CN113878830B - 超声能场下微注射成型聚合物流变在线检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声能场下微注射成型聚合物流变在线检测装置及方法，其装置包括测试模具、加热单元和动力加载单元；测试模具包括由上至下依次布置的芯模盖板、型腔厚度调节垫片、芯模基板和储物料筒，在芯模盖板、型腔厚度调节垫片、芯模基板和储物料筒上设有上下贯通布置的塑化腔，在塑化腔一侧的芯模盖板内卡装有第一芯模，在塑化腔另一侧的芯模基板内卡装有测粘芯模，第一芯模上的流道为已注射或待注射中的一种；所述加热单元包括塑化加热电阻和模具加热棒；动力加载单元包括注射单元和开合模单元。本发明能实现四种不同模式的聚合物熔体流动粘度在线检测；能完成不同型腔厚度下聚合物熔体粘度的在线检测。

Description

超声能场下微注射成型聚合物流变在线检测装置及方法

技术领域

本发明涉及微尺度聚合物粘度检测技术领域，尤其涉及一种超声能场下微注射成型聚合物流变在线检测装置及方法。

背景技术

近年来，一些具有特殊功能的微机电***和个人可穿戴电子产品的小型化和普及化，对微型注塑零件的高质量批量生产提出了新的挑战。从聚合物加工技术来看，热塑性聚合物微注射成型的优势体现在生产周期短、规模大、尺寸精度好、对复杂形状和细节的限制少等。与其他成型技术相比，微注射成型更适合低成本的大批量生产，尤其是当成型精度达到微、纳米级时。由于工艺和材料特性的限制，当微成型零件包含跨尺度特征或突破一定的体积/尺寸边界时，微注射成型技术在复制保真度、材料利用率和能源消耗方面可能非常具有挑战性。在这种情况下，人们引入了功率超声波以增强微注射成型能力。

一方面，具体相较于需要使用螺杆剪切和外部加热源的传统微注射成型工艺，超声辅助微注射成型工艺将功率超声***集成到注塑模具中，即在成型过程中引入超声波场以促进聚合物熔体填充和微观结构的复制能力。而另一方面，超声塑化微注射成型工艺采用功率超声波作为唯一塑化能源，经超声振动能将聚合物塑化后直接注射成型，无需使用螺杆剪切和外部加热源。经过超声塑化的聚合物熔体的分子量相较于经传统塑化方式塑化的存在差异，进而导致不同的流变特性。尽管如此，它们仍然有一个共同点，都专注于调整功率超声波以增强微注射成型聚合物熔体的充填能力。本质上，功率超声波场的引入改变了聚合物熔体的流变特性从而提高其成型过程的充填能力。

总之，相较于传统微注射成型工艺，无论是超声辅助微注射成型还是超声塑化微注射成型，其聚合物熔体的流动特性均已发生变化，表现为聚合物熔体流动性得到一定提高。流变仪主要可分为旋转流变仪、毛细管流变仪、转矩流变仪和界面流变仪。无论是哪一种流变仪都不具备反映超声能场对聚合物熔体粘度具体影响的能力。然而，基于超声塑化以及超声辅助工艺的聚合物熔体流变特性检测装置尚未见到相关报道。聚合物熔体在微流道的流动特性与宏观尺度下不同，主要原因是型腔或流道特征尺寸及表体比较大。宏观测得的粘度数据很难准确描述微尺度下熔体的粘度特征。而微注塑成型过程中，聚合物熔体充模时的速度场、应力场以及温度场的分布均是动态的且都会对剪切粘度造成影响。

因此，如何获得超声塑化微注射成型以及超声辅助微注射成型工艺中聚合物熔体的真实流变特性是我们亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种不同工艺下不同模式的超声能场下微注射成型聚合物流变在线检测装置及方法。

本发明提供的这种超声能场作用下微注射成型聚合物流变在线检测装置，包括机架，在该机架上由上至下的设有超声振动单元、测试模具、加热单元和动力加载单元，

所述机架包括固定架和活动架，所述活动架可上下移动的安装在固定架上；

所述超声振动单元包括由上至下依次连接的超声发生器、超声振子和超声探头，所述超声振子安装在活动架上方的固定架上，所述超声发生器用于产生超声能场，所述超声探头用于向测试模具内的聚合物提供超声能场；

