注射成形中熔体流动超声相控阵原位成像方法

技术领域

本发明属于在线检测技术领域，具体涉及一种注射成形中熔体流动超声相控阵原位成像方法。

背景技术

注射工艺无需二次加工即可生产出形状复杂的零件，具有较高的批量生产效率。它是成形高性能聚合物产品的最重要手段，占此类产品生产的80％以上。在注射过程中，熔体在模具中的流速和前沿直接决定了产品的微观结构，如分子取向和结晶度，进而影响产品最终的宏观尺寸精度和机械性能。因此，准确表征和分析填充过程中模腔内的熔体流动速度是最终性能分析和工艺参数优化的基础。然而，由于模具的阻碍，注射过程是一个黑盒。

超声波是一种广泛使用的无损检测技术，它可以穿透金属模具并提供丰富的熔体信息反馈。此外，超声波探头具有可靠性高、灵敏度高、操作安装方便等独特优点。因此，超声波已被广泛应用于注射成形过程的监测。程等人测量了腔体中熔体的超声速度，以表征注射成形中不同的注射阶段。何通过测量衰减系数的变化来区分可熔材料和不可混溶材料。赵等人描述了微孔注射成形过程中超声过程信号引起的泡沫结构变化。此外，赵等人提出了聚合物取向和超声纵向速度的数学模型，并在注射成形过程中通过超声探头测量熔体取向。董等人建立了超声波传播模型，从超声波信号中恢复密度信息，有效地在线测量了注射过程中的熔体密度。然而，现有的用于注射成形的超声波在线测量案例都使用超声单探头(单元件)，只能提供单个位点的熔体信息，大多数方法仍处于定性表征阶段。

超声相控阵将多个超声元件集成到一个探头中，每个元件都可以激发和接收超声信号，因此相控阵可以对覆盖范围内的整个区域进行检测和成像，与超声单探头相比，大大扩展了测量范围。相控阵可以进行全矩阵捕获(FMC)，其中每个振元按顺序激励，而所有振元都记录超声信号。FMC数据集包含测量区域的完整信息，与其他数据采集技术相比具有更高的成像能力和分辨率。适当的成像方法可以从FMC数据集中恢复测量区域中的反射体。全聚焦法(TFM)与超声成像的金标准一样被高度接受，它通过时间延迟算子将所有声束聚焦在测量区域的每个像素。TFM具有很高的鲁棒性和信噪比。然而，当应用于多层结构时，耗时的传播路径计算限制了成像效率。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种注射成形中熔体流动超声相控阵原位成像方法，该测量方法能够在不对注射成形过程产生影响的情况下，在线测量出聚合物熔体在型腔中的波前位置和流动速度。

注射成形中熔体流动超声相控阵原位成像方法，包括以下步骤：

(1)采集注射过程中多层结构的FMC数据；

(2)输入多层结构中各层的声速和厚度，计算测量区域传播位移分布；

(3)通过对测量区域传播位移分布反映射，获得测量区域的入射角分布，并根据入射角分布计算测量区域中的时间延迟；

(4)根据得到的时间延迟，利用全聚焦成像条件对FMC数据进行成像处理，得到熔体底部的图像；

(5)整合注射过程所有时刻的成像结果，合成熔体流动前沿视频以可视化熔体行进过程；

(6)从得到的熔体流动前沿视频中提取熔体底部成像历程、熔体前沿历程和熔体流动速度，实现熔体原位成像。

步骤(6)中，熔体原位成像结果包括熔体底部成像历程、熔体前沿历程和熔体流动速度。

作为优选，测量目标区域的传播位移分布f(θ

式中，k表示多层结构的层数；d

作为优选，时间延迟t

式中，k表示多层结构的层数；d

作为优选，根据得到的时间延迟，利用全聚焦成像条件对FMC数据进行成像处理的成像条件为：

式中，I(x,z)表示成像结果；t

其中，D(x

作为优选，步骤(6)中，熔体底部成像历程通过集成所有成像结果在熔体底部位置的像素强度得到；从熔体底部成像历程中提取各时间点对应的熔体前沿位置，得到熔体前沿历程；熔体流动速度通过求解熔体前沿历程的斜率得到。

理论推导：

1.1在线测量策略

超声相控阵探头安装在模具动模上，每个振元依次激励，超声波穿透动模和聚合物熔体，并在熔体的底面反射。反射信号被相控阵中的所有振元接收，并作为全矩阵数据(FMC数据)输出，如图2所示。对于N元件相控阵，FMC数据由N

1.2高效全矩阵成像方法

全聚焦法(TFM)是一种标准的全矩阵成像方法，具有较强的鲁棒性和适应性。其中，时域格林函数可以用来对激励和反射后声波传播进行近似，因此，TFM图像在适当的时间延迟后被重建为N

