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塑料注射成型新工艺

2014-01-04 14:50:17   评论:0 点击:
精确的塑料制品,且成型过程自动化程度高,在塑料成型加工中有着广泛的应用。但随着塑料制品听应用日益广泛,人们对塑料制品的精度、形状、功能、成本等提出了更高的要求,传统的注射成型工艺已难以适应这种要求,主要表现在①生产大面积结构制件时,高的熔体粘度需要高的注塑压力,高的注塑压力要求大的锁模力,从而增加了机器和模具的费用;②生产厚壁制件时,难以避免表面缩痕和内部缩孔,塑料件尺寸精度差;③加工纤维增加复合材料时,缺乏对纤维取向的控制能力,基体中纤维分布随机,增强作用不能充分发挥。因而在传统注射成型技术的基础上,又发展了一些新的注射成型工艺,如气体辅助注射、剪切控制取向注射、层状注射、熔芯注射、低压注射等,以满足不同应用领域的需求。
1.气体(水)辅助注射成型
气体辅助注射成型是自往复式螺杆注塑机问世以来,注射成型技术最重要的发展之一。它通过高压气体在注塑制件内部产生中空截面,利用气体积压,减少制品残余内应力,消除制品表面缩痕,减少用料,显示传统注射成型无法比拟的优越性。气体辅助注射的工艺过程主要包括三个阶段:
起始阶段为熔体注射。该阶段把塑料熔体注人型腔,与传统注射成型相同,但是熔体只充满型腔的60%-95%,具体的注射量随产品而异。
第二阶段为气体注人。该阶段把高压惰性气体注人熔体芯部,熔体前沿在气体压力的驱动下继续向前流动,直至充满整个型腔。气辅注塑时熔体流动距离明显缩短,熔体注塑压力可以大为降低。气体可通过注气元件从主流道或直接由型腔进人制件。因气体具有始终选择阻力最小(高温、低粘)的方向穿透的特性,所以需要在模具内专门设计气体的通道。
第三阶段为气体保压。该阶段使制件在保持气体压力的情况下冷却.进一步利用气体各向同性的传压特性在制件内部均匀地向外施压,并通过气体膨胀补充因熔体冷却凝固所带来的体积收缩(二次穿透),保证制品外表面紧贴模壁。
气辅技术为许多原来无法用传统工艺注射成型的制件采用注塑提供了可能,在汽车、家电、家具、电子器件、日常用品、办公自动化设备、建筑材料等几乎所有塑料制件领域已经得到了广泛的应用,并且作为一项带有挑战性的新工艺为塑料成型开辟了全新的应用领域。气辅技术特别适用于制作以下几方面的注塑制品:
1)管状、棒状制品
如手柄、挂钩、椅子扶手、淋浴喷头等。采用中空结构,可在不影响制品功能和使用性能的前提下;大幅度节省原材料,缩短冷却时间和生产周期。
2)大型平板制件
如汽车仪表板、内饰件格栅、商用机器的外军及抛物线形卫星天线等。通过在制件内设置式气道,可以显著提高制品的刚度和表面质量,减小翘曲变形和表面凹陷,大幅度降低锁模力,实现用较小的设备成型较大的制件。
3)厚、薄壁一体的复杂结构制品
如电视机、计算机、打印机外壳及内部支撑和外部装饰件等。这类制品通常用传统注塑工艺无法一次成型,采用气输技术提高了模具设计的自由度,有利于配件集成,如松下74cm电视机外壳所需的内部支撑和外部装饰件的数量从常规注塑工艺的17个减至18个,可大幅度缩短装配时间。
水辅助注射成型是IKV公司在气体辅助注射成型技术基础上开发的新技术,是用水代替氮气辅助馆体流动,最后利用压缩空气将水从制件中压出。与气体辅助注射成型相比,水辅助注射成型能够明显缩短成型时间和减小制品壁厚,可应用于任何热塑性塑料,包括那些分子量较低、容易被吹穿的塑料,且可以生产大直径(40mm以上)棒状或管状空心制件,例如,对于直径为10mm的制件,生产周期可从60s减至10s(壁厚l-1.5mm);而直径为30mm的制件,生产周期则可由180s减到40s(壁厚2.5~30mm)。