所述测试模具包括由上至下依次布置在活动架上的芯模盖板、型腔厚度调节垫片、芯模基板和储物料筒，在芯模盖板、型腔厚度调节垫片、芯模基板和储物料筒上设有上下贯通布置的塑化腔，在塑化腔一侧的芯模盖板内卡装有第一芯模，在塑化腔另一侧的芯模基板内卡装有测粘芯模，在测粘芯模内至少设有两个压力传感器，所述测粘芯模的上端***芯模盖板中且测粘芯模上端面不高于第一芯模上端面布置，在第一芯模与测粘芯模的上端面上均设有与塑化腔相垂直连通布置的流道，第一芯模上的流道为已注射或待注射中的一种；

所述加热单元包括塑化加热电阻和模具加热棒，所述塑化加热电阻套装在储物料筒外，用于塑化储物料筒中塑化腔内的聚合物；所述模具加热棒插装在芯模盖板内，用来加热测试模具的型腔，提供所需的初始温度；

所述动力加载单元包括注射单元和开合模单元，所述注射单元安装在储物料筒下方的活动架上并可向上运动伸入塑化腔对其内的聚合物提供挤压力；所述开合模单元安装在活动架下方的固定架上并与活动架底部对接，所述开合模单元可带动活动架在固定架上向超声探头方向移动，至超声探头底部***芯模盖板中与芯模盖板、第一芯模上端面、测粘芯模上端合围形成成型腔体和粘度测试腔体。

所述固定架包括顶板、底板及若干竖直连接于顶板与底板间的导柱，所述超声振子安装在顶板上；所述活动架包括动模固定板、电缸座板及若干竖直连接于动模固定板和电缸座板间的锁紧螺杆，动模固定板和电缸座板滑动套装在顶板与底板间的导柱上，芯模盖板、型腔厚度调节垫片、芯模基板和储物料筒由上至下的布置在动模固定板上，开合模单元安装在底板上，注射单元安装在电缸座板上。

在顶板上设有用于固定超声振子的振子固定套。

所述注射单元包括注射杆、注射压力传感器和伺服电缸，所述伺服电缸竖直向上的安装在储物料筒下方的活动架上，注射压力传感器安装在伺服电缸的输出轴上，注射杆安装在注射压力传感器上并由伺服电缸驱动上移伸入塑化腔内对聚合物提供挤压力。

所述开合模单元包括丝杆、螺母、传动机构和减速电机，所述减速电机安装在固定架上，所述丝杆通过螺母可转动的竖直安装在活动架下方的固定架上，丝杆顶部与活动架底部上下对接，减速电机的输出轴通过传动机构与丝杆相连，丝杆由减速电机驱动旋转带动活动架在固定架上上下移动，活动架上移带动芯模盖板套装在超声探头底部外，使得超声探头与芯模盖板、第一芯模上端面、测粘芯模上端合围形成成型腔体和粘度测试腔体。

所述减速电机由减速器和伺服电机通过联轴器连接而成，所述减速器通过电机安装座可拆卸的安装在底板上。

所述芯模盖板、型腔厚度调节垫片和芯模基板通过螺纹紧固件与机架可拆卸的固定连接。

在机架上还安装有控制器，所述超声发生器、减速电机、伺服电缸、注射压力传感器、压力传感器、塑化加热电阻和模具加热棒的驱动装置均由控制器电连接控制。

所述流道为矩形流道。

一种基于上述超声能场作用下微注射成型聚合物流变在线检测装置的在线检测方法，包括如下步骤：

S1、选定超声塑化测粘模式、超声塑化边成型边测粘模式、超声辅助测粘模式或超声辅助边成型边测粘模式中的一种进行粘度测试，其中超声塑化测粘模式和超声塑化边成型边测粘模式用来测试超声塑化微注射成型工艺下聚合物粘度，超声辅助测粘模式和超声辅助边成型边测粘模式用来测试超声辅助微注射成型工艺下聚合物粘度，并根据选定后的测试模式调整测试模具；

当选定超声塑化测粘模式或超声辅助测粘模式中的一种时，第一芯模选用已注射的芯模；当选定超声塑化边成型边测粘模式或超声辅助边成型边测粘模式中的一种时，第一芯模选用待注射的芯模；

S2、已知型腔厚度以及型腔温度均会影响聚合物流动粘度，于是根据微注射成型工艺条件选择厚度合适的型腔厚度调节垫片，在0.1mm-1mm的范围内调整粘度测试腔体的厚度以及测试模具的温度；

S3、在储物料筒内放入棒状的聚合物后合上测试模具，准备测试；

S4、根据选定后的测试模式设置测试工艺

当选定超声塑化测粘模式或超声塑化边成型边测粘模式中的一种时，采用的是功率超声塑化，需设定超声频率及超声振幅、注射杆的移动速度即注射速度；当选定超声辅助测粘模式或超声辅助边成型边测粘模式中的一种时，采用的是外部热源塑化，需设定储物料筒的塑化温度、超声频率及超声振幅、注射杆51的移动速度即注射速度；

