CN116507465A - 用于基于颜色反馈的母料馈送控制的***和方法 - Google Patents

用于基于颜色反馈的母料馈送控制的***和方法 Download PDF

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Abstract

提供了用于通过调整与原材料混合并馈送到用于生产所制造零件的加工机器中的母料的浓度来在所制造零件的生产中控制色母料馈送速率以使所制造零件的颜色与目标颜色相匹配的***和方法。色母料馈送速率的控制基于联机制造的零件的光谱特性、具有目标颜色的已知参考零件以及用于计算和调整色母料馈送速率的算法。

Description

用于基于颜色反馈的母料馈送控制的***和方法
技术领域
本发明涉及用于将添加剂材料分配到工业材料加工机器中的***和方法。特别地，本发明公开了一种基于对要添加色母料的所制造零件的光谱特性进行联机测量以及基于联机测量对色母料馈送进行控制来优化颜色添加剂材料(色母料)馈送的***和方法。
背景技术
塑料目前是制造看似无限数量产品的首选材料。这些产品通过多种工业工艺生产，例如注塑成型、吹塑成型、挤出成型和3D打印。这些机器从材料流中生产所制造零件，这些材料流一般是聚合物(在行业中通常被称为树脂、原材料或原始材料)的混合物，以小珠、着色剂和其它添加剂(例如，紫外线抑制剂)的形式存在。混合材料流中的着色剂和其它添加剂通常作为母料、粉末或浓缩液提供。母料是颜料和/或添加剂的浓缩混合物，通过加热颜料和/或添加剂以将其封装在载体树脂中，然后冷却并将载体树脂切割成体积颗粒剂来在生产过程之前预先产生。
在塑料产品的制造中感兴趣的目标特性当中，目标颜色的准确可靠生产尤其具有挑战性。按照惯例，形成塑料产品的颜色是通过将含有浓缩颜料混合物的母料(色母料)加入到用于形成该塑料产品的原材料中而形成的，最终所制造零件的确切色泽取决于馈送到原材料中的色母料的成分和量。在塑料零件的整个生产过程中，要求对***进行持续的准确控制，以可靠且始终如一地获得目标颜色。
馈送到原材料中的色母料的量与最终产品的结果颜色之间的相关性是多个参数的函数，并且通过对色母料的释放的调整来准确高效地控制最终颜色是一项艰巨的任务。在当前的技术水平下，用于控制色母料的释放以在最终塑料产品中实现目标颜色的***要求复杂的设置，并针对每个独特的设置进行特定的精确校准。例如，常规***一般要求关于以下方面的细节：所制造零件的预期几何形状和表面特性；用于形成所制造零件的原材料类型；以及用于为所制造零件着色的特定颜料，以及每种颜料的浓度。
目前生产具有目标颜色的塑料零件的方法包括使用预定的颜色配方(颜料的类型及其相对浓度)或配色软件来评估要添加到原材料中的每种颜料的浓度，并控制单独颜料的馈送速率参数。另一种方法是试错法，其中预先执行测试运行以生产具有不同颜料浓度的试验样本，测量各种测试运行样本的所得色泽，然后使用测得的数据确定经验设定点以及用于控制后续生产运行的反馈控制参数。
迄今为止使用的方法在实际应用中受到限制。特定的颜料配方并不总是可用或以其它方式向生产工厂披露。试错法一般是不期望的，因为它们是劳动密集型的并且必然导致材料和时间的浪费，当生产工厂在几个不同的生产零件和/或常见生产零件的颜色变化之间快速改变时，这会进一步复杂化。
除了在确定色母料的适当颜料参数方面的前述缺点之外，在将色母料准确地递送到用于生产塑料零件的原材料中出现了进一步的复杂性。常规的塑料加工***使用体积式和/或重量式馈送器来准确分配目标量的母料以与原材料混合，一个或多个这样的馈送器通常安装在***入口的喉部。这两种馈送器类型都有缺点。
体积式馈送器通过将预定义体积的母料释放到混合机中来操作。这些馈送器提供了简单化的优点，因为它们可以与馈送螺杆一起使用以基于螺杆的旋转速度容易地校准母料的分配体积。但是，体积式馈送器为简单起见牺牲了准确性，因为单独依赖体积测量会容易导致在相继的循环中释放的母料实际重量出现大的差异，例如，当母料的单独循环在密度、颗粒尺寸或其它重量更改参数方面彼此不同时。
重力式馈送器一般通过基于母料的测得的重量释放母料来操作。这通常是通过在母料馈送螺杆上添加称重机构和控制***，并周期性地测量所释放的母料的确切重量来完成的。然后，控制***可以使用测得的重量与预定设定点之间的差异来确定误差信号，用于控制母料以设定点定义的确切量(通常以原材料的质量/时间单位或百分比表示)释放。与体积式馈送器相比，重力式馈送器一般可以提供更高的准确性，从而提高了材料效率并节省了母料。重力式馈送器的示例在US5,103,401(Johnson)、US6,688,493B2(Margalit)和US6,966,456B2(Margalit)中公开，每个专利的全部内容和公开内容都并入本文。
体积式和重力式馈送器都存在缺点，因为两种馈送器类型都基于经验设定点(例如，预定的体积或重量)释放母料，这会容易导致下游混合物具有基于预定设定点未充分考虑的母料或基础树脂的一个或多个其它特性的方差的偏离目标的特性。
