断续模温控制技术的试验研究与改良发展

作者：WALTER MICHAELI    来源：KUNSTSTOFFE INTERNATIONAL杂志

欢迎访问e展厅 展厅 1 塑料模具展厅 注塑模具, 吹塑模具, 挤出模具, 吸塑模具, 瓶胚模具, ... 模温控制技术－断续温控系统的优势是成本低廉且冷却率高,可以大幅节约模具冷却的成本，特别是针对单个模具进行若干独立环路冷却，其优势更得以彰显。研究机构对此展开了一项试验研究项目，研究结果将体现断续温控系统的实际应用性能以及适用环境条件。 成本节约和成型质量一直是注塑加工生产最重视的两个方面，因此与这两方面都息息相关的模具冷却技术在近年来日益成为关注焦点。着眼于模具和设备两方面的新模温控制技术越来越多地涌入市场，虽然这些新技术改良的最终受益者是其用户，但具体能让用户获益多少，往往并不明朗。这些新技术中特别突出的断续温控技术，一再被推上焦点的舞台。 与连续温控系统的恒定温控介质流设计不同，断续温控系统使用的是周期控制冷水脉冲由环路流经模具。脉冲长度由设定的标称模温决定。温控介质和模具之间的温差比较大，从而保证了高冷却率。与传统温控系统使用设定常温的连续冷却介质流相比，断续温控系统的每个环道只用一个阀门来控制冷却脉冲因而成本相对低廉，对于重视成本节约的用户而言不失为一个更优选择。但断续温控技术的优势和局限一直众说纷纭，尚未能盖棺定论。RWTH Aachen大学塑料加工研究中心下属的工作小组为此发起了一项试验研究，对连续温控技术和断续温控技术展开了系统而详尽的对比分析。 三款温控芯在两种温控系统下的应用对比 试验的内容是用标准注塑设备进行生产制造一款家用电器元件，其模具壁厚可以通过替换模芯来设定为1 mm或2 mm（见卷首图）。常规、高导热和网状这三款模温控制内芯分别用于动模的温控芯上（见图1），定模由德国Lichtenfels的Werkzeugbau Siegfried Hofmann有限公司采用Laser-Cusing技术生产出品。传统温控芯的冷却环路管道采用深钻和温控标准进行生产，高导热温控芯的冷却环路同样如此，但与前者相比不同的是，高导热模芯是钢质外壁仅厚几毫米的中空芯，然后用Mecobond工艺进行铜质回填（由德国Mülheim a.d. Ruhr Mecobond Dr. Betz有限责任公司生产出品）。 设备方面分别采用连续温控系统和断续温控系统。试验用连续温控系统由瑞士St. Gallen HB-Therm AG公司出品，最大制冷功率是30kW，导热介质与制冷液温差为60 K。断续温控系统是特别为试验制造的，系统由若干模具热电偶信号控制（见图2）。模具三个环路的温度可以分别独立控制，穿过模具的两条环路在动模一侧。 缩短生产周期的系统设计 综上，试验中充分结合了所有系统方面和模具方面的温控设计，模温的设定由不同标称温度值来决定，局部脱模温度由热成像相机来进行测量，注塑过程中不能超过预先设定的最高脱模温度，而该温度值决定生产周期时长（见表1）。试验结果清晰表明，对控制系统采用相同标称模温的情况下，断续温控系统的生产周期相对更短（见图3）。当然这里需要注意到的一点是，在同样的标称模温下，这两个温控系统中的型腔温度也不相同。 断续温控系统中的标称模温不是由温控管道控制，而是由温度测量传感器来设定控制的。温度测量传感器通常置于模具表面之下仅几毫米，因而距离计划温控点更近，所以温度低于比连续温控系统的设定控制温度，这一相对较低温度值是由安装在断续温控系统型腔内的压力/温度联合测量传感器（德国奥斯特菲尔登Kistler Instrumente有限公司出品）测得。 进行壁厚2mm元件的生产时标称模温设为20°C，生产周期初始，两个系统下模温温差约为6K。当标称模温设为60°C时，温差升至10到15K，造成这一温差的根本原因是模具温控设计，可实现的生产周期时长因而就主要是由模具壁温决定。再采用模具工程学设计进行改良，可以对模具关键部分的冷却率产生更强烈有效的影响作用，又因为模具受热点的温度峰值影响会冷却时间，从而能够更进一步缩短生产周期。