在生产中实现热流道平衡----可标准接入工业4.0系统的多腔热流道模具自动平衡的验证方法

来源:本文翻译自Kunststoffe International杂志 作者:Dipl. Ing. (FH) Erwin König,自2001年起直担任德国Salach的Priamus System Technologies GmbH的CEO Dipl. Ing. (FH) Christopherus Bader,自2001年起担任瑞士Schaffhausen的Barnes Group Suisse Industries LLC的分公司CEO

发布时间:2019年1月28日下午 10:01:12

在持续提高生产线产量的不懈努力背后,是对竞争优势的追求和成本压力的不断增长。实现产量不断增长的目标的关键是多腔模具设计,它可以通过诸如叠模和立方体模具来实现。即使在输入条件波动的情况下,也能通过依靠智能控制系统获得始终如一的高产品质量,从而满足工艺,尤其是多腔成型工艺日益提高的需求。

用于生产ESP外壳盖 的“质量均衡器”系 统 (©Priamus)

用于生产ESP外壳盖的“质量均衡器”系统 (©Priamus)

多腔模具的一项基本要求,是各个模腔必须生产出质量相同的部件,但这一目标并不是总能够轻易实现,特别是对于高端模塑件,更是如此。因为随着模腔数量的增加,对工艺和模具的要求也越来越高。所有模腔应同时填充,这一点至关重要,因为模具填充不均衡会导致部件质量的不可控,即便是同一次注塑中亦是如此。可能出现的后果包括部件重量不一、尺寸和强度波动、填充过度或不足、表面差异以及翘曲等。采用常规方法控制工艺十分费力,当出现不希望发生的过程变化时,可能需要耗费相当长的时间才能进行补救。如果统计分析采用的是随机抽样而非逐批逐件检验的方式,则往往无法检出不良品。

在平衡原则上的部分分歧

在这种情况下,必须明确规定均一平衡的含义,因为即使专家也必须不断从不同的假设出发,而其中一些假设是错误的。当所有模腔同时填充相同体积的成型物料时,多腔模具就会达到平衡。只有这样,转换点才能同样适用于所有模腔,而非仅仅是其中几个。通过读取安装在流动路径末端模具壁上的热传感器上的读数,能可靠、有效地指示该转换点,并通过温度的升降检测流体前端到达的位置(例如,温度下降发生在LSR的情况下)。

由于使用了传感器,因而无需进行精细填充研究,而对于极小的部件来说,精细填充研究根本是不可能的。这些研究主要是为了进行抽样和处理严重问题。这里的关键点在于检测发生于填充阶段。相反,使用压力传感器监测模腔中的压力阈值则仅利用压缩阶段,因此是发生在成型配混料停止流动后的某个时间点。

直到几年前,对于模塑件质量相关问题的研究还一直聚焦于模腔压力,但现在人们已经知道,成型是一个由PVT特性综合描述的多维过程,取决于多个参数。因此,在理论上增加了一个可实际应用的质量维度。例如,如果温度和粘度发生变化,相同的模腔压力并不会自动转换为相同的填充量。由于材料、材料配混、环境条件以及机筒、分流道、喷嘴和模具中温度控制的波动,这种情况会始终存在。

Priamus System Technologies是Barnes Group Suisse Industries LLC的一家分公司,以多模腔热流道模具和其它过程控制自动平衡的先行者而著称。自2001年以来,这家总部位于瑞士沙夫豪森(Schaffhausen)的公司一直在使用内置了模腔温度传感器的系统,以自动进行流体前端的检测。在此期间,公司因为在市场上拥有众多运行系统得以积累了丰富的技术经验。根据其经验,对于要求较高的部件,压缩阶段的模腔压力阈值不利于实现良好的平衡。

图1 无论是在不平衡状态(左)还是在平衡状态(右)下,不同压力水平的型腔压力信号之间的 时间偏移都不同,而平衡状态下温度上升时几乎不存在时间偏移(来源:©Priamus)

图1 无论是在不平衡状态(左)还是在平衡状态(右)下,不同压力水平的型腔压力信号之间的时间偏移都不同,而平衡状态下温度上升时几乎不存在时间偏移(来源:©Priamus)

压力增加表现为不同阈值的时间偏移,而填充阶段的温度升高则通过一种最小而清晰的平衡时间偏移得以表征(图1)。作为平衡基础的压力阈值仍无法准确选取,因此平衡本身也无法确定。对比之下,根据定制开发的算法检测结果显示,大量的填充研究表明,模具填充过程中的温度升高与填充程度和部件重量相关。

叠模的实际应用

在德国施瓦格恩(Schwaigern)的Walter Söhner GmbH & Co. KG,一只用于制造ESP(电子稳定程序)外壳盖(采用PBT-GF30材质)的模具,被用来对与叠模相关的具体问题进行了初步研究(图2)。该模具每个成型面只有四个模腔,但对研究不同的控制策略仍然有用。集成到模具中的热流道系统由来自德国巴林根(Bahlingen)的Otto Männer GmbH提供(图3),这是一家专门生产多模腔模具的公司,包括多模腔叠模。

