用于在注射成型过程中确定能注射成型的物料的实际体积的方法

摘要

本发明涉及一种用于在注射成型过程期间确定能注射成型的物料的实际体积V

说明书

技术领域

本发明涉及一种按照权利要求1前序部分所述的用于确定注射成型工具的型腔的具有能注射成型的物料的实际填充体积的方法。

背景技术

注射成型机以非常高的精确性允许所有轴和驱动装置的运动。特别用于将例如熔化的热塑性塑料(熔体)引入模具的型腔中的平移蜗杆运动特别是在电的注射成型机中在很大程度上被调整并且能重复。但是，不是由机器引起的波动、例如环境波动和起动效果对在制造注射成型成形件时注射成型过程的可重复性具有负面影响。至今在现有技术中常见的用于稳定成形件质量的手段在于，使温度、(蜗杆的)加速度、速度等在生产时间上尽可能保持恒定。

但是，这些措施不总是可以补偿在材料中、在机器的温度环境中或在其他情况下在外部出现的波动或变化或机械-物理的效果(例如颗粒状进入或回流闭锁的效果)。尽管存在总是相同的过程引导，这些波动或变化可能导致不同的充模并且因此导致成形件的不同的质量。

在现有技术中，为了测量和调整注射过程使用单纯的机器尺寸。因此，例如在注射阶段中通常速度保持恒定并且在再挤压阶段中物料压力保持恒定。注射体积在大多的机器中可测量并且可显示。当然这是理论注射体积，其通过简单计算由实际的所经过的蜗杆位移和蜗杆横截面积得出。就这点而言，亦即在现有技术中使用的注射体积视为理论体积。然而，所使用的能注射成型材料的实际存在的压缩性保持不被考虑。

由DE102007030637B4已知，测量熔体的材料压缩性并且将所述材料压缩性用于确定两个材料成分的混合比例或者在这里考虑所述材料压缩性。

由DE102005016617B3已知，适配再挤压时间，其中，借助塑料体积流量的下降来控制注射成型过程。在这里也进行由蜗杆位移确定塑料体积流量并且因此其对应于理论体积，该理论体积可以根据再挤压阶段期间的压力级不同强度地被压缩。

由EP1074374A1已知所谓的膨胀注射成型过程，其中，利用熔体的压缩性以用于填充模具的型腔。经压缩的熔体体积在卸压过程(减压)期间引导到模具的型腔中并且在这里卸压。但是，不发生主动填充、例如通过蜗杆的移动。为了进行完全的模具填充，膨胀体积必须对应于填充体积。实际上所引入的体积在由上述文献已知的方法中既不被测量也不被考虑用于控制机器。

由JPH01-146718A已知，为了评定经压缩的注射物料的收缩，另外考虑注射成型物料的k-v-t图表。

由US5,260,010已知，为了确定注射坯件的填充重量，求得在最终注射之前和之后注射成型机的不同的参数。

由DE3608973A1已知一种用于在注射成型热塑性的成形物料时控制压缩阶段的方法，其中，超过模具的体积填充在保持时间上施加压缩压力。这引起向模具中的物料补充，直至浇口密封。提出，必要时通过特别为此设置的浇口封闭机构实现密封。

由DE102013111328A1已知一种用于评估注射成型工具的工艺过程的特性的方法。在这里，注射成型工具的填充特性的质的分级借助特征值进行，其在学习周期的范围内求得。

由DE102013111257B3已知将填充体积在注射成型过程中尽可能保持恒定的努力。这考虑机器外部的波动、例如车间温度、要处理的材料的波动和其他影响材料的粘度的参数。

在所提出的方法中，定义成形件体积等效值，其通过对转换点的适配而保持恒定。这个测量大小由流动数(Flieβzahl)和平均粘度相除而形成。流动数是在注射过程的所有部分或一部分上的压力积分。粘度由在填充阶段的一部分中的平均压力以及在该区域中的平均速度形成。再挤压高度与粘度变化有关地相对于学习过程中的参考进行适配。

