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疫情下的注塑成型技术正在经历哪些改变

来源:荣格-《国际塑料商情》 发布时间:2021-12-09 706
化工塑料橡胶塑料加工设备模具及零件材料处理、计量与检测原料及混合物添加剂及母粒其他增强塑料 技术前沿
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在过去数月的时间里,许多内部工作流程和开发流程都逐渐放慢并发生了改变。尽管如此,时间并没有停下脚步,注塑成型技术也没有停滞不前。相关的争议和发展受两个主题的影响:数字化和循环经济。本文列举了一些代表这一趋势的产品和项目实例。

任何想要在新冠肺炎疫情期间发布产品和技术的人都觉得他们像在评论一场没有发生的足球比赛。展会、会议、客户活动和参观都已经取消了很长时间或改在了线上。因此,下文只能代表注塑成型的部分趋势。

集成显示器的3D成型塑料面板


大陆集团(Continental)通过薄膜嵌件成型(FIM)、模内装饰(IMD)和注塑压缩成型组合生产了具有集成显示器的大型3D成型仪表板(标题图)。这里的难题是如何同步并排在一起的显示器在白点、色温、色坐标和黑色均匀性方面的技术特性,并使显示器表面和谐地融入驾驶座的线条中。


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为了实施该项目,大陆集团结合了多种特殊的注塑成型工艺。首先通过HPF(高压成型)工艺将二维印刷薄膜变为成品的三维轮廓。然后将该预制件嵌入模具并通过FIM方法背模成型。在IMD工艺中,硬涂层最终通过卷对卷工艺应用到零件上,它与注塑压缩成型相结合可确保零件中极低的应力分布。大陆集团表示,这些工序组合是调试期间的一个新工艺,其所用的机器是世界上独一无二的。


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图1 专门开发的PFS塑化螺杆(物理发泡螺杆)的结构提高了含气熔体的均匀性


3D印刷薄膜在背模成型之前嵌入的注塑模具的重量为16t。由于它非常复杂,因此用可编程逻辑控制器(PLC)的形式配备一定的智能化功能,例如:通过智能手机和WLAN进行操作。PLC负责监控和协调模内60多个执行器和传感器并独立处理注塑机和另外两个次级辅助单元之间的相互作用。因此,大陆集团的项目是一个创新旗舰项目——严格来说是将创意变为新产品、服务和工艺,同时它也是技术和数字化在注塑成型过程中相互作用的典范。

热塑性泡沫注塑成型的新方法


发泡部件有三层结构,其中多孔芯材由两个非泡沫表皮层包围。TFIM(热塑性泡沫注塑成型)工艺的传统密度降低率约为10%,而模具和工艺技术的新进展使(局部)密度降低率最高可达50%,大大提升了该技术的轻量化结构潜力。该技术的另一个优势是可回收性,因为夹层结构由单一材料组成。从技术层面来讲,均匀的气压能够最大限度地减少翘曲并提高再生产的精确度,通过将气体用作加工过程中的增塑剂,根据气体和浓度的不同,其粘度最多可降低50%,它在某些情况下还可以使用较小的机器。奥地利约翰·开普勒林茨大学聚合物注塑成型和工艺自动化研究所(IPIM)与Chase能力中心和ENGEL正在开发一种使用了优化塑化螺杆的新工艺技术(图1)以及可在动态条件下在线测定气体溶解度的新方法。


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这里的关键因素是混合物的压缩模量,它代表着压力升高导致的体积变化。这些方法还有助于实现工艺优化,例如:背压自动降低到所需的最小值来减少磨损和能源消耗并改善输送行为。


人工智能(AI)为发泡工艺的优化提供了更大的潜力,更确切地说是利用IPIM开发和训练的卷积神经网络(CNN)来通过TFIM工艺优化零件表面。其目标是为未知工艺找到合适的工艺设置而不经过复杂的测试。未来,系统应能自动抵消和设置参数相关的设置过程的偏差。

用于注塑成型工艺控制的模具集成辅助系统


基于机器学习算法,项目合作伙伴德国Schneider Form GmbH公司和施马尔卡尔登大学正在开发一种用于极其复杂并且极具挑战性的零件规格的注塑成型生产控制的模具集成辅助系统,简称Wasabi。数字助理在生产周期中实施间接的永久性质量控制,同时将每个注塑成型工艺都需要的模具排气考虑在内。


