在持續提高生產(chǎn)線(xiàn)產(chǎn)量的不懈努力背后，是對競爭優(yōu)勢的追求和成本壓力的不斷增長(cháng)。實(shí)現產(chǎn)量不斷增長(cháng)的目標的關(guān)鍵是多腔模具設計，它可以通過(guò)諸如疊模和立方體模具來(lái)實(shí)現。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 (?Priamus)

多腔模具的一項基本要求，是各個(gè)模腔必須生產(chǎn)出質(zhì)量相同的部件，但這一目標并不是總能夠輕易實(shí)現，特別是對于高端模塑件，更是如此。因為隨著(zhù)模腔數量的增加，對工藝和模具的要求也越來(lái)越高。所有模腔應同時(shí)填充，這一點(diǎn)至關(guān)重要，因為模具填充不均衡會(huì )導致部件質(zhì)量的不可控，即便是同一次注塑中亦是如此。可能出現的后果包括部件重量不一、尺寸和強度波動(dòng)、填充過(guò)度或不足、表面差異以及翹曲等。采用常規方法控制工藝十分費力，當出現不希望發(fā)生的過(guò)程變化時(shí)，可能需要耗費相當長(cháng)的時(shí)間才能進(jìn)行補救。如果統計分析采用的是隨機抽樣而非逐批逐件檢驗的方式，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，必須明確規定均一平衡的含義，因為即使專(zhuān)家也必須不斷從不同的假設出發(fā)，而其中一些假設是錯誤的。當所有模腔同時(shí)填充相同體積的成型物料時(shí)，多腔模具就會(huì )達到平衡。只有這樣，轉換點(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，能可靠、有效地指示該轉換點(diǎn)，并通過(guò)溫度的升降檢測流體前端到達的位置（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)行精細填充研究，而對于極小的部件來(lái)說(shuō)，精細填充研究根本是不可能的。這些研究主要是為了進(jìn)行抽樣和處理嚴重問(wèn)題。這里的關(guān)鍵點(diǎn)在于檢測發(fā)生于填充階段。相反，使用壓力傳感器監測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。因此，在理論上增加了一個(gè)可實(shí)際應用的質(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)轉換為相同的填充量。由于材料、材料配混、環(huán)境條件以及機筒、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(zhù)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置了模腔溫度傳感器的系統，以自動(dòng)進(jìn)行流體前端的檢測。在此期間，公司因為在市場(chǎng)上擁有眾多運行系統得以積累了豐富的技術(shù)經(jīng)驗。根據其經(jīng)驗，對于要求較高的部件，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）。作為平衡基礎的壓力閾值仍無(wú)法準確選取，因此平衡本身也無(wú)法確定。對比之下，根據定制開(kāi)發(fā)的算法檢測結果顯示，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)際應用

在德國施瓦格恩（Schwaigern）的Walter S?hner GmbH & Co. KG，一只用于制造ESP（電子穩定程序）外殼蓋（采用PBT-GF30材質(zhì)）的模具，被用來(lái)對與疊模相關(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由來(lái)自德國巴林根（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 疊模內部視圖。機架和疊模熱流道引導管道清晰可見(jiàn)（?Priamus）

疊模遠優(yōu)于分模線(xiàn)模具，因為它們能在設備占地面積幾乎相同的情況下，達到幾乎兩倍的產(chǎn)出。這意味著(zhù)單位成本可以大幅降低。然而，其中心部位的機械結構存在潛在弱點(diǎn)，可能導致單次注射部件質(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，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，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”系統是Priamus的FillControl H自動(dòng)熱流道均衡器的入門(mén)級版本，已被用于試驗，以初步了解對疊模的影響，并證明該系統的實(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。作為質(zhì)量監視器這一新系列的首個(gè)系統，該產(chǎn)品極為重視集成的物聯(lián)網(wǎng)（IOT）選項，以便將真實(shí)的質(zhì)量數據進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。

自動(dòng)熱流道平衡的更細微之處

為確定熱流道控制器的適用性，人們開(kāi)始了一系列試驗，以驗證和優(yōu)化G24熱流道控制器的PID控制器（制造商：德國Wiesbaden的Gammaflux Controls GmbH）。PID控制器的反應對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(zhù)決定性作用。因此，建議提前對其進(jìn)行優(yōu)化（圖4）。如果忽略這一點(diǎn)，加熱區的響應就會(huì )太慢或過(guò)快，從而導致部件性能下降，甚至在靜態(tài)應用中也是如此。在動(dòng)態(tài)應用中，由于噴嘴溫度需要不斷變化以補償過(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)的標準模具通常使用控制器來(lái)平衡多腔熱流道模具。當熔體到達位于流動(dòng)路徑末端每個(gè)模腔壁上的溫度傳感器的位置時(shí)，其溫度被檢測出來(lái)。計算平衡時(shí)間偏差，然后根據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參數設置和控制策略進(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。趨勢圖顯示了各種設置的慣性，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(guān)方法，則是通過(guò)觀(guān)察模塑件的填充水平進(jìn)行填充研究，然后利用自身經(jīng)驗手動(dòng)調整噴嘴溫度，兩者形成了對比。無(wú)論如何，不改變已驗證的質(zhì)量參數就在生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行人工干預是不可能的。

圖5 根據記錄，手動(dòng)可達到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)現了0.01秒的時(shí)間偏移優(yōu)化。為了達到最佳平衡，必須相應地調整噴嘴溫度

不同的控制策略

因此，在第一次試驗中，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，采用手動(dòng)方式對噴嘴溫度進(jìn)行調節；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)間偏移穩定控制在最小值（< 0.01 s），將噴嘴溫度調整到材料的允許加工極限內。此外，模塑件的所有試驗參數如平整度、長(cháng)度和寬度，都要具有相同的精度。

結論

這些試驗是已計劃好的多模腔模具后續試驗的基礎。對于多模腔模具，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，并且能在穩健的工藝中取得很高的生產(chǎn)效率，因此在醫療與制藥行業(yè)以及包裝行業(yè)的需求不斷增長(cháng)。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，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合運用是有備而來(lái)，成功也將順理成章。