随着多腔模具的使用日益频繁，以及模腔数量的不断增加，充模不均已成为注塑加工商在生产过程中必须面对和予以解决的问题。为此，热流道系统供应商及其他一些厂商均推出了各自的解决方案。这些方案可能基于不同的技术，但它们的目的却是相同的，即实现注塑的均匀充模。
在多腔模具中，塑料熔体达到平衡流动的公认准则是，使熔体从注射点到每一个模腔都具有相同的流动距离。但是，这种“自然平衡”的多腔模具容易出现非均匀充模的现象，从而导致有的模腔可加工出完好的制品，而有的模腔却只能得到带有缺料、飞边及过度充模等缺陷的制品。这对于注塑加工商而言虽不是一个新问题，但有迹象表明，这一问题的解决，对于那些原本使用简单模具的注塑加工商而言显得非常重要，因为他们已开始使用更复杂的多腔模具。
图1 多腔模具的不平衡充模可以通过监控和调节模具内的压力和温度、采用特殊的熔体旋转工艺、针阀式浇口以及改进热流道设计等方法加以解决。图中的瓶盖模具使用了赫斯基通过计算机辅助分析设计出的热流道分流板
然而，并非所有的被访者都同意上述观点。热流道供应商D-M-E公司的发言人说：“我们看不出更多的充模不平衡问题，主要是因为我们避免了浇口尺寸的改变。”D-M-E公司为预防制品出现潜在的缺陷，在一套几何形状均衡的模具上反复运用Moldflow软件进行了分析，他们得出的结论是：“即使运用了Moldflow分析软件，你所能做的也只是这些。假如你改变了浇口位置，之后制品的熔接缝位置也有所变化，这可能是因为剪切力不平衡而导致的变化，因此你不得不改变浇口尺寸来予以补偿。”然而，D-M-E公司建议，尽量不要进行这样的改动，因为改变浇口尺寸意味着模具加工窗口的缩小。
大多数被访者都认为，多腔模具的不平衡充模确实已成为近年来的一个热议话题。这一部分原因是市场上已经出现了用来解决问题的新的分析方法和新的模具。由新方法可以推断出，平衡模具的不平衡充模在很大程度上是不可避免的。这是由聚合物熔体流动的基本特性所导致的结果。基于这一分析，Beaumont技术公司（BTI）开发了 “MeltFlipper” 专利技术。该技术利用了一种模具插件来消除由模具流道系统引起的温度、剪切力及熔体流动的不平衡状况。
图2 Beaumont公司的MeltFlipper技术专用于解决模具不平衡的问题。 iMARC是其最新型号，可通过对模具分型线的简单调节来改变熔体的旋转程度
虽然很多塑料行业的专家都认可BTI公司所开发的这一专利技术，但它并不是唯一的解决方法。实际上，市场上还有几种解决方案。其中一些相对较新，而且大多都在市场出现过，只不过在较长时间内被人们所忽略。这些技术大体可分为“固定”和“变化”两类。第一类方法是将元件放进模具流道内，以混合或者扰动熔体流。另外一类的解决方法是采用较新设计的热流道喷嘴和分流板，据说这样可以使剪切力诱导的熔体流波动最小化。
第二类解决方法是对每一个模腔进行调整，调整内容包括注射量、压力、温度和剪切力。其中一些方法使用阀式浇口以控制熔体流道的打开和关闭，或者通过部分打开和部分关闭流道，达到调节的目的。另一个方法就是调整模具嵌件的位置以消除各个模腔间剪切力大小的不同。还有就是在模腔内安装压力、温度传感器，以了解每一个模腔在充模时的真实情况，并将反馈信号传送至阀式浇口、喷嘴加热器或者注射活塞上。
注塑加工商究竟应选择采用哪种解决方法，可根据自己的实际情况和技术能力而定：你是想把责任推给模具制造商或热流道供应商，还是想对每个模腔拥有良好的控制能力？也许你想对每个模腔的情况都能施以很好的监控，同时对每一次注射都可获得电子监控记录。
上述这些不同技术都获得了一定的商业成功，但它们也会因成本、易用性、培训和维护而限制注塑加工商对其的使用。同时这些技术还可能存在着加工敏感性和响应性的不同。