在现有技术中至今没有由所提出的解决方案排除压缩地测量或调整成形物料的体积、亦即任何类型的能注射成型的物料的体积，该体积应引入模具的型腔中。基本上不考虑能注射成型的物料的压缩性，以便确保正确的充模，不管所述能注射成型的物料是热塑性的熔体或热固性塑料、硅树脂、漆或类似物。

例如关于理论体积和理论体积流量的显示和控制是有压缩的，所述体积流量至今由几何的边界条件、例如蜗杆直径和蜗杆位移求得。这意味着，例如当蜗杆从在1bar压力时的体积100cm³运动到在1000bar物料压力时60cm³的位置时，模具中的填充体积(并且因此还有填充质量)升高到与当仅处于500bar的物料压力时不同的填充体积。示例性地要阐述，在每1000bar物料压力的理论压缩性5％时在第一种情况下在压力卸载之后蜗杆前部空间中的63.1cm³的体积在第二情况下仅存在蜗杆前部空间中的61.5cm³体积。这意味着，在第二情况下1.6cm³更多的未经压缩的熔体引入型腔中。这在图1中示意性地示出。因此，如果在相同的体积时或等效值地在相同的蜗杆位移时注射过程结束，则在不同的压力时引入不同的成形件物料。但是，压力差由于材料的温度波动和粘度变化出现并且因此影响完成的成形件的构件质量和重量恒定。

如上面已经阐述的那样，在DE102013111257B3中测量成形件体积。这当然不是直接地而是间接地通过“成形件体积等效值”进行。

这个“成形件体积等效值”也用于求得再挤压转换点。所述方法隐含地以类似的物料压力曲线变化为前提。

用于适配的过程引导的应用情况也可能是形式为塑化变换或机器更换的“干扰”。这主要是决定蜗杆直径的测量值的独立性。这个特性在通过关于注射时间的压力积分求得流动数时并且因此在成形件体积等效值时不给出。

发明内容

因此本发明的任务在于，给出一种用于在注射成型过程期间确定能注射成型的物料的实际体积的方法。此外，这样的方法应确保，构件质量、特别是构件体积和充模在特别的程度上能保持恒定。此外应确保，同一个模具以减少的、特别是强烈减少的进入耗费单独地基于一个注射成型机的特征尺寸可转用到另一个注射成型机并且该另一个注射成型机利用这个模具能低成本地运行。

所述任务利用具有权利要求1所述特征的方法解决。有利的实施方式在从属权利要求中给出。

在注射成型过程期间用于确定能注射成型的物料的实际体积V_r的方法，其中，将能注射成型的物料引入模具的至少一个型腔中，所述方法具有以下步骤：

a)至少在注射成型过程的填充阶段期间由过程变量求得理论体积V_t，

b)求得和/或测量至少一个物料压力p_M的至少一个值。

这样的方法按照本发明通过以下步骤改进：

c)选择能注射成型的物料的与p_M的值对应的材料特有的压缩k(p)，和

d)在考虑压缩k(p)的情况下计算实际体积V_r。

在按照本发明的方法中，现在首次将能注射成型的物料在压力下实际存在的压缩作为用于在注射成型过程期间确定实际体积V_r决定性地考虑。因此，利用本发明首次实现，使充模在多个注射成型过程上保持恒定，然而至少使其相对于现有技术显著地均匀化，因为认识到，能注射成型的材料的压缩对模具中的型腔的填充具有显著影响并且因此对构件质量具有作用。为了阐述要说明，概念“填充阶段”如其在上述特征a)中和在整个申请中使用的那样是指注射成型过程的注射阶段和再挤压阶段、亦即成形物料到达型腔中的整个时间周期。

在按照本发明的方法的一种有利的实施方式中，在计算实际体积V_r之后在考虑压缩k(p)的情况下(方法的步骤d))对注射成型机的机器参数进行适配，所述适配这样进行，即，达到所述至少一个型腔的理想的实际填充体积ΔV_ri。这样的理想的实际填充体积ΔV_ri例如导致合格件并且可以定义为目标大小，所述目标值以尽可能准确的方式和方法总是又、亦即在每次射入时能达到。

