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注塑工艺：可变的冷却时间
Paul Thienel, Bodo Schumacher, Oliver Schnerr

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想把生产迁移至低工资国家的努力导致注塑行业面临着愈来愈紧迫的成本压力，这迫使加工业者尽可能快地推行降低成本的措施，例如新的生产工艺、更高的集成和物资供应上的变化。现在的生产也为节约提供了可观的空间。一种途径是周期时间，它可能超出最短可能值的40%以上。这里的原因存在于差劲的模具热学设计和过度的残余冷却时间，这通常是根据估算而主观地预先设定的。机器操作者也常常加入一个安全余量，以弥补工艺及模具偏差，例如温度和控制波动，并把生产放到一个稳定状态当中。但这常常是以不理想的周期时间为代价，所以是高成本的。根据模温计算冷却时间冷却不仅直接影响在工艺成本，而且对质量也有着显著的影响，这反过来又影响着生产效率。残余冷却时间现在是作为固定值被输入，无法弥补生产过程中偶尔发生的干扰，例如工艺、机器控制和材料的波动。结果是批量生产过程中扭曲、尺寸准确度、表面质量和其它部件特性的变化。为了解决这样的问题，德国South-West-phalia理工大学、Kistler仪器公司和知名的加工企业联合参与了一个研究项目，开发一种系统，脱模点不依赖于固定的周期时间，而是和塑件达到确定热状态的时候有关系。这个步骤不会再把冷却时间保持稳定，而是模具的热学性能。通过测量塑件表面温度和模腔压力，在工艺中逐个周期地确定出塑件的热学状态。残余冷却时间被自动地计算出来，并被直接传送给机器控制装置。此工艺具有重要的优势： ◆ 因为不再有必要估算和输入残余冷却时间，所以试模和安装时间缩短； ◆ 因为冷却时间及周期时间被尽可能地保持短暂，所以经济性方面有了显著的改进； ◆ 因为脱模温度稳定，所以塑件质量尽可能地维持稳定。用于综合测量压力和温度的传感器理想的脱模温度不仅是由所用塑料决定的，而且还由塑件形状所决定。因为皱缩和扭曲过程的复杂性，以及模壁和熔体温度不能预先被准确地确定，所以不可能准确计算出注塑件的脱模温度。只能根据来自原料生产商的引导值和制模商的经验来进行估算，因为在脱模时，以传统壁厚，贯穿塑件截面的温度不会完全相等，从塑件中间到外部总会有一个温度梯度。所以，为了确定理想的脱模点，要利用普通的冷却时间公式。这实现了对残余冷却时间的理论计算。为了确定某一温度下的脱模点，意味着模壁温度和熔体温度的塑料性能必须在冷却过程开始时就已知了。然而，如前所述，最后提到的两个参数是未知的。当然，注塑周期中的熔体温度可以在注塑周期中通过热电偶被实验性地获取，热电偶必须在每个周期被引入到模腔中。然而，这种温度确定方法不适用于生产当中，而主要被用于科学研究。因此，为了自动计算出批量生产中的残余冷却时间，有必要开发一种方法来准确确定模壁温度分布情况和冷却开始时也就是实际填模过程之后的熔体温度。这需要应用组合的温度/压力传感器（图1）。（图片）图1：模腔压力和温度综合传感器的剖面图依靠这种特殊设计的感应器，温度测量在传感器表面进行，当熔体一到达传感器时，和熔体的接触温度就被记录下来。在此点之前，传感器精确地记录模具温度，并提供有关模壁温度分布情况的必要信息。综合的模腔压力传感器探查冷却开始时体积测定式填充的位置（图2）。因此，所有的信息都可用于逐个周期地通过深入的算法来自动解答冷却时间公式，把启动脱模过程的实际冷却时间提供给注塑机。（图片）图2：用模腔压力和温度综合感应器测得的工艺情况在生产中证实的预期在中间时期，上述的方法也在一个大型ABS材料的外壳件（塑件重量约1kg）上被测试。其表面被镜面抛光，必须绝对地无缺陷。工艺的总周期时间为61秒，其中42秒被冷却时间所占据。平均模温为62℃.在彻底的手工优化以后，塑件可以在稳定的冷却时间下被做得有足够的品质。冷却时间缩短到40秒的固定值把工艺旋转到了一个不确定的质量状态。在不定期间断中，塑件表面出现裂纹（图3）。这是由顶针所引起的，因为塑件还没有达到脱模点的正确温度。冷却时间缩短2秒钟使百分之百用肉眼检查塑件成为必要。（图片）图3：没有自动冷却时间计算，在塑件上会偶尔出现裂纹在稳定的72℃脱模温度之下利用自动的冷却时间计算，可以实现39.8-40.3秒之间的冷却时间。在这种情况下，即使在较长的生产时间之内也不会出现裂纹。以这种方式，与安全余量相比，冷却时间被缩短5%。为了检查系统表现，平均模温被升高至70℃.现在该系统自动地增加冷却时间，在同样72℃的温度之下脱模。这个情况里的塑件表面也是完美无瑕的。除了表面性能以外，还有更多针对塑件的测试参数。如果脱模温度保持稳定，它们停留在所需的偏差范围之内。这个例子表明，对于已被人工优化至极限的工艺，冷却时间的自动计算及可能最早的理想变形点可以获得周期时间的进一步缩短，同时保持最佳品质的通常状态。集成于注塑机中对于工业应用，把这种方法集成以于注塑机中是重要的。以受控动作介入到过程中的方法必须以稳定的方式被综合到机器中。已获认可的解决方法被选来推行这种方法。计算法则被综合到工业用载荷放大器中（图4）。Kistler公司多年来在更换点的自动优化上使用这种技术。智能载荷放大器被完全融入到了注塑机控制当中。这确保了最大的工艺稳定性。（图片）图4：带组合自动冷却时间计算的SmartAmp载荷放大器 6/21/2006


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