用于操作高产注塑机的方法.pdf

本发明公开了一种包括具有第一模具部件和第二模具部件的模具的高产注塑方法和机器，该第一模具部件和第二模具部件中的至少一个由具有51.9W/m-C或更大的平均热导率的材料形成，该高产注塑机具有超过100万次注塑循环的使用寿命。

权利要求书
1.  一种用于操作高产注塑机的方法，所述方法包括：
提供具有模具的注塑机，所述模具包括第一模具侧和第二模具侧以及在所述第一模具侧和所述第二模具侧之间形成的模具腔体，所述第一模具侧和所述第二模具侧中的至少一者具有超过51.9W/m-℃(30BTU/HR FT℉)的平均热导率；
操作所述注塑机经过至少一个注塑循环，所述注塑循环包括：
将熔融的热塑性材料推进所述模具腔体中；
用热塑性材料基本上填满所述模具腔体；
冷却所述热塑性材料；
分离所述第一模具侧和所述第二模具侧以暴露所述经冷却的热塑性材料；
移除所述经冷却的热塑性材料；以及
闭合所述第一模具侧和所述第二模具侧；
其中所述提供包括提供所述注塑机，其特征在于所述第一模具侧和所述第二模具侧中的至少一者具有介于125万和1000万次注塑循环之间的使用寿命，其中这些注塑循环中的每个包括所述基本上填满、冷却、分离、移除和闭合。

2.  根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述提供包括提供所述注塑机，其中所述第一模具侧和所述第二模具侧中的每个具有51.9W/m-℃(30BTU/HR FT℉)的平均热导率。

3.  根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中：
所述提供包括提供具有三个或更少浇口的所述注塑机，所述三个或更少浇口流体地连接到所述模具腔体；并且
所述推进包括将所述热塑性材料推进穿过所述三个或更少浇口。

4.  根据权利要求3所述的方法，其中所述提供包括提供具有所述三个或更少浇口的所述注塑机，其中所述三个或更少浇口中的至少一个具有的横截面积小于在所述模具腔体中由经冷却的热塑性材料形成的部件的标称壁厚的80％。

5.  根据权利要求4所述的方法，其中所述提供包括提供具有所述三个或更少浇口的所述注塑机，其中具有小于所述标称壁厚的80％的横截面积的所述至少一个浇口具有介于0.5mm和10mm之间的有效浇口面积。

6.  根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述提供包括提供具有所述薄壁模具腔体的所述注塑机，所述薄壁模具腔体具有大于100的L/T比率。

7.  根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述提供包括提供具有所述薄壁模具腔体的所述注塑机，所述薄壁模具腔体具有大于100但小于1000的L/T比率。

8.  根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述提供包括提供具有至少四个模具腔体的所述注塑机。

9.  根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中：
所述提供包括提供所述注塑机，其中所述模具腔体为在所述第一模具部件和第二模具部件之间形成的多个模具腔体中的一个，其中所述多个包括介于16个和256个模具腔体之间；并且
所述推进包括将所述热塑性材料推进到所述多个模具腔体中。

10.  根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述操作包括操作所述注塑机经过多个注塑循环，其中所述注塑循环中的每个包括所述基本上填满、冷却、分离、移除和闭合，并且所述注塑循环中的每个具有介于2秒和15秒之间的循环时间。

11.  根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述操作包括操作所述注塑机，其中所述注塑循环中的每个具有介于8秒和10秒之间的循环时间。

12.  根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述操作包括操作所述注塑机经过125万至1000万次注塑循环而不超过所述模具的使用寿命，其中所述注塑循环中的每个包括所述基本上填满、冷却、分离、移除和闭合。

13.  根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述操作包括操作所述注塑机经过200万至500万次注塑循环而不超过所述模具的使用寿命，其中所述注塑循环中的每个包括所述基本上填满、冷却、分离、移除和闭合。

14.  根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述提供包括提供所述注塑机，其中所述第一模具部件和所述第二模具部件中的至少一个由具有小于20Rc的平均硬度的材料制成。

15.  根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述提供包括提供所述注塑机，其中所述第一模具部件和所述第二模具部件中的至少一个由选自包括下列的组的材料制成：铝、铍、铜、和它们的任何合金。

