基于超声的注塑成形在线监测技术

赵鸿敬，朱江

基于超声的注塑成形在线监测技术

赵鸿敬1，朱江2

（1.航天材料及工艺研究所，北京 100076；2.四川航天烽火伺服控制技术有限公司，成都 611130）

在传感器与熔体不接触的条件下获取注射成形过程中熔体流动固化收缩等准确信息。基于超声传感技术，建立适用于塑料注塑成形过程的超声监测系统，通过超声探头采集型腔中某点的超声反射信号强度，结合压力传感器数据与有限元仿真结果对超声信号特征峰值进行分析，并在不同注塑压力、速度、冷却时间等工艺条件下进行多组实验。超声信号特征峰值能够精确感知注射成形过程中熔体流动前沿到达、型腔充填完成、V/P转换、冷却收缩等型腔内实时信息。与压力传感器等技术手段相比，通过超声技术可在与熔体不接触的条件下获取型腔内熔体演变的更多信息。

超声技术；聚合物；注射成形；在线监测

塑料注射成形是一种重要的成形方法[1-2]，其中高分子材料的注塑成形过程受非线性和时变等多参数的影响。在实际加工过程中，在线跟踪监测塑料熔体的演变规律具有十分重要的意义。有些学者采用热电偶[3]和压力传感器[4]等传统手段实现了注射成形过程的在线监测，也有学者尝试了其他在线监测技术如可视化技术[5-6]、荧光技术[7]、红外技术[8-9]和介电技术[10-12]等，但大部分监测技术仅适用于特殊的成形体系，不具备在工业中应用的能力。

超声波是超声振动在弹性介质中传播的机械波，在高分子领域具有广泛的应用前景[13-18]。超声监测作为无损监测的一个重要分支，在注射成形过程中得到了广泛应用[19-26]，相比传统的热电偶和压力传感器等手段，超声监测技术具有穿透力强、监测灵敏度高、对人体无害以及能迅速准确获得并分析数据的优点。超声波能在异质界面发生反射与透射行为，在不接触熔体的情况下实现对注塑过程和工艺参数的监测，可为注射成形的加工控制和过程最优化提供指导。文中以聚丙烯（PP）为研究对象，结合压力传感器监测结果、Moldflow的双层面和实体模型分析结果，研究了高聚物注塑充模和冷却固化过程中的超声行为，利用所得信息分析熔体流动前沿、压力转换、冷却固化、固液线形成和脱模等过程，获得了最优工艺条件，拓展了超声技术的应用领域。

1 超声监测理论

超声传感器监测技术一般分为2类：脉冲反射法和穿透法。文中采用脉冲反射法，将超声探头安装于定模侧面型腔的外壁面。当超声波入射到2种声阻抗不同（分别为1、2）的介质界面上时，声波发生反射与透射，反射系数和透射系数的计算见式（1）—（2）。

=1−(2)

超声在线监测原理如图1所示，探头和模具型腔之间用介质钢隔离。超声探头发射的声压为0的声波一部分在第1个钢/塑料界面处发生反射（声压记作1），一部分发生透射经过塑料介质，在第2个钢/塑料界面处发生反射并透过第1个钢/塑料界面（声压记作2）。

如果不考虑声波在钢中的衰减情况，则声压为0的声波在第1次透过模具/型腔界面时的声压应为0，而与1、2有关，由于文中采用半自动操作，可假定模具温度基本恒定，可视1为常数，但在冷却过程中，熔体状态时刻发生变化，所以2处于动态变化过程。声阻抗=材料密度×声速，当增大压强时，熔体会被进一步压实，使密度升高，压强的增大也会增大聚合物的模量，从而提高声速。综合二者变化，熔体声阻抗2增加，反射系数降低，1峰值降低，此时可推得熔体压力增大。同理，当熔体压力波动不大时，温度对声阻抗也有同样影响。因此，在线观察1峰高的变化情况可推知型腔中熔体状态的变化情况。

