專利名稱：：模擬塑料部件表面外觀中的偏差的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1的模擬由塑料部件的成型工藝造成的塑料部件表面外觀中的偏差的方法，和相應(yīng)的計算機系統(tǒng)、計算機程序和計算機程序產(chǎn)品。引言在塑料工業(yè)中，塑料產(chǎn)品的表面外觀是非常重要的課題。塑料產(chǎn)品質(zhì)量的主要標準是表面外觀。塑料部件的表面質(zhì)量被表面結(jié)構(gòu)、成型工藝參數(shù)和聚合物材料本身所影響。盡管作出了改善表面外觀的大量努力，但結(jié)果并非總是令人滿意的。所謂的表面外觀的老虎條紋(tigerstripe)現(xiàn)象已經(jīng)成為科學世界的目標許多年。定義塑料部件由特定幾何設(shè)計的聚合物材料構(gòu)成，并且可以包括熱塑性塑料和/或熱固性塑料(包括duroplastics和彈性體聚合物材料)。塑料部件通過成型工藝制造。成型工藝是一種其中在成型能量的消耗下使聚合物原料成型為特定塑料部件的工藝。在大多數(shù)情形中，聚合物原料具有粒料的形式。不同的成型工藝是塑料工業(yè)中常見的例如注塑，包括特殊類型的注塑工藝比如氣體輔助的注塑、共注塑、背面模塑(backsidemolding)、壓縮模塑和注塑與壓縮模塑的任何組合，聚合物擠出，吹塑和發(fā)泡。塑料顆?；蚓酆衔镱w粒被定義為塑料部件的體積部分。塑料部件的所有塑料顆粒的體積總和與塑料部件的體積一致。在任何詳述中，塑料部件的表面被定義為塑料部件的總面(表面)。由于塑料部件通常薄的事實，因此塑料部件面與塑料部件體積之間的比值十分高。該事實也突出了塑料部件的表面質(zhì)量的重要性。在塑料工業(yè)中，塑料部件的表面外觀是非常重要的質(zhì)量問題。表面外觀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態(tài)例如有色顏料、結(jié)晶度、組分、分子類型決定。另一方面，表面外觀由塑料部件的表面結(jié)構(gòu)決定，該表面外觀是其中注入塑料熔體的模具的空腔表面的負片。就塑料部件的表面質(zhì)量而言，空腔表面的紋理和粗糙度是主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)。顯然，成型工藝參數(shù)影響了塑料部件的表面外觀。表面層限定了薄的聚合物材料層，這影響了部件的表面外觀。不同的表面外觀效果由不同的物理組成決定，并且因此表面層的厚度可以伴隨著所檢驗的效果而改變。定義了正好位于塑料部件表面上的體積顆粒是表面層的一部分，但下面的聚合物顆粒也可以是表面層的一部分。"老虎條紋，，現(xiàn)象是塑料工業(yè)中常見的問題并且描繪了一種特定的表面缺陷。在塑料工業(yè)中已知的老虎條紋描繪了表面光澤度的可見的周期性不均勻。通常，這些是在注塑或擠出的塑料部件表面上交替的暗淡(或粗糙)和光澤(或光滑)的區(qū)域，該表面應(yīng)該是全部光澤(或光滑)的。熱塑性聚合物可以由聚烯烴例如聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)組成，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)或聚醚酰亞胺(PEI)以及熱塑性聚合物的配混物和共混物組成。配混物是多種聚合物或者聚合物與每種組分比如滑石、礦物質(zhì)、玻璃、橡膠和顏料的共混物。另外，聚合物配混物配有添加劑包(additivationpackage)?，F(xiàn)有技術(shù)成型工藝的模擬是塑料工業(yè)中常用的并且基于與有限元和/或有限差方法結(jié)合的連續(xù)區(qū)機理。