用于可变形材料的压缩特性的确定方法与流程

本发明涉及一种具有权利要求1的前序部分的特征的方法和一种具有权利要求13的前序部分的特征的成形机。

背景技术：

在材料收集室中准备的材料经过由分配系统和浇口所构成的浇铸系统而引入到例如布置在模具中的型模空腔中，所述材料在该型模空腔处固化。“浇口”理解为浇铸系统的这样的部分，该部分将通过在型模空腔中固化的材料所形成的坯件(在注塑机的情况下也指的是“注塑坯”)与分配系统相连。

存在用于描述可压缩材料的压缩特性的不同特征参量、例如压缩模量K，该压缩模量在下文示例地进行讨论。不过，本发明也可以以其它特征参量(例如压缩系数)来实施。

材料的压缩模量K描述的是，需要何种全侧的压力改变来引起材料的一定的体积改变。其定义为：

V...体积

dp...(无穷小的)压力改变

dV...(无穷小的)体积改变

dV/V...相对的体积改变。

下面对于所准备的材料以塑料熔体为例进行讨论，并且对于成形机以注塑机为例进行讨论。本发明不限于这些示例中的任何一个。

塑料熔体的压力和体积在以注塑法加工塑料时是最重要的物理参量中的两个。由此，压缩模量对于注塑也具有巨大意义。施加到注射活塞上的力和由此产生的压力具有如下主要任务：使熔体流动并且由此填充模具空隙。在对此必要的压力下，导致根据压缩模量熔体的体积减小。蜗杆位置和由此计算的体积在时间上的改变不仅包含相当于进入到型腔中的体积流的份额而且包含其在熔体压缩中的起算点(Ursprung)的份额。为了能够识别和区分这些份额，需要知道压缩模量以及实际存在的熔体体积。

一种同类型的方法由EP 0 478 788 A1(Komatsu)得知。在Komatsu文件中，参照在其中说明的图7对压缩试验的实施进行了描述。压缩试验在在位置30处闭合机器喷嘴而实施并且因此考虑蜗杆前室的体积和用附图标记6表示的材料的体积。

技术实现要素：

本发明的任务是提供一种方法，该方法能够比现有技术允许更加准确地求解至少一个用于描述在成形机中所准备的材料的压缩特性的特征参量；并且提供一种注塑机，在该注塑机中存储如此求解的数据。

该任务通过具有权利要求1的特征的方法以及通过具有权利要求13的特征的注塑机来解决。本发明有利的实施形式在从属权利要求中限定。

通过本发明可能的是，在求解所述至少一个用于描述压缩特性的特征参量时考虑成形机的所有死区体积，因为材料收集室在压缩试验期间保持不闭合。在Komatsu文件中，由于闭合的缸而仅考虑基于机器结构在缸中本来就已知的死区体积。不考虑在模具中构成的浇铸系统。

下面借助注塑机示例性地阐释本发明，该注塑机具有布置在塑化缸中的并且作为活塞起作用的塑化蜗杆。而所述方法一般可以在具有用于准备和收集所准备的材料的材料收集室的成形机中使用，并且尤其也可以在如下的注塑机中使用，在该注塑机中设有布置在材料收集室中的活塞。

塑料熔体的压力在现有技术中通常通过合适的传感器直接或间接地测量。体积通常由蜗杆的或注射活塞的所测量的位置和已知的横截面积来计算。但是，这种所计算的体积通常不与实际的熔体体积相同。在现有技术中的注塑机上不单独地考虑或甚至不显示存在于蜗杆前室(包括法兰、喷嘴......)或浇铸系统中的附加的熔体体积。该附加的熔体体积由于公差和例如热通道系统的可能未知的尺寸在许多情形下不是先验准确地已知的。

因此，体积V由不同的份额组成：

V＝V_蜗杆位置+V_喷嘴+V_法兰+V_热通道+… (方程2)。

对于本发明，首先重要的仅是由蜗杆位置计算的份额与其余份额之间的区分。其余(通过蜗杆运动不可达到的)份额因此概括为死区体积(V_死区)。

V＝V_蜗杆位置+V_死区 (方程3)

同样，对于与原料的类型和参数、例如压力和温度有关的压缩模量来说，这些值通常不是准确充分地已知的。

一般地，压缩模量本身与压力有关，即K＝K(p)。塑料的压缩模量的压力相关性在许多情形下可以通过如下具有恒定的参数K₀和K₁的形式的线性关系

K(p)＝K₀+K₁p (方程4)

