注塑模具溫度智能化控制研究進展

毛海軍，馬藝濤，黨開放，王新銘，謝鵬程，，3*

（1.北京化工大學機電工程學院，北京 100029；2.北京化工大學有機無機復合材料國家重點實驗室，北京 100029；3.北京化學大學人工智能跨學科研究中心，北京 100029）

0 前言

注射成型是一種將熔融塑料通過高壓注射入模具中，經冷卻凝固后獲得塑料制品的加工方法，具有生產效率高、制品精度高、生產成本低等優勢，廣泛應用于汽車、電子和醫療等領域，在現代制造業中占有重要地位。在注射成型過程中，模具是生產注塑制品的關鍵工具，模具型腔直接決定制品的三維結構。塑料在加熱和冷卻的過程中會發生體積變化，模具溫度的控制可以有效地避免產品縮水、翹曲、氣泡等問題的出現。因此，模溫調節對注射成型品質控制具有十分重要的意義。隨著注塑制品應用領域的延伸，模具結構逐漸復雜，模具體積、型腔結構等都會對模溫控制帶來困難。模具溫度過低會使得熔體黏度增大、流速緩慢，造成制品欠注；模具溫度過高會使得熔體黏度降低、收縮率增大，甚至造成制品飛邊；模具型腔各部位溫度不均也會造成制品應力殘余，產品尺寸精度下降。

針對模溫控制對于制品成型品質的重要意義，研究人員在模具加熱冷卻系統和控制方法等方面進行了深入研究。本文就模具溫控技術所涉及到的冷卻系統、加熱方法和控制方式進行了總結對比，并對模溫控制的未來發展進行了展望。

1 注塑模具冷卻系統

模具降溫冷卻功能是由模具型腔或型芯部位的冷卻系統來實現的。合理的冷卻系統可以保證模具各部位溫度均勻，塑件冷卻速度一致，減少制品變形。模具冷卻時間占制品成型周期的2/3以上，決定模具冷卻系統性能的關鍵參數主要包括管道孔徑、管道與塑件的距離、管道連接形式和管道布局［1］。

（1）管道孔徑選型。管道孔徑大小與塑件壁厚有關。一般根據塑件的平均壁厚確定，對于平均壁厚為2 mm 的塑件，其管道直徑取8～10 mm。由于管道孔徑過大會導致冷卻水層流效應，降低傳熱效率，因此管道孔徑最大不超過15 mm。

（2）管道與塑件的距離。模具冷卻管道與塑件的距離應根據塑件壁厚的分布來設計，以保證冷卻均勻。通常情況下，壁厚較大的部位需要更靠近冷卻管道，促進塑件中心的快速冷卻，避免形成縮孔和內部應力過大。

（3）管道連接形式。目前主要分為串聯冷卻管道和并聯冷卻管道。由于并聯冷卻管道間存在不均勻的冷卻效應，所以主要是以串聯冷卻管道為主。大型模具通常采用多組串聯冷卻管道來確保均勻的冷卻水溫度和均勻的模具冷卻。

（4）管道布局。其主要由塑件的形狀及其所需冷卻溫度要求而定，通常包括直通式水道、圓周式水道、螺旋式水道、循環式水道、噴流式水道和擋板式水道［2］。對于一些成型復雜結構制品的注塑模具，其內部可能由多個類型的水道組合而成。比如張維合等［3］在對智能定位器面蓋雙色注塑模冷卻系統設計時，采用“直通式冷卻水管+隔片式冷卻水井”的組合溫度控制系統，成功保證了塑件的成型品質，并且模具的勞動生產率也提高了約10 %。