剪切力的控制
平衡模具充模的基本理论是确保熔体在同等压力和温度条件下流入每一个模腔。Mold-Masters公司市场和业务开发部副总裁Bruce Catoen称，平衡充模的通常解释是：每一个模腔在90%充满的情况下，各模腔之间注射量的大小差别不能超过10%~20%。
但是，不论你如何确保整个模具的流程长度、流道直径及温度的均一，模具内部始终由其固有的基本物理性质所控制，从而打消你对多模腔平衡流动所做的一切努力。BTI公司的创建者及“MeltFlipper”的发明者John Beaumont博士对于此论断坚信不疑。因为熔体流经流道系统时，会生成数个温度升高的熔体层，靠近模具壁和冷却通道的流动熔体越多，处于流道中心位置的粘性熔体就越多。这是熔体在流道四周通过与模具壁摩擦获得更多的剪切热。Beaumont解释说：“由于存在剪切热，紧靠在流道壁四周的熔体层温度要比中央位置的熔体流温度高出93℃。同时，由于热和切力变稀效应，各熔体流的粘度差可达到1?000倍左右。”
在流道系统内部甚至在部分模腔内会发生熔体层断裂现象，最终的结果是较热的熔体流经一条路径，而较冷的熔体流经另一条路径，这样流入各个模腔的熔体流不再具有相同的温度和粘度。
在单腔模具或双腔模具中，甚至也有类似情况发生，即在每个模腔的不同区域，熔体具有不同的流变性能。Beaumont表示：“这就是我们为什么寻求在模腔内通过控制熔体流变性能来达到更好平衡的原因。熔体通过一个模腔所发生的流变性变化，可以使制品产生表面质量劣化、型芯移位、翘曲及熔合线强度变弱等缺陷。”
Beaumont公司的MeltFlipper及MAX技术是一种特殊的模具设计，也可以说是将嵌件放入热流道系统。这些嵌件通过旋转熔体层使之发生某种程度的取向，从而使所有较热和较冷的熔体层都被均匀分布到每一个分流道上。BTI公司销售和市场部主管David Hoffman说：“熔体旋转不仅均衡分配了熔体层进入所有的模腔，而且还可使熔体层在每一个模腔内得到布置。”这可以实现两大优势，David补充说：“通常控制总注射压力获得的只是糟糕的充模效果，经常包含最冷和最高粘度的熔体流。因此，在所有模腔中均匀地区分出较热和较冷的熔体层流，可降低充模时的总压力。另外，成型周期通常可至少缩短10%，这是因为消除了热量波动和制品尺寸波动。”
MeltFlipper在全球已拥有数千个成功应用的案例，其中一个就是Phillips塑料公司。该公司是一家主要从事加工订制精密注塑制品的企业，为了保证产品质量，过去从来没使用超过4腔的模具。但现在应用MeltFlipper后，已经常使用包括16腔的多腔模具，这使得该企业更具竞争力。BTI公司表示，另有一家客户企业已将MeltFlipper应用到128腔模具中。
BTI公司正在推广MeltFlipper以将其用于热固性塑料成型，据称可将成型周期缩短50%。因为通过均匀分布剪切熔体层，并且在制品内正确地布置熔体层的位置，可以使得材料从外向内及从内向外同步发生固化。
MeltFlipper是一种固定装置。BTI公司看到了调节熔体旋转的必要性，这是基于使用树脂的种类很多、树脂含湿量可能发生变化、模具可能发生不均匀的磨损，以及部分模具用于加工多种制品和模具曾在多台机器上安装运转等。当模具安装在注塑机上时，最新型的iMARC嵌件经简单调整，可改变熔体层的转动角度。
Beaumont表示：“凭借这种最新的技术，加工商可在很小的范围内调节熔体流变的平衡性，从而不会造成任何的流动限制，也不会造成压力损失以及制品缺陷。”
