有效監測成型過程中物料的熔融狀態

文/本刊記者 Matthew H. Naitove

有效監測成型過程中物料的熔融狀態

文/本刊記者 Matthew H. Naitove

本文介紹了一種先進的傳感器技術。此技術能在注塑成型過程中測量整個成型周期中的熔體溫度、黏度變化和熔體密度等與材料相關的參數，為加工商監控加工過程，優化產品質量帶來了極大助益。

“注塑機控制器能在加工過程中測量一些參數，如螺桿的前進速度、所用的壓力和運行螺桿的轉矩等。這些都是與機器相關的變量，而能表征塑料本身狀態的參數并沒有得到測量。可是，這些沒有被測量的參數卻是加工商們實時了解其生產的部件好壞與否的關鍵。”Michael F. Durina介紹說。在他看來，測量能夠表征塑料本身狀態的參數，如熔融溫度、黏度、熔體密度和每個周期中輸入熔體的總能量，將會更加有用。

Durina是Md塑料公司（美國俄亥俄州）的總裁，該公司為注塑成型領域提供塑化零部件，且是“Temp-Tek”傳感器的唯一制造商和銷售商。這款傳感器由Fred Buja所發明，Fred Buja是FJB塑料技術公司（美國紐約羅切斯特）的擁有者。Temp-Tek傳感器首次出現在NPE 2012展會上。自那時起，Durina與Fred Buja同許多加工商以及機械制造商合作，為了更好地進行實際使用而進一步發展了這項技術。Md塑料公司為這些傳感器研制了改進的安裝硬件，并發布了新的監測專用軟件，使它們更容易使用。

這是通過Temp-Tek噴嘴傳感器記錄的一個成型周期的例子。用戶用于Pf計算的曲線下的面積是可變的。Te峰表示模具完全充模之時。標示“溫度”的低點是螺桿空轉之處，且該讀數與“純”熔體溫度最接近，沒有壓力對傳感器的影響

測出總的能量輸入

在這款已獲專利的“熱彈性”傳感器中，發揮關鍵作用的部分是一個由兩種金屬（其中一種金屬是磁性的，另一種是非磁性的）組成的球形珠，這一球形珠在溫度和壓力的影響下可以膨脹或收縮。據Fred Buja介紹，這款傳感器的重要原理是溫度的升高會引起球形珠的體積膨脹，而球形珠上壓力的增大會使其體積縮小，并提高其內部溫度（壓力×體積=溫度）。

Durina在公司的網站上用一個視頻演示了傳感器的性能。在視頻中，他通過穿刺將一個傳感器插入到網球中。當他擠壓網球時，傳感器的讀數會上升。同樣地，如果大氣壓發生變化，放在開放桌面上的傳感器也會記錄下讀數的變化。

溫度和壓力在傳感器球形珠上造成的熱彈性應變被轉換成溫度讀數輸出。Durina指出，在熔體承受的壓力很小或是不承受壓力的情況下，如在保壓壓力結束之時螺桿回復開始之前，讀數與熔體溫度是最為密切相關的。

這是Evco塑料公司（美國威斯康星）技術中心經理Wayne Staupe的經驗，他的小組對安裝在機器噴嘴中的一個傳感器進行了測試，并且比較了保壓壓力結束時的傳感器讀數。Staupe看到，傳感器輸出的讀數在螺桿回復之前穩定，同時發現在由一組技術人員進行的清機注射中，讀數和來自溫度探頭的人工讀數范圍的中心值相一致。“這是相當不錯的的結果。”Staupe說。

破解熔體溫度的“秘密”

沒有經濟的方法能準確測量處于注射機筒或噴嘴中的熔體溫度，對于這一觀點，Staupe會第一個表示贊同。嵌入在這兩個位置的傳統傳感器會受到周圍鋼材溫度的影響；而將傳感器投射到熔體流中，會很容易造成其磨損或損壞。Durina說：“傳統的熱電偶反應比較慢。”Staupe表示，目前測量熔體溫度的唯一實用方式是人工將一個探頭貼在清機料中，但這太不準確了，因為會碰到很多的測量變量。

Durina認為Temp-Tek傳感器最終可以破解熔體溫度的“秘密”。Staupe對此表示贊成：“這是我見過的在線測量熔體溫度的最佳方式。”Evco塑料公司剛剛購買了兩個Temp-Tek傳感器，用于技術中心的評估。

這種不銹鋼結構的傳感器通常被安裝在注射噴嘴中的一個直徑1.5 mm的孔內。Md塑料公司開發了一款壓縮接頭，用于帶有聚四氟乙烯阻熱層的傳感器。它通過螺紋旋進安裝孔中，可承受較高的內部機筒壓力。這種傳感器安裝后與熔體流相切，只有尖端直接暴露于熔體，并被一層比頭發更輕薄的熔體膜覆蓋，能保護傳感器免遭熔體流、填料等的磨損。

