2021年10月8日

热流道基础

熔体输送技术如何帮助减少物料浪费并提高生产效率

什么是热流道系统?对于注塑工艺并不太熟知的人而言,这或许是谜之第一问。热流道系统是注塑成型加工中的一个重要组成部分。自问世以来,热流道在塑料加工领域不断发挥其关键作用。虽然热流道增加了模具的初始成本,但从长远来看,它们为生产带来诸多改进,当之无愧地成为更经济的选择。 

什么是热流道?

热流道能够提高生产力和系统性能,生产外观更为精美的注塑件,提升灵活性并改善工艺制程监控。此外,它们还提高了能源效率,避免产生废料,从而加快生产周期,降低部件成本。热流道还将熔体输送到模具,成就高品质浇口、出色的“腔到腔”平衡、快速换色、无限的设计自由度,以及客制化程度更高的产品。热流道解决方案助力加工商实现低成本、高质量和高产量。热流道系统在热点式和阀针式浇口配置中皆表现卓越,并针对加工商的特定应用进行优化。

对于产量高且产品使用寿命长的应用而言,使用热流道技术带来的好处最为显著,此外,针对注重速度和一致性以便进行持续改进的低腔位模具,热流道技术亦能带来极大收益。本文将概述热流道熔体输送系统的工作原理及其如何改进注塑工艺。

冷流道的局限性

在注塑成型工艺中,模具最为重要的功能之一便是将熔体从料筒输送到型腔。熔体输送管理对终端部件品质和生产线的成功运行有着举足轻重的影响。对于树脂流量、压力和温度的精准控制至关重要。模塑加工的成功与熔体输送系统的设计直接相关,因此对热流道和冷流道方案进行详尽比对则大有裨益。

冷流道是存在于模具内的固化塑料流体通道,其在模塑制程完成后,必须从模具和注塑部件上移除。在模具分型面上加工而成的通道导致冷流道的产生,这些通道引导熔融树脂从浇口流进型腔。熔融树脂冷却变硬后,与注塑部件一起顶出,下一个生产周期则得以开始。一般而言,冷流道系统对模具的起步成本或初始资金投入的要求较小。它们往往应用于运行时间较短或生产频率较低的低腔位模具中。

然而,一些注塑部件的需求量有所提升,并最终转向于使用更高腔位数的模具。当这种情况发生时,冷流道则会对加工和相关成本产生较大影响。更庞大的流道系统意味着要注射、冷却和处理更多树脂。冷流道的布局设计可能很复杂,而且为了容纳流道和便于排气,型腔之间必须保持较大间隔。

由于熔体在充填阶段仍然会向型腔内流入,所以冷流道还会延长生产周期。冷流道通常比注塑部件厚很多,因此,冷却时间也很长。显然,最重要的考量因素之一是:冷流道浪费树脂,导致高昂成本的产生。加工商不得不抛弃流道,通过再研磨将其回收并用于其它加工,或以极其低廉的价格将其作为大宗废料出售。

双板冷流道模具的优点包括设计紧凑、投资成本低、停留时间短。它还兼具维护简单、换色迅速、浇口易于加工等特点。缺点则体现在报废塑料的产生、为去除多余浇口料而运行增加加工成本的二次操作、生产周期长,以及表面光洁度不佳和尺寸稳定性差等质量问题。

三板冷流道系统产生的废料虽然可以再研磨,但这个过程会产生其它问题。加工商围绕着再研磨冷流道在未来新应用中的使用,不得不面临诸多问题。这个部件是否需要原生材料进行制造?仅使用很小比例的再研磨材料是否可行?废料中是否有不需要的材料产生?外来碎屑会堵塞浇口吗?与此同时,浇口料切除环节上也问题多多,比如流道究竟是折断,还是必须要切除。还有可能需要人力劳动和用于购置浇口料自动切除设备而产生的相关固定资本支出。投资额可能相当高昂,且投资回报期(ROI)较长。

热流道提供优化方案

热流道是熔体输送系统的进阶替代方案。它的功能类似于冷流道,为熔融树脂提供通道,使其流经设计精密、技术性极高的系统。热流道较之冷流道最重要的区别在于它不会使熔融树脂凝固。输送网络完全包覆于钢制分流板内部,从不暴露于空气中。

分流板将熔融树脂输送到注嘴,注嘴提供了通向浇口和型腔的通道。分流板和注嘴由热电偶和加热器进行调节,从而维持熔融塑料的温度。打个比方,冷流道就像是露天的城市街道,而热流道则更像是一条地铁隧道。虽然热流道增加了模具的价格,但鉴于热流道能够避免浪费、缩短生产周期和减少部件之间的差异性,所以应当将其视作一项投资。