说明书用于操作高产注塑机的方法
技术领域
本发明涉及用于操作注塑机的方法，以及更具体地，涉及用于操作具有由高热导率材料制成的模具的高产注塑机的方法。
背景技术
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保持在压力下、冷却、然后作为固化部件被移除，所述固化部件具有基本上复制了模具的腔体形状的形状。模具自身可具有单一腔体或多个腔体。每个腔体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。
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。所得的该部件的长度和壁厚取决于模具腔体的形状。
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，并因此降低最终部件的成本。使用常规高变压注塑法减小壁厚可能是昂贵且不易完成的任务。事实上，常规的高变压注塑机(例如在介于约8,000psi和约20,000psi之间注入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，常规的高变压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。
当填充薄壁件时，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“凝固”之前填充模具腔体，并提供最低可能的循环时间，因为聚合物会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切实际。
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入模具，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。
当以常规高变压注塑方法将液态塑性树脂引入注入模具中时，邻近腔体壁的材料立即开始“凝固”、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，并且液态塑料的部分变成静态的。这种邻近模具壁的凝固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。邻近模具壁的凝固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。随着材料凝固，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，常规的高变压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向外推向模具腔体侧，来增强冷却并保持模塑件的正确形状。常规的高变压模塑机通常具有由约10％注入时间，约50％填料时间，以及约40％冷却时间组成的循环时间。
当模具腔体中的塑料凝固时，常规的高变压注塑机增加注入压力(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，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。
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件以避免材料在完全填充模具之前完全凝固。
粘度的减少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15,000psi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6,000psi(由聚丙烯树脂制造商推荐的范围通常为大于6,000psi至约15,000psi)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15,000psi，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6,000psi至约30,000psi的范围内加工。即使使用剪切致稀塑料，对于薄壁件的高变压注塑也存在 实际限制。目前该限制在具有200或更大的薄壁比率的薄壁件的范围内。此外，即使具有介于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入压力介于约15,000psi和约20,000psi之间。
生产薄壁消费品的高产注塑机(即，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℉，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。
即使现有的高变压注塑机具有不断增加的注入压力范围，在常规的高(20,000psi)可变压力注塑机中模塑薄壁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件可能是成本过高的。
附图说明
附图所示的实施方案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方案的详细描述，其中用类似的附图标号表示类似的结构，并且其中：
图1示出了根据本公开构造的高产注塑机的示意图；
图2示出了形成于图1的高产注塑机中的薄壁件的一个实施例；
图3是叠加在常规高变压注塑机的腔体压力对时间曲线之上的图1的高产注塑机的腔体压力对时间曲线；
图4是叠加在常规高变压注塑机的腔体压力对时间曲线之上的图1的高产注塑机的另一个腔体压力对时间曲线，所述曲线示出了用于某些填充步骤的填充时间的百分比；
图5A-5D为在通过常规高变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；
图6A-6D为在通过图1的高产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；
图7是可在高产注塑机上被执行的注塑循环的示意图；
图8是图1的注塑机的模具组件的一个实施例的剖面图；
图9是模具组件的一个另选实施例的透明透视图；
图10是模具组件的另一个另选实施例的透明透视图；
图11是堆叠板的一个另选实施例的透视图；
图12是堆叠板的另一个另选实施例的透视图；
图13是模具组件的又一个另选实施例的剖面图；
图14是模具组件的又一个另选实施例的剖面图；
图15是峰值功率和峰值流量对腔体填充百分比曲线；并且
图16是模具腔体的峰值功率流量因子对L/T的图表。
具体实施方式
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。
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且更低的注塑机的喷嘴附近的熔体压力。
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”包括但不限于熔融的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。熔体压力被视为基本上恒定的，只要熔体压力波动不超过所列举压力的30％。
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功率源，例如液压缸或电动伺服马达，所述功率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100psi至40,000psi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入前使聚合物材料塑化的刮片。
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或更大但小于1000的L/T比率。L/T比率的计算定义如下。
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。
术语“峰值注入速率”一般是指注入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，如在单级注入系统的情况下，或液压式活塞，如在二级注入系统的情况下。
术语“活塞速率”一般是指注入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。
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适宜的传感器来测量。
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％。
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。
