在持續(xù)提高生產(chǎn)線(xiàn)產(chǎn)量的不懈努力背后，是對(duì)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的追求和成本壓力的不斷增長(zhǎng)。實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量不斷增長(zhǎng)的目標(biāo)的關(guān)鍵是多腔模具設(shè)計(jì)，它可以通過(guò)諸如疊模和立方體模具來(lái)實(shí)現(xiàn)。即使在輸入條件波動(dòng)的情況下，也能通過(guò)依靠智能控制系統(tǒng)獲得始終如一的高產(chǎn)品質(zhì)量，從而滿(mǎn)足工藝，尤其是多腔成型工藝日益提高的需求。
用于生產(chǎn)ESP外殼蓋的“質(zhì)量均衡器”系統(tǒng) (?Priamus)
多腔模具的一項(xiàng)基本要求，是各個(gè)模腔必須生產(chǎn)出質(zhì)量相同的部件，但這一目標(biāo)并不是總能夠輕易實(shí)現(xiàn)，特別是對(duì)于高端模塑件，更是如此。因?yàn)殡S著模腔數(shù)量的增加，對(duì)工藝和模具的要求也越來(lái)越高。所有模腔應(yīng)同時(shí)填充，這一點(diǎn)至關(guān)重要，因?yàn)槟＞咛畛洳痪鈺?huì)導(dǎo)致部件質(zhì)量的不可控，即便是同一次注塑中亦是如此。可能出現(xiàn)的后果包括部件重量不一、尺寸和強(qiáng)度波動(dòng)、填充過(guò)度或不足、表面差異以及翹曲等。采用常規(guī)方法控制工藝十分費(fèi)力，當(dāng)出現(xiàn)不希望發(fā)生的過(guò)程變化時(shí)，可能需要耗費(fèi)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間才能進(jìn)行補(bǔ)救。如果統(tǒng)計(jì)分析采用的是隨機(jī)抽樣而非逐批逐件檢驗(yàn)的方式，則往往無(wú)法檢出不良品。
在平衡原則上的部分分歧
在這種情況下，必須明確規(guī)定均一平衡的含義，因?yàn)榧词箤?zhuān)家也必須不斷從不同的假設(shè)出發(fā)，而其中一些假設(shè)是錯(cuò)誤的。當(dāng)所有模腔同時(shí)填充相同體積的成型物料時(shí)，多腔模具就會(huì)達(dá)到平衡。只有這樣，轉(zhuǎn)換點(diǎn)才能同樣適用于所有模腔，而非僅僅是其中幾個(gè)。通過(guò)讀取安裝在流動(dòng)路徑末端模具壁上的熱傳感器上的讀數(shù)，能可靠、有效地指示該轉(zhuǎn)換點(diǎn)，并通過(guò)溫度的升降檢測(cè)流體前端到達(dá)的位置（例如，溫度下降發(fā)生在LSR的情況下）。
由于使用了傳感器，因而無(wú)需進(jìn)行精細(xì)填充研究，而對(duì)于極小的部件來(lái)說(shuō)，精細(xì)填充研究根本是不可能的。這些研究主要是為了進(jìn)行抽樣和處理嚴(yán)重問(wèn)題。這里的關(guān)鍵點(diǎn)在于檢測(cè)發(fā)生于填充階段。相反，使用壓力傳感器監(jiān)測(cè)模腔中的壓力閾值則僅利用壓縮階段，因此是發(fā)生在成型配混料停止流動(dòng)后的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)。
直到幾年前，對(duì)于模塑件質(zhì)量相關(guān)問(wèn)題的研究還一直聚焦于模腔壓力，但現(xiàn)在人們已經(jīng)知道，成型是一個(gè)由PVT特性綜合描述的多維過(guò)程，取決于多個(gè)參數(shù)。因此，在理論上增加了一個(gè)可實(shí)際應(yīng)用的質(zhì)量維度。例如，如果溫度和粘度發(fā)生變化，相同的模腔壓力并不會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為相同的填充量。由于材料、材料配混、環(huán)境條件以及機(jī)筒、分流道、噴嘴和模具中溫度控制的波動(dòng)，這種情況會(huì)始終存在。
