注射成型中聚合物熔体信息的超声在线测量

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2024.04.010

中国塑料 ›› 2024, Vol. 38 ›› Issue (4): 60-66.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2024.04.010

注射成型中聚合物熔体信息的超声在线测量

陈豪¹, 焦晓龙², 朱宁迪², 董正阳¹, 张剑锋¹, 赵朋¹()

^1.浙江大学机械工程学院，杭州 310030
^2.海天塑机集团有限公司，浙江宁波 315821

收稿日期:2023-08-29 出版日期:2024-04-26 发布日期:2024-04-22
通讯作者: 赵朋（1983—），男，博士，教授，研究方向为聚合物高性能成型技术及装备，pengzhao@zju.edu.cn
E-mail:pengzhao@zju.edu.cn
基金资助:
宁波市科技创新2025重大专项(2021H002);浙江省‘尖兵’‘领雁’研发攻关计划项目(2022C01069)

Ultrasonic on⁃line measurement of polymer melt information in injection molding

CHEN Hao¹, JIAO Xiaolong², ZHU Ningdi², DONG Zhengyang¹, ZHANG Jianfeng¹, ZHAO Peng¹()

^1.School of Mechanical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310030，China
^2.Haitian Plastic Machinery Co，Ltd，Ningbo 315821，China

Received:2023-08-29 Online:2024-04-26 Published:2024-04-22
Contact: ZHAO Peng E-mail:pengzhao@zju.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

提出了成型中聚合物熔体温度和密度的超声在线测量方法，并与其他方法对比验证了超声在线测量方法的正确性。设计并制造了底部不封口的流变模具，搭建了超声信号与温度、压力信号采集平台，采集超声信号后进行分析计算，得到聚合物熔体内超声速度变化曲线，结合压力、温度信号，对注射成型中熔体信息进行计算分析。结果表明，超声速度信号可无损定性反映熔体在型腔内的演化过程；借助于压力信号可迭代计算熔体温度演变曲线，与红外光纤温度传感器测量结果相比误差小于6 %，实现了对聚合物熔体温度的有损定量分析；对超声信号在时/频域内分别计算分析，得到声阻抗与声速的变化曲线，进而计算得到熔体密度的演变曲线，与压力⁃体积⁃温度（PVT）方法计算得到的结果十分吻合，均方差仅0.040 3 g/cm³，实现了对聚合物熔体密度的无损定量测量。超声测量技术可实现注射成型中聚合物熔体信息的在线测量，在实际生产过程中具有广阔的应用前景。

关键词: 注射成型, 熔体信息, 温度, 密度, 超声测量

Abstract:

During the injection molding process， the polymer melt undergoes intricate changes in temperature and density， directly impacting the final product quality. An ultrasonic on⁃line measurement method for monitoring the temperature and density of the polymer melt during molding was proposed in this article， and the results validated the accuracy of this method through comparisons with alternative approaches. A non⁃sealed rheological mold with an open bottom was designed and manufactured. An acquisition platform was established for collecting the ultrasonic signals as well as the temperature and pressure signals. Following with the signal collection， analysis and computations were performed to derive the variation curve of ultrasonic velocity within the polymer melt. Through incorporating the pressure and temperature signals， the computational analysis of melt information during injection molding was conducted. The experimental results demonstrated that the ultrasonic velocity signal could qualitatively reflect the melt evolution process within the mold cavity without a damage. Through leveraging the pressure signal， the iterative calculations of melt temperature were performed， showing an error of less than 6 % compared to the results from infrared fiber⁃optic temperature sensors. This resulted in a quantified analysis of polymer melt temperature with a minimal degradation. Through separating the time/frequency domain analyses of the ultrasonic signal， the changes in the acoustic impedance and sound velocity were obtained， enabling the calculation of the evolving density curve of the melt. This curve closely aligned with the results obtained through the pressure⁃volume⁃temperature method， presenting a mere mean squared deviation of 0.040 3 g/cm³. As a result， the non⁃destructive quantitative measurement of polymer melt density was achieved. This ultrasonic measurement technology enables the real⁃time monitoring of polymer melt information in injection molding， exhibiting vast potential applications in the practical production processes.

Key words: injection molding, melt information, temperature, density, ultrasonic measurement

中图分类号:

TQ320.66⁺2

陈豪, 焦晓龙, 朱宁迪, 董正阳, 张剑锋, 赵朋. 注射成型中聚合物熔体信息的超声在线测量[J]. 中国塑料, 2024, 38(4): 60-66.

CHEN Hao, JIAO Xiaolong, ZHU Ningdi, DONG Zhengyang, ZHANG Jianfeng, ZHAO Peng. Ultrasonic on⁃line measurement of polymer melt information in injection molding[J]. China Plastics, 2024, 38(4): 60-66.

图/表 12

图1 超声波通过模具与熔体传播示意图

Fig.1 Schematic diagram of ultrasonic wave propagation through mold and melt

图2 互相关法计算超声传播时间示意图

Fig.2 Schematic diagram for calculating ultrasonic propagation time using cross correlation method

图3 熔体信息超声测量实验平台示意图

Fig.3 Schematic diagram of the experimental platform for ultrasonic measurement of melt information

图4 实验模具及传感器示意图

Fig.4 Schematic diagram of experimental mold and sensor

中心频率/

MHz

脉冲电压/

阻尼/

$Ω$

采样频率/

MHz

增益/

中心频率/

MHz

脉冲电压/

阻尼/

$Ω$

采样频率/

MHz

脉冲重复频率/Hz

增益/

300

250

100

表1 超声设备参数设置

Tab.1 Parameter settings for ultrasonic equipment

表1 超声设备参数设置

Tab.1 Parameter settings for ultrasonic equipment

熔体温度/

℃

注射压力/

MPa

注射速度/

保压压力/

MPa

模具温度/

℃

240

表2 注射成型设备参数设置

Tab.2 Parameter settings for injection molding equipment

图5 注射成型过程中温度、压力与超声信号变化

Fig.5 Temperature， pressure and ultrasonic signal changes during injection molding process

图6 传感器温度与超声测量温度结果曲线

Fig.6 Sensor temperature and ultrasonic measurement temperature

时间/s	温度传感器测量结果/℃	压力传感器测量结果/℃	超声声速测量结果/m·s^-1	熔体温度计算结果/℃	测量误差/%
1.10	235.0	19.51	1 038.42	221.54	5.73
1.65	237.3	19.90	1 036.27	224.15	5.54
2.20	235.2	14.20	1 037.34	224.76	4.44

表3 熔体温度测量方法正确性验证结果

Tab.3 Verification results of the correctness of the melt temperature measurement method

图7 超声回波信号频域结果

Fig.7 Frequency domain results of 0.3 s and 1.5 s ultrasonic echo signals

图8 1.5 s超声回波信号频域传递函数对数及其线性拟合

Fig.8 Logarithm and linear fitting of frequency domain transfer function for 1.5 s ultrasonic echo signal

图9 注射成型过程中声速、声阻抗演变过程与密度测量结果比较

Fig.9 Comparison of the evolution process of sound velocity and impedance with density measurement results during injection molding process

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