封闭模腔,继续成型


作者:Priamus系统技术公司 Marcel Fenner 日期:2017/06/27 来源:PT《现代塑料》

以前曾有一句话:不应该用一些封闭的喷嘴来运行多腔热流道模具。但是,在注塑工厂中待过一段时间的人都知道,过不了多久,就会出现一次这样的情况:喷嘴可能被喷嘴尖中的异物阻塞,或者,是关闭了喷嘴加热器,这是由于模腔中有一根断针或有刮痕,或者喷嘴有泄漏等,使得你想封闭模腔。

那么,为什么我们被告知:不要在封闭一些模腔的情况下继续运行模具呢?第一个问题是,其余的模腔不再平衡了。这意味着一些模腔会比其他模腔的充模更快,结果造成一些模腔已经处于保压阶段,而其他模腔仍在充模。这导致了不同的模腔处于不同的保压水平,从而引起部件的重量差异、收缩和尺寸不稳定。最坏的情况是,会导致欠注射或溢料。

一个自动解决方案

平衡未封闭的其余模腔非常具有挑战性,特别是对于高模腔数的模具。但是,采用一种自调节模腔平衡控制系统,这个过程就可以自动完成:它无需操作人员观察部件以及调整喷嘴尖的温度,而是将模腔温度传感器安装到模具的每个型腔中,用以测量从注射开始直到熔体前锋触及传感器的时间(如图1所有)。这个时间被称为“平衡时间”,可测量至毫秒。然后,利用软件对所有模腔的平衡时间进行对比,并用一种算法计算出必须提高或降低哪个喷嘴的温度,以及提高或降低多少。在每一次循环结束后,这一信息即被传送给热流道控制器,然后,该热流道控制器自动调整喷嘴尖的温度,由此而提供了一副完全平衡的模具(如图2所示)。

图1 自动热流道平衡系统测量熔锋触及每个模腔中温度传感器的时间,即“平衡时间”,并自动调节喷嘴尖的温度

图2 在每一次注射循环后,根据模腔温度传感器,热流道平衡系统自动调整喷嘴尖的温度。如果需要,还有软件选项,比如每两次注射后调整温度等

第二个问题是,由于填充的模腔数减少了,所以从注射阶段切换到保压阶段的注射量或切换位置必须得到调整。在封闭一个或多个模腔后,训练有素的技术人员将进行另一项短射研究,以确定新的切换位置或新的注射量数值。如果技术人员训练不够,就会做出粗略的猜测,并将为上述的参数之一设置新的数值。只要不存在短射或溢料,技术人员可能就会心满意足,重新启动生产。但是,这个过程根本就不科学,会导致尺寸不符合要求或材料浪费太多,因为需要将太多的塑料推入模腔中。

正确的做法应该是:利用模腔温度传感器来探测熔锋,以此实现从注射阶段到保压阶段的自动切换。通过实施这一程序,在从注射阶段切换到保压阶段时,塑化后的螺杆位置不会影响到螺杆的切换位置。一旦熔锋触及到模腔温度传感器,软件会探测到模腔温度曲线的上升,并将信号发送给注塑机,以切换至保压阶段。当模腔充模达到约97%时,通常建议切换到保压阶段。

由于存在一个顶出针或冷却线路,因此温度传感器的位置可能永远不在你想要它在的地方。然而,当第一波熔锋触及温度传感器后,控制软件(如Priamus FillControl)会轻易地允许切换信号延迟一定的时间再发送给注塑机,延迟时间可低至1毫秒。只要在充模结束前熔锋到达以使注塑机切换到保压阶段,这就是安全的(如图3所示)。

图3 一旦熔锋触及模腔温度传感器,就将由注入阶段切换到保压阶段的信号发送到注塑机。如果传感器不灵敏,该信号也会延迟

一个“极端”例子

为了说明使用这些控制技术的过程,在Priamus系统技术公司的兄弟公司——Synventive成型解决方案公司(美国马萨诸塞州皮博迪)的实验室中,使用一副4腔、直接阀式浇口模具(图4)开展了一次试验。在第一组试验中,通过采用模腔温度传感器探测熔锋,自动实现了热流道的平衡以及从注射到保压阶段的切换。首先封闭的是4腔模具中的一个模腔,然后是2个模腔,最后是3个模腔。封闭4个模腔中的3个,意味着75%的模腔被封闭,这是相当极端的情况,但将使此概念得到证明。

图4 一副4腔、直接阀控浇口模具被用于封闭模腔的试验

图5中的结果表明,当使用不同数量的敞开模腔时,来自不同模腔的部件,它们之间的重量差异大于来自同一模腔部件之间的重量差异。这正是你想要获得的结果——部件的重量基本上与你正在使用的模腔数量无关。