该系统的开发旨在对当前的工艺周期做出易于理解的前期评估,即使是缺乏经验的人员也可以借此评估工艺稳定性和零件质量。该系统能够缩短重设模具的启动程序,确保整个周期的永久监控,记录不必要的机械应力并对安装人员和QM员工进行支持。项目合作伙伴表示,该工艺的相关知识应一直保留在需要的地方,即模具上。
为了开发该系统,汽车保险杠被选作研究对象,因为其零件规格非常复杂且具有挑战性。为了确定测量数据,两个半模中共分布了26个传感器(模腔压力、熔体前沿、模具温度、位移测量和模具排气)(图2)。经过多个系列的测试之后,实验设计(DoE)数据库被创建来确定影响目标标准质量的相关参数。模具的局部变形也可以得到验证,因为这对零件质量(毛边)和模具寿命都会产生不良影响。针对参数和质量标准之间的线性关系以及参数之间的相互作用,在特别修改的程序的帮助下,机器学习的目标方法的特征组合也被算出。一种合适的机器学习方法是支持向量机(Support Vector Machines)模型中的支持向量回归(SVR)。

极度完美的注塑压缩成型


注塑压缩工艺本身并不是一项世界性的创新技术。但是,与汽车运动座椅背光面板等智能应用的结合也是个挑战。照明技术专家Lumitec与阿博格(Arburg)一起优化了电致发光薄膜的注塑压缩成型。这种不到1mm厚的多层薄膜的特点是在施加电场时会发光。两个电极之间存在所谓的电介质;其中一个电极通常由印有氧化铟锡结构的透光塑料薄膜组成,另一个电极反射光线。它们被安装在座椅靠背上,可用作汽车开门时的识别装置和带有彩色背光的“欢迎指示灯”(图3)。


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在这个过程中,薄膜在模具中热预成型,所以最终成型只能通过注塑压缩工艺实现。注塑压缩是一种低压工艺,保压阶段被压缩工艺所取代,因此薄膜和装饰层等嵌件得以被保留。

机器制造商辅助系统


拥有iQ weight control(ENGEL)、aXw Control PressurePilot(阿博格)、APC plus(克劳斯玛菲)和HiQ Flow(威猛巴顿菲尔)等产品的大型注塑机制造商目前推出了自适应过程控制器来有针对性地应对工艺波动。此时,定点曲线在注射阶段(一部分在保压阶段)进行调整以实现机器内熔体的恒粘。这一点的基础是通过注射功控制、保压曲线或注射阶段到保压阶段转换点的动态调整等形成的。


举例来说,威猛巴顿菲尔公司的HiQ Flow辅助系统会在注射和保压过程中对粘度偏差进行监控、记录和控制来获得不受材料粘度影响的高质量零件。在注射阶段检测到的粘度变化会在同一注射过程中被主动校正(图4),因为注射压力、液压缸表面积和注射活塞位置的积分已经确定。基于参考注射,转换点和保压水平可根据当前注射的注射功确定。


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其中一些功能并不新鲜,它们早在1980年代就注册了专利。仅实施就花了数年时间。考虑到生物塑料和回收材料的加工不断增长,而这不可避免会带来较大的工艺波动,自适应过程控制的原则无疑是朝着正确方向迈出的一步。为了完整起见,还值得一提的是,对于熔体而言,它还有一个“机器后的使用期”,即在热流道和模腔中的周期。这些纯粹基于机器的解决方案在多腔系列模具中的受限程度还有待观察。


但是,辅助系统并不仅限于自适应过程控制;它们的应用范围扩展到了众多领域,包括工艺优化、生产、预测性维护和服务等。通过与ENGEL公司工艺技术部主管Johannes Kilian的对话,这一历程的方向变得清晰:这是一个优化调整工艺来尽可能减少错误并简化路线的问题。他举了iQ process observer生产监察辅助系统作为例子,部分选定客户自2021年5月开始一直在使用该系统。该系统并不是一个过程控制器,它根据统计指标和一些随机方法检查流程的走向并计算出更改建议。该系统还被计划用作网络应用,因此还应使流程更加透明,从而尽可能简化应用。

机器了解零件——机器集成仿真


ENGEL使用的模拟数据方法也趋于同一方向。Sim link是Autodesk Moldflow仿真软件的智能接口,它用于转换注塑成型模拟的数据集并检查其准确性。大体上,该产品被视作一个80%的解决方案,可为用户提供支持。最终,客户必须优化其工艺,然后通过智能辅助系统(例如:iQ weight control)保持工艺稳定。总的来说,Johannes Kilian认为ENGEL的iQ产品成长迅速,但发展并不是最终目标,它们还必须获得经济回报。


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通过与软件供应商Simcon合作,机器制造商阿博格已经实现了仿真和机器控制的结合。在一次采访过程中,Eberhard Duffner(阿博格)和Paul F. Filz(Simcon)共同解释了这一概念。该概念分两个阶段实现。第一步,通过仿真软件执行填充助手,它将以3D形式呈现填充过程(图5)。同样,其目的是使设置人员工作更轻松,这样他就不必解释复杂的图表,例如:随时间变化的螺杆运动和压力曲线。


