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塑料模具 |
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高性能模具材料的充分利用 |
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作者：Brush Wellman公司总监 Douglas Veitch 来源：PT现代塑料 |
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通过获得更快的加工节拍和更好的零件质量，注塑模生产商和吹塑模生产商能从导热性高的材料身上获利。模具材料和聚合物的某种特性能使这些功效得以实现。一旦这些特性被弄清楚后，模具制造商能优化他们所使用的高性能材料，为他们的客户提供一个耐用的、加工周期快的模具。
冷却时间模具合金的热特性
模具材料的某些特性使我们能更好地弄清楚加工模具时发生的热力过程。三个重要的特性如下：
1. 导热性：更高的导热性等同于在稳定状态条件下单位时间内传递更多的热量。
2. 散热性：更高的散热性意味着当温度变化时，将更快地达到热平衡。好的散热器将对环境温度的变化反应更迅速。
3. 渗热性(导热性除以散热性的平方根)：更高的是一种测量材料在突然接触时，从一个更高温度物体上即刻散热的效率。(见表 1) 
下述内容解释了模具注塑时所有这些特性意味着什么。
1. 加热模具到工作温度 (通过水槽)。
◆ 更高的散热性使得铜合金模具更快地达到热平衡，因此成型加工能尽早开始。
2. 注入的热塑料融入模具并冷却。
◆ 更高的渗热性意味着模具将开始立刻并有效地从塑料上带走热量。
◆ 然后渗热性高转化为迅速地到达稳定状态和一致的温度。
◆ 最后，一旦处于平衡，导热性决定了热量能以多快的速度从塑料上移开，直到零件达到期望的脱模温度。
3. 在加工循环的开模、脱模和闭模部分时维持凝固点温度(等于水温)。
◆ 再一次，散热性高使得模具在开模、脱模和闭模时在凝固点维持平衡。既然空气是一种很差的热媒介，水与铜合金之间的接触就是主要的因素。
图1所示的照片源自有限元的热分析，说明了铍铜合金模具一致的温度与P-20钢模具的比较。
图1：IR 温度分布
图像由Brush Wellman公司提供
聚合物类型
两种主要的聚合物系列-半结晶和非结晶，两者均可受益于导热性更高的模具材料。
半结晶聚合物具有致密的组织、一致的分子结构，包括诸如聚酰胺（尼龙）、聚乙烯、聚丙烯和聚甲醛等材料。在加工时由于熔化，这些聚合物变成非结晶体，并将在冷却时变回半结晶体。
非结晶聚合物具有一种松散且随机排列的分子结构，所以在某些情况下，非结晶材料是透明的。两种聚合物均能受益于传热性能的提高并能缩短冷却时间。
下述内容是一些需要认知的区别，它能对应用提供更好的理解。
◆ 结晶体 材料具有明确的熔点，故此当熔化时必须添加潜在的热能，而当冷却时要去除。从模具中脱出之前，塑料需要固化并冷却到低于热挠曲温度。热挠曲温度(HDT) 可从多数树脂的数据表上获得。仅仅低于熔点是不够的。零件必须被冷却至硬到足以使其脱出的温度点。玻璃和矿物填料提高结晶率和HDT，所以零件能在更高的温度下脱出而没有变形。
◆ 非晶体 聚合物不具有熔点，但是随着热量输入增加到高于玻璃态转化温度(Tg)，聚合物的粘度下降，直到它开始流动。增加热量直到塑料能充分流动以填满模具。然后热量必须移开，直到聚合物低于Tg- 在很多情况下，零件将硬到足以被脱出。
通常，归因于潜热，结晶聚合物包含更多的热能。例如，非晶体的聚碳酸酯的热容量为1.2 J/(g °K)，而半结晶的聚丙烯的热容量为1.9 J/(g °K)或者是高出58%。当使用导热性高的模具合金时，制模工将对两类塑料都能碰到加工节拍缩短和冷却的一致性提高。
一些半结晶材料（如尼龙）要求相当高的模具温度以提供良好的表面粗糙度和最大化的结晶度。导热性高的模具合金能提高两者的特性，而附加值是缩短加工节拍。
通过简单地使模具运转于期望的温度（例如180°F），可获得这个效果。导热性高的合金将能比钢件更快地带走热量，但是对于推荐的温度，热量的带走将是更一致的。结果是缩短了冷却时间和制模零件更一致的结晶度。当用非晶体塑料制模时，一致的冷却也是非常重要的。对于透明的聚合物（如聚碳酸酯），零件将具有更好的透明度和韧性。
水冷
对于钢制模具，制模工通常使用冷却器来缩短加工节拍和补偿钢件传递热量的减少。冷却的模具通常将会引起模具表面的冷凝，它能反过来影响模具的质量。有了导热性高的模具合金，冷却水可被设定到更高德温度以防止冷凝，而且仍然获得比钢制模具快得多的节拍。还有，模具的表面温度将非常接近水温的设定值。铜合金的热传递长期性能表现是非常好的，因为铜合金耐冷却管道内的腐蚀和生物附着。
经济性
加工节拍的缩短一直是制模工主要的努力方向。制模工越来越多地尝试改进节拍以抵消更高的树脂、能源和运输等已经不能转嫁给客户的成本。使用铜合金模具使得制模工能提高他们的生产率、避免资本投资并使质量问题最小化。
导热性更高德模具比钢制模具能提供更一致的冷却、产生更好的尺寸控制、减少翘曲和提高零件强度。由于缩短了冷却时间，使用高性能合金的模具的偿还分析产生非常喜人的数字。
应用
1. 近来，就大型聚乙烯罩盖而言，制模工计算出在钢制模具内使用铍铜合金镶嵌件的偿还期为10天。加工节拍从75秒缩短至52秒，而且使制模工免于采购额外的制模设备就能满足需求。有时未注意到资金的避免，但从长期看可获得巨大的好处。
2. 另一个例子是由玻璃纤维增强尼龙制成的椅子底座。在椅子底座模具（见图2）内的型芯镶件上使用铍铜合金，制造商能获得加工节拍缩短20%。在使用铍铜合金之前，制造商在其模具内使用的绝对是钢件。在转换到使用铍铜合金的镶件后，他们已经目睹了节拍从122秒降到98秒 - 使得整个生产更快。还有，提高了轮毂直径的尺寸控制。
Figure 2: Copper beryllium insert stands up well to the glass-filled nylon used in chair bases.
通过使用铍铜合金，制造商每年能产量达500,000件椅子底座而无需购买另外的注塑机。对于所有钢制模具，需要增加四台压机才能满足需求的增长。再者，避免大量的资本支出，代之以高导热性模具合金的少量投资。
结论：高导热性合金的好处包括：(1) 更快的加工节拍、(2)一致的模具温度、(3)更好的零件质量、(4)冷却管道的维护成本低和(5) 对于非晶体和结晶体聚合物系列的适应性。对这些模具合金具有专长和能力的模具制造商在全球市场上具有竞争优势。这样的模具制造商将使其客户更有竞争力和获利能力。而且我们知道能获利的客户是最好的。
原载《国际模具制造商情》(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(2/11/2006) |
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