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生产高质量精密部件的微发泡注塑成型工艺
newmaker    来源:现代塑料
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作为一种革新的精密注塑技术,微发泡注塑成型工艺突破了传统注塑的诸多局限,可显著减轻制件的重量、缩短成型周期,并极大地改善了制件的翘曲变形和尺寸稳定性。尤其在生产高质量要求的精密制品上,该工艺更是独具优势,已经成为加工商生产轻质精密部件时的一个重要选择。

原材料价格不断飙升,对制造相对低廉的亚洲市场带来了巨大的冲击,很多加工商已经开始意识到,即使在中国也不再是廉价制品的产地。但是另一方面,为了占据有利市场先机,越南、印尼和其他一些国家的供应商却又不得不通过削减价格的方式适应消费者的需求。

然而,随着产品越来越复杂,制件的公差要求和表面外观质量要求也越来越高,采用传统的注塑加工技术生产这些制件,往往会出现多种质量问题,如制品存在较大的内应力、由于收缩不均而导致产品变形等,达不到要求的品质或成本要求。可以说,塑料加工商遇到了前所未有的挑战,他们迫切需要寻求新的加工技术来改变现在的困境。

近年来,一种新技术——精密注塑成型技术越来越受到人们的关注。这种技术可以将制件的生产尺寸精度控制在0.01~0.001mm之间,有时甚至能够达到0.001mm以下。与传统的注塑工艺相比,由该技术生产的制件具有良好的力学性能以及尺寸稳定性,而且制件的尺寸精度和重复精度高,公差范围小。

由于其自身的多种性能优势,加上塑料加工领域的“突变”,为该技术提供了广阔的发展空间。目前,在对制品规格要求很高的医疗和电子电器领域,精密注塑成型已经发展成为一种非常成熟和完善的注塑工艺。近年来,随着汽车市场的异军突起,司机们在寻找油耗更小的汽车的同时,也更需要配置高精度的汽车配件和修饰件,而这些精密部件的生产同样离不开精密注塑成型工艺。

在这些领域中,Trexel公司的MuCell微发泡成型工艺表现得尤为突出,也是精密成型技术中发展最快、应用最广泛的成型技术之一。该成型工艺主要靠气孔的膨胀来填充制品,并在较低且平均的压力下完成制件的成型。微发泡成型可分成三个阶段(如图1所示):首先,将超临界流体(CO2或N2)溶解到热融胶中形成单相溶体,并在一定的恒定压力下保持下来;然后,通过开关式射嘴将单相溶体射入温度和压力较低的模具型腔中,形成微发泡产品。由于温度和压力降低引发分子的不稳定性,从而在制品中形成大量的气泡核,这些气泡核逐渐长大生成微小的孔洞。发泡后的制品横切面放大图如图2所示,可以看到制件的表层还是未发泡的实体层,这是由于模具温度较低,表面树脂冷却迅速,细胞核没有成长的时间而导致的。

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图1 MuCell微发泡注塑成型的工艺过程

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图2 发泡体的结构

传统的注塑工艺都需要采用较高的模内压来完成注塑,但是,此时较高的压力点往往会使得制件由于承受较大且不平均的压力而发生破裂。相比之下,MuCell微发泡成型工艺不需要依靠机器的不断保压,即可实现熔体的顺利填充,因此大大减少了产品的内应力,并保证了产品不同位置的平均收缩,有效提高了产品的尺寸稳定性,还显著减轻了制品的重量,消除了飞边。另外,该工艺所配备的模具不需要进行反复精调,只要在运行正常的情况下,就能够保证注射成型的质量。

Trexel公司总裁Dave Bernstein介绍说,MuCell微发泡成型工艺加快了充模和冷却的速度,同时去掉了保压过程,有效改善了制件的成型周期。同时,该工艺还使得注塑生产朝着自动化的方向发展,更有利于提高生产效率。

