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冷/热模注塑成型技术 |
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作者：沙伯基础创新塑料 Andy May |
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所谓的“冷/热模注塑成型” 技术，是一种可在注塑成型周期内，使模腔表面温度实现冷热循环的工艺。其特点是：在注射前，先加热模腔，使其表面温度达到加工材料的玻璃化转变温度（Tg）以上；当模腔填满后，迅速冷却模具，以使制件在脱模前完全冷却。
这种冷/热模注塑成型工艺可以大幅度地改善注塑制品的外观质量，而且可以省去某些二次加工（如旨在掩盖表面缺陷的底漆和磨砂处理）过程，从而降低整体生产成本。在某些情况下，甚至还可以省去上漆或粉末涂布工艺。在那些对表面光泽度有较高要求的应用中，冷/热模注塑成型工艺还允许使用玻纤增强材料。该工艺的其他优势还包括：降低注塑内应力、减少甚至消除喷射痕和可见的熔接线，以及增强树脂的流动性，从而生产出薄壁产品等。
图1 分别采用冷/热模注塑成型技术和传统的注塑工艺生产的产品对比
（所用材料为20%长玻纤增强LNP Verton PCA7004树脂）
图2 带有阀站的一体式温度交替系统
冷/热模注塑成型工艺的特点
通常情况下，冷/热模注塑成型工艺适用于所有的传统注塑机。但是，如果希望模具表面得到快速加热或冷却，还需要配合使用特定的辅助系统，目前常用的辅助系统是高温热水系统和高温蒸汽系统。这些辅助系统中的蒸汽，要么来自外部锅炉，要么由其自身的控制设备产生。早在几年前，沙伯基础创新塑料就开始在日本研究冷/热模注塑成型技术。目前，该公司在其亚太区的开发中心中使用的是高温蒸汽系统，而在位于马萨诸塞州匹兹菲尔德的聚合物加工开发中心（PPDC）中，该公司则使用了德国Single Temperiertechnik公司的高温热水系统，它可以提供200℃的高温热水。
为了实现有效的工艺控制，模具必须配备热电偶，并且热电偶最好被安置在靠近模腔表面的位置，以便监控温度。为了确保工艺的稳定性，注塑模具、注塑机和冷/热控制器还必须集成在一起。沙伯基础创新塑料在该工艺的生产体系中配备了一台控制设备，以将各个要素有效地集成在一起。
图3 加热或冷却模具工艺演示图
在该工艺的开始阶段，利用在模内循环的蒸汽或高温热水来加热模腔表面，使其温度达到高于被加工树脂的玻璃化转变温度10~30℃的水平。一旦模腔表面达到这一温度值，系统便向注塑机发出信号，以将塑料注射到模腔中。当模腔被填满（注射阶段完成）后，冷水开始在模具中循环流动，以快速带走热量，从而使注塑部件在脱模前完全冷却。利用一个阀站，即可方便地实现从蒸汽或高温热水到冷水的切换，反之亦然。当部件冷却后，模具打开，部件被顶出，然后重复上述过程。
工艺优化：模具的设计和构造
冷/热模注塑成型技术的循环周期除了取决于所加工的材料外，模具的设计和构造对其则有极大的影响。一般，加热模具所需的时间取决于模具用钢的总量，因此尽量减少所要加热和冷却的钢材量非常重要。为了做到这一点，最好是将模腔和模芯嵌入到模板中，而不是穿过模板。为了减小热损失并提高效率，还应在任何可能的条件下，利用气隙和隔热材料，将这些嵌入件与模腔和模芯固定板隔开。
除了尽可能地减少必须进行冷/热循环的钢的用量外，还应考虑使用具有高导热性的金属，如铍铜合金或其他具有良好导热性的合金来制作模具。这些金属有助于缩短加热/冷却模腔表面所需的时间。此外，在模腔表面附近布置水路管线也可以加快响应速度。然而，多数情况下，制品的几何形状不允许这样做。尽管如此，共形冷却方法却极适合这种工艺，这是因为，其管线的布置可以与部件表面形状保持一致。因此，共形冷却方法可以极大地缩短最重要位置（即模腔表面）的热响应时间。