S5、聚合物粘度测试正式开始后，按设定完成注塑行为，矩形流道内压力传感器38测量并记录压力变化情况最后传输给控制器；

S6、计算当前超声能场作用条件下聚合物熔体粘度，具体步骤如下：

S6、计算当前超声能场作用条件下聚合物熔体粘度，具体步骤如下：

S61、推导出矩形流道模型对应的粘度测试理论公式，其中剪切应力τ与剪切速率

均是矩形流道壁面处聚合物熔体所受到的剪切应力与剪切速率，也称真实剪切应力τ_real与真实剪切速率

其比值为聚合物熔体在矩形截面流道内流动时的表观粘度η_app：

依粘度计算公式，需要测定熔体在流动过程中的充模压力降ΔP、熔体在矩形流道中流动时的体积流量Q、以及间接获取聚合物材料的非牛顿指数n；

S62、获取充模压力降ΔP：

测量熔体在矩形流道中流动时两个压力传感器(38)对应两测点之间的充模压力降ΔP，压力传感器所测得的压力降为熔体流经两个压力传感器对应测点的真实充模压力降Δpreal，用于粘度计算的流道长度为两个压力传感器测点间的距离ΔL；

S63、获取体积流量Q：

在线粘度测试过程中熔体在模内的体积流动速率通过设定伺服电缸(53)的注射速度确定，计算方法为：

熔体充模时的熔体体积流率可由注射时伺服电缸(53)柱塞的移动速来确定，也即：

式中，Rs——伺服电缸柱塞的半径；Vs——伺服电缸柱塞的移动速度；

S64、获得非牛顿指数n：

根据熔体在矩形狭缝截面流道内的速度分布函数推导出聚合物熔体在其中流动时所受到的真实剪切应力τ_real与真实剪切速率

可知，剪切应力计算公式所含待定参数均是流道尺寸参数与流场参数，并未涉及到流体的本征特性参数；也即剪切应力的计算公式适用于一切流体；而剪切速率计算表达式却和聚合物材料的非牛顿指数相关，因此需要考虑采用其他方法获取这一参数；假设聚合物熔体为牛顿流体，也即n＝1；此时，聚合物熔体在矩形狭缝流道壁面处的剪切速率表达式为：

这里定义一个新的物理量M：

新变量M为牛顿流体在矩形截面流道壁面处的剪切速率；但对于非牛顿流体，M并不是其真实的剪切速率但具有剪切速率的量纲；下面将讨论M与真实的剪切速率

的关系；非牛顿流体在矩形截面流道中做稳定层流时，其流量Q为：

式(4)进行分部积分后经恒等变换代入式(3)中可得：

对式(5)进行积分上限求导可得：

则由式(6)可得到矩形截面流道真实剪切速率与表观剪切速率的关系：

测定不同Q时的ΔP，就可以得到不同τw时的M，将lnτw对lnM作图，某点对应的曲线切线斜率就是非牛顿指数n的值；

S65、将步骤S62中的充模压力降ΔP、步骤S63中的体积流量Q和步骤S64中的非牛顿指数n代入式(1)中，计算出当前超声能场作用条件下聚合物熔体粘度；

S7、测粘结束后，完成保压、冷却、开模、顶出的工艺，等待下次测粘。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、通过调换不同类型的第一芯模，改变聚合物的塑化条件，就能实现超声塑化测粘、超声塑化边成型边测粘、超声辅助测粘、超声辅助边成型边测粘四种不同模式的聚合物熔体流动粘度在线检测。

2、通过安装不同厚度的型腔厚度调节垫片，就能形成不同厚度的粘度测试腔体，从而完成不同型腔厚度下聚合物熔体粘度的在线检测，满足更多测试条件。

3、本发明提供了基于矩形流动模型提出超声能场作用下模内聚合物粘度测试方法。

附图说明

图1为本发明中超声能场下微注射成型聚合物流变在线检测装置的轴测示意图。

图2为图1中超声探头、测试模具和加热单元的轴测***结构示意图。

图3为本发明中机架、动力加载单元和控制器组装后的结构示意图。

图4为图1中超声探头置于测试模具内的局部剖视轴测结构示意图。

图5为图4的全剖结构示意图。

图6为本发明中超声能场作用下微注射成型聚合物流变在线检测方法的流程图。

图7为本发明中矩形流道熔体流动压力降测量的示意图。

图中示出的标记及所对应的构件名称为：

1、机架；11、顶板；12、底板；13、导柱；14、动模固定板；15、电缸座板；16、振子固定套；

2、超声振动单元；21、超声振子；22、超声探头；

3、测试模具；31、芯模盖板；32、型腔厚度调节垫片；33、芯模基板；34、储物料筒；35、塑化腔；36、第一芯模；37、测粘芯模；38、压力传感器；39、流道；310、聚合物；