其中，I(x,z)表示成像结果；t

其中，D(x

如图2所示，动模和聚合物熔体形成两层结构，其中，测量区域位于第二层。如果楔块用于隔离相控阵和模具，则测量区域位于第三层。而这种多层结构使声束的传播轨迹复杂化。

在这种情况下，本发明采用了一种有效的射线追踪方法来计算时间延迟，如图3中(a)所示，射线穿过前k-1层介质后到达点P。其中，θ

入射角与折射角之间满足Snell定理来保证传播时间最小：

因此，所有折射角都可以写作入射角θ

进一步，水平传播距离(传播位移分布)可以写作入射角θ

其中，θ

很显然f(θ

因此，通过在测量区域中每个像素点和入射角之间建立映射字典，可以有效地获得成像区域中所有像素点的射线路径。一个三层介质的映射关系如图3中(b)所示，其中，设置c

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的注射成形中熔体流动超声相控阵原位成像方法，首次将超声相控阵用于注射成形过程的检测，并开发了一种有效的熔体前沿位置动态监测成像方法。通过在线采集FMC数据集，对模腔内熔体流动过程进行了动态监测。建立了入射角与目标像素点之间的映射关系，以快速确定测量目标区域中每个点的时间延迟，并利用TFM成像条件获得熔体底部的图像，从中可以定位熔体前沿。本发明的测量方法测量精度高，成像时间短，有效提高了在线测量的成像效率。

附图说明

图1为本发明实施例的流程图；

图2为熔体流动前沿在线测量策略示意图；

图3中，(a)为多层介质内的射线路径图；(b)为在第三层介质d

图4中，(a)为注射成形原位测量系统；(b)为高温相控阵探头；(c)为流变模具；(d)为模具型腔及超声相控阵探头安装位置示意图；

图5为不同注射时间注射结束后熔体前沿位置的超声相控阵测量结果；其中，(a)的注射时间为3s；(b)的注射时间为4s；(c)的注射时间为5s；(d)的注射时间为6s；(e)的注射时间为7s；(f)的注射时间为8s；

图6为不同注射时间下熔体底部成像历程；其中，(a)的注射时间为3s；(b)的注射时间为4s；(c)的注射时间为5s；(d)的注射时间为6s；(e)的注射时间为7s；(f)的注射时间为8s；

图7中，(a)为不同注射时间下熔体波前位置历程；(b)为超声相控阵测得的零件长度与零件实际长度的关系图；

图8为不同注射速度下在熔体到达第一个振元后每隔0.4s的成像结果局部图；其中，(a)的注射速度为4％；(b)的注射速度为5％；(c)的注射速度为6％；(d)的注射速度为7％；(e)的注射速度为8％；(f)的注射速度为9％；

图9为不同注射速度下熔体底部成像历程；其中，(a)的注射速度为4％；(b)的注射速度为5％；(c)的注射速度为6％；(d)的注射速度为7％；(e)的注射速度为8％；(f)的注射速度为9％；

图10中，(a)为不同注射速度下熔体波前位置历程；(b)为超声相控阵测得的熔体流动速度与设定注射速度关系图。

具体实施方式

如图1所示，注射成形中熔体流动超声相控阵原位成像方法，包括以下步骤：

(1)采集注射过程中多层结构的FMC数据；

超声相控阵探头安装在模具动模上，每个振元依次激励，超声波穿透动模和聚合物熔体，并在熔体的底面反射。反射信号被相控阵中的所有振元接收，并作为全矩阵数据(FMC数据)输出，如图2所示。对于N元件相控阵，FMC数据由N

(2)输入多层结构中各层的声速和厚度，计算测量区域传播位移分布；测量区域传播位移分布f(θ

式中，k表示多层结构的层数；d

如图2所示，动模和聚合物熔体形成两层结构，其中，测量区域位于第二层。如果楔块用于隔离相控阵和模具，则测量区域位于第三层。而这种多层结构使声束的传播轨迹复杂化。

在这种情况下，采用一种有效的射线追踪方法来计算时间延迟，如图3中(a)所示，射线穿过前k-1层介质后到达点P。其中，θ

入射角与折射角之间满足Snell定理来保证传播时间最小：

因此，所有折射角都可以写作入射角θ

进一步，水平传播距离(传播位移分布)可以写作入射角θ

其中，θ

很显然f(θ

因此，通过在测量区域中每个像素点和入射角θ

(3)通过对测量区域传播位移分布反映射，获得测量区域的入射角θ

(4)根据得到的时间延迟，利用全聚焦成像条件对FMC数据进行成像处理，得到熔体底部的图像；

FMC数据的对角线信号是相控阵中每个元件的自发射和自接收信号，对应于B扫描数据。从图2中可以看出，在填充熔体的位置有回波，而腔体中没有底部回波，因此B扫描数据集可以表征熔体的熔体前沿位置，但不够直观。因此，通过使用成像方法直接处理FMC数据，可以获得清晰的熔体底部图像，可以直接反映注入阶段的进展和熔体前沿的位置。

全聚焦法(TFM)是一种标准的全矩阵成像方法，具有较强的鲁棒性和适应性。其中，时域格林函数可以用来对激励和反射后声波传播进行近似，因此，TFM图像在适当的时间延迟后被重建为N