图4 冷/热模注塑成型工艺示意图
就共形冷却技术而言，它往往涉及到注塑模的制造，或者更确切地说是镶嵌块的制造。一般，通过优化冷却道的设置，可以优化冷却效率，缩短生产周期。而传统的冷却方法很难做到这一点，因为一般制品的形状都很复杂，且常规的冷却通道只能被钻成直线形。
目前，有多种模具制造技术可实现共形冷却，如激光烧结和直接金属沉积法。为了开发用于该工艺的测试模具，沙伯基础创新塑料的 PPDC选择了位于美国密歇根州特洛伊市的Fast4m Tooling公司作为其模具供应商。Fast4m Tooling采用钢板层压构造技术，设计并制造了带有共形冷却通道的模腔和模芯组件。
冷/热模注塑成型技术的优点
冷/热模注塑成型技术可以极大地提高注塑部件的美观性。该工艺有助于改善半晶态和非晶态树脂制品的外观，特别是对于非晶态树脂尤为明显。在注射阶段，当模具表面温度超过非晶态树脂的玻璃化转变温度时，表层材料即使接触到模具表面，也不会出现传统注塑生产中常见的冷凝现象，从而确保了聚合物在注射阶段能够自由流动。随着模腔的填满以及模腔内压力的增大，树脂被迫流出，这有助于模腔表面的完美复制，并提高制品的表面光泽度。
对于填充型材料，被迫流出的树脂在制品外表面上形成聚合物薄层，它可将填料（玻璃纤维、碳纤维或矿物质等）包覆起来，从而提高了制品的光泽度并降低了表面粗糙度。研究表明，这种方法可使光泽度提高50%~90%以上。总之，冷/热模注塑成型工艺对于改善制品的表面粗糙度是非常有利的，它可使玻纤增强材料制品的表面粗糙度得到70%的改善。即使是无填充材料制品，其表面粗糙度也可获得20% 以上的改善。
图5 采用冷/热模工艺注塑的样品
1. 减少可见的熔接线、射流和流痕
冷/热模注塑成型技术有利于改善熔接线的深度和可视程度。利用一个测试模具，沙伯基础创新塑料分别采用冷/热模注塑成型技术和传统的注塑工艺分别加工了3种不同的材料。使用传统注塑技术生产的部件，其表面熔接线的深度介于6~13μm之间，而在采用冷/热模注塑成型工艺生产的部件上，完全看不到熔接线，因此也无从测量其深度。这一突破性的改进意味着对某些产品的涂装作业可以省去。
2. 减小内应力
内应力通常是导致产品翘曲变形的主要原因之一，在某些情况下,它还有可能缩短部件的使用寿命。一般，采用传统方法注塑成型的部件具有较高的内应力，此时如果应用四氯化碳（CCl4）这种广为熟知的应力开裂促进剂作溶剂进行试验，就会导致部件的开裂。而采用冷/热模技术注塑成型的制件由于具有较低的内应力，因此即使采用了CCl4溶剂，也不会导致部件的开裂。显然，采用冷/热模技术注塑成型的部件在使用前可取消退火处理。
图6 采用传统工艺注塑的样品
应用
冷/热模注塑成型技术的首次应用是生产汽车车顶的行李支架，该产品被用来替代原来的金属制件。沙伯基础创新塑料采用了玻纤增强Xenoy* 1760树脂（即11%玻纤增强PC/PBT）来生产该行李支架部件。当采用传统的注塑成型工艺时，制品表面出现了明显的喷射痕和熔接线，以至于无法满足表面质量要求。同时，玻纤增强材料还使得制品表面非常粗糙，因此需要在上漆之前进行打磨。而采用冷/热模注塑成型技术后，上述各种表面质量问题都得以避免，从而满足了高表面质量的要求。
总之，当使用PC、PC/ABS和PC/PBT等材料生产电视屏幕边框、导光板、汽车音响组件和笔记本电脑外壳等产品时，利用冷/热模注塑成型工艺，可以最大程度地减少影响制品外观的质量问题。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(7/17/2009) |
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