虽然本领域迄今取得了进步，但仍需要改进塑料生产***以进一步推进本领域现有技术的发展，并改进塑料产品的制造以使其具有准确且可靠一致的目标颜色。
发明内容
一种用于在所制造零件的生产过程中控制色母料馈送速率的方法，包括以下步骤：
a)基于不含任何颜色添加剂的所制造零件的原材料确定所制造零件的光谱特性；
b)确定应用于所制造零件的目标颜色的光谱特性；
c)基于所制造零件的光谱特性与目标颜色的光谱特性的关系确定至少一个颜料控制参数；
d)以当前颜料馈送速率执行所制造零件的生产以从包括原材料和色母料的混合物材料生产所制造零件，其中色母料以第一母料馈送速率馈送以与原材料混合；以及
e)评估由混合材料生产的所制造零件的光谱特性以确定由混合材料生产的所制造零件的颜色是否与目标颜色匹配，其中
如果确定由混合材料生产的所制造零件的颜色与目标颜色匹配，那么用以第一颜料馈送速率馈送的色母料继续执行所制造零件的后续生产运行；以及
如果由混合材料生产的所制造零件的颜色与目标颜色不匹配，那么基于至少一个颜料控制参数调整颜料馈送速率，并且重复步骤(d)和步骤(e)直到确定所制造零件的颜色与目标颜色匹配。
在步骤(a)中确定所制造零件的光谱特性包括确定所制造零件的亮度和色度特性，这可以包括从没有任何颜色添加剂的原材料生产所制造零件并用光谱仪测量所制造零件的光谱特性，或根据存储在混合***的控制器的存储器中的预先记录的表格数据估计所制造零件的光谱特性。
在步骤(b)中确定目标颜色的光谱特性包括确定目标颜色的亮度和色度特性，这可以包括用光谱仪测量具有目标颜色的参考零件的光谱特性，或根据存储在混合***的控制器的存储器中的预先记录的表格数据估计目标颜色的光谱特性。
在步骤(c)中选择一个或多个颜料控制参数基于所制造零件与目标颜色的亮度和色度特性的比较。所制造零件与目标颜色的亮度特性的比较包括将所制造零件的亮度值设置为阈值亮度，以及确定目标颜色的亮度值是大于还是小于阈值亮度。所制造零件与目标颜色的色度特性的比较包括将目标颜色的色度值设置为阈值色度并确定所制造零件的色度值是大于还是小于阈值色度。
当目标颜色的亮度小于阈值亮度时，选择亮度L作为与颜料浓度负相关的颜料控制参数。当目标颜色的亮度大于阈值亮度时，然后基于所制造零件与目标颜色的色度特性的比较来选择颜料控制参数。
当所制造零件的色度大于色度阈值时，将色度C设置为与颜料浓度正相关的颜料控制参数。当所制造零件的色度小于色度阈值时，将亮度L设置为与颜料浓度正相关的颜料控制参数。
为了对所有颜色启用馈送速率控制参数的单个集合，需要对作为正或负C或L误差(参考零件与被测零件之间的值差异)的控制参数进行归一化。在步骤(c)中选择颜料控制参数之后，颜料控制参数通过至少一个拟合曲线值被归一化，以使得C的恒定改变导致控制参数的相似改变。当执行以大于目标颜色的目标颜料浓度的颜料浓度开始的生产运行时，设置预定义的偏移量参数以偏移所选择的颜料控制参数以考虑较高颜料浓度下的颜色饱和度，其中当在步骤(e)中确定由混合材料生产的所制造零件的颜色与目标颜色不匹配时，预先确定的偏移量参数造成色母料馈送速率的降低。颜料控制参数进一步受到预定限制值的限制，以消除来自反馈控制回路的不稳定性。
前面的一般描述和下面的详细描述都只是示例性和解释性的并且旨在提供对要求保护的本发明的进一步解释。包括附图以提供对本发明的进一步理解；附图并入本说明书并构成其一部分；附图说明本发明的实施例；并且附图与本描述一起用于解释本发明的原理。
附图说明
可以从结合以下描述的附图提供的以下详细描述中确定本发明的进一步特征和优点：
图1示意性地示出了根据本发明的用于注塑机的组合比色和重力式添加剂馈送器***；
图2a示出了对于示例性原材料和颜料类型，用于颜料浓度的增加量的La*b*颜色坐标的彩色3-D图；
图2b示出了对于示例性原材料和颜料类型，用于颜料浓度的增加量的La*b*颜色坐标的a*和b*值的颜色图；
图2c示出了对于示例性原材料和颜料类型，用于颜料浓度的增加量的La*b*颜色坐标的色度(C)和亮度(L)值的颜色图；
图3a示出了用于增加的颜料浓度的La*b*颜色坐标的亮度(L)和色度(C)值；
图3b示出了随颜料浓度变化的亮度(L)和色度(C)值；
图4a-4b示出了用于三种不同颜料的亮度(L)和色度(C)值相对于与基础树脂的混合物中颜料的分数的关系；
图5a-5b示出了由未添加颜料的基础树脂制成的三个不同零件的亮度(L)和色度(C)值相对于混合物中颜料的分数的关系；
图6示出了由许多不同颜料及其混合物产生的各种颜色随着颜料增加而产生的色度改变；
图7a-7b示出了由许多不同颜料及其混合物产生的各种颜色随着颜料添加的色度(C)和亮度(L)值的改变相对于参考颜色色度值的关系；
图8a-8b示出了由许多不同的颜料及其混合物产生的各种颜色随着颜料添加的色度(C)和亮度(L)值的改变根据它们与阈值色度C0和阈值亮度L0的关系被划分为几组。