Priamus System Technologies是Barnes Group Suisse Industries LLC的一家分公司，以多模腔熱流道模具和其它過(guò)程控制自動(dòng)平衡的先行者而著稱(chēng)。自2001年以來(lái)，這家總部位于瑞士沙夫豪森（Schaffhausen）的公司一直在使用內(nèi)置了模腔溫度傳感器的系統(tǒng)，以自動(dòng)進(jìn)行流體前端的檢測(cè)。在此期間，公司因?yàn)樵谑袌?chǎng)上擁有眾多運(yùn)行系統(tǒng)得以積累了豐富的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)其經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于要求較高的部件，壓縮階段的模腔壓力閾值不利于實(shí)現(xiàn)良好的平衡。
圖1 無(wú)論是在不平衡狀態(tài)（左）還是在平衡狀態(tài)（右）下，不同壓力水平的型腔壓力信號(hào)之間的時(shí)間偏移都不同，而平衡狀態(tài)下溫度上升時(shí)幾乎不存在時(shí)間偏移（來(lái)源：?Priamus）
壓力增加表現(xiàn)為不同閾值的時(shí)間偏移，而填充階段的溫度升高則通過(guò)一種最小而清晰的平衡時(shí)間偏移得以表征（圖1）。作為平衡基礎(chǔ)的壓力閾值仍無(wú)法準(zhǔn)確選取，因此平衡本身也無(wú)法確定。對(duì)比之下，根據(jù)定制開(kāi)發(fā)的算法檢測(cè)結(jié)果顯示，大量的填充研究表明，模具填充過(guò)程中的溫度升高與填充程度和部件重量相關(guān)。
疊模的實(shí)際應(yīng)用
在德國(guó)施瓦格恩（Schwaigern）的Walter S?hner GmbH & Co. KG，一只用于制造ESP（電子穩(wěn)定程序）外殼蓋（采用PBT-GF30材質(zhì)）的模具，被用來(lái)對(duì)與疊模相關(guān)的具體問(wèn)題進(jìn)行了初步研究（圖2）。該模具每個(gè)成型面只有四個(gè)模腔，但對(duì)研究不同的控制策略仍然有用。集成到模具中的熱流道系統(tǒng)由來(lái)自德國(guó)巴林根（Bahlingen）的Otto M?nner GmbH提供（圖3），這是一家專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)多模腔模具的公司，包括多模腔疊模。
圖2 疊模內(nèi)部視圖。機(jī)架和疊模熱流道引導(dǎo)管道清晰可見(jiàn)（?Priamus）
疊模遠(yuǎn)優(yōu)于分模線(xiàn)模具，因?yàn)樗鼈兡茉谠O(shè)備占地面積幾乎相同的情況下，達(dá)到幾乎兩倍的產(chǎn)出。這意味著單位成本可以大幅降低。然而，其中心部位的機(jī)械結(jié)構(gòu)存在潛在弱點(diǎn)，可能導(dǎo)致單次注射部件質(zhì)量的波動(dòng)以及磨損的增加。由于中心部位通常剛性不是很強(qiáng)，且不能得到模板支撐，可能會(huì)在合模力和注射壓力的影響下變形。加之工藝影響，會(huì)導(dǎo)致模具填充不均。
圖3 M?nner生產(chǎn)的8個(gè)分流道的熱流道系統(tǒng)，用于帶襯套、分流道和噴嘴的疊模（? Walter S?hner）
新的“質(zhì)量均衡器”系統(tǒng)是Priamus的FillControl H自動(dòng)熱流道均衡器的入門(mén)級(jí)版本，已被用于試驗(yàn)，以初步了解對(duì)疊模的影響，并證明該系統(tǒng)的實(shí)用性。質(zhì)量平衡器是一個(gè)用戶(hù)友好型多模腔熱流道模具平衡控制系統(tǒng)。作為質(zhì)量監(jiān)視器這一新系列的首個(gè)系統(tǒng)，該產(chǎn)品極為重視集成的物聯(lián)網(wǎng)（IOT）選項(xiàng)，以便將真實(shí)的質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。
自動(dòng)熱流道平衡的更細(xì)微之處