断续温控系统的初衷原本是为了加快整体冷却速度，而进一步系统改良的成果可谓百尺竿头，更进一步。 运用高导热模芯延长定型时长 断续温控系统的另一个优势特性在生产周期刚开始便可初见端倪。连续温控系统种，模具达到标称温度的速度比较快，甚至在第一次冷却前就可达到，少许冷却之后便会完成定型。与之相比，断续温控系统中，模具仅是被注塑融料的热量来加热，因而定型时长被相当大幅度地延长了，这一差别在高标称温度的情况下尤为明显，从节约成本角度而言是一个相当重要的影响因素。在断续温控系统中分别采用传统温控芯和网状温控芯（见图4），在60个连续生产周期后，由动模的热电偶可以测量到的最高温度值显示，模温仅在3到4个周期后便达到了标称模温60°C。采用高导热温控芯时，模温可在10次周期之后达到标称温度值。因为高导热温控芯的铜芯能更快地消耗与其相连模具的热量，而模具近表面横截面的加热明显减缓，这对定型过程而言是十分有利的。 交互冷却影响 定模（即喷嘴一侧半模）模芯比动模模芯更加稳定坚固，并且与模具基底有更大的表面接触，因此定模作为一个整体的加热速度更慢，而动模相当大的一部分热量由模芯释放，模具整体达到标称温度的速度因而又进一步得以延缓。如果在动模上采用传统温控芯，从第4个生产周期开始冷却脉冲，定模模芯从热熔料流中吸收的热量，通过模缝线几乎等量消耗殆尽，大幅延缓了加热速度，可在90个生产周期之后才达到定型状态。如果采用高导热温控芯，冷却脉冲只要第10个周期之后再开始，由于模芯已经经过高强度加热，因而在44个生产周期之后便达到定型状态（见图5）。 动模采用网状温控芯，并从生产开始就进行冷却脉冲，脉冲密度低于型腔内的冷却脉冲密度，但高于模缝线的冷却脉冲密度。定模的散热量因而减少，定型时长从而缩短至74个生产周期。试验结果中观察发现，采用网状温控芯时，半模内的独立冷却环路之间产生明显的相互影响作用。由于很多细小管路构成的大部分表面会增加散热，甚至短冷水脉冲也会从模芯带走很多热量，从系统力学的角度产生的影响相当大地削弱了独立冷却环路控制的独立性。然而在采用高导热温控芯时，尽管模芯冷却率较高，但模芯整体分布均匀一致，其热平衡可温度测量传感器信号正确反映出来，因而两个独立冷却环路的稳定控制并没有产生任何影响。 结语 RWTH Aachen大学研究小组的试验结果充分肯定了断续温控系统能够有效节约生产成本，在一定程度上的确是传统连续温控系统的有力替代选择。然而，仅就两种系统本身的比较结果表明，仅仅采用断续温控系统是无法显著缩短生产周期的。如果仍将系统纯粹是看作用来缩短生产周期的手段，那么这个温控设计改良的意义十分有限。毕竟模具主要部分所需要的冷却时间是由生产周期初始的基础模温决定的，这显而易见与其产生根源并无多大干系。 根据研究观察结果，断续温控系统的功能是否稳定可靠，其决定性因素是用来控制冷却环路的温度测量传感器的定位。当选择测量点时，需要特别注意的是，因为传感器只能独立控制在一个限定范围内，而相邻冷却环路彼此之间会产生热量消耗上的互动影响，因而环路应尽可能避免影响传感器信号。 观察结果显示，生产初始，模温只在几个生产周期之后就达到了标称温度，这样即使是使用高标称温度原材料的情况下，也为加工环节奠定了稳定可靠的基础。然而模具整体往往产生受热不均匀的情况，某些部分的定型时间会格外长，或者受模芯影响，降低了这些部分的质量和定型品质，因而针对这样的部分，保持稳定一致的冷却在脱模过程中是极其重要的，但在断续温控系统下这种情况是无法避免的，所以显得并不可取。不过这样的问题也可以通过进行一个模具工程学方面的改良设计而得以缓解，采用高导热材质温控芯便可有效缩短模具整体的定型时长，这得益于高导热温控芯受热散热均匀的物理特性。采用网状温控芯也可有效缓解定型时长方面的问题，特别是针对特定用途设计的网状温控芯，还可适用于特定冷却密度。此外，从模具构造方面入手也有良方，将半模内的温控系统和温度测量传感器精密结合，也可为断续温控系统的实际运用奠定成功的基础。(end)

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