来良好地建模。当然，同样可以使用其它模型。通过将所述线性模型代入到压缩模量定义中并且通过变换，可以获得下面的微分方程

经积分可得

或者

在代入边界条件V(p＝0)＝V₀的情况下，可得

这些方程是示例的并且在用于压缩模量的压力相关性的不同的模型假设下相应地改变。

对于与压力无关的压缩模量(lim K₁→0)，这例如简化为

以方程8为例，目标是求解参数V₀、K₀、K₁。为了获取可以从中计算这些值的数据，需要改变蜗杆位置并且测量所引起的压力改变，或者需要改变所施加的压力并且测量蜗杆位置的改变。这样的过程在下面称为压缩试验，在该过程中，使体积(蜗杆位置)或压力变化并且以测量技术的方式采集所述两个参量。

由蜗杆位置和压力V_s-p的所测量的值对，亦即由单个的这样的压缩试验，基本上已经可以求解所有三个参量。在实践中证明，这种问题难以用数值方法求解。存在大量的参数组合，该参数组合可以很好地描述数据，但是与实际的参数值相差较大。因此，小的测量噪音已经在实践中使得参数的准确求解变得困难。

为了获得压缩模量和死区体积的值，因此，在不同的边界条件下优选实施至少两个压缩试验。

示例：

在两个不同的熔体体积的情况下，实施两个压缩试验并且因此实施不同的蜗杆位置S1&S2。结果例如是压力值p_i和所属的、由相应的蜗杆位置计算的体积值V_s1，i，V_s2，i。导数dp/dV_s1或dp/dV_s2可以用数值方法由值对(V_s1，i|p_i)或(V_s2，i|p_i)求解。在材料的压缩模量在这两种情况下是相同的假设下，适用：

由此，在压力p_i的情况下，V_死区可以计算为

正如这里所假设的那样，死区体积一般本身也可能与压力有关。死区体积的改变通过机械组件在压力下的变形(塑化缸的膨胀，活塞/蜗杆、传动系的压缩量...)而产生。通过对方程11在各种压力水平下的评估，可以求解这种压力相关性。

因为此时已知V_死区(p_i)，所以压缩模量K(p_i)在特定的压力p_i的情况下可以按照压缩模量的定义

来计算。因此由在至少两个不同的压力值p_i时的值K(p_i)可以计算出参数K₀和K₁或其它模型的参数，所述参数K₀和K₁根据模型描述压力相关性K(p)。

以类似的方式可以由值V_死区(p_i)建立用于死区体积的压力相关性的模型。在一级近似中，例如可以选择线性的公式V_死区(p)＝V_死区，0+κ_机械p。

为压缩模量或死区容积所求解的值可以在机器的显示屏处显示或在控制部中绘出或记录。

通过改变其它影响因数(例如在压缩试验期间的所加工的材料的温度或者体积或压力的变化率)和重复求解压缩模量和/或死区体积，也可以清楚地求解与这些影响因数的关联并且必要时通过相应的模型来描述。

从压缩模量的压力相关性和温度相关性的组合中，可以在更下面将V(p，T)特性作为材料的特征参量来求解。如果附加地确定定义的体积(例如通过喷塑)的重量，则可以求解和显示单位体积v(P，T)的特性。

用于求解死区体积的所述两个压缩试验可以是作为“正常的注塑循环”的组成部分的运动过程、集成在正常的注塑循环中的附加的运动过程或完全偏离正常的生产过程特意为该目的所实施的运动过程。前两种变型方案具有的优点是，可以直接在连续的生产过程中在同时占优势的条件下进行求解，而在第三种变型方案中在运动过程的设计中更加灵活。用于在正常的注塑循环中的合适的运动的示例是在后压力阶段(Nachdruckphase)的结束处的压力下降和/或在计量之后的压力释放阶段。

