醫(yī)療技術(shù)：微型模腔壓力傳感器確保注塑成型質(zhì)量

直接測量已成為注塑成型過程中精確測量模腔壓力的黃金標準，在注塑成型過程中，與標準的微小偏差都可能導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不合格，甚至是不安全的產(chǎn)品。尤其是醫(yī)療技術(shù)等高度規(guī)范的行業(yè)，通過監(jiān)控產(chǎn)品質(zhì)量可以自動分揀出故障部件，并最終優(yōu)化生產(chǎn)流程。

▲在注塑模具中，型腔壓力傳感器可安裝在三個位置：與塑料熔體直接接觸的模腔內(nèi)、模腔后或頂針后。

01  使用先進的模腔壓力傳感器和匹配軟件，注塑模具制造商可以在整個生產(chǎn)過程中測量模腔壓力。通過選擇理想的產(chǎn)品，他們可以將其生產(chǎn)過程中的測量曲線作為質(zhì)量基準，并以此來衡量今后的所有流程。

02  此外，注塑商還可以根據(jù)與目標測量曲線的偏差來優(yōu)化生產(chǎn)流程。直接測量時，傳感器和電纜直接安裝在模具壁上（見圖 1）。傳感器的頂端與模壁保持水平，這樣注入的塑料熔體就會與傳感器直接接觸。

03  傳感器就可以測量絕對模腔壓力值，并將其與理想曲線進行比較。雖然這項技術(shù)在精確度方面無與倫比，但它也有一些缺點：傳感器會在每個制造的塑料零件上留下一個小印記。雖然這種痕跡很小，但對于鏡頭等高精度產(chǎn)品來說，這仍然是一個問題。

04  此外，在直接測量腔體壓力時，腔體壓力傳感器與塑料熔體的直接接觸使其容易受到污染。因此，需要密切監(jiān)控傳感器的狀態(tài)，并可能需要經(jīng)常維護和更換，特別是在使用某些材料的情況下。

▲直接測量時，模腔壓力傳感器和電纜直接安裝在模具壁上。傳感器的頂端與模具壁保持水平，這樣注入的塑料熔體就會與傳感器直接接觸。

除直接測量外，一些醫(yī)療技術(shù)公司還使用間接傳感器測量注塑成型中的模腔壓力。與直接傳感器不同，間接傳感器可以安裝在模具上，因為它們位于頂針后面（見圖 2）。不過，這也使它們?nèi)菀壮鲥e，例如，如果安裝孔與頂針的配合不夠完美，過小或過大。它們還可能受到塑料熔體釋放的氣體的影響。液態(tài)硅酮等低粘度熔體甚至?xí)魅腠斸樋字小?/p>

▲用于間接測量模腔壓力的模腔壓力傳感器安裝在頂針后面。

非接觸式模腔壓力傳感器：

注塑成型中直接和間接技術(shù)的可靠替代品

考慮到這些方法，奇石樂開始研究一種替代測量方法，既能提供精確、可重復(fù)的測量，又能避免在注塑成型過程中對傳感器造成負面影響等缺點。開發(fā)團隊發(fā)現(xiàn)了一種完全避免熔體與模腔壓力傳感器接觸的程序，因為它可以測量熔體壓力對模具金屬壁產(chǎn)生的應(yīng)變。最顯著的特點是：雖然這種非接觸式測量方法無法測量絕對的模腔壓力值，但卻能讓注塑模具制造商準確地得出結(jié)論。測量應(yīng)變的結(jié)果與其他測量方法的測量曲線非常相似。更重要的是：測量應(yīng)變可獲得可重復(fù)的曲線，從而滿足質(zhì)量保證和監(jiān)管準則的基本要求。

與直接測量技術(shù)相比，非接觸式模腔壓力測量技術(shù)的主要優(yōu)勢在于其定位：由于傳感器無需與塑料熔體直接接觸，因此可以放置在模腔壁后兩到四毫米處（見圖 3）。因此，它們不會在制成品上留下任何痕跡，從而使該技術(shù)成為生產(chǎn) A 級表面或鏡片等高精度產(chǎn)品的首選，因為在這些產(chǎn)品中，即使是最小的痕跡也會影響產(chǎn)品質(zhì)量。這些特殊的模腔壓力傳感器或微型縱向測量栓安裝在墻壁后面，不受塑料熔體和其他影響（如氣體甚至外部灰塵）的影響。這樣可以將維護工作減少到最低限度。這些傳感器可以很容易地拆卸下來進行維修。此外，它們還易于安裝，可在模具中安裝更多位置：它們的位置可以不受脫模方向的影響，也不需要靠近模腔的空間。它們只需要一個安裝孔，在該孔中放置傳感器并設(shè)置預(yù)定義的預(yù)緊力。

