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独特模具制造所面临的挑战 |
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作者：Roembke Mfg. & Design |
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Roembke Mfg. & Design公司制造的模具是一种单点冷甲板式模具，带有一个标准的LSR阀式浇口设计，具有侧面注塑和背面注塑功能。
今天，大多数的模具制造商认识到：及时提供一套高品质的模具所需要付出的远远要超过简单地设计和建造一套模具。其挑战在于制造商与客户的密切合作，为客户提供的模具应能够生产出一个功能全面的产品，同时能节约客户的时间和资金。
Roembke Mfg. & Design公司是一家生产插入式无飞边橡胶模具的制造商，他们与客户密切合作，提供一种水质测试杯系统两次模压成型的模具。“面对今天具有挑战性的产品，我们已经多次证实，生产这种零件的模具设计是非常简单的。” Roembke Mfg. & Design公司首席执行官Greg Roembke先生解释说，“模具的设计必须允许零件100%停留在A面和B面上，并让零件以100%的无故障自动化方式出现在脱模装置上，挑战由此出现。对于我们来说，WT Vial水质测试杯所面临的挑战是与客户密切合作，共同开发塑料和LSR液态硅胶产品材料，让最终产品充分发挥其功能，同时让该产品能够在两次模压工艺中模压成型。”
“我们发现，今天模具制造商需要的不只是设计和制造模具，他们还需要成为客户的顾问，与他们一起紧密合作，努力为客户提供工程资源，帮助他们的项目按计划实施。”Roembke先生继续说，“许多客户找到我们，带着一种需要模压成型的产品，因为他们内部没有这些资源，并且得不到适当的咨询和建议。在这种情况下，项目可能会失败。”
项目背景
急性胃肠道疾病的发病率每年都在增长（据EPA美国环保署估计超过400万），这主要归因于美国的公用饮水系统。这也带动了对开发新型微生物检验方法的需求，因为这种方法要比传统的检验方法更为快速和容易使用。目前，典型的实验室水质测试杯中的水质试样需要两个星期的处理时间，才能获得净水检测结果。
最近开发了一种革命性的交钥匙工程，一次性使用的水质测试杯和自动化监控系统，可使测试时间减少到2~18h，具体需要多长时间取决于水质的污染程度。该水质测试杯采用全自动化超模压技术制成，其材料为刚性塑料和光学级LSR（液态硅胶）材料。该测试杯的生产采用一套两次冲压模具，然后通过机器人将其传送到一套集成组装单元，完成模压成型区之外的6道工艺，最后装箱准备发运。
对早期零件和生产工艺的考虑
ENDETEC公司用于大肠杆菌监控的TECTATM自动化微生物检测系统，是一种具有内置孵化功能的仪器，是一种精密的光学系统，通过用户接口与解释性软件连接，以及一个用于检测集成的用户界面，和一个用于检测大肠杆菌和总大肠菌群的专用测试杯。测试杯的关键设计元素包括一个带有活动铰链和盖子的塑料杯，杯底与一个透明的LSR塞子耦合，通过光学系统测试水质。
各合作单位之间的初步讨论焦点集中在：确定什么样的材料可用于该产品，以及采用什么样的工艺可以最有效地生产这一零件。其材料必须透明，能够看到杯子内部的液体，并需通过伽马射线的灭菌处理。此外，所选用的塑料中不能含有抑制剂，以便使其与LSR之间能获得一个最佳的密封。最后，该材料不能干扰测试过程中的微生物生长。
确定这些参数后选定的塑料是改性聚丙烯，LSR是一种透明的1003光学级硅胶。通过调整热塑工艺，计算出估计周期、模具温度和密封等，最终将材料确定下来。“一旦最终的材料开始研发，我们就不得不修改模具设计，允许其作适当地粘接和密封，因为该材料不能像普通塑料和LSR材料那样模压成型。”Roembke先生说。在早期研发阶段后的一个重要问题是：该材料是否采用分离式模压成型和组装或采用超模压成型方式。在过去的几年中，Roembke Mfg. & Design公司在使用压力机和热塑性注塑成型法生产成品的过程中，一直在适应和采用两次模压成型和超模压成型生产工艺。
按照Roembke先生的说法，自从其允许新配方材料将其以最好的成本效益方式粘结到不同的基材（如硅胶和塑料）上以来，这种两次超模压成型工艺很快得到了应用（图1）。”
图1 这种水质测试杯是采用全自动超模压技术制成的，其材料为刚性塑料和光学级LSR（液态硅胶）
模具设计：原型和生产
Roembke Mfg. & Design公司和Engel公司合作共同开发二次注塑成型单元和LSR模具原型。该公司使用PTC公司提供的Pro/E软件作为模具设计过程中的CAD部分。Roembke先生发现PTC公司的模具软件包优于其他的软件程序。“Pro/E是一个完整的软件包，具有表面加工一类的先进造型功能。”他解释说，“其模具模块为简易平面模具分型线以及为复杂的轮廓分型线提供了解决方案。”至于CAM，Roembke Mfg.& Design公司采用了由CGS North America公司提供的CAMTOOL软件和DP Technology技术公司提供的Esprit软件，用于机床的编程。Roembke先生补充道：“这两款软件都是高端软件包，我们发现根据其需要完成的任务，每一种软件都具有其独特的优越性。”
Roembke先生发现该公司的数控设备也具有同样的特性。“我们公司的所有机床都属于高端产品，但我们发现要保持某些模具元件所需的公差，则需要投资购置配有激光测量探头的高端优质机床，以便能够精确地加工产品，例如牧野v33i型机床。”Roembke先生解释说。
