新型注射成型技术

来源：塑胶五金网发布时间：2014-09-28 10:18:24点击率：

　　一、共注射成型

　　共注射成型并非一门新的工艺技术。英国ici公司早在70年代就开始应用这一技术，并取得了包括基础理论，生产产品及机器设备等几项专利。现普遍采用的ici生产工艺类似“三明治模塑”，由于模塑外层表皮的材料与中间或芯层的材料不同，因此两种材料必须有一定的相容性，并且芯层材料要求具有可高度辐射、发泡成型和100%回收利用等性能。选用材料应经多种选择比较而定。共注射成型工艺问世15年后，才真正得以普及推广。一种采用共注射成型的厚齿输制作横截面。

　　表皮材料是非填充尼龙，而芯层材料是玻璃-珠料-填充尼龙。芯层中玻璃珠粒料收缩率极低，具有良好的尺寸稳定性。尼龙表皮赋予齿轮齿牙良好的润滑性并避免了珠粒料容易产生的磨蚀问题。

　　基于共注射成型的基础理论目前已开发出几种新型加工改进方法。例如，模内“上漆”和气体辅助模塑成型扩大了采用这种工艺的范围。模内上漆加工方法是采用低分子量聚合物作为外层材料，而气体辅助模塑成型是采用氮气或另一种气体作为芯层(或部分芯层)材料。随着产品设计与生产加工设备的不断完善改进，将满足各种新应用和新技术的需求，共注射技术必将成为富有潜力的工业化大规模生产工艺方法。

　　二、气体辅助注射成型

　　气体辅助注射成型技术主要是为了减轻重量和(或)节省循环时间等而逐渐发展起来的。

　　通常的共注射成型中，首先注射外层材料，并只部分填充型腔。然后气体通过喷嘴注射或直接进入模腔内，模腔制件的芯层部位。液化气体也可注射到待成型制件的芯层部分。一般而言，在芯层内气体压力推动熔料向前流动，直至完全充满型腔，并防止制件表层在固化阶段从模腔壁凹下，相连的表皮层紧贴着模腔壁，气体则保存在模塑制件的芯层区间。由于注入气体的压力高于大气压力，故此该气体的压力必须在制件顶出之前降低，以避免当起限位作用的模腔壁移动时，造成制件变形。

　　高度压缩的气体难于控制其形状及定位气体芯的位置，但随着工艺及工序的不断改进，将可重复生产出合格的制件。

　　在机器化控制的条件下，通常采用各项工艺程序控制。随着注塑加工基础理论研究的不断深入，控制方法下淘汰控制压力的方法而采用真正的工艺程序控制，对物料的响应进监测，调节乃至控制。对诸如注射速率等加工参数的改进，对成型制件尤其是对其机械特性及表面特性将会产生显著的影响。射料杆速度与熔料注射速度并不相等，了解这一点很关键。粘弹性材料的响应与浇灌能够过程相互关联，而且一定是同步进行的。总之，想直接观察到材料的响应既不可能也很不现实。过去由此而产生了可重复性次序处理或控制物体的设备。该工序流程中关键步骤是经常采用干式循环测量机器设备。有重复性的模压工序当然重要，但应先考虑具有重现性的熔体特性。由此，通常要求在控制器上加设辅助探测器，以保存记录塑料熔体压力及温度，是有关熔体状况的重要参数，但并不足够以调节材料的非线形响应。辅助性的调节控制设备正不断地开发应用于成型高度复杂的注塑制件。例如，机械式的阀控浇口应用于热流道体系中，在流道内可更好地调控分配压力，并可消除熔接痕和减少翘曲。

　　三、低压注射成型

　　低压注射成型已经出现在近的有关加工工艺报道中。其实这也并不是一种新的工艺，但采用的加工方法，可使设备工序能更好地与预料中的熔体响应相匹配。常规的成型条件下，注射初始时熔体因过度受压而产生巨大的不稳定效应。由此引起粘度急剧增高，同时熔体由于受到压缩而储存了弹性能量。而低压注射成型工艺与此相反，熔体流过喷嘴和流道。由于熔体粘度伴随压力增加而增大，而低压注射成型熔体的粘度较低，从而可更好地控制熔体的粘流特性。另外，料筒内熔体的压力增大速度越快，将更呈现出类似固态的空体响应。粘弹性塑料熔体从纯液态到纯固态过程中，都具有宽频的响应特性。熔体的响应或松弛时间等具体特性是由聚合物主链上的化学成分所决定。避免流动条件的突然改变或瞬间大幅度变动，更有利于形成所需的类似液态特性。事实上，低压注射成型只是控制或调节塑料粘弹特性的一种加工方法。树脂生产厂商一般把高流动性树脂的分子量降低，以求降低其粘弹性，从而适合于生产薄壁制品等的需要。随着对加工环境认识的深入，采用低压注射成型将使塑料熔体更能适应生产环境的要求。