当模具型腔中无塑料熔体或者高聚物固化收缩脱离模具时，钢/塑料界面变成钢/空气界面，由于钢的声阻抗（46×105g/cm2）比空气的声阻抗（0.004× 105g/cm2）大几个数量级，产生1 μm的空隙即可使声波在界面处全部发生反射，因此2信号不会出现，而此时1信号峰值会恢复至初始值。在存在气隙的情况下，超声波在模腔的传播行为如图2所示。

图1 超声在线监测原理

图2 存在气隙情况下超声波在模腔内的传播行为

图3为PP在注塑过程中不同阶段的声信号。从1峰的变化情况可推知聚合物充模、冷却固化、收缩脱模等信息。在充模之前，型腔中无聚合物，声波在前模具/模腔界面发生全反射，1峰维持在最大值（见图3a）；注射后，聚合物熔体填充模具型腔，入射声波的一部分透射入聚合物介质，此时反射声波能量降低，可观察到1峰值发生明显降低（见图3c）；随着冷却的进行，聚合物性质发生变化，进而引起反射的超声波能量变化，1峰的峰高发生变化（见图3e）；当推杆将制品顶出型腔后，模具/制品界面变成模具/空气界面，超声波在此界面发生全反射，1峰值返回到初始值（见图3g）。

以上实验中超声波增益值为38 dB，故不能明显观察到2峰，在相同的工艺参数条件下，将超声波增益值设置为50 dB，在相同时间点可明显观察到2峰的变化。在充模之前观察不到2峰（见图3b）；注射后，可观察到透射入聚合物介质被后模具/型腔界面反射的声波，即2峰（见图3d）；在图3e相同的时间点，2峰的峰高也相应发生了变化（见图3f）；当推杆将制品顶出型腔后，2峰消失（见图3h）。

图3 注塑过程中不同阶段的声信号

超声在前模具/模腔界面反射的信号峰1能反映出声波在聚合物中的传播和衰减情况，从而反映出聚合物冷却固化的动态过程。取每个周期中1峰的最大值，即可得到其相对加工时间的变化关系。

2 超声监测实验平台

超声监测平台由计算机、超声硬件系统和数据采集软件组成，其结构框图如图4所示。

超声系统硬件由安装在计算机主机箱中的超声卡、采集卡以及超声探头组成，超声探头、超声卡和采集卡在机箱中的实体图如图5所示。超声卡是上海思雀柯信息科技有限公司生产的UT–2001系列数字式超声卡。超声探头为上海市创辰检测设备有限公司提供的具有收发功能的5P6型纵波探头。

超声采集程序包括2个部分：超声卡的驱动程序和超声采集应用程序。通过超声卡驱动程序可访问超声卡上的I/O端口和共享内存，控制超声监测的工作参数和工作过程。

在实验过程中，每隔50 ms发射一次超声波，超声采集程序实时显示每周期的波形，对超声传感器采集到的数据进行实时存储后，即可利用超声采集程序的分析数据功能对采集到的脉冲数据进行分析，采集数据分析程序界面如图6所示。

图4 超声监测平台的结构框图

图5 超声探头及超声卡、采集卡实体图

图6 采集数据分析程序界面

3 实验测试

3.1 实验模具与产品

实验用注塑机为宁波海太塑料机械有限公司生产的HTL90–C型注射机。实验模具型腔尺寸为160 mm×100 mm×30 mm，平均壁厚为2.6 mm，采用直接浇口的方式，图7a为模具定模部分，图7b为动模部分。

实验采用武汉超宇监控技术有限公司生产的CYPT–101高温压力变送器，定模侧压力传感器位于模具型腔的顶部侧壁，动模侧压力传感器位于浇口附近，均与熔体直接接触。使用JDAS数据采集处理系统采集压力监测数据。

