盘点精密注塑

作者：MM现代塑料    来源：PT现代塑料

欢迎访问e展厅 展厅 1 注塑机展厅 注塑机, 立式注塑机, 二手注塑机, 真空成型机, 发泡注塑机, ... 精密注塑成型是指制品的精度和表面质量均要求很高的一类塑料成型工艺。该技术对注塑机、注塑模具、工艺、物料等均有极高的要求。近十年来，手机、电脑、DV及微电子产品消费量的迅速增长，促进了精密注射技术的飞速发展，精密注塑成型开始向超高速、超精密及微型化的方向发展，未来的精密注塑成型将不断地发展和完善。计算机模拟与仿真技术的发展促进了模具技术的不断进步，不断涌现的新材料在提高自身物理性能的同时也改善了物料的加工性能，数字技术的进步也为注射设备的精确控制提供了可靠的保障。精密注射成型将何去何从，未来的发展方向又将如何，这是每一个塑料从业者所关注的问题。 精密注射成型机 1、全液压与全电动的比较 全电动注塑机是随着精密注射制品的发展而逐步走向人们的视野的。所谓全电动注塑机，是指采用伺服电机取代原来的液压装置，以完成螺杆的旋转、注射、开合模等动作过程的注塑机。全电动注塑机的机械原理与传统的液压注塑机是基本相同的，只是在控制部分采用伺服电机取代原来的液压装置，其注射装置也包括塑化和传动两个部分。塑化部件是由螺杆、机筒、喷嘴组成，传动部分是由滚珠丝杆、伺服电机、传动齿轮和离合器等组成。全电动注塑机的合模装置也有肘杆式和直压式两种，这一点也同传统的注塑机基本相同。 通过对电动注塑机结构上的了解，我们可以比较一下电动注塑机与液压注射机在性能上的不同。由于电动注塑机的驱动系统不用液压油，因此排除了因液压油可能的泄漏和液压油特征参数随温度变化造成的工艺参数波动。滚珠丝杆的精度更高，重复性更好，有利于加工的稳定性。采用伺服电机控制螺杆的塑化，其计量精度更高，也更稳定，并且更有利于调速。电力直接传动也有利于节约能源。然而，此类注塑机是采用伺服电机带动滚珠丝杆驱动螺杆进行注射，由于滚珠丝杆负载大，高速旋转时磨损严重，因此一般全电动注塑机的注塑速率小于500mm/s，这是全电动注塑机的一个弱点。 全液压式注塑机在成型复杂制品方面有许多独特的优势，如合模精度高、开模力大等。它的合模装置有多种结构，如单缸充液式、多缸充液式、两板直压式，种类很多，差异也比较大。单缸充液式注射机体积庞大，液压油容易泄漏，升压速度慢，耗能也多。多缸充液式注射机在一定程度上缓解并改善了这些问题，其机身较短，体积也小了一些。两板直压式注塑机解决了上述的缺点，其开合模行程长，效率高，调模以及开合模精度高，锁模变形小，模具更换方便，但其控制技术的难度大，液压技术也难于掌握。 全液压与全电动可以说各具特点。全电动式注塑机在开合模精度以及使用寿命上不如全液压式注塑机，而全液压注塑机要保证精度就必须采用伺服阀，这必然带来成本的提高。如今，人们积极开发电动－液压式精密注塑机，计量塑化过程采用电力驱动以达到节能的效果；液压或者电动－液压复合的锁模机构也能有效地保持加工的精度以及稳定性。因此，综合了电动注塑机的节能以及液压注塑机的高性能的电动－液压式精密注塑机已经成为当今精密注塑发展的新动向。 2、微型注射成型机 市场需求推动了微型精密注塑成型机的发展。目前，可成型制件的件重达0.0003g，壁厚为0.01mm，尺寸公差达到±0.005mm。因此，成型这些制品对注塑机提出了更高的要求。要使熔体通过细小的喷嘴和流道，要求注塑机提供更高的注射压力；为确保材料在冷却前充满整个型腔，则要求极高的注射速度。