4、加热单元；41、塑化加热电阻；42、模具加热棒；

5、动力加载单元；51、注射杆；52、注射压力传感器；53、伺服电缸；54、丝杆；55、螺母；56、传动机构；57、减速器；58、伺服电机；

6、控制器。

具体实施方式

从图1至图5可以看出，本发明这种超声能场下微注射成型聚合物流变在线检测装置，包括机架1及设置在该机架1上的超声振动单元2、测试模具3、加热单元4和动力加载单元5，超声振动单元2布置在测试模具3正上方，用于负责产生并提供一定范围的频率和振幅的超声能场；加热单元4安装在测试模具3底部，用于提供塑化温度；动力加载单元5安装在测试模具3下方，用于控制测试模具3的开或合及聚合物的注射。

从图1和图3可以看出，本发明中的机架1包括固定架和可上下移动的安装在固定架上的活动架，固定架包括顶板11、底板12及竖直连接于顶板11与底板12间的导柱13，导柱13有两个并沿顶板11中心对称布置；活动架包括动模固定板14、电缸座板15及两个竖直连接于动模固定板14和电缸座板15间的锁紧螺杆，动模固定板14和电缸座板15均与顶板11与底板12间的导柱13滑动套装连接。

从图1至图5可以看出，本发明中的超声振动单元2包括由上至下依次连接的超声发生器、超声振子21和超声探头22，在顶板11上设有用于固定超声振子21的振子固定套16，超声振子21安装在振子固定套16内，超声发生器用于产生超声能场，超声探头22用于向测试模具3内的聚合物提供超声能场。

从图2、图4和图5可以看出，本发明中的测试模具3包括由上至下依次布置在动模固定板14上的芯模盖板31、型腔厚度调节垫片32、芯模基板33和储物料筒34，在芯模盖板31、型腔厚度调节垫片32、芯模基板33和储物料筒34上设有上下贯通布置的塑化腔35，在塑化腔35一侧的芯模盖板31内卡装有第一芯模36，在塑化腔35另一侧的芯模基板33内卡装有测粘芯模37，在测粘芯模37内至少设有两个用来测试型腔内压力变化情况的压力传感器38，测粘芯模37的上端***芯模盖板31中且测粘芯模37上端面不高于第一芯模36上端面布置，在第一芯模36与测粘芯模37的上端面上均设有与塑化腔35相垂直连通布置的流道39，该流道39的纵截面为矩形，第一芯模36上的流道为已注射或待注射中的一种；在储物料筒34的塑化腔35内装有棒状的聚合物310。

从图2、图4和图5可以看出，本发明中的芯模盖板31、型腔厚度调节垫片32、芯模基板33通过螺纹紧固件与动模固定板14可拆卸的固定连接，以便增加测试过程中的稳定性。

本发明测试模具3的安装过程如下：

测试开始前，首先将压力传感器38通过螺纹装配到测粘芯模37上；然后将测粘芯模37放置到芯模基板33中的固定凹槽内；接下来，将不同厚度的型腔厚度调节垫片32覆盖在装配了测粘芯模37的芯模基板33上，并通过紧固孔确定位置；再然后，根据“边成型边测粘度模式”选择已注射的第一芯模36或者根据“只测试粘度模式”选择待注射的第一芯模36并将其装配到芯模盖板31的成型槽内；最后，将装配好的芯模盖板31通过紧固孔定位并覆盖在型腔厚度调节垫片32上，并用螺纹紧固件将装配好的测试模具4安装在动模固定板14上；

测试开始后，动模固定板14带着装配好的测试模具4向超声探头22移动，直到超声探头22下端面与第一芯模36上端面的距离为超声探头震动幅度的1/2为止。此时，超声探头22下端面、第一芯模36上端面、测粘芯模37上端面和芯模盖板31凹槽内表面围成成型腔体和粘度测试腔体。

从图2、图4和图5可以看出，本发明中的加热单元4包括塑化加热电阻41和模具加热棒42，塑化加热电阻41套装在储物料筒34外，用于塑化储物料筒34中塑化腔35内的聚合物310；模具加热棒42插装在芯模盖板31内，用来加热测试模具的型腔，提供不同微注射成型工艺下测试模具所需的初始温度。