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1mm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。
术语“有效浇口面积”一般是指与模腔和将热塑性塑料送进到模腔的供料系统(例如，流道)的材料流道的交汇点相对应的浇口的横截面积。 浇口可被加热或不被加热。浇口可为圆形的或者适于实现期望的热塑性塑料流进模腔中任何横截面形状。
术语“增强比”是指在注入活塞迫使熔融聚合物穿过机器喷嘴时，注入功率源具有的机械增益。对于液压式功率源而言，常见的是液压式活塞将具有超过注入活塞10:1的机械增益。然而，所述机械增益的范围可从非常低的比率如2:1至非常高的机械增益比率如50:1。
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。峰值功率可在填充循环中的任何点处产生。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。
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适宜的传感器来测量。
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。
术语“注入量”一般是指待从熔体夹持器中注入以完全填充一个或多个模具腔体的聚合物的体积。注入量体积基于注入前熔体夹持器中的聚合物的温度和压力来测定。换句话讲，注入量是在给定温度和压力下的注塑活塞的一次冲程中注入的熔融塑性材料的总体积。注入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入腔体中。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入。
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凝固。
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。
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入量来计算。然后，峰值功率流量因子通过峰值功率除以注入量来计算。
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％。
术语“高产注塑机”被定义为类101或类30注塑机。作为另外一种选择，术语“高产注塑机”可被定义为在模具型芯(其由限定其中间的模具腔体的第一模具部件和第二模具部件构成)达到使用寿命的末期之前能够执行超过100万次循环，优选地超过125万次循环，更优选地超过200万次循环，更优选地超过500万次循环，以及甚至更优选地超过1000万次循环的注塑机。“高产注塑机”的特性包括模具腔体具有大于100(并且优选地大于200)的L/T比率、多个模具腔体(优选地4个模具腔体，更优选地16个模具腔体，更优选地32个模具腔体，更优选地64个模具腔体，更优选地128个模具腔体以及更优选地256个模具腔体，或者介于4和512之间的任何数目的模具腔体、热流道和引导顶出机构。
术语“使用寿命”被定义为模具部件在失效或按计划替换之前的预期寿命。当与模具部件或模具型芯(或限定模具腔体的模具的任何部分)一起使用时，术语“使用寿命”是指预期在质量问题显露在模具部件中之前、在问题随着模具部件的完整性(例如，擦伤、分型线的变形、合模表面的变形或过度磨损)显露之前、或者在机械失效(例如，疲劳失效或疲劳裂纹)出现在模具部件中之前模具部件或模具型芯处于服役中的时间。通常，当限定模具腔体的接触表面必须被废弃或替换时，模具部件已经结束其“使用寿命”。在模具部件的“使用寿命”期间，模具部件可需要时常修复或翻新，并且这种修复或翻新不需要完全替换模具部件来获得合格的模塑件质量和模塑效率。此外，模具部件有可能发生与模具部件的正常运行无关的损坏，诸如部件未从模具中被合适地移除并且模具被强力闭合在未顶出的部件上，或者操作者使用不适当的工具来移除模塑件并损坏模具组件。由于这个原因，在这些损坏的组件达到它们的使用寿命末期之前，有时采用备用的模具部件来替换它们。因损坏而替换模具部件不改变预期的使用寿命。
术语“引导顶出机构”被定义为驱动以从模具腔体中物理地顶出模塑件的动力部件。
术语“涂层”被定义为厚度小于0.13mm(0.005in)的一层材料，所述材料被设置在限定模具腔体的模具部件的表面上，具有不同于限定模具腔体的形状的主要功能(例如，保护限定模具腔体的材料的功能、降低模塑件和模具腔体壁之间的摩擦以增强从模具腔体中移除模塑件的功能)。
术语“平均热导率”被定义为构成模具腔体或模具侧或模具部件的任何材料的热导率。构成涂层、堆叠板、支撑板和浇口或流道的材料，无论与模具腔体一体或者与模具腔体分开，均不包含在平均热导率中。平均热导率在体积加权的基础上进行计算。
术语“有效冷却表面”被定义为通过其从模具部件去除热量的表面。有效冷却表面的一个例子是限定用于冷却来自主动式冷却系统的流体的通道的表面。有效冷却表面的另一个例子是模具部件通过其将热量散布到大气的外表面。模具部件可具有多于一个有效冷却表面，因此可具有介于模具腔体表面和每个有效冷却表面之间的唯一的平均热导率。
术语“标称壁厚”被定义为模具腔体的理论厚度，如果模具腔体被制成具有均一厚度。标称壁厚可接近于平均壁厚。标称壁厚可通过对单独的浇口填充的模具腔体的长度和宽度进行积分来计算。
术语“平均硬度”被定义为在期望体积中的任何材料或材料的组合的洛氏硬度。当存在一种以上材料时，平均硬度是基于每种材料的体积加权百分比。平均硬度计算包括用于构成模具腔体的任何部分的硬度。平均硬度计算不包括构成涂层、堆叠板、浇口或流道和支撑板的材料，无论与模具腔体一体或不是一体。一般来讲，平均硬度是指在模具冷却区域中材料的体积加权硬度。
术语“模具冷却区域”被定义为位于模具腔体表面和有效冷却表面之间的材料的体积。
术语“循环时间”被定义为被要求完全形成注塑件的注塑工艺的单次迭代。循环时间包括以下步骤：将熔融的热塑性材料推进到模具腔体中、用热塑性材料基本上填满模具腔体、冷却热塑性材料、分离第一模具侧和第二模具侧以暴露经冷却的热塑性材料、移除热塑性材料和闭合第一模具侧和第二模具侧。
高产注塑机(例如，类101或类30注塑机或“超高产”模塑机)诸如公开于2012年8月31日提交的美国专利申请13/601,514(其以引用的方式 并入本文)中的高产注塑机可被用来生产薄壁的消费品诸如牙刷柄部和剃刀柄部。薄壁件一般被定义为具有100或更大的高L/T比率。
详细参见附图，图1示出了一般包括注入系统12和夹紧系统14的示例性高产注塑装置10。可以热塑性粒料16的形式将热塑性材料引入注入系统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喂送到注入系统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，从而形成熔融的热塑性材料24。通常在约130℃至约410℃的温度下对所述熔融的热塑性材料进行加工。
往复式螺杆22推动熔融的热塑性材料24朝向喷嘴26以形成熔融的热塑性材料24的射流，其将通过一个或多个浇口(优选地三个或更少浇口)30被注入进模具28的模具腔体32中，所述浇口将熔融的热塑性材料的流量引导到模具腔体32。在其它实施例中，可通过供料系统(未示出)将喷嘴26与一个或多个浇口30分开。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的注入压力所施加的力，由此在将熔融的热塑性材料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。为支持这些夹紧力，夹紧系统14可包括模具架和模具基座。
一旦将熔融的热塑性材料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。熔融的热塑性材料24表现为模具腔体32的形式，并且熔融的热塑性材料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彼此分离，并且成品件可从模具28中被顶出。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)。
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。
在图1的实施例中，传感器52是测量(直接或间接)喷嘴26附近的熔融的热塑性材料24的熔体压力的压力传感器。传感器52产生传输到控制器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中熔融的热塑性材料24的期望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可测量熔融的热塑性材料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流体连接的注入系统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不需要与注入流体直接接触，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。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。