此外，精密注射量计量以及快速反应能力都是对微型注塑机所提出的要求，因此，精确的螺杆和料筒设计以及精密的注射控制都是必需的。　 微型注射成型机是注塑成型设备发展的一个新方向，开创了微细结构零件和系统制造研究的新途径，其突出优点就是能够实现高精度、高精细零件的大批量、低成本生产。对于螺杆式微注射成型机，其塑化、计量和注射均由一组螺杆完成，所以结构简单，易于控制。其不足之处在于由于螺杆前端的止逆环结构，使得设备对一次注射量的控制精度较差，并且增加了材料在注射料筒中降解的几率，影响零件成型质量的稳定性。对于柱塞式微注射成型机，虽然其对注射量的控制精度较螺杆式高，但是其塑化量小，混料性能差，材料的塑化品质较螺杆式差，不利于成型表面质量和光学特性要求较高的零件。而螺杆柱塞混合式微注射成型机则综合了柱塞式和螺杆式的优点，以螺杆作为塑化单元，柱塞作为计量和注射单元，使微注射成型的控制精度和零件的成型品质均有明显提高，但是通常其结构较为复杂，控制和维护较柱塞式和螺杆式繁琐。　 不同原理的微型注射成型机有着不同的性能指标，适合不同微细结构零件的需求。因此要根据具体的微细结构零件的成本、尺寸和质量等各方面因素综合考虑选择配置适当的微型注射成型机。随着机电一体化技术、计算机网络技术等相关技术的不断发展，为微型注射成型机的发展提供了许多新思路和新方向。从目前微型注射成型机研究状态看，未来一段时间关于微型注射成型的研究发展趋势可能体现在以下方面：开发高精度、高灵敏度和高推力、低成本的驱动设备和方式；探索新的材料塑化方式，解决现有塑化方式带来的诸多问题，达到整洁、高效塑化注射材料的目的；进一步完善新材料的微型注塑成型工艺研究，发展适用于多种成型材料的微注射成型机；微型注射成型机的高精度、高效率产品检测单元的探索，为微型注射成型机提供可靠的性能测试和评价标准；智能化和网络化微注射成型机的开发应用研究，使微型注射成型机在计算机和网络的帮助下实现多元控制和远程在线控制生产。 微型注射成型机的研制发展历史并不长，但它是一个极具发展潜力的技术领域，开展这一领域的研究不仅可以带动传统注塑成型技术的发展，同时也可以促进精细微结构制品的制造和应用。随着各国对于微机电系统(MEMS)及精细CAD/CAE/CAM制品开发的力度不断加强，精细微结构制品的市场将持续增长，对精密微型注射成型机的需求也会相应逐年增加， 微注射成型机在先进制造领域必将发挥日益重要的作用。 精密注塑模具的设计 在精密注塑成型中，模具是保证制品的质量符合要求的关键之一。精密注塑模具必须符合制品的尺寸精度要求，同时，模具设计必须合理，否则将直接影响塑料制品的收缩率。由于模具型腔尺寸是由塑料制品尺寸加上所估算的收缩率求得的，因此，塑料原料的物性、制品形状和尺寸、浇口位置以及距离、注塑压力、模腔压力、熔体温度、模具温度、添加剂的种类及用量等等都是在模具设计时要考虑的问题。因此，精密注塑模具的设计除了一般模具需要考虑的问题之外，还要考虑以下几条：采用适当的模具公差；防止成型收缩率误差；防止发生注塑变形；防止发生脱模变形；使模具制造误差减至最小。 在注塑成型中，往往难以推断出完全精确的收缩率，所以这时经验就显得很重要。一般来说，在修正模具时，其凹部尺寸可以向大处修，凸部尺寸可以向小处修。所以在设计中，凹部尺寸的收缩率要选得小一些，凸部尺寸要选得大一些，前支承芯收缩率要选得小些，剪切型型芯要选得大些。 为了保持在注塑压力、锁模力下的模具精度，设计模具结构时必须考虑对型腔零件进行磨削、研磨和抛光等加工的可行性。尽管型腔、型芯的加工已经达到高精度的要求，而且收缩率也同预计的一样，但是，由于成型时中心的偏移，其所成型的制品内外侧相关尺寸都很难达到设计要求。