从图1和图3可以看出，本发明中的动力加载单元5包括注射单元和开合模单元，注射单元包括注射杆51、注射压力传感器52和伺服电缸53，伺服电缸53竖直向上的安装在电缸座板15上，注射压力传感器52安装在伺服电缸53的输出轴上，注射杆51安装在注射压力传感器52上并由伺服电缸53驱动上移伸入塑化腔35内对聚合物310提供挤压力，进而完成聚合物熔体注射动作；开合模单元包括丝杆54、螺母55、传动机构56和减速电机，减速电机由减速器57和伺服电机58通过联轴器连接而成，减速器57通过电机安装座可拆卸的安装在底板12上，丝杆54通过螺母55可转动的竖直安装在电缸座板15下方的底板12上，丝杆54顶部与电缸座板15底部可转动的上下对接，减速器57的输出轴通过传动机构56与丝杆54相连，丝杆54由减速电机驱动旋转带动活动架在固定架上沿超声探头33轴向上下移动，活动架上移带动芯模盖板31套装在超声探头22底部外至超声探头22下端面与第一芯模36上端面的距离为超声探头震动幅度的1/2，使得超声探头22与芯模盖板31、第一芯模36上端面、测粘芯模37上端合围形成成型腔体和粘度测试腔体，进而控制开、合模具动作。

从图1和图3可以看出，在本发明的底板12上还安装有控制器6，控制器6与超声发生器、减速电机、伺服电缸53、注射压力传感器52、压力传感器38、塑化加热电阻41和模具加热棒42的驱动装置电连接，用于控制超声波频率及振幅、成型腔体和粘度测试腔体的开或合、注射压力及速度、成型腔体和粘度测试腔体的加热温度、塑化加热电阻41的开关，记录型腔压力变化，计算聚合物熔体粘度，显示并储存结算结果。

如图6所示，本发明这种超声能场作用下微注射成型聚合物流变在线检测方法，包括如下步骤：

S1、正式进行粘度测试之前，首先在控制器6中选定超声塑化测粘模式、超声塑化边成型边测粘模式、超声辅助测粘模式或超声辅助边成型边测粘模式中的一种进行粘度测试，其中超声塑化测粘模式和超声塑化边成型边测粘模式用来测试超声塑化微注射成型工艺下聚合物粘度，超声辅助测粘模式和超声辅助边成型边测粘模式用来测试超声辅助微注射成型工艺下聚合物粘度；

接下来根据聚合物粘度测试模式，合理选择并安装芯模，当选定超声塑化测粘模式或超声辅助测粘模式中的一种，即进行边成型边测粘度的模式时，安装带有空置流道的第一芯模36以及测粘芯模37；当选定超声塑化边成型边测粘模式或超声辅助边成型边测粘模式中的一种，即只进行测试粘度模式时，安装测粘芯模37已注塑的第一芯模36以及即可；

S2、已知型腔厚度以及型腔温度均会影响聚合物流动粘度，于是根据微注射成型工艺条件选择厚度合适的型腔厚度调节垫片32，在0.1mm-1mm的范围内调整粘度测试腔体的厚度以及测试模具的温度；

S3、在储物料筒34内放入棒状的聚合物310后控制器6通过伺服电机58活动架上移完成合模动作；

S4、根据选定后的测试模式设置测试工艺

当选定超声塑化测粘模式或超声塑化边成型边测粘模式中的一种时，采用的是功率超声塑化，需设定超声频率及超声振幅、注射杆51的移动速度即注射速度；

当选定超声辅助测粘模式或超声辅助边成型边测粘模式中的一种时，采用的是外部热源塑化，需设定储物料筒34的塑化温度、超声频率及超声振幅、注射杆51的移动速度即注射速度；

S5、聚合物粘度测试正式开始后，当测试模式为超声塑化模式时，超声发生器在控制器6的作用下启动电源，按照设定的超声频率以及震动幅度输出超声波；接下来，伺服电缸53在控制器6的作用下启动电源，按照设定的注射速度推动注射杆51，进而推动聚合物310与超声探头22接触、塑化并达到熔融状态，然后被注射到成型型腔和测粘型腔内；最后压力传感器38记录型腔内压力变化情况并输送到控制器6；

当测试模式为超声辅助模式时，储物料筒34外的塑化加热电阻41在控制器6的作用下将聚合物310加热到熔融温度；与此同时，模具加热棒42用来加热模具型腔，模拟不同微注射成型工艺模具温度；然后，伺服电缸53在控制器6的作用下启动电源，按照设定的注射速度推动注射杆51，进而将熔融状态下的聚合物310注射到成型型腔和测粘型腔内；接下来，超声发生器在控制器6的作用下启动电源，按照设定的超声频率以及震动幅度输出超声波，模拟超声辅助微注射成型工艺；最后压力传感器38记录型腔内压力变化情况并输送到控制器6；