Incoe公司是全球唯一获得BTI公司授权使用MeltFlipper技术的企业，目前其Opti-Flo热流道系统已包括MeltFlipper装置。Incoe公司市场开发部副总裁John Blundy表示，目前已有数百个安装有MeltFlipper的Opti-Flo热流道系统交付客户使用，其成本虽比传统的热流道系统高出10%（包括MeltFlipper技术的授权费），但与采用其他熔体平衡充模技术（如在模腔内安装传感器的技术）的费用相比却低很多。
基于传感器的技术
当BTI公司致力寻找充模不平衡的根本性原因时，其他热流道供应商大都认同一个观点，即如果在制造模具时切削模具钢发生了微小的误差，或者注塑车间的环境有所变化，将增加引起不平衡充模的可能性。为此，这些热流道供应商们提供了多种有别于BTI思路的消除熔体波动性流动的解决方案。这些方案都不考虑造成问题的原因是什么，其焦点均集中于最终的结果，即在相同的时间内和相同的压力下充满所有的模腔。而要获得这样的结果，就必须在成型中选择一些“对象”来进行调整。
为达到平衡充模的目的，对模腔压力检测及控制是一种通用的解决方法。Mold-Masters公司的Catoen说：“各个模腔之间的压力差虽然仅有几bar，但是对于制品质量却有着明显的影响。”
“部分热流道模具在成型过程中会反复出现充模不平衡现象，这样的问题非常难以解决。而压力传感器可以为加工商提供造成缺陷的详细信息，从而使得他们能够更快和更容易地解决这些问题。”RJG公司的合伙人Mike Groleau说道。模腔压力传感器还可自动确定制品的质量，甚至是在模具打开之前。
Groleau认为，注塑加工商经常没有把不均匀的制品与不平衡充模联系起来。评定模具不平衡的一种方法是，停止保压以获得一次缺料注射。在确信所有的制品都缺少一点注射量后，通过称量制品重量就可测出不平衡充模的程度。
Groleau说：“一旦你判断模具发生了不平衡充模，利用模腔压力测量技术有助于找到解决方案。”在某些情况下，可通过调整工艺来补偿不平衡。通过几次试验性注射，模腔压力测量仪可确定第一个充模的模腔何时没有被完全充满，然后在那个充填位置运行一个已设定好的低速注射步骤，以求能在更均匀的压力下实现所有模腔的充模。
RJG公司推出的eDART模腔压力监测和控制系统是专为多腔模具的应用而设计的。其数字传感器技术允许用一条电缆连接多个传感器和监视器，以便于车间场合的使用。
图3 上下两个曲线图来自于 RJG公司的eDART系统。曲线显示了16腔模具因熔体不是同步进入模腔而引起的十分糟糕的充模（上），以及同步充模时的良好充模（下）
另一个模腔压力测量技术的倡导者是瑞士Kistler仪器公司，该公司率先于1975年向市场推出了模腔压力监测概念。Kistler公司塑料产品管理部主管Oliver Schnerr介绍说：“监测熔体压力显得越来越重要。以前的技术要求使用一条单独的电缆将模具与每一个模腔监测仪相连，这意味着多腔模具上需安装杂乱、众多的电缆连线。”但是现在，Kistler公司和其他公司开发了新的多通道技术，允许用一条电缆传送多个传感器的信号（Kistler的方案最多可同时连接8个传感器）。最近，Kistler公司推出了一种24通道落地式模腔压力监测系统——CoMo Injection，该系统可以评定制品质量是合格或是不合格，同时还能实时控制注塑加工过程（例如控制从注射到保压的压力转变）。
图4 多腔模具的压力控制会遇到连线布置的问题。 Kistler公司的CoMo注射控制仪可以利用一条电缆处理最多8个信号