因为死区体积在确定的布置方式(机器+模具)中可以假设为恒定的，因此压缩模量的改变可以由单个的压缩试验来确定。用于重复求解压缩模量的这样的压缩试验也可以是作为“正常的注塑循环”的组成部分的运动、集成在正常的注塑循环中的附加的运动过程或完全偏离正常的生产过程特意为该目的所实施的运动过程。用于在正常的注塑循环中的合适的运动的示例是在后压力阶段的结束处的压力下降或在计量结束之后的压缩释放。在理想情况下(但是并非必须)，在压缩试验的时刻不再使熔体流动到型腔中。如果在机器喷嘴或热通道喷嘴处存在相应的闭合机构，则这可以通过这些闭合机构来确保。如果不能闭合，则熔体所有的与在蜗杆前室中的熔体相连的、不固化的区域在求解死区体积和/或压缩模量时被一同考虑。

优选规定，所述至少一个压缩试验以压力下降的形式构成。

本发明的主要方面在于，在计算所述至少一个用于描述压缩特性的特征参量时考虑所有死区体积。而本发明的一个重要的次要方面也在于，于是为此可以具体地应用用于描述压缩特性的这些特征参量。因此，也请求保护一种用于基于至少一个(存储的或在根据本发明的方法计算的)用于描述压缩特性的特征参量来运行成形机的方法。据此，基于这些特征参量计算实际注射体积、计算压缩释放行程、计算在成形机中的熔体的停留时间、参数化压力调节器、求解压缩特性的压力相关性、求解熔体温度和/或求解熔体的材料特性。这样的材料特性可以是组成、相态、粘弹性、固体含量、低分子量物质的份额或聚合物结构的化学改变。

以下描述对于这方面的详情，其中，详细地阐释用于描述压缩特性的特征参量的具体可能的应用。前四种所描述的使用应用方案在此涉及体积和体积流量。

实际注射体积的计算：

由方程13可以计算由于压缩从V₀出发在确定的压力p下的体积减小。

如果常数V₀、K₀、K₁已知，则可以近似地计算通过压缩所产生的体积份额ΔV(p)。

在机器处测量的计量体积V_D由所测量的蜗杆位置和蜗杆直径计算。在注塑循环期间、例如在注射过程期间，所测量的计量体积的改变由多个份额组成：

ΔV_D＝V_D，0-V_D＝ΔV(p)+ΔV_填充+ΔV_泄漏 (方程14)。

在此，V_D，0表示在注射开始时的计量体积，并且V_D表示在注射过程期间的计量体积的当前值。份额ΔV_填充相当于出现在流动前部(Flieβfront)的实际的体积改变。份额ΔV_泄漏表示由于通过泄漏(例如经由回流锁止部)的材料损失而导致的体积的减少并且暂且被忽略，因为该份额通常在注射阶段中(至少在回流锁止部闭合时)是无关紧要的。实际注射的体积在该情况下是

ΔV_填充＝ΔV_D-ΔV(p) (方程15)。

该体积相对于由蜗杆位置的改变计算的体积差而减少了压缩份额ΔV(p)。相反地，可以计算假定的计量体积V_D’，该计量体积几乎仅包含填充份额。

V′_D＝V_D，0-ΔV_填充＝V_D+ΔV(p) (方程16)

因而得到了从中得出的如下方程17：

对于K₁≠0

对于K₁＝0

(方程17)。

在此，采用的假设是，压力在所有体积中是恒定的。这种假设一般仅在蜗杆前室中足够地满足。为了更加准确的结果，在此可以有针对性采用关于在熔体中的压力分布p(V)可能的假设并且关于熔体体积对上述的公式进行积分。

然后，V_D’的负的时间导数相当于没有压缩份额的实际填充体积流量。该计算的值例如可以用于这样调节蜗杆速度，使得得到所期望的填充体积流量。

压缩释放行程的计算：

在将材料计量之前和/或之后，通常可以通过蜗杆回拉将熔体压力释放(相当于减压或者说压缩释放)。必要的减压行程与压缩模量和熔体体积关联。在压力为p的情况下，可以借助已经提出的方程

直接求解至少必要的减压行程。因而从方程19通过知晓K(p)而预先计算减压行程并且不(完全地)由在实际注塑循环中的减压期间的压力过程求解该减压行程。如果由操作者设定的值小于预先计算的值，则控制部可以将警告发送至操作者。所求解的值也可以由控制部建议或自动地设定。