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以调节熔融的热塑性材料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条件时启动警报。
现在转向图2，示出了模塑件100的例子。模塑件100为薄壁件。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)但小于1000时，模塑件一般被认为是薄壁的。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，可将薄壁件定义为具有L/T>100或者具有L/T>200但<1000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。薄壁件在消费品行业中是尤其普遍的。
高L/T比率部件通常存在于具有小于约10mm的平均厚度的模塑件中。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比率的汽车保险杠面板一般具有10mm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1mm或更小的平均厚度。本文所公开的高产注塑工艺和装置对于具有5mm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。
具有高L/T比率的薄壁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之前冷却熔融的热塑性材料。当这 种情况发生时，热塑性材料凝固并不再流动，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15,000psi，注入熔融的热塑性材料，使得熔融的热塑性材料在可能冷却和凝固之前快速填充模具腔体。这是热塑性材料的制造商提出在非常高的压力下注入的一个原因。常规注塑机在高压下注入的另一个原因是提高剪切，这提高流动特性，如上所述。此外，这些非常高的注入压力需要使用非常硬的材料以形成模具28和供料系统。此外，薄壁件可包括在材料凝固之前必须被填满的一个或多个特殊特征结构105诸如活动铰链、长丝、闭合件、分配器、喷管、波纹管和致动器。
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，并且这将被预期会导致在模具填充之前材料凝固。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凝固并堵塞模具腔体，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的热塑性材料的流动没有停顿，因此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，但是流体没有凝固的机会。
另外，据信由于动态流动条件，尽管经历模具腔体中的这种温度，但是由于剪切加热，所以熔融的热塑性材料能够保持高于不流动温度的温度。还据信在开始凝固过程时，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，这可阻止填充腔体的适宜流动。晶体结构形成和/或晶体结构尺寸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。
本发明所公开的高产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、以及其它材料性能的变化。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塑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(即经多个注塑循环)来调节过程。以这种方式，当前注塑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。
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的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准备好从模具中弹出。
热塑性材料：
在本公开的高产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，熔融的热塑性材料具有粘度，所述粘度如由在约230C的温度和2.16kg重量下进行的ASTM D1238所测量的、约0.1g/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1g/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0.1g/10min至约1g/10min，或约1g/10min至约25g/10min。基于模塑制品的应用和用途来选择材料的MFI。例如，MFI为0.1g/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封装制品用的盖和塞。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提出材料应该使用超过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，本公开的高产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。
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均可来源于生物基给料，诸如甘蔗或其它农产品，以制备生物-聚丙烯或生物-聚乙烯。当在熔融状态时，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，导致当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。这种对热塑性材料性能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性能的显著的批次间变化。
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)。PET聚合物可来源于生物基原料诸如甘蔗或其它农产品以生产部分的或完全的生物PET聚合物。其它合适的热塑性材料包括聚丙烯和聚乙烯的共聚物，以及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(丙烯晴-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、聚呋喃乙烯酯(被认为是对PET的替换物或直接替代物)、多羟基链烷酸酯、聚酰胺、聚缩醛、乙烯-α烯烃橡胶、和苯乙烯-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和非聚合的材料的共混物。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。多模态材料可按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时，改善聚合物材料的流动性的其它润滑分子。
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、硅酸钙、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、秸秆、大麻纤维、木粉、或木材、竹子或甘蔗纤维。
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(β-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、聚对苯二甲酸丙二醇酯、聚乳酸、NYLON 11、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。
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。共混物中热塑性材料的一种或多种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。
示例性热塑性树脂连同其推荐的操作压力范围提供于下表中：


