工業(yè)4.0這一主題早已與注塑機(jī)制造商息息相關(guān)。工藝監(jiān)測(cè)和控制的網(wǎng)絡(luò)化與數(shù)字化可提升注塑工藝過程的透明度，并可以從經(jīng)濟(jì)效能上優(yōu)化生產(chǎn)過程，而實(shí)現(xiàn)這種注塑工藝網(wǎng)絡(luò)化的基礎(chǔ)則是智能的工具傳感器。例如瑞士Kistler公司提供的傳感器，該模具中的傳感器能對(duì)工藝過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并使該過程更加透明，工作效率也將因此得到提高。
在虛擬環(huán)境中整合傳感器獲取的數(shù)據(jù)，不僅可以監(jiān)測(cè)和優(yōu)化各個(gè)注塑成型周期，還能監(jiān)測(cè)和優(yōu)化整個(gè)工藝過程。模腔壓力監(jiān)測(cè)需要自動(dòng)或者手動(dòng)設(shè)置好待測(cè)部件，然后觀察傳感器輸出的曲線是否按照預(yù)定方式通過待測(cè)部件，再根據(jù)結(jié)果顯示“正常”或“異常”便可將這些部件按照好壞進(jìn)行分類。此外用戶還可以基于模型對(duì)明確的質(zhì)量特性進(jìn)行預(yù)測(cè)，根據(jù)在線質(zhì)量預(yù)測(cè)為基礎(chǔ)，能夠預(yù)先對(duì)每個(gè)成品部件做出可靠的評(píng)估。
傳感器的安裝位置
通過在注塑模具中使用傳感器不僅可以測(cè)量出模腔壓力，還能檢測(cè)出溫度控制器在進(jìn)料和回流時(shí)的溫度和流量。來自Burkert流體控制系統(tǒng)公司的Martin Schramm指出：“溫控過程越理想，產(chǎn)品質(zhì)量越高。”就工業(yè)4.0中注塑成型工具的使用而言，傳感器發(fā)揮了重要作用。由傳感器組成的控制系統(tǒng)能夠通過整合I/O鏈路使調(diào)節(jié)器和閥門網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。來自德國RJG公司的Ulrich Bretthauer強(qiáng)調(diào)了傳感器對(duì)最終產(chǎn)品質(zhì)量的重要性，他指出：“一旦塑料離開了注塑機(jī)的噴嘴，加工人員就會(huì)變得束手無策，受制于腔內(nèi)的物理定律以及待處理材料的粘度變化。如果可以成功地使用模腔壓力技術(shù)，將能夠穩(wěn)定注塑工藝過程，并最終降低成本，提升公司的競(jìng)爭(zhēng)力。然而想要實(shí)現(xiàn)這些，僅僅依靠在某處安裝傳感器，觀看漂亮的曲線是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。
圖1 數(shù)字化時(shí)代的數(shù)據(jù)傳輸就離不開廣泛應(yīng)用的傳感器技術(shù)，例如，當(dāng)注塑模具配備有傳感器時(shí)，就可以存儲(chǔ)和跟蹤直至各個(gè)模腔內(nèi)注塑成型的模態(tài)，并在出現(xiàn)問題時(shí)快速找到應(yīng)對(duì)方案
傳感器在模腔內(nèi)所安裝的位置決定該技術(shù)所起的作用，到底是帶來收益還是僅導(dǎo)致成本升高，這點(diǎn)同樣適用于注塑工藝裝置和壓力曲線評(píng)估。Bretthauer特別指出：“對(duì)于每個(gè)新項(xiàng)目，首先必須明確傳感器應(yīng)該完成哪些任務(wù)，因?yàn)檫@將決定安裝傳感器的位置。”模腔壓力傳感器通常用于控制工藝過程，即保壓切換、打開和關(guān)閉噴嘴以及工藝過程監(jiān)控。雖然針對(duì)傳感器安裝位置能給出一些簡(jiǎn)單的基本建議，例如大多數(shù)時(shí)候可以靠近注塑口，但是要想確定安裝傳感器的最佳位置，通常還需要對(duì)流量和壓力情況進(jìn)行模擬。
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圖2 由Kistler提供的在線工具Comoneo可用于塑料加工過程的高端過程監(jiān)控，這種參數(shù)監(jiān)控符合 “注塑4.0”的要求
工藝過程透明
模具中傳感器可以對(duì)模具中的壓力和溫度進(jìn)行組合測(cè)量。來自Arburg注塑機(jī)制造公司的應(yīng)用技術(shù)部負(fù)責(zé)人Thomas Walther博士指出：“使用傳感器歸根結(jié)底就是為了使模腔內(nèi)的狀態(tài)可視化。”這意味著加工人員可以通過傳感器獲知“黑匣子”內(nèi)當(dāng)前的運(yùn)行狀況，機(jī)器操作人員則可通過模具傳感器直接獲取信息。
這樣一來用戶便能更加詳細(xì)地對(duì)工藝過程進(jìn)行設(shè)置，并使其具有更好的可重復(fù)性。Walther強(qiáng)調(diào)：“加工人員能夠通過模具中的傳感器更好、更深入地了解封閉的系統(tǒng)，還可以更好地理解工藝過程和優(yōu)化過程控制，工藝過程的可重復(fù)性最終能夠提高生產(chǎn)部件的質(zhì)量。