如图6所示,当越来越少的模腔是敞开的并且需要注入更少的材料时,从注射阶段到保压阶段的切换位置将向后移动以达到更高的缓冲值。显而易见,切换位置和缓冲之间的差异将越来越小,因为更多的模腔被封闭。这一观察是有道理的,因为填充的模腔越少,需要传送到未封闭模腔中用以弥补收缩的塑料也越少。看来,部件的重量与所用的模腔数量无关,但是模腔中的剪切速率是在变化的,这可能会影响部件的质量。例如,如果加工含有高玻纤含量的材料,那么,与较低剪切率下加工的玻璃纤维相比,在较高剪切率下,玻璃纤维会有更多的对齐。较高的剪切率意味着流锋速度较高,当使用高玻纤填充材料时,这将生产出具有更高光泽表面的部件。图7显示了充模阶段的模腔压力和模腔温度曲线,这些曲线涉及:所有的模腔都是敞开的、一个模腔被封闭、两个模腔被封闭以及3个模腔被封闭等几种情况。

图5 没有使用剪切速率控制器时封闭模腔的结果。来自不同模腔的部件之间的重量差异大于来自同一模腔的部件之间的重量差异

图6 不使用剪切速率控制器时,封闭模腔产生了较早的切换位置和较大的缓冲,因为需要较少的熔体填充剩余的敞开模腔

图7 未使用剪切速率控制器时封闭模腔的效果:模腔温度曲线显示更短的平衡时间,且模腔压力曲线变得更加陡峭

可以认识到,平衡时间(从注射开始直到熔锋触及模腔温度传感器的时间)越来越短,因为更多的模腔被封闭,而来自注塑机机筒的塑料体积流量保持不变。从注塑成型的角度来看,这个平衡时间与填充时间非常相似,取决于温度传感器在模腔中的位置。封闭模腔中的模腔温度传感器只测量模腔温度,因为模腔被封闭,没有熔体碰到传感器。此外,可以观察到:当更多的模腔被封闭时,模腔压力曲线的斜率变得更陡峭,原因是熔锋速度提高。

剪切速率的控制

根据封闭模腔的数量,剪切速率变化带来的影响,可以用剪切速率控制器来消除。这种控制器的基本原理是从测量模腔中的剪切速率开始。在这种情况下,剪切速率也可以与熔锋速度或熔锋触及两个模腔传感器之间的时间相关。通常,熔锋碰到的第一个传感器是模腔压力传感器,一般位于浇口附近。在这个位置的模腔压力传感器提供测量剪切应力的额外好处,并且用它也可以测量该模腔中的黏度(如图8所示)。第二个模腔传感器通常是模腔温度传感器,因为它比模腔压力传感器便宜,在这种情况下,只有熔体碰到该传感器的时间是令人感兴趣的。

图8 剪切速率控制包括通过压力传感器和温度传感器测量模腔中的剪切速率和剪切应力

模腔内的剪切速率或熔锋速度直接关系到注塑机的注射速度。所以通过使用剪切速率控制器(如Priamus FillControl Control P软件),就自动控制了注塑机的注射速度。在每次循环过程中,测量模腔中的剪切速率,并与设定值对比,如果有差异,则一个新的注射速度值被发送到注塑机的控制器上。

当我们在试验中应用剪切速率控制器时,可以看出平衡时间稳定保持在约1100毫秒(如图9所示)。这意味着剪切速率和流锋速度保持不变,不管封闭的模腔数是多少。此外,模腔压力曲线的斜率也保持相同。

图9 封闭模腔同时使用剪切速率控制器的结果表明,平衡时间保持相当稳定,约1.1秒,压力曲线保持大致相同

在检查了所制造部件的重量同时应用剪切速率控制器后(如图10所示),很明显,当封闭一个、两个或3个模腔时,同一个模腔中的重量之间的差异变得越来越小。再次,当更多的模腔被封闭时,切换位置和缓冲将增加。因此,通过使用剪切速率控制,不仅有可能实现前后一致的剪切速率和熔锋速度,而且部件重量的差异会更小,这与封闭模腔的数目无关。

图10 使用剪切速率控制器,模腔之间的重量差异比以前要小,采用不同数量的封闭模腔,同一模腔中的部件重量差异也是如此

控制最高模腔压力

对于某些应用,人们希望确保最高模腔压力保持在一个特定的值上。比如,如果在生产一个光学部件的过程中需要达到特定的压力,从而确保光学特性不发生变化,采用压缩控制器即可做到这一点。

比如,Priamus FillControl Control P软件也包括一个压缩控制器。该软件测量每一次循环的最高模腔压力,并将它与设定值比较。如果设定值与测量值之间有差异,则软件就会计算出新的保压压力值,并将该信息发送给注塑机的控制器。然后,注塑机自动改变其保压压力。过程控制系统与注塑机之间的通讯,是通过注塑机的主机界面完成的,这是工业4.0的一个真实应用。

当然,不应该永远用封闭模腔来成型,因为从长远来看生产率会下降。但是,拥有这个能力来确保所要生产部件的交货期,可能是个好主意,特别是如果这个交货时间点是在几个小时以后。在模具中用模腔温度传感器,还会带来其他好处,比如实时模腔温度监测和平衡时间监测,它们第一会对错误的模具温度或阻塞的冷却线路报警,第二可以检测注入熔体黏度的最终变化。

当加工的材料对在机筒和热流道中的停留时间非常敏感时,就不应该封闭模腔,因为在关闭的喷嘴中,材料会随着时间的推移而获得一些热量。你需要与热流道制造商一同来确定:对你的设备而言,封闭模腔是否是可接受的。如果可接受,你现在就有一种方法来封闭模腔并继续成型,即“以可控的方式”封闭模腔。