Direct visualization and on-line monitoring in injection moulding

Abstract

The increasing complexity of injection moulded products is highlighting the need for better sensing of the process. Monitoring of the process has been approached in many different ways since there are many processing parameters and there are no specific techniques that measure all the relevant parameters. In-line monitoring of the injection moulding operations requires continuous measurements of different parameters during the cycle. The use of direct visualization systems to assess the flow development of polymer melts inside confined geometries has become a major issue to understand the different thermo-mechanical phenomena associated to the injection moulding process. Under the above referred framework a transparent mould with two injection locations, allowing flow visualization on both conventional and two materials non-conventional injection moulding techniques was developed and used in this research. Visual access in the mould is allowed by the sapphire windows, surrounding the cavity. Apart from visualization, instrumentation of the mould allows pressure and temperature monitoring. Images were obtained, using high speed analogue device NAC1000 and digital device Photron Fastcam APX. The aim of this work is to monitor and assess the polymer melt behaviour under controlled processing conditions, during the filling and holding stages of the moulding cycle. Visualization of conventional injection was used to understand some open problems associated to the process, namely the development of the filling patterns under different processing conditions identical or close to the industrial ones. Comparison of the obtained results with a mathematical model of the process was used for validating their accuracy. Visualization of the monosandwich and multimaterial (bi-injection) moulding techniques was used for analyzing the filling patterns in complex polymer systems. Monosandwich visualization enables a clear understanding of the mechanism of formation of core-skin morphology and in combination with adequate instrumentation (pressure and temperature) is a good reference for detailed analysis of this complex flow pattern. Visualization of the bi-injection technique displays the phenomena of the flow front clash of the two materials with different MFI and supports structure development studies, including flow weld lines.

O aumento da complexidade dos produtos moldados por injecção tem vindo a evidenciar a necessidade de uma maior capacidade de monitorização do processo. Existem várias tentativas de monitorização do processo de injecção uma vez que os parâmetros de processamento são muitos e não existe nenhuma técnica específica capaz de os medir a todos. A monitorização on-line das operações de moldação por injecção requer a medição contínua de diferentes parâmetros durante o ciclo de injecção. A utilização de sistemas de visualização directos que permitam aceder ao desenvolvimento do fluxo de polímero fundido em geometrias confinadas tornou-se um tema de grande interesse uma vez que permite uma melhor compreensão dos diferentes fenómenos termo-mecânicos associados ao processo de moldação por injecção. Neste trabalho, e dentro do referido enquadramento, foi desenvolvido e utilizado um molde transparente com dois pontos de injecção que permite a visualização do fluxo, tanto em técnicas de injecção convencional como em injecção não-convencional. O acesso visual é conseguido através de janelas de safira que rodeiam a cavidade do molde. Para além da visualização, a instrumentação do molde permite monitorizar a pressão e a temperatura. Durante o processo de injecção foram obtidas imagens com uma câmara analógica NAC1000 e com uma câmara digital Photron Fastcam APX. O objectivo deste trabalho é monitorizar e aceder ao comportamento do polímero fundido em condições de processamento controladas, durante as fases de enchimento e compactação do ciclo de moldação. A visualização do processo de moldação por injecção convencional foi utilizada para permitir a compreensão de algumas questões em aberto associadas ao processo, nomeadamente o desenvolvimento de padrões de enchimento com diferentes condições de processamento, idênticas ou o mais parecidas possível com as industriais. Para validar a sua precisão, os resultados obtidos foram comparados com um modelo matemático do processo. Para analisar os padrões de enchimento em sistemas poliméricos complexos utilizou-se a visualização das técnicas monosandwich e multimaterial (bi-injecção). A visualização da técnica monosandwich permite a compreensão do mecanismo de formação da morfologia núcleo– casca e em combinação com instrumentação adequada (pressão e temperatura) é uma boa referência para a análise detalhada deste complexo padrão de fluxo. A visualização da técnica de bi-injecção permite aceder ao fenómeno de colisão da frente de fluxo dos dois materiais com diferentes MFI e suporta estudos de desenvolvimento estrutural, incluindo a formação de linhas de soldadura.