注塑模具温度智能化控制研究进展

毛海军，马艺涛，党开放，王新铭，谢鹏程，，3*

（1.北京化工大学机电工程学院，北京 100029；2.北京化工大学有机无机复合材料国家重点实验室，北京 100029；3.北京化学大学人工智能跨学科研究中心，北京 100029）

0 前言

注射成型是一种将熔融塑料通过高压注射入模具中，经冷却凝固后获得塑料制品的加工方法，具有生产效率高、制品精度高、生产成本低等优势，广泛应用于汽车、电子和医疗等领域，在现代制造业中占有重要地位。在注射成型过程中，模具是生产注塑制品的关键工具，模具型腔直接决定制品的三维结构。塑料在加热和冷却的过程中会发生体积变化，模具温度的控制可以有效地避免产品缩水、翘曲、气泡等问题的出现。因此，模温调节对注射成型品质控制具有十分重要的意义。随着注塑制品应用领域的延伸，模具结构逐渐复杂，模具体积、型腔结构等都会对模温控制带来困难。模具温度过低会使得熔体黏度增大、流速缓慢，造成制品欠注；模具温度过高会使得熔体黏度降低、收缩率增大，甚至造成制品飞边；模具型腔各部位温度不均也会造成制品应力残余，产品尺寸精度下降。

针对模温控制对于制品成型品质的重要意义，研究人员在模具加热冷却系统和控制方法等方面进行了深入研究。本文就模具温控技术所涉及到的冷却系统、加热方法和控制方式进行了总结对比，并对模温控制的未来发展进行了展望。

1 注塑模具冷却系统

模具降温冷却功能是由模具型腔或型芯部位的冷却系统来实现的。合理的冷却系统可以保证模具各部位温度均匀，塑件冷却速度一致，减少制品变形。模具冷却时间占制品成型周期的2/3以上，决定模具冷却系统性能的关键参数主要包括管道孔径、管道与塑件的距离、管道连接形式和管道布局［1］。

（1）管道孔径选型。管道孔径大小与塑件壁厚有关。一般根据塑件的平均壁厚确定，对于平均壁厚为2 mm 的塑件，其管道直径取8～10 mm。由于管道孔径过大会导致冷却水层流效应，降低传热效率，因此管道孔径最大不超过15 mm。

（2）管道与塑件的距离。模具冷却管道与塑件的距离应根据塑件壁厚的分布来设计，以保证冷却均匀。通常情况下，壁厚较大的部位需要更靠近冷却管道，促进塑件中心的快速冷却，避免形成缩孔和内部应力过大。

（3）管道连接形式。目前主要分为串联冷却管道和并联冷却管道。由于并联冷却管道间存在不均匀的冷却效应，所以主要是以串联冷却管道为主。大型模具通常采用多组串联冷却管道来确保均匀的冷却水温度和均匀的模具冷却。

（4）管道布局。其主要由塑件的形状及其所需冷却温度要求而定，通常包括直通式水道、圆周式水道、螺旋式水道、循环式水道、喷流式水道和挡板式水道［2］。对于一些成型复杂结构制品的注塑模具，其内部可能由多个类型的水道组合而成。比如张维合等［3］在对智能定位器面盖双色注塑模冷却系统设计时，采用“直通式冷却水管+隔片式冷却水井”的组合温度控制系统，成功保证了塑件的成型品质，并且模具的劳动生产率也提高了约10 %。