虽然多于一个的实施例涉及用包含熔融的热塑性材料的射流填充基本上整个模具腔体，同时使包含所述熔融的热塑性材料的所述射流的熔体压力保持在基本上恒定的压力下，但是在不同的恒定压力下，具体的热塑性材料从本发明中获得有益效果。具体地讲：PP、尼龙、PC、PS、SAN、PE、TPE、PVDF、PTI、PBT、和PLA在小于10000psi的基本上恒定的压力下；ABS在小于8000psi的基本上恒定的压力下；PET在小于5800psi的 基本上恒定的压力下；乙缩醛共聚物在小于7000psi的基本上恒定的压力下；加上聚(呋喃甲酸乙烯酯)多羟基链烷酸酯、聚呋喃乙烯酯(aka PEF)在小于10000psi、或8000psi、或7000psi或6000psi、或5800psi的基本上恒定的压力下。
如上详细所述，本公开的高产注塑方法和装置的实施例可获得优于常规高变压注塑方法的一个或多个优点。例如，实施例包括消除平衡模具腔体和热塑性材料的预注入压力的需要的更高性价比和有效的方法，允许使用大气模具腔体压力，从而允许使用消除加压装置的必要性的简化的模具结构的方法，使用更高性价比和更易机器加工的较低硬度、高热导率的模具腔体材料的能力，对温度、粘度、以及热塑性材料的其它材料性能的变化较不敏感的更稳健的加工方法，以及在基本上恒定的压力下制备优质注塑部件而没有热塑性材料在模具腔体中的过早硬化，并且不需要加热或在模具腔体中保持恒温的能力。
现在转向图3，由虚线200示出了常规的高变压注塑法的典型压力-时间曲线。相比之下，由实线210示出了用于本发明所公开的高产注塑机的压力-时间曲线。
在常规的情况下，使熔体压力快速增加至远超过15,000psi，然后在大于15,000psi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，熔体压力降低并在通常是10,000psi或更大的较低、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是其中保持熔体压力以确保模具腔体中的所有间隙都被回填的填料时间。在完成填料之后，可任选地使压力再次下降并持续第三时间段232，所述时间段为冷却时间。常规高压注塑系统中的模具腔体被从流动通道的端部向浇口填料。模具中的材料通常在腔体的端部附近凝固，然后材料的完全凝固区域逐渐向一个或多个浇口位置移动。因此，模具腔体的端部附近的塑料比靠近一个或多个浇口位置的塑料材料填料更短的时间段并在减小的压力下填料。部件几何形状，如浇口和模具腔体的端部之间中部的非常薄的横截面积也可影响模具腔体区域中的填料压力水平。如上文所讨论的，不一致的填料压力可导致成品的不一致性。此外，塑料在各固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、以及非最佳光学特性。
另一方面，高产注塑系统在基本上恒定的压力下经过填充时间段240将熔融塑性材料注入模具腔体中。图3的例子中的注入压力小于6,000psi。然而，其它实施例可采用较高的压力。在填充模具腔体后，随着模塑件冷却，高产注塑系统经过第二时间段242逐渐减小压力。通过使用基本上恒定的压力，熔融的热塑性材料保持连续的熔体流动前沿，其通过流动通道从浇口向流动通道的端部推进。换句话讲，熔融的热塑性材料在整个模具腔体中保持移动，这防止过早凝固。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。通过用相对均匀的压力填充模具，成品模塑件形成可具有比常规模塑件更好的机械特性和光学特性的结晶结构。此外，在恒压下模塑的部件表现出与常规模塑件的表层不同的特性。因此，在恒压下模塑的部件可具有比常规模塑件更好的光学特性。
现在转向图4，将填充的各个阶段以占总体填充时间的百分比形式分解。例如，在常规高变压注塑过程中，填充时段220占总填充时间的约10％，填料时段230占总填充时间的约50％，以及冷却时段232占总填充时间的约40％。在另一方面，在高产注塑过程中，填充时段240占总填充时间的约90％，而冷却时段242仅占总填充时间的约10％。高产注塑法需要较少的冷却时间，因为熔融塑性材料在其流入模具腔体中时冷却。因此，在模具腔体被填充时，尽管不太足以在模具腔体的中心横截面中凝固，但是熔融塑性材料已显著冷却，并且为完成凝固过程而除去的总热量较少。另外，因为熔融塑性材料在整个填充中保持液态，并且填料压力通过该熔融中心横截面传递，所以熔融塑性材料仍然与模具腔体壁接触(与凝固和退缩相对)。因此，本文所述的高产注塑法能够以比常规高变压注塑法中更少的总时间来填充并冷却模塑件。
用于常规高变压法和用于高产注塑法两者的峰值功率和峰值流量对模具腔体填充百分比的图表1500被示于图15中。图表1500的左竖直轴线对应于流量，单位为cc/s，图表1500的右竖直轴线对应于峰值功率，单位为瓦特，以及横轴对应于模具腔体填满热塑性材料的百分比。高产注塑法的峰值功率用线1501来示出，以及高产注塑法的峰值流量用线1502来示出。相似地，常规高变压法的峰值功率用线1503来示出，以及常规高变压法的峰值流量用线1504来示出。“t1”对应于高产注塑法的峰值功率处的 时间，“t2”对应于高产注塑法的峰值流量处的时间，“t3”对应于常规高变压法的峰值功率处的时间，“t4”对应于常规高变压法的峰值流量处的时间，“t5”对应于高产注塑法的填充结束的时间，以及“t6”对应于常规高变压法填充结束时的时间。
在高产注塑法中，峰值功率负荷出现在时间t1处，其近似等于峰值流量出现的时间t2，然后在整个填充循环期间平稳地下降。更具体地，峰值功率和峰值流量在填充的前30％，更优选地填充的前20％，且甚至更优选地填充的前10％中出现。通过将峰值功率和峰值流量布置在填充开始期间出现，热塑性材料在其更接近凝固时不经受极端条件。据信这导致模塑件的优异的物理特性。
功率水平一般在峰值功率负荷之后在整个填充循环缓慢下降。另外，流量一般在峰值流量之后在整个填充循环缓慢下降，因为填充压力保持基本上恒定。如上所示，峰值功率水平低于常规方法的峰值功率水平，一般低30-50％，并且峰值流量低于常规方法的峰值流量，一般低30-50％。
相似地，常规高变压法的峰值功率负荷在大约等于峰值流量出现时间t4的时间t3处出现。然而，不同于高产注塑法，常规高变压法的峰值功率和流量在填充的最后10％-30％出现，这使得热塑性材料在其处于凝固过程中时经受极端条件。也不同于高产注塑法，常规高变压法中的功率水平一般在峰值功率负荷之后在整个填充循环快速下降。相似地，常规高变压法中的流量一般在峰值流量之后在整个填充循环快速下降。