精确控制尺寸

“如果你的工厂继续留在欧洲或北美,那么就必须尽量地缩减成本,”Dave Bernstein说,“而且要想实现自动化生产,加工商必须严格控制制件的公差。”而MuCell微发泡成型工艺可将制件的公差控制在要求的区间范围内,保证制件的尺寸稳定性。对于模具开发的前阶段,这还能够减少模具设计的反复修改,节约生产成本。

以生产一个高32.43cm、宽87.33cm和长191.50cm的模具为例(如图3所示),分别采用传统的注塑工艺和MuCell微发泡成型工艺来生产该模具,并由此获得一组实心制件和一组微发泡成型件。在长、宽、高方向上对两组制件进行测量,通过对比发现,MuCell制件在各方向上都具有更小的尺寸偏差(见表1),而且具有较强的控制尺寸的工艺能力。这一点也可以从图4看出。

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图3 模具制件

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图4 控制尺寸的工艺能力直方图(以长191.5cm为基准)

最近,一家日本客户采用MuCell工艺生产出了一种小型打印机的支架。这是一种重量非常轻的部件,可在打印机的表面来回移动,因此,对制件的重量和公差要求非常高。Bernstein表示,采用该工艺进行生产后,“该部件的成本、精密度、重量以及成型周期都得到了改进。”据介绍,该部件的公差仅为30μm。

改善翘曲变形

翘曲变形是传统注塑生产中常见的较难解决的制品缺陷之一,它主要是制品由于应力和收缩不均匀而产生的。由于在整个MuCell微发泡成型工艺中,制件始终处于平均的压力下,保证了不同位置的均匀收缩,使得这一问题得以解决。以导纸板为例(如图5所示),采用传统的注塑工艺所得的实心制件的翘曲变形程度为0.807mm,而采用MuCell发泡成型工艺得到的制件其翘曲变形程度仅为0.429mm,比前者提高了47%(如图6所示)。

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图5 导纸板

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图6 导纸板各位置处的翘曲变形程度(蓝色代表MuCell微发泡成型工艺,
红色代表传统的注塑工艺)

另一个典型的应用实例是,采用该工艺来生产汽车上的牵引控制连接器外壳(如图7所示)。该部件采用的是30%玻璃纤维增强的PBT材料,该材料在增强后由于横纵方向上的收缩率不一致,因此,采用传统的注塑工艺进行生产时,非常容易发生翘曲变形。从图8中可以看到,实心制件的变形程度为1.1cm,而采用MuCell微发泡成型得到的该部件的翘曲变形情况有了显著的改善,其翘曲变形程度仅为0.27cm,较前者降低了约75%。

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图7 汽车牵引控制连接器外壳采用了30%玻璃纤维增强的PBT材料

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8 采用两种注塑工艺得到的汽车部件的翘曲变形情况

减轻重量

MuCell工艺在减轻重量方面的优势也是显而易见的。选用PBT、填充尼龙和ABS等不同树脂材料来生产制件,该工艺能够在保证制件结构强度不发生很大变化的前提下,将其重量减少10%以上。通过表2可以看出,不同材料制得的微发泡成型件的重量均比由相同材料制得的实心制件低。

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与结构发泡不同,MuCell的微孔结构更加规整,同时微孔的分布也更加均匀。“对于小型的薄壁制品,MuCell微发泡成型工艺的注射速度非常快,而且晶核都是瞬间形成的,”Bernstein说,“因此,这些微孔并不会出现加工商所不愿看到的微孔融合的现象。”

值得一提的是,聚碳酸酯材料虽然可以得到很好的微发泡,但是由该材料制得的制件会出现抗冲击强度下降的情况,目前还不适用于该工艺。除此之外,MuCell微发泡成型工艺可适用于目前几乎所有的热塑性材料。

据Bernstein介绍,Trexel公司已经对多种材料进行了试验。Bernstein表示:“我们同时还在开发和试验更多可以用于该技术的新材料,包括高温尼龙、聚砜和热塑性聚氨酯等,而且由此获得的结果也令我们非常兴奋。”
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