如何使高精度的微型嵌件成型自动化

作者: Wittmann Battenfeld Joe Varone 文章来源:PT塑料网 发布时间:2021-05-19
使一台卧式注射单元实现自动化的微型嵌件成型(包括对于微小尺寸嵌件和成型部件的操作)需要什么设备呢?通用型顶入式机械手和工装可能无法胜任。

在注射成型中,嵌件的重叠注射是一项要求严格的技术,但是在早期,它并不经常是用机械手来操作的——通常需要人工协助,尤其是对于几何形状较复杂的嵌件而言。当时的机械手技术和专门知识还不足以胜任操作嵌件。把嵌件装载到模具中的工作,有时仍然需要工作单元的操作人员来手动完成,特别是尺寸、形状或精确位置和方向上具有挑战性的嵌件。

多年来,卧式机器的操作员是等待模具完全打开,让部件掉落,然后滑动打开安全门,小心地将嵌件定位并手动装载到模具中,关闭安全门,再继续进行重叠注射的循环。这是一种效率低下且劳动强度大的方法。打开和关闭门延长了周期时间;而且通常容易出现错误的嵌入方向。立式成型机也面临着类似的挑战,不过本文重点介绍卧式成型机,因为其在成型车间中更为常见,并且适合于更高产量的嵌件注射;同时,由于顶入式机械手的设计适合于卧式机,立式机无法体现出这种自动化技术进步所带来的好处。

pt1220micro-insert-wittbatt-1a

pt1220micro-insert-wittbatt-1b

微型嵌件的两个例子,它们越来越普遍,但会对专用于“标准”尺寸嵌件成型的旧式自动化系统的能力提出挑战

时间是技术的朋友,机械手技术已得到了极大提高,特别是对于水平注射成型和顶入式线性机械手。如今,大多数的重叠注射嵌件成型商拥有较高的生产量,他们已经采用顶入式线性机械手使该过程自动化,从而简化过程,节省直接人工成本并提高质量控制。

但是,对于在电子、医疗设备和微机械系统小型化时代中越来越普遍的微型嵌件成型部件而言,这种普通的自动化操作并不一定能够胜任。这些嵌件的尺寸可能只有一个便士大,从而对成型商和机械手供应商提出了更大的挑。

pt1220micro-insert-wittbatt-2

带有微型嵌件EOAT的Wittmann W822机械手。大多数拥有较高生产量的嵌件成型商都使用配有顶入式机械手的卧式注射机

pt1220micro-insert-wittbatt-3

EOAT向右下角的一台Cognex摄像机展示部件,以实现视觉检测


小尺寸,大挑战

在微观尺度上(例如小于3mm),嵌件的重叠注射仍然经常需要人工来完成(或根本做不到),因为自动操作如此小的嵌件带来了挑战。这意味着部件设计通常默认为两件式组装,而不是一个集成的一件式重叠注射。为什么呢?因为成型商和部件设计师并不总是知道最新一代注射成型机械手的功能,也不总是知晓供应商的订制自动化工程小组管理和成功实施此类工作单元的能力。

微型应用可能不适合目前仍在应用的老式机械手。但是,现在顶入式线性机械手具有先进的技术,例如精度更高(<1mm)的传动系统、多轴精度伺服电动机和软件控制。在车间从远处看时,今天更高科技的顶入式线性机械手与20年前的早期型号似乎没有太大的不同。但实际上,它们更准确、更具可编程性、功能更强大,并且容易订制自动化集成。同样重要的是,一些机械手供应商的订制自动化工程能力已经发展到可以匹配他们所提供的更先进的机械手。

此外,“工作单元内”的设备、传感器和质量控制技术也针对精确的嵌件应用获得改进。一个例子是使用更先进且具有成本效益的现代视觉传感器、接近传感器和其他技术,确保以很高的精度在正确的位置和方向上放置嵌件。结合使用先进的嵌件喂料器、擒纵机构及臂端工具(EOAT)技术,工作单元就会变得非常高效且具有成本效益,这样即使对于最具挑战性的微型嵌件,也可以进行重叠注射。

至关重要的是,就项目管理而言,成型商可以对有资质的对整个机械手和自动化工作单元负责的机械手供应商充满信心,而不必为了特定的嵌件成型应用去找一家独立的第三方集成商。 毋庸置疑,和一家供应商一起管理一个项目肯定比和两家供应商一起管理更好。

pt1220micro-insert-wittbatt-5

摄像机检查显示缺少嵌件(红色框)