也已证明的是，在压缩释放之后，材料从蜗杆螺纹补充流入到蜗杆前室中并且可以再次导致压力升高。实际需要的减压行程因此常常稍微高于通过上述公式所计算的减压行程。这样的压力升高可以被控制部识别并且通过释放行程的自动增大而补偿。备选地，可以通过警告或建议使操作者对此注意。同样可以想到的是，将从公式中求解的值与足够的安全因数相乘。这样的安全因数也可以与所使用的蜗杆几何结构和材料类型有关。

停留时间计算：

对于(尤其用于透明的聚合物的)原材料，在高的温度情况下熔体的停留时间具有重大的意义。停留时间由材料通过量和所有熔体体积(包括蜗杆螺纹中的熔体体积)得到。蜗杆螺纹中的熔体体积V_蜗杆螺纹可以从蜗杆几何结构推导出并且存储在机器中。在已知压缩模量和死区体积的情况下，实际注射量V_注射和由此实际的材料通过量V_注射/t_循环可以更准确地计算。此外，所计算的死区体积V_死区可以一同代入到停留时间计算中。由此，停留时间可以比在不知晓这些参量的情况下更加准确地计算。

然后，在控制部中显示停留时间，并且如果超过所推荐的或允许的停留时间，则在控制部中基于用于不同的材料的极限值显示警告。

压力调节器、压力极限调节器的应用：

压缩模量和死区容积的值可以用于更好地参数化压力调节器或压力极限调节器。最大有意义的调节器放大例如可以由这些值推导出。同样地，所已知的关联V(p)可以用于预控制(例如在后压力调节时)。对此，不一定需要知晓K和V各自的值，而是知晓比例K/V就可能已经足够。

下面所描述的三个应用方案涉及材料。

相关性K(p)、K(T)：

已经说明压缩模量的压力相关性的求解。如之前所提到的那样，压缩模量的压力相关性可以良好地通过线性关系来描述。

K(p)＝K₀+K₁p (方程21)

同样地，所述值不能在机器中求解，而是例如来自文献、pvT数据或其它来源。

压缩模量与温度的相关性可以通过压缩试验在不同地设定的缸温度的情况下求解。为此足够的是，仅在一种温度情况下确定死区体积，在其它温度值的情况下，一个压缩试验足够用来求解压缩模量的改变。近似地，压缩模量的温度相关性例如通过线性方程

K(T)＝K₀+K_T T (方程22)

来描述。为了求解参数K₀和K_T，在这种假设下，在两个不同的温度下的两个压缩试验是足够的。同样当然可能的是，使用其它模型或在多种温度情况下求解压缩模量并且将值对存储在表格中。在理想情况下，通过足够的等候时间确保在压缩试验中在熔体中存在足够均匀的温度分布。同样地，所述值不能在机器中求解，而是例如从文献中、从pvT数据中或其它的来源中得到。

求解熔体温度：

相反地，在已知关系K(T)的情况下，可以通过在压缩试验中测量压缩模量来实现对熔体的实际温度的推断。这是尤其有利的，因为熔体温度以测量技术的方式难以接近并且通常需要昂贵的、耗费的或敏感的传感装置。要注意的是，熔体温度的绝对值通常比相对的改变更不重要，该改变也可以直接在所求解的压缩模量或者在比例dp/dV处观察，而不必知晓准确的关系K(T)。为了使熔体温度保持恒定，因而在除了边界条件保持相同之外的情况下使所测量的压缩模量或值dp/dV保持恒定是足够的。这例如可以用于调节熔体温度。

基于负载速度的相关性——详细地求解材料特性：

如果以不同的负载速度、必要时在不同地设定的缸温度的情况下(例如每个温度两个速度)实施压缩试验，则可以表征熔体的(粘弹性的)特性。如此求解的材料特征值可以用作用于模拟注塑(部分)过程的输入数据。此外，可以考虑用于材料识别的数据并且该数据在更进一步的次序中用于：

·检查在生产中是否使用了正确的/规定的材料，或检查该材料是否符合(由操作者)预定的质量标准。材料的质量也可以经过质量管理来采集(一同记录)。

·在设定塑化过程中支持操作者(例如计量速度、最小的/最大的行程、缸温度等)。

材料特征——组成和相态：

压缩模量是在所考虑的体积中与材料的特性有关的材料特征值。所述材料可能由多个组分组成。所求解的K₀、K₁的值和/或K(p)曲线反映了在所考虑的体积中的材料的所有组分的特性的混合。所述材料除了聚合物熔体(也可想到：金属和玻璃)也可以包含其它的气态的、液态的、超临界的和/或固态的组分。这些组分可以是其它物质(例如玻璃、碳纤维、填料、低分子量物质例如水、氮等，天然物质如滑石、木等，陶瓷粉末或金属粉末)、添加剂(例如颜料、母料等)、其它聚合物(例如以聚合物共混物或共聚物)和/或聚合物熔体的分解产品、重组产品和合成产品。所述组分可以溶解地存在和/或作为分离的纯净相和/或混合相存在。