模擬成型工藝的有限差的基于計算機的求解算法(軟件)可在市場上獲得，例如MoldflowCorporation的軟件，參見例如EP1218163B1。EP1218163B1的內(nèi)容在此引入作為本專利申請的發(fā)明披露內(nèi)容。EP1218163B1披露了一種將流體(塑料熔體)注入模具的三維建模方法。該模型的基礎(chǔ)是質(zhì)量、動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(還參見EP1218163B1的9頁，31-32行)百+(u.V)u=V-+佇V311,P(If+U.Ve)-▽.("wV"+pV.u=0.其中p是流體的密度，u是速度，P是壓力，①是每單位質(zhì)量的勢能，T是溫度，]Ll是剪切粘度系數(shù)，s是每單位質(zhì)量的內(nèi)能，KH是熱導率。由于該模型中包括能量守恒，因此在成型工藝期間可以考慮熱效應(yīng)，并且因此可以考慮例如從液態(tài)到固態(tài)的相變的熱效應(yīng)。在EP1218163B1中描述了可以將以下傳熱機理建模對流(來自進入的熔體)、傳導(從模具壁上出來)和粘性耗散(其與由于流動的塑料材料內(nèi)的剪切所產(chǎn)生的熱能相關(guān))。還將考慮其它機理，例如壓縮加熱效應(yīng)(歸因于由壓縮產(chǎn)生的熱)和冷卻效應(yīng)形成釋壓(參見4頁，8-11行)。描述液體熱塑性材料的流動的上述方程通過離散的數(shù)值方法例如有限元方法或任何其它合適的方法求解，參見例如EP1218163B1的8頁，1"16行。釆用有限元方法，將模具空腔體積分成單個有限元(有限體積)并且對有限元的節(jié)點重復計算場變量(例如壓力、溫度、速度)和材料性能(例如粘度)，并且然后將其內(nèi)插入所述有限元體積內(nèi)。然而，就檢測和預(yù)測塑料部件的表面缺陷而言，EP1218163B1沒有記載。發(fā)明目的本發(fā)明的目的是提供一種通過模擬塑料部件的成型工藝而預(yù)測表面缺陷的出現(xiàn)的方法。給出的發(fā)明將通過預(yù)測塑料部件的表面質(zhì)量、通過計算機迭代比如有限元方法求解成型工藝的連續(xù)區(qū)機理方程而給予工程師支持。該目的在根據(jù)權(quán)利要求1的方法中實現(xiàn)。本發(fā)明的有利實施方案在權(quán)利要求2-12中示出。發(fā)明概述形成表面缺陷例如老虎條紋的機理是本研究的目的。直至本發(fā)明人目前的認知，沒有公開能夠計算表面缺陷的類似理論。本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，如果成型工藝模擬結(jié)果顯示某些塑料顆粒經(jīng)歷特定臨界能狀態(tài)并且之后變成表面層的一部分，則表面缺陷(表面外觀中的偏差)的計算位置與在制造的塑料部件上測得的表面缺陷位置—"^。在成型工藝期間，能量穿過塑料顆粒邊界(特定塑料顆粒體積的面)傳送給每一塑料顆粒。在某一加工時間下，塑料顆粒的能量狀態(tài)是穿過所述顆粒體積邊界傳送的能量的結(jié)果。從本性上，在特定的物理組成中聚合物材料在特定的能量狀態(tài)上反應(yīng)。取決于聚合物以及負栽能量的數(shù)量和類型，可能出現(xiàn)塑料顆粒的許多不同反應(yīng)。例如，如果特定的塑料顆粒負載有比其自身的熱能更高的熱能，則將出現(xiàn)塑料顆粒溫度的升高。如果特定的塑料顆粒負載有剪切應(yīng)力，則聚合物將通過內(nèi)在聚合物鏈變形而對所述負載作出反應(yīng)，這因此還將造成特定顆粒通過內(nèi)摩擦的內(nèi)在加熱。在任何時間下認為體系(外部負載和內(nèi)在反應(yīng))內(nèi)能量守恒。例如當考察注塑工藝時，在裝填空腔之前熔體(填料)中每一塑料顆粒的溫度為2401C。