模内贴标、薄膜装潢和织物层压技术正逐渐成为大家所熟悉的技术。那么，在模具内要完成这些工序而无需进行二次操作，随之而来的下一个技术发展趋势将是什么呢？目前所能想到的是模内组装。
在与成型商、模具制造商和机械设备制造商讨论这一话题的过程中，记者发现，对于“模内组装（IMA）”这一术语，他们有着迥然不同的定义。本文也对此进行了深入的讨论，希望能够将模内组装同多色注塑成型或包覆成型（overmolding）等概念区别开来。虽然模内组装通常需要进行多色注塑，但是这一概念的本质是，在模具内将各个单独的部分组合成一个整体，而不是在模具外部将各个组件通过扣合、焊接或者粘合剂粘合的方式进行组装。Ferromatik Milacron Europe公司的美国分公司总经理Bob Hare表示：“如果在成型加工过程中，还需要进行下一步的工序操作，最简单的方法就是考虑使用模内组装。”
模内织物层压复合技术看上去似乎很符合这一定义。但是，实际上，它可以看作是嵌入成型的一种形式。由于这种技术已经相当纯熟，本文将不再加以赘述。从下面讨论的例子中可以看出，模内组装不仅仅只是包覆成型或者嵌入成型，而是它们的综合技术。
模内组装的诸多优势
与其他加工工艺相比，模内组装不仅具有经济性，而且能够生产出高质量的制件。成型商兼模具制造厂商Electroform公司的总裁Wade Clark表示：“模内组装能够获得质量和性能更加稳定的产品，而不会出现二次操作常有的翘曲变形或收缩问题。”
“你可以用1台机器以及1副较小的模具，以较低的成本加工出组装产品的每个单件，但是，如果考虑到将单件在组装线上组装成配件以及使用组装线加总起来的所有费用，那么，在模内完成单件的组装所节约的费用非常惊人。” 恩格尔公司的加工技术部经理Joachim Kragl补充说，“以组装一个具有3个元件的产品为例，选择模内组装，加工商只需使用1条生产线。而相比之下，模外组装则需要用到3条自动化生产线，无形中也增加了生产中断的可能性。”模内组装同时还省去了运输、料斗、夹具和超声波焊接机等，从而消除了因错误处理、未对准、加工异常或污染等原因而导致的废品。
图1 Foboha公司的TwinCube模具已被Stull科技公司用于生产PP瓶盖和基体。
该模具可将两者扣合在一起，制成上推式圆盖组件
模具和设备制造商普遍认为，模内组装还具有以下优势：直接从模具中生产出最终注塑件，避免了半成品的生成；减少了压机和模具的数量，减少了对人力和场地空间的需求；能够确保待组装的注塑件，尤其是装饰性注塑件的正确搭配或组合；能够显著降低单独生产各个组件，然后再组装所花费的总时间。此外，模内组装还可以生产出那些由于受到成本或技术限制而无法用常规方法生产的制件。
图2 Gram科技公司的旋转重叠模具可成型出一个螺纹帽和一个与之相匹配的带拉签的螺纹盖口，这两个注塑件在组装之前由模具独立成型而成
一般，模内组装对注塑件的产量有一定的要求，因为其模具使用成本比具有相同型腔数的标准模具高30%~70%。专业人士认为，约25万件的需求量比较适合采用模内组装生产。他们还认为，模内组装在欧洲的发展速度比北美快，而且主要用于汽车及消费类商品，少量用于医用注塑件。
发展至今，模内组装许多独特的技术和应用更多地出现在模具方面的创新应用，而不是成型设备的改进。阿博格、恩格尔公司、克劳斯玛菲和米拉克龙等设备制造商认为，模内组装所用的设备与其他的多组分成型设备没有太多的不同，主要的区别是，前者将自动化操作和后续的操作步骤整合在了一起。克劳斯玛菲注塑成型业务的总经理Peter Lipp表示：“只要机器具有能确保加工重复性和精度的闭环控制系统，那么它就可以用于模内组装生产。”
在某些情况下，模内组装的模具供应商会和特定的注塑机制造商展开合作。一个实例就是Ferromatik和Foboha公司（德国的模具制造商）的合作，其制造的模具具有1个或多个可旋转的中心模板，每个模板拥有4个面，呈“立方体”构型。丹麦的Gram科技公司可提供多面“旋转叠层”模具，目前已经和德马格塑料集团合作了多个项目。恩格尔公司也选择了自己制造多面叠层模具，或者和北美的合作伙伴共同制造的方式。Kragl表示，“既然我们也制造了用于多组分成型的设备，并且拥有强大的自动化生产能力，模内组装毫无疑问将是我们重点关注的技术领域。”
实现模内组装的多种途径
模具制造商已经针对模内组装开发出了多种应用方法，有些使用了具有滑动模板或者旋转模板的单面模具，还有一些则使用了采用传统的线性设计或使用更新的旋转板设计的多分型叠层模具。