随着注射成型技术的发展，越来越多制品要求更高的成型精度，上述传统的冷却水路设计难以满足要求。因此一些新型的冷却技术如随形冷却技术、脉冲冷却技术、CO2气体冷却技术应运而生［4］。随形冷却技术是指其水路设计随着塑件的形状变化而发生变化，按照设计好的距离均布在型腔或者型芯内部［5］，采用这种设计方式可以弥补传统水路无法冷却制品狭窄区域的缺陷，能够大大提升制品的冷却均匀性。国内外学者采用随形水路对注塑模具进行冷却已经取得了许多成果。如马一桓等［6］针对净水器滤瓶盖内部空间狭小无法设计传统冷却水路的问题，采用3D 打印随形水路的方法对产品进行冷却，结果表明，随形水路可以使模具的冷却效率和温度分布均匀性都有很大提高。王静等［7］针对注塑模具随形水路传统设计方法存在的复杂耗时且易出错的问题，结合地貌学中等高线的形成原理，提出了一种随形水路自动化生成方法，大大节省了随形水路设计时间，并且取得了良好的冷却效果。汪祥等［8］基于选择性激光熔融法（SLM）对汽车电路板外壳产品注塑模具进行了随形水路设计，大大提高了注塑效率，减少了产品变形，设计时需要考虑SLM 工艺成型性。Abelardo 等［9］针对传统注塑工艺无法制造满足当前工业的精度和尺寸要求的大长度、高厚度比零件的问题，提出了一种创新的绿色随形冷却系统，采用该随形冷却布局可大大降低循环时间和温度梯度，解决了具有细长几何形状的部件易翘曲的问题。Kanbur等［10］总结了目前计算机辅助设计优化随形冷却水路的方法，为设计人员在现场制造随形冷却水路之前获得更清晰有效的有限元仿真分析（CAE）步骤。Chen等［11］研究提出了一种结合52.6 %铝粉、5.3 %石墨粉和42.1 %液体硅橡胶的配方，用于制造具有出色冷却效率的硅橡胶模具，并实现了采用熔融沉积建模技术制备的随形冷却通道高冷却效率低压注塑模具的最优配方，这种添加混合填料的方式显著提高了随形冷却通道注塑模具的冷却性能。 从这些随形水路研究中可以看出，随形水路设计技术趋于成熟，当前学者正朝着实现随形水路的快速设计以及采取与其他技术方法相结合的方式提升冷却效果的方向不断努力。

脉冲冷却技术相比于随形冷却技术，其不是通过改变水路结构来达到冷却效果，而是以脉冲输入方式调控冷却液流量对模具温度进行调控。采用脉冲冷却技术，可以改善产品品质，提高生产效率，但成本相对较高［12］。现在脉冲冷却技术大都是通过热电偶监测模具温度来调节冷却液流量，对于一些大型模具需要使用多个热电偶对模具温度进行检测，然后进行分区冷却，这也是这项技术成本高的原因。目前针对脉冲冷却技术的研究内容相对较少，Minh 等［13］将常规冷却和脉冲冷却技术在不同的模具温度、冷却剂温度、熔体温度和流速下进行比较，结果发现脉冲冷却相比于常规冷却，其冷却速率可由0.552 ℃/s 提高到0.755 ℃/s，翘曲量可降低20 %。刘琼等［14］在对乳液泵弧向出液按头旋转侧抽芯注塑模设计时采用了脉冲式冷却系统，其能够使模具达到快速均匀的冷却效果，极大地提高了生产效率。Bianchi等［15］针对陶瓷构件璧薄处过早凝固的问题，提出了一种基于局部模温的新型热控制系统，该系统使用Peltier 热电模块实现，根据不同型腔的厚度对不同型腔特征进行局部独立的加热和冷却，以实现整个成型部件的均匀冷却速率。脉冲冷却技术虽然能够提升注塑模具的冷却效果，提高生产效率，但其较高的成本某种程度上抵消了生产效率提高所带来的优势。未来脉冲冷却技术的发展很大程度上会取决于热电偶等电子元器件的发展，其检测精度的提升，反馈信号速度加快，赋予热电偶更多的功能都可以极大提升脉冲冷却技术的冷却效果，例如上述所说的Peltier热电模块就能够同时实现加热与冷却，无需通过冷却液来对模具进行冷却。

CO2气体冷却技术是将低温CO2经模具外部气孔通入模具内部，对模具进行冷却。采用这种技术需要许多辅助设备，比如制冷器、空压机等用于CO2气体的制冷与输送，因此采用此种技术需要很高的成本。气体冷却最大的好处是其流动性好，能够对塑件一些细微区域进行冷却，减少塑件的翘曲变形。但CO2气体冷却技术的控制难度较高，多被用于微注射成型模具中［16］。除此之外，一些研究人员利用仿生学原理，将某些动物的快速散热机制运用到模具冷却系统中去，比如鳄鱼可以通过打开嘴巴散热，是因为它们嘴巴底部有很多血管，可以帮助将热量从身体中释放出来。Berger 等［17］就在优化汽车机油滤清器外壳的注射成型工艺中模拟采用了仿生（血管）通道，发现其比随形通道和传统通道更加有效地冷却主要热点。

