模拟塑料部件表面外观中的偏差的方法技术

示出了一种模拟由塑料部件的成型工艺造成的塑料部件表面外观中的偏差的方法，其包括以下步骤：ａ）模拟塑料部件的成型工艺，ｂ）检测超出至少一种限定的临界极限的塑料颗粒的位置和时间，ｃ）计算那些颗粒在塑料部件表面层中的最终位置，ｄ）将那些颗粒在表面层中的位置限定为表面外观中具有偏差的位置。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种根据权利要求1的模拟由塑料部件的成型工艺造 成的塑料部件表面外观中的偏差的方法，和相应的计算机系统、计算 机程序和计算机程序产品。引言在塑料工业中，塑料产品的表面外观是非常重要的课题。塑料产 品质量的主要标准是表面外观。塑料部件的表面质量被表面结构、成 型工艺参数和聚合物材料本身所影响。尽管作出了改善表面外观的大 量努力，但结果并非总是令人满意的。所谓的表面外观的老虎条紋(tiger stripe)现象已经成为科学世界的目标许多年。 定义塑料部件由特定几何设计的聚合物材料构成，并且可以包括热塑 性塑料和/或热固性塑料(包括duroplastics和弹性体聚合物材料)。 塑料部件通过成型工艺制造。成型工艺是一种其中在成型能量的消耗下使聚合物原料成型为特 定塑料部件的工艺。在大多数情形中，聚合物原料具有粒料的形式。 不同的成型工艺是塑料工业中常见的例如注塑，包括特殊类型的注 塑工艺比如气体辅助的注塑、共注塑、背面模塑(backside molding)、 压缩模塑和注塑与压缩模塑的任何组合，聚合物挤出，吹塑和发泡。塑料颗粒或聚合物颗粒被定义为塑料部件的体积部分。塑料部件 的所有塑料颗粒的体积总和与塑料部件的体积一致。在任何详述中，塑料部件的表面被定义为塑料部件的总面(表面)。 由于塑料部件通常薄的事实，因此塑料部件面与塑料部件体积之间的比值十分高。该事实也突出了塑料部件的表面质量的重要性。在塑料工业中，塑料部件的表面外观是非常重要的质量问题。表 面外观一方面由材料物理性能和由聚合物的固有性能以及非常小尺寸 的聚合物形态例如有色颜料、结晶度、组分、分子类型决定。另一方 面，表面外观由塑料部件的表面结构决定，该表面外观是其中注入塑 料熔体的模具的空腔表面的负片。就塑料部件的表面质量而言，空腔 表面的紋理和粗糙度是主要的结构参数。显然，成型工艺参数影响了 塑料部件的表面外观。表面层限定了薄的聚合物材料层，这影响了部件的表面外观。不 同的表面外观效果由不同的物理组成决定，并且因此表面层的厚度可 以伴随着所检验的效果而改变。定义了正好位于塑料部件表面上的体 积颗粒是表面层的一部分，但下面的聚合物颗粒也可以是表面层的一 部分。老虎条紋，，现象是塑料工业中常见的问题并且描绘了一种特定 的表面缺陷。在塑料工业中已知的老虎条紋描绘了表面光泽度的可见 的周期性不均匀。通常，这些是在注塑或挤出的塑料部件表面上交替 的暗淡(或粗糙)和光泽(或光滑)的区域，该表面应该是全部光泽(或光 滑)的。热塑性聚合物可以由聚烯烃例如聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)组成， 但也由聚酰胺(PA)、聚碳酸酯(PC)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚 甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚醚酰亚胺(PEI)以及热塑性聚合物的配混 物和共混物组成。配混物是多种聚合物或者聚合物与每种组分比如滑 石、矿物质、玻璃、橡胶和颜料的共混物。另外，聚合物配混物配有 添加剂包(additivation package)。现有技术成型工艺的模拟是塑料工业中常用的并且基于与有限元和/或有限差方法结合的连续区机理。模拟成型工艺的有限差的基于计算机的 求解算法(软件)可在市场上获得，例如Moldflow Corporation的软件，参见例如EP1218163B1。EP1218163B1的内容在此引入作为本专利申请 的专利技术披露内容。EP1218163B1披露了一种将流体(塑料熔体)注入模具的三维建模 方法。该模型的基础是质量、动量和能量的守恒方程，并且可以 EP1218163B1中的方程(3) - (6)所示出的形式或者以例如 Navier-Stokes方程的形式表示(还参见EP1218163B1的9页，31-32 行)百+ (u . V)u = V- +伫V311,P (If + U.Ve) - ▽ . (wV + pV . u =0.其中p是流体的密度， u是速度， P是压力，①是每单位质量的势能， T是温度，]Ll是剪切粘度系数，s是每单位质量的内能， KH是热导率。由于该模型中包括能量守恒，因此在成型工艺期间可以考虑热效应，并且因此可以考虑例如从液态到固态的相变的热效应。在EP1218163B1中描述了可以将以下传热机理建模对流(来自进入的熔体)、传导(从模具壁上出来)和粘性耗散(其与由于流动的塑料材料内的剪切所产生的热能相关)。还将考虑其它机理，例如压缩加热效应(归 因于由压缩产生的热)和冷却效应形成释压(参见4页，8-11行)。描述液体热塑性材料的流动的上述方程通过离散的数值方法例如有限元方法或任何其它合适的方法求解，参见例如EP1218163B1的8 页，116行。釆用有限元方法，将模具空腔体积分成单个有限元(有 限体积)并且对有限元的节点重复计算场变量(例如压力、温度、速度)和材料性能(例如粘度)，并且然后将其内插入所述有限元体积内。然而，就检测和预测塑料部件的表面缺陷而言，EP1218163B1没 有记载。专利技术目的本专利技术的目的是提供一种通过模拟塑料部件的成型工艺而预测表 面缺陷的出现的方法。给出的专利技术将通过预测塑料部件的表面质量、 通过计算机迭代比如有限元方法求解成型工艺的连续区机理方程而给 予工程师支持。该目的在根据权利要求1的方法中实现。本专利技术的有 利实施方案在权利要求2-12中示出。专利技术概述形成表面缺陷例如老虎条紋的机理是本研究的目的。直至本专利技术 人目前的认知，没有公开能够计算表面缺陷的类似理论。本专利技术的专利技术人发现，如果成型工艺模拟结果显示某些塑料颗粒 经历特定临界能状态并且之后变成表面层的一部分，则表面缺陷(表面 外观中的偏差)的计算位置与在制造的塑料部件上测得的表面缺陷位 置—^。在成型工艺期间，能量穿过塑料颗粒边界(特定塑料颗粒体积的面) 传送给每一塑料颗粒。在某一加工时间下，塑料颗粒的能量状态是穿 过所述颗粒体积边界传送的能量的结果。从本性上，在特定的物理组成中聚合物材料在特定的能量状态上 反应。取决于聚合物以及负栽能量的数量和类型，可能出现塑料颗粒 的许多不同反应。例如，如果特定的塑料颗粒负载有比其自身的热能 更高的热能，则将出现塑料颗粒温度的升高。如果特定的塑料颗粒负 载有剪切应力，则聚合物将通过内在聚合物链变形而对所述负载作出 反应，这因此还将造成特定颗粒通过内摩擦的内在加热。在任何时间 下认为体系(外部负载和内在反应)内能量守恒。例如当考察注塑工艺时，在装填空腔之前熔体(填料)中每一 塑料颗粒的温度为2401C。在该工艺时间下，每一塑料颗粒将具有相同的 能量状态。借助于在装填阶段期间通过螺杆位移而施加机械能，将塑 料颗粒强制流过浇口系统进入模具空腔。由于剪切流动的性质，因此 施加的剪切应力在壁厚上发生变化。因此在壁厚横截面中的不同层上 流动的塑料颗粒(分层剪切流动)暴露在不同的剪切应力和不同的能量 下。伴随着增加的距离空腔表面的距离，冷却效应降低，但归因于剪 切应力的内部加热造成塑料颗粒的温度升高。接近或者与固体冷却的 空腔表面接触的塑料颗粒遭受了温度降低或者甚至固化。专利技术描述成型工艺的冷却性能将聚合物熔体冷却，使得一些塑料颗粒可以 变得固化，而另一些仍然处于液相中。在成型工艺期间，固化的塑料 颗粒会遭本文档来自技高网...