IKV公司和Ferromatik Milacron公司目前正在完善样机,其他一些气辅注塑厂商如Baitenfeld公司和Engel公司最近也加入到开发的队伍中来。水辅助注射成型主要用于生产内表面光滑、重要性的介质导管;其质量和经济效益都是气体辅助注射技术所不及的。
2.模具滑动注射成型
模具滑动注射成型是由日本制钢所开发的一种两步注射成型法,主要用于中空制品的制造。其原理是首先将中空制品一分为二,两部分分别注射形成半成品,然后将两部分半成品和模具滑动至对合位置,二次合模,在制品两部分结合缝再注入塑料熔体(2次注),最后得到完整的中空制品。与吹塑性品相比,该法型制品具有表面精度好、尺寸精度高、壁厚均匀且设计自由度大等优点。
在制造形状复杂的中空制品时,模具滑动注射成型法与传统的二次法(如超声波熔接)相比,其优点是:不需要将半成品从模具取出,因而可以避免半成品在模具外冷却所引起的制品形状精度下降的问题;此处还可以避免二次熔接法因产生局部应力而引起的熔接强度降低问题。
3.熔芯注射成型
当注射成型结构上难以脱模的塑料件,如汽车输油管和进排气管等复杂形状的空心塑料件时,一般是将它们分成两半成型,然后再拼合起来,致使塑料件的密封性较差。随着这类塑料件应用的日益广泛,人们将类似失蜡铸造的熔芯成型工艺引入注射成型,形成了所谓的熔芯注射成型方法。
熔芯注射成型的基本原理是:先用低熔点合金铸造成可熔型芯,然后把可熔型芯作为该件放入模具中进行注射成型,冷却后把含有型芯的制件从模腔中取出,再加热将型芯熔化。为缩短型芯熔出时间,减少塑料件变形和收缩。
一般采用油和感应线圈同时加热的方式,感应加热使可熔型芯从内向外熔化,油加热熔化残存在塑料件内表面的合金表皮层。
熔芯注射成型特别适于形状复杂、中空和不宜机械加工的复合材料制品,这种成型方法与吹塑和气辅助注射成型相比,虽然要增加铸造可熔型芯模具和设备及熔化型芯的设备,但可以充分利用现有的注塑机,且成型的自由度也较大。
熔芯注射成型中,制件是围绕芯件制成的。制成后芯件随即被格去,这似乎与传统基础工业的做法类似,并不新奇。但是关键问题在于芯件的材料,传统的材料是不可能用来作为塑料加工中的芯件的,首先是不够坚硬,难以在成型过程保持其形状,尤其是不能承受压力和熔体的冲击,更主要的是精度绝不适合塑料制品的要求,所以,关键是要找到芯件的合适材料。目前常采用的Sn-Bi和Sn-Pb低熔点合金。
熔芯注射成型已发展成一专门的注射成型分支,伴随着汽车工业对高分子材料的需求,有些制件已实现批量生产地如,网球拍手柄是首先大批量生产的熔芯注射成型制品;而汽车发动机的全塑多头集成进气管已获得广泛应用;其它的新的用途有:汽车水泵、水泵推进轮、离心热水泵、航天器油泵等。
4 受控低压注射成型
传统的注射成型过程可分为控制熔体入口速度的充填过程和控制熔体入口压力对塑料冷却收缩进行补料的保压过程。充填过程中熔体的入口速度是一定的,随着充填过程的进行,熔体在模腔内的流动阻力逐渐增加,因而熔体入口压力也容易随着增高,在充填结束时入口压力出现较高峰值。由于高压在型腔内的作用,不仅会造成熔料溢边、涨模等不良现象,而且会使塑料件内部产生较大内应力,塑料件脱模后易出现翘曲和变形,使塑料件形状精度和尺寸精度难以满足较高要求,在使用过程中也易出现开裂现象。
为了降低或避免塑料在充填过程中因较高的型腔压力产生的内应力,将塑料件的变形限制在较低的范围内,应以塑料件充填所需的最低压力进行充填,这样就可降低型腔内压力。受控低压注射成型与传统注射成型的主要差别在于:传统注射成型充填阶段控制的是注射速率,而低压注射成型充填阶段控制的是注射压力。在低压注射过程中,型腔入口压力恒定,但注射速率是变化的,开始以很高的速度进行注射,随着注射时间的延长,注射速率逐渐降低,这样就可以大幅度消除塑料件内应力,保证塑料件的精度。高速注射时,熔体高速流动所产生的剪切粘性热可提高熔体温度,降低熔体粘度,使熔体在低压下充满型腔成为可能。由于低压注射是以恒定压力为基准进行熔体充填,因而低压注射机有其独特的油压系统。