在本发明的另一种有利的实施方式中，从在机器控制装置中储存的材料特有的压缩曲线k(p)、特别是从在机器控制装置中储存的绝热的压缩曲线选择能注射成型的物料的材料特有的压缩k(p)。由注射成型机中的这样的材料特有的数据积累能实现，对于每个瞬时存在的压力值p_M读取例如以％表示的对应的压缩，并且因此计算实际体积V_r。

证实适用的是，将例如缸中的物料压力或成形物料(能注射成型的物料)的模具内压力或蜗杆前部空间中的成形物料压力用作物料压力p_M。适宜地，在确定的过程窗口期间求得和/或测量物料压力p_M的至少两个值A和B。优选这两个值A和B由相同的物料压力类型测量，以便可以获得高的可比较性或可减少性。

必要时适宜的也可以是，将值A和/或B确定为物料压力p_M的多个单独测量值的平均值。

此外，适宜地可以按照公式

计算实际填充体积，所述填充体积对应于由在位置A和B之间的排除压缩的体积V_rA和V_rB构成的差别。这样的排除压缩的实际填充体积ΔV_r考虑在不同的位置A和B处的压力p_M时能注射成型的物料的压缩性。在此：

p_FB：在位置B处的成形物料压力

p_FA：在位置A处的成形物料压力

p_SA：在位置A处的蜗杆前部空间中的成形物料压力

p_SB：在位置B处的蜗杆前部空间中的成形物料压力。

因此，按照本发明认识到，关于型腔内部的实际填充体积的比例可以排除压缩地例如借助蜗杆前部空间的区域中的压力比求得。蜗杆前部空间中的压力值(p_SA或p_SB)利用在注射成型机上存在的测量器件比模具内部的压力比、特别是在充模期间简单得多地且特别是准确得多地确定。因此，实现通过观察蜗杆前部空间中的压力p_S获得关于型腔中的实际填充体积ΔV_r的可靠报告。

备选地或累积地，也可以通过实际填充体积ΔV_r按照时间t在一段时间上的导数、例如由方程

求得实际填充体积流量。

取代时间点t_B和/或t_A，在求得实际填充体积流量时也可以将在注射过程期间或在再挤压阶段期间的蜗杆速度v_S用于计算实际填充体积流量。

这个实际体积流量或实际填充体积ΔV_r可以在填充阶段期间与实际填充体积的参考曲线ΔV_rR和/或实际体积流量的参考曲线进行比较。由此，在填充所述至少一个型腔时的干扰可以通过与参考的偏差来识别。因此，例如可以在串联装置(Kaskade)或热通道喷嘴封闭时中断注射成型过程，用于保护工具以防损坏。

为了提高精确性可以附加地给每个所测量的用于计算的理论体积V_t加上附加的恒定的体积V_t*。因此，可以考虑未由蜗杆或活塞位移检测的体积。所述体积例如在喷嘴或热通道系统中存在。

对于特别高的精确性和注射成型过程中的注射过程或整个生产周期的特别良好的细节可观察性适宜的可以是，在整个填充过程上连续地求得实际填充体积ΔV_r，和/或这样影响用于填充型腔的注射运动，使得经历预定的体积流量分布。作为注射运动例如可以在注射阶段中发生蜗杆进给的速度影响。在再挤压阶段中，再挤压的压力控制或压力影响例如可以是适宜的。

按照本发明的方法能实现，在注射成型机的学习周期L中能求得实际转换填充体积ΔV_rXfrL，其中，在学习周期L中在达到实际转换填充体积ΔV_rXfrL时进行向再挤压阶段的转换。计算和储存这样的实际转换填充体积ΔV_rXfrL，如果学习周期L已经得到合格件的话。为此，在学习过程L中在转换时间点测量理论转换体积V_tXfrL和所属的转换压力p_XfrL。

附加地，在学习周期L中可以求得在参考压力值p_Ref处的理论参考体积V_tRefL。压力p_Ref优选这样选择，使得起动效果、例如回流闭锁装置的关闭或类似情况可靠地减弱。