2 注塑模具加热方式

在注射成型过程中，一些黏度较大的聚合物熔体注射入模具型腔后，其流动十分缓慢，容易造成塑料在模具型腔中出现流动受阻情况，可能会出现填充不均匀、气泡等缺陷。对模具进行加热的目的就是确保塑料熔体能够在型腔内部充分熔化和流动，使得最终产品能够具有良好的表面品质和尺寸稳定性。目前使用最多、应用最广泛的模具加热方法是模温机加热。模温机根据使用的导热介质可分为水温机和油温机，水温机通常最高加热温度为95 ℃，油温机最高加热温度为150 ℃［18］。模温机的工作原理是借助一个循环系统，将液体温度调节到需要的温度，然后将其流过模具来控制模具表面的温度。在模温机运行过程中有时可以发现模温机显示的实际温度会在设定温度上来回波动，这很大程度上是因为其系统控制采用的是传统的PID控制，控制精度较低，反馈信号速度慢。

随着人们对塑料制品高精度、高力学性能和高表面品质的要求，注塑模具快速加热技术不断发展起来。目前注塑模具快速加热方式有火焰加热、蒸汽加热、电加热、感应加热和红外加热等方式［19］。依据不同加热方式所形成的模具结构差异可分为模内加热和模腔表面加热，蒸汽加热、电加热属于模内加热，火焰加热、红外线加热属于模腔表面加热。蒸汽加热方式加热温度能达到190 ℃，工作原理类似于CO2气体冷却技术，其需要锅炉或蒸汽发生器用于生成热蒸汽，蒸汽经模具上的气孔通入模具内部，对模具进行加热，然后流经模具后的蒸汽还需要进行回收，因此蒸汽加热成本较高，存在安全隐患，但其传热效果好。张啸天等［20］就利用蒸汽传递热量比水均匀和蒸汽冷热对流效果比水要好的特性，发明了一种能够对模具实现均匀加热的节能型加热装置，避免了现有模具通过水加热模具温度不均匀，产品内部应力向已加热部分集中而导致变形的缺陷。谢玲珍［21］利用蒸汽加热的快速热循环注塑模具有效提高了熔体填充型腔时的流动性能，消除了制品表面的熔接痕，并大大提升了制品的光洁度。电加热是通过加热元件对模具进行加热，其加热温度高、成本低，但存在加热元件装配和拆卸困难、冷却效率低等问题［22］。加热元件目前使用最多的是加热棒，许多有关电加热棒加热的研究都聚焦于加热棒在模具的空间布置以及结构改进上。如谢知音等［23］就研究了电加热棒功率、组间距离以及纵向距离等因素对型腔表面温度响应速率及表面温度均匀性的影响规律；李泰栋等［24］研究了电加热棒热流密度与模具温度均匀性的关系，发现提高边缘加热棒的热流密度能改善了模具温度的均匀性；王小新等［25］针对电加热棒在模具中安装和拆卸困难的问题，设计了一种环形间隙安装结构，给加热棒的安装与拆卸带来了极大的便利。上述2 种蒸汽加热和电加热方式主要用于高光注塑模具，可以有效消除传统注射成型过程中塑件的熔接痕、浮纤、银纹等缺陷。感应加热应用的是电磁感应原理，使得金属模具产生涡流来对模具加热升温，加热速度快，能耗低，但模具型腔表面温度均匀性较差。目前国内对于电磁感应加热方式的研究较少，主要聚焦于结构设计和参数优化方面。如王金莲［26］在对圆形外壳件注塑模型腔电磁感应加热进行数值模拟时发现电流大小是影响加热效率和模腔分布均匀性的最主要因素；王祖明［27］以电磁感应的集肤效应为理论依据设计制造了外置组合式感应加热线圈，研究了组合式线圈感应加热的温度变化规律，为局部感应加热最终温度的控制提供了依据；Chen 等［28］利用电磁感应加热与水冷却相结合的方法，实现了模具表面温度的快速变化，从而提高了微观特征部件的复制精度，但是不会明显地增加周期时间。红外加热方式仅对模具的型腔表面进行加热，因为红外线是电磁波，其对金属的穿透深度十分有限，加热升温快但降温也快，在微注塑模具上存在应用。有关红外加热方面的研究主要集中在红外加热装置的结构设计上，一种是红外装置嵌入在模具内部，如Berlin 等［29］设计了一种基于红外辐射变温注塑模具，其红外辐射管嵌在模具体内，热量从附件的后面传输到型腔表面，解决了一般红外加热系统表面没有三维热交换和温度场不均匀的问题；另一种是装配在模具外面，通过红外装置的上下移动或反射罩照射模具型腔表面进行加热，如Chang 等［30］设计并研究了一种低成本、实用的注射成型红外快速表面加热系统，该系统装配在模具上并使用一个控制系统来操作灯座的上下运动来对模具型腔表面进行加热。除此之外，还有一些新型技术如等离子喷涂技术、随形加热技术应用到模具加热上，Bobzin 等［31］采用常压等离子喷涂方法在模具型腔表面喷涂TiOx/Cr2O3加热涂层，该涂层可以通过接通电源将电能转换为热能，从而实现对模具型腔表面的加热；You 等［32］提出了一种节能的模具加热和冷却技术，制备了碳纳米管（CNT）薄膜加热器以实现模具表面的随形温度控制。