Kistler公司提倡在每个模腔内放置一个传感器，尽管并非所有的用户都选用这样的方法。按照Kistler、RJG及其他企业的说法，使用模腔压力监测仪的好处不仅可揭示最末端的充模情况，而且还提供了完成充模及开始保压时候的压力下降曲线，这可允许对模具内的充模及不平衡问题做出更为详细的诊断。Schnerr说，模腔压力监测仪经常被用来实施监测、诊断及质量控制，同时也对注射过程中的压力转换进行控制。但是，对于多模腔之间的不平衡情形，模腔压力监测仪却可被用来校正各个模腔的充模时间和压力差别。调节平衡时，可通过手动或自动的方式对热流道喷嘴温度予以调整。
MGV Enterprises公司的Intellimold系统使用的是另外一种检测方法对熔体压力进行监测。该系统通过在注塑机喷嘴和模腔内最后充满的末端位置放置压力传感器，对模腔和流道内的熔体的压力进行监测。Intellimold系统使用熔体压力反馈信息，连续控制螺杆的速度，并对整个成型过程进行实时监控，从而使得充模过程中熔体流的前端能够保持压力恒定。MGV Enterprises公司的创始人兼总裁Milko Gergov说“：将两个信号合并成单一控制信号后，允许我们监测和控制注塑机在每一毫秒之内对于材料需要的响应。”他说，熔体流变行为的快速反应，要比通过固定的线性连接元件而得到的传统注射曲线更加精确。顺便提及一下，目前MGV公司提供的Intellimold系统中带有Kistler公司提供的CoMo Injection注塑监测仪。
图5 MGV公司的 Intellimold控制系统在喷嘴和模腔上安装传感器以调节每毫秒的注射速度。这种取代传统的分布曲线的方法，可保证熔体压力恒定在很窄的范围内。该图演示了修正注射两块PP样片流动不平衡的实验过程。左边的厚样片只需4.8MPa的注射压力，而右边薄样片则需要13.8MPa的注射压力。应用 Intellimold控制系统可在13.8MPa的熔体内压下，使两个样条在整个成型周期内都不会出现飞边或者过度充模现象，并且在第一个模腔充模后，熔体压力没有出现最大峰值
据Gergov介绍，在一个多腔或系列模具中控制充模时，只需在最后充模的模腔内安装一个压力传感器。这是因为，Intellimold系统可在整个充模周期内维持模具内部熔体的压力恒定，即使各个模腔不是以同等速率充模。如果某一个模腔先于其他模腔充模，在该模腔充满之后，Intellimold系统可监测到熔体流动阻力增加，并在瞬间降低注射速度，以防止熔体压力出现最大峰值（导致模腔溢料和过量充模）。由此，所有模腔均处于同等充模压力下，从而无需去考虑这些模腔是先充模还是后充模。
MGV公司引用了一个例子：使用一个2腔模具生产聚碳酸酯材质的汽车前灯罩，每个灯罩的重量为500g。在没使用Intellimold系统的加工条件下，1个灯罩的重量是449g，另一个是499g。“当我们启动Intellimold系统后，部件重量恒定在498~499g之间，而且具有更低的内应力和更好的尺寸稳定性。这都是由于制品充模均匀所致。” MGV公司材料及工艺部主管George Feth表示：“同时，成型周期也至少缩短了10%。”
George表示，使用Intellimold可提高制品的冷却效率，这是由于避免了空气被截留在模具壁即熔体流的前端位置。维持正确的内部熔体压力有利于防止制品冷冻表层与模具壁的分离，这种分离可降低制品冷却速度达3~5倍。“这样就不必施加较高的保压压力来迫使制件表皮层紧贴在模具上，从而避免在已经冷却的硬化层内产生应力集中。”他举例说，一家客户应用Intellimold系统在一套96腔模具上进行PET瓶坯的加工，大大缩短了成型周期，从而实现了更高效的注塑生产。
RJG公司的Groleau表示：“从美国前100强注塑加工企业来看，模腔压力监测技术已成为他们的常设技术。在北美地区前10强的注塑加工厂中，已有8家企业使用了我们的监测系统。虽然总体上使用我们系统的企业还不到全美注塑企业的15%，但是它的认可度正在持续上升。”