隨著注射成型技術的發展，越來越多制品要求更高的成型精度，上述傳統的冷卻水路設計難以滿足要求。因此一些新型的冷卻技術如隨形冷卻技術、脈沖冷卻技術、CO2氣體冷卻技術應運而生［4］。隨形冷卻技術是指其水路設計隨著塑件的形狀變化而發生變化，按照設計好的距離均布在型腔或者型芯內部［5］，采用這種設計方式可以彌補傳統水路無法冷卻制品狹窄區域的缺陷，能夠大大提升制品的冷卻均勻性。國內外學者采用隨形水路對注塑模具進行冷卻已經取得了許多成果。如馬一桓等［6］針對凈水器濾瓶蓋內部空間狹小無法設計傳統冷卻水路的問題，采用3D 打印隨形水路的方法對產品進行冷卻，結果表明，隨形水路可以使模具的冷卻效率和溫度分布均勻性都有很大提高。王靜等［7］針對注塑模具隨形水路傳統設計方法存在的復雜耗時且易出錯的問題，結合地貌學中等高線的形成原理，提出了一種隨形水路自動化生成方法，大大節省了隨形水路設計時間，并且取得了良好的冷卻效果。汪祥等［8］基于選擇性激光熔融法（SLM）對汽車電路板外殼產品注塑模具進行了隨形水路設計，大大提高了注塑效率，減少了產品變形，設計時需要考慮SLM 工藝成型性。Abelardo 等［9］針對傳統注塑工藝無法制造滿足當前工業的精度和尺寸要求的大長度、高厚度比零件的問題，提出了一種創新的綠色隨形冷卻系統，采用該隨形冷卻布局可大大降低循環時間和溫度梯度，解決了具有細長幾何形狀的部件易翹曲的問題。Kanbur等［10］總結了目前計算機輔助設計優化隨形冷卻水路的方法，為設計人員在現場制造隨形冷卻水路之前獲得更清晰有效的有限元仿真分析（CAE）步驟。Chen等［11］研究提出了一種結合52.6 %鋁粉、5.3 %石墨粉和42.1 %液體硅橡膠的配方，用于制造具有出色冷卻效率的硅橡膠模具，并實現了采用熔融沉積建模技術制備的隨形冷卻通道高冷卻效率低壓注塑模具的最優配方，這種添加混合填料的方式顯著提高了隨形冷卻通道注塑模具的冷卻性能。 從這些隨形水路研究中可以看出，隨形水路設計技術趨于成熟，當前學者正朝著實現隨形水路的快速設計以及采取與其他技術方法相結合的方式提升冷卻效果的方向不斷努力。

脈沖冷卻技術相比于隨形冷卻技術，其不是通過改變水路結構來達到冷卻效果，而是以脈沖輸入方式調控冷卻液流量對模具溫度進行調控。采用脈沖冷卻技術，可以改善產品品質，提高生產效率，但成本相對較高［12］。現在脈沖冷卻技術大都是通過熱電偶監測模具溫度來調節冷卻液流量，對于一些大型模具需要使用多個熱電偶對模具溫度進行檢測，然后進行分區冷卻，這也是這項技術成本高的原因。目前針對脈沖冷卻技術的研究內容相對較少，Minh 等［13］將常規冷卻和脈沖冷卻技術在不同的模具溫度、冷卻劑溫度、熔體溫度和流速下進行比較，結果發現脈沖冷卻相比于常規冷卻，其冷卻速率可由0.552 ℃/s 提高到0.755 ℃/s，翹曲量可降低20 %。劉瓊等［14］在對乳液泵弧向出液按頭旋轉側抽芯注塑模設計時采用了脈沖式冷卻系統，其能夠使模具達到快速均勻的冷卻效果，極大地提高了生產效率。Bianchi等［15］針對陶瓷構件璧薄處過早凝固的問題，提出了一種基于局部模溫的新型熱控制系統，該系統使用Peltier 熱電模塊實現，根據不同型腔的厚度對不同型腔特征進行局部獨立的加熱和冷卻，以實現整個成型部件的均勻冷卻速率。脈沖冷卻技術雖然能夠提升注塑模具的冷卻效果，提高生產效率，但其較高的成本某種程度上抵消了生產效率提高所帶來的優勢。未來脈沖冷卻技術的發展很大程度上會取決于熱電偶等電子元器件的發展，其檢測精度的提升，反饋信號速度加快，賦予熱電偶更多的功能都可以極大提升脈沖冷卻技術的冷卻效果，例如上述所說的Peltier熱電模塊就能夠同時實現加熱與冷卻，無需通過冷卻液來對模具進行冷卻。