热流道通常被认作注塑工艺中最精密的系统之一。各种材料及其功能特性成就整体工程设计和最终工艺性能的完美呈现。根据树脂和应用,浇口设计和温度控制有多种选项可供选用。浇口既可利用热点式注嘴进行热控制,也可凭借阀针式浇口注嘴进行机械控制。基于它们与模具的不同互动模式,均有其独特的设计要求。温控器可用于过程监控、控制和微调。赫斯基专利Ultra®热流道配备Ultra Helix™阀针式浇口,这项技术可提供相当干净的浇口,几乎测不出残留痕迹。

使用热流道,则无需在加工前、加工中和加工后处理冷流道。不需要人工或机器人去除固化的流道,亦无需对此进行再研磨,从而降低成本,减少设备维护,更好利用寸土寸金的场地空间,节省宝贵时间。由于不需要管理流道,也就无须进行浇口料切除和整理分类。对于加工商来说,生产周期方面的优势可以转化为显著提升的产量。

生产周期差别明显

如下是热流道与冷流道对比的另一个要素:虽然冷流道和热流道的注塑制程步骤是相同的,但它们对生产周期的影响却大相径庭。由于熔体在充填阶段仍然会向型腔流动,所以冷流道会延长生产周期。冷流道一般比注塑部件厚得多,因此,冷却至安全操作条件所需时间也最长。此外,冷流道的浇道熔渣可能需要更大的开模行程才得以清除,这又增加了每个生产周期的时间。当模具打开时,将流道从模具中卸除和清理——要么通过重力作用,要么凭借拆卸工具,两者都需要时间。当下一个生产周期开始时,冷流道依然存在,如此循环往复。

采用热流道系统则可减少模具开合行程。部件迅速冷却后即可顶出,相反地,冷流道在顶出前必先冷却。热流道系统也缩短了螺杆回复时间。相比热流道,冷流道需要更大的注射量,而热流道则可以使用较小的料筒,能耗更低。

要证明热流道成本的合理性,总体节省金额必须超过热流道自身成本。计算成本节约时须要考虑多种因素,包括部件数量、部件重量相较之流道重量、树脂成本、设备小时成本、型腔数、人工费用和再研磨验收等。再次强调,赫斯基的Ultra®热流道配备Ultra Helix™阀针式浇口,可持续数百万个生产周期——超长寿命享誉业内,大大降低了机器小时成本。

当加工商认真考虑向热流道系统转型的可能性时,总存在一个临界点。假设一个64腔冷流道模具,生产周期为14秒,一天三班运行,一周七天。如果正常运行时间占90%,每年它将运行约200万个周期,制造约1.293亿个部件。重量2克的部件和192克的冷流道,意味着每个生产周期的注射总量高达320克。

热流道提升品质

除却减少浪费和提高产量以外,热流道还能在部件质量、尺寸精度和表面光洁度等方面提供更有力的控制。浇口位置不再局限于周边外缘,而是可以移动,从而在引导熔体流时,确保关键尺寸规格得以完美呈现或对受填充特性影响的其它特征带来更为正面的影响。还可能缩短总流程以降低型腔填充压力要求,减少或导致部件变形的其它工艺元素。预计的总面积和锁模吨位要求也可能有所降低。

在注塑成型制程中所涉及到的各类设备组件中,就进行一定的调整从而影响模具中独立型腔性能表现这一角度而言热流道提供极致的灵活性。虽然也能对冷流道进行调校,除非模具在设计时便允许快速拆卸或更换冷流道插件,否则进行检查、调整和验证则可能需要耗费很长时间。变更调整往往手工进行,过程反复且难以替换。恢复到初始状态会相当耗时。可以通过焊接工艺增加钢材,但需重新打磨,材料抗疲劳性可能受损。

注射筒和机器锁模的影响力遍及全套制程。更换模腔需要排空冷却液,并且机械强度大,这一点在高腔位模具上体现得尤为明显。热流道的注嘴头可以迅速更换,加热器位置改变或区域温度调整亦能快速完成,其对整体质量的影响立竿见影。

设计与美感升级

表面品质是将热流道和冷流道进行对比的另一个重要维度。精心设计的热流道浇口定位可以成就更好的部件性能和表面光洁度。鉴于浇口可以重置于部件上的任意位置,因此流道修整、二次操作及一致性差等问题皆不复存在。

部件表面质感的提升对于冲洗等应用尤为重要,冲洗中要控制单个水滴的流量;在医疗领域,必须将浇口痕迹导致外科医生手套撕裂的风险降至最低。卫生保健领域也要求类似的性能表现,导管必须尽可能隐秘放置。如果没有优化的浇口设计和定位,当今我们所熟知和推崇的一些标志性包装和消费类电子部件将无从说起。

