注塑：iQ重量控制，收获稳定品质

作者：GEORG PILLWEIN    来源：KUNSTSTOFFE INTERNATIONAL杂志

欢迎访问e展厅 展厅 1 注塑机展厅 注塑机, 立式注塑机, 二手注塑机, 真空成型机, 发泡注塑机, ... 过程控制. 尽管现代电动注塑设备已经能够实现高度可复制性生产，但生产实践中，稳定如一的注塑制件品质却仍可遇不可求。熔体量和熔体粘度的变化是已发现的最重要影响因素。新近研发出的过程控制方法，充分掌握了注塑过程中会发生的这些变化，并且使其在同次注塑中保持等量。 X设备的余料量稳定性如何？Y设备的注塑压力峰值变化有多大？注塑设备制造商经常需要面对诸如此类问题。由于这些参数在很大程度上并不依赖于设备自身，而更多的是由加工整体环节的众多因素决定（材料、模具、干燥、工序设定等等），因而要给这样的问题一个明确答案可谓难上加难。首先从细节入手因而就非常重要，为什么注塑设备的重复性运行却并没有必然带来稳定如一的注塑制件品质。 精准运行无法保障品质如一 在一项调查研究中，采用奥地利施韦特贝格的恩格尔有限责任公司出品的全电动e-mac 200/50注塑设备，进行LCD框架用聚丙烯材料的生产。为了能够独立地观察填充阶段的变化，调查采用了不带保压的注射不足措施 。螺杆运动停在规定的转换位置，在这个转换位置熔体的填充度约是95%。采用这种方法，保压阶段的平滑作用便被排除，从而可基于填充水平和注塑制件重量，直接估计出注塑偏差。 外部感应位置传感器记录了螺杆在起始位置和完成位置对应的变化。通过将译码器整合进驱动，保障了高水准的定位精准度，从而实现螺杆的起始位置重复偏差能够控制在±10 mm范围之内，完成位置重复偏差在±3 mm范围之内。对25 mm直径螺杆而言，上述偏差数值相当于体积最大偏差0.012 cm3，这对聚丙烯材料而言，相当于重量偏差0.009 g。 然而，填充重量偏差实际测量值为0.11g，也就是12倍于通过螺杆位置的细微偏差推断出的理论值（见图1）。那么在高精准度的设备运行之下，为什么材料量还会发生如此大的差异呢？ 熔体量和粘度变化的影响 最开始，假定产生偏差的原因聚焦在止逆阀的关闭运动。然而，事实证明，在很多情况下这种假定纯粹是片面之词。深入细节的研究得出重要成果，塑化过后，在减压过程结束前，聚合物熔体继续从螺杆槽流进螺杆前端的低压空间。由于边界环境的细微差别（材料同质性、熔体温度、粘度等等），聚合物熔体的流量发生了改变，这一效应带来的影响在产品成品中可清楚体现。 事实上，熔体量的偏差由连续聚合物料流引起，还是由单向阀关闭的漏出损耗引起，这两种情况下产生的最终结果都是一样的，即，在填充环节中，特定注塑压力曲线发生了改变（见图2左图）。在转换点上，不同的填充水平导致不同的压力值。 这个过程中产生的偏差很大程度上还依赖于批次或者湿度不同引起的聚合物粘度的变化。基本上，充模压力与熔体粘度是成比例的。如果熔体粘度增加，那么充模压力就会呈现更加明显的增加（见图2，右图）。 转换类型：痛苦的选择 在依赖于位置的转换中，过程相对地对熔体量的偏差比较敏感。在固定位置转换，严格来说只是对于恒定料量而言是最优选择，也就是指，在聚合物熔体量等量流过，且止逆阀关闭过程中没有泄露发生的情况下。但现实未必如此幸运，实际中这样的情况几乎不可能发生。依赖于压力的转换能够实现迅速定位。如果压力因熔体量增加而提前升高，设定的转换压力将会达到得更早。填充水平的偏差就能够通过这种方法来避免。 然而，这仅当熔体粘度保持恒定时，才能得到令人满意的结果。随着粘度的增加，由于熔体前端将无法达到要求的填充水平，因而设定的转换压力将会提前达到，这便会导致注塑制件的偏差。这就意味着粘度偏差成为首要问题时，依赖于位置的转换则成为更优的选择。 是时候总结一下了：如果只有熔体量发生偏差，那么依赖于压力的转换是最优选择。如果只有熔体粘度发生改变，那么依赖于位置的转换效果则更明智。但注塑商面临的困境是：在真实的生产环境中，这两种类型的偏差会同时发生。因而，不管选择哪种转换类型都不是明智之举。 使用自动补偿的全新转换模式 到底是依赖压力的转换还是依赖于位置的转换更好呢？这已经成为注塑商们永恒的问题之一。事实上，他们想要的只是能够在特定的填充水平时实现转换。iQ重量控制由Engel开发并注册专利，该过程控制方法能解决这一难题。 