星期四, 5月 19

    动态模温控制—复杂产品的创新概念

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    ■GWK/张震宇经理

    前言

    新型电动汽车和油电混合动力汽车的轻量化工程催生大量新材料。应用范围包括不同的复合材料制成的大型和笨重部件,与具特定机械、光学和电气特性的小型精密零件。在使用加工高性能材料(其中一些材料非常昂贵)以完好实现部件性能时,工艺温度控制将发挥决定性作用。型壁的高温通常是达到所需质量目标的先决条件,然而这对周期时间有负面影响,因提高型壁温度的生产工艺也会延长零件脱模前的冷却时间。例如,光学零件生产过程中,型腔的模壁温度将接近加工窗口的极限,但仔细考察工艺过程会发现,只有注射阶段才需要高模温;在冷却阶段则不需要。传统模温控制工艺为恒温控制,只能通过持续和脉冲式的流量控制对模壁温度实现边际变化,而这样的工艺需求实际是为了能够实现周期性变模温要求的动态高模温控制。

    优化模温控制

    动态模温控制系统可实现多段工艺模温控制,称为变温度控制工艺。此种变模温工艺控制的特点在于:提高型壁温度将利于模具填充,因为高模温保持熔体粘度,也可有效改善模具表面细节的再现,但高模温也将导致更长的冷却时间。将型壁温度设为低模温,可缩短冷却时间,但会对产品的性能产生负面影响。为避免熔接线、光泽缺陷等表面缺陷,同时不特别地延长冷却时间,动态模温控制采用有源的加热循环,使型壁温度在填充阶段保持高模温。第二个冷却循环则在冷却阶段开始运行,在低模温下工作。这就是变模温工艺与传统恒温机工艺的不同,而高低模温的切换点取决于工艺循环周期。

    模具内的高效传热

    模具型壁可通过流体、蒸汽或气态介质,或者集成的电加热组件进行加热。型腔冷却通常为不连续的工艺,以水作为传热介质运行。有些变模温系统还使用气体介质运行。加热和冷却循环必须在单个系统中进行无缝连接,这点非常重要。目的是将腔壁温度快速升高到玻璃化点(加工非结晶材料时)以上或结晶点(加工半结晶材料时)以上的温度。一旦模具表面细节被完美复制,模壁温度必须尽快降至所需的脱模温度。温度和温度梯度的设置则取决于产品物料、所需的零件质量和温度控制系统的加热冷却能力。射出生产的模具需要有效的传热。通常,温度控制的水路需要做接近腔型轮廓的仿形设计,这样的设计将使整个型腔得到均匀的温度曲线,同时促进快速加热和冷却。

    在模具温度工艺控制设计为分段模温控制,依各个模具局部做分别的模温控制,以适应零件几何形状的情况下,工艺设备会提供一个工艺窗口,从而进行系统和独立的工艺模温控制。在模具实践中,通过真空钎焊,或通过激光烧结3D打印等方法制造的模具模仁,已证明可有效实现理想的模具水路配置,从而在射出生产中实现最佳零件尺寸。动态模温控制工艺具特殊水路设计,能独立运行在其他常规模度控制系统外,这点非常重要。

    目前市场提供多种实用变模温控制解决方案,主要体 现在加热概念上有所不同。经典的变模温工艺使用流 体作为传热介质:水温高达230°C,热油温度高达 400°C。所有变模温控制概念都使用水或油等液体介 质进行冷却。这些变模温控制方案使用两个温度控制单元或一个特殊的双回路温度控制器,一个回路在加 热温度下运行,另一个在冷却温度下运行。两级温度 控制意味着高温流体首先通过温度控制通道,然后是 低温流体进入温度控制通道。温度传感器、机器信号 和可调节工艺时间控制系统的电磁阀,用于回路间切 换。从加热到冷却回路和回接的循环可以防止周期延 长,但实际应用表明,因工具钢传热慢和相对较高的 流体吸热性,这样的变模温工艺消耗大量能量。只有 将变模温控制的模仁质量设计的尽可能小,生产能耗 才能限制在可接受水平。

    这意味着要进行变模温控制的型腔部分必须与模具其 余部分有良好的绝热设计。做循环冷却和加热的模仁 质量越小,能源消耗越少,温度变化越快。在模具附 近安装两个温度控制回路的开关阀可将管道中流体残 留物降至最低,并将变模温控制限制在先前的设计区 域。相互连通的蓄能器有助减少生产周期和能耗。当 然,如模仁内水保有量大则需要较大的蓄能器,但确 切大小取决于目标的加热和冷却时间。要确定合适的 加热和冷却时间。要选择合适的加热能力,尤其在高 供应温度下运行时,还要考虑系统部件的潜在热量损 失,因这些部件通常无法做到完全绝热。若未关注这 些,型壁温度在持续加热时间内,很可能无法达到所需的工艺温度。

    流体传热介质的替代品

    蒸汽介质的变模温加热设备通常用作水或油加热设备 的替代品,特别是在生产大型和笨重部件时,通过蒸 汽可均匀、迅速地在温度控制信道表面进行加热。此 工艺缺点是,这些设备的购置和运行成本高昂、运行 风险高,工作温度限制在170°C。此工艺在冷却阶段 会产生冷凝水,从而增加水的保有量,需采用合理的 容量测量和设计方案。