　　目前有几项工业化产品是采用低压注射成型方法。大多数设计项目已着重于将低压注射与再注射塑料成型结合一起使用。如汽车门内饰板的成型，就是将纺织物或非纺织物放置入内，再直接向模具注射熔料。模内加标签方法是超越简单印刷的另一种成型方法。在每次循环生产开始时，单独的标签或接连的薄膜可在模内转换位置。薄膜除了可印刷之外，不定期具有很多动能，(如高抗行击、韧性树脂)或者薄膜可含有助剂和稳定剂，以保护成型制件表面。

　　四、交变注射成型

　　相比较而言，交变注射是一个比较新的注射成型选择参数。这项技术的大难点在于当加工条件突然改变时，对塑料熔体将呈现出怎样的变化行为知之甚少。有关熔体流变学的基础知识，不仅仅是固定的剪切粘度。确切地说，熔体响应(粘性和弹性行为)需要表达的特性，不仅是通常的稳态流动速率或剪切速率及温度，也包括压力及瞬间流动速率。这些特性包括很多内容而且十分难于弄清楚。然而，如果在异型材注射方面取得实质性进展，将需制订出多种不同塑料的具体操作规程。另还需增加通用的累试法，以求得到成熟和精确的控制方法。

　　在常规的注射成型中，型腔壁固定不变，某些情况下，还有利用在充模和保压陷段移动模壁。可采用2种不同的方法：移动型腔壁方向垂直于分模线;旋转或滑动型腔壁。在充模阶段旋转型芯以增加对制件尤其是表皮部分分子的变轴取向。通过这种加工工艺，制件的弯曲性能与其它机械性能得到了极大的提高。聚苯乙饮水杯和聚丙烯注射器就是采用这种加工方法获得重大改变突破地2个产品。

　　五、注射—压缩成型

　　注射—压缩成型中型腔壁移动方向垂直于分模线。采用这种方法成型时，在充模阶段，按工序产生压力驱熔体流动，但这一个流道的深度是可变化的。在较深的流道中，压力下降得较低，以使大面积的制件成型中熔体没有过度受压，并避免了瞬间的材料响应，这2种因素同样会阻碍熔体的流动。注射成型过程中，型腔深度可能是终制件厚度的14%，在塑料填充了大致60%—75%的型腔后，停止注射，模腔壁周围同时受到推压，直至终制件的壁原成型为止。制件的终尺寸在这阶段确定。

　　如果在模壁按工序移动之前充满了型腔，该种工艺通常称为铸压成型。大体上，铸压成型是在一个可变体积的型腔内采用不变的压力对制件进行保压。铸压阶段是增加密度的阶段，密度紧接着在介于熔体和固态塑料之间起变化。采用铸压方式成型致密圆盘，可把残留应力减至程度，制件上的残留应力可产生变折射现象。

　　铸压成型的改进型活动式型腔壁是一种新技术，其由注射全体制件固化阶段通过多孔的金属型腔壁以“保压”制件。这种方法已有人称为外部气体辅助成型法，其实这是一种误解，因为气体并没有影响塑料熔体在型腔内的流动。在常规的注射成型当中，保压就是在保持型腔体积不变的同时，在压力流的作用下，添加入更多的塑料。联同在型腔内的保压流形成了不均匀的压力分布，有可能在受高压的浇口位置产生制件缺陷。

　　六、模具的冷却

　　模具的冷却是一项关键的工艺技术。大部分的成型周期都是由传导热量传递过程。能量可从热的熔体传递至冷的模具上是由于存在温差所至。模具壁边的塑料表皮有效地隔离着芯层，从而使得这种热传递方式非常低效。可是，模具冷却通常到设计的阶段才得以注意。较好的冷却设计样式可缩短20%—30%或更短的循环生产时间，并提高劳动生产率。