图2 叠模内部视图。机架和叠模热流道引导 管道清晰可见(©Priamus)

图2 叠模内部视图。机架和叠模热流道引导管道清晰可见(©Priamus)

叠模远优于分模线模具,因为它们能在设备占地面积几乎相同的情况下,达到几乎两倍的产出。这意味着单位成本可以大幅降低。然而,其中心部位的机械结构存在潜在弱点,可能导致单次注射部件质量的波动以及磨损的增加。由于中心部位通常刚性不是很强,且不能得到模板支撑,可能会在合模力和注射压力的影响下变形。加之工艺影响,会导致模具填充不均。

图3 Männer生产的8个分流道的热流道系统,用于带衬套、分流道和喷嘴的叠模(© Walter Söhner)

图3 Männer生产的8个分流道的热流道系统,用于带衬套、分流道和喷嘴的叠模(© Walter Söhner)

新的“质量均衡器”系统是Priamus的FillControl H自动热流道均衡器的入门级版本,已被用于试验,以初步了解对叠模的影响,并证明该系统的实用性。质量平衡器是一个用户友好型多模腔热流道模具平衡控制系统。作为质量监视器这一新系列的首个系统,该产品极为重视集成的物联网(IOT)选项,以便将真实的质量数据进行联网。

自动热流道平衡的更细微之处

为确定热流道控制器的适用性,人们开始了一系列试验,以验证和优化G24热流道控制器的PID控制器(制造商:德国Wiesbaden的Gammaflux Controls GmbH)。PID控制器的反应对控制喷嘴和分流道温度、确保自动热流道平衡正常工作起着决定性作用。因此,建议提前对其进行优化(图4)。如果忽略这一点,加热区的响应就会太慢或过快,从而导致部件性能下降,甚至在静态应用中也是如此。在动态应用中,由于喷嘴温度需要不断变化以补偿过程中的波动,因而优化显得更为重要。

具有一条分型线的标准模具通常使用控制器来平衡多腔热流道模具。当熔体到达位于流动路径末端每个模腔壁上的温度传感器的位置时,其温度被检测出来。计算平衡时间偏差,然后根据特殊算法改变热流道喷嘴的温度,以自动平衡模具填充。

图4 采用不同的PID参数设置和控制策略进行平衡。图中显示了基于自动确定的各型腔温升平 衡时间偏移的热流道平衡的时间变化。趋势图显示了各种设置的惯性,最小偏差表示最佳平 衡(来源:Priamus)

图4 采用不同的PID参数设置和控制策略进行平衡。图中显示了基于自动确定的各型腔温升平衡时间偏移的热流道平衡的时间变化。趋势图显示了各种设置的惯性,最小偏差表示最佳平衡(来源:Priamus)

平衡分为两个阶段。第一阶段是将模具从非平衡状态转换为平衡状态,而第二阶段是不论过程如何波动,均将平衡保持在最佳值。工程师所采用的主观方法,则是通过观察模塑件的填充水平进行填充研究,然后利用自身经验手动调整喷嘴温度,两者形成了对比。无论如何,不改变已验证的质量参数就在生产过程中进行人工干预是不可能的。

图5 根据记录,手动可达到0.1秒的平衡时间偏移优化,而通过自动平衡则能实现了0.01秒的时间 偏移优化。为了达到最佳平衡,必须相应地调整喷嘴温度(来源:Priamus)

图5 根据记录,手动可达到0.1秒的平衡时间偏移优化,而通过自动平衡则能实现了0.01秒的时间偏移优化。为了达到最佳平衡,必须相应地调整喷嘴温度(来源:Priamus)

不同的控制策略

因此,在第一次试验中,一个控制器被用于同时平衡两个分型面上的所有模腔。为了建立基准,采用手动方式对喷嘴温度进行调节;这产生了约0.1秒的平衡时间偏移。在叠模第一面和第二面的模腔之间,人们并未发现明显的填充时间偏移。通过自动平衡,将填充时间偏移稳定控制在最小值(< 0.01 s),将喷嘴温度调整到材料的允许加工极限内。此外,模塑件的所有试验参数如平整度、长度和宽度,都要具有相同的精度。

结论

这些试验是已计划好的多模腔模具后续试验的基础。对于多模腔模具,中心部位刚度低是一个更为重要的问题。由于精密产品用模具有大幅度降低成本的潜力,并且能在稳健的工艺中取得很高的生产效率,因此在医疗与制药行业以及包装行业的需求不断增长。凭借诸如目前Priamus所提供的即可生产型自动热流道平衡控制系统,未来采用多模腔叠模或立方体模具生产会变得很简单。仅仅在几年前,在这种情况下只会考虑更为保守、成本却更高、模具更小的替代方法。如果新技术与智能模具概念的结合运用是有备而来,成功也将顺理成章。

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