基于超聲的注塑成形在線監測技術

趙鴻敬，朱江

基于超聲的注塑成形在線監測技術

趙鴻敬1，朱江2

（1.航天材料及工藝研究所，北京 100076；2.四川航天烽火伺服控制技術有限公司，成都 611130）

在傳感器與熔體不接觸的條件下獲取注射成形過程中熔體流動固化收縮等準確信息。基于超聲傳感技術，建立適用于塑料注塑成形過程的超聲監測系統，通過超聲探頭采集型腔中某點的超聲反射信號強度，結合壓力傳感器數據與有限元仿真結果對超聲信號特征峰值進行分析，并在不同注塑壓力、速度、冷卻時間等工藝條件下進行多組實驗。超聲信號特征峰值能夠精確感知注射成形過程中熔體流動前沿到達、型腔充填完成、V/P轉換、冷卻收縮等型腔內實時信息。與壓力傳感器等技術手段相比，通過超聲技術可在與熔體不接觸的條件下獲取型腔內熔體演變的更多信息。

超聲技術；聚合物；注射成形；在線監測

塑料注射成形是一種重要的成形方法[1-2]，其中高分子材料的注塑成形過程受非線性和時變等多參數的影響。在實際加工過程中，在線跟蹤監測塑料熔體的演變規律具有十分重要的意義。有些學者采用熱電偶[3]和壓力傳感器[4]等傳統手段實現了注射成形過程的在線監測，也有學者嘗試了其他在線監測技術如可視化技術[5-6]、熒光技術[7]、紅外技術[8-9]和介電技術[10-12]等，但大部分監測技術僅適用于特殊的成形體系，不具備在工業中應用的能力。

超聲波是超聲振動在彈性介質中傳播的機械波，在高分子領域具有廣泛的應用前景[13-18]。超聲監測作為無損監測的一個重要分支，在注射成形過程中得到了廣泛應用[19-26]，相比傳統的熱電偶和壓力傳感器等手段，超聲監測技術具有穿透力強、監測靈敏度高、對人體無害以及能迅速準確獲得并分析數據的優點。超聲波能在異質界面發生反射與透射行為，在不接觸熔體的情況下實現對注塑過程和工藝參數的監測，可為注射成形的加工控制和過程最優化提供指導。文中以聚丙烯（PP）為研究對象，結合壓力傳感器監測結果、Moldflow的雙層面和實體模型分析結果，研究了高聚物注塑充模和冷卻固化過程中的超聲行為，利用所得信息分析熔體流動前沿、壓力轉換、冷卻固化、固液線形成和脫模等過程，獲得了最優工藝條件，拓展了超聲技術的應用領域。

1 超聲監測理論

超聲傳感器監測技術一般分為2類：脈沖反射法和穿透法。文中采用脈沖反射法，將超聲探頭安裝于定模側面型腔的外壁面。當超聲波入射到2種聲阻抗不同（分別為1、2）的介質界面上時，聲波發生反射與透射，反射系數和透射系數的計算見式（1）—（2）。

=1?(2)

超聲在線監測原理如圖1所示，探頭和模具型腔之間用介質鋼隔離。超聲探頭發射的聲壓為0的聲波一部分在第1個鋼/塑料界面處發生反射（聲壓記作1），一部分發生透射經過塑料介質，在第2個鋼/塑料界面處發生反射并透過第1個鋼/塑料界面（聲壓記作2）。

如果不考慮聲波在鋼中的衰減情況，則聲壓為0的聲波在第1次透過模具/型腔界面時的聲壓應為0，而與1、2有關，由于文中采用半自動操作，可假定模具溫度基本恒定，可視1為常數，但在冷卻過程中，熔體狀態時刻發生變化，所以2處于動態變化過程。聲阻抗=材料密度×聲速，當增大壓強時，熔體會被進一步壓實，使密度升高，壓強的增大也會增大聚合物的模量，從而提高聲速。綜合二者變化，熔體聲阻抗2增加，反射系數降低，1峰值降低，此時可推得熔體壓力增大。同理，當熔體壓力波動不大時，溫度對聲阻抗也有同樣影響。因此，在線觀察1峰高的變化情況可推知型腔中熔體狀態的變化情況。