S6、控制器6计算当前超声能场作用条件下聚合物熔体粘度，具体步骤如下：

S61、推导出矩形流道模型对应的粘度测试理论公式，其中剪切应力τ与剪切速率

均是矩形流道壁面处聚合物熔体所受到的剪切应力与剪切速率，也称真实剪切应力τ_real与真实剪切速率

其比值为聚合物熔体在矩形截面流道内流动时的表观粘度η_app：

依粘度计算公式，需要测定熔体在流动过程中的充模压力降ΔP、熔体在矩形流道中流动时的体积流量Q、以及间接获取聚合物材料的非牛顿指数n；

S62、获取充模压力降ΔP：

矩形流道比较宽，可直接在流道壁上设置压力传感器来测量熔体在矩形流道中流动时两个压力传感器38对应两测点之间的充模压力降ΔP，如图7所示；压力传感器所测得的压力降为熔体流经两个压力传感器对应测点的真实充模压力降Δpreal，用于粘度计算的流道长度为两个压力传感器测点间的距离ΔL；

S63、获取体积流量Q：

在线粘度测试过程中熔体在模内的体积流动速率通过设定伺服电缸53)的注射速度确定，计算方法为：

熔体充模时的熔体体积流率可由注射时伺服电缸(53)柱塞的移动速来确定，也即：

式中，Rs——伺服电缸柱塞的半径；Vs——伺服电缸柱塞的移动速度；

S64、获得非牛顿指数n：

根据熔体在矩形狭缝截面流道内的速度分布函数推导出聚合物熔体在其中流动时所受到的真实剪切应力τ_real与真实剪切速率

可知，剪切应力计算公式所含待定参数均是流道尺寸参数与流场参数，并未涉及到流体的本征特性参数；也即剪切应力的计算公式适用于一切流体；而剪切速率计算表达式却和聚合物材料的非牛顿指数相关，因此需要考虑采用其他方法获取这一参数；假设聚合物熔体为牛顿流体，也即n＝1；此时，聚合物熔体在矩形狭缝流道壁面处的剪切速率表达式为：

这里定义一个新的物理量M：

新变量M为牛顿流体在矩形截面流道壁面处的剪切速率；但对于非牛顿流体，M并不是其真实的剪切速率但具有剪切速率的量纲；下面将讨论M与真实的剪切速率

的关系；非牛顿流体在矩形截面流道中做稳定层流时，其流量Q为：

式(4)进行分部积分后经恒等变换代入式(3)中可得：

对式(5)进行积分上限求导可得：

则由式(6)可得到矩形截面流道真实剪切速率与表观剪切速率的关系：

测定不同Q时的ΔP，就可以得到不同τw时的M，将lnτw对lnM作图，某点对应的曲线切线斜率就是非牛顿指数n的值；

S65、将步骤S62中的充模压力降ΔP、步骤S63中的体积流量Q和步骤S64中的非牛顿指数n代入式(1)中，计算出当前超声能场作用条件下聚合物熔体粘度；

S7、测粘结束后，控制器6通过对比注射压力传感器信号与设定注射压力值，按照设定模式以及工艺参数分别完成保压、冷却阶段；完成注射、测试动作后，控制器6先通过伺服电机38控制活动架完成回退，然后通过伺服电缸53控制注射杆51进给完成测试件顶出动作，测试完成。

本发明包括超声塑化工艺和超声辅助工艺。在超声塑化工艺条件下，本发明具备两种粘度检测模式：一方面可通过调整超声塑化微注射成型工艺，实现微注塑零件成型的同时在线测得该条件聚合物熔体充模时的粘度；另一方面通过模拟超声塑化微注射成型工艺，只进行聚合物熔体粘度检测。在超声辅助工艺条件下，本发明也同样提供两种粘度检测模式：一方面可通过调整超声辅助微注射成型工艺，实现微注塑零件成型的同时在线测得该条件聚合物熔体充模时的粘度；另一方面通过模拟超声辅助微注射成型工艺，只进行聚合物熔体粘度检测。

Claims (10)

1.一种超声能场作用下微注射成型聚合物流变在线检测装置，其特征在于：包括机架(1)，在该机架上由上至下的设有超声振动单元(2)、测试模具(3)、加热单元(4)和动力加载单元(5)，

所述机架包括固定架和活动架，所述活动架可上下移动的安装在固定架上；

所述超声振动单元包括由上至下依次连接的超声发生器、超声振子(21)和超声探头(22)，所述超声振子安装在活动架上方的固定架上，所述超声发生器用于产生超声能场，所述超声探头用于向测试模具内的聚合物提供超声能场；