在本发明所公开的用于模塑高L/T部件的高产注塑方法和装置中，部件通过以增加的流量将熔融热塑性聚合物注入模具腔体来模塑，以实现期望的注入压力，然后随时间推移降低流量以保持基本上恒定的注入压力。当模塑薄壁件(例如，具有L/T比率>100<1000)以及当使用介于0.1g和100g之间的注入量时，高产注塑方法和装置是尤其有利的。尤其有利的是最大流量在腔体填充的前30％内，优选地在腔体填充的前20％内，且甚至更优选地在腔体填充的前10％出现。通过调节填充压力曲线，最大流量在这些优选的模具填充范围内出现，模塑件将具有上述物理优点中的至少一些(例如，较好的强度、较好的光学特性等)，因为模塑件的晶体结构与常规模塑件不同。此外，因为高L/T产品较薄，所以这些产品要求较少的颜料来赋予所得产品期望的颜色。此外，在无颜料部件中，由于更一致的 模塑条件，因此部件将具有不易看见的变形。使用较少颜料或不使用颜料节约了成本。
作为另外一种选择，可调节峰值功率以保持基本上恒定的注入压力。更具体地，可将填充压力曲线调节成使得峰值功率在腔体填充的前30％，优选地在腔体填充的前20％，且甚至更优选地在腔体填充的前10％出现。调节所述方法以使得峰值功率在优选的范围内出现，然后在整个腔体填充的剩余部分中具有降低的功率，从而导致如上所述相对于调节峰值流量的对模塑件的相同有益效果。此外，以上述的方式调节所述工艺对于薄壁件(例如，L/T比率>100<1000)以及对于介于0.1g和100g之间的注入量是尤其有利的。
本文所公开的高产注塑方法和装置对于给定的L/T比率也需要比常规高变压注塑系统低的功率，如图16所示，该图示出了峰值功率流量因子对L/T图表1600。在图16的图表中，竖直轴线对应于峰值功率流量因子，单位为W/cm3，以及横轴对应于模具腔体L/T比率。图16表示对于常规高变压注塑法和本公开的高产注塑法对于多个注塑循环所采集的测试数据。常规高变压法以两种不同的注入速率运行，20.32cm/s(8in/s)和15.24cm/s(6in/s)两种。另外，也测试了几种具有不同MFI值的热塑性材料。更具体地，测试了具有55MFI、35MFI和12MFI的热塑性材料。图表中的数据点符号对应于方法、注入速率和MFI值如下：
符号1601–常规高变压，20.32cm/s，35MFI；
符号1602–常规高变压，15.24cm/s，35MFI；
符号1603–高产方法，35MFI；
符号1604–常规高变压，20.32cm/s，12MFI；
符号1605–常规高变压，15.24cm/s，12MFI；
符号1606–高产方法，12MFI；
符号1607–常规高变压，20.32cm/s，55MFI；
符号1608–常规高变压，15.24cm/s，55MFI；和
符号1609–高产方法，55MFI。
如图16中的线1610所示，对于介于100至250之间的任何L/T比率，本文所公开的高产注塑方法和装置要求比常规高变压注塑法更小的功率(即，具有较低的峰值功率流量因子)以填充给定的模具腔体，并且这 种关系扩展到L/T为300，以及400L/T和更大，直到1000L/T或更大。事实上，本发明所公开的高产注塑方法和装置要求功率小于由下式计算的功率：
Y＝0.7218x+129.74(其对应于图16中的线1610)
其中Y＝峰值功率流量因子；和
X–L/T比率
在所有情况下，常规高变压注塑系统要求比由上式计算的功率更大的功率。
现在转到图5A-5D和图6A-6D，其示出了当通过常规高变压注塑机填充时(图5A-5D)以及通过基本上恒压注塑机填充时(图5A-5D)模具腔体的一部分。
如图5A-5D所示，在常规高变压注塑机开始通过浇口30将热塑性材料24注入模具腔体32中时，高注入压力趋于以高速率将熔融的热塑性材料24注入模具腔体32中，这造成熔融的热塑性材料24以最常见被称为层流的方式流入层合体31中(图5A)时，一般认为模塑件为薄壁的。在模具腔体32完全填满之前，这些最外的层合体31附着到模具腔体的壁并且随后冷却并凝固，从而形成凝固的边界层33(图5B)。然而，随着热塑性材料凝固，其也从模具腔体32的壁退缩，从而在模具腔体壁和边界层33之间留下间隙35。该间隙35降低了模具的冷却效率。在浇口30的附近，熔融的热塑性材料24也开始冷却并凝固，这减小了浇口30的有效横截面积。为了保持恒定的体积流量，常规高变压注塑机必须增加压力以迫使熔融的热塑性材料穿过变窄的浇口30。随着热塑性材料24继续流入模具腔体32中，边界层33越来越厚(图5C)时，一般认为模塑件为薄壁的。最后，整个模具腔体32基本上被凝固的热塑性材料填充(图5D)时，一般认为模塑的部件为薄壁的。在该点处，常规高压注塑机必须保持填料压力，以将后退的边界层33推回模具腔体32壁以增加冷却。
另一方面，高产注塑机使熔融的热塑性材料流入模具腔体32中，具有一直移动的流动前沿37(图6A-6D)。流动前沿37后面的热塑性材料24保持熔融直至模具腔体37在凝固前基本上被填满为止(即，填充99％或更多)。因此，在浇口30的有效横截面积上没有减少，所述浇口的横截面积可介于模塑件的标称壁厚的70％和100％之间，优选地介于80％和90％之间。此外，因为流动前沿37后的热塑性材料24是熔融的，所以热塑性材料24与模具腔体32的壁保持接触。因此，热塑性材料24在模塑过程的填充部分中冷却(没有凝固)。因此，本发明所公开的高产注塑法的冷却部分不需要和常规方法一样长。
因为热塑性材料保持熔融并不断移动进入模具腔体32中，所以要求比常规模具中更小的注入压力。在一个实施例中，注入压力可为6,000psi或更小。因此，注入系统和夹紧系统不需要是大功率的。例如，本发明所公开的高产注塑装置可使用需要较低夹紧力的夹钳以及对应的较低夹紧功率源。此外，因为较低的功率要求，所以本发明所公开的高产注塑机可使用电压机，所述电压机的功率一般不足以大到用于在高变压下模塑薄壁件的常规101级和102级注塑机中。即使当电压机足够用于一些具有较少模具腔体的简单模具时，所述方法也可用本发明所公开的高产注塑方法和装置来改善，因为可使用较小的、较便宜的电动马达。本发明所公开的高产注塑机可包含以下类型的电压机中的一种或多种：直接伺服驱动马达压机、双重马达皮带驱动压机、双重马达行星式齿轮压机、以及具有200HP或更小的额定功率的双重马达滚珠驱动压机。
测试数据
完成对测试模具的模具粘度测试，其用于生成图16中的力对L/T图表中的数据。该测试测定最佳的注入速率为6"每秒。运行8"每秒的附加速率以示出注入速率和模塑压力之间的关系。如上所述，当前行业惯例为以模塑压机能够实现的最大速率注入。下列数据示出，增加的注入速率导致模塑压力的显著增加，如由8"每秒数据运行所指示。在甚至更快的速率下注入，诸如10"每秒、20"每秒或更快，将导致压力显著增加。测试数据汇总于下表中。