　　在生产循环周期中，模具的表面温度不断地“高—低”周期性变化着，当热的熔体逼压着模壁时，模温就高，顶出制件后，下次注射之前，空模腔的模温就低。为了将冷却时间缩短至限度，人们一直在探求能生产合格制件的模具温度。模温所起的重要作用就是影响型腔内的熔体流动以及表皮与芯层之间的尺寸比例大小。模温越低，表皮尺寸越厚而型腔内压力下降越大。脉行冷却技术是在注射塑料进入模腔后，通常采用循环冷却管内非常冻的冷冻液体来调节冷却的一项技术。制件顶出后，如果没有循环，下一次射料熔流进入模腔后，模腔壁的温度就显著上升。采用脉行冷却方式后，其型腔壁温度将更高，但比常规模具冷却方法所探测的温度稍低。脉行冷却可广泛应用于薄壁制件的成型;要求重复精确表面的制件成型，以及流道深度变化范围材料突变行为。例如逆滞流动。对于脉行冷却的加工优势和其它相关限特性在潜在优点来说，有关脉行冷却的成本花费是否过高的争论已显得不那么重要。

　　七、熔芯成型工艺

　　熔芯成型法是一种比较新的工艺方法，便于加工内部有交叉复杂的渠道、凹槽或切槽的制件。生产管道夹具、泵外壳和体育运动商品等小型制件的生产厂商们，早在15年以前就开始考虑鉴定是否采用这项工艺了。近，汽车制造公司已采用该项工艺生产大型零部件，如轻质的动力系统样件和进气支管等。这个型芯与常规模具一样具有可折将式的型芯功能，设有限定的内腔壁的嵌件型芯。主要区别在于型芯的结构，这种型芯不能在模内拆卸也不能用机械方法抽出到模外。另外，这种型芯若不是由电感加热熔融掉，如低熔点(138oc)的锡-铋合金或另外的锡合金，就是在二次操作中被(可溶性丙烯酸类聚合物)行洗掉。这种熔芯成型采用常规的工艺方法，两者的主要区别在于型芯的热性能及型腔材料不同。型芯的热性能直接影响制件上流动表皮-芯层结构的厚度。根据实际加工条件，顶部及底部表皮厚度可大不相同，在某种情况下，可能产生翘曲的缺陷，而另一种情况下，有可能减少或消防易出缺陷制件的翘曲现象。

　　熔芯成型法当中，型芯仅仅作为模壁。充模过程不因固态嵌件而改变。由于金属合金型芯或聚合物型芯的热性能大不一样，故其所要求的压力也有所不同。聚合物型芯起到隔绝壁的作用，并且在成型制件中产生非常薄的流体表皮;金属型芯成为散热点而在制件上形成相对厚的流体表皮。如果塑料熔体流过时型芯表面已熔化，将产生流动根本性变化。已有报道采用冰条作为型芯。液态薄膜在冰与塑料界面存在着非常复杂的加工问题得以解决之前，这种方法用于高精度制件是切实可行的。

　　八、计算机辅助成型

　　采用计算机辅助工程(CAE)对加工设计及分析有助于缩短设计周期并可避免代价昂贵的机械失误。商业性仿真代码常用于流道上标明尺寸，以平衡熔料在流道系统及型腔内的流动，同时确定浇口的开设置和浇口的数目。计算注射压力和合模吨位要根据不同的加工条件和材料而定。收缩率及翘曲率结合初始流向也可准确估算出来。重要的是要使得这种设计工具帮助熟练分析人员在某个设计方案或加工研究时进行判断的操作。结果必须理解为以研究对象和加工/材料为前提。当考虑采用这种方法准确输入数据后，可取得巨大的效益。另外，这种分析经济性可使设计周期更短和所需的生产时间更短。

　　应该提醒注意的是，商业性的CAE程序通常是不可直接使用的。充模仿真可产生有价值的见识，但结果必须重新对其局限性进行重新考虑估计。应用现代计算机进行注射成型模拟试验，于纯粘性流体(不包括粘弹性的熔融塑料)。可预测熔体流入型腔的实际流动速率组成结构和性能公布等，如可进行高精度的粘弹性分析。目前所采用的任何其它加工方式都不可能达到这种先进水平，并且近几年来，由仿真设备的工业界带头者和大学里的研究小组已取得了良好的进展。有几家公司正在努力探索仿真技术，以求能正确地解释更多现实的塑性行为和加工现象。例如，聚合物主链的取向对局部的物理性能和性能分布的影响。加工物理学是非常复杂的，而某些粘弹性体现象仍然没有完全弄清楚，更完善合理的加工方式目前正缓慢形成。这些更强的有力的方式将获得大大超过目前所设计的生产能力。

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