在全球制造业竞争日益激烈的环境下，专门干注塑加工的塑料零部件供应商面临着降低整体生产所带来的成本、缩短产品上市时间、在供应需求波动中提供灵活性的压力。在本期的案例中，使用先进的伺服驱动阀浇口热流道系统，设计了一种由三个不一样的尺寸的型腔组成的家族模具。该模具的设计是为了测试整个伺服系统的能力，以承受严苛的工艺条件。在项目推进的过程中，我们第一步通过模流仿真对伺服系统来进行测试，优化设计，验证工艺参数。同时，利用型腔传感器监测型腔压力、模具的温度和模具变形，控制成型机的工艺参数和阀门的动作顺序。根据结果得出，系统的工程努力、高度集成的成型系统和柔性伺服驱动热流道技术不仅降低了新模具推出的风险，促进了工艺开发，并确保了在各种成型条件下零件质量的一致性，为模具设计提供了更高的灵活性。
面对着日益加剧的竞争环境，注塑企业对于减少相关成本和提高零件质量有着强烈的期望。使用新技术和新工艺是实现这些目标的关键。利用热流道系统被视为减少相关成本的一个重要方法，热流道可以明显降低原材料的浪费。
在不同的热流道应用中，顺序阀式浇口控制通常应用于大流道和长流道的应用中，这些应用很难从一个中心区域进行补缩。在过去的几年中，由于灵活的浇口控制的优势，阀浇口热流道被原来越多地应用在家族模具中。然而，随之而来的挑战是：
模具中设计不当的空气或液压回路，如一个回路上的执行器过多，可能会引起阀销运动控制滞后。
在液压/气动输出受限的情况下，如果闸门附近的腔压过高，阀销可能没办法关闭。
阀销可能会永久性偏转，一般是由于跟着时间的推移，阀腔压力过高而遇到过大阻力时造成的。
模具变形可能在不同的阀浇口开闭顺序条件下发生改变，并导致零件缺陷，如飞边或应力过大。
本研究将介绍一个复杂的家族模具设计的工程案例，包括伺服驱动热流道系统和模具传感器的应用，以得到最终产品的质量的一致性。
本案例中的家族模具由三部分所组成：门套、地图袋和加强筋，如图1所示，这三个产品将在同一套模具的三个型腔中分别成型。下表中列出了每个零件的零件信息。
这些零件需要符合公差要求，以便进一步装配和符合品质衡量准则。过去，不一样的尺寸的零件大多是在不同的模具和注塑机中设计和生产的。然而，由于热流道顺序式阀门浇口的灵活性，它被视为一个与单一成型机集成和生产的新机会，并在需要时提供仅成型某个型腔的灵活性。
在这三个产品中，地图袋设计有一个扬声器格栅，在那里有极大几率会出现流动迟滞，因此，需要加强排气以防止出现外观问题。
为了考虑多个设计变量，我们设计了一个系统的分析迭代来评估该系列模具的可成型性。五个塑料变量，包括流量、压力、热量、冷却和型腔形状，都会影响最终成型零件的特性。同时，在评估模具设计的同时，还考虑了注塑机的性能。如下是工程设计流程。
浇口布置的第一个任务是确保每个模腔都能在可接受的压力损失范围内填满。在这三种几何结构中，门套的体积最大，厚度最小。我们在模流软件模拟中进行单腔分析，以每个产品评估压力损失和浇口的数量。同时，还为填充时间的工艺窗口提供评估，因此能根据需要调整零件设计和浇口位置。我们将5000 psi设定为每个浇口填充覆盖范围的可接受压力损失，但是当我们将门套设计为四浇口，而地图袋和加强筋分别为三浇口和一浇口时，压力损失达到了近20000 psi。具体如下图所示：单个空腔压力损失研究红色：门套；绿色：地图袋；蓝色：加强筋。
为了减小不一样的产品之间的压力损失偏差，我们设计了相似的热流道结构，以便在每个热流道中保持相同数量的材料。
热流道设计完成后，我们评估了两种不同的处理方案，均为开放式和顺序填充。我们观察到，在8个热浇口之间顺序填充时，所有阀门打开时所需的锁模力为1500 吨，而顺序填充所需的锁模力减小到1100 吨，如下图所示。
同时，顺序填充可提供更少甚至不可见的焊缝和更平滑的流动模式，如下图所示。
当我们使用一个以上的阀门时，其中一个阀门的打开和关闭，都会造成其它每个阀门的流量发生明显的变化。因此，型腔方向和热流道系统的设计对模具工艺的顺利开发显得很重要。
由于材料不能长时间存在于热流道中（容易降解），热流道设计需要为每个浇口的填充提供足够的材料量。在模具模流分析中，我们还研究了支撑柱的布置及尺寸。飞边通常会出现在大型模具应用中，即使锁模力足够，也有可能可能因为模具的配合性差而发生。同时，由于夹持模具时锁模力的大小会影响最终零件的厚度，因此我们也对锁模力的大小进行了评估。在最终的模具设计中，我们评估了模具的应力大小和分布。模具钢的峰值应力小于150mpa，小于模具钢P20屈服强度的一半，契合设计要求。如下图所示。