當模具型腔中無塑料熔體或者高聚物固化收縮脫離模具時，鋼/塑料界面變成鋼/空氣界面，由于鋼的聲阻抗（46×105g/cm2）比空氣的聲阻抗（0.004× 105g/cm2）大幾個數量級，產生1 μm的空隙即可使聲波在界面處全部發生反射，因此2信號不會出現，而此時1信號峰值會恢復至初始值。在存在氣隙的情況下，超聲波在模腔的傳播行為如圖2所示。

圖1 超聲在線監測原理

圖2 存在氣隙情況下超聲波在模腔內的傳播行為

圖3為PP在注塑過程中不同階段的聲信號。從1峰的變化情況可推知聚合物充模、冷卻固化、收縮脫模等信息。在充模之前，型腔中無聚合物，聲波在前模具/模腔界面發生全反射，1峰維持在最大值（見圖3a）；注射后，聚合物熔體填充模具型腔，入射聲波的一部分透射入聚合物介質，此時反射聲波能量降低，可觀察到1峰值發生明顯降低（見圖3c）；隨著冷卻的進行，聚合物性質發生變化，進而引起反射的超聲波能量變化，1峰的峰高發生變化（見圖3e）；當推桿將制品頂出型腔后，模具/制品界面變成模具/空氣界面，超聲波在此界面發生全反射，1峰值返回到初始值（見圖3g）。

以上實驗中超聲波增益值為38 dB，故不能明顯觀察到2峰，在相同的工藝參數條件下，將超聲波增益值設置為50 dB，在相同時間點可明顯觀察到2峰的變化。在充模之前觀察不到2峰（見圖3b）；注射后，可觀察到透射入聚合物介質被后模具/型腔界面反射的聲波，即2峰（見圖3d）；在圖3e相同的時間點，2峰的峰高也相應發生了變化（見圖3f）；當推桿將制品頂出型腔后，2峰消失（見圖3h）。

圖3 注塑過程中不同階段的聲信號

超聲在前模具/模腔界面反射的信號峰1能反映出聲波在聚合物中的傳播和衰減情況，從而反映出聚合物冷卻固化的動態過程。取每個周期中1峰的最大值，即可得到其相對加工時間的變化關系。

2 超聲監測實驗平臺

超聲監測平臺由計算機、超聲硬件系統和數據采集軟件組成，其結構框圖如圖4所示。

超聲系統硬件由安裝在計算機主機箱中的超聲卡、采集卡以及超聲探頭組成，超聲探頭、超聲卡和采集卡在機箱中的實體圖如圖5所示。超聲卡是上海思雀柯信息科技有限公司生產的UT–2001系列數字式超聲卡。超聲探頭為上海市創辰檢測設備有限公司提供的具有收發功能的5P6型縱波探頭。

超聲采集程序包括2個部分：超聲卡的驅動程序和超聲采集應用程序。通過超聲卡驅動程序可訪問超聲卡上的I/O端口和共享內存，控制超聲監測的工作參數和工作過程。

在實驗過程中，每隔50 ms發射一次超聲波，超聲采集程序實時顯示每周期的波形，對超聲傳感器采集到的數據進行實時存儲后，即可利用超聲采集程序的分析數據功能對采集到的脈沖數據進行分析，采集數據分析程序界面如圖6所示。

圖4 超聲監測平臺的結構框圖

圖5 超聲探頭及超聲卡、采集卡實體圖

圖6 采集數據分析程序界面

3 實驗測試

3.1 實驗模具與產品

實驗用注塑機為寧波海太塑料機械有限公司生產的HTL90–C型注射機。實驗模具型腔尺寸為160 mm×100 mm×30 mm，平均壁厚為2.6 mm，采用直接澆口的方式，圖7a為模具定模部分，圖7b為動模部分。