第二步是消除质量问题并通过易于理解的方式表明工艺波动。目前这种方法局限在应用和材料上。由于可压缩性和热流道自身使用寿命问题,带有多个模腔并且热流道体积大的模具目前被排除在外,因为这些因素根本无法进行模拟。

数字化的其他说法


术语“数字化”以一种非常笼统的方式被用于必须交换各种数据的地方。对于一些中小型企业来说,使用Microsoft Teams等项目管理工具就是数字化。对于其他一些公司来说,该术语是测量数据和其他数字信息接口和协议的同义词,而高级用户则将其理解为用于生产计划管理等活动的完全联网的MES系统(图6)。


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无论是机器集成方案还是外部供应商方案,数字化解决方案在很大程度上适用于各个阶段。这些产品包括阿博格主机系统ALS、克劳斯玛菲Plastics 4.0、ENGEL的injection 4.0、Wittmann 4.0、住友(SHI)德马格myConnect和KePlast EasyNet(图7:Keba智能工厂产品组合概况)。它们是未来发展的基础,例如:用于提高生产效率以及简化流程并使其更加透明。

自动化和人工智能


为了长期保有竞争力,Vorwerk与德国杜伊斯堡埃森大学产品工程研究所(IPE)决定共同对100%在线质量相关数据记录系统的附加值以及基于工艺数据直接预测零件质量的方法进行研究。通过真空吸尘器的过滤器盖(图8),他们对TPE密封唇的完整成型和TPE轮廓的正确周边位置做了更详细的研究。为了记录宽度尺寸的变化,具有黑白传感器和21兆像素分辨率的摄像系统被采用,它会在零件脱模后立即对其进行扫描。


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首先确定成型尺寸,然后自动记录并附上时间戳。因此,注塑机和摄像系统的时间必须通过公司网络中的时间服务器进行同步。除了与光学在线质量相关的记录外,他们还对所考虑的质量特征是否也可间接预测进行了研究,其中建模起着关键作用。七个先进的学习过程(包括神经网络、支持向量机、高斯过程回归)并行训练并相互较量,最终只有具有最佳验证数据的模型被用于预测(图8)。


这也是一种非常特别的方法,但是,如往常一样它必须适合通用应用。例如:用相机系统记录时必须考虑到零件的收缩尚未完成。Vorwerk还指出,预测只有在假定学习阶段使用的都是高标准质量数据的情况下才能进行。

行业需要新想法


数字化转型领域的一个典型例子是matriq公司最新的产品标识系统,它适用于注塑、吹塑和热成型塑料制品(图9)。在这里,通过为具有唯一编码的每个部件加商标,每个产品都会被单独赋予不可分割的产品标记。每个编码每次都循环生成,因此每个零件都清晰可追溯。与下游系统(例如:激光、印刷和粘贴标签)相比,这一步在零件制造过程中直接执行。复杂且昂贵的网络解决方案的成效由此显著增加。


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可持续发展——超级热点


可持续发展是当代的一大主题,它也可能决定了未来展会的主题。目前主题尚未确定,但回收必将占有一席之地,因为克劳斯玛菲已经通过升级回收的例子丰富了循环经济的主题。注塑成型的塑料桶在外面被切碎并作为次料进入材料循环。


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在双螺杆挤出机的帮助下,次生原料加入颜料和20%的滑石粉后变成了一种新的升级回收颗粒原料。利用这种后工业材料,具有织物表面的A柱覆盖层(汽车行业的高科技部件)最终通过注塑成型制造(图10)。克劳斯玛菲将自己视作市场上唯一一家由单一供应商提供该循环所需的交钥匙系统的制造商,因此是一家循环经济解决方案供应商。

结语


如果您想起上一次在德国杜塞尔多夫举办的K展,有两个主题会令您印象深刻:数字化工业4.0和循环经济。第一个热点达到巅峰时,第二个热点才刚刚开始飞速发展。硬件和软件平台、接口和辅助设备等数字化辅助工具目前已广泛存在。产品已经上市,但不幸的是,它们往往不够规范并且很难兼容。现在到了简化和工艺自动化这些更特别更有创意的部分。这就需要想法、算法以及一点儿人工智能。过程控制领域将分清优劣。至于可持续发展,巅峰尚未到来。我们可以拭目以待,看看该行业如何在技术和商业上满足绿色新政的政治要求。


本文翻译自KUNSTSTOFFE INTERNATIONAL杂志


来源:荣格-《国际塑料商情》


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