为了保持动定模在分型面上的尺寸精度，模具必须加装锥形定位销或楔型块等，以确保精度。 美国的Leopold Kiernicki等人发明了一种精密注塑光纤套圈的方法。该方法通过对模具进行改进,在成型过程中使用了一种可调节的型芯和接收装置，精确地定位芯棒和模具中的伸出线装置。芯棒在模制套圈中确定了内部的通道，而伸出线在套圈中形成了小直径的纵向孔，小孔和内部通道的末端连接，这样模制套圈就精确地定位了内部通道和小孔。该发明已于2001年获得了包括美国在内的多项专利。 德国的LindnerE.针对ＣＤ光盘各方面要满足高精密度的要求，例如平面、厚度、波形和表面质量等，对注射模具的结构以及工况提出了一定的要求。光盘在一个单型腔的、并且带有一个锥形注入口和环形浇口的模具中注塑成型。模具型腔的公差单位必须在几个μｍ之内，表面磨光到镜面精加工的程度。模具的成型部分为钢1.2083，洛氏硬度为50。模具在60℃下工作，周期时间小于4ｓ。 日本的HigashiY.等人发明了一种使用激光辅助的高速金属烧结和成型技术。使用该技术制造注塑模具可以降低成本，缩短生产周期，而且制造的模具可以用来生产超精密的塑料制品1万件以上。 模具的技术水平是一个国家工业发展水平的重要标志。目前，精密注塑模具市场仍为美国、日本的企业所垄断，其中日本占全球市场的40％左右，美国占到20％左右。国内能够生产精度达到5μm以内的精密模具可以说是凤毛麟角，更不用说生产精度在1?2μm之间的模具了。因此，我国的模具制造业从设计、制造到工厂的管理都还处于起步阶段，要达到美国、日本甚至韩国模具的制造水平尚有很长一段路要走，建立自己的模具工业体系可谓任重而道远。 精密注塑成型技术 1、二次成型技术 目前开发的先注后压二次成型是将压缩模用在注射机上成型塑件，采用注射机注射料坯，再利用压缩模进行压缩成型。该成型方法能在成型过程中保证型腔与塑料制件之间较好的接触，使树脂的温度和压力分布均匀，消除内应力，减小树脂的收缩。此工艺的技术关键是模具结构设计和温度、压力的控制。此种方法对某些形状简单的光学件能起到明显的效果，得到内部压力分布均匀的制品，而对于较复杂的光学件则无能为力。 2、注射压缩成型 所谓注射压缩成型法是当注入模腔的树脂由于冷却而收缩时从外部加一个强制的力使模 腔的尺寸变小，从而使收缩的部分得到补偿的成型方法。一般的注射成型法是用控制精密螺杆的运动来间接控制模腔送料的速度和压力，以确保成品的质量；而注射压缩成型是通过模腔向树脂直接加压来提高质量的。对于透镜零件是将树脂充填部分在光轴方向压缩而产生压力，使表面得到均匀的压力，成型制品的体积由树脂的压力和温度来决定，用调整加工条件的方法，在低温下释放保持的压力，从而有可能减少体积的收缩量。由于采用机械压缩的方法，所以可以在较低的压力下注射塑料，在模具内保持较长时间的熔融状态以利于分子取向的回复，并且不需要注射后的保压压力来补偿收缩，这样就可以减少或消除由保压引起的树脂分子取向和成型时的内应力，提高了成型品的材质均匀性，并减少了残余应力，大大改善了折射率和双折射等光学性能。采用这种方法已经能制造出与玻璃精度相当的光学制件，而价格却只有玻璃的 1/10。 3、超精模压成型 利用注塑成型法，通常模具温度要设定在所用树脂的热变形温度以下。因而，向模具内腔注射充填的熔化树脂形成固、液混合状，温度和压力存在梯度。而且采用注塑成型法，为防止产生“气孔”，树脂被注射充填后，需进行维持压力的“保压”操作，树脂取向的原因即源于此。