在該工藝時間下，每一塑料顆粒將具有相同的能量狀態(tài)。借助于在裝填階段期間通過螺桿位移而施加機械能，將塑料顆粒強制流過澆口系統(tǒng)進入模具空腔。由于剪切流動的性質(zhì)，因此施加的剪切應(yīng)力在壁厚上發(fā)生變化。因此在壁厚橫截面中的不同層上流動的塑料顆粒(分層剪切流動)暴露在不同的剪切應(yīng)力和不同的能量下。伴隨著增加的距離空腔表面的距離，冷卻效應(yīng)降低，但歸因于剪切應(yīng)力的內(nèi)部加熱造成塑料顆粒的溫度升高。接近或者與固體冷卻的空腔表面接觸的塑料顆粒遭受了溫度降低或者甚至固化。發(fā)明描述成型工藝的冷卻性能將聚合物熔體冷卻，使得一些塑料顆?？梢宰兊霉袒?，而另一些仍然處于液相中。在成型工藝期間，固化的塑料顆粒會遭受從固體到液體的第二次相變。根據(jù)本發(fā)明的一種解決方式是通過模擬它們到達部件表面的路線而追蹤這些顆粒。因此，具有不同歷史(不同數(shù)目的相變)的表面層顆粒將造成不同的表面外觀。另夕卜，塑料顆粒的相變的時間、位置和速度決定了它們的聚合物形態(tài)和因此決定了表面外觀。聚合物材料是溫度敏感的。熱塑性材料的大多數(shù)成型工藝在液相中進行，但聚合物的溫度低于特定臨界溫度，在這種情況下產(chǎn)生了一定的聚合物鏈開裂的可能性。由剪切造成的內(nèi)部加熱可能導致塑料顆粒的急劇溫度升高。因此根據(jù)本發(fā)明的另一種解決方式是通過超出特定臨界溫度而模擬它們到達部件表面的路線而追蹤所有的塑料顆粒。因此，在流動歷史期間超出臨界溫度的表面層顆粒會造成不同的表面外觀。著色的聚合物配混物含有溫度敏感的有色顏料。如果超出一定的臨界溫度，則顏料的顏色會改變。因此根據(jù)本發(fā)明的另一種解決方式是通過超出特定臨界溫度而模擬它們到達部件表面的路線而追蹤所有的塑料顆粒。因此，在流動歷史期間超出臨界溫度的表面層顆粒會造成不同的表面外觀(顏色)。聚合物材料是剪切應(yīng)力敏感的。如果施加給塑料顆粒的剪切應(yīng)力超出一定極限，則聚合物鏈將拉伸并且高度取向。該取向會導致不同的聚合物形態(tài)或者甚至導致不同的結(jié)晶度。因此根據(jù)本發(fā)明的另一種解決方式是通過超出特定臨界剪切應(yīng)力或特定臨界剪切能而模擬它們到達部件表面的路線而追蹤所有的塑料顆粒。因此，在流動歷史期間超出臨界剪切應(yīng)力或剪切能的表面層顆粒會造成不同的表面外觀。許多聚合物配混物含有相對于聚合物具有不同密度的組分(填料)。由于聚合物和組分的不同密度，因此在成型工藝期間施加的力將導致聚合物和組分不同的加速度和負加速度。配混物的部分分層是該物理過程的結(jié)果。因此根據(jù)本發(fā)明的另一種解決方式是通過超出特定臨界加速度或負加速度而模擬它們到達部件表面的路線而追蹤所有的塑料顆粒。因此，在流動歷史期間超出臨界加速度或負加速度的表面層顆粒會造成不同的表面外觀。如前所述，在成型工藝期間塑料顆粒被暴露于不同類型的能量例如溫度、剪切應(yīng)力、剪切能、加速力和其它物理場下。因此根據(jù)本發(fā)明的另一種解決方式是通過超出所述物理場的組合而模擬它們到達部件表面的路線而追蹤所有的塑料顆粒。超出組合的臨界物理場的限定極限的表面層的塑料顆粒將最有可能造成塑料部件的不同表面外觀。上面限定的臨界值例如溫度、剪切應(yīng)力、加速度和不同物理場的組合也可以是時間、壓力和涉及的所有其它物理參數(shù)的函數(shù)。上面限定的臨界值例如溫度、剪切應(yīng)力、加速度和不同物理場的組合不需要是離散值，但也可以被限定為數(shù)值范圍。在將顆粒在表面層中的位置確定為在表面外觀中具有偏差的位置之后，本發(fā)明的一個可能的實施方案是例如用圖將那些顆粒在塑料部件的表面層中的最終位置可視化。