    电感加热或辐射加热是流体传热介质的替代方案。目 前市场上也有开发一种基于激光操作的局部模仁加热 方法。支架式装置将加热板置于模具的两个半模间移 动,从而将型腔加热到非常高的温度,以确保在此装 置缩回且模具闭合后,型腔内仍具有足够的模温,而 型腔模壁使用水介质冷却。此外,其他建设性解决方 案还包括模具封闭式感应盒或封闭式感应腔,在射嘴 位置外使用IR加热器加热,由于加热是并行进行的, 不占周期时间。这两种外部加热方法对模具生产确 实是有特殊优势,因为它们允许使用标准模具进行生 产。然而,此类方案一般局限在扁平形状的产品生产, 只有这样的产品可以通过此法加热到均匀模温水平。 总之,感应加热方案的局限主要体现在安装复杂、电 耗大,需设计额外冷却与支付高额使用许可费。

    高效的陶瓷加热器

    目前市场上也开发一种集成式电感加热的工艺方案。 此方案通过在型腔正下方安装高密度陶瓷加热器进行 加热,取代流体介质的加热回路。此为直接式加热, 可显著加快升温速度,并减少加热工程中消耗的能 源。其加热速率高达30K/秒,热通量密度高达150 W/cm2,具体数据取决于模具结构,但与使用流体间 接加热相比,其消耗能量仅为流体介质加热能耗的十 分之一。

    结合导热层和隔热层的特殊配置可提高输出,并实 现精确定位且准确定时。此方案最高工作温度大大 超过流体介质达到的水平,高温差进一步缩短加热时 间。冷水冷却也发生在型腔表面附近,同时作为模具 的绝热以防止热量损失。陶瓷材料的高导热性,也对 先前加热的模具部件进行快速冷却提供了可能。为此 专门开发的动态模温控制器,可设置和存储变温设定 档、控制和监控工艺参数,并负责模具型壁的温度控 制。在射出机支持通信的情况下,此控制器还可通过 VARAN 总线与射出机进行实时通信。


    各种应用领域

    动态腔温度控制已成为汽车、航空和医疗工程以及 其他行业创新领域先进、开创性应用发展的重要标准。例如,克劳斯玛菲公司与赢创公司合作开发的 CoverForm,就包含动态温度控制功能。在PMMA 组件的防刮膜涂层中,动态模温控制可触发涂层材料 的化学反应,从而以较低成本完成昂贵的后期表面涂 层工艺。生产没有典型缺陷(如光泽缺陷或可见熔接 线)的高质量表面产品,是陶瓷加热器的另一个成功 完成试验和测试的应用领域。
    使用陶瓷加热器方案可完成出色的表面细节再现,使 菜单面的生产具成本效益。因为在射出后需对零件 进行后期抛光,在过去工艺中,喷涂前去除可见的熔 接线之成本高昂。现在使用电陶瓷加热器方案,可防 止这些表面缺陷发生。取决于具体产品应用,带陶瓷 加热器温度控制的设备可实现对于型腔局部或整体的 加热和冷却。模内生产完成的均匀高光泽表面消除了 对后期喷涂工艺的需求。

    流体传热介质的限制

    水质不佳将造成生产效率和零件质量的实际问题,尤 其是涉及高模温的情况。溶解在水中的矿物会变成固 体,脱落并附着在导热表面,对传热、热点和长周期 时间造成有害影响。此过程中,氧气和二氧化碳被释 放,导致腐蚀和进一步的工艺故障。更高的维护成本 和时间、不稳定的过程甚至停机时间成为许多工艺设 备使用变模温控制的可能后果。严格的水质维护,包括永久清洁和调置,可防止这些影响和故障,但这些 措施往往在日常生产过程没有得到足够重视和执行。

    一些生产企业仍然使用热油介质而非水,尤其是在高 温工艺的情况下。但以热油作为介质流体也有缺点: 热油导热性很低,存在热稳定性问题,且容易受污染, 成本很高。此外,还有其他原因需要使用热油外的流 体作为模温控制的替代品。
    在洁净室中的模温设备,漏水将是很大的生产风险。 随着温度升高,流体压力会上升三倍,这也增加泄漏 风险。水溅到敏感的型腔上可能会导致残留,甚至可 能严重损害光学部件。这些实际应用和生产需求促使 我们仔细研究各种模温控制方法和设备。

    趋势和发展

    陶瓷或感应加热器是许多产品应用可行的加热方法; 但也有一些不适合此类加热方案的产品应用,或者是 这些产品应用需要其他的冷却方案。气态介质在一些 情况下可能很有用,因为它消除污染风险。不利在于, 它们具有相对差的传热能力。比如空气,就很少用于 冷却;然而,二氧化碳作为冷却介质具有很大潜力, 二氧化碳介质已经过多次冷却试验和测试。由于这种 介质在注入其液体状态时蒸发量很高,并且在这个工 艺过程中可达到-76°C,二氧化碳具极高的传热能力。多年来,二氧化碳已成功用于冷却长条形、薄芯 和狭窄的产品,但以二氧化碳作为加热介质是相对较 新的。二氧化碳经压缩和加热到适当压力水平,也将 具很高的传热能力,是动态模温加热的理想选择。■

    公司介绍

    德国吉维克加热冷却技术公司成立于1967年,自成 立伊始一直专注于塑料行业的工艺温度控制。吉维克 致力于为客户提供射出工艺全过程的温度控制系统解 决方案,其中包括:模仁的仿形水路设计和模仁加工、 传统射出工艺的恒温模温机、分段模温控制系统、动 态模温控制系统、小型冷水设备、中央制冷系统、水 处理设备、模具清洗设备等各专业的技术解决方案。

    联络人:张震宇Michael Zhang (Sales Manager)
    公 司:泰创制冷系统(太仓)有限公司 technotrans group (taicang) co., ltd. Email:michael.zhang@technotrans.com
    网 址:www.gwk.com

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