图7 制品及模具实体图

图8为盒子制品实体图，其中黑点位置为熔体压力测试点（压力传感器位置）。

图8 盒子制品实体图

3.2 材料及工艺参数

实验材料为中国石化有限公司生产的PP粒料（WH–T36F），其主要参数如表1所示。

表1 WH–T36F材料的物性参数

Tab.1 Physical properties of WH-T36F material

实验工艺参数如表2所示。在研究保压压力对实验结果的影响时，保证其他实验参数相同，保压压力分别采用9、18、27、36 MPa。

表2 实验工艺参数

Tab.2 Experimental process parameters

4 结果与分析

文中注塑机采用半自动操作，利用超声传感器和压力传感器同步采集数据。图9为1峰幅值与成形时间的关系曲线。1峰幅值随时间的变化划分为5个区间：a区间在0～6.5 s之间，6.5 s前，由于熔体还未流至模具型腔中探头所对的位置（即监测区域），此时监测区域的模具内为空腔，声波在外模具/型腔界面上发生全反射，故1峰值维持在最大值；b区间在6.5～ 8 s之间，熔体流经探头所对的型腔位置并快速填满型腔，表明充模过程完成，此阶段为注射充模阶段；c区间在8～15 s之间，由于型腔内熔体的压力和温度在此时间段发生了变化，型腔内熔体的声阻抗2显著变化，1峰也出现相应波动；d区间在15～24.8 s之间，由于制件冷却至一定温度以下，声阻抗趋于常量，此阶段反射系数和透射系数可视为不变，1峰值基本维持恒定值；e区间在24.8 s以后，此时模具执行开模动作，推杆将制件顶出型腔，形成空腔，声波在前模具/模腔界面上再次发生全反射，1峰回到初始值。

图9 U1峰幅值与成形时间的关系曲线

4.1 注射过程监测结果

文中使用Moldflow软件对制件双面模型和实体模型进行充模和冷却过程分析，制件体积为68.3 cm3，保证双面模型和实体模型的参数设置一致。实际模具温度为30 ℃，熔体温度为229 ℃。使用的材料物性参数和推荐成形工艺参数尽量与实际使用物料的一致，具体参数如表3所示。在模拟中通过螺杆位置和注射时间共同控制V/P转换点（与实际加工的设置相同），冷却时间采用自动控制。双面模型充填分析结果如图10a所示，实体模型充填分析结果如图10b所示。

表3 PP材料的物性参数和推荐成形工艺参数

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

图10 Moldflow充填分析结果

由双面模型分析结果可知，熔体充满整个型腔所需时间为1.326 s，熔体由浇口到达探头所对的型腔位置（以下称为“位置”）所需时间为0.51 s，故当熔体到达型腔侧壁中心时，仍需约0.8 s才能充满整个型腔。

现将图9中b区间进行放大，进一步细化为3个区间（分别记为b1区间、b2区间、b3区间），如图11所示。在b1区间内，6.55 s时声波出现明显下降，表明熔体到达位置，6.9 s时曲线出现转折，表明位置充填结束；在b2区间内，6.9～7.7 s之间幅值变化平缓，说明在此时间段内熔体压力和温度均未出现较大波动，由Moldflow的分析结果可知，熔体到达位置后仍需经过约0.8 s才能充满整个型腔，此阶段仍处于熔体填充型腔阶段，而位置的熔体压力较小，温度下降不明显，声阻抗维持在恒定值，1峰幅值不变；在b3区间内，7.7 s时峰值小幅下降，充填初期熔体温度变化不大，此时模腔内熔体压力发生变化，文中所用注塑机由螺杆位置和填充时间共同控制V/P转换点，而此时充填只进行了1.3 s，未达到2.8 s的设定时间，注塑机上操作面板显示仍在注塑阶段，由此推得螺杆未到达指定位置，不能实现V/P转换，故7.7 s时螺杆会试图继续保持60%的速度前进，但此时型腔已基本充满，导致型腔中的熔体压力急剧升高，此时熔体压力等同于注射压力36 MPa，故1峰幅值有一个小幅度下降。