所述值K₀、K₁和曲线K(p)与先前所测量的值(相同的注塑循环或先前的注塑循环)或者与在机器中为材料、材料类型或过程所存储的值进行比较。由值K₀、K₁和曲线K(p)及其改变可以推断出：

·熔体中的固体含量。示例：有和没有玻璃纤维的聚丙烯(PP)。对此的详情在图6中可见。

·在聚合物熔体溶液或聚合物熔体混合物中的低分子量的物质的份额。示例：检测在物理发泡时的超临界的流体气泡例如氮气气泡。对此的详情在图7中可见。

·通过聚合物结构的化学分解、重组或合成反应所进行的材料的改变(例如也与停留时间或湿度一同概览时)。

·材料中的改变。换而言之，得到如下提示，在生产中是否使用规定的材料，或者该材料是否符合(由操作者)预定的质量标准。材料的质量也可以在QM技术方面进行采集。

附图说明

图1至3涉及本发明的第一实施例。图4和5涉及本发明的第二实施例。图6和7说明从所计算的压缩特性对熔体的特性的推断。图8和9示意地以横剖面图示出成形机的细节。

具体实施方式

图1示出在具有不同的初始计量体积的两个注塑循环中的计量体积和注射压力的曲线。

图2示出图1中的如下的放大的局部，该局部代表在后压力下降阶段中的计量体积和注射压力的曲线。

图3示出在图1和2中的后压力下降阶段期间的注射压力关于计量体积的曲线。绘出了值对V_S1，i|p_i或V_S2，i|p_i。

后压力下降阶段用作压缩试验。计量体积的改变通过在两个彼此无关的注塑循环中分配不同的熔体量来实现。在后压力下降阶段期间，分别绘出值对V_S和p。

图4示出在一个注塑循环中的两个压缩试验。压缩试验1：在后压力阶段之后(实线)，压缩试验2：在计量阶段之后(虚线)。体积和压力曲线的其余部分以点状表示。

图5示出在图4中的所述两个压缩试验期间的注射压力关于计量体积的曲线。绘出值对V_S1，i|p_i或V_S2，i|p_i。

在不同的蜗杆位置中的所述两个压缩试验集成到一个单个的注塑循环中。在后压力阶段结束前，将压力提高至所期望的值(例如1000bar)并且然后又降低至几乎0bar(压缩试验1)。类似的压力曲线在计量过程之后(也即在计量体积改变时)起始(压缩试验2)。例如，在下降的压力斜坡期间，绘出值对V_S2|p，并且由这些值对确定所述死区体积和压缩模量。

图6和7已经被说明。

图8示出具有热通道的成形机1。用于要熔化的或已熔化的材料M_液的材料收集室4构造在塑化缸2和能在塑化缸2中转动的、能轴向移动的并且作为活塞3a起作用的塑化蜗杆3之间。材料收集室4从塑化缸2中的喷嘴口5直接过渡到浇铸系统6中。该浇铸系统6由分配系统7和区段8组成。区段8将在型模空腔9(也称为型腔)中的固化的材料M_固与分配系统7相连。所述一个或多个型模空腔9构造在两个构成模具14的形模半部10和11之间，而所述形模半部又分别安装在形模夹紧板12和13上。

不同于图8，图9示出具有冷却通道的成形机1。用于描述压缩特性的特征参量在此也基于至区段8的所有死区体积V_死区而确定。由此，形模件的材料M_固在此也在型模空腔9中固化，但是在分配系统7(和材料收集室4)中的材料M_液不固化。压缩模量的和死区体积V_死区的测量由此也采集在模具14中的未固化的区域。在图9中由所谓的浇铸杆构成的分配系统7在示意图中只包含熔化的材料M_液。实际上，当然可以与通道的厚度有关地并且主要与测量时刻有关地形成至少部分地固化的边缘层。