根据应用,对热流道系统设计合理性产生影响的因素很多,包括浇口类型(磨损、冷却、公差和尺寸设计)、分流板要求(模流平衡、热平衡、熔体通道尺寸、模具尺寸和型腔数)和加工变量(压力、注射速度、模具和加工温度、树脂类型和系统定时)。

浇口选项提供卓越的功能和质量

浇口是塑料进入型腔时,对其进行限流的迷你装置。现在,注塑制造商有两类热流道可供选择:热浇口(热点式)和阀针式浇口。热浇口是一种简单的浇口方法,没有运动部件。探针由高导热铜材制成。保压期间,静态塑料在浇口处凝结形成一个膜/皮,从而形成微小的凝结塞,堵塞浇口。凝结塞在注射过程开始时被吹出。热点探针的温度和位置是重要考量因素,精密加工必不可少。

采用热点式浇口时,可能会出现浇口质量问题。具体来说,嘴头相对于浇口的位置差异会影响浇口的痕迹,有时会出现丝痕(天使头发)、滴料、甚至部件未填充。干净的浇口痕迹是赫斯基Ultra®热流道设计的一大优势。

另一种浇口选项——阀针式浇口,则是一种可控性更强的方式,能提供更高的浇口品质。通过阀杆驱动,以机械方式打开或关闭浇口。阀杆处于“后退”位置时,将塑料射入型腔。保压后,阀杆向前驱动,以机械方式关闭浇口。与热点式浇口相比,阀针式浇口提供了更为宽泛的操作窗口,“点到点”的一致性也更好。浇口直径更大,部件的浇口切断和应力则更小。阀针式浇口还避免了浇口残留问题。

阀针式浇口可应用两种不同的切断方式——锥形(锥度型)和圆柱形(柱塞型)。锥形切断适合非精密应用,在浇口区域需要更大强度以避免过早开裂,而圆柱形切断整合了无需预载、尺寸精密的滑动配合pin脚,提高精密部件的浇口质量。

取决于不同的应用需求,阀针式浇口热流道系统有多种驱动选项。其中包括液压、气动和电动(伺服马达)。阀杆可以单独移动,也可以在模板驱动下作为一个同步组而共同移动。气动方式最受欢迎,因为成本较低、可在洁净室内使用,且管理维护最为简易。

分流板在初始系统设计实施中也扮演着重要的角色。热流道分流板的尺寸可根据客户实际需求而无限变化,注射点位置灵活多变。分流板的形状和尺寸取决于模腔的数量和间距。为了达到最佳流动状态,通道布局必须平衡。熔体通道规格尺寸依据不同应用而进行客制化订制。加热器型线设计针对每种形状和每种树脂特性进行优化和验证。

虽然大多数传统热流道系统以直角路径运行,但处理更复杂的喷嘴配置时,就要使用复杂的系统。在这些选项中,螺栓分流板系统可为汽车前照灯边框等外形设计独特的表面提供不同角度的熔体输送。

过程控制器提供准确性和一致性 

每个热流道系统都需要温控器来管理温度和机械设置。赫斯基Altanium®模具控制器提供高度精准的温度和伺服控制,其故障恢复解决方案备受业内推崇。它们配备大尺寸全彩触摸屏,导航功能易于使用,配置丰富多样,可在各种注塑环境中得以应用。

所有Altanium®控制器均使用主动推理技术(ART),提供优化的控制,更好地实现“点到点”和“腔到腔”的一致性和重复性。主动推理技术(ART)通过一流的功率输出、完全隔离的热电偶输入和确保温度读数完整性的业界领先热电偶采样率,提供更为精准、严瑾的控制,可变性极小。

结论:热流道的重要性不言而喻

热流道技术堪称注塑件生产中的无价之宝。通过出色的熔体控制和加工性能,使模塑工艺得以优化,制造更高品质的部件,生产能力也大幅提升。

较之冷流道系统,热流道系统具有显著的性能优势。通过减少树脂用量、改进生产周期和省却后处理步骤,能实现可观的成本节约。可利用各种工程解决方案对热流道进行客制化打造,以适合各种应用。

随着热流道技术的进步,我们看到注塑行业内从冷流道向热流道转变的势头持续强劲。伴随塑料部件设计不断超越界限,减少树脂使用继续成为所有模塑商关注的焦点,热流道解决方案定位于满足全新的产业挑战。我们可以预见:凭借精密复杂的热流道技术进行熔体输送管理,将在注塑加工中发挥越来越关键的作用。