现在模具加热研究大都放在如何把各种加热技术组合到模具来达到加热目的，而在这项加热技术产生的能耗、加热效率等数值评估上以及是否对其他类型注塑模具的普适性方面缺少研究。同时对于一些复杂的制品结构，可能需要采用分区控制或局部控制方式来达到制品加热要求，如何实现上述部分加热技术的分区控制或局部控制也是未来需要解决的问题。在选择模具加热技术时，需要考虑模具的材质和形状，以及产品的要求和加工工艺，综合考虑选用最适合的加热技术。在实际使用中还需要注意加热控制和维护保养，以保证模具的稳定性和寿命。

3 模具控制方式

上述冷却系统设计和加热方法是实现模具冷却和升温的手段，而如何实现模温的精确控制是由控制器来实现的。目前PID 控制模具温度在注塑领域是比较常见的，PID 控制是通过测量注塑模具温度信号，并将其与设定值进行比较计算，控制加热或冷却设备输出的功率来维持模具温度在设定范围内的控制方法。PID 控制器根据实时测量温度与设定温度的误差大小，通过比例、积分、微分3个环节的加权运算来自动调整水或油流量，从而保证模具温度的稳定性和一致性，这也是模温机的控制原理。但在注塑机连续工作时，模具是处于一种反复开合的状态，模具温度会受环境因素影响产生波动，因此对于这种注塑工艺的非线性和时变特性，传统PID 控制难以提供良好的模温控制性能。在模温机实际运行过程中，往往也可以发现模温机的实测温度和设定温度有出入。针对这种问题，国内外学者对传统的PID 控制进行了改善，提出了一些新型控制算法来提升控制器对模具温度控制的鲁棒性和跟踪性能。

一是模型预测控制（MPC）。MPC 可以通过最小化成本函数和显式使用预测模型来优化未来行为获得控制信号。它可以预测特定时间段内未来时间的过程输出，通过最小化成本函数来计算某些步骤的一组未来输入，以便预测输出以最佳方式达到设定点［33］。它能直接处理带有纯滞后的对象，对大惯性有较强的适应能力，从而有较好的跟踪性能和较强的鲁棒性［34］。Dubay 等［35］就提出了一种采用模型预测控制策略对模具进行分区温度控制的新方法，控制系统由多个单输入-单输出模型预测控制器组成，每个控制器与一个特定的温度区域相关联，并在实际生产中取得了良好效果。虽然MPC 控制具有比PID 控制更好的跟踪性能和鲁棒性，但它的抗干扰性能却不如传统PID 控制，应对一些突发的随机干扰难以及时控制。对此许多研究已经开始把MPC 与PID 控制联合起来实现优势互补，但这种双控制方式在模具温度方面的应用目前还没有报道。吴高峰等［36］将MPC 算法和PID 串级控制应用在焦炉加热系统并进行了仿真，发现这种方案对控制系统具有较强的鲁棒性及良好的调节性能，提高了系统的动静态性能指标。从这可以看出，MPC-PID 用于温度控制是一种可行的方法，鉴于此如果把这种MPCPID 串级控制方式应用于模温机控制系统预计会起到好的效果。