CO2氣體冷卻技術是將低溫CO2經模具外部氣孔通入模具內部，對模具進行冷卻。采用這種技術需要許多輔助設備，比如制冷器、空壓機等用于CO2氣體的制冷與輸送，因此采用此種技術需要很高的成本。氣體冷卻最大的好處是其流動性好，能夠對塑件一些細微區域進行冷卻，減少塑件的翹曲變形。但CO2氣體冷卻技術的控制難度較高，多被用于微注射成型模具中［16］。除此之外，一些研究人員利用仿生學原理，將某些動物的快速散熱機制運用到模具冷卻系統中去，比如鱷魚可以通過打開嘴巴散熱，是因為它們嘴巴底部有很多血管，可以幫助將熱量從身體中釋放出來。Berger 等［17］就在優化汽車機油濾清器外殼的注射成型工藝中模擬采用了仿生（血管）通道，發現其比隨形通道和傳統通道更加有效地冷卻主要熱點。

2 注塑模具加熱方式

在注射成型過程中，一些黏度較大的聚合物熔體注射入模具型腔后，其流動十分緩慢，容易造成塑料在模具型腔中出現流動受阻情況，可能會出現填充不均勻、氣泡等缺陷。對模具進行加熱的目的就是確保塑料熔體能夠在型腔內部充分熔化和流動，使得最終產品能夠具有良好的表面品質和尺寸穩定性。目前使用最多、應用最廣泛的模具加熱方法是模溫機加熱。模溫機根據使用的導熱介質可分為水溫機和油溫機，水溫機通常最高加熱溫度為95 ℃，油溫機最高加熱溫度為150 ℃［18］。模溫機的工作原理是借助一個循環系統，將液體溫度調節到需要的溫度，然后將其流過模具來控制模具表面的溫度。在模溫機運行過程中有時可以發現模溫機顯示的實際溫度會在設定溫度上來回波動，這很大程度上是因為其系統控制采用的是傳統的PID控制，控制精度較低，反饋信號速度慢。