采用注射压缩成型法，口模处的树脂固化后，力求使内腔体积压缩，完成高精度复制，但由于树脂的固化，无法实施压力均匀的传输。因此，注塑成型和注塑压缩成型技术制作的厚度不等的大口径的塑料透镜，其密度和折射率不够均匀，存在很大的残余应力和双折射，面形精度不够理想 针对上述精密成型方法存在的缺陷，依据树脂的温度和压力的关系，可采用超精模压成型技术，实现高精度塑料光学制件的制备。 在介绍超精模压之前，有必要研究一下塑料在加热过程中的状态。树脂在加热过程中体积不断增加，当超过树脂的玻璃化转变温度时，体积增加率更大，在冷却时体积又减少。假定树脂处于加热过程中某个温度T1，利用与当时树脂体积有相同体积空间的模具充填树脂，然后继续加热接近树脂玻璃化转变温度，此时，树脂的体积不再增加，压力却增大，一旦超过玻璃化转变温度，压力便急剧增加。若从此温度逐渐冷却，则塑料的压力便减少，在温度 T1 时，塑料的压力与大气压相等，其体积等于模腔容积。若进一步将温度降至室温时，树脂的体积与加热前的体积相等，但小于模具容积。树脂的这种可逆现象是在树脂的温度均匀一致时才能成立。如前所述，为防止塑料光学制件产生缩坑，需进行“保压”或减小模腔容积，但树脂比容未必恒定。为使比容恒定，需高压注射充填熔融树脂，并立即将其封堵在模腔内。另外，为尽快消除模腔内熔融树脂的温度和压力不均匀以及取向，模具温度必须控制在所成型树脂的玻璃化转变温度以上。注射充填后，在保持温度和压力均匀分布的同时，以恒定比容将模具冷却到树脂的热变形温度。超精模压成型正是利用塑料的这些特性研究出来的成型方法。 将模具加热到树脂的玻璃化转变温度以上的某一温度，将熔融树脂注射入模腔内并立即封堵。注射充填的压力和树脂量按初始树脂压力等于大气压来设定。封堵之后，将模具温度保持在玻璃化转变温度以上，使树脂的压力和温度分布均匀。然后，在维持树脂压力和温度均匀的同时，以恒定比容将模具冷却到树脂的热变形温度。然后，开模取出成型塑料光学制件。这一成型法即为超精模压成型。在超精密成型过程中，模具温度比通常成型法高，注射充填压力也大，因此很难使用一般的滑动机构。该成型法使用专门的小金属球封堵树脂。在合模之前把小金属球放进模具注射口内。成型机注射充填熔融树脂时，金属球被注射的树脂推向模腔的一侧，留出通道让树脂注射入模腔。熔融树脂高压充满模腔后，成型机停止注射，此时由于压差，树脂倒流而把金属球推向注射口，从而封堵树脂。使用这种机构保持的压力为封堵前压力的95% 以上。 对于该成型法，冷却逐渐完成且树脂的压力和大气压相等的条件下，注射充填熔化树脂和控制模具温度是其关键所在。因此，即便是成型塑料光学制件的形状尺寸不同，如果保持树脂压力和温度均匀性的缓和时间和逐渐冷却时间足够的话，只改变充填条件，便可获得高精度的塑料光学制件。其成型制品的表面具有很高的精度，缩坑、气泡明显减少，双折射率下降，面形偏差减少，能生产出较理想的塑料光学制件。 随着各行各业对塑料制品的需求不断增加以及对其要求的逐渐提高，精密注塑的光明前景是不言而喻的。然而，当我们盘点精密注塑时，对国内精密注塑行业的现状确不无忧虑，无论是精密注塑机、精密注塑模具还是制品的设计，我国还处在一种高端失守、低端混战的状态。作为一名塑料从业者，更希望看到的是国内相关企业的崛起与壮大。当然，企业的发展有其客观的规律，随着我国经济实力的提高，生产力的进步，国内的精密注塑企业也必将开创自己的一片天空。(end)

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