Roembke先生补充道：“大多数数控设备以0.0001增量级运行移动。当所需的公差比这个要求更高时，只有某些特定的设备才能以0.00001增量级运行移动，以达到必要的公差。使我们区别于其他模具制造商的还有：我们拥有可测量皮米级水平的测量设备。很多企业都会说，他们能够做某某事情，但如果他们不能测量和验证他们所做的一切，那么你怎么能够相信他们说的话都是真实可信的呢？”
最初的原型模具是采用55t的Arburg压力机操作运行的，其中一台用于塑料模具的运行，另一台用于LSR模具的运行。Roembke先生向我们介绍了他们所面临的挑战。
（1）建立信心，使用最好的塑料原材料。LSR模具通常需要加热到320~400℉。塑料原材料的温度达到260℉时，将会开始熔化。通过这一工艺，该公司开发了一个配方，允许其能达到一个较高的熔化温度，不过这个配方是保密的。
（2）确立周期时间。这是通过采用多种方法来完成的，然后确定最合适的生产周期：两次注塑成型、标准超级模压成型或分离式模压成型，以及使用自动化组装设备来组装元件。
在这个阶段，Roembke Mfg. & Design公司采用了快速原型生产系统，该系统允许其在14~19天内完成原型的设计、制造和测试。“机床是相邻排列的，塑料件则通过人工从一台机床传送到另一台机床上，就像机器人工作那样。”Roembke先生解释说，“这种工艺应尽可能保持简单，以减少初期研发成本。”
“最初，这两种原型模具都使用标准工具钢材料，但随着塑料材料的发展和改性，我们发现当塑料粘结到模具钢材料上时会使产品的某些区域变形。”Roembke先生继续说，“在较长的运行时间后，其上面也会留下一些残留物质，无法让LSR很好的粘结。这些领域需要与材料供货商和客户进行沟通，让我们以一种独特的方法来解决这个问题。“为了生产这种塑料测试杯和LSR元件，采用上述详细阐述的策略，我们完成了两次模压成型的模具/压力机生产工艺，对一系列的原型模具进行了改造。其中一台压力机用于塑料测试杯的模压成型，然后将塑料测试杯转移到第二台压力机上操作运行LSR模具。
生产模具
一旦原型设计完成以后，Roembke Mfg. & Design公司就着手制造试生产用的1+1模具。“1+1模具的设计可使第二个元件的生产采用机器人传送的方式。”Roembke先生解释说，“Engel公司的注塑机首先将塑料注入到塑料模具之中，该模具位于压板的非操作员一侧。在完成这一模压工艺以后，成型零件由同一个机器人将其传送转移到旋转工作台自动化加工单元上。如前所述，这种自动化加工单元可完成6项任务，包括打印标签。塑料模具和LSR模具都使用一种阀式浇口的物料传送系统。采用这些系统，不会造成任何的材料浪费，有利于降低生产成本和更易于实现自动化。
Roembke先生继续说，压力机和自动化系统都是为4+4模具而设计和制造的。“这个方向是由客户决定的，这样他们就可以继续运行产品，同时在以后的日子中继续制造四型腔模具。”他说，“考虑的另一种选择是建造四型腔框架，但在早期起步阶段，只安装一个型腔。”
最终，Roembke Mfg. & Design公司制造的模具是一套带有标准LSR阀式浇口设计的单点冷甲板式模具，具有侧面注塑和背面注塑功能（图2）。Roembke先生指出，该公司有能力使用小至0.010in（1in=25.4mm，下同）的浇口来生产很小的阀式浇口零件。
图2 Roembke Mfg. & Design公司为这个塑料测试杯而设计和制造的模具，是一种单点冷甲板式模具，
带有一个标准的LSR阀式浇口设计，具有侧面注塑和背面注塑功能
“原来，要使用这么小浇口的LSR零件时，一般会采用一种开放式的浇口喷嘴设计，因为没有公司可以提供这种尺寸的阀式浇口。” Roembke先生，“虽然我们能够提供开放式浇口喷嘴冷甲板，但我们发现阀式浇口喷嘴冷甲板更易于控制模压成型工艺。它允许注塑压力降低，更多地控制塑料的填充过程。”
ENDETEC公司从事这两种材料之间的密封设计工作，并确定两者之间不能采用化学粘接剂；另一个原因是选用特殊的光学级LSR材料。
可见的成效
这一潜在的革命性产品，对于所有的相关企业来说，代表了超模压成型技术中的一种独特挑战。Roembke Mfg. & Design公司、ENDETEC公司和Engel Machinery North America公司之间的努力合作，证明了一套困难和复杂的系统可用于优化低熔融热塑性塑料与LSR材料一起工作的综合效果。Roembke先生指出，到目前为止Roembke Mfg. & Design公司是唯一一家成功完成两次模压成型的LSR项目的美国模具制造商。
按照ENDETEC公司运营部副总裁Doug Wilton先生的说法，这个新型水质监测技术的市场潜力简十分巨大。“我们已经在北美、欧洲和亚洲销售该系统，还有其他一些额外的市场正在开发之中。”Roembke先生在他的讲话中指出了这一增长潜力。“通过我们大量的原型设计和测试，证明该系统的未来很有发展前途。”他强调说，“当销售额上升达到预期的4倍时，1+1单元可以很容易地扩展到4+4单元。我们采用了独特的设计来建造模具，让我们的客户以最少的费用，在不花费大量劳动力和不使用二次加工工艺的情况下，生产出模压产品。
“如何实现这个零件模压生产的最终目标，大多数来自于模具制造商、压力机公司、自动化系统供应商和客户之间的对话。”Roembke先生总结说，“我们很幸运，有一个客户，尊重每一个参与供应商的各种想法，和听从我们的建议。”(end)
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(6/15/2013) |
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