材料MFIBraskem FPT350WV335Braskem FT120W212Flint Hills 515555

转换因子1in＝0.0254m1mm＝0.03937in1in3/s＝16.38706cm3/s1psi＝6894.757pa1瓦特＝0.00134hp
当比较模塑注塑部件所需的峰值流量和峰值功率水平时，熔体温度和模具温度应在常规方法和高产方法两者的运行条件之间一致。此外，这些温度设置一般应基于由树脂制造商推荐的温度或在适宜的范围内以确保树脂按制造商预期来加工。
现在转向图7，其示出了用于高产注塑方法的实例模塑循环1000的操作。模塑循环1000可在根据本公开构造的高产注塑机上例如在图1的高产注塑机上被执行。更具体地，实例模塑循环1000可在具有包括第一模具侧和第二模具侧以及在所述第一模具侧和所述第二模具侧之间形成的模具腔体的模具的高产注塑机上被执行，所述第一模具侧和所述第二模具侧中的 至少一者具有超过51.9W/m-℃(30 BTU/HR FT℉)和小于或等于385.79W/m-℃(223 BTU/HR FT℉)的平均热导率。在一些优选的实施例中，第一模具侧和第二模具侧两者都可具有超过51.9W/m-℃(30 BTU/HR FT℉)并小于或等于385.79W/m-℃(223 BTU/HR FT℉)的平均热导率。
用于制造第一模具侧和/或第二模具侧的一些优选的材料包括铝(例如，2024铝，2090铝，2124铝，2195铝，2219铝，2324铝，2618铝，5052铝，5059铝，航空级铝，6000系列铝，6013铝，6056铝，6061铝，6063铝，7000系列铝，7050铝，7055铝，7068铝，7075铝，7076铝，7150铝，7475铝，QC-10，AlumoldTM，HokotolTM，Duramold 2TM，Duramold5TM，和Alumec 99TM)，BeCu(例如，C17200，C18000，C61900，C62500，C64700，C82500，Moldmax LHTM，Moldmax HHTM，以及ProthermTM)，铜，以及铝的任何合金(例如，铍、铋、铬、铜、镓、铁、铅、镁、锰、硅、钛、钒、锌、锆)、铜的任何合金(例如，镁、锌、镍、硅、铬、铝、青铜)。这些材料可具有介于0.5Rc和20Rc之间，优选地介于2Rc和20Rc之间，更优选地介于3Rc和15Rc之间，以及更优选地介于4Rc和10Rc之间的洛氏C(Rc)硬度。尽管这些材料可软于工具钢，热导率特性是更加期望的。本发明所公开的高产注塑方法和装置有利地在下列模塑条件下操作：允许由这些较柔软的、热导率较高的材料制成的模具取得超过100万次循环、优选地介于125万次循环和1000万次循环之间、以及更优选地介于200万次循环和500万次循环之间的使用寿命。
首先，在1110处，熔融的热塑性材料被推进到限定薄壁件(例如，100<L/T<1000)的模具腔体中。熔融的热塑性材料的射流可介于0.5g和100g之间并可通过三个或更少浇口被推进到模具腔体中。在某些情况下，三个或更少浇口中的一个或多个可具有以下横截面积，所述横截面积介于在模具腔体中形成的部件的标称壁厚的70％和100％之间，并且优选地介于标称壁厚的80％和90％之间。在一些例子中，该百分比可对应于介于0.5mm和10mm之间的浇口尺寸。
在1112处，熔融的热塑性材料被推进模具腔体中，直到模具腔体基本上被填满为止。当模具腔体被填充超过90％、优选地填充超过95％以及更优选地填充超过99％时，模具腔体可基本上被填满。在模具腔体被基本上填满之后，熔融的热塑性材料在1114处被冷却直到熔融的热塑性材料基本 上被凝固或固化为止。熔融的热塑性材料可用流过第一模具侧和第二模具侧中的至少一者的冷却液被主动冷却或者通过与大气的对流和传导而被动地冷却。
在1116处，在热塑性材料被冷却之后，第一模具侧和第二模具侧可被分开以暴露出经冷却的热塑性材料。在1118处，经冷却的热塑性材料(呈模塑件的形式)可从模具中被移除。热塑性材料可通过例如顶出、倾倒、抽出(手动地或通过自动化方法)、拉出、推出、重力或将经冷却的热塑性材料与第一模具侧和第二模具侧分离的任何其它方法被移除。
在1120处，在将经冷却的热塑性材料从第一模具侧和第二模具侧移除之后，第一模具侧和第二模具侧可被闭合，重新形成模具腔体，其使第一模具侧和第二模具侧准备好以接收熔融的热塑性材料的新射流，从而完成单个模具循环。循环时间1001被定义为模塑循环1000的单次迭代。单次模塑循环可耗费2秒和15秒之间，优选地8秒和10秒之间，其取决于部件尺寸和材料。
本发明所公开的高产注塑方法和机器有利地减少了用于模塑加工的循环时间，同时提高了部件质量。此外，在一些实施例中，本发明所公开的高产注塑机可使用电压机，所述电压机一般更节能并且要求比液压机更少的维护。另外，本发明所公开的高产注塑机能够使用更具挠性的支撑结构和适应性更强的递送结构，诸如更宽的台板宽度、增加的拉杆间距、消除拉杆、有利于更快移动的较轻重量的构造、以及非自然平衡的进料系统从而，可改进本发明所公开的高产注塑机以适合递送需要并且更容易定制特定的模塑件。
另外，本发明所公开的高产注塑机和方法允许模具由更柔软的材料(例如，具有小于约30Rc的材料)制成，所述材料可具有较高的热导率(例如热导率大于20BTU/HR FT℉)，这导致模具改善的冷却能力以及更均匀的冷却。因为改善的冷却能力，本发明所公开的高产注入模具可包括简化的冷却系统。一般而言，简化的冷却系统包括较少的冷却通道并且所包含的冷却通道可更直，具有较少的机加工轴线。具有简化的冷却系统的注入模具的一个例子公开于2012年2月24日提交的美国专利申请61/602,781中，其以引用的方式并入本文。
所有种类的冷却系统均可按冷却复杂度级别体系来分类，其中冷却复杂度级别零表示最简单的冷却系统，并且较高的冷却复杂度级别表示渐进地更复杂的冷却系统。下文更详细地讨论该冷却系统分类体系。然而，常规高产消费产品注塑机(例如，类101和类30模塑机)采用复杂的冷却系统以减少循环时间并提高生产能力。一般来讲，高产消费产品注塑机包括复杂的冷却系统(即，冷却系统具有第四级或更高级别的冷却系统复杂度)。零级至三级冷却复杂度级别的系统一般不产生足以用于常规高产注塑模具的冷却容量，所述常规高产注塑模具包括由高硬度、低热导率材料制成的模具。
