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高分子材料注射成型加工极限化趋势 |
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作者：北京化工大学 杨卫民 来源：PT现代塑料 |
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高分子制品正朝着高性能、高精度、高效率、低成本的方向迅猛发展，特别是IT产业、汽车工业、航空航天和国防军工等领域越来越多地采用高分子及其复合材料替代传统的金属材料，对注射成型加工方法和工艺设备提出了精密、高效、节能的迫切要求。因此，研究适应极端环境条件的特种高分子材料及其在极限条件下的成型加工技术，制造完美无瑕的高性能产品，是高分子材料加工技术发展的重要方向。
注射成型作为高分子材料成型加工的主要方式之一，1952年发明的往复式螺杆注射成型至今仍然占据巿场主导地位。在这一成型加工原理基础上的研究进展正不断地向其极限挑战。“更高、更快、更强”是人类追求完美的理想，这种理想也体现在人们对于高分子材料注射成型加工科学与技术的研发上。制品尺寸方面，小到 0.1克以下，大到万克以上。使用性能和精度方面，某些制品开始追求由微米向纳米尺度的公差等。为此，注射成型加工设备也向着微型化和巨型化两个极端发展。同时，为了适应高效率和高精度成型要求，不断提高螺杆注射速度也成为当前发展的潮流。以前，注射速度达到1000mm/s时已经被认为是超高速，如今，人们在努力把注射速度由 1500mm/s进一步提高到2000mm/s以上。在制品性能要求方面，则在追求“零缺陷”的极限。本文提出高分子材料注射成型加工极限化科学与技术，旨在向人们介绍当前这一领域追求完美的努力，更是对于注射成型新原理、新方法、新设备产生和发展的祈望。 
图1 Arburg 的ALLROUNDER U 系列可生产出重量小至几百分之一克的产品。
下面从高分子制品注射成型加工微小化、高速化、无瑕化三个方面做些简要的介绍。
高分子制品注射成型微小化
微注射成型是在普通注射成型的基础上发展起来，成型尺寸和重量为微米级和毫克级制品的新型注射成型工艺。其研究出发点同普通注射成型一样，通过综合分析注塑机、模具、加工工艺参数和物料性能间的关系来提高制品的性能。目前微注射成型多采用将传统注塑机小型化、减小注射量和提高精度的方式进行。
高分子制品微小化利大于弊
微小化带来的利益：
提高制品的附加值
提高原料的利用率
提高制品的精度
缩短周期、提高生产率
易实现大批量低成本生产
扩展塑料制品应用领域
微小化带来的问题：
现有成熟注射理论和技术不适用微成型
微型模具设计和加工难度增加
材料易产生尺寸效应
产品性能测试困难
成型工艺参数确定难
成型加工环境要求高
从图2可以看出，随着制品尺寸向微小化发展，企业能够获得的利润显著上升。 
图2 制品大小与利润的关系
高分子制品注射成型微小化的关键技术
高分子微小制品的注射成型与传统的注射方法比较，有以下三个方面的关键问题需要解决：
高注射速率
微注射成型零件质量和体积微小，为防止熔料凝固而导致零件欠注，必须以高的注射速率在短时间内完成注射过程。
快速反应能力
成型过程中注射量和注射设备移动行程非常微小，因此驱动单元必须要有相当快的反应速度。
精密计量
微成型制品的质量以毫克计量，对质量和行程的控制精度提出了非常高的要求。传统注射成型的计量行程S通常控制在（1D～4D），而微成型的计量行程S < D。注射量与计量行程及螺杆直径间存在着相应的关系：
微小制品注塑机的开发
微小制品注射成型机的开发目前主要有三条途径：传统注塑机器的精密化、往复螺杆式注射机微型化、微注射成型机。
传统注塑机精密化
传统塑机的精密化配置，可用于制造微小的塑料制品。例如，德国ARBURG精密注塑机，注射量重复精度可高达0.07%。但是，如果采用较大规格的精密注塑机生产微小塑料制品，会因为浇道料把所占的比重过大导致成型加工材料和能源浪费而不经济（如图3所示）。因此，在模具中应用热流道技术成为传统注塑机用于精密成型必不可少的重要组成部分。
图3 制品与料把的对比
往复螺杆式注塑机微型化
为了生产微小塑料制品，克服上述方法中浇道料把所占的比重过大导致成型加工材料和能源浪费而不经济的问题，一些注塑机制造商也开发了微型化的往复螺杆式注塑机。这类注塑机虽然在很大程度上解决了材料和能源浪费的问题，但还存在一些缺点：如控制精度差，螺杆的小型化存在加工和强度问题，目前最小螺杆直径为12mm。
微注射成型机
为了克服上述两种方法的不足，近年来研究开发微注射成型机成为一个热点。这类机器的特点是：计量精度高，节能省料，经济性好。图4为一些微注射成型机的原理示意图，其中右图塑化和混合质量较左图好。 
图4 微注射成型机原理
高分子制品注射成型高速化
超高速注射成型的特点