據Durina和Fred Buja介紹，除熔體溫度外，Temp-Tek傳感器還可以監測更多的內容。例如，它能測量在整個成型周期中機器給予熔體的總“功（能量輸入）”。Durina詳細介紹了Tech Molded塑料公司（美國賓夕法尼亞州）的一項研究。此研究顯示，來自Temp-Tek傳感器的以一個周期為基礎而測得的“總功”曲線形狀與來自RJG公司（美國密歇根州）的RJG eDart系統（通過注射速度、壓力和螺桿直徑計算相同周期的有效黏度）測得的相對黏度輸出曲線密切相匹配。采用適當的比例，兩根曲線幾乎可以完全重疊。

美國Draexlmaier汽車公司（南卡羅來納州）正將Temp-Tek傳感器用于過程質量檢查，來測試黏度的變化。這是因為如果喂入壓機（4 000 t）的長玻纖配混物和未增強粒料的混合比例發生變化，熔體黏度可能就會產生變化，如果不能夠進行準確的檢測，生產出的部件可能強度不夠，但卻沒有明顯的跡象顯示增強材料的用量有變化。該公司注塑成型工藝的工程主管Dennis Quinby說：“Temp-Tek傳感器的性能很好，對于我們正在努力做的產品是非常具有成本效益的。”另外，他還正在探索該傳感器的其他潛力——通過熱分布的變化來顯示螺桿的磨損。

當一副模具運行良好、能夠生產合格部件時，用戶可以按下“Template”按鈕，以儲存熱能曲線來作為一個質量標準，還可以圍繞曲線上的關鍵點設置公差范圍

另一家不想透露身份的加工商已經在大量的開發工作中使用了16個Temp-Tek傳感器。該公司將這些傳感器用在同一臺機器的噴嘴、模具排氣口和熱流道歧管中。而且，像本文提到的其他加工商一樣，這些熱傳感器和型腔壓力傳感器一同使用。該公司的一位有著30年經驗的高級成型經理表示，不同傳感器的組合正在推動過程監控技術的進步，Temp-Tek傳感器為“動態”熱監測提供了前所未有的能力。“我們可以看到周期中每個階段所發生的情況。”他說道。

Durina表示，Temp-Tek傳感器可用于檢測由于螺桿/機筒磨損或者樹脂質量、水分含量的批次變化而引起的過程中的變化。不僅如此，一款新的PC軟件使得以總能量曲線的形狀和曲線下的面積作為質量控制工具變得更加容易。該軟件可以在一臺標準的筆記本電腦上運行。它接受來自一個模塊的信號，該模塊可連接多達16個傳感器。對于一副新模具的啟動，用戶可以一直運行直到穩定地形成一次良好的注射，然后按下一個標記“創建模板（Create Template）”的按鈕，這樣就能以每秒75個讀數為基礎，儲存了一次良好注射的傳感器輸出曲線。當然，用戶也可以選擇更高的抽樣率。

用戶在運行了幾次良好的注射后，可以到新軟件的統計頁面，檢查兩個關鍵參數——周期曲線（Te）和功率因數（Pf）的最小值、最大值和平均值，還可以為這些因素設置報警限制，但了解這些限制應設置的地方需要一些經驗數據，即這些數值發生多大的變化會產生不良注射。Durina表示，Temp-Tek輸出曲線可以顯示背壓、機筒溫度、螺桿轉速、注射速度和熔體釋壓發生變化時總能量輸入上的瞬時結果。

對于復雜的多腔模具，Durina建議將傳感器放在噴嘴和最后的型腔中進行充模。傳感器輸出顯示了型腔中的熔體密度，Durina將其視為最佳的變量，能被用來確定保壓過程的注射壓力。

他還指出，Temp-Tek傳感器的一個相對于傳統模內傳感器的優點是：它們可以被放置在模具中的任何地方，可以在分模線上，甚至可以在滑塊內或銷內。一種只能采用Temp-Tek傳感器實現的更低成本的解決方案是，它們可以在對模具做很小的修改或者在不修改的情況下被放置在排氣口處，在那里，這些傳感器可以測量每次注射的排氣口氣體溫度，作為熔融溫度的替代。

到目前為止，Md塑料公司已向幾家加工商銷售了20多個傳感器，噴嘴傳感器的價格約為每個379美元，模內傳感器在300美元以下。將數據送入電腦的模塊能夠插入16個傳感器，該模塊增加一個噴嘴傳感器和監控軟件，價格為7 000美元。

Durina指出，Temp-Tek傳感器還可用于其他工藝，如在吹塑中，它可以放置在模具或型胚內部，測量那里的空氣溫度；在擠出中，它可以放置在熔體流或模頭內；它還能測量吹塑薄膜氣泡內的空氣溫度，提供通常難以獲得的信息；在熱成型中，該傳感器可以被安裝在片材和模具之間。