图9a-9d示出了来自图8的数据的投影视图，具有针对根据它们与阈值色度C0和阈值亮度L0值的关系被划分的每个颜色组识别出的最优颜料控制参数；
图10a-10b示出了当从低于目标颜料浓度的颜料浓度开始时，控制过程和相关颜色参数随颜料控制参数的改变；
图11a-11b示出了当从高于目标颜料浓度的颜料浓度开始时，控制过程以及相关颜色参数随颜料控制参数的改变；以及
图12示出了一种用于控制母料馈送速率的方法。
具体实施方式
下面的公开内容将参考附图中所示的示例来讨论本发明，但不将本发明限于这些示例。
本文提供的任何和所有示例或示例性语言(例如，“诸如”)的使用仅旨在更好地阐明本发明并且不对本发明的范围构成限制，除非另有声明。说明书中的任何语言都不应当被解释为指示任何未要求保护的元素对于本发明的实践是必要的或关键的，除非在上下文中明确说明。
如本文所使用的，单数形式“一个”、“一种”和“该”包括复数对象，除非上下文另有明确规定。除非上下文另有指示，否则术语“或”应理解为包含性“或”。诸如“第一”、“第二”、“第三”等术语在用于描述多个设备或元件时仅用于传达分开的设备的相关动作、定位和/或功能，并且不需要此类设备或元素的特定次序，或此类设备或元素的任何特定数量或排名。
如本文关于任何特性或情形所使用的，词语“基本上”是指足够小以至于不会明显减损识别出的特性或情形的偏差程度。在给定情形下可允许的确切偏差程度将取决于具体上下文，如本领域普通技术人员所理解的那样。
术语“大约”或“近似”的使用旨在描述高于和/或低于所陈述的值或范围的值，如本领域普通技术人员在相应上下文中所理解的那样。在一些情况下，这可以涵盖在近似+/-10％的范围内的值；在其它情况下，可以涵盖在近似+/-5％的范围内的值；在还有其它情况下，可以涵盖在近似+/-2％的范围内的值；并且在还有另外的示例中，这可以涵盖在近似+/-1％的范围内的值。
将理解的是，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元素、组件和/或其组，除非本文有指示或以其它方式与上下文明显矛盾。
除非另有指示，否则本文对值范围的记载用作单独指代落在所陈述的范围内的每个单独值的简写，包括范围的端点、范围内的每个分开的值以及由总体范围包容的所有中间范围，每个都并入本说明书，就好像在本文中单独记载一样。
除非另有指示，或与上下文明显矛盾，否则本文描述的方法可以通过以任何合适的次序执行各个步骤来执行，包括：所公开的精确次序，没有任何中间步骤或在所公开的步骤之间***的一个或多个进一步的步骤；所公开的步骤以与所公开的确切次序不同的次序执行；同时执行一个或多个步骤；以及省略一个或多个所公开的步骤。
本文中的术语“母料”是指包含颜色添加剂材料(诸如一种或多种颜料)的添加剂材料馈送流。以下公开可互换地使用术语“母料”和“颜色母料”的变体，但应该理解的是，本文提及的所有母料将包括颜色添加剂，但也可以包括附加的非颜色添加剂。
在本文中，术语“馈送机构”及其变体是指用于馈送材料流(例如，母料流、原材料流、混合材料流等)的量的机构，并且可以包括但不限于：螺杆；螺旋钻；皮带输送机；振动台等。
在本文中，术语“加工机器”及其变体是指用于从材料流中生产所制造零件的任何机器，并且可以包括但不限于：注塑机、吹塑机、挤出机，以及3–D打印机。
本发明包括用于通过产品生产线中色母料的受控馈送来控制所制造零件的着色的***和方法。一般而言，本发明的***和方法基于以下来操作：所制造零件的光谱特性的联机测量；所制造零件的测得的光谱特性与参考零件的光谱特性的比较；从比较结果确定控制参数(例如，颜料控制参数)；以及基于确定的控制参数控制一个或多个馈送机构。
本文所公开的***和方法包括结合用于对所制造零件和参考零件执行免校准差分测量的光谱仪的***和方法，从而启用所制造零件的颜料控制而不要求预先基于控制参数调整***。WO2015/118535(Regelman等人)公开了此类光谱仪及其在母料馈送控制中操作光谱仪的方法；其全部公开和内容都通过引用并入本文。
图1示意性地示出了根据本发明的重力式添加剂混合***100。***100被示为结合用于生产所制造零件40的加工机器30。在***100中，控制器10被用于控制馈送机构14，馈送机构14用于将母料递送到喉部22中，以用于与从原材料料斗21分配的原材料流混合以产生用于生产所制造零件40的混合材料流。在与原材料流混合之前，将母料从母料容器11中抽出到母料料斗12中，在料斗中用失重天平13对母料进行称重。将母料分配到原材料流中与馈送机构23(例如，馈送螺杆)的操作同步，该馈送机构23将混合材料流递送到加工机器30，加工机器30然后使用混合材料生产所制造零件40。