由所求得的值可以然后适宜地在学习周期L中由公式

求得实际转换填充体积ΔV_rXfrL。

在学习周期L之后的生产周期P中，在参考压力p_Ref处求得理论参考体积V_tRefP。此外，理论体积V_tPC在m生产周期P中在同步的时间点t_c求得。由此，然后实际填充体积ΔV_rP在时间点t_c在生产周期P中由公式

计算。向再挤压阶段的转换在生产周期P中开始，如果ΔV_rP≥ΔV_rXfrL适用的话。

也可以在受压力调整的再挤压阶段期间应用所述方法，其中，在再挤压阶段对机器参数进行适配，用于通过对再挤压的适配而达到理想的实际填充体积ΔV_ri。

在按照本发明的方法中适宜地借助于往复式蜗杆或活塞进行能注射成型的物料向模具的所述至少一个型腔中的引入。

作为能注射成型的物料例如考虑热塑性塑料的熔体或热固性塑料的成形物料或硅树脂或漆。

按照本发明的方法可以有利地改进，其中，与所述方法有关地按照所求得的实际填充体积ΔV_r控制注射成型过程的其他动作、例如抽芯的操纵、串联装置的打开和关闭，所述串联装置与注射成型位移有关地、亦即与注射成型体积有关地或与时间有关地控制。因此按照本发明，现在在现有技术中根据理论大小、例如蜗杆移动位移控制的机器动作可以现在根据型腔的实际填充体积ΔV_r触发，从而能达到这些动作的提高的精确性和可重复性。

在按照本发明的方法的另一种优选的实施方式中，至少将用于实际转换填充体积ΔV_rXfrL的在学习过程L中的经学习的值和参考压力p_Ref从第一注射成型机转用到结构相同的或结构不同的第二注射成型机。按照本发明认识到，利用仅这两个值以简单的方式和方法能实现，在不耗费地进入和校准第二注射成型机情况下，在从一个注射成型机向另一个注射成型机进行模具转移时实现高的构件质量。

附图说明

下面借助附图示例性地详细阐述本发明。附图中：

图la至lc示出在不同的压力级(1000bar和500bar)时在能注射成型的物料的所引入体积方面的差别的示意图；

图2a、2b强烈图解化地示出在蜗杆位移s_A和s_B时两个机器状态A和B；

图3a、3b示出非结晶的(图3a)和部分结晶的(图3b)的热塑性塑料的各一个pvT图表(来源：手册“Spritzgieβen”，Friedrich Johannaber，Walter Michaeli)；

图4示出用于热塑性塑料(ΡA6GF30)的压缩曲线k(p)(绝热线)；

图5示出体积或体积流量关于时间的对比图表，其中，示出按照现有技术(不考虑压缩性)和按照本发明(考虑压缩性、亦即排除压缩)的曲线变化。

具体实施方式

图la至lc示意性地示出注射机构1的图示并且强烈图解化地示出在1bar(环境压力)时100cm³的熔体体积。这是初始状态。

在图lb中，蜗杆前部空间中的熔体体积V₁在第一种情况下减少到60cm³并且处于1000bar的压力下。第二体积V₂处于模具的未示出的型腔中。

在按照图1b的右图中示出一种状态，其中，熔体体积V₁'为60cm³并且处于500bar的压力下。

在图lc中在左图中示出图lb(左)之后的状态，根据图1c，按照图lb(左)的状态卸压到环境压力。体积V₁'变化成63.1cm³并且处于1bar的环境压力。图1的左图中的体积V₂为在卸压状态中为36.9cm³。按照图lc中的右图的体积V₂为38.5cm³。这意味着，在按照图la、lb、lc的右边示出的情况下，引入明显较少的(1.6cm³更少)能注射成型的物料。

在图la、lb、lc中平行地并排示出的两种情况构成现有技术，所述现有技术至今没有规定，这样测量或调整成形物料的引入注射成型模具的型腔中的体积，使得考虑压缩性。在这样的按照现有技术的操作方式中可期待不同大小的体积，如果能注射成型的物料卸压并且在注射成型过程期间存在不同大小的压力的话。这意味着，如果如在现有技术实行的那样注射成型机受体积控制地或与此等效地根据蜗杆位移受控制地运行并且因此在确定的理论体积V_t时或在注射过程的确定的蜗杆位移时结束，则在不同压力时不同的成形件物料引入型腔中。