所述测试模具包括由上至下依次布置在活动架上的芯模盖板(31)、型腔厚度调节垫片(32)、芯模基板(33)和储物料筒(34)，在芯模盖板、型腔厚度调节垫片、芯模基板和储物料筒上设有上下贯通布置的塑化腔(35)，在塑化腔一侧的芯模盖板内卡装有第一芯模(36)，在塑化腔另一侧的芯模基板内卡装有测粘芯模(37)，在测粘芯模内至少设有两个压力传感器(38)，所述测粘芯模的上端***芯模盖板中且测粘芯模上端面不高于第一芯模上端面布置，在第一芯模与测粘芯模的上端面上均设有与塑化腔相垂直连通布置的流道，第一芯模上的流道为已注射或待注射中的一种；

所述加热单元包括塑化加热电阻(41)和模具加热棒(42)，所述塑化加热电阻套装在储物料筒外，用于塑化储物料筒中塑化腔内的聚合物；所述模具加热棒插装在芯模盖板内，用来加热测试模具的型腔，提供所需的初始温度；

所述动力加载单元包括注射单元和开合模单元，所述注射单元安装在储物料筒下方的活动架上并可向上运动伸入塑化腔对其内的聚合物提供挤压力；所述开合模单元安装在活动架下方的固定架上并与活动架底部对接，所述开合模单元可带动活动架在固定架上向超声探头方向移动，至超声探头底部***芯模盖板中与芯模盖板、第一芯模上端面、测粘芯模上端合围形成成型腔体和粘度测试腔体。

2.根据权利要求1所述的超声能场作用下微注射成型聚合物流变在线检测装置，其特征在于：所述固定架包括顶板(11)、底板(12)及若干竖直连接于顶板与底板间的导柱(13)，所述超声振子安装在顶板上；所述活动架包括动模固定板(14)、电缸座板(15)及若干竖直连接于动模固定板和电缸座板间的锁紧螺杆，动模固定板和电缸座板滑动套装在顶板与底板间的导柱上，芯模盖板、型腔厚度调节垫片、芯模基板和储物料筒由上至下的布置在动模固定板上，开合模单元安装在底板上，注射单元安装在电缸座板上。

3.根据权利要求2所述的超声能场作用下微注射成型聚合物流变在线检测装置，其特征在于：在顶板上设有用于固定超声振子的振子固定套(16)。

4.根据权利要求1所述的超声能场作用下微注射成型聚合物流变在线检测装置，其特征在于：所述注射单元包括注射杆(51)、注射压力传感器(52)和伺服电缸(53)，所述伺服电缸竖直向上的安装在储物料筒下方的活动架上，注射压力传感器安装在伺服电缸的输出轴上，注射杆安装在注射压力传感器上并由伺服电缸驱动上移伸入塑化腔内对聚合物提供挤压力。

5.根据权利要求1所述的超声能场作用下微注射成型聚合物流变在线检测装置，其特征在于：所述开合模单元包括丝杆(54)、螺母(55)、传动机构(56)和减速电机，所述减速电机安装在固定架上，所述丝杆通过螺母可转动的竖直安装在活动架下方的固定架上，丝杆顶部与活动架底部上下对接，减速电机的输出轴通过传动机构与丝杆相连，丝杆由减速电机驱动旋转带动活动架在固定架上上下移动，活动架上移带动芯模盖板套装在超声探头底部外，使得超声探头与芯模盖板、第一芯模上端面、测粘芯模上端合围形成成型腔体和粘度测试腔体。

6.根据权利要求5所述的超声能场作用下微注射成型聚合物流变在线检测装置，其特征在于：所述减速电机由减速器(57)和伺服电机(58)通过联轴器连接而成，所述减速器通过电机安装座可拆卸的安装在底板上。

7.根据权利要求1所述的超声能场作用下微注射成型聚合物流变在线检测装置，其特征在于：所述芯模盖板、型腔厚度调节垫片和芯模基板通过螺纹紧固件与机架可拆卸的固定连接。

8.根据权利要求1所述的超声能场作用下微注射成型聚合物流变在线检测装置，其特征在于：在机架上还安装有控制器(6)，所述超声发生器、减速电机、伺服电缸、注射压力传感器、压力传感器、塑化加热电阻和模具加热棒的驱动装置均由控制器电连接控制。