例如，如圖5中所示，可以將具有表面缺陷的區(qū)域繪制成塑料部件的圖像。本發(fā)明可以作為計算機程序?qū)嵤?。實施例以下描述主要提及了聚烯烴的注塑，但本發(fā)明不限于注塑或聚烯烴。在注塑工藝的工業(yè)實際中，持久地將模具空腔(模具)冷卻以使液體聚合物熔體固化。塑料顆粒經(jīng)歷從液體到固體的相變。由于正在進行的空腔裝填，因此可能出現(xiàn)局部溫度升高。該溫度升高可能導致某些顆粒從固體到液體的第二次相變。在模擬過程中標記這些顆粒的加工時間和位置。因此塑料顆?？梢缘竭_表面層。在模擬過程中計算這些顆粒的最終位置。這些顆粒的最終位置是表面層的一部分，它們表明了不同表面外觀的位置。根據(jù)示意圖通過例子描述本發(fā)明圖1示出了通過注塑制造的塑料部件的示意圖。圖2示出了在裝填階段期間特定橫截面的計算的冷凍層分數(shù)作為時間的函數(shù)。圖3示出了當圖2中的冷凍層分數(shù)開始降低時，計算的在加工時間下的空腔裝填狀態(tài)。圖4示出了當圖2中標記的塑料顆粒到達表面層時，計算的空腔裝填狀態(tài)。圖5示出了塑料部件的模擬的(計算的)表面外觀缺陷相對測量的表面外觀的圖。圖6示出了作為溫度的函數(shù)的特定塑料等級的比熱。圖7示出了作為溫度的函數(shù)的特定塑料等級的熱導率。圖8示出了對于不同熔體溫度而言，作為剪切速率的函數(shù)的特定塑料等級的粘度。圖9示出了對于不同壓力而言，作為溫度的函數(shù)的特定塑料等級的比容。圖1示出了通過通常的注塑工藝制造的塑料部件1的示意圖。該塑料部件的尺寸為200mm長(L)、150mm寬(W)和3咖的壁厚。在裝填空腔期間，熔體流過冷流道2(淺灰色)，該流道具有直徑為3mm-6mm和長度為95mm的圓形橫截面。分配器3(暗灰色)具有恒定的5mm壁厚。膜狀澆口4(黑色)被"^殳計為0.6mm的壁厚。出于筒化的原因，描述了具有特定澆口系統(tǒng)的特定部件，但當然本發(fā)明還適用于具有任何其它澆口系統(tǒng)的任何其它空腔(幾何結(jié)構(gòu))。該注塑工藝的計算機模擬釆用軟件MoldflowPlasticsInsideRelease5進行。選擇用于模擬的工藝參數(shù)在表1中定義表l:模擬的工藝參數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>圖2示出了在特定位置下冷凍層分數(shù)的計算結(jié)果。冷凍層分數(shù)是在標記的橫截面5處固化層的厚度作為總厚度的分數(shù)。該標記的橫截面在冷流道2的高度的大約一半處。注塑工藝的裝填階段進行約0.5秒?？梢钥闯觯x的橫截面的冷凍層分數(shù)在寬的時間范圍內(nèi)保持恒定約為2%。從這一時刻，熔體通過特定標記的橫截面區(qū)域，冷凍層分數(shù)迅速增至約3%。在該加工時間(0.05秒)下，3%的橫截面處于固相中并且余下的約97%處于液態(tài)熔體相中。在另外約0.05秒的加工時間之后，冷凍層分數(shù)從3%降至2°y6，表明塑料顆粒從固體到液體的第二次相變。在模擬中標記顆粒的這些加工時間和位置用于進一步追蹤。圖3示出了當在圖2中所示的位置下冷凍層分數(shù)開始降低時，計算的在加工時間下空腔的裝填狀態(tài)。在該時刻(o.os秒)，只裝填了非常小部分的空腔。標記的塑料顆粒在進一步裝填步驟中可以到達表面層，并且這些最終位置將表明不同的表面外觀。圖4示出了當圖2中標記的塑料顆粒到達表面層時，計算的空腔的裝填狀態(tài)。所示出的流動前延表明其中標記的顆粒到達表面層的位置。這些位置與不同表面外觀的位置一致。圖5示出了所制造和模擬的塑料部件的測量和模擬的不同表面外觀的位置。所示出的表面缺陷被稱為老虎條紋現(xiàn)象。表面光澤度由光澤度測量儀器測量，并且所測量的表面光澤度降低的位置(區(qū)域)以灰色表示。