该软件整合进Engel注塑设备CC 200控制系统，便能够在注塑阶段，将注塑压力作为螺杆位置的函数进行实时分析，并与参考周期进行对比。三种偏差的运算规则有所不同： ● X轴的压力曲线变化（见图2，左图）， ● 压力上升坡度的变化（见图2，右图）， ● 以及以上两种规则都无法解释的其他偏差。 基于上述偏差，产生出三个意义重大的新过程参数： ● 注入量：这是计算进熔体量偏差之后，实际注入物料量的数值。 ● 粘度变化：这反映了由于批次、水分或温度偏差导致的熔体粘度变化。 ● 压力曲线柔度：该参数显示了与参考周期对比，压力曲线是否存在整体性变化（例如：冷料头、堵塞的模腔，等等）。 这些参数可用于进行注塑过程的综合监控，并补偿已检测到的偏差。不考虑到底选择依赖于位置或压力的转换，注塑过程中的注塑曲线速度和转换点都是可选择的，这样一来，在参考周期中，转换到保压压力可以在同样的填充水平和料流量时发生。那么，保压阶段的初始条件便只有最小偏差，过程和制件重量的可重复性从而得到显著提升。 如果在生产中运行iQ重量控制系统，例如在之前提到的LCD框架生产中，则会导致位置和重量值显示如图表3所示。与没有过程控制的测试结果对比（见图1），由于螺杆的完成位置现在得以有效改变，差异就更加明显。在这种情况下，为了准确进行必要的补偿，可通过在转换点的细微改变，因而，螺杆定位系统的高精准度是绝对必要的。试验的结果事实胜于雄辩：制件重量的偏差范围从0.113降到了0.016g。 特殊加工技术亦可适用 即使是LCD框架完全填充的生产，该项新控制方法的潜力也仍然可见。对于壁厚率而言，高流动性成分具有特别重要的意义（在LCD框架生产中，这个值显著超过200）。在这样的情况下，填充阶段对决定注塑制件性能起到主要决定作用，而保压阶段补偿就显得相对有限。采用POM材质生产加工，情况会比采用PP材质更加严峻。要求注塑压力大于200 bar。 即使没有过程控制，偏差范围在0.014g（0.177%）也是相对较小的。而使用了该新软件，偏差可实现显著降低至0.002g（0.025%），提升幅度达86%（见卷首图）。 有些工艺甚至更特殊，过程中不使用保压压力，或者保持非常短，例如提到的没有保压压力的部分注入。这种特殊工艺包括，物理发泡（Trexel公司出品的“MuCell”），注塑压缩成型，气体或水辅注塑技术。 奥地利马蒂希霍芬的FCI公司，是最先在工业生产中测试iQ重量控制的公司之一。采用物理发泡工艺，用Engel e-victory 310/90的两腔模具生产内含30%玻璃纤维成分的连接器外壳。MuCell工艺能够在无保压下进行，因为材料的发泡补偿了收缩。在填充阶段结束时，喷嘴关闭，因此制件重量由注塑过程独立决定。在该生产过程中，过程控制将重量偏差有效降低达67%（见图4）。 发泡注塑过程中，由于气体溶解而引起的流体变化（例如氮气在高分子聚合物熔体中），也能够被iQ重量控制识别。在给出的例子中，粘度减少约7%。 如果使用需要集中预干燥的高分子聚合物，由于水分含量的差异，粘度会在一个比较长的时间段内发生变化。用聚酰胺生产面板的数据显示，干燥和预干燥材料初始以9:1混合，当混合比例变成100%干燥材料时，这一改变是如何导致了粘度增加达8%的（见图5）。如果没有控制系统，湿度改变后会产生欠注，而当使用iQ重量控制时，制件重量仍然稳定在同一水平。 结语 设备能否精准运行，是保障生产的必要条件，但仅依靠设备自身并不足以保证稳定的产品品质。广泛采用的螺杆位置监控只能对制件质量进行有限的评估。例如，材料余料量的变化就很直观地说明，填充环节产生的偏差会被保压阶段补偿。 过程控制系统iQ重量控制在方法上进行了突破，引入了源自于螺杆位置和注塑压力曲线的必要加工参数。这就远远不是仅基于偏差来监控设备了，还实现了针对实际过程和生产的制件质量的控制。 新系统能够基于过程导向参数，自动对短期和长期质量偏差进行补偿，从而带来生产可复制性的持续改善。针对环境和材料状况来对加工参数进行频繁调整，这种落伍的方法已经成为过去。当然，系统的自动化功能也在实现上述种种功能的同时，确保了操作的简便易行。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (12/31/2012)