图11 充填阶段U1峰幅值变化情况

4.2 保压过程监测结果

压力传感器的监测结果如图12所示，横坐标表示加工时间，与超声传感器同步，按照曲线趋势可以得到4个转折点，分别为8、10、13、15 s。下面将结合超声传感器监测结果分析保压过程中熔体状态的变化情况。

图12 压力传感器监测曲线

将图9中保压冷却区间（区间e）进行放大，分为5个区间（分别记为e1区间、e2区间、e3区间、e4区间、e5区间），如图13所示。

1）在e1区间内，8 s时1峰幅值迅速回升，由4.1节可知，此种情况是由熔体压力变化所导致的，由注射时间和注射坐标尺可推得此时为V/P转换点，注塑机由注射压力36 MPa切换成较低的保压压力27 MPa，熔体压力突然降低，故幅值有所上升。

图13 保压冷却阶段U1峰幅值变化

2）在e2区间内，8.2 s之后进入保压阶段，曲线缓慢下降，由于结晶聚合物的晶态与非晶玻璃态的弹性模量接近，而非晶橡胶态的弹性模量很小，如表4所示，因而当晶态区处于橡胶态时，聚合物的弹性模量将随着结晶度的增加而升高。从Moldflow对三维实体模型温度分析结果可知，当注塑加工过程进行到3 s时，熔体温度已经到达155 ℃，如图14所示。由以上分析可知，低温模具使制件表面熔体迅速冷却发生结晶，随着结晶度的增加，聚合物的弹性模量急剧升高，声阻抗增加，1峰幅值开始出现缓慢下降的情况。

表4 聚合物在不同状态下的弹性模量数量级

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

图14 Moldflow分析三维实体模型中位置A温度变化结果

3）在e3区间内，10 s时幅值出现小幅度上升，此时压力传感器监测到的压力值出现下降的情况。由Moldflow双层面模型分析结果可知，在注塑进行了4 s后，侧壁压力急剧下降，如图15所示，这一结果和实际压力监测结果相同，而根据Moldflow在相同工艺条件下对实体模型的分析结果也可预测到，此时侧壁外表面冻结层的厚度大约为0.38 mm，内表面冻结层的厚度为0.32 mm，如图16所示。保证其他参数不变，不同保压压力情况下的1峰值曲线如图17所示，由图17可观察到，保压压力越大，此区间上升趋势越明显（图17中虚线区域）。

图15 Moldflow分析制件某点压力随时间的变化曲线

图16 Moldflow分析制件某点冻结层厚度

图17 在不同保压压力情况下的U1峰值曲线

当保压压力继续增大时，熔体和型腔壁接触更紧密，温度低的模具和温度高的熔体之间热传导效果也更好，熔体的冷却效果更佳，使制品表面形成了一定厚度的冻结层，处于流动末端位置的压力值也更低，补料越困难，制件和型腔壁逐渐出现微小间隙，这会影响声波在界面上的透射，故此阶段峰值开始回升，且保压压力越大，回升越明显。

4）在e4区间内，13 s之后1峰幅值下降，由压力曲线的急速下降可推得此时保压过程结束、螺杆已开始后退。若忽略其他因素的影响，压力降低应引起回波振幅的增加，这与实际结果相悖，此时温度是1峰幅值的主要影响因素。随着冷却的进行，制件温度降至熔点以下，材料声阻抗显著增加，此时和增加压强的影响效果相同，故1峰幅值出现下降。

