一个形成的任何其它范围）的电火花 线切割机加工指数，大于 200% (诸如 200-1000 %、200-900%、200-800 %、200-700%、 200-600 %、200-500 %、200-400 %、200-300 %、200-250 %、300-900 %、300-800 %、 300-700 %、300-600 %、300-500 %、400-800 %、400-700 %、400-600 %、400-500 % 或或由 这些百分比值中任一个形成的任何其它范围）的石墨电火花成型加工机加工指数，或大 于 150 % (诸如 150-1000 %、150-900 %、150-800 %、150-700 %、150-600 %、150-500 %、 150-400 %、150-300 %、150-250 %、150-225 %、150-200 %、150-175 %、250-800 %、 250-700 %、250-600 %、250-500 %、250-400 %、250-300 %、或由这些百分比值中任一个形 成的任何其它范围）的铜电火花成型加工机加工指数。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确定机加工指数 的测试方法。材料样品的机加工指数的例子编译在下表1中。
[0067]

【权利要求】
1. 一种共注塑系统（#10,图1)，包括： 螺杆（#22,图1)，所述螺杆用于将第一材料给料于模具（#28,图1)中，所述模具包含具 有大于30BTU/HR FT °F的平均热导率的材料； 所述系统的特征在于所述模具包括至少一个模具腔体（#32,图1)，所述模具包括下述 中的至少一个： L/T比大于100的模具腔体（图2); 至少四个模具腔体（图6A、6B); 一个或多个受热的流道（#64,图4); 平衡的熔融塑料给料系统（#60,图5); 导引的顶出件； 大于100%的铣削机加工指数（表1); 大于100 %的钻削机加工指数（表1);以及 大于100%的电火花线切割机加工指数（表1); 第一浇口（图6A)，其用于将至少第一材料（#184,图7)和不同的第二材料（#188,图 7)递送入所述至少一个模具腔体中； 在所述模具的入口处的至少一个喷嘴（#26,图1);以及 与所述至少一个喷嘴之一流体连通的传感器（#52,图1)。
2. 根据权利要求1所述的共注塑系统，其中当所述两种材料的外部的厚度小于0. 5mm 时，在共注入所述至少一个模具腔体中期间，所述第一材料和所述第二材料中的一种可相 对于所述第一材料和所述第二材料中的另一种流动。
3. 根据权利要求1所述的共注塑系统，其中所述第一材料和所述第二材料中的一种包 括包含聚乳酸（PLA)、淀粉、聚烯烃、乙烯、工业后可再循环物（PIR)以及消费后可再循环物 (PCR)在内的组中的至少一种，并且所述第一材料和所述第二材料中的另一种为阻隔层材 料。
4. 根据权利要求3所述的共注塑系统，其中所述阻隔层材料包括乙烯-乙烯醇 (EVOH)。
5. 根据权利要求3所述的共注塑系统，其中当所述阻隔层材料的厚度小于0. 5mm时，在 将材料共注入所述至少一个模具腔体中期间，所述可持续材料可相对于所述阻隔层材料流 动。
6. 根据权利要求1所述的共注塑系统，还包括第二浇口。
7. 根据权利要求6所述的共注塑系统，其中所述第一材料通过所述第一浇口被递送到 所述模具腔体，并且所述第二材料通过所述第二浇口被递送到所述模具腔体。
8. 根据权利要求1所述的共注塑系统，其中当所述第一材料和所述第二材料被递送到 所述模具腔体中时，所述第二材料被所述第一材料包封。
9. 根据权利要求8所述的共注塑系统，其中在所述模具腔体中所述第二材料通过所述 第一材料与模具表面隔离。
10. 根据权利要求1所述的共注塑系统，其中所述第一材料具有第一颜色并且所述第 二材料具有第二颜色，所述第一颜色和所述第二颜色具有至少1. 〇的A-EWE)。
11. 根据权利要求1所述的共注塑系统，还包括控制所述第一材料和所述第二材料的 注射压力的控制系统。
12. 根据权利要求11所述的共注塑系统，其中所述控制系统保持所述第一材料和所述 第二材料的基本上恒定的低注射压力。
13. 根据权利要求12所述的共注塑系统，其中所述控制系统改变所述第一材料和所述 第二材料中的一种相对于所述第一材料和所述第二材料中的另一种的注射压力。
14. 根据权利要求1所述的共注塑系统，还包括与所述传感器电连通并与所述螺杆可 操作地连通的控制器。
【文档编号】B29C45/16GK104334330SQ201380010417
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2013年2月22日 优先权日:2012年2月24日
【发明者】C·J·小伯格, G·M·艾尔托宁, R·E·纽法斯, E·C·博斯韦尔, J·M·雷曼 申请人:宝洁公司