實驗采用武漢超宇監控技術有限公司生產的CYPT–101高溫壓力變送器，定模側壓力傳感器位于模具型腔的頂部側壁，動模側壓力傳感器位于澆口附近，均與熔體直接接觸。使用JDAS數據采集處理系統采集壓力監測數據。

圖7 制品及模具實體圖

圖8為盒子制品實體圖，其中黑點位置為熔體壓力測試點（壓力傳感器位置）。

圖8 盒子制品實體圖

3.2 材料及工藝參數

實驗材料為中國石化有限公司生產的PP粒料（WH–T36F），其主要參數如表1所示。

表1 WH–T36F材料的物性參數

Tab.1 Physical properties of WH-T36F material

實驗工藝參數如表2所示。在研究保壓壓力對實驗結果的影響時，保證其他實驗參數相同，保壓壓力分別采用9、18、27、36 MPa。

表2 實驗工藝參數

Tab.2 Experimental process parameters

4 結果與分析

文中注塑機采用半自動操作，利用超聲傳感器和壓力傳感器同步采集數據。圖9為1峰幅值與成形時間的關系曲線。1峰幅值隨時間的變化劃分為5個區間：a區間在0～6.5 s之間，6.5 s前，由于熔體還未流至模具型腔中探頭所對的位置（即監測區域），此時監測區域的模具內為空腔，聲波在外模具/型腔界面上發生全反射，故1峰值維持在最大值；b區間在6.5～ 8 s之間，熔體流經探頭所對的型腔位置并快速填滿型腔，表明充模過程完成，此階段為注射充模階段；c區間在8～15 s之間，由于型腔內熔體的壓力和溫度在此時間段發生了變化，型腔內熔體的聲阻抗2顯著變化，1峰也出現相應波動；d區間在15～24.8 s之間，由于制件冷卻至一定溫度以下，聲阻抗趨于常量，此階段反射系數和透射系數可視為不變，1峰值基本維持恒定值；e區間在24.8 s以后，此時模具執行開模動作，推桿將制件頂出型腔，形成空腔，聲波在前模具/模腔界面上再次發生全反射，1峰回到初始值。

圖9 U1峰幅值與成形時間的關系曲線

4.1 注射過程監測結果

文中使用Moldflow軟件對制件雙面模型和實體模型進行充模和冷卻過程分析，制件體積為68.3 cm3，保證雙面模型和實體模型的參數設置一致。實際模具溫度為30 ℃，熔體溫度為229 ℃。使用的材料物性參數和推薦成形工藝參數盡量與實際使用物料的一致，具體參數如表3所示。在模擬中通過螺桿位置和注射時間共同控制V/P轉換點（與實際加工的設置相同），冷卻時間采用自動控制。雙面模型充填分析結果如圖10a所示，實體模型充填分析結果如圖10b所示。

表3 PP材料的物性參數和推薦成形工藝參數

Tab.3 Physical parameters of PP material and recommended forming process parameters

圖10 Moldflow充填分析結果

由雙面模型分析結果可知，熔體充滿整個型腔所需時間為1.326 s，熔體由澆口到達探頭所對的型腔位置（以下稱為“位置”）所需時間為0.51 s，故當熔體到達型腔側壁中心時，仍需約0.8 s才能充滿整個型腔。

現將圖9中b區間進行放大，進一步細化為3個區間（分別記為b1區間、b2區間、b3區間），如圖11所示。在b1區間內，6.55 s時聲波出現明顯下降，表明熔體到達位置，6.9 s時曲線出現轉折，表明位置充填結束；在b2區間內，6.9～7.7 s之間幅值變化平緩，說明在此時間段內熔體壓力和溫度均未出現較大波動，由Moldflow的分析結果可知，熔體到達位置后仍需經過約0.8 s才能充滿整個型腔，此階段仍處于熔體填充型腔階段，而位置的熔體壓力較小，溫度下降不明顯，聲阻抗維持在恒定值，1峰幅值不變；在b3區間內，7.7 s時峰值小幅下降，充填初期熔體溫度變化不大，此時模腔內熔體壓力發生變化，文中所用注塑機由螺桿位置和填充時間共同控制V/P轉換點，而此時充填只進行了1.3 s，未達到2.8 s的設定時間，注塑機上操作面板顯示仍在注塑階段，由此推得螺桿未到達指定位置，不能實現V/P轉換，故7.7 s時螺桿會試圖繼續保持60%的速度前進，但此時型腔已基本充滿，導致型腔中的熔體壓力急劇升高，此時熔體壓力等同于注射壓力36 MPa，故1峰幅值有一個小幅度下降。