【技术保护点】
模拟由塑料部件的成型工艺造成的塑料部件表面外观中的偏差的方法，其包括以下步骤：　　　　ａ）模拟塑料部件的成型工艺，　　　　ｂ）检测超出至少一种限定的临界极限的塑料颗粒的位置和时间，　　　　ｃ）计算那些颗粒在塑料部件表面层中的最终位置，　　　　ｄ）将那些颗粒在表面层中的位置限定为表面外观中具有偏差的位置。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】EP 2005-6-29 05105826.11.模拟由塑料部件的成型工艺造成的塑料部件表面外观中的偏差的方法，其包括以下步骤a)模拟塑料部件的成型工艺，b)检测超出至少一种限定的临界极限的塑料颗粒的位置和时间，c)计算那些颗粒在塑料部件表面层中的最终位置，d)将那些颗粒在表面层中的位置限定为表面外观中具有偏差的位置。2. 根据权利要求1的方法，特征在于限定的临界极限是一定的 温度。3. 根据权利要求1的方法，特征在于限定的临界极限是一定的 剪切速率。4. 根据权利要求1的方法，特征在于限定的临界极限是一定的加速度或负加速度。5. 根据权利要求l-4的方法，特征在于限定的临界极限是一定范围的值。6. 根据权利要求l-5的方法，特征在于临界极限是至少两种物 理场函数例如温度、剪切速率、加速度、负加速度和/或...

【专利技术属性】
技术研发人员：H赫波斯特，A萨格德，T罗斯梅尔，C乌尔尼施，R沃尔福，
申请(专利权)人：博里利斯技术有限公司，
类型：发明
国别省市：FI[芬兰]