但是，这样的压力差在实际中由于材料/颗粒/能注射成型的物料的温度波动和粘度变化而出现并且因此不利地影响构件质量和重量恒定。构建于该认识地现在紧接着阐述本发明。

本发明的核心是一种用于排除压缩地确定塑料体积V_r的方法。换言之这意味着，体积V_r向型腔中的引入在考虑能注射成型的物料的压缩性的情况下发生。蜗杆单元2图解化地处于注射单元1中(参阅图2a、2b)，所述蜗杆单元必要时装备有回流闭锁装置。

备选地，蜗杆单元2也可以构造为活塞。

能注射成型的成形物料、例如塑料熔体或热固塑料的能注射成型的成形物料处于蜗杆单元2的前面。当蜗杆单元2处于位置A上时，该成形物料处于压力p_SA下。然后，蜗杆处于蜗杆位移s_A的位置处。这对应于蜗杆前部空间中的理论体积V_tSA。也图解化地示出具有型腔4的注射成型工具3。

此外，示意性地示出理论体积V_tFA(在蜗杆位置s_A处)，该理论体积在模具内压力p_FA下已经处于型腔4中。

图2b示出后来的状态。蜗杆位移s_B小于蜗杆位移s_A。因此，蜗杆单元2已经将成形物料的一部分输送到模具3的型腔4中。在注射单元1的成形物料中、特别是在蜗杆前部空间中存在压力p_SB。理论填充体积V_tFB在压力p_FB下处于型腔4中。

利用这些说明现在可以如下确定实际填充体积ΔV_r。蜗杆前部空间中的体积V_tSA可以通过蜗杆的位移测量系统来测量并且在机器控制装置中显示。因此，由蜗杆位移的差s_A-s_B也可以在回流闭锁装置中或在活塞上的回流可忽略不计的条件下求得在两个位置A和B之间引入模具中的理论填充体积V_tSA-V_tSB。借助于在机器控制装置中储存的对于相应的成形物料材料存在的压缩曲线k(p)，现在可以考虑比体积的变化。压缩曲线k(p)基于如下值，所述值给出存在的材料的压缩性、亦即比体积V_U的变化。这些压缩曲线k(p)可以对于等温情况由pvT图表(参考图3a、3b)求得，其方式是，比体积V_U在压力线5与温度垂线6的交点S1至S4上的变化参考在环境压力时的比体积V_U计算。

这样的压力线5例如在按照图3a、3b的图表中对于非结晶的材料(图3a)和部分结晶的材料(图3b)给出。在确定的温度T₁时随着上升的压力p产生成形物料材料的减少的比体积V_U。为此示例性地在图3a、3b中给出交点S₁，S₂，S₃和S₄。交点S₁例如给出非结晶的材料的比体积V_U，如果该体积在环境压力(1bar)下存在的话。图3a中的这些交点S₂、S₃和S₄给出在较高压力时的比体积V_U。

图3b示出部分结晶的材料的压力线5。交点S₁至S₄处于温度垂线6上，所述温度垂线属于确定的温度T₁。

图4示出另一个(绝热的)压缩曲线k(p)。这样的绝热的压缩曲线k(p)对于注射成型过程是优选的。图4与压力、特别是成形物料压力p_M有关地以百分数示出所属的压缩(k(p))。形成这些曲线的值对p和k(p)储存在机器控制装置中。按照图4的压缩曲线示例性地示出用于能注射成型的材料PA6GF30的变化过程。为了现在可以求得在时间点A的实际体积V_rA，可以在知道所使用的材料的压缩曲线k(p)的情况下给出以下方程：