为了实现低压高速成型,需对传统注塑机的注射系统作必要的改进,目前国外已开发出多腔液压注射系统,其主要功能有:
1)在同一油压下可多级变换最高注塑压力;
2)可在低注塑压力下实施高速注射。
由于低压注射成型的基本原理与一般注射成型相同,所以两种成型方式所用模具的结构完全一样。但低压注射成型用低压充填,不出现压力峰值,可避免细小型芯的折断或损坏,有利于提高模具的使用寿命。另一方面由于低压注射成型对模具的磨损较小,对模具的温度控制和排气等要求也不很高。可采用由锌-铝合金材料制造和简易注塑模,这样不仅可以降低生产成本,而且能快速地生产出小批量精密塑料件,以适应目前市场上多品种、小批量生产的需要。
5 注射-压缩成型
这种成型工艺是为了成型光学透镜面开发的。其成型过程为:模具首次合模,但动模、定模不完全闭合而保留一定的压缩间隙,随后向型腔内注射熔体;熔体注射完毕后,由专设的闭模活塞实施二交合模,在模具完全闭合的过程中,型腔中的熔体再一次流动并压实。
与一般的注射成型相比,注射-压缩成型的特点是:
1)熔体注射是在模腔未完全闭合情况下进行的,因而流道面积大,流动阻力小,所需的注塑压力也小。
2)熔体收缩是通过外部施加压力给模腔使模腔尺寸变小(模腔直接压缩熔体)来补偿的,因而型腔成压力分布均匀。
因此,注射-压缩成型可以减少或消除由充填和保压产生的分子取向和内应力,提高制品材质的均匀性和制品的尺寸稳定性,同时降低塑料件的残余应力。注射-压缩成型工艺已广泛用于成型塑料光学透镜。激光唱片等高精度塑料件以及难以注射成型的薄壁塑料件。此外注射一压缩成型在玻璃纤维增强树脂成型中的应用也日益普及。
6.剪切控制取向注射成型
剪切在制取向注射成型实质是通过浇口将动态的压力施加给熔体,使模腔内的聚合物熔体产生振动剪切流动,在其作用下不同熔体层中的分子链或纤维产生取向并冻结在制件中,从而控制制品的内部结构和微观形态,达到控制制品力学性能和外观质量的目的。将振动引入模腔的方法有螺杆和辅助装置加振两种。
1)螺杆加振
螺杆加振的工作原理是给注射油缸提供脉动油压,使注射螺杆产生往复移动而实现振动,注射螺杆产生的振动作用于熔体,并通过聚合物馆体把振动传入模腔,从而使模腔中的熔体产生振动,这种振动作用可持续到模具绕口封闭。此种装置比较简单,可以利用注塑机的控制系统,或对注塑机的液压和电气控制系统加以改造来实现。
2)辅助装置加振,辅助装置加振是将加振装置安装在模具与注塑机喷嘴之间,注射阶段与普遍注塑一样,通常熔体仅通过一个浇口,此浇口活塞后退以保持流道通畅,另一活塞则切断另一流道;模腔充满后,两个保压活塞在独立的液压系统驱动下开始以同样的频率振动,但其相位差180O。通过两个活塞的往复运动,把振动传入模腔,使模腔中的熔体一边冷却,一边产生振动剪切流动。实验证明这种工艺有助于消除制品的常见缺陷(如缩孔、裂纹、表面沉陷等),提高熔接线强度;利用剪切控制取向成型技术、通过合理设置浇口位置和数量,可以控制分子或纤维的取向,获得比普通注射成型制品强度更高的制品。
剪切控制取向注射成型过程中聚合物熔体被注入模腔后,模腔内开始出现固化层。由于固化层附近速度梯度最大,此处的熔体受到强烈的剪切作用,取向程度最大。中心层附近速度梯度小,剪切作用小,因而取向程度也小。在保压过程中引入振动,使模腔中的聚合物熔体一边冷却,一边受振动的剪切作用,振动剪切产生的取向因模具的冷却作用而形成一定厚度的取向层。同没有振动作用相比,振动剪切流动所产生的取向层厚度远远大于普通注射所具有的取向层厚度,这就是模腔内引入振动剪切流动能使制品的力学性能得到提高的原因。此外,由于振动产生的周期性的压缩增压和释压膨胀作用,可在薄壁部分产生较大的剪切内热,延缓这些部分的冷却,从而使厚壁部分的收缩能从浇口得到足够的补充,有效防止缩孔、凹陷等缺陷。
7 推-拉注射成型