根據(jù)圖4的塑料顆粒的模擬位置(區(qū)域)被虛線包圍?？梢钥闯?，計算的表面缺陷的位置非常好地與測量的位置相關(guān)聯(lián)。聚合物材料參數(shù)注塑工藝的計算機模擬需要確定材料等級的熱性能。該實施例的模擬采用Borealis等級VB4411進行，其是旨在用于注塑工藝的10%礦物質(zhì)和彈性體改性的聚丙烯配混物。該等級在汽車商業(yè)中廣泛用于保險杠盤座面(facia)和外部裝飾。VB4411的比熱和熱導率在圖6和圖7中示出。在模擬中，需要VB4411的粘度和比容。圖8示出了對于不同的熔體溫度而言，測量的VB4411的粘度曲線作為剪切速率的函數(shù)。圖9示出了對于不同的壓力而言，VB4411的比容作為溫度的函數(shù)。附圖標記L塑料部件的長度W塑料部件的寬度1塑料部件2冷流道3分配器4膜狀澆口5冷流道2的標記的橫截面權(quán)利要求1.模擬由塑料部件的成型工藝造成的塑料部件表面外觀中的偏差的方法，其包括以下步驟a)模擬塑料部件的成型工藝，b)檢測超出至少一種限定的臨界極限的塑料顆粒的位置和時間，c)計算那些顆粒在塑料部件表面層中的最終位置，d)將那些顆粒在表面層中的位置限定為表面外觀中具有偏差的位置。2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，特征在于限定的臨界極限是一定的溫度。3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，特征在于限定的臨界極限是一定的剪切速率。4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，特征在于限定的臨界極限是一定的加速度或負加速度。5.根據(jù)權(quán)利要求l-4的方法，特征在于限定的臨界極限是一定范圍的值。6.根據(jù)權(quán)利要求l-5的方法，特征在于臨界極限是至少兩種物理場函數(shù)例如溫度、剪切速率、加速度、負加速度和/或其它物理場函數(shù)的組合。7.根據(jù)權(quán)利要求1-6的方法，特征在于臨界極限是時間、壓力和/或涉及的其它物理參數(shù)的函數(shù)。8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，特征在于另一個步驟包括e)將那些顆粒在塑料部件表面層中的最終位置可視化。9.根據(jù)權(quán)利要求l-8其中一項的方法，特征在于成型工藝是以下的其中一種注塑、氣體輔助的注塑、壓縮模塑、壓縮注塑、共注塑、背面模塑、吹塑。10.當所述計算機程序在計算機上運行時，具有用于實施權(quán)利要求1-9任一項的所有步驟的程序代碼單元(means)的計算機程序。11.具有儲存的根據(jù)權(quán)利要求10的計算機程序的計算機系統(tǒng)。12，用于模擬由塑料部件成型工藝造成的塑料部件表面外觀中的偏差的計算機程序產(chǎn)品，其包括當所述計算機程序在計算機上運行時，儲存在計算機可讀介質(zhì)上的用于實施權(quán)利要求1-9任一項的所有步驟的程序代碼單元。全文摘要示出了一種模擬由塑料部件的成型工藝造成的塑料部件表面外觀中的偏差的方法，其包括以下步驟a)模擬塑料部件的成型工藝，b)檢測超出至少一種限定的臨界極限的塑料顆粒的位置和時間，c)計算那些顆粒在塑料部件表面層中的最終位置，d)將那些顆粒在表面層中的位置限定為表面外觀中具有偏差的位置。文檔編號G06F17/50GK101213548SQ200680023852公開日2008年7月2日申請日期2006年6月23日優(yōu)先權(quán)日2005年6月29日發(fā)明者A·薩格德,C·烏爾尼施,H·赫波斯特,R·沃爾福,T·羅斯梅爾申請人:博里利斯技術(shù)有限公司