為確定熱流道控制器的適用性，人們開(kāi)始了一系列試驗(yàn)，以驗(yàn)證和優(yōu)化G24熱流道控制器的PID控制器（制造商：德國(guó)Wiesbaden的Gammaflux Controls GmbH）。PID控制器的反應(yīng)對(duì)控制噴嘴和分流道溫度、確保自動(dòng)熱流道平衡正常工作起著決定性作用。因此，建議提前對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化（圖4）。如果忽略這一點(diǎn)，加熱區(qū)的響應(yīng)就會(huì)太慢或過(guò)快，從而導(dǎo)致部件性能下降，甚至在靜態(tài)應(yīng)用中也是如此。在動(dòng)態(tài)應(yīng)用中，由于噴嘴溫度需要不斷變化以補(bǔ)償過(guò)程中的波動(dòng)，因而優(yōu)化顯得更為重要。
具有一條分型線(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)模具通常使用控制器來(lái)平衡多腔熱流道模具。當(dāng)熔體到達(dá)位于流動(dòng)路徑末端每個(gè)模腔壁上的溫度傳感器的位置時(shí)，其溫度被檢測(cè)出來(lái)。計(jì)算平衡時(shí)間偏差，然后根據(jù)特殊算法改變熱流道噴嘴的溫度，以自動(dòng)平衡模具填充。
圖4 采用不同的PID參數(shù)設(shè)置和控制策略進(jìn)行平衡。圖中顯示了基于自動(dòng)確定的各型腔溫升平衡時(shí)間偏移的熱流道平衡的時(shí)間變化。趨勢(shì)圖顯示了各種設(shè)置的慣性，最小偏差表示最佳平衡（來(lái)源：Priamus）
平衡分為兩個(gè)階段。第一階段是將模具從非平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)換為平衡狀態(tài)，而第二階段是不論過(guò)程如何波動(dòng)，均將平衡保持在最佳值。工程師所采用的主觀方法，則是通過(guò)觀察模塑件的填充水平進(jìn)行填充研究，然后利用自身經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)調(diào)整噴嘴溫度，兩者形成了對(duì)比。無(wú)論如何，不改變已驗(yàn)證的質(zhì)量參數(shù)就在生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行人工干預(yù)是不可能的。
圖5 根據(jù)記錄，手動(dòng)可達(dá)到0.1秒的平衡時(shí)間偏移優(yōu)化，而通過(guò)自動(dòng)平衡則能實(shí)現(xiàn)了0.01秒的時(shí)間偏移優(yōu)化。為了達(dá)到最佳平衡，必須相應(yīng)地調(diào)整噴嘴溫度
不同的控制策略
因此，在第一次試驗(yàn)中，一個(gè)控制器被用于同時(shí)平衡兩個(gè)分型面上的所有模腔。為了建立基準(zhǔn)，采用手動(dòng)方式對(duì)噴嘴溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)；這產(chǎn)生了約0.1秒的平衡時(shí)間偏移。在疊模第一面和第二面的模腔之間，人們并未發(fā)現(xiàn)明顯的填充時(shí)間偏移。通過(guò)自動(dòng)平衡，將填充時(shí)間偏移穩(wěn)定控制在最小值（< 0.01 s），將噴嘴溫度調(diào)整到材料的允許加工極限內(nèi)。此外，模塑件的所有試驗(yàn)參數(shù)如平整度、長(zhǎng)度和寬度，都要具有相同的精度。
結(jié)論
這些試驗(yàn)是已計(jì)劃好的多模腔模具后續(xù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)。對(duì)于多模腔模具，中心部位剛度低是一個(gè)更為重要的問(wèn)題。由于精密產(chǎn)品用模具有大幅度降低成本的潛力，并且能在穩(wěn)健的工藝中取得很高的生產(chǎn)效率，因此在醫(yī)療與制藥行業(yè)以及包裝行業(yè)的需求不斷增長(zhǎng)。憑借諸如目前Priamus所提供的即可生產(chǎn)型自動(dòng)熱流道平衡控制系統(tǒng)，未來(lái)采用多模腔疊模或立方體模具生產(chǎn)會(huì)變得很簡(jiǎn)單。僅僅在幾年前，在這種情況下只會(huì)考慮更為保守、成本卻更高、模具更小的替代方法。如果新技術(shù)與智能模具概念的結(jié)合運(yùn)用是有備而來(lái)，成功也將順理成章。