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熔体预压缩技术实现薄璧产品的完美生产 |
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作者：NETSTAL 来源：PT现代塑料 |
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薄壁是包装类产品和包括电子电器产品在内的诸多工程技术类产品的市场发展方向，然而薄壁产品的生产对注塑机提出了更高的要求。为此，NETSTAL应用开发部门采用射胶前的熔体预压缩技术在其SynErgy机器进行了实验并取得了极好的充模效果。目前该技术已成为NETSTAL高性能注塑机中的一种可选择配置。
纵观塑料产品市场，塑料产品一直不断朝着怎样减少产品的壁厚而发展。目前，薄壁产品的典型应用已经不仅仅局限于包装行业，在电子产品和相关的一些工程零件领域中的应用也日渐增多。对于不同应用领域，减少产产品的璧厚的目的是不同的。在包装产品中减少壁厚的最主要的原因是尽可能地节省成本。因为对于包装产品，原料的成本已经成为了生产中的主要成本；而对于工程类零件来说，减少产品壁厚所带来的成本节省却并不明显。但是，减少壁厚可以使产品轻量化，从而更利于注塑生产。
图1 NETSTAL 在其SynErgy 1200-460机器上进行了熔体预压缩技术测试
薄壁产品的生产对注塑机提出了更高的要求。NETSTAL应用开发部门率先抓住了这一市场发展趋势并在NETSTAL的SynErgy1200-460机器上进行了一些相关的试验。其中的关键点是射胶前的熔体预压缩技术。也就是说在螺杆开始注射动作之前，射嘴始终处于关闭状态，注射压力在闭环控制系统的监控下不断上升（熔体预压缩），当达到设定的注射压力的时候立即开始射胶，同时螺杆朝前移动以维持稳定的注射压力。
注射量的作用被忽视
作为高性能注塑机的一个特征之一就是能够满足生产应用领域中某些特殊的生产要求。对应于薄璧生产的要求，要求机器能达到一个高效的产出，并配以高性能的液压系统，从而能够达到保持稳定生产所需要的压力。这种高且稳定的注射压力需要通过液压蓄能器来实现。蓄能器能够提供一个迅速的持续稳定的压力来实现并行运动（即常说的开模、预塑等多个动作同时完成）。通过这一方式我们就能满足在生产中需要的高要求注塑。在薄壁生产中，模塑成型（充满模腔）的关键在于注射阶段，而保压阶段对产品外形的影响却很小，因为对于薄壁产品来说冷却所需要的时间仅仅是短短几秒 。对于具有复杂几何外形的电子电器产品类产品来说，对应的高注射速度是非常重要的。同时，使用一个敏感的传感器对压力进行监测控制也是非常重要的。只有这样才能对昂贵的模具给予有效的保护。另外，高的注射容量是保证模腔能在瞬间充满从而达到完整的产品外形的一个必要条件。同时，可供闭环控制系统做调整补偿的充足可用备用注射量也是确保完美充模的一个非常重要的因素。例如，对于一个注射能力在50～100KW的注射过程我们能在少于0.1s内完成。从注塑过程中我们发现，由于注塑过程中熔体的可压缩性，会导致加压过程有一个延迟。这对于能满足注塑要求的注射量来说并不是很重要，而对于不能满足注塑要求的注塑量来说就会导致不能完整充满整个模腔。在20世纪70年代时，业内曾有人试图将熔体的压缩和射胶过程分开，但在当时，大家普遍认为提高注射速度是实现薄壁生产的惟一途径，因此也就忽视了增加注射量的重要作用。
图2 薄壁是包装类产品和包括电子电器产品在内的诸多工程技术类产品的市场发展方向
压缩和射胶完全分离
在薄壁注塑过程中，我们发现由于原材料本身在熔融后的可压缩性的缘故，有一大部分的熔融料没有被充分利用。因此，我们在对熔体进行首次加压的时候采用了快速加压来补偿前面所提到的延迟。不过在快速加压的过程中因产生了一个反作用的力而导致熔体朝相反的方向流动，因而我们只得到了较低的压缩率。这对于薄壁生产应用来说是一个很大的问题。因为在加压后，模腔仅仅是接近于充满，从而会失去最佳的填充时间（原材料的固化非常快，已不可能实施进一步的填充）。在薄壁产品领域，压力要求能迅速达到设定的值以保证能迅速完整地填充满整个模腔。前面已提到，通过提高注射速度或者给螺杆一个加速度，并不能完美解决薄壁产品的填充问题，只有再结合充足的注射量才能确保完美填充。因此我们采用了熔融阶段的预压缩技术，即在成型过程中把压缩和射胶完全分离。