***100可以被用于控制母料以大块体积流或小量离散体积流的形式递送到原材料流中，这可以包括母料的个体颗粒一个接一个地在基本上单行中分配。当分配母料的离散体积流时，由于各个母料颗粒的重量最小，因此在大多数情况下对在单个循环中通过馈送机构馈送的离散部分称重是不切实际的。离散部分的称重由于干扰(诸如来自***100本身的操作的振动，以及来自其它附近***的操作的振动和周围环境中的噪声)而进一步复杂化。***100通过在失重天平13和计算机10之间使用闭环反馈操作来补偿这种干扰，以通过失重操作来控制由馈送机构14分配的离散部分的重量。这是通过用失重天平13对母料料斗12中的多个分配的离散部分进行称重、将测得的重量除以所分配的离散部分的数量并控制馈送机构14的马达在给定的时间间隔内分配具有预定重量的一定量的母料来完成的。
根据本发明的***可以通过使用Kubelka-Munk(K-M)辐射传送模型预测所制造零件的颜色，该颜色将由添加给定浓度的色母料产生。根据K-M模型，所制造零件的光谱特性(诸如反射R(λ)和透射T(λ))取决于颜料和用于生产所制造零件的原材料两者的吸收k(λ)和散射s(λ)，以及所制造零件的厚度。
假设用于生产所制造零件的材料是具有相应吸收和散射系数k(λ)和s(λ)的多种颜料与具有相应吸收和散射系数k0(λ)和s0(λ)的原材料的混合物，那么混合材料的所得加性吸收K(λ)和散射S(λ)可以表达为：
[1]K(λ)＝c1k1(λ)+c2k2(λ)+...+cnkn(λ)+c0k0(λ)；以及
[2]S(λ)＝c1s1(λ)+c2s2(λ)+...cnsn(λ)+c0k0(λ)，
其中c1、c2、…、cn是各种添加剂材料的浓度，并且c0是基础原材料的浓度。
根据K-M模型，无限厚材料的光谱的反射(R∞)和透射(T∞)被表达为:
[3]以及
[4]T∞＝0
有限厚度的材料的反射(R0)和透射(T0)被表达为：
[5]以及
[6]其中z是材料的光学厚度，基于物理厚度D，被表达为：
[7]
反射(R0)和透射(T0)特性可以根据众所周知的颜色坐标转换过程变换成颜色坐标(例如，xyY、Lab、Luv、HSV、sRGB、XYZ等)，诸如通过引用并入本文的WO2015/118535(Regelman等人)中公开的那些。
图2a-2c示出了可以用在生产塑料制造的零件的材料混合物的La*b*模型结果的示例-在本例中，聚丙烯基础树脂与等量分数的颜料黄14和TiO2混合。在这些模型中，各个数据点由圆点“○”表示，这些圆点基于以下因素映射：亮度(L)，介于黑色(0)和白色(100)之间；绿色-红色标尺(a*)，测量绿色(-)和红色(+)之间的颜色通道；蓝色-黄色标尺(b*)，测量蓝色(-)和黄色(+)之间的颜色通道；色度(C)，表达颜料沉着(pigmentation)的鲜艳度；以及总体颜料浓度(c)。这些图中每个相继的圆点表示0.01％的颜料差异。
图2a示出了La*b*颜色坐标的三维颜色图。与其中发生饱和并且随着颜料浓度的每次相继改变观察到色泽的变化相对较小的较高颜料浓度(例如，)相比，在低颜料浓度(例如，/>)下，对于颜料浓度(c)的每次相继改变，观察到所制造零件的色泽的相对大的改变。图2b示出了与图2a中La*b*颜色坐标对应的色标a*和b*的颜色图；并且图2c示出了与图2a中La*b*颜色坐标对应的亮度(L)和色度(C)值的颜色图。如图2b-2c中所示，颜色参数随颜料浓度(c)呈非线性且非单调变化，如果不使用每种色泽(color shade)、基础树脂和颜料浓度特定的因子归一化控制参数，那么将它们直接用作用于控制颜料馈送速率的颜料控制参数是不切实际的。
图3a示出了图2中所示示例中用于增加的颜料浓度c(％)的La*b*颜色坐标的亮度(L)和色度(C)值；并且图3b对于图3a中的数据示出了对应的亮度和色度斜率值(一阶导数)，作为每单位颜料浓度c(％)改变的亮度(L)和色度(C)的改变。在这个示例中，亮度(L)和色度(C)都对颜料浓度c(％)的改变有相似的响应，两者都显示出与颜料浓度的改变的正相关性，因为亮度和色度都随着颜料浓度的增加而增加(图3a)；当以较低的颜料浓度添加附加的颜料时，两者都显示出相对大的改变，而当以较高的颜料浓度添加附加的颜料时，两者都显示出相对小的改变(图3b)。
在诸如图3a-3b中所示的情况下，可以通过使用或者亮度(L)或者色度(C)作为具有正相关性的颜料控制参数来控制用于影响所制造零件的生产中颜料浓度的色母料的馈送速率，这意味着母料馈送速率的增加将增加亮度和色度，而母料馈送速率的降低将降低亮度和色度。但是，如以下示例中所讨论的，在一些情况下，亮度或色度中的任一个可以比另一个在控制所制造零件的颜料方面更有效，并且相关性符号将取决于特定的色泽。
在第一种情况下，关于具有相对饱和浓度(厚度为几毫米的零件中c>1％)的鲜艳色泽(例如，橙色)，混合物的色度值可以相对低并且相继添加“亮”颜料会大大增加色度值。在此类情况下，色度可以被用作颜料控制参数，用于正相关地控制色母料的分配。但是，在第二种情况下，关于白色颜料，无论颜料浓度如何，色度值都可以保持接近于零，尽管亮度值可以随着颜料的相继添加而大大增加。在此类情况下，亮度可以被用作颜料控制参数，用于正相关地分配色母料。