二是神经网络控制。神经网络控制依照人类的神经系统而建立［37］，其可以通过监测注塑模具的温度和相关参数，预测下一时刻的温度值，并根据预测结果自动调整注塑模具温度控制器的输出，从而实现精准控制注塑模具温度的目的，神经网络也可以说是预测控制的一种。注塑模具温度神经网络控制主要包括数据采集、数据预处理、神经网络训练、控制器调节和实时监测5个步骤。其中数据采集最为重要，采集的数据能够反映注塑模具的温度变化规律，以便神经网络训练做出准确预测。目前采用神经网络方式用于温度控制的研究已有很多，如Ding 等［38］将深度PID 神经网络（PIDNN）控制器应用于非线性热调节控制问题，发现与PID 控制结果相比，深度PIDNN 控制器减少了超调量，有效降低了功耗，提高了控制性能，稳定状态下温度波动范围为±0.2 ℃；Juang等［39］在2006年基于Takagi-Sugeno-Kang（TSK）型递归模糊网络（TRFN）研究了橡胶注塑机模温控制问题，提出了一种简单的直接逆组态控制器设计方案，该方案即使在不同于原始训练采样间隔的情况下也具有良好的性能；龚健虎［40］利用模糊自适应PID技术应用于聚丙烯（PP）模具温度的控制中，设计了PP 模具成型温度模糊自适应PID 控制系统，发现此系统能够有效地控制PP 塑料模具温度，极大地提高了PP 制品的质量；Shu 等［41］对注塑机温度控制系统的特性进行了分析，提出了PID 神经网络的算法，还将反向传播算法的 VB 程序引入其中并对其进行了仿真，结果表明PID 神经网络具有良好的解耦和自学习控制性能；宋泽云等［42］采用改进的小脑神经神经网络（CMAC）控制算法，以89C51 单片机为控制器，利用高温导热油的循环实现模具温度的控制，通过对PP 塑料件注射模温度的实际控制表明，模具温度控制精度优于±0.1 ℃。需要注意的是，神经网络控制虽然可以实现精准控制注塑模具温度，提高注射成型的品质和效率，但前提是必须获得准确的数据集，而注塑模具在往复开合过程中，其温度是很难精准检测的，停机或开闭模时间等因素都会干扰到温度检测的准确性。同时神经网络经网络需要大量数据训练，耗时长，这也导致了该方法在商业应用中存在实际阻碍。

三是遗传算法优化控制技术。遗传算法是众多进化算法中应用最广泛的，它通过模拟生物进化的优胜劣汰规则与染色体的交换机制，使用选择、交叉和变异3种基本操作寻求最优个体，具有极高的鲁棒性和广泛的适应性［43］。在注塑模具温度控制中，可以将遗传算法应用于优化控制参数，解决多变量复杂优化问题，通过不断迭代求解最优参数组合，实现注塑模具温度的自动控制。遗传算法优化控制在模温控制上的应用主要包括参数优化、温度曲线预测和多目标优化3 个方面。参数优化通过优化温度控制器的参数设置，迭代计算找到最优的控制参数组合，使模具温度能够快速稳定在设定值附近；温度曲线预测通过学习历史数据和实时监测数据的关系，建立模具温度预测模型，提前预测模具温度的变化趋势，从而采取合适的控制策略，避免温度偏差和不稳定性；多目标优化通常考虑多个目标指标，如温度均匀性、能耗、生产速度等，寻找到一个平衡的解决方案，使各个目标尽可能达到最优。国内将遗传算法应用于模温控制已在很早就已进行，祁东霞等［44］在2005年就已将有限元仿真技术与遗传算法有机地结合起来，对注射模具的冷却系统进行了优化，使模具内的温度场得到了较好的控制；刘东雷等［45］在研究快速热循环成型技术优化过程中提出改进遗传算法，实现品质预测模型的寻优过程，并经生产验证该优化技术具有很好的适用性。尽管遗传算法在注塑模温控制领域有一定的应用前景，但其计算复杂度、解的收敛性、问题建模和初始解的依赖性等缺点也限制了其进一步的发展，需结合实际情况进行合理的选择和应用。

无论哪种模温控制方式，都离不开传感器元件对模温数据的检测，检测位置正确与否才是影响模温控制的关键。对于目前普遍使用的模温机来说，其控制面板显示的温度是模温机热出水口的温度，以这代表模具型腔内部温度是不合理的。因为模温机热出水口需要通过一段水管流入模具进行加热，在此过程中经过热量耗散，实际模具型腔内部温度是达不到模温机显示的温度，这就导致无论控制算法多么精确都是无用的。在注塑模具往复开合的过程中，实现模具型腔内部温度的实时监测，以此温度来代表模具实际温度进行控制才更能指导实际注塑生产。

4 结论

（1）随着塑料制品性能的不断改善，越来越多的金属制品逐步被塑料制品取代，塑料制品种类增加使得模具设计越来越繁杂，未来需要实现各种模具冷却技术水道的自动化生成来减少设计时间；

（2）面对众多的模具加热方式，需要包括能耗、加热效果、成本等内容在内的评估体系来应对各种制品工艺要求以辅助选择合适的加热方式；

（3）随着未来成型制品更高的要求，需要更高精度的温控方式来满足各种复杂的注塑工艺，同时如何对模具型腔内部温度进行检测也是未来需要解决的难题。