Arburg注塑機(jī)的控制系統(tǒng)可以通過調(diào)節(jié)參考曲線對(duì)與壓力和溫度相關(guān)的信號(hào)進(jìn)行處理，這將進(jìn)一步細(xì)化和改進(jìn)干預(yù)措施，控制系統(tǒng)會(huì)記錄由傳感器提供的相關(guān)過程參數(shù)，當(dāng)其與MES系統(tǒng)結(jié)合在一起使用時(shí)，將有助于生產(chǎn)工藝過程朝著工業(yè)4.0所要求的自動(dòng)化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。
圖3 圖中是Sensopart工業(yè)傳感器公司生產(chǎn)的一部用于注塑模具的工業(yè)視覺傳感器，該傳感技術(shù)可以檢測(cè)出由于過度注射或注射不足導(dǎo)致的缺陷部件以及安裝錯(cuò)誤的部件
與注塑部件生產(chǎn)和組裝有關(guān)的工藝過程為最新一代能夠處理圖像視覺的傳感器提供了廣泛的應(yīng)用空間。Sensopart傳感器公司的Klaus Berdel指出：“通常注塑成型過程中最常見的問題是短射引致的模具不完全填充以及過度注射導(dǎo)致的毛刺和飛邊。”利用預(yù)置好的工具對(duì)工件的表面和輪廓進(jìn)行檢測(cè)很容易發(fā)現(xiàn)部件的幾何形狀有這樣或那樣的偏差，此外視覺傳感器還能夠及時(shí)檢測(cè)插入錯(cuò)誤，例如在注塑問題的模制插頭中發(fā)現(xiàn)未校準(zhǔn)的金屬銷。
Toses Tooling Security Services公司的Burkhard Walder認(rèn)為，在注塑模具中使用傳感器可以降低維護(hù)次數(shù)、延長(zhǎng)模具使用壽命、減少不合格產(chǎn)品、及早發(fā)現(xiàn)工具損壞和監(jiān)控工藝參數(shù)，從而使整體設(shè)備效率得以提高。他總結(jié)說：“所以說傳感器對(duì)提高生產(chǎn)效率做出了重大貢獻(xiàn)。”例如，該公司的傳感器系統(tǒng)可以根據(jù)模具的噪聲發(fā)射情況來優(yōu)化維護(hù)周期。在使用該系統(tǒng)時(shí)，只需要根據(jù)實(shí)際需求對(duì)模具進(jìn)行維護(hù)，而不是根據(jù)生產(chǎn)的部件數(shù)量，因?yàn)閭鞲衅髂軌驅(qū)δ＞咧械脑肼曔M(jìn)行檢測(cè)，并以此確定出急需維護(hù)的模具。
圖4 Kistlers公司的ComodataCenter適用于注塑成型過程的數(shù)據(jù)管理和分析，此外該工具還連接了Comoneo和Como Injection系統(tǒng)
TE Connectivity公司的Felix Eggert強(qiáng)調(diào)說：“注塑模具中使用傳感器可以提高模具的生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率，尤其是溫度必須經(jīng)過精確測(cè)量，才能對(duì)生產(chǎn)部件質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控，無論是溫度過高或過低，還是溫度的小幅變化都會(huì)對(duì)質(zhì)量產(chǎn)生決定性影響，例如在稍高的溫度下，部件就會(huì)有可能燃燒。此外，傳感器還能使質(zhì)量欠佳的部件自動(dòng)分揀出來，在使用敏感的溫度傳感器時(shí)，不合格的產(chǎn)品數(shù)量會(huì)下降，生產(chǎn)效率也可以得到提高。”
德國Gefran公司的Kai Wiegand解釋說：“模具壓力也可以通過對(duì)注塑機(jī)螺桿的應(yīng)變測(cè)量來確定，目前這種壓力傳感器還沒有集成到注塑模具中。壓力傳感器能夠記錄螺桿上的受力，并使信號(hào)經(jīng)過放大器抵達(dá)控制系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估。”
注塑成型過程復(fù)雜多變
對(duì)傳感器提供的信號(hào)評(píng)估和處理是生產(chǎn)高質(zhì)量注塑件的先決條件，當(dāng)然高精度注塑模具也是必不可少的，例如想要使生產(chǎn)部件公差小于30?μm，就必須使用誤差低于10?μm的注塑模具。此外，還需要用于模具補(bǔ)償?shù)臏y(cè)量傳感器，例如Carl Zeiss工業(yè)測(cè)量?jī)x器公司就為此發(fā)開了一種用于表面反饋的創(chuàng)新軟件。
Priamus系統(tǒng)技術(shù)公司把注意力集中在模腔內(nèi)的傳感器上，該公司德國部負(fù)責(zé)人Erwin Konig認(rèn)為注塑工藝是一個(gè)非常復(fù)雜的制造過程，需要不斷調(diào)節(jié)，所有的調(diào)節(jié)都會(huì)對(duì)注塑部件的質(zhì)量產(chǎn)生或多或少的影響。此外該工藝過程還會(huì)受到多變的外部影響，這些外部變化對(duì)部件質(zhì)量有決定性的影響。
為了使實(shí)際生產(chǎn)過程以及對(duì)過程中的波動(dòng)一目了然， 模腔壓力傳感器和模腔溫度傳感器必須安裝在注塑模具的模腔內(nèi)，以提供高清信息。Konig斷言：“正如測(cè)量的普遍規(guī)則，往往離工作地點(diǎn)越近，越容易獲得最好的高清信息，所以說由注塑機(jī)或成像系統(tǒng)提供的信號(hào)往往不具有這么高的說服力。”
