塑化系统轴向温度波动的应对策略

在注塑成型工艺的设置中，熔体温度的精确调控是决定最终产品质量的关键，实际生产中通常通过调控料筒温度来实现。但是，设定的料筒温度并不总是与实际所需的目标熔体温度相符。螺杆前室可能会出现显著的温度波动，尤其是在计量行程较大时。这可能引发一系列加工问题，如计量时间波动、熔体不均匀以及模制件性能不一致。为避免温度波动，生产企业往往会在未查明具体原因的情况下，提前选用料筒规格更大的注塑机。通过分析工艺参数及其对熔体温度的影响，可有效提高注塑机的效率，从而充分发挥其产能潜力。

 

标题图：注塑机上的工艺参数记录 © IKV / Dominik Fröls

 

螺杆腔内不均匀的轴向温度分布

颗粒通过耗散和对流所吸收的能量取决于螺杆有效长度。在熔体计量过程中，螺杆有效长度随螺杆后退（平移运动）而持续减小（图1）。由于注塑成型工艺具有周期性特点，螺杆腔内的轴向温度分布尤为不均匀，进而影响熔体的材料均匀性与热均匀性。当计量行程较大时，螺杆有效长度显著减小，这种不均匀性将进一步加剧，最终可能影响制品的质量。

 

螺杆有效长度——料筒温度与熔体温度的对比

熔体温度的精确调节在塑料件注塑成型过程中至关重要。尤其是在工艺启动和参数设置阶段，计量参数（如背压、螺杆转速和料筒温度）在很大程度上依赖于操作人员的经验以及材料制造商的建议。即便是仅1K的微小熔体温度差异也足以显著影响熔体粘度，进而影响注射压力和制品质量。因此，准确掌握实际熔体温度具有重要意义。

 

图1：计量过程中螺杆有效长度的示意图。螺杆有效长度随计量行程增加而减小© IKV

但是，注塑机的喷嘴通常未标配温度传感器，无法直接测量熔体温度。为此，在多数情况下，操作人员会将料筒前段温度设定为与所需熔体温度相当的值。

 

熔体轴向温度分布的测量

为评估实际熔体温度与设定料筒温度的匹配程度，以及机器设定参数（即料筒温度、注射速率和计量体积）对熔体温度的影响，相关试验在一台配备直径55mm螺杆的全液压注塑机（型号：CX160；制造商：克劳斯玛菲）上进行。

 

图2：温度测量喷嘴和试验装置示意图。热电偶伸入熔体流道内2mm© IKV

为此，研究人员选用了一个直径为8mm的开放式测量喷嘴，并为其配备了一个额外的温度传感器。该温度传感器为J型热电偶，直径为2mm，伸入熔体通道2mm深处（图2），可用于熔体温度的局部测量。

 

表1：PP 579S 试验设计的因子与水平。（来源：IKV）

为消除来自模腔的背压，注射操作仅通过塑化单元的喷嘴进行。为确保注塑机自动运行，实验采用了一套由两块夹板和若干间隔柱组成的顶出装置。相关的机器设定参数及测试点汇总于表1中。各测试点之间设有两分钟的停顿。为记录温度分布，依次进行塑料熔体计量、塑化单元后退、熔体挤出至开放空间并同步测温、塑化单元前移，接着等待两分钟后重复上述流程。所用材料为聚丙烯（PP，型号：SABIC PP 579S；制造商：SABIC）。

 

温差随螺杆转速增加而增大

温度测量结果（图3和图4）表明，注射过程中喷嘴内的温度呈上升趋势。达到峰值后，熔体温度显著下降并达到最小值。在注射阶段结束时，温度回升至略低于初始温度的水平。这一趋势在所有测量试验中均可观察到。

 

图3：不同螺杆转速条件下螺杆前室内的轴向温度分布比较（来源：IKV；制图：© Hanser）

图4：不同背压条件下螺杆前室内轴向温度分布比较（来源：IKV，制图：© Hanser）

 

对不同螺杆转速条件下螺杆前室内轴向温度分布结果的比较显示，其曲线形状相似，但特征有所不同（图3）。例如，在高螺杆转速条件下（其他计量参数不变），熔体温差增大了1.5倍。因此，轴向温差随螺杆转速的提高而增大，而这可能导致模制件出现不均匀现象。

 

表2：料筒温度对熔体温差的影响©IKV

为了量化注射过程中的温度波动，研究人员对熔体温差进行了测定（表2）。温度波动即为注射过程中最高温度与最低温度之差。对记录数据的分析表明，轴向温差随料筒温度的升高而增大。

 

高背压条件下热混合效果更佳

对比不同背压对温度波动的影响可知，背压越高，热混合效果越好。与低背压情况相比，注射过程中的温度波动不那么明显（图4）。

在注射起始阶段，注射区附近观测到的熔体温度升高可用以下假设来解释：上一塑化周期的熔体在加热后的螺杆前室内经料筒加热器继续加热，并经历了停留时间，同时因螺杆有效长度达到最大值而承受了更高的剪切能输入。随后熔体温度下降，这是由于螺杆有效长度减小导致剪切热降低所致，新塑化的材料获得的剪切能减少，停留时间也相应缩短。此后，熔体温度再次升高，这是因为螺杆有效长度已缩减至使材料在压缩段受到强烈压缩的程度，高剪切能输入由此产生。

 

料筒温度≠熔体温度

试验结果表明，螺杆前室内的熔体会出现轴向温度分布不均的现象，尤其是在计量行程较大时。试验结果显示，熔体轴向温度分布随计量参数（料筒温度、背压、螺杆转速和计量体积）的变化而变化；高螺杆转速与低背压的组合会导致螺杆前室内的熔体产生显著温差（图3和图4）。总体而言，其温度变化曲线与文献及其他研究中已知的曲线形态相吻合。

料筒温度会对熔体温度产生影响。但是，认为熔体温度与料筒温度相当的观点并不正确。当料筒温度设定为225°C时（图4），熔体温度的平均值高于设定的料筒温度。而当料筒温度设定为260°C时（图3），熔体最高温度仅为253°C，低于设定的料筒温度。在选择合适的计量参数时应考虑这一现象。

 

展望

基于低螺杆转速与高背压相结合可使轴向温度分布均匀化的发现，相应的控制系统正在开发和验证中。作为德国研究基金会（DFG）资助的“OptiPlast”研究项目的一部分，这些研究结果将被用于基于工艺指标的控制系统的后续开发和实施。

本研究旨在借助Paderborner Spritzgiesssimulation（PSI）研究项目中对塑化和保压阶段的辅助建模，深入解析计量过程。目标是在规定的计量时间内实现尽可能均匀且节能的熔体计量，尤其是在临界条件下。其显著特征包括较大的计量行程和较短的周期时间。因此，现代注塑机在计量体积和塑化性能方面的潜力得以充分发挥，并可减少废品产生。

这种方法还有助于对微小的温度波动进行补偿，从而防止温度敏感材料或薄壁部件因出现粘度波动而导致填充问题。

 

本文由荣格独家翻译自Plastics Insights杂志
作者：Maike van Megeren, M.Sc.，Dr.-Ing. Thilo Köbel，Sabrina Hörmann, M.Sc.，Univ.-Prof. Dr.-Ing. Christian Hopmann

 

来源：荣格-《国际塑料商情》

原创声明：
本站所有原创内容未经允许，禁止任何网站、微信公众号等平台等机构转载、摘抄，否则荣格工业传媒保留追责权利。任何此前未经允许，已经转载本站原创文章的平台，请立即删除相关文章。