在另一个示例中，存在关于在由基本不含颜料的亮度值为(L＝30)的纯树脂原材料生产的相对不透明零件中添加深绿色颜料的情况。在这种示例中，相继添加深绿色颜料可以产生对色度值的适度改变，但是在超过特定颜料浓度时相关性有可能改变。例如，起初，相继添加颜料会导致色度增加；但是，在达到一定的颜料浓度之后，进一步添加颜料可能会导致色度降低。情况也可能是随着越来越多的深绿色颜料相继添加，所制造零件会变得更暗并且亮度会持续快速下降。在这种情况下，亮度可以被用作用于控制色母料分配的颜料控制参数，尽管具有负相关性，这意味着亮度将随着颜料浓度的增加而降低并且亮度将随着颜料浓度的降低而增加。
图4a-4b示出了三个示例的数据，其中三种不同的颜料被添加到基础树脂中，并观察亮度(L)和色度(C)与颜料浓度(c)的改变的依赖关系。在这些图中，线401与颜料黄14(50％)+TiO2(50％)的第一混合物对应；线402与颜料黄17的第二混合物对应；线403与颜料绿7对应。再次，在较低颜料浓度下添加颜料一般会观察到亮度(L)和色度(C)的相对大的改变，而在较高颜料浓度下添加颜料产生相对较小的改变。
对于混合物401，观察到亮度(L)和色度(C)相对于颜料浓度的改变的正相关性(图4a-4b)，随着颜料浓度的增加，亮度和色度都增加。因此，对于混合物401，或者亮度或者色度可以用作用于控制母料馈送的正颜料控制参数(例如，具有正相关性的控制参数)。对于混合物403，观察到亮度(L)与颜料浓度之间基本呈中性的相关性，当颜料浓度增加时亮度基本上没有改变(图4a)；虽然在色度(C)和颜料浓度之间看到大部分为正的相关性，色度随着颜料浓度的增加而增加(图4b)。因此，对于混合物402，色度作为用于控制母料馈送的正颜料控制参数可能是优选的。对于混合物403，观察到亮度(L)和颜料浓度之间的负相关性，亮度随着颜料浓度的增加而降低(图4a)；并且看到色度和颜料浓度之间存在可变的相关性(图4b)，色度首先随着颜料浓度的增加而增加，但随后随着颜料浓度的增加而降低。因此，对于混合物403，亮度作为用于控制母料馈送的负颜料控制参数(例如，具有负相关性的控制参数)可能是优选的。
图5a-5b示出了亮度(图5a)和色度(图5b)与深绿色颜料浓度的改变(对数标尺)的依赖关系的附加测试数据。在这个示例中，三种情况501、502、503彼此不同，因为在没有添加颜料的情况下，在每种情况下生产的所制造零件具有不同的亮度(L)。尽管不受理论的束缚，据信原材料类型或等级的改变，以及所制造零件的几何形状或表面粗糙度的改变，可以解释不同情况之间的亮度差异。不过，从这些情况501、502、503中可以清楚地看出，亮度(L)和色度(C)行为是不同的，并且在一些情况下是非单调的。这表明亮度(L)和色度(C)的改变不仅取决于通过色母料添加的颜料，而且还取决于所制造零件的基础颜色，如由不含任何颜色添加剂的原材料而产生的颜色。
为了更好地理解亮度和色度的行为，测试了多种颜料以评估亮度(L)和色度(C)的改变，这些改变是由于向基础树脂中相继添加颜料以增加整体颜料浓度所产生的。下面的表I列出了为这个测试选择的颜料。
测试是通过混合表I中所选择的颜料的组合进行的，每种混合物都有几种变化，其中颜料1与颜料2的比率变化，基于颜料2的百分比范围从0％(仅颜料1))至100％(仅颜料2)。下面的表II列出了被测试的颜料的组合，其中每一种都在0％至100％的完整比率范围内进行了测试。
在这些测试中，在颜料浓度c(％)近似为c＝1％时评估基于颜料浓度的改变所得到的亮度(L)和色度(C)的改变，分别为dL/dc(％)和dC/dc(％)。图6示出了基于颜料浓度的差异的采用表II中的几种单独的混合物的目标颜色的亮度和色度差异dL/dc(％)，颜料浓度c(％)的变化在标称c＝1％附近。x和y轴是参考零件的亮度(L)和色度(C)，添加了1％的颜料。
如上面所讨论的，在或者亮度或者色度存在显著且单调改变的示例中(例如，与颜料浓度的可观察且一致的正相关性或负相关性)，那么这种光谱特性可以被用作用于控制色母料馈送速率的颜料控制参数，作为或者正或者负的颜料控制参数。但是，在或者亮度或者色度中存在微不足道和/或非单调改变的示例中(例如，与颜料浓度的相关性难以辨认、中性或可变)，显示这种特点的光谱特性将不适合用作用于控制色母料馈送速率的颜料控制参数。当必需用缺乏基于颜料浓度在或者亮度或者色度之间的可接受的相关性(例如，不合适的dL/dc(％)和dC/dc(％)特点)的颜料(或颜料组合)生产所制造零件时，问题就出现了。特别地，当用此类颜料生产零件时，即使不是不可能，也难以以适当的速率控制色母料的馈送，以准确可靠地获得目标颜色。虽然可能，但在大多数情况下，对于每种颜色、原材料和零件表面类型，基于具有不同颜料浓度和/或数值模拟结果的一系列校准零件手动选择控制参数和归一化因子是不切实际的。