图3 恩格尔公司3个采用模内组装技术的应用实例：带有可活动但不分离的圆环和口罩的橡皮奶嘴（左）；带有3个可移动注塑件的4组件开关(右下)；以及阀和阀套组件（右上）
许多情况下，单面模具通过旋转或滑动模板的移动来改变注射点之间的型腔配置。借助一个或多个旋转中心转位塔（turning center turrets），单面和叠层模具可获得更多的功能应用，因为每个旋转中心塔都拥有四个面，而每个面可执行不同的功能。在这些应用中，还可能会用到机械手或者类似的装置，以在型腔、甚至机器之间传递成型好的注塑件。
举例来说，模具制造商StackTeck公司将“传递模塑成型”概念应用于单面模具的模内组装中。该公司的销售总经理Jordan Robertson介绍说，模具上的装卸处理装置通过模具的机械运动作用，将注塑件从一个型腔传递到另一个型腔中。
Gram科技公司已经将这种机械传递应用到产品生产中。两个透明的聚碳酸酯外壳在一台机器中的两个“旋转叠层”模具中成型而成，然后从另一台设备中传递出一个硅树脂膜片，并将其嵌入到其中一个外壳上。当旋转叠层模具的中心模板旋转至某个位置时，两个外壳相互接触，此时对啮合表面进行再次加热，使其焊接在一起。
恩格尔公司对这一技术加以改进后，用于生产采用液体硅橡胶和PBT材料的旋塞过滤器。该制件由两个注塑组件组装而成，每个注塑件分别在带有偏心旋转板的无拉杆设备上成型。然后，在模具中，使用机械手向注塑件施加作用力，使其形成扣合结构，从而完成部件的组装。
JSW公司是最早采用单面模具进行模内组装的几家公司之一。该公司和日本的Sakamoto Tool and Die公司合作研发出了模具滑合注射成型(DSI)工艺。该工艺可用于成型中空制件。
具体方法是，先在模具中成型出两个独立的半型，通过滑移模板将它们放置在一起，然后通过包覆成型将两部分密封连接在一起。JSW 公司芝加哥技术中心的总经理Robert Columbus介绍说，在亚洲目前有两套这样的系统正在使用。
图4 JSW公司的注射成型工艺可一次注射成型中空制品的两个半型，再通过液压滑块的移动，使其中一个半型移动至能够与另一个半型精准扣合的位置，再次闭合模具进行二次注射，以密封接合部位
旋转叠层模具
Ferromatik Milacron公司和Foboha公司联合开发出了一种用于装配两个组件的模内组装系统。Foboha公司的销售工程师Lisa Mauro介绍说，TwinCube模具的4个面可进行印刷、贴标和退扣（unscrewing）等功能。
美国Stull Technologies公司是Milacron/Foboha系统的第一个用户。该公司用它来生产带有标签嵌件和扣合组件的储物箱。该公司的营销高级主管Jason Stull介绍说，该系统已被安装在带有一个48腔TwinCube旋转叠层模具的K-Tec设备上（锁模力为275t），用于生产带有圆形上盖的PP扣合圆盖。
Stull介绍说，该系统可将产能提高到每年生产数以亿计的瓶盖的水平，而且单件产品的价格也足以与国外的竞争者相抗衡。该系统也可以与常规的生产线共同使用，来生产相同的制件。但该公司希望，该系统能够只使用一半的人工和70%的占地空间，同时获得更高的生产率和更稳定的质量。
Gram科技公司的旋转叠层(Spin Stack) 模具拥有多达4个边挨着边的小的中心叠层结构，每个叠层结构各自又有4个面，并且每个面的旋转角度为90°。该公司总裁Jes Gram介绍说，该公司用于测试模内组装的首个项目是生产盛装除臭剂的滚搽式球形容器。他说：“这种产品多数被生产成球形，而且通常是先成型出两个半型外壳，然后将其焊接在一起。” 这种容器的壁很厚，可以承受焊接工艺的苛刻加工条件，而且要求最终成型的形状必须呈球形，以便能在除臭剂分散器上平稳滚动。而将两个半型在模具中结合在一起的模具就是Gram模具。
KTW公司是奥地利一家生产具有高型腔数的旋转叠层模具的模具制造商，可向个人护理和消费市场提供瓶盖模具。该公司利用了Gram公司的旋转叠层技术生产食用油盛装容器的瓶盖组件。KTW公司的总经理Claus Ziegler介绍说，该注塑件由一次性拉签、瓶盖和螺纹形瓶盖口组成。“使用包覆成型无法完成该注塑件的组装，模内组装是唯一可行的方法。”若使用独立的模具分别成型各个组件，可能需要8~9s的时间成型基体，4~5s的时间成型瓶盖，而使用KTW公司提供的一套具有16型腔的试验模具，可在8~9s内成型出整个结构。目前，该公司生产出来的模具腔数可高达48或64腔。
成型商兼模具制造商MGS制造集团已经生产出了多个模内组装的注塑件，包括一个具有扣合结构的调节带，其上固定有一个不可拆卸的锁紧螺帽。整个成型工艺省去了4~5台设备以及多个下游设备。