Groleau指出，在多腔模具中应用这项技术的厂家逐渐增多。RJG公司的监测系统通常应用于16腔或更多腔的模具当中（Kistler称其技术已用在96腔的模具中）。RJG最近推出的新式模腔温度监测系统将允许经济高效地对包含更多模腔的模具实施监控。
Priamus系统技术公司提出了另外一种解决不平衡充模的方法。该公司认为，对模腔压力实施监测，只能获得制品加工的过程信息。该公司总裁Susan Montgomery称：“浇口后的模腔压力是优化加工工艺的最佳信息。但是，通过放置在靠近熔体流道末端的模腔温度监测系统（Fill系统），却可以让我们知道塑料熔体如何充模以及材料粘度是否发生变化。借助这种基于熔体流前端监测的控制系统，我们的客户可将制品的质量稳定性和尺寸稳定性至少提高50%以上。”
图6 Priamus公司的 Fill 系统带有模腔温度传感器和可自动调节的热流道喷嘴加热器，能够将不同模腔生产的一种光学制品的壁厚差控制在最小范围内
Priamus公司的Fill系统专为自动闭环控制的多腔模具及系列模具、多组分材料注射、顺序阀式浇口模具以及LSR模具而设计。该系统可对每个模腔进行充模分析，这种分析是采用一个模腔温度传感器监控熔体流末端的状况，然后比较各个模腔之间的充模时间差异。通过与热流道温度控制仪相连接，Fill系统可自动记录嘴尖的温度，由此实现了全部模腔在同一时间的等量充模。这意味着全部模腔都承受同等的保压压力，从而使所有制品的质量和尺寸更为均一。
Montgomery表示：“这种对材料粘度变化的自动调节补偿方法，更有助于稳定地加工部件。”Fill系统具备软件操作界面，可连接超过20个热流道温度控制器，而且可连接的温控器数量还在逐步增加。目前，有众多的 Fill系统在全球各地的注塑工厂中运行，可监测的模腔数达到128或者更多。
Priamus Fill系统包括一种可选的名为“Priamus Cool”的配置，可与模具温控器和模具冷却回路相连接。通过调整，可实现模具表面温度梯度差最小化。
模腔温度信号可通过机器由第一压力段传送到第二压力段。将这种自动传送信号的方法与“固定水平”转换的方法（设定固定的模腔压力或螺杆位置）相对照，前者同样可给材料粘度的变化实施补偿。一旦熔体流的前端被监测到，从模腔温度传感器获得的信号就会立即被传送出去。
Priamus公司提供单一电缆、多通道传感器系统，以及其他工艺控制选择。2008年，该公司推出了Pass控制仪，可记录模腔压力和温度，而且首次在每一次成型周期中实时在线检测熔体粘度。由此，注塑加工商可以知道他们正在运行的工艺是否正常，以及能够马上知晓制品的质量状况。
一般而言，模腔压力或温度监测控制系统的销售价格在$5000~10000之间，单个传感器的价格在$400~1100之间。
图7 X型多水平热流道分流板在平均分配熔体流动距离的效果方面比老式的H型分流板效果更好，尽管它会增加模具合模的高度（ 图片由Thermoplay/Alba公司提供）
阀式浇口解决方案
另一种克服模具不平衡充模的方法是使用热流道阀式浇口。Ewikon、Mold-Masters以及其他一些热流道供应商都认为，采用顺序阀式浇口克服不平衡充模的成本太高，但是阀式浇口可被用来关闭快速充模模腔内的熔体流，以防止溢料和过量充模，同时允许慢速充模的模腔进行持续充模。Osco公司的销售副总裁Peter Rebholz认为，这种解决方法更适用于加工制品有不同重量和壁厚的系列模具上。他说：“当你预设了不同的充模工艺参数时，如果是在多腔模具中成型同一个制品，使用我们的技术很少出现不平衡充模的问题。”
