橡胶注射成型面临的挑战与对策

虽然注塑成型不是橡胶材料的新工艺，但对于某些处理器来说，在选择成型橡胶件的加工方法时，并不是他们的第一选择。不同于热塑性材料是以最常见的全自动工艺注塑成型，橡胶材料提出了一些独特的挑战。由于这些挑战，除了注塑成型,这些材料通常是以压缩模塑或转移成型。在许多情况下，这些过程的组合可以使用，如注入转移或注射压缩成型；这些过程是半自动化的，具有高水平的操作员界面。注塑成型橡胶工艺的发展面临着一些挑战。很多时候，在过程被开发和验证后，注塑成型商会注意到质量的波动，需要持续的故障排除和对工艺参数的更改。这些波动是由于材料流动特性的变化、工艺温度的变化、周期时间的变化、注塑机的不一致行为造成的。

物料流动特性受粘度、剪切率和固化速率的影响。与热塑性树脂不同，许多热固性弹性体材料配方不是为注塑成型而制定的，通常，这些化合物在受到剪切时反应不好。剪切是在进料螺杆塑化过程中向化合物施加的压力所产生的应变，这是由于在注入过程中，材料被强行通过注入喷嘴、浇口或浇道。许多为注塑成型而设计和复合的材料，其材料的附加剪切会降低粘度，提高材料的流动特性，从而更容易充填具特殊几何形状的零件。与其他热固性成型工艺相比，在注射过程中剪切材料产生的热量也可以显著降低所需的固化时间。如果粘度的这些变化其一致性和可重复性不同，则结果可能导致零件的注入量和充填不一致，从而造成零件毛边或缺胶。如果材料配方不适用于注塑成型，在注射过程中的剪切效应会导致材料层分离和爆裂，或过早地固化。在这些情况下，唯一的选择是重新设置材料配方或选择另一种成型工艺。

在开发注塑成型橡胶化合物的过程中也必须考虑温度。首先也是最常见的考虑是在零件将被模制时的成型温度或腔的温度。成型温度决定了零件的固化时间和充填时间。挑战是保持一致的成型温度，以确保不仅一致的固化状态，而且由于粘度的变化也能保持一致的充填状态。当将相对冷的材料注入腔内时，就有必要了解空腔钢的热损耗，以及所需的恢复时间。在工艺过程中，影响热损耗和热增益的因素很多：零件的几何形状、所用的工具钢、冷转轮、热流道工具、脱模时间都是主要因素。除了持续的成型温度，有必要了解材料温度的重要性，以及如何影响成型工艺。在成型热固性弹性体材料时，必须保持冷却介质流向注塑单元和喷嘴。在这个过程中，冷却意味着温度低于材料的固化温度，这是很重要的，因为可以使用范围广泛的温度，取决于要处理的材料。温度的升高可以减少塑化过程中所需的扭矩，温度波动会导致测量性能的不一致，进而造成实际计量值不一致。在注射过程中，材料温度的增加会产生一些影响，包括较低的材料粘度，从而降低注射压力，在注射过程中减少腔内的热量损耗，缩短固化时间。通过提高零件材料的固化速率，可使化合物在成型零件完全充满前开始固化,可以实现增加温度来减少充填时间。用于冷却注塑单元的介质取决于所需的工艺温度：介质选择可以是水、水/乙二醇混合液或温度更高的导热油。

在成型橡胶零件时，保持一个一致的周期也会有挑战性，而且对于一致的零件质量也非常重要。处理橡胶材料时有几个特定的因素，可能导致不一致的周期时间。其中一个因素是零件去除/脱模。由于橡胶的弹性性能，可以模制成带凹孔、倒锥和其它许多功能的零件，而这对于热塑性零件是无法实现的。这可能是模具设计的一个优势，但脱模也是一个挑战，往往要求操作员手动或带有复杂末端手臂工具的机器人脱模。在手动脱模过程中，模具打开或脱模时间依赖于操作者，并可随操作者技术的变化而波动。另一个影响周期时间的因素是模具清洗，因为热固性材料固化或硫化过程是化学反应，会释放副产品。这些副产品可以是固体和/或气体，可以留下残留在腔内和分型线上。腔内残留物会导致质量问题和无法接受的极差的腔内表面光洁度。在分型线上，残留物会引起排气堵塞，从而改变注射外形和零件的充填。残余物可以在每个周期通过操作员手工清洗过程或自动刷子系统而被去除。由于成型温度改变，不一致的周期时间，将对过程产生负面影响；温度随模具的构造方式，延长的开放时间所导致的腔内散热或过热而变化。除了模具温度改变，材料的热力过程也会对工艺产生负面影响。