实际例子

现在,在15~165t范围内的精密卧式注射机上成功实现了高精度的微型嵌件成型,模具采用便于实施自动化的“智能”设计。下面是微型嵌件应用及其带来挑战的两个说明性示例:

示范项目A是长度小于1in(25.4mm)的Ultem PEI(聚醚酰亚胺)电气部件,其圆柱形陶瓷聚合物嵌件直径为0.0492 in (1.25mm)。模具有8个型腔,每个型腔中嵌件的位置公差为0.0005 in(0.01mm)。嵌件必须前后对齐。

pt1220micro-insert-wittbatt-8

实例A长度小于1in(25.4mm)的电气部件,用Ultem PEI在8个型腔中重叠注射而成

该单元包括一台110t的注射机、一个顶入式线性机械手,以及用于确认嵌件是否存在和重叠注射部件基材方向的视觉检查器。机械手将部件依照成型次序放置在输送带上。

该项目面临的挑战包括:

1.确保嵌件的质量——即嵌件始终在公差范围内,并且完全不受粉尘、污垢、静电或湿气等污染。

2.重叠注射之前,确保嵌件在插入模具之前,从自动批量喂料工位移出时保持正确的方向,并在模具闭合之前被正确放置在型腔中。集成摄像头和视觉传感器的机械手可以满足这一要求。

3.仔细计算模具钢的热膨胀,它可能会影响微型嵌件型腔和底座的公差,并因此影响重叠注射部件的质量。在如此微小的尺寸和高公差下进行加工时,这一点特别重要。

4.常见的嵌件应用问题,例如模板上的模具位置必须完全水平、方正和垂直。这对于配套机械手EOAT也是必需的,即使EOAT具有与模具接合的对准销。

5.用高质量的不锈钢而不是标准的乙缩醛、低碳钢或橡胶高精度地加工EOAT,以获得非常高的公差(±0.0005in即±0.01mm),使“手指”能抓住重叠注射的部件。还需要在EOAT中使用精密的真空腔用于嵌件抓取。EOAT和喂料工位的其他部分需采用特殊的阳极氧化或硬化材料以获得抗磨损表面。

示例项目B是一个PBT材料的电气部件,具有一个圆柱形金属嵌件。该嵌件的尺寸小于2 mm,必须以前后方向插入4个型腔中,位置公差为0.0012 in(0.03 mm)。视觉传感器检查嵌件的方向和在模具中的情况。在一台110t的注射机中,周期时间为15s。

这个金属微型嵌件的重叠注射项目所面临的挑战与项目A非常相似。一个区别是,金属不同于陶瓷,金属嵌件必须没有氧化和涂层,以避免引入污染物。另一方面,陶瓷嵌件可能更具磨蚀性,因此在使用硬化的接触表面时必须特别注意。金属嵌件也比陶瓷嵌件更不易碎,且更重,所以抓握和操作金属嵌件可能会更容易些,尽管操作米粒大小的物体都不容易。

pt1220micro-insert-wittbatt-6

在机械手拾取之前,微型嵌件被装载到梭子的销上。红色灯光是摄像机检查发出的

pt1220micro-insert-wittbatt-7

EOAT从嵌件装载处拾取微型嵌件

许多要控制的因素

自动化操作微型嵌件和部件的其他技术注意事项如下:

1.静电荷

即使最微小的静电荷也会影响嵌件和部件,所以必须进行测试以确定是否必须对部件或嵌件进行去静电处理或在干净的去离子空气中放置。

2.环境控制

如果在温度、湿度和空气流动受控的环境中进行管理,则可以更一致地操作这种微小尺寸的部件和嵌件。环境温度的变化可能会改变嵌件的尺寸,而这对于精确的公差非常重要。湿度可能会对任何吸湿性聚合物产生负面影响;气流(比如来自附近通风口或门口的气流)可能会将细小的嵌件或部件推离位置。通常使用设计良好的外壳和HEPA过滤器来减轻这些风险,并控制颗粒污染物。