通過有限元分析

找到模腔壓力傳感器的最佳位置

▲在無接觸模腔壓力測量中，微型縱向測量針被置于模腔壁后。這項技術(shù)為某些醫(yī)療技術(shù)塑料注塑應(yīng)用中的質(zhì)量保證提供了支持。

此外，奇石樂還提供有限元分析 (FEA)，幫助客戶找到最佳位置。這可以幫助客戶找到合適的傳感器位置，并評估傳感器與模壁的最大距離，同時還能提供精確的測量結(jié)果。在進行有限元分析時，客戶會發(fā)送一個 3D CAD 模型，顯示他們希望將傳感器放置在何處。然后，奇石樂團隊通過有限元分析（見圖 4）計算出該位置的模腔壓力傳感器的實際靈敏度，并將金屬上的應(yīng)變和側(cè)向力考慮在內(nèi)。然后，他們的報告會顯示所選位置是否能讓傳感器準確測量模腔壓力，如果不能，則會建議替代位置。

縱向測量栓

用于醫(yī)療技術(shù)注塑成型應(yīng)用的微型傳感器

奇石樂傳感器已在其他應(yīng)用中用于測量應(yīng)變，例如在機械加工中，應(yīng)變傳感器用于測量固定或移動機械部件上的動態(tài)或準靜態(tài)力。因此，在開發(fā)用于注塑成型的首款應(yīng)變傳感器 9247A 型時，奇石樂充分利用了其在這些應(yīng)用領(lǐng)域的經(jīng)驗以及在測量模腔壓力方面的全面知識。9247A 型傳感器的周長為 4.4 毫米，適用于制造較大的塑料零件，自 2010 年以來已被用于化妝品和汽車行業(yè)的注塑成型。隨后，奇石樂特別關(guān)注醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，致力于開發(fā)適用于鏡片、注射器和 EpiPens 等產(chǎn)品的緊湊型模具的更小型傳感器。

因此，奇石樂于 2018 年推出了首款壓電微型縱向測量栓，并于 2022 年秋季推出了更新版 9239B 微型縱向測量栓。這種改良模腔壓力傳感器的周長僅為 2.5 毫米，可用于小型模具或空間有限的模具。兩個版本傳感器的一個顯著區(qū)別在于晶體：前一版本傳感器使用的是石英晶體，而新版本則采用了奇石樂專門制造的 PiezoStar 晶體。這一更新將傳感器的靈敏度從 5.9 皮庫侖/牛頓 (pC/N) 提高到 27 皮庫侖/牛頓 (pC/N)。這使得傳感器能夠可靠而精確地測量較弱的信號。

▲奇石樂的微型傳感器（縱向測量栓）9239B 可測量注塑成型過程中模具的應(yīng)變。

質(zhì)量保證

注塑成型中無接觸模腔壓力測量的未來之路

利用縱向壓電傳感器進行無接觸模腔壓力測量具有三大優(yōu)勢，即不會在制成品表面留下痕跡、測量精確和維護成本低。這對醫(yī)療技術(shù)行業(yè)的質(zhì)量保證來說是個好消息，因為生產(chǎn)企業(yè)在注塑成型過程中需要高度可靠的型腔測量和過程監(jiān)控系統(tǒng)，這不僅是為了生產(chǎn)高質(zhì)量的產(chǎn)品，也是為了符合質(zhì)量保證的監(jiān)管要求，如美國的 GMP 和歐洲的 MDR 標準。在復(fù)雜的醫(yī)療設(shè)備生產(chǎn)中，直接和非接觸式模腔壓力測量可滿足不同的需求。例如，制造商可以將非接觸式模腔壓力傳感器用于高精密產(chǎn)品和需要完美表面成型的場合，而在產(chǎn)品上留下的微小痕跡不會影響其質(zhì)量的情況下，則仍然依賴于直接測量技術(shù)。