有利地，本发明所公开的低恒定压力注塑模具包括冷却复杂度级别为三级或更小的，优选地三级，二级，或一级冷却复杂度的冷却系统，其相对于常规高压力注塑机来讲降低了生产成本并提高了效率。
如本文所用，冷却复杂度为零级的模具组件被定义为不包括主动冷却系统的模具组件。换句话讲，冷却复杂度为零级的模具组件仅是通过如下方法被动地冷却的：热传导穿过模具侧和支撑板，并且最终到达围绕模具组件的大气环境。冷却复杂度为零级的模具组件通常具有相对长的循环时间(由于较慢的冷却速率，模具内的塑料需要显著量的时间来凝固)。因此，高产消费产品模具组件(例如，用于类101和类30模塑机的模具组件)不使用冷却复杂度为零级的模具组件。
现在转向图8-12，它们示出了冷却复杂度为一级的模具组件328的不同的实施例(和/或模具组件中支撑板的不同的实施例)。模具组件328可包括具有第一侧面372和第二侧面374的模具370。第一侧面372和第二侧面374形成两者间的模具腔体376。第一侧面372可由第一支撑板378支撑，并且第二侧面374可由第二支撑板380支撑。第一支撑板和第二支撑板378,380可附接到压机(未示出)，所述压机在模塑加工期间开动以移动第一侧面和第二侧面372,374。一条或多个冷却管路382可形成于支撑板378,380的一个或多个中。由于第一侧面和第二侧面372，374是由高度导热的材料制成的，因此热按足以在可接受的时间量内冷却模具腔体376中的塑料的速率流过第一侧面和第二侧面372，374而到达支撑板378，380。
支撑板378，380可包括远离支撑板378，380朝模具370向外延伸的柱子或其它突出部381。冷却管路382可延伸进突出部381中。模具370可 包括互补特征结构使得模具可围绕、在突出部381内部贴合(图9)或在突出部之上贴合(图10)。这样，冷却管路382可被定位成更靠近模具腔体而不将冷却管路382延伸到模具370中或延伸到第一模具侧和第二模具侧372，374中。因此，支撑板378，380可接收具有多种不同模具腔体形状的模具。因此可形成模具而无需将冷却管路整合进第一侧面和/或第二侧面372,374中，这减少了模具370的制造成本。
常规高输出消费产品注塑模具组件不使用冷却复杂度为一级的模具组件，因为此类模具组件不能足够地冷却由两种高硬度、低热导率材料所形成的模具腔体内的塑料。冷却复杂度为一级的模具组件被定义为包含位于支撑板378，380内的所有主动冷却管路382，即使需要超过一条机加工轴线来形成冷却管路382。在图8-12的例子中，模具可为叠层模具、立方体模具、梭子模具、直升机模具、具有旋转台板的模具或其它多腔体模具，从而提高生产能力(如果需要)。
现在转向图13，示出了冷却复杂度为二级的模具组件328。冷却复杂度为二级的模具组件328与图5的冷却复杂度为一级的模具组件328相同，不同之处在于图13的实施例中的冷却管路382延伸穿过至少一个支撑板378，380并延伸到至少一个模具侧372,374中(即，与仅延伸穿过支撑板378，380的冷却管路382相对)。冷却管路382具有终端384。然而，每个冷却管路382沿平行于单个机加工轴线的轴线被机加工。冷却管路382可包括导流板以有利于冷却流体流过冷却管路382。冷却复杂度为二级的模具组件未被用于高输出消费品注塑机(即，类101和类30注塑机)中，因为冷却复杂度为二级的模具组件不具有足够的柔性来机加工靠近模具腔体的模具表面的冷却管路，因此冷却复杂度为二级的模具组件不为具有高硬度、低热导率模具的常规高输出模具组件提供足够的冷却。
现在转向图14，其示出了冷却复杂度为三级的模具组件328的一个实施例。冷却复杂度为三级的模具组件328由具有至少两条不同机加工轴线的冷却通道382限定。至少一条冷却管路382可包括两条不同的机加工轴线和一个终端。更具体地，冷却管路382可具有弯曲部或弯折部。例如，冷却管路382可包括基本上平行于模具组件328的打开-闭合行程S的第一机加工轴线和相对于第一机加工轴线成角度的第二机加工轴线。如同冷却复杂度为二级的模具组件一样，冷却复杂度为三级的模具组件也未用于高 输出消费产品注塑机(例如，类101和类30注塑机)，因为三级冷却复杂度不具有足够的柔韧性来机加工靠近模具腔体的模具表面的冷却管路，因此冷却复杂度为三级的模具组件不为具有高硬度、低热导率模具的常规高输出模具组件提供足够的冷却。
高产注塑机的低注入压力允许由这些柔软的材料制成的模具取得100万或更多次模塑循环，其在高压注塑机中将是不可能的，因为在高压注塑机中这些材料将在100万次注塑循环之前失效。
值得注意的是，除非另外指明,本文可使用术语“基本上”、“约”和“大约”来表示可属于任何定量比较、值、量度或其它表示的不确定性的内在程度。本文也使用这些术语来表示定量表示可不同于所述参考值而不造成在讨论中受试主体的基本功能有变化的程度。除非本文另有定义，术语“基本上”、“约”、和“大约”是指定量比较、值、量度或其它表示可在所述基准的20％范围内。
现在应当显而易见的是，本文所举例说明和所描述的产品的各种实施例均可通过基本上恒定的低压模塑法来生产。尽管本文具体地提到了包含消费品的产品或消费品产品自身，但应当显而易见的是，本文所述的模塑方法可适于结合用于以下行业中的产品来使用：消费品行业、食品服务行业、运输行业、医疗行业、玩具行业等。此外，本领域的技术人员将认识到本文所公开的教导内容可用于构造叠层模具、包括旋转模具和后退抽芯模具、与模内装饰组合、嵌入件注塑、模具组件等。
本文所公开的量纲和值不可理解为严格限于所引用的精确值。相反，除非另外指明，每个这样的量纲旨在表示所述的值以及围绕该值功能上等同的范围。例如，所公开的量纲“40mm”旨在表示“约40mm”。
除非明确排除或换句话讲有所限制，本文中引用的每一个文件，包括任何交叉引用或相关专利或专利申请，均据此以引用方式全文并入本文。对任何文献的引用均不是承认其为本文公开的或受权利要求书保护的任何发明的现有技术、或承认其独立地或以与任何其它一个或多个参考文献的任何组合的方式提出、建议或公开任何此类发明。此外，如果此文献中术语的任何含义或定义与任何以引用方式并入本文的文献中相同术语的任何含义或定义相冲突，将以此文献中赋予那个术语的含义或定义为准。
尽管举例说明和描述了本发明的特定实施例，但对本领域的技术人员来讲显而易见的是，在不背离本发明的实质和范围的情况下可作出许多其它的改变和修改。因此，所附权利要求书旨在涵盖本发明范围内的所有此类改变和变型。