3.微型嵌件的一致性和质量控制

嵌件必须非常一致,同时供应商必须对尺寸、溢料、碎片和其他因素进行严格的质量控制,以确保嵌入和操作的一致性。

4.微型部件的检测

需要对工作单元视觉摄像机与简单视觉传感器进行对比,这将通过测试来确定。很有可能需要更先进的视觉技术来完成诸如定位、检查、模座确认和成型后质量控制等任务。肉眼通常不适合这种小尺寸的检查。

pt1220micro-insert-wittbatt-9

微型夹持器(图中显示正握住嵌件)被加工至很高的公差,并且通常根据应用需要采用特殊的材料制成

5.微型EOAT夹持器的精度

机械手和自动化夹持器以及手指被加工至非常高的公差,并且通常会根据应用需要使用特殊的材料制成。

6.嵌件喂入

这不是普通的单一功能的碗式喂入器。喂入器的结构设计和材料、严格的公差以及采用精确传感器的定位控制来确认过程的每一步,都需要仔细考虑和实现。

pt1220micro-insert-wittbatt-10

微型嵌件喂入需要的不是普通的碗喂入器

7.对接模具

为了帮助简化初始设置,机械手EOAT通常会具有一个对接功能,以便在定位微型嵌件时与模具对接。这也确保了一致的嵌入和脱模。 EOAT可能不包括普通的机械夹持器,因为这些嵌件很小。可以使用EOAT上的气动管将微型嵌件安置在型腔中。

在项目的规格和设计审查阶段,经验丰富的机械手供应商会熟悉掌握大量的细节,以考虑优化微型嵌件的嵌入和微型部件的脱模操作。

与有资质的自动化供应商合作

现在,用于微型嵌件成型的新的机械手和自动化技术提供了塑料产品创新设计的可能性,这些设计在几年前是闻所未闻的,尺寸上已达到人眼能看清的极限。现在,通过嵌件成型/重叠注射,微小的部件总成可以变得更加坚固耐用,从而减少了成型后装配的需求,也减少了一个成品中的零部件总数。

因此,鼓励成型商与机械手供应商联系、面谈,询问相关的可能性。如果可能,让客户的产品设计/开发专家与有资质的机械手供应商和模具设计经理坐在一起,讨论注射机中可能和可行的方案及进行经济核算,推动项目向前发展。这很可能是你在细分市场中具有竞争力的“优势”。

那么,如何选择一家高水平的机械手供应商在高精度的小型或微型嵌件成型上进行合作呢?需要考如下因素:

1.订制自动化工程团队的规模和专业知识

鉴于你希望在美国国内进行大型项目的合作,最好避免使用海外资源。美国本地的机械手与自动化工程团队会很好地与你配合,在项目生命周期内你对技术支持的需求也将持续多年。通过参观机械手供应商的设施,你可以了解其能力、规模和产品范围。

2.现场服务支持的地点和经验

就像国内订制自动化工程的优势一样,通过本地/区域现场“直接”服务实现较低成本的项目启动、工作单元的调试和对未来技术支持需求的快速响应,与确保“正常运行时间”一样重要。

3.美国和本地项目管理带来成功实施

一个成功的高科技自动化项目的第三层始终是关键的项目管理因素。所有关键项目要素都基于美国国内和区域实施,就能避免复杂、高沟通项目的时间滞后,沟通问题以及与国外联系存在时区的挑战。

pt1220micro-insert-wittbatt-11

Wittmann Battenfeld W822机械手通常用于微型应用

4.机械手的用户可编程性、性能和电路限制

微型应用涉及的不仅仅是基本的抓取放置或常规的自动化。因此,顶入式线性机械手必须拥有所有的最新技术,才能轻松地与高精度订制自动化集成。该机械手应该是完全可由最终用户编程的,并能够达到0.1mm或更高的位置精度。它不应该要求成型商购买订制程序,也不应该被局限于预置子程序、电路和I/O的有限选择之中。采用模块化机械设计的机械手可提供特殊订制应用所需要的灵活性。

关于作者

Joe Varone自1991年以来一直从事注射成型机械手的业务,在过去的14年中,他一直担任位于美国东南部的Wittmann机械手部门的区域经理。他与数百家注射成型商合作,在1000多种应用中使用了机械手和自动化技术,每个细分市场所采用的注射机涵盖了15~4000t。

0
-1
收藏
/
正在提交,请稍候…