圖11 充填階段U1峰幅值變化情況

4.2 保壓過程監測結果

壓力傳感器的監測結果如圖12所示，橫坐標表示加工時間，與超聲傳感器同步，按照曲線趨勢可以得到4個轉折點，分別為8、10、13、15 s。下面將結合超聲傳感器監測結果分析保壓過程中熔體狀態的變化情況。

圖12 壓力傳感器監測曲線

將圖9中保壓冷卻區間（區間e）進行放大，分為5個區間（分別記為e1區間、e2區間、e3區間、e4區間、e5區間），如圖13所示。

1）在e1區間內，8 s時1峰幅值迅速回升，由4.1節可知，此種情況是由熔體壓力變化所導致的，由注射時間和注射坐標尺可推得此時為V/P轉換點，注塑機由注射壓力36 MPa切換成較低的保壓壓力27 MPa，熔體壓力突然降低，故幅值有所上升。

圖13 保壓冷卻階段U1峰幅值變化

2）在e2區間內，8.2 s之后進入保壓階段，曲線緩慢下降，由于結晶聚合物的晶態與非晶玻璃態的彈性模量接近，而非晶橡膠態的彈性模量很小，如表4所示，因而當晶態區處于橡膠態時，聚合物的彈性模量將隨著結晶度的增加而升高。從Moldflow對三維實體模型溫度分析結果可知，當注塑加工過程進行到3 s時，熔體溫度已經到達155 ℃，如圖14所示。由以上分析可知，低溫模具使制件表面熔體迅速冷卻發生結晶，隨著結晶度的增加，聚合物的彈性模量急劇升高，聲阻抗增加，1峰幅值開始出現緩慢下降的情況。

表4 聚合物在不同狀態下的彈性模量數量級

Tab.4 Modulus of elasticity values of polymers in different states

圖14 Moldflow分析三維實體模型中位置A溫度變化結果

3）在e3區間內，10 s時幅值出現小幅度上升，此時壓力傳感器監測到的壓力值出現下降的情況。由Moldflow雙層面模型分析結果可知，在注塑進行了4 s后，側壁壓力急劇下降，如圖15所示，這一結果和實際壓力監測結果相同，而根據Moldflow在相同工藝條件下對實體模型的分析結果也可預測到，此時側壁外表面凍結層的厚度大約為0.38 mm，內表面凍結層的厚度為0.32 mm，如圖16所示。保證其他參數不變，不同保壓壓力情況下的1峰值曲線如圖17所示，由圖17可觀察到，保壓壓力越大，此區間上升趨勢越明顯（圖17中虛線區域）。

圖15 Moldflow分析制件某點壓力隨時間的變化曲線

圖16 Moldflow分析制件某點凍結層厚度

圖17 在不同保壓壓力情況下的U1峰值曲線

當保壓壓力繼續增大時，熔體和型腔壁接觸更緊密，溫度低的模具和溫度高的熔體之間熱傳導效果也更好，熔體的冷卻效果更佳，使制品表面形成了一定厚度的凍結層，處于流動末端位置的壓力值也更低，補料越困難，制件和型腔壁逐漸出現微小間隙，這會影響聲波在界面上的透射，故此階段峰值開始回升，且保壓壓力越大，回升越明顯。