生产效率的不断提高以及薄壁精密制品的注射成型，需要很高的注射速度。因此，高分子制品注射成型的另一个重要发展趋势是高速化。由低速到高速，近年又发展了超高速注射成型工艺和设备。超高速注塑机的主要特徵是：注射速度为一般成型机的10～20倍（800mm/s以上）；其成型特点是：成型超薄壁制品，熔接线减轻，翘曲减小。主要应用于扬声器振动板、航空杯、IC卡、滤网膜等。
超高速注塑机对塑化注射系统的要求有：高应答性；高精度螺杆位置计量；高精度温度控制；合理的螺杆设计等。对合模系统和模具的要求有：1）高刚性。超高速注射成型机注射压力可高达350 MPa，比普通注射机高出一倍，因此对模具和合模系统的刚度要求大幅度提高。2）排气性。超高速注射成型中模具设计必须充分考虑排气问题。对控制系统的要求有：1）高精度控制。为实现高速需要采用更高精度的控制技术和控制元件。2）智能化、机器人化、网络化。智能化的模具保护功能；压力波形追踪控制；机器人自动取件；网络化集群管理与远程监测和技术支持。
超高速注塑机
超高速注塑机最早是在油压式注塑机的基础上，通过增加大容量蓄能器而实现超高速注射的。日精树脂工业株式会社生产的超高速注射成型机UH系列，注射速度为1,000～2,000 mm/s。FANUC SUPERSHOT 100i由线性马达驱动注射动作的超高速注塑机，其注射速度是通常电动式注射成型机的7倍，加速度为34倍（达到17G）。
现在，全电动注塑机已可以实现1,000～2,000 mm/s的超高速注射成型。它与传统油压式注塑机比较，主要优点有(以日精NEX为例)：能源节约23%；振动降低20% ；噪声减小12%。此外，还有操作方便，环境适应性强，油污染减轻，维修简便等。全电动注射成型机目前面对的主要问题有：制造成本高，全部机械动作需要配置5个伺服电机；滚珠丝杠传动精度和使用寿命的保障等。
图5 日精NEX180可实现超高速注射成型
超高速注射成型新动向
如前所述，现行超高速注射成型是通过大幅度提高螺杆（柱塞）的前进速度来实现超高速注射成型的。这种方法虽然已在工业生产中普遍应用，但存在加速困难，能耗大，控制精度低等问题。因此，研究新的超高速注射成型原理是注射成型加工研究领域的重要课题。高压熔体自膨胀超高速注射成型是很有希望的一种新的方法。其基本原理是：经高压预压缩的熔体自膨胀实现高速注射。实验结果表明，这种注射成型方法有许多优点：1）适于成型超薄壁制品，壁厚0.1mm，流长比大于400:1；2）高注射速度及压力；3）制品加工精度及重复精度高；4）制品成型周期短；5）节能，能耗为一般高速注塑机的1/3至1/2。目前需要解决的是前端开闸控制的问题。
高分子制品注射成型无瑕化
现代制造业对产品“零缺陷”的高标准要求，使高分子制品注射成型“无瑕化”成为重要的发展趋势。在高分子制品的注射成型中，通常会存在多种质量缺陷，如：焦痕、缩痕、脆裂、流纹、银纹、黑条、飞边等。这些缺陷通常可以通过肉眼观察发现。人们在多年的生产实践中也认识到了一些缺陷产生的原因，并总结出一些解决这些问题的办法。如焦痕产生的原因可能是：型腔空气不能及时排走或者材料降解所致。通常解决的办法有：1）在容易产生排气不良的地方增设排气系统；2）加大主流道、分流道和浇口的尺寸；3）降低注塑压力；4）降低注塑速度；5）降低螺杆转速；6）降低料筒温度；7）检查加热器、热电偶是否处于正常状态。
但是，注射成型制品还有一类质量缺陷是熔体充模过程中在型腔内的非正常充填所形成的，这类缺陷在通常情况下是很难获知的。可视化技术的应用使我们能够实时地观测到熔体的充模情况，进而得到最优化的工艺参数，得出成型工艺参数对充模型式、成型缺陷的影响，从而得到最佳的制品质量。图6为北京化工大学研制的注射成型可视化实验装置。图7为通过可视化实验得到的不同注射压力下，充模型式的变化情况。
为了更好地观察熔体的流动速率与位置，在型腔中放置了坐标纸。这样可以更加准确地观察熔体前锋的流动行为。如图5所示，当熔体的主体前锋到达距浇口15mm处时，不同的注射压力下熔体的充模形式产生了很大的变化。当熔体温度Tp=200℃时，熔体粘度较大，进入型腔的速度比较缓慢，且由于前端的熔体温度较低，造成充填时首先是一小截冷料喷入型腔，继而熔体均匀地流入型腔。当温度提高到220℃时，可以观察到熔体的粘度显著降低。注射压力设定为2Mp时发生了典型的蛇状喷射现象。
科学技术的发展规律，通常是朝着理想的目标，沿着一定的轨道而循序渐进的。越是靠近极限，前进的步伐就愈加艰难。在向极限冲刺的过程中，既富有挑战的乐趣，更可激发创新的思考。经历了半个多世纪发展的往复螺杆式注射成型，为高分子制品的成型加工开创了光辉灿烂的历史篇章，在今后的发展进程中，人们必将开创更新一页。
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(10/20/2006) |
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