注塑机的性能对稳定成型工艺的开发有重大影响。重要的是要有一个一致的计量冲程和计量的材料量，这是机器和材料的功能。准确控制注塑速度和位置是很重要的，因为注塑速度的增加或减少会导致材料粘度或剪切的变化。从注入到保持的连续转换也是注塑机的一个重要功能，通常在成型橡胶时通过体积或冲程进行;但还有其他的选择，包括时间和压力、对成型温度的控制、预计热损失和通过成型周期的增益。

对策

由于这些挑战和在成型过程中更精准的行业需求的增加，注射机、模具和外围设备的供应商需要对注射机系统进行改进。本文将着重于对注射机的改进，以帮助控制过程中的变化提供一个更具可重复的过程，并改进以使注射机适应不断变化的状况，实现成型过程保持稳定。

首先，我们会考虑物料的计量体积。很明显，我们不能仅仅监控计量行程结束时的螺杆位置来确定材料的真实计量体积，我们还必须监测进料螺杆在材料塑化过程中材料的性能。由于材料具有不同的强度 (未固化橡胶条的强度)，它们在注入机器时会有不同的反应，所以我们从电动条给料机开始。电动给料机是为了帮助从容器或卷筒上拉出橡胶条。给料机使用一个触发装置，用于监视电机与给料口之间的张力。这一过程确保每个周期的胶条不拉伸或处在不同的张力下，从而使计量时间和计量性能更加一致。电动条给料机还可以通过测量进料辊在塑化进程中的运动来确定是否出现胶条断裂。除了电动条给料机外，机器控制器还必须监控给料螺杆的性能;同样，我们不能仅仅通过监控塑化时间来监测给料的性能。计量性能软件监测随螺杆每次旋转其螺杆位置的容积变化。容积变化的最小公差可以由过程设置人员设置和监视。计量性能软件，连同电动条给料机，可以确保在整个塑化周期的材料一致的给料，这意味着每一个周期的材料量一致，这在全自动、无人值守的过程尤为关键。对于低粘度的材料，如热固化的有机硅，旋转给料系统取代液压充填设备 (图1)。这些单元是完全电动的，使用可变速俄歇式给料螺杆的旋转料斗。给料螺杆连接上位于进料口的压力传感器，并调整速度以保持与操作员预设一致的给料压力。这消除了由于在充填装置的整个行程中材料的压缩而引起的液压充填装置进料变化。就充填装置而言，额外的好处是快速加载的材料，不中断的成型周期和较少的材料准备时间，因为对于加载本身，材料形态是不重要的。

图1、旋转式进料器50 HCR

正如我们上面提到的，材料的变化可能是许多影响的结果，许多是无法由注射机控制的。材料温度是机器能在一定程度上影响和控制的一个变量。在早期的橡胶注射机上，对进料螺杆的考虑很少，因为在橡胶成型中，螺杆主要用作为进料螺杆。认识到，在化合物中要具有均匀温度，尤须考虑螺杆直径和几何形状。虽然液体介质在调和注射组分和塑化组件方面仍然是非常重要的，同时还被确定，改变螺杆几何增加少量的压缩，特别是在较大的注塑单元，可以引起材料剪切和变薄，使整个化合物的温度更一致。对于较小直径的给料螺杆，压缩不太重要，因为大小直径是更加接近。一些注射机制造商提供更大的给料螺杆，使材料射进一个单独的注入室,这里材料被强制通过一个可调节的孔注入，从而实现通过增加材料的剪切和改善整个化合物的温度来达到类似的效果。结果表明，材料的内部温度与塑化组件相邻材料的温度相同。同样重要的是在化合物中一致的温度和热历史是符合塑化和注射的先进先出(FIFO)概念。FIFO概念确保所有材料在整个材料体积注入到模具时，均处于相同的加热时间条件。稳定的介质温度对保持材料温度的一致性也很重要，虽然这是温度控制单元的一个功能，但大多数机器制造商已经认识到与模温装置完全集成接口的重要性。这种方法意味着所有设置点都与过程设置数据一起存储，所有实际温度都通过过程监视数据进行监控和保存，并且机器控制器识别的警报会在温度不符合预设值范围时指令机器停止工作。与标准SPI接口不同，此接口允许对模温装置及其与流程的关系进行集中位置的数据存储。