4）在e4區間內，13 s之后1峰幅值下降，由壓力曲線的急速下降可推得此時保壓過程結束、螺桿已開始后退。若忽略其他因素的影響，壓力降低應引起回波振幅的增加，這與實際結果相悖，此時溫度是1峰幅值的主要影響因素。隨著冷卻的進行，制件溫度降至熔點以下，材料聲阻抗顯著增加，此時和增加壓強的影響效果相同，故1峰幅值出現下降。

5）在e5區間內，15 s時壓力傳感器監測到的壓力趨于0，說明一定厚度的凍結層熔體已冷卻至玻璃化轉變溫度g以下，制件慢慢脫離型腔，1峰幅值出現回升并趨于穩定。

4.3 與壓力傳感器的對比

壓力傳感器作為一種傳統的監測方法，已經得到了廣泛應用，但文中的超聲傳感器與之相比體現了更多的優勢：（1）流動前沿監測，當熔體到達探頭在型腔中對應位置時，由于填充過程中的型腔壓力較低，熔體流動前沿壓力接近大氣壓力，無法被壓力傳感器有效監測，但通過反射聲波1峰幅值的第1次下降，超聲傳感器可以靈敏地監測到熔體流動前沿；（2）充模參數優化，在注塑過程中如果提前保壓，型腔壓力不能平緩過渡，不利于成形工藝的控制，對成形制品的質量也存在不利影響，但壓力傳感器很難監測出壓力突變，而超聲傳感器可通過監測峰值曲線充填階段的二次下降及快速回升監測到該點，故可利用此特征優化實驗參數；（3）型腔內熔體狀態監測，壓力傳感器僅能監測到所接觸的熔體表面壓力，無法監測到熔體狀態，而超聲傳感器可反映出熔體冷卻固化等信息。

5 結語

基于安裝于模具外的超聲傳感器，對注塑成形過程中型腔內聚合物熔體狀態進行了實時監測，結合壓力傳感器監測數據及Moldflow模擬結果，證明了超聲信號能準確預測注塑工藝過程中熔體物理狀態的變化情況：信號峰值的急速下降反映了熔體流動前沿到達及充填結束；超聲信號峰值的急速上升可以有效預測V/P轉換點、制件冷卻脫離型腔過程及制件的頂出脫模過程；通過超聲信號值的緩慢變化可監測熔體的保壓冷卻過程。可見，超聲技術實現了注塑成形中熔體流動前沿、V/P轉換及冷卻固化等過程的精確監測，可在與熔體不接觸的條件下實現更多熔體微觀狀態演變信息的在線監測。

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On-line Monitoring of Injection Molding Based on Ultrasonic Techniques

ZHAO Hong-jing1, ZHU Jiang2

(1. Aerospace Research Institute of Materials & Processing Technology, Beijing 100076, China; 2. Sichuan Aerospace Fenghuo Servo Control Technology Co., Ltd., Chengdu 611130, China)

The work aims to obtain accurate information such as melt flow, solidification and shrinkage in the injection molding under the condition that the sensor is not in contact with the melt. Based on the ultrasonic sensing technology, an ultrasonic monitoring system suitable for injection molding was established. The ultrasonic probe was used to collect the intensity of ultrasonic reflected signal at a certain point in the cavity, and the characteristic peak value of ultrasonic signal was analyzed by combining the pressure sensor data with finite element simulation. Several groups of experiments were carried out under different injection pressure, speed and cooling time. The characteristic peak value of ultrasonic signal could accurately sense the real-time information of melt flow front arrival, cavity filling completion, V/P conversion, cooling shrinkage, etc. in the injection molding. Compared with the pressure sensor and other technical means, the ultrasonic technique can obtain more information about the melt evolution in the cavity without contact with the melt.

ultrasonic; polymer; injection molding; on-line monitoring

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.08.013

TB553

A

1674-6457(2022)08-0084-09

2022–04–09

趙鴻敬（1975—），男，高級工程師，主要研究方向為特種工程塑料、膠黏劑、橡膠密封及阻尼減振材料等。

責任編輯：蔣紅晨