隨著人們對塑料制品高精度、高力學性能和高表面品質的要求，注塑模具快速加熱技術不斷發展起來。目前注塑模具快速加熱方式有火焰加熱、蒸汽加熱、電加熱、感應加熱和紅外加熱等方式［19］。依據不同加熱方式所形成的模具結構差異可分為模內加熱和模腔表面加熱，蒸汽加熱、電加熱屬于模內加熱，火焰加熱、紅外線加熱屬于模腔表面加熱。蒸汽加熱方式加熱溫度能達到190 ℃，工作原理類似于CO2氣體冷卻技術，其需要鍋爐或蒸汽發生器用于生成熱蒸汽，蒸汽經模具上的氣孔通入模具內部，對模具進行加熱，然后流經模具后的蒸汽還需要進行回收，因此蒸汽加熱成本較高，存在安全隱患，但其傳熱效果好。張嘯天等［20］就利用蒸汽傳遞熱量比水均勻和蒸汽冷熱對流效果比水要好的特性，發明了一種能夠對模具實現均勻加熱的節能型加熱裝置，避免了現有模具通過水加熱模具溫度不均勻，產品內部應力向已加熱部分集中而導致變形的缺陷。謝玲珍［21］利用蒸汽加熱的快速熱循環注塑模具有效提高了熔體填充型腔時的流動性能，消除了制品表面的熔接痕，并大大提升了制品的光潔度。電加熱是通過加熱元件對模具進行加熱，其加熱溫度高、成本低，但存在加熱元件裝配和拆卸困難、冷卻效率低等問題［22］。加熱元件目前使用最多的是加熱棒，許多有關電加熱棒加熱的研究都聚焦于加熱棒在模具的空間布置以及結構改進上。如謝知音等［23］就研究了電加熱棒功率、組間距離以及縱向距離等因素對型腔表面溫度響應速率及表面溫度均勻性的影響規律；李泰棟等［24］研究了電加熱棒熱流密度與模具溫度均勻性的關系，發現提高邊緣加熱棒的熱流密度能改善了模具溫度的均勻性；王小新等［25］針對電加熱棒在模具中安裝和拆卸困難的問題，設計了一種環形間隙安裝結構，給加熱棒的安裝與拆卸帶來了極大的便利。上述2 種蒸汽加熱和電加熱方式主要用于高光注塑模具，可以有效消除傳統注射成型過程中塑件的熔接痕、浮纖、銀紋等缺陷。感應加熱應用的是電磁感應原理，使得金屬模具產生渦流來對模具加熱升溫，加熱速度快，能耗低，但模具型腔表面溫度均勻性較差。目前國內對于電磁感應加熱方式的研究較少，主要聚焦于結構設計和參數優化方面。如王金蓮［26］在對圓形外殼件注塑模型腔電磁感應加熱進行數值模擬時發現電流大小是影響加熱效率和模腔分布均勻性的最主要因素；王祖明［27］以電磁感應的集膚效應為理論依據設計制造了外置組合式感應加熱線圈，研究了組合式線圈感應加熱的溫度變化規律，為局部感應加熱最終溫度的控制提供了依據；Chen 等［28］利用電磁感應加熱與水冷卻相結合的方法，實現了模具表面溫度的快速變化，從而提高了微觀特征部件的復制精度，但是不會明顯地增加周期時間。紅外加熱方式僅對模具的型腔表面進行加熱，因為紅外線是電磁波，其對金屬的穿透深度十分有限，加熱升溫快但降溫也快，在微注塑模具上存在應用。有關紅外加熱方面的研究主要集中在紅外加熱裝置的結構設計上，一種是紅外裝置嵌入在模具內部，如Berlin 等［29］設計了一種基于紅外輻射變溫注塑模具，其紅外輻射管嵌在模具體內，熱量從附件的后面傳輸到型腔表面，解決了一般紅外加熱系統表面沒有三維熱交換和溫度場不均勻的問題；另一種是裝配在模具外面，通過紅外裝置的上下移動或反射罩照射模具型腔表面進行加熱，如Chang 等［30］設計并研究了一種低成本、實用的注射成型紅外快速表面加熱系統，該系統裝配在模具上并使用一個控制系統來操作燈座的上下運動來對模具型腔表面進行加熱。除此之外，還有一些新型技術如等離子噴涂技術、隨形加熱技術應用到模具加熱上，Bobzin 等［31］采用常壓等離子噴涂方法在模具型腔表面噴涂TiOx/Cr2O3加熱涂層，該涂層可以通過接通電源將電能轉換為熱能，從而實現對模具型腔表面的加熱；You 等［32］提出了一種節能的模具加熱和冷卻技術，制備了碳納米管（CNT）薄膜加熱器以實現模具表面的隨形溫度控制。

現在模具加熱研究大都放在如何把各種加熱技術組合到模具來達到加熱目的，而在這項加熱技術產生的能耗、加熱效率等數值評估上以及是否對其他類型注塑模具的普適性方面缺少研究。同時對于一些復雜的制品結構，可能需要采用分區控制或局部控制方式來達到制品加熱要求，如何實現上述部分加熱技術的分區控制或局部控制也是未來需要解決的問題。在選擇模具加熱技術時，需要考慮模具的材質和形狀，以及產品的要求和加工工藝，綜合考慮選用最適合的加熱技術。在實際使用中還需要注意加熱控制和維護保養，以保證模具的穩定性和壽命。