复杂的包覆成型
MGS公司的市场主管John Berg表示：“模内组装最大的好处是，经该工艺组装的注塑件的各部分都连接在一起，整体不会分开，但部分组件可以自由活动。” 越来越多的公司开始使用彼此不粘合的不同材料成型出了带有机械互锁铰链的连接件，而且各配件能够自由开合而不发生分离。这与传统的包覆成型有很大的不同，因为传统工艺以将不同的材料彼此粘合在一起为目的。在这里，模内组装技术则将一种材料注射到另一种材料上，而不使它们粘合。
使用这种方法进行模内组装的想法最初来自Fickenscher公司。IMA模具供应商Multiject公司的总裁Jack Elder介绍说，该公司从20世纪80年代开始，使用不同性质的聚合物成型具有活动特征的组装注塑件。
Elder公司在1995年获得了Fickenscher公司北美地区的独家技术授权，首次将IMA技术引进美国。该公司制造并出售适用于Fickenscher工艺的模具，并开始在其设备上使用该技术（以及其他的多组分注射成型技术）。
该工艺使用了一种特殊的“升-转”芯系统，已广泛应用于欧洲汽车、玩具和电器制造领域。两个最为人知的应用案例是，带有活动手臂、腿和脑袋的玩具猴子（由PlayMobil公司制造）以及由3个组件组装而成的汽车暖通空调系统的通风窗。Innatech公司生产的这种通风窗包括一个叶片、一个连接杆和一个框架，其中，叶片采用PBT材料制成，连接杆采用ABS材料制成，而塑料框架采用PP材料制成。Elder说：“这是一个非常复杂的注塑件，但是使用模内组装技术仍然比传统的成型方式组装相同的注塑件花费的成本要低。”
MGS公司使用这种多组分成型方法成型出了一个具有旋转中心结构的医用阀。该注塑件由3个组件组装而成，分别由PC、PP和TPV材料制成。
恩格尔公司制造了一种4元汽车电动开关组件。其中3个注塑件由不同的树脂制造而成，而且彼此能够相对运动。所有4个注塑件均在一个模具中同时成型，所用的材料是尼龙和2个牌号的聚甲醛。单面模具的型腔有3排，呈4、4和8结构排列。Kragl回忆说：“不用使用3个模具和相应的设备以及多个下游组装线，我们在一台锁模力为120t的注塑机中就能够完成4个注塑件的生产，整个成型周期仅为38s。”
另一个实例是带有螺丝的电器盒盖。盒盖采用玻纤填充的聚丙烯材料制成，而螺丝采用尼龙6制得。Kragl解释说：“螺丝被锁进盒子中，这样它们就只能被旋转，而不会脱落和丢失。”恩格尔公司在1个2+2型腔的模具中成型出了该注塑件，整个成型周期为25s。
恩格尔公司首次使用模内组装技术生产的是婴儿奶嘴。该产品带有采用尼龙和聚丙烯材料制得的圆环和口罩。由于安全法规要求这些结构不能分离，所以恩格尔公司选择了模内组装。Kragl说：“我们使用了无法粘合的不同材料来生产这种产品，因此，如果你要分开它们，就不得不弄断它们。”
模内组装还能够使用相同的材料成型出不同的组件，并保证各组件彼此之间能自由运动。这样的一个好处是，注塑件可在一个拥有标准单料筒的注塑机中成型出来。该工艺由Ferromatik Milacron公司于1995年推出，并被称为“Ice Cold Trick”。正如其名，通过骤冷的方法避免2次注射的同种材料由于在界面处发生分子渗透而粘合在一起，从而由同种材料制得带有活动功能的组装注塑件。
Ferromatik公司的Hare说：“第一次注射时的温度要远远低于传统的注射成型温度。” 在模具中使用小型的冷冻单元与冷却嵌件，可使模具的温度降低至水的凝固点左右，甚至更低（-5℃）。Hare补充说：“这就对材料提出了很高的要求，既要像尼龙一样能够结晶，同时还能够被大量充填，以保证材料在首次注射时不会发生收缩。”目前，该工艺已被用于生产带联锁的铰链装置。
这种“Ice Cold Trick”也被其他的模内组装生产商所采用。Gram科技公司与Foboha公司的多面旋转叠层模具允许有额外的冷却时间，让模塑组件有时间进行冷却处理，从而保证其模塑产品不会发生粘连。双组分医用阀就是一个成功的实例。该注塑件带有一个可滑动的内部嵌件，由Gram公司的旋转叠层模具成型而成。此外，Gram公司还推出了一种具有24+24型腔的模具，用于生产三角形果汁盒的螺旋帽以及倾倒口，而由LDPE材料制得的螺纹倾倒口成型于PP共聚物盒盖的内部。由于盒盖进行冷却处理时需要额外的循环周期，而LDPE材料的熔融温度比聚丙烯低，因此，预留出来了足够的时间用于“极冷”处理，整个生产周期仅为8s。(end)
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