模具冷却设计的迭代需要在模具制造之前做评估。分析的重点是评估合适的模架尺寸、周期时间、模温机的要求和产品热点。最终设计（如下图所示）有22条水路。经过多次迭代，我们得出的结论是，60秒的最大周期时间下，能够让产品顶出后具有均匀的表面温度分布（），注塑在开始10个周期后能达到热平衡。
在模具设计阶段，我们利用模拟结果对传感器的布置做评估。压力传感器位于每个模腔的填充结束处，以便监测零件是否完全填充和补缩。在浇口附近放置温度传感器，作为阀门浇口开启的触发器，同时监测模具的温度的一致性，这些最终都会影响产品尺寸的一致性。模具变形传感器位于预测变形最严重的区域，可以监测实际的模具变形量。
该成型系统配置有一个数据采集系统来监控机器和模具领域，如上图所示。机器、热流道、模具的温度、模具变形和型腔压力传感器通过RJG eDART®系统连接，该系统是根据螺杆行程位置、熔体到达时的温度上升和压力大小来控制热流道阀门的开闭时间。先进的伺服驱动阀浇口热流道系统控制参数可用于开发自适应工艺。例如，阀门的动作速度和行程位置可以灵活设定。
通过模拟结果的预测，我们得出了一个稳健的浇口动作序列，从门套的1号浇口门和7号浇口和地图袋的3号浇口开始，然后是加强筋的2号浇口。（浇口编号见下图）。一般来说热流道的顺序控制方式能是时间、螺杆行程位置，也可以是浇口附近的模具的温度或者压力。由于本文的目的是比较传统的顺序阀式闸门和先进的伺服驱动系统的性能，所以本文的开闭控制是基于螺杆位置的。
炮筒和所有热流道区域的熔体温度设定为440°F。模温机设置的冷却液温度为100°F。由于模具和填充量较大，测量的模具的温度会随着周期数量的增加而升高，会影响实验结果。因此，模具的温度被密切监控，以确保在执行不同的浇口开闭顺序时影响最小。我们观察到，在经历了十个成型周期后，模具的温度稳定在125到135°F之间（如下图所示），测量值接近之前进行的模拟研究的预测范围。
在使用和模流分析中中设定的相同阀门开闭顺序的初步试验中，我们观察到的产品与预测结果相当。门套空腔拐角处的流动前沿较短，而在较高的压力下观察到第二个打开的浇口（6号）（如图下所示），这导致在预测最大模具变形和放置模具变形传感器的区域发生飞边。
我们记录了不同热流道顺序控制方式下的产品性能测试、模具变形和零件重量。在阀针顺序设定不变的情况下，逐渐降低锁模力的吨位，并由eDART数据采集系统记录。根据模拟预测，该模具所需吨位为900吨，实测过程中发现在800吨的设定下会出现飞边。
然后，个人会使用了伺服驱动控制模式并按照与传统方式相同的顺序执行。但是，伺服驱动系统提供了高级设置，如配置初始阀销行程位置和阀针运动速度等。
结果表明，在控制飞边和模具变形方面，伺服驱动阀浇口控制系统对锁模力的要求大幅度的降低。使用伺服驱动系统，在同一台机器上设置375吨时才能观察到飞边（之前是800吨）。与传统的阀门控制相比，不同锁模力下的零件重量变化也不显著。具体如下图所示：
通过模具变形传感器，我们大家可以观察到标准和伺服驱动阀门控制管理系统之间的模具变形显著减小。传统的浇口控制在分型线mm的模具变形，而伺服控制管理系统仅仅显示出0.12mm的变形。这种差异主要是由于伺服系统中阀针行程位置和速度的灵活性造成的，而传统的阀针只提供开/关控制，无法控制开关量和开关速度。
当检测到模具变形大的时候，它也会影响模腔压力曲线的读数。根据结果得出，模具变形对模腔压力测量有一定的影响，但影响模腔压力测量的因素很多，包括锁模力设定、锁模机构、模具完整性等，这一些因素还有待于更先进的建模领域和仿真方法的探索。
在模具中实施阀浇口控制系统为节省本金和零件设计灵活性提供了许多机会。基于腔内传感器数据的测量，采用伺服驱动的阀浇口控制，可以大幅度减少相关成本，提高零件质量。然而，在所有这些场景中，一个显著的节省是，由于对流动前沿、模腔压力和零件质量的独立控制，能轻松实现无与伦比的零件一致性。即使在材料粘度正常变化的情况下，这些优点也得到了证明。可快速缩短产品外观的检查时间，飞边、缩痕、短射、应力、熔接线和翘曲变形等问题也能够被更好的解决。