3 模具控制方式

上述冷卻系統設計和加熱方法是實現模具冷卻和升溫的手段，而如何實現模溫的精確控制是由控制器來實現的。目前PID 控制模具溫度在注塑領域是比較常見的，PID 控制是通過測量注塑模具溫度信號，并將其與設定值進行比較計算，控制加熱或冷卻設備輸出的功率來維持模具溫度在設定范圍內的控制方法。PID 控制器根據實時測量溫度與設定溫度的誤差大小，通過比例、積分、微分3個環節的加權運算來自動調整水或油流量，從而保證模具溫度的穩定性和一致性，這也是模溫機的控制原理。但在注塑機連續工作時，模具是處于一種反復開合的狀態，模具溫度會受環境因素影響產生波動，因此對于這種注塑工藝的非線性和時變特性，傳統PID 控制難以提供良好的模溫控制性能。在模溫機實際運行過程中，往往也可以發現模溫機的實測溫度和設定溫度有出入。針對這種問題，國內外學者對傳統的PID 控制進行了改善，提出了一些新型控制算法來提升控制器對模具溫度控制的魯棒性和跟蹤性能。

一是模型預測控制（MPC）。MPC 可以通過最小化成本函數和顯式使用預測模型來優化未來行為獲得控制信號。它可以預測特定時間段內未來時間的過程輸出，通過最小化成本函數來計算某些步驟的一組未來輸入，以便預測輸出以最佳方式達到設定點［33］。它能直接處理帶有純滯后的對象，對大慣性有較強的適應能力，從而有較好的跟蹤性能和較強的魯棒性［34］。Dubay 等［35］就提出了一種采用模型預測控制策略對模具進行分區溫度控制的新方法，控制系統由多個單輸入-單輸出模型預測控制器組成，每個控制器與一個特定的溫度區域相關聯，并在實際生產中取得了良好效果。雖然MPC 控制具有比PID 控制更好的跟蹤性能和魯棒性，但它的抗干擾性能卻不如傳統PID 控制，應對一些突發的隨機干擾難以及時控制。對此許多研究已經開始把MPC 與PID 控制聯合起來實現優勢互補，但這種雙控制方式在模具溫度方面的應用目前還沒有報道。吳高峰等［36］將MPC 算法和PID 串級控制應用在焦爐加熱系統并進行了仿真，發現這種方案對控制系統具有較強的魯棒性及良好的調節性能，提高了系統的動靜態性能指標。從這可以看出，MPC-PID 用于溫度控制是一種可行的方法，鑒于此如果把這種MPCPID 串級控制方式應用于模溫機控制系統預計會起到好的效果。

二是神經網絡控制。神經網絡控制依照人類的神經系統而建立［37］，其可以通過監測注塑模具的溫度和相關參數，預測下一時刻的溫度值，并根據預測結果自動調整注塑模具溫度控制器的輸出，從而實現精準控制注塑模具溫度的目的，神經網絡也可以說是預測控制的一種。注塑模具溫度神經網絡控制主要包括數據采集、數據預處理、神經網絡訓練、控制器調節和實時監測5個步驟。其中數據采集最為重要，采集的數據能夠反映注塑模具的溫度變化規律，以便神經網絡訓練做出準確預測。目前采用神經網絡方式用于溫度控制的研究已有很多，如Ding 等［38］將深度PID 神經網絡（PIDNN）控制器應用于非線性熱調節控制問題，發現與PID 控制結果相比，深度PIDNN 控制器減少了超調量，有效降低了功耗，提高了控制性能，穩定狀態下溫度波動范圍為±0.2 ℃；Juang等［39］在2006年基于Takagi-Sugeno-Kang（TSK）型遞歸模糊網絡（TRFN）研究了橡膠注塑機模溫控制問題，提出了一種簡單的直接逆組態控制器設計方案，該方案即使在不同于原始訓練采樣間隔的情況下也具有良好的性能；龔健虎［40］利用模糊自適應PID技術應用于聚丙烯（PP）模具溫度的控制中，設計了PP 模具成型溫度模糊自適應PID 控制系統，發現此系統能夠有效地控制PP 塑料模具溫度，極大地提高了PP 制品的質量；Shu 等［41］對注塑機溫度控制系統的特性進行了分析，提出了PID 神經網絡的算法，還將反向傳播算法的 VB 程序引入其中并對其進行了仿真，結果表明PID 神經網絡具有良好的解耦和自學習控制性能；宋澤云等［42］采用改進的小腦神經神經網絡（CMAC）控制算法，以89C51 單片機為控制器，利用高溫導熱油的循環實現模具溫度的控制，通過對PP 塑料件注射模溫度的實際控制表明，模具溫度控制精度優于±0.1 ℃。需要注意的是，神經網絡控制雖然可以實現精準控制注塑模具溫度，提高注射成型的品質和效率，但前提是必須獲得準確的數據集，而注塑模具在往復開合過程中，其溫度是很難精準檢測的，停機或開閉模時間等因素都會干擾到溫度檢測的準確性。同時神經網絡經網絡需要大量數據訓練，耗時長，這也導致了該方法在商業應用中存在實際阻礙。