图3 射胶前熔体未预压缩，熔体冲不满模腔
射胶前的熔体预压缩原理
对于工程塑料原料如PC、PC/ABS来说，其熔融状态下的熔体可压缩率约为10％，也就是说在熔体状态下可以对熔体施加0～2000Bar的压力。由于成型过程中压缩和射胶完全分离，在这个过程中对熔体进行加压会产生一个迂回的问题。这个问题可以通过修改射嘴的设计和对射嘴加以控制来解决。我们使用锁闭式射嘴，也就是说在螺杆开始注射动作时，射嘴仍然处于关闭状态，与此同时，注射压力在闭环控制系统的监控下不断上升（熔体预压缩）。当达到设定的注射压力的时候立即开始射胶，同时螺杆朝前移动以维护稳定的注射压力。加压压力的大小与填充的压力 保持一致是最理想的。在注射开始的时候，射嘴必须能在极短的时间里打开，以避免压力的损失。我们采用Messrs Herzog AG公司特殊设计的锁闭式射嘴可保证射嘴在需要打开或关闭的时候能正确地执行动作，从而很好地达到这个要求。通过测试，该射嘴在注射压力为3000bar和熔融温度约为400℃的注射生产中能够取得令人满意的效果。在生产过程中，熔体预压缩的工艺及相关的注塑生产参数都很容易控制。熔体预压缩中需要的压力是通过螺杆的缓慢前进来产生的，也就是说可以通过控制螺杆的移动来控制压力。通常，薄壁零件的生产要求注射速度在300mm/s～700mm/s之间，而100 mm/s ～200 mm/s的注射速度就已足够达到熔体预压缩所要求的预压缩压力。基于螺杆的慢速前进，我们可精确地控制压力。NETSTAL SynErgy高性能的液压系统能迅速地增加压力以达到 我们设定的熔体预压缩压力。当达到我们设定的压力时，射嘴迅速打开同时迅速完成注射。
图4 射胶前熔体预压缩，熔体冲满模腔
注射过程的压力-时间曲线清楚地说明螺杆的移动、射嘴的打开关闭与压力及相关因素之间的关系。右边的蓝色曲线显示了在注塑中压力的产生过程：在注射开始之前射嘴处于关闭状态，此时压力迅速增加。当达到了设定的压力，射嘴迅速打开完成注射，以避免压力的损失。当下一次注射的时候重复这一过程。比较左、右两边曲线的不同可看出，达到注射需要的最大压力时间，熔体预压缩要比标准注射过程滞后150 ms，这会造成熔体预压缩压力在打开射嘴的时候有一定程度的下降而造成压力不够，从而导致不能填充满模腔。因此在注射的过程中必须迅速打开锁闭式射嘴，这是唯一的能保证填充满模腔的控制方法。我们的这种方法并不需要大幅增加定量给料，机器在高填充压力下已有足够的熔融料来保证迅速填充满模腔。NETSTAL对这一应用于薄壁产品的生产技术已经申请了专利。NETSTAL除了在测试上获得了成功之外还与客户合作生产了一个壁厚极薄的电子类产品。NETSTAL的应用技术工程师同时也与模具工程师一起进行了测试。从注射过程的压力-时间曲线上能清楚地看到，在使用了熔体预压缩技术和一些特殊技术，模腔能保证被迅速填满。这一技术研究不仅考虑了不同生产过程的控制，同时也考虑了不同的原材料如PC、PC/ABS等。
图5 注射过程的压力-时间曲线
通过我们的测试证明，熔体预压缩技术对流动性好的材料的作用是很明显的，而对于低粘度的材料的作用则是有限的。这主要是因为一些流动性不好的原材料在注射中流动得较慢，从而造成它们达到设定的压力所需要的时间不尽相同。一般来说，应用此技术，对材料的要求是：流动性好；填充的压力至少达到1500 bar。
图6 特殊设计的锁闭式射嘴的注射压力达到3000bar ，温度为400℃
结语
熔融阶段的预压缩技术是NETSTAL高性能注塑机中的一种可选择配置，它不但适于生产流长比大和流道长的产品，而且能够保证薄壁产品的完美充模从而保证了完整的几何外形。该技术进一步的改进和优化是要适应于各种不同种类的原材料以及着眼于模具设计方面的考虑。
熔体预压缩技术的最大好处在于有效地修正了注塑成型过程中影响成型的负面因素，同时它适合于复杂模具，能够生产几何形状复杂的薄壁产品，而不像冲模冲压方法只能生产简单几何形状的薄壁产品。
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(9/18/2009) |
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