在持續(xù)提高生產(chǎn)線產(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。實現(xiàn)產(chǎn)量不斷增長的目標的關(guān)鍵是多腔模具設(shè)計，它可以通過諸如疊模和立方體模具來實現(xiàn)。即使在輸入條件波動的情況下，也能通過依靠智能控制系統(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)

多腔模具的一項基本要求，是各個模腔必須生產(chǎn)出質(zhì)量相同的部件，但這一目標并不是總能夠輕易實現(xiàn)，特別是對于高端模塑件，更是如此。因為隨著模腔數(shù)量的增加，對工藝和模具的要求也越來越高。所有模腔應(yīng)同時填充，這一點至關(guān)重要，因為模具填充不均衡會導(dǎo)致部件質(zhì)量的不可控，即便是同一次注塑中亦是如此?？赡艹霈F(xiàn)的后果包括部件重量不一、尺寸和強度波動、填充過度或不足、表面差異以及翹曲等。采用常規(guī)方法控制工藝十分費力，當出現(xiàn)不希望發(fā)生的過程變化時，可能需要耗費相當長的時間才能進行補救。如果統(tǒng)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，因為即使專家也必須不斷從不同的假設(shè)出發(fā)，而其中一些假設(shè)是錯誤的。當所有模腔同時填充相同體積的成型物料時，多腔模具就會達到平衡。只有這樣，轉(zhuǎn)換點才能同樣適用于所有模腔，而非僅僅是其中幾個。通過讀取安裝在流動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，并通過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，因而無需進行精細填充研究，而對于極小的部件來說，精細填充研究根本是不可能的。這些研究主要是為了進行抽樣和處理嚴重問題。這里的關(guān)鍵點在于檢測發(fā)生于填充階段。相反，使用壓力傳感器監(jiān)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后的某個時間點。

直到幾年前，對于模塑件質(zhì)量相關(guān)問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，成型是一個由PVT特性綜合描述的多維過程，取決于多個參數(shù)。因此，在理論上增加了一個可實際應(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自動轉(zhuǎn)換為相同的填充量。由于材料、材料配混、環(huán)境條件以及機筒、分流道、噴嘴和模具中溫度控制的波動，這種情況會始終存在。

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程控制自動平衡的先行者而著稱。自2001年以來，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)，以自動進行流體前端的檢測。在此期間，公司因為在市場上擁有眾多運行系統(tǒng)得以積累了豐富的技術(shù)經(jīng)驗。根據(jù)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現(xiàn)良好的平衡。

圖1 無論是在不平衡狀態(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間偏移都不同，而平衡狀態(tài)下溫度上升時幾乎不存在時間偏移（來源：?Priamus）

壓力增加表現(xiàn)為不同閾值的時間偏移，而填充階段的溫度升高則通過一種最小而清晰的平衡時間偏移得以表征（圖1）。作為平衡基礎(chǔ)的壓力閾值仍無法準確選取，因此平衡本身也無法確定。對比之下，根據(jù)定制開發(fā)的算法檢測結(jié)果顯示，大量的填充研究表明，模具填充過程中的溫度升高與填充程度和部件重量相關(guān)。

疊模的實際應(yīng)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(wěn)定程序）外殼蓋（采用PBT-GF30材質(zhì)）的模具，被用來對與疊模相關(guān)的具體問題進行了初步研究（圖2）。該模具每個成型面只有四個模腔，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(tǒng)由來自德國巴林根（Bahlingen）的Otto M?nner GmbH提供（圖3），這是一家專門生產(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。機架和疊模熱流道引導(dǎo)管道清晰可見（?Priamus）

疊模遠優(yōu)于分模線模具，因為它們能在設(shè)備占地面積幾乎相同的情況下，達到幾乎兩倍的產(chǎn)出。這意味著單位成本可以大幅降低。然而，其中心部位的機械結(jié)構(gòu)存在潛在弱點，可能導(dǎo)致單次注射部件質(zhì)量的波動以及磨損的增加。由于中心部位通常剛性不是很強，且不能得到模板支撐，可能會在合模力和注射壓力的影響下變形。加之工藝影響，會導(dǎo)致模具填充不均。

圖3 M?nner生產(chǎn)的8個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自動熱流道均衡器的入門級版本，已被用于試驗，以初步了解對疊模的影響，并證明該系統(tǒng)的實用性。質(zhì)量平衡器是一個用戶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系統(tǒng)，該產(chǎn)品極為重視集成的物聯(lián)網(wǎng)（IOT）選項，以便將真實的質(zhì)量數(shù)據(jù)進行聯(lián)網(wǎng)。

自動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(yīng)對控制噴嘴和分流道溫度、確保自動熱流道平衡正常工作起著決定性作用。因此，建議提前對其進行優(yōu)化（圖4）。如果忽略這一點，加熱區(qū)的響應(yīng)就會太慢或過快，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。在動態(tài)應(yīng)用中，由于噴嘴溫度需要不斷變化以補償過程中的波動，因而優(yōu)化顯得更為重要。

具有一條分型線的標準模具通常使用控制器來平衡多腔熱流道模具。當熔體到達位于流動路徑末端每個模腔壁上的溫度傳感器的位置時，其溫度被檢測出來。計算平衡時間偏差，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)置和控制策略進行平衡。圖中顯示了基于自動確定的各型腔溫升平衡時間偏移的熱流道平衡的時間變化。趨勢圖顯示了各種設(shè)置的慣性，最小偏差表示最佳平衡（來源：Priamus）

平衡分為兩個階段。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程如何波動，均將平衡保持在最佳值。工程師所采用的主觀方法，則是通過觀察模塑件的填充水平進行填充研究，然后利用自身經(jīng)驗手動調(diào)整噴嘴溫度，兩者形成了對比。無論如何，不改變已驗證的質(zhì)量參數(shù)就在生產(chǎn)過程中進行人工干預(yù)是不可能的。

圖5 根據(jù)記錄，手動可達到0.1秒的平衡時間偏移優(yōu)化，而通過自動平衡則能實現(xiàn)了0.01秒的時間偏移優(yōu)化。為了達到最佳平衡，必須相應(yīng)地調(diào)整噴嘴溫度

不同的控制策略

因此，在第一次試驗中，一個控制器被用于同時平衡兩個分型面上的所有模腔。為了建立基準，采用手動方式對噴嘴溫度進行調(diào)節(jié)；這產(chǎn)生了約0.1秒的平衡時間偏移。在疊模第一面和第二面的模腔之間，人們并未發(fā)現(xiàn)明顯的填充時間偏移。通過自動平衡，將填充時間偏移穩(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，模塑件的所有試驗參數(shù)如平整度、長度和寬度，都要具有相同的精度。

結(jié)論

這些試驗是已計劃好的多模腔模具后續(xù)試驗的基礎(chǔ)。對于多模腔模具，中心部位剛度低是一個更為重要的問題。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。憑借諸如目前Priamus所提供的即可生產(chǎn)型自動熱流道平衡控制系統(tǒng)，未來采用多模腔疊?；蛄⒎襟w模具生產(chǎn)會變得很簡單。僅僅在幾年前，在這種情況下只會考慮更為保守、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)合運用是有備而來，成功也將順理成章。