在两个时间点或位置A和B之间引入的实际填充体积ΔV_r现在可以通过以下方程给出：

其中，V_tFA和V_tFB是在时间点或位置A和B处的理论体积，k(p_FB)和k(p_FA)是在压力p时在位置A处和位置B处的成形物料的压缩性，s_A和s_B是在位置A和B处的蜗杆位移并且k(p_SA)和k(p_SB)是在蜗杆前部空间压力时在位置A或B处的成形物料的压缩性。

压力p_F给出模具内压力。压力p_S例如给出蜗杆前部空间中的成形物料中的压力。两种变型方案是可能的压力类型，其适用于用作物料压力p_M。

基于这种计算也可以给出在位置A、B之间的排除压缩的、亦即实际填充体积流量为此例如以下方程适用：

实际体积流量可以适宜地作为实际填充体积ΔV_r关于时间t的导数求得。

在位置A、B处的用于物料压力p_M的不同的值A、B可以通过机器内部的测量装置、例如力接收器或通过机器的液压压力、直接的和/或间接的熔体压力传感器或其他用于检测缸中的成形物料的压力的测量装置来测量。模具中的压力可以通过模具内压力传感器或其他用于检测模具中的成形物料的压力的测量装置来测量。

因此，按照本发明地考虑所使用的模具材料的压缩k(p)能实现，将实际填充体积ΔV_r和/或实际填充体积流量在型腔4的整个填充过程期间在每个时间点和/或连续地和/或在确定的时间点求得。因此，利用适当的、在机器上存在的用于注射运动的调整技术的装置现在可以影响实际填充体积或实际体积流量，从而经历或可以经历预定的体积流量分布。

此外，按照本发明的方法现在也能实现对注射成型过程的其他过程动作的影响，所述其他过程动作至今可以与蜗杆位移和/或活塞位移或者说体积有关地或者也与速度或体积流量有关地控制，现在也通过排除压缩的实际填充体积ΔV_r或实际填充体积流量这样的动作、例如串联控制、压制分布和/或速度分布可以利用按照本发明的方法以有利的方式在相同的充模时、亦即与粘度波动无关地触发。

图5示出对注射成型过程的不同的特征曲线的比较，其中，这样的注射成型过程相比于按照现有技术的注射成型过程在使用按照本发明的方法的情况下实施。

用于理论填充体积ΔV_t的曲线变化和用于排除压缩的实际填充体积ΔV_r的曲线变化的比较示出，在转换点的时间点，理论填充体积ΔV_t已经达到型腔的额定填充体积(在这里70cm³)并且在注射成型周期结束时甚至超过该额定填充体积。与此相对，实际填充体积ΔV_r首先在再挤压阶段结束时达到型腔的额定体积70cm³，这与实际相对应。因此，在再挤压阶段结束时大于型腔的额定体积的理论填充体积ΔV_t又给出在实际中不可实施的大小。型腔的额定体积在本方法的关系中对应于要达到的理想的实际填充体积ΔV_ri。

此外，在直至转换点的区域中，用于实际填充体积流量的曲线设置在用于理论体积流量的曲线的上方。从再挤压阶段开始，这些曲线才大致一致地延伸。

附图标记列表

V_t>

T时间

p_M>

p_S>

p_F>

k(p) 压缩、压缩曲线

ΔV_r>

ΔV_rR实际填充体积的参考曲线

ΔVri理想的实际填充体积

t_A、t_B、t_C时间点

s_A、s_B蜗杆位移

V_tSA、V_tFA在位置A处的注射成型单元(S)和模具(F)中的理论体积

V_tSB、V_tFB在位置B处的注射成型单元(S)和模具(F)中的理论体积

V_tB在位置B处的理论体积

A、B值、位置

实际体积流量

实际体积流量的参考曲线

v_S>

ΔV_rXfrL学习周期中的实际转换填充体积

V_tRefL学习周期中的理论参考体积

p_Ref参考压力值

V_tRefP生产周期中的理论参考体积

ΔV_rP生产周期中的实际填充体积

L学习周期

P生产周期

S₁至S₄交点

V_U>

V₁>

V₁'经压缩的体积

V₂>

位置A

位置B

1 注射单元

2 蜗杆单元

3 注射成型工具

4 型腔

5 压力线

6 温度垂线