其中，I(x,z)表示成像结果；x表示水平方向的坐标；z表示深度；

其中，i为虚数单位；H为希尔波特变换。

(5)整合注射过程所有时刻的成像结果，合成熔体流动前沿视频以可视化熔体行进过程；

(6)从得到的熔体流动前沿视频中提取熔体底部成像历程、熔体前沿历程和熔体流动速度，实现熔体原位成像。；

熔体底部成像历程通过集成所有成像结果在熔体底部位置的像素强度得到；从熔体底部成像历程中提取各时间点对应的熔体前沿位置，得到熔体前沿历程；熔体流动速度通过求解熔体前沿历程的斜率得到。

应用实验

以下实验采用上述实施例中的在线测量方法进行测量，其中，采用超声相控阵探头对注射成形过程中型腔内的熔体流动过程进行在线监测，搭建测量系统如图4(a)所示。采用注射机是DE168(Tederic，中国)，高温超声相控阵(2.25L64-1.0x12-HT，Doppler，中国)安装在注射模具中，电缆将探头连接到采集卡(M2M panther，Eddyfi，法国)。采集卡在注射过程中收集FMC数据，并将其输入计算机。如图4(b)所示，相控阵安装在动模模芯上，不接触聚合物熔体，对成形过程没有影响。如图4(c)所示，本实验所用流变模具，模具的型腔是底部不密封的狭缝模具状结构，相控阵的对称平面与型腔的对称平面重合，如图4(d)所示；使用这种模具结构可以获得稳定的熔体流动，这有利于研究注射过程中的测量原理。相控阵具有64个元件，间距为1mm，中心频率为2.25MHz。模具钢(声速为5912m/s)和聚合物熔体在测量区域形成两层结构。实验采用聚丙烯(PP Y101，日本住友)为聚合物溶体，PP熔体的声速为1294m/s。对于FMC数据采集，采样频率为62.5MHz，延迟和时间范围分别为7μs和14μs。

1、短射实验

短射实验允许熔体在相控阵的测量范围内流动，以验证波前位置的测量精度。工艺参数如表1所示，其中，注射时间从3s增加到8s(注射速度均为2％)，以获得具有不同熔体前沿位置的短射产品，并且实验中没有保压过程。FMC数据收集时间为10.5s，间隔为0.05s。

表1短射实验的过程参数设置

注射阶段后得到的产物和利用采集的FMC数据进行成像得到的成像结果如图5所示。由图5可以看出，在所有情况下，在z＝5mm处都获得了清晰的熔体底部图像，这与产品厚度一致。图像的右侧边界反映了熔体前端的位置。从图5中可以看出，本实施例提出在线测量方法测量到的熔体前沿位置与实际得到的产品长度一致，平均误差为0.5mm。

由图6可以看出，熔体前沿位置主要由熔体底部图像反映，即在z＝5mm处像素的强度。由于每个FMC数据都可以产生一个图像结果，因此收集所有结果中z＝5mm的像素强度，可以直观地显示注射过程，定义为熔体底部图像历程。图6清楚地显示了整个测量过程中的底部成像历程和熔体前沿位置历程。从图7中可以看出熔融聚合物以几乎均匀的速度前进，并在达到注射时间后停止。其中可以提取所有情况下的熔体前沿位置历程，如图7中(a)所示。此外，熔体波前位置历程中斜率为0的位置可以反映短射产品的长度。此外，测量长度和产品长度之间的关系如图7中(b)所示，散射点的线性拟合产生1.0194的斜率k，线性度(R

2、注射速度单因素实验

通过设置不同的注射速度，验证了超声方法对熔体速度的测量精度。将注射速度从4％增大到9％，注射时间设置为8s，其余过程参数与上述短射实验中的相同。每隔0.04s采集一次全矩阵数据(FMC数据)，总采样时间为8s。每一时刻的成像结果都实现了模具内部熔体流动过程的可视化。在不同的注射速度(4％、5％、6％、7％、8％、9％)下，聚合物熔体到达相控阵第一个振元的时间分别为2.48秒、1.80秒、1.24秒、0.76秒、0.6秒和0.32秒。熔体到达第一个振元后，每0.4s收集一个熔体底部的局部图像，如图8所示，用于直观比较不同注入速度下的测量结果。由图8可以观察到，在相同的时间间隔内，流动距离随着注射速度的增加而增加，注射速度为8％时熔体的流动距离几乎是注射速度为4％的流动距离的2倍。

不同注射速度下的熔体底部成像历程如图9所示。由图9可以看出，在所有情况下，熔体前沿位置都随注射时间线性增加，并且熔体前沿位置的斜率明显随注射速度增加。在图9中(b)中，熔体在1.8s到达相控阵第一个振元，在4.5s时完全经过相控阵探头，因此熔体底部历程可以直观地反映熔体的流动过程，比视频更方便。此外，提取了所有情况下的熔体前沿位置历程，并使用RANSAC方法进行线性拟合，如图10中(a)所示。如图10中(b)所示，测量的熔体流动速度和注射速度呈现出很强的线性关系，这证明了本实施例所提出的在线测量方法在熔体速度测量方面的高精度。

表2不同注射速度下熔体波前历程的斜率和线性度

表2中列出了所有情况下熔体波前历程的斜率和线性度，其中，R