9.根据权利要求1至8任一所述的超声能场作用下微注射成型聚合物流变在线检测装置，其特征在于：所述流道为矩形流道。

10.一种基于权利要求4所述超声能场作用下微注射成型聚合物流变在线检测装置的在线检测方法，其特征在于包括如下步骤：

S1、选定超声塑化测粘模式、超声塑化边成型边测粘模式、超声辅助测粘模式或超声辅助边成型边测粘模式中的一种进行粘度测试，其中超声塑化测粘模式和超声塑化边成型边测粘模式用来测试超声塑化微注射成型工艺下聚合物粘度，超声辅助测粘模式和超声辅助边成型边测粘模式用来测试超声辅助微注射成型工艺下聚合物粘度，并根据选定后的测试模式调整测试模具；

当选定超声塑化测粘模式或超声辅助测粘模式中的一种时，第一芯模选用已注射的芯模；当选定超声塑化边成型边测粘模式或超声辅助边成型边测粘模式中的一种时，第一芯模选用待注射的芯模；

S2、已知型腔厚度以及型腔温度均会影响聚合物流动粘度，于是根据微注射成型工艺条件选择厚度合适的型腔厚度调节垫片，在0.1mm-1mm的范围内调整粘度测试腔体的厚度以及测试模具的温度；

S3、在储物料筒内放入棒状的聚合物后合上测试模具，准备测试；

S4、根据选定后的测试模式设置测试工艺

当选定超声塑化测粘模式或超声塑化边成型边测粘模式中的一种时，采用的是功率超声塑化，需设定超声频率及超声振幅、注射杆的移动速度即注射速度；当选定超声辅助测粘模式或超声辅助边成型边测粘模式中的一种时，采用的是外部热源塑化，需设定储物料筒的塑化温度、超声频率及超声振幅、注射杆(51)的移动速度即注射速度；

S5、聚合物粘度测试正式开始后，按设定完成注塑行为，矩形流道内压力传感器(38)测量并记录压力变化情况最后传输给控制器；

S6、计算当前超声能场作用条件下聚合物熔体粘度，具体步骤如下：

S61、推导出矩形流道模型对应的粘度测试理论公式，其中剪切应力τ与剪切速率

均是矩形流道壁面处聚合物熔体所受到的剪切应力与剪切速率，也称真实剪切应力τ_real与真实剪切速率

其比值为聚合物熔体在矩形截面流道内流动时的表观粘度η_app：

依粘度计算公式，需要测定熔体在流动过程中的充模压力降ΔP、熔体在矩形流道中流动时的体积流量Q、以及间接获取聚合物材料的非牛顿指数n；

S62、获取充模压力降ΔP：

测量熔体在矩形流道中流动时两个压力传感器(38)对应两测点之间的充模压力降ΔP，压力传感器所测得的压力降为熔体流经两个压力传感器对应测点的真实充模压力降Δpreal，用于粘度计算的流道长度为两个压力传感器测点间的距离ΔL；

S63、获取体积流量Q：

在线粘度测试过程中熔体在模内的体积流动速率通过设定伺服电缸(53)的注射速度确定，计算方法为：

熔体充模时的熔体体积流率可由注射时伺服电缸(53)柱塞的移动速来确定，也即：

式中，Rs——伺服电缸柱塞的半径；Vs——伺服电缸柱塞的移动速度；

S64、获得非牛顿指数n：

根据熔体在矩形狭缝截面流道内的速度分布函数推导出聚合物熔体在其中流动时所受到的真实剪切应力τ_real与真实剪切速率

可知，剪切应力计算公式所含待定参数均是流道尺寸参数与流场参数，并未涉及到流体的本征特性参数；也即剪切应力的计算公式适用于一切流体；而剪切速率计算表达式却和聚合物材料的非牛顿指数相关，因此需要考虑采用其他方法获取这一参数；假设聚合物熔体为牛顿流体，也即n＝1；此时，聚合物熔体在矩形狭缝流道壁面处的剪切速率表达式为：

这里定义一个新的物理量M：

新变量M为牛顿流体在矩形截面流道壁面处的剪切速率；但对于非牛顿流体，M并不是其真实的剪切速率但具有剪切速率的量纲；下面将讨论M与真实的剪切速率

的关系；非牛顿流体在矩形截面流道中做稳定层流时，其流量Q为：

式(4)进行分部积分后经恒等变换代入式(3)中可得：

对式(5)进行积分上限求导可得：

则由式(6)可得到矩形截面流道真实剪切速率与表观剪切速率的关系：

测定不同Q时的ΔP，就可以得到不同τw时的M，将lnτw对lnM作图，某点对应的曲线切线斜率就是非牛顿指数n的值；

S65、将步骤S62中的充模压力降ΔP、步骤S63中的体积流量Q和步骤S64中的非牛顿指数n代入式(1)中，计算出当前超声能场作用条件下聚合物熔体粘度；

S7、测粘结束后，完成保压、冷却、开模、顶出的工艺，等待下次测粘。

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