5）在e5区间内，15 s时压力传感器监测到的压力趋于0，说明一定厚度的冻结层熔体已冷却至玻璃化转变温度g以下，制件慢慢脱离型腔，1峰幅值出现回升并趋于稳定。

4.3 与压力传感器的对比

压力传感器作为一种传统的监测方法，已经得到了广泛应用，但文中的超声传感器与之相比体现了更多的优势：（1）流动前沿监测，当熔体到达探头在型腔中对应位置时，由于填充过程中的型腔压力较低，熔体流动前沿压力接近大气压力，无法被压力传感器有效监测，但通过反射声波1峰幅值的第1次下降，超声传感器可以灵敏地监测到熔体流动前沿；（2）充模参数优化，在注塑过程中如果提前保压，型腔压力不能平缓过渡，不利于成形工艺的控制，对成形制品的质量也存在不利影响，但压力传感器很难监测出压力突变，而超声传感器可通过监测峰值曲线充填阶段的二次下降及快速回升监测到该点，故可利用此特征优化实验参数；（3）型腔内熔体状态监测，压力传感器仅能监测到所接触的熔体表面压力，无法监测到熔体状态，而超声传感器可反映出熔体冷却固化等信息。

5 结语

基于安装于模具外的超声传感器，对注塑成形过程中型腔内聚合物熔体状态进行了实时监测，结合压力传感器监测数据及Moldflow模拟结果，证明了超声信号能准确预测注塑工艺过程中熔体物理状态的变化情况：信号峰值的急速下降反映了熔体流动前沿到达及充填结束；超声信号峰值的急速上升可以有效预测V/P转换点、制件冷却脱离型腔过程及制件的顶出脱模过程；通过超声信号值的缓慢变化可监测熔体的保压冷却过程。可见，超声技术实现了注塑成形中熔体流动前沿、V/P转换及冷却固化等过程的精确监测，可在与熔体不接触的条件下实现更多熔体微观状态演变信息的在线监测。

[1] FU H, XU H, LIU Y, et al. Overview of Injection Molding Technology for Processing Polymers and Their Composites[J]. ES Materials & Manufacturing, 2020(8): 3-23.

[2] 周华民. 塑料注射成型三维真实感流动保压过程模拟及实验研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2001: 10-59.

ZHOU Hua-min. Simulation and Experimental Study of Three-Dimensional Realistic Flow and Pressure-Holding Process of Plastic Injection Molding[D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2001: 10-59.

[3] NATHAN D K, PRABHU K N. Thermal Resistance at the Polymer/Mold Interface in Injection Molding[J]. Transactions of the Indian Institute of Metals, 2022, 75(2): 307-326.

[4] ZHOU Xun-dao, ZHANG Yun, MAO Ting, et al.Feature Extraction and Physical Interpretation of Melt Pressure during Injection Molding Process[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2018(261): 50-60.

[5] MARINELLI A, FARAH M, ELIDA R. Optical Monitoring of Polyesters Injection Molding[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2006, 99(2): 563-579.

[6] 孙翔, 杨卫民, 丁玉梅, 等. 基于可视化的注射成型制品缺陷及其产生机理的研究[J]. 中国塑料, 2005, 19(12): 64-68.

SUN Xiang, YANG Wei-min, DING Yu-mei, et al. Study on Defects of Injection Molded Parts and Their Generation Mechanism Based on Visualization[J]. China Plastics, 2005, 19(12): 64-68.

[7] NöLLE J M, JüNGST C, ZUMBUSCH A, et al. Monitoring of Viscosity Changes during Free Radical Polymerization Using Fluorescence Lifetime Measurements[J]. Polymer Chemistry, 2014, 5(8): 2700-2703.

[8] BENDADA A, DERDOURI A, LAMONTAGNE M. Analysis of Thermal Contact Resistance between Polymer and Mold in Injection Molding[J]. Applied Thermal Engineering, 2004, 24(14/15): 2029-2040.

[9] PIGNON B, BOYARD N, SOBOTKA V, et al. Heat Transfer Analysis at High Cooling Rate on the Surface of Thermoplastic Parts[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2017(106): 253-262.