图8 Mold-Masters的加热喷嘴（上）与Ewikon的Flow Element Technology (下)是两种新型热流道元件。这两种元件是由两块钎焊板连接起来，通过铣削加工而成。由于它们的流道具有更加顺滑的转角，因而可避免不平衡充模的发生
针对模腔的不平衡充模，Osco公司开发了一种比采用顺序阀式浇口更简便且价格不贵的解决方法——熔体流控制系统（FCS）。该系统使用了1个由蜗杆齿轮控制的流动控制阀，加工者只需在注塑机上扳动一个旋钮，即可调节每一个喷嘴的熔体流动状况。而且调节之后还可成为固定设置。FCS系统的成本高于标准的热点式浇口系统，但低于顺序阀式浇口系统。
来自圣万提公司的Dynamic Feed系统也是根据这一概念而开发的。该系统是一种闭环的实时监控熔体流动的系统，通过调整阀式浇口的阀针位置来改变对于熔体流动的限制。该公司汽车业务部经理Joe Lang表示：“利用这套系统，可得到压力与时间的关系曲线图，从而能够正确设置充模速率和保压压力。”Dynamic Feed系统利用安装在模具内的压力传感器控制浇口处的阀针，以维持整个充模周期的压力稳定。“利用传统的阀式浇口或顺序浇口时，分流板中心位置的压力较高，而分流板外部承受的压力较低。因此，熔体流过分流板系统的距离越远，压力损失得越多。” Lang解释说。Dynamic Feed系统通过调整喷嘴处的压力，可在完整的熔体流动路径上均匀地分配压力。
Dynamic Feed系统由热流道、控制器及液压驱动装置组成。利用Windows编程软件，系统可对每一个浇口设置注射和保压参数曲线。控制器则读取压力下降位置的压力值信号，并通过液压缸调节流动控制阀针的位置而使该信号与储存曲线得到匹配。在独立的实时闭环控制系统作用下，每一个阀针可独立地打开，从而实现了每个浇口的独立注射。
图9 赫斯基公司的UltraFlow技术通过在分流板和喷嘴尖设置混合流道来提高熔体的均匀性，而且不会造成熔体压力下降
性能增强的热流道
热流道供应商们说，他们已经在设计、制造方面对元件和系统进行改进，以使自然平衡的模具变为不平衡模具的倾向最小化。例如，D-M-E公司和Mold-Masters公司早在20世纪80年代中期就开始为热流道设计了应用于多腔模具的多水平分流板，以用于替代所有压力降与之相同的H型分流板。供应商们采用一层加热流道叠加在另一层流道之上的设计，开发出具有阶梯式流道的X型和Y型分流板。这种昂贵的加厚型分流板要求注塑机的模板间距更大，但有助于平均分配流道长度，模具也允许设计出更深的模腔。
Mold-Masters公司也提供一种由两块钎焊板构成的分流板，据称可以使成型时出现阻滞点和死点的几率最小化。这两种缺陷通常会在模具上深钻孔槽或有十字交叉型加强筋的位置出现。Catoen解释说：“采用钎焊技术的分流板没有尖锐的转角，类似于深钻孔槽的圆弧半径，因此消除了环绕尖锐转角处的剪切热。我们有一个客户以前使用模腔较浅的模具进行效率不太高的注塑生产，以求确保良好的充模效果。但是后来该企业必须提高生产效率，否则会失去订单。为此，这家企业改用了装有钎焊板热流道系统的叠模。在使用相同注塑机的情况下，不但提高了产量、保持了低废料率，而且使制品重量降低了25%。”
D-M-E公司在其技术资料中阐述了钎焊接板应用于热流道中的优点，但同时也指出了其存在的缺陷，如两块板之间存在着潜在的热量差，可能导致金属材料的疲劳。
Mold-Masters公司以及其他热流道供应商们都强调，为防止不平衡充模，对热流道喷嘴的热量进行均匀的控制十分重要。喷嘴的设计要确保浇口区域的温度准确一致。Catoen说：“这是为了所有热浇口在下一次注射成型时能够同时打开。”(end)
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