图7a-7b示出了与图6中相同的数据，但是相对于参考色度(C)，图7a示出了相对于参考色度(C)的色度改变dC/dc(％)，并且图7b示出了相对于参考色度(C)的亮度改变dL/dc(％)。
如图7a-7b中所看到的，大于近似20(C>～20)的色度值几乎总是具有正色度斜率dC/dc(％)和正亮度斜率dL/dc(％)，无论具体颜料如何；而等于或大于近似二十五(C≥～25)的色度值始终具有正色度斜率dC/dc(％)和正亮度斜率dL/dc(％)。因此，对于具有色度值(C>～20)的颜料，优选地(C>～25)，色度值(C)可以用作颜料控制参数。但是，优选的是颜料控制参数独立于特定颜料，使得颜料控制参数的改变将导致用于任何颜料的控制变量的相似改变。这可以通过经由拟合曲线(诸如用于色度斜率dC/dc(％)的拟合曲线701/702和用于亮度斜率dL/dc(％)的拟合曲线703/704)归一化(划分)控制变量来实现，以便产生适用于各种颜料的控制变量值。
对于色度值小于近似二十(C<～20)的颜料，常常看到色度斜率dC/dc(％)和亮度斜率dL/dc(％)的相对小的改变。因此，当使用色度值(C<～20)的颜料时，重点放在色度斜率dC/dc(％)或亮度斜率dL/dc(％)的改变小的区域。图8a-8b中示出了一个这样的示例，其图示了与图6相同的数据，但分别在dC/dc(％)和dL/dc(％)轴上缩小了比例。这些图中的数据基于它们与阈值色度(C0)和阈值亮度(L0)的关系被划分为四个分开的组。C0和L0值是基于代表性数据凭经验选择的，以便区分正或负dC/dc(％)或dL/dc(％)值适用的区域。
图9a-9d示出了相同数据的2D投影，但是在x和y轴上用色度、色度斜率dC/dc(％)、亮度和亮度斜率dL/dc(％)的不同组合进行映射。这些图还示出通过它们与阈值色度(C0)和阈值亮度(L0)值的关系划分的每个颜料组的最优颜料控制参数，这将在下面进一步讨论。
在图8-9中所示的示例性数据中，由未添加颜料的纯基础树脂制成的所制造零件的亮度(L)近似为三十(L～30)。因此，在这个示例中，亮度阈值被设置为(L0＝30)，并且基于前述观察将色度阈值设置为标称值(C0＝20)。再次，根据经验选择C0值以区分正或负dC/dc(％)值适用的区域。
由此，光谱数据可以被划分为四类，并为每一类识别优选的颜料控制参数，如下表III中所示。
优选的颜料控制参数可以在基于相对于预定亮度阈值(L0)和色度阈值(C0)的亮度(L)和色度(C)值的每个场景中识别，如以下三个指南所解释的。
[1]当生产色度大于色度阈值(C>C0)且亮度大于亮度阈值(L>L0)的所制造零件时，存在始终为正的大的色度斜率dC/dc(％)。在此类情况下，色度斜率dC/dc(％)可以被用作颜料控制参数，在归一化之后具有正相关性。
[2]当生产色度小于色度阈值(C<C0)且亮度大于亮度阈值(L>L0)的所制造零件时，存在几乎总是正的大的亮度斜率dL/dc(％)。在此类情况下，对于满足这些色度/亮度条件的大多数实际使用的颜料，亮度斜率dL/dc(％)可以被用作颜料控制参数，在归一化之后具有正相关性。
[3]当生产亮度低于亮度阈值(L<L0)的所制造零件时，存在始终为负的大的亮度斜率dL/dc(％)。在这种情况下，对于满足这种亮度条件的大多数实际使用的颜料，亮度斜率dL/dc(％)可以被用作颜料控制参数，在归一化之后具有负相关性，与色度值(C)无关。
虽然不受理论的束缚，但在极少数情况下必需偏离表III中阐述的规则，诸如当用基础材料和导致与基础树脂色泽相似的颜色的颜料的组合生产所制造零件时，例如，当生产暗灰色的所制造零件时可能会出现这种情况。
图10a-10b示出了用目标颜料浓度为0.38％的黄色颜料生产所制造零件的控制过程的示例，该过程以0.13％的起始颜料浓度开始。图10a示出了颜料浓度相对于注射(机器循环)数除以馈送机构体积的关系，这造成对***操作的改变与所制造零件的颜色之间的延迟。图10b示出了dE 1002(基于CIEDE2000标准的色差，如从WO 2015/118535所知)、亮度斜率(dL)1004、色度斜率(dC)1005和控制信号1003的改变。控制信号1003由dL/dc(％)或dC/dc(％)计算，具体取决于颜料和基础树脂亮度和色度条件，如归一化的。控制信号1003被限制到预定值(在图10b中所示的示例性情况下为5)，以避免来自反馈回路的不稳定性。在给定示例中选择的限制值将取决于用于特定过程的工厂参数，诸如由螺杆体积引起的时延、到馈送机的距离和递送管体积等。
图11示出了用目标颜料浓度为0.38％的黄色颜料生产所制造零件的控制过程的另一个示例，该过程从0.63％的起始颜料浓度开始。图11a示出了颜料浓度相对于注射(机器循环)数除以混合机构体积的关系，这造成对***操作的改变与所制造零件的颜色之间的延迟。图11b示出了dE 1002、亮度斜率(dL)1004、色度斜率(dC)1005和控制信号1003的改变。