[10] SHEN G, ZHANG Y, WANG Y, et al. In Situ Dielectric Characterization of Dynamic Orientation for Polymer Molecular Chains[J]. Sensors and Actuators B : Chemical, 2020(313): 128024.

[11] WONG H Y, FUNG K T, GAO Fu-rong. Development of a Transducer for In-Line and through Cycle Monitoring of Key Process and Quality Variables in Injection Molding[J]. Sensors and Actuators, A: Physical, 2008, 141(2): 712-722.

[12] MONTI M, ZACCONE M, FRACHE A, et al. Dielectric Spectroscopy of PP/MWCNT Nanocomposites: Relationship with Crystalline Structure and Injection Molding Condition[J]. Nanomaterials, 2021, 11(2): 550.

[13] ZHAO P, XIA N, ZHANG J, et al. Measurement of Molecular Orientation Using Longitudinal Ultrasound and Its First Application in In-Situ Characterization[J]. Polymer, 2020(187): 122092.

[14] IBRAHIM M. Ultrasonic Inspection of Hybrid Polymer Matrix Composites[J]. Composites Science and Technology, 2021(208):108755.

[15] ZHAO P, ZHAO Y, KHARBAS H, et al. In-Situ Ultrasonic Characterization of Microcellular Injection Molding[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2019(270): 254-264.

[16] SUN Yi-bo, CAO Meng-ruo, ZOU Li, et al. Study on the Ultrasonic Guided Wave and Online Visual Monitoring for Ultrasonic Precise Bonding[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2021, 117(3/4): 971-984.

[17] LIONETTO F, MAFFEZZOLI A. Polymer Characterization by Ultrasonic Wave Propagation[J]. Advances in Polymer Technology, 2008, 27(2): 63-73.

[18] JANER M, PLANTÀ X, RIERA D. Ultrasonic Moulding: Current State of the Technology[J]. The Plant Journal, 2020, 102: 106038.

[19] KARIMINEJAD M, TORMEY D, HUQ S, et al. Ultrasound Sensors for Process Monitoring in Injection Moulding[J]. Sensors, 2021, 21(15): 5193.

[20] LEE J, KIM N. Prediction of Charging Rate in Ultrasonic Vibration of Injection Molding[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2008, 201(1/2/3): 710-715.

[21] HE Bo-bing, YUAN Xue, YANG Hong, et al. Ultrasonic Measurement of Orientation in HDPE/iPP Blends Obtained by Dynamic Packing Injection Molding[J]. Polymer, 2006, 47(7): 2448-2454.

[22] HE Bo-bing, YANG Yang, ZOU Hao, et al. Fast Determination of Phase Inversion in Polymer Blends Using Ultrasonic Technique[J]. Polymer, 2005, 46(18): 7624-7631.

[23] ZHAO Y, ZHAO P, ZHANG J, et al. On-Line Measurement of Clamping Force for Injection Molding Machine Using Ultrasonic Technology[J]. Ultrasonics, 2019, 91: 170-179.

[24] ZHANG J, ZHAO P, ZHAO Y, et al. On-Line Measurement of Cavity Pressure during Injection Molding via Ultrasonic Investigation of Tie Bar[J]. Sensors and Actuators A : Physical, 2019(285): 118-126.

[25] ONO Y, WHITESIDE B R, BROWN E C, et al. Real-Time Process Monitoring of Micromoulding Using Integrated Ultrasonic Sensors[J]. Transactions of the Institute of Measurement & Control, 2007, 29(5): 383-401.

[26] SIKORA J W. On-Line Measurement of Polymer Orientation Using Ultrasonic Technology[J]. Polymer Engineering and Science, 2001, 41(9): 1644-1653.

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

赵鸿敬（1975—），男，高级工程师，主要研究方向为特种工程塑料、胶黏剂、橡胶密封及阻尼减振材料等。

责任编辑：蒋红晨