入注射成型的工艺,这种成型方法可消除塑料件中熔体缝、空隙、裂纹以及显微疏松等缺陷,并可控制增强纤维的排列它采用主、辅两个注射单元和一个双绕口模具。工作时,主注射单元推动熔体经过一个绕口过量充填模腔。多余的料经另一浇口进人辅助注射单元,辅助注射螺杆后退以接受模腔中多余熔体;然后辅助注射螺杆往前运动向模腔注射熔体,主注射单元则接受模腔多余熔体。主、辅注射单元如此反复推拉,形成模腔内熔体的振动剪切流动,当靠近模壁的熔体固化时,芯部的熔体在振动剪切流动,当靠近靠近模壁的熔体固化时,芯部的熔体在振动剪切的作用下产生取向并逐渐固化,形成高取向度的制品.一般制品成型需10次左右的循环,最高的可达40次。
推-拉注射成型的周期比普通注射成型的周期长,但由于在推拉运动中材料被冷却固化,保压阶段对于控制收缩和翘曲已不是很重要了。在推-拉注射成型中,注射阶段和保压阶段合二为一。用此种注射工艺对玻璃纤维增强LCP的推-拉注射成型结果表明,与常规的注射成型相比,材料的拉伸强度和弯曲弹性模量可分别提高420%和270%。
8.层状注射成型
层状注射成型是一种兼有共挤出成型和注射成型特点的成型工艺,该工艺能在复杂制件中任意地产生很薄的分层状态。层状注射成型同时实施两种不同的树脂注射,使其通过一个多级共挤模头各股熔体在共挤模头中逐级分层,各层的厚度变薄而层数增加,最终进入注塑模腔叠加,保留通过上述过程获得的层状形态,即两种树指不是沿制品厚度方向呈无序共混状态存在的,而是复合叠加在一起。据报道,层状注射可成型每层厚度为0.1-10pm。层数达上千层的制品。因层状结构,保留了各组分材料的特性,比传统共混料更能充分发挥材料性能,使其制品在阻隔气全渗透、耐溶剂、透明性方面各具突出优点。
9微孔发泡注射成型
在传统的结构发泡注射成型中,通常采用化学发泡剂,由于其产生的发泡压力较低,生产的制件在壁厚和形状方面受到限制。微孔发泡注射成型采用超临界的惰性气体受到限制。微孔发泡注射成型采用超临界的惰性气体(CO2、N2)作为物理发泡剂.其工艺过程分为四步:
1)气体溶解:将惰性气体的超临界液体通过安装在构简上的注射器注人聚合物熔体中,形成均相聚合物/气体体系;
2)成核:充模过程中气体因压力下降从聚合物中析出而形成大量均匀气核;
3)气泡长大:气在精确的温度和压力控制下长大;
4)定型:当气泡长大到一定尺寸时,冷却定型。
微孔发泡与一般的物理发泡有较大的不同。首先,微孔发泡加工过程中需要大量惰性气体如CO2、N2溶解于聚合物,使气体在聚合物呈饱和状态,采用一般物理发泡加工方法不可能在聚合物一气体均相体系中达到这么高的气体浓度。其次,微孔发泡的成核数要大大超过一般物理发泡成型采用的是热力学状态逐渐改变的方法,易导致产品中出现大的泡孔以及泡孔尺寸分布不均匀的弊病。微孔塑料成型过 程中热力学状态迅速地改变,其成核速率及泡核数量大大超过一般物理发泡成型。
与一般发泡成型相比,微孔发泡成型有许多优点。其一是它形成的气泡直径小,可以生产因一般泡沫塑料中微孔较大而难以生产的薄壁(1mm)制品;其二是微孔发泡材料的气孔为闭孔结构,可用和阻隔性包装产品;其三是生产过程中采用CO2或N2,因而没有环境污染问题。
美国Trexel公司在MIT微孔发泡概念的基础上,将微孔发泡注射成型技术实现了工业化,形成了MuCell专利技术。MuCell艺用于注塑的主要优点是,反应为吸热反应,熔体粘度低,熔体和模具温度低,因此制品成型周期、材料消耗和注塑压力及锁模力都降低了,而且其独特之处还在于这种技术可用于薄壁制品以及其他发泡技术无法发泡制品的注塑。MuCell在注射成型技术上的突破为注塑制品生产提供了以前其他注塑工艺所不具有的巨大能力,为新型制品设计、优化工艺和降低产品成本开拓了新的途径。采用MuCell技术的注塑制品正被用于许多工业领域,包括汽车、医药、电子、食品包装等各个行业。
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