在某些情况下，从高颜料浓度开始会造成诸如图3a中所示的颜色饱和度，亮度斜率dL/dc(％)和色度斜率dC/dc(％)值非常低，诸如图3b中所示。在此类情况下，颜料浓度实际上可能远高于产生目标颜色所需的最低浓度，因此可以降低馈送速率以实现与目标颜色一致的最低颜料浓度(例如，基于预设的参考颜料)。这可以通过以下操作来完成：将颜料浓度重复减少预定量，直到dL/dc(％)或dC/dc(％)的反馈产生到最小颜料浓度的增加以实现目标颜色而无需对色母料馈送的改变。
在要重复降低过高的颜料浓度以达到最小颜料浓度的情况下，可以在每次降低时将小的负偏移量值dc0添加到控制信号1003，使得***将连续降低颜料浓度直到亮度斜率dL/dc(％)或色度斜率dC/dc(％)将其向上推至最小颜料浓度，偏移量用于补偿色泽偏差以确保颜料浓度保持在可接受的公差范围内。图11a图示了针对这种情况的正确控制过程。
图12图示了根据本发明生产所制造零件的示例性方法。在开始生产运行之前，首先识别要在生产运行中生产的所制造零件，并且还识别具有目标颜色和目标颜料浓度的参考零件，以在将目标颜色应用于生产运行中生产的所制造零件时用作参考。
在步骤S1中，将在不向将用作用于生产所制造零件的原材料的基础树脂引入任何颜色添加剂的情况下确定预生产所制造零件的光谱特性。光谱特性的确定可以通过在没有任何颜色添加剂的情况下生产的所制造零件的预生产样本的实际测量来进行，例如，通过***100的操作；或者通过基于预先建立的信息的估计，例如，根据来自用于生产所制造零件的先前生产运行或来自生产所制造零件的试运行的预先记录的数据。可替代地，可以从模拟软件获得光谱特性。
在步骤S2中，确定用于应用到所制造零件的目标颜色的光谱特性。光谱特性的确定可以通过参考零件的实际测量来进行，例如通过***100的操作；或通过基于预先建立的信息的估计，例如，根据表格数据中关于所选择的颜色的特性的预先记录的数据。再次，可替代地，可以从模拟软件获得光谱特性。
在步骤S3中，比较预生产所制造零件与参考零件的光谱特性。特别地，预生产所制造零件的亮度值将被设置为亮度阈值L0，并且参考零件的亮度值将被评估为或者大于或者小于亮度阈值L0。此外，基于要使用的特定颜料的物理学设置色度阈值C0，但优选地将阈值C0设置为近似C0＝20。
在步骤S4中，然后将基于预生产所制造零件与参考零件的光谱特性的比较来选择颜料控制参数。颜料控制参数将从色度斜率dC/dc(％)和亮度斜率dL/dc(％)之一中选择，与目标颜料浓度呈正相关或负相关。这种选择将根据上表III中的矩阵进行。
在步骤S5中，所选择的颜料控制参数通过从拟合已知的(计算的或测得的)dL/dc(％)和dC/dc(％)相对于颜色参数(例如，色度或亮度)的关系所获得的预定值N来归一化。在归一化之后，N*dL/dc(％)或N*dC/dc(％)对于所有颜色将基本恒定。
在步骤S6中，如果生产运行将被发起以开始以大于目标颜料浓度的颜料浓度分配色母料，那么设置预定义的偏移量参数以偏移所选择的颜料控制参数。偏移量参数应当被设置为将触发色母料馈送速率的连续降低的值，直到***100确定已经达到成功将颜色施加到所制造零件的色母料馈送速率时。
在步骤S7中，向用于控制色母料的馈送的控制信号设置预定限值，其中将预定限值设置为降低控制回路不稳定性的可能性并优选地消除控制回路不稳定性的值，预定限值的具体值是基于用于特定过程的一个或多个工厂参数来选择的。
在步骤S8中，执行生产运行以用包括作为原材料的基础树脂和基于所选择的颜料控制参数以第一颜料浓度分配的一定量的色母料的混合物生产所制造零件。
在步骤S9中，评估来自最近生产运行的所制造零件的光谱特性以确定该制造零件的颜料浓度匹配目标颜料浓度。
在步骤S10中，如果最近的所制造零件的颜料浓度与目标颜料浓度相匹配，那么用最近生产运行中使用的相同控制继续后续生产运行，包括相同的色母料馈送速率。如果最近的所制造零件的颜料浓度与目标颜料浓度不匹配，那么基于颜料控制参数调整色母料馈送速率，以经调整的色母料馈送速率执行下一次生产运行，并执行控制回路以重复步骤S8-S10。
虽然参考特定实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将理解前述公开仅针对示例性实施例；本发明的范围不限于所公开的实施例；并且本发明的范围可以涵盖附加实施例，这些附加实施例包含相对于本文公开的示例的各种变化和修改，而不背离所附权利要求及其等同物中定义的本发明的范围。
例如，虽然上述公开内容参考相对于色母料进行颜料控制的示例讨论了本发明，但应该理解的是，本发明也适用于通过其它方法(诸如粉末或液体)引入颜料的情况下的颜料控制。还应该理解的是，本发明也适用于控制其它非颜料添加剂，通过将此类添加剂的浓度与其光谱特性相关联以类似方式控制其它此类添加剂的馈送速率。
