模具智能监控系统:远程监控,可以缩短工艺周期节省成本

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熔模铸造是通过低压蜡注射成型制造蜡模,广泛用于制造各种金属零件。精密铸造行业劳动力成本高,确保蜡模在生产过程中的质量对制造商来说至关重要。


在此基础上,开发了蜡模注塑用硅橡胶模具智能监控系统。通过智能监控系统得到的注塑件冷却时间与现场数据采集系统得到的冷却时间非常接近。可以远程监控注塑件温度与蜡注塑后冷却时间的关系。本文以“Development and application of intelligent monitoring system for rapid tooling applied in low-pressure injection molding”为题于2020年11月11日发布于《The International Journal of Advanced Manufacturing Technology》杂志上。

模具智能监控系统:远程监控,可以缩短工艺周期节省成本


研究背景与实验


塑料和复合材料行业已经开始在数字化和系统集成领域发生巨大变化。一个基于云计算的看板决策支持系统作为工业4.0技术和主要精益工具集成的现实示例被展示出来。探讨了三个影响层次:战略、战术和操作,并详细阐述了由于这些新技术将带来的能力和灵活性,在装配设计方面可能发生的变化。


有研究者为计算机数控机床车间提出了一种预测维护成本模型,为中小企业提供了显著的成本节约。通过对已发表的相关论文的文献综述,阐述了制造和装配系统的工业4.0的最新准备状态。


缩短上市时间被认为是保持公司竞争力的重要因素之一。因此,快速加工(RT)被提出以满足这一需求。一般来说,RT可分为两类。一种是直接工具,用于批量生产的模具直接由增材制造(AM)制造。另一种是间接工具,包括软工具和硬工具。


间接工具比直接工具更容易执行,因为工具是由材料制造的,如硅橡胶或铝填充环氧树脂。在间接工装技术中,SRM由于具有弹性和柔性的特点,可以方便地加工具有复杂几何形状的零件,在间接快速工装技术中得到了广泛的应用。


熔模铸造(IC)是已知的最古老的金属成形技术之一,在过去的5000年里一直以各种形式被使用。该金属元件可以用IC工艺制作。一般来说,低压蜡注射成型(LPWIM)是一种成本效益高的方法,为IC制造蜡模。然而,由于产品生命周期越来越短,多样性程度较低的产品逐渐受到重视。基于此,该研究开发了一套智能监控系统,以实现在LPWIM中应用保角冷却通道对SRM的监控。并对所研制的智能监控系统的功能进行了实验研究。


形态展示了该研究的研究过程。选择一个长方体作为主模型。主模式的尺寸是长50毫米,宽30毫米,高5毫米。该研究使用的材料包括硅橡胶基料,硬化剂,蜡,聚乳酸丝,丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)片材,丙烯酸片材,醇,丙酮(丙酮),脱模剂。将硅橡胶基料与固化剂按10:1的质量比混合,制备SRM。利用真空机在真空条件下提取混合过程中产生的气泡。

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图为研究过程

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图为应用于LPWIM的SRM智能监控系统的通信方案


为了验证该研究开发的智能监测系统是否能取代现场数据监控系统,在LPWIM中采用了带CCC的SRM。


用智能监控系统显示注塑件的温度作为一种功能,一次使用智能监控系统。由传感器判断的熔蜡温度也在65°C左右,注射成型件的冷却时间约为1010 s,结果表明,用智能监测系统判断的蜡液温度与传统方法测得的蜡温度非常接近。此外,智能监控系统获得的注塑件冷却时间与传统方法得到的冷却时间非常接近。冷却时间的差异仅为2s左右。

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图为带温度传感器的SRM照片

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图为成型件温度随时间变化

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图为用智能监控系统实现注塑件温度的实时监测


LPWIM是一种广泛应用于蜡模生产的工艺。减少蜡模在大批量生产过程中的冷却时间是铸造行业的一个关键问题。

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图为8~20°C的温升时间

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图为84~30°C冷却时间


为了探讨智能监控系统能否判断出异常的注射温度,该研究采用的注射成型参数为:注射时间2s,注射温度115°C,冷却液入口温度22°C,注射压力0.06 MPa,模具温度27°C,冷却液流量5L/min,喷射温度30°C。

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图为由智能监控系统对注塑温度异常下的一段时间进行监测


为了探讨智能监控系统能否判断冷却剂入口温度的异常,该研究采用的注射成型参数为:注射时间2s,注射温度115°C,冷却剂入口温度26°C,注射压力0.06 MPa,模具温度27°C,冷却液流量5L/min,喷射温度30°C。

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图为冷却液入口温度异常的情况下进行温度监测


为探讨智能监测系统能否判断异常冷却液流量,该研究采用的注射成型参数为:注射时间2s,注射温度115°C,冷却剂入口温度22°C,注射压力0.06 MPa,模具温度27°C,冷却液流量3L/min,喷射温度30°C。

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图为对异常进口冷却液流量下的一段时间进行监测


为了研究智能监控系统是否能够判断异常的注射压力,该研究采用的注射成型参数为:注射时间2s,注射温度115°C,冷却剂入口温度22°C,注射压力0.01MPa,模具温度27°C,冷却液流量3L/min,喷射温度30°C。

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图为在异常压力下进行时间监测


基于上述结果,该研究结果具有很强的实用性,在集成电路工业中具有良好的应用前景。从根本上说,热传导是通过CCC传递熔融蜡热流的主要机制之一。因此,采用CCC的SRM可以提高蜡模的冷却速度,缩短蜡模在注射成型过程中的工艺周期,从而节省成批生产蜡模的成本。


该研究将智能监控系统应用于LPWIM系统中。所开发的智能监控系统也可应用于AM法制造的金属模具上。该研究将所开发的智能监控系统应用于LPWIM系统中。所开发的智能监控系统也可用于塑料注射成型过程的在线监测。该研究采用开关磁阻电机(SRM)对蜡模进行注射成型。然而,SRM的力学和物理性能不如常规金属模具或快速直接模具制造的性能。


研究结论


IC是以滴蜡铸造为基础的工业工艺。然而,由于金属部件的生命周期越来越短,少量多样化的产品逐渐受到关注。该研究针对应用于LPWIM中的SRM,开发了集成WeMos UNO板、Arduino MAX 31856单片机板、4个温度传感器、1个冷却液流量传感器和Raspberry Pi设备的智能监控系统。根据该研究得到的结果,可以得出以下结论。


1.该研究的显著结果可以在精密铸造行业中发挥最大的应用潜力。可以对注射温度、冷却液入口温度、冷却液入口冷却液流量、注射压力、注射时间、模具温度等六个工艺参数进行远程监控。


2.可远程监控注塑件温度与蜡型注塑后冷却时间的关系。


3.智能监控系统获得的蜡型的冷却时间与现场数据采集系统获得的冷却时间非常接近,蜡型的冷却时间相差2s左右。


3.通过开发的智能监控系统可以判断蜡型的常见缺陷--短射。


4.所开发的智能监控系统也可用于AM法制造的金属模具。


参考文献:Chil-Chyuan Kuo & Wei-Jie Chen Development and application of intelligent monitoring system for rapid tooling applied in low-pressure injection molding  The International Journal of Advanced Manufacturing Technology (2020)

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