成型温度，取决于模具的设计，可以是注射模具和注射机一起作用的结果，或者，在模具仅由加热板加热的情况下，注射机则有着最大的影响。在许多情况下，特别是冷流道技术，注射模具配备筒式电加热器和热电偶，以监测和控制加热。这些区域可以插入到注射机控制的辅助加热区。另一种加热模具的方法是将模具直接安装在注射机上的加热板上。在这两种情况下，都认识到加热控制需要更加均匀一致，在控制加热输出时必须考虑注射模和成型周期。注射机的加热功率输出由PID(比例、积分、微分)参数控制。这些参数根据随时间的热损益来确定模具加热功率输出的百分比。传统上，注射机使用的默认设置，可以手动调整，这往往导致延长恢复时间或超调温度设定点。注射机控制器现在使用热优化程序自动确定PID参数。该程序通过考虑模具质量、模具结构和模具回火来确定加热特性。在模具初始加热过程中，当模具加热输出开启并控制在设定的时间内时，优化程序被激活。在此期间，对温度增益和温度增益率进行了监测。然后在设定的时间内关闭模具加热，同时监测温度损耗和温度损失率。经过几个加热循环周期，控制器对模具的温度增益和损耗进行了图像分析，并自动设置了PID参数。这个程序是重要的，无论是将加热器集成到模具中，还是将模具安装到加热板集成到机器中。在这两种情况下，模具设计、质量和回火将影响模具和/或加热板的加热。

注射机不能控制的一个变量是材料粘度和粘度的变化，无论是材料从一批到又一批还是从大批的开始到结束。大多数热固性弹性体材料都是由天然和合成材料组合而成，这些物质的物理性质自然变化，所有复合配方必须有制造公差。还有其他机器无法控制的变数，如环境成型条件,介质温度的变化和止回阀的磨损。材料的粘度影响着注射过程的许多方面并影响材料的实际注入量。较低的粘度材料会在注入单元中容易流入较低压缩的材料进入腔内，从而产生较大的注入量。正好相反，随着粘度的增加，材料在注入单元中被压缩得更多，导致注入量减少。材料粘度也会影响注射装置上的止回阀的行为。慢反应的止回流阀会导致注入压力上升的延迟，这意味着一定量的材料会移回螺杆，或减少注入量。

图2、ENGEL IQ重量控制波动补偿

注塑机的新发明之一是类似恩格尔IQ Weight Control波动补偿软件程序，它可以通过将实时压力数据与参考数据进行比较来监测材料的粘度和止回阀的状态 (图2)。该控制器对压力增加的延迟、压力增加率和压力曲线的一致性等几个因素进行了比较。这些因素在注入初始数据点期间被实时监测。然后，该技术在与参考曲线作比较并确定实际注入的体积。随后给处理器几个选项：第一个选项，程序监视和记录注入量的差异;第二个选项允许程序控制切换位置;第三种选项，该程序掌管控制切换位置和保持压力外形。对于这些选项，必须有一个设置范围，机器可以在其中调整在经过验证的进程窗口内的这些参数。在注入阶段，该程序可以识别下降的粘度导致更多的材料注入到腔内。在此基础上，控制器将及时调整和切换到保持阶段，并将调整保持压力外形以保持一致的注入量。如果识别出高粘度，控制器将以相反的方式反应。转换和保持压力的变化值不是任意值，因为它们是根据实际监测的粘度变化百分比与参考曲线相比较而确定的。参考曲线是在程序的参考和监控阶段开发的。在一定量的参考周期之后，将对所有未来周期进行比较的压力外形进行了开发。

图3、伺服液压系统

如上文所述,虽然新的程序，使机器适应材料和其他外部影响而变化的条件，但注射单元的精确速度和位置控制仍然是非常重要的。注塑机液压控制的进展开始于恒定的液压泵和手动调整阀，并发展到比例阀和智能泵，可以在设定的速度和压力的基础上加速和施加压力。目前的机器可以使用伺服马达来控制液压泵，在需要时加快速度。为了最大限度地控制液压机上的注射过程，需要使用专用于注射单元的伺服驱动阀。当在注射过程中使用伺服阀时，泵的压力高达100%，而速度和压力则通过直接安装在注射单元外壳上的阀门来精确控制。在这个闭环系统中，伺服阀可以接收实际速度和压力的反馈，并与设定点进行比较，做出快速和精确的调整，相比传统的液压注射机，此系统可实现一个非常精确的注射过程。除了伺服驱动外，实际阀门安装在靠近喷射缸的位置也很重要，因为这将减少反应时间，减少液压流体压缩的影响。伺服液压系统不仅精度极高，而且与以往的液压系统相比，更能有效地提高机器的节能效果(图3)。

结论

本文介绍了注射成型橡胶时应考虑的一些挑战：温度、材料粘度和机器行为等变量如何相互关联，以及如何影响成型零件的工艺稳定性和质量。我们上面描述的解决方案有助于消除或调整这些变量。他们还使机器的能效更高，从而降低了运营成本。该机器的过程控制和可重复性的解决方案使具有更少的操作界面的更全自动化过程的开发成为可能。随着模具加工机械的进步,模具开发者利用先进的技术开发出更少毛边或无边模具,使减少二次操作完成注塑件成为可能。降低废品率、较低的开销和减少的二次操作使每个部件的制造成本降低。这些机器技术的进步使得北美的制造商能够与世界其他地区竞争，并将更多的生产带回北美。