就理解或完成本发明的公开所必需的程度而言，本文提及的所有出版物、专利和专利申请均通过引用明确并入本文，其程度如同各自单独并入一样。未向本文并入的任何专利授予任何明示或暗示的许可。
本发明不限于本文所示的示例性实施例，而是以所附权利要求为特征，其决不限制本公开的范围。

Claims (17)

1.一种用于在所制造零件的生产中控制色母料馈送速率的方法，包括：
a)基于不含任何颜色添加剂的所制造零件的原材料确定所制造零件的光谱特性；
b)确定应用于所制造零件的目标颜色的光谱特性；
c)基于所制造零件的光谱特性与目标颜色的光谱特性的关系确定至少一个颜料控制参数；
d)以当前颜料馈送速率执行所制造零件的生产以从包括原材料和色母料的混合物材料生产所制造零件，其中色母料以第一母料馈送速率馈送以与原材料混合；以及
e)评估由混合材料生产的所制造零件的光谱特性以确定由混合材料生产的所制造零件的颜色是否与目标颜色匹配，其中
如果确定由混合材料生产的所制造零件的颜色与目标颜色匹配，那么用以第一颜料馈送速率馈送的色母料继续执行所制造零件的后续生产运行；以及
如果由混合材料生产的所制造零件的颜色与目标颜色不匹配，那么基于所述至少一个颜料控制参数调整颜料馈送速率，并且重复步骤(d)和步骤(e)直到确定所制造零件的颜色与目标颜色匹配。
2.根据权利要求1所述的方法，其中：
在步骤(a)中确定所制造零件的光谱特性包括确定所制造零件的亮度和色度特性；以及
在步骤(b)中确定目标颜色的光谱特性包括确定目标颜色的亮度和色度特性。
3.根据权利要求2所述的方法，其中：
在步骤(c)中选择颜料控制参数是基于所制造零件与目标颜色的亮度和色度特性的比较。
4.根据权利要求3所述的方法，其中：
所制造零件与目标颜色的亮度特性的比较包括将所制造零件的亮度值设置为阈值亮度，以及确定目标颜色的亮度值是大于还是小于阈值亮度。
5.根据权利要求4所述的方法，其中：
当目标颜色的亮度小于阈值亮度时，选择每单位颜料分数的亮度改变率dL/dc(％)作为颜料控制参数；以及
当目标颜色的亮度大于阈值亮度时，基于所制造零件与目标颜色的色度特性的比较来选择颜料控制参数。
6.根据权利要求5所述的方法，其中：
基于亮度特性的比较，当选择每单位颜料沉着的亮度的改变率dL/dc(％)作为颜料控制参数时，将颜料控制参数dL/dc(％)设置为与颜料浓度负相关的控制参数。
7.根据权利要求5所述的方法，其中：
基于所制造零件与目标颜色的色度特性的比较来选择颜料控制参数包括：将目标颜色的色度值设置为阈值色度并且确定所制造零件的色度值是大于还是小于阈值色度。
8.根据权利要求7所述的方法，其中：
当所制造零件的色度大于色度阈值时，选择每单位颜料分数的色度改变率dC/dc(％)作为颜料控制参数；以及
当所制造零件的色度小于色度阈值时，选择每单位颜料分数的亮度改变率dL/dc(％)作为颜料控制参数。
9.根据权利要求8所述的方法，其中：
基于色度特性的比较，当选择每单位颜料沉着的色度改变率dC/dc(％)作为颜料控制参数时，将颜料控制参数dC/dc(％)设置为与颜料浓度正相关的控制参数。
10.根据权利要求8所述的方法，其中：
基于色度特性的比较，当选择每单位颜料沉着的亮度改变率dL/dc(％)作为颜料控制参数时，将颜料控制参数dL/dc(％)设置为与颜料浓度正相关的控制参数。
11.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在步骤(c)中选择颜料控制参数之后，通过至少一个拟合曲线值归一化所选择的颜料控制参数。
12.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在步骤(d)之前，设置用于偏移所选择的颜料控制参数的预定义的偏移量参数以考虑较高颜料浓度下的颜色饱和度，其中预先确定偏移量参数以在步骤(e)中确定由混合材料生产的所制造零件的颜色与目标颜色不匹配时引起色母料馈送速率的降低。
13.根据权利要求1所述的方法，还包括：
设置对颜料控制参数的限制以消除来自反馈控制回路的不稳定性。
14.根据权利要求1所述的方法，其中
在步骤(a)中确定所制造零件的光谱特性包括由不含任何颜色添加剂的原材料生产所制造零件并用光谱仪测量所制造零件的光谱特性。
15.根据权利要求1所述的方法，其中
在步骤(a)中确定所制造零件的光谱特性包括根据存储在混合***的控制器的存储器中的预先记录的表格数据估计所制造零件的光谱特性。
16.根据权利要求1所述的方法，其中
在步骤(b)中确定目标颜色的光谱特性包括用光谱仪测量具有目标颜色的参考零件的光谱特性。
17.根据权利要求1所述的方法，其中
在步骤(b)中确定目标颜色的光谱特性包括从存储在混合***的控制器的存储器中的预先记录的表格数据估计目标颜色的光谱特性。
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