三是遺傳算法優化控制技術。遺傳算法是眾多進化算法中應用最廣泛的，它通過模擬生物進化的優勝劣汰規則與染色體的交換機制，使用選擇、交叉和變異3種基本操作尋求最優個體，具有極高的魯棒性和廣泛的適應性［43］。在注塑模具溫度控制中，可以將遺傳算法應用于優化控制參數，解決多變量復雜優化問題，通過不斷迭代求解最優參數組合，實現注塑模具溫度的自動控制。遺傳算法優化控制在模溫控制上的應用主要包括參數優化、溫度曲線預測和多目標優化3 個方面。參數優化通過優化溫度控制器的參數設置，迭代計算找到最優的控制參數組合，使模具溫度能夠快速穩定在設定值附近；溫度曲線預測通過學習歷史數據和實時監測數據的關系，建立模具溫度預測模型，提前預測模具溫度的變化趨勢，從而采取合適的控制策略，避免溫度偏差和不穩定性；多目標優化通常考慮多個目標指標，如溫度均勻性、能耗、生產速度等，尋找到一個平衡的解決方案，使各個目標盡可能達到最優。國內將遺傳算法應用于模溫控制已在很早就已進行，祁東霞等［44］在2005年就已將有限元仿真技術與遺傳算法有機地結合起來，對注射模具的冷卻系統進行了優化，使模具內的溫度場得到了較好的控制；劉東雷等［45］在研究快速熱循環成型技術優化過程中提出改進遺傳算法，實現品質預測模型的尋優過程，并經生產驗證該優化技術具有很好的適用性。盡管遺傳算法在注塑模溫控制領域有一定的應用前景，但其計算復雜度、解的收斂性、問題建模和初始解的依賴性等缺點也限制了其進一步的發展，需結合實際情況進行合理的選擇和應用。

無論哪種模溫控制方式，都離不開傳感器元件對模溫數據的檢測，檢測位置正確與否才是影響模溫控制的關鍵。對于目前普遍使用的模溫機來說，其控制面板顯示的溫度是模溫機熱出水口的溫度，以這代表模具型腔內部溫度是不合理的。因為模溫機熱出水口需要通過一段水管流入模具進行加熱，在此過程中經過熱量耗散，實際模具型腔內部溫度是達不到模溫機顯示的溫度，這就導致無論控制算法多么精確都是無用的。在注塑模具往復開合的過程中，實現模具型腔內部溫度的實時監測，以此溫度來代表模具實際溫度進行控制才更能指導實際注塑生產。

4 結論

（1）隨著塑料制品性能的不斷改善，越來越多的金屬制品逐步被塑料制品取代，塑料制品種類增加使得模具設計越來越繁雜，未來需要實現各種模具冷卻技術水道的自動化生成來減少設計時間；

（2）面對眾多的模具加熱方式，需要包括能耗、加熱效果、成本等內容在內的評估體系來應對各種制品工藝要求以輔助選擇合適的加熱方式；

（3）隨著未來成型制品更高的要求，需要更高精度的溫控方式來滿足各種復雜的注塑工藝，同時如何對模具型腔內部溫度進行檢測也是未來需要解決的難題。