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高端注射加工技术在“3C”领域中的应用 |
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作者：宁波海达塑料机械制造有限公司 张友根 |
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高端注射加工技术推动了“3C”领域塑料制品向功能化、精密化、特殊化方向发展，同时，“3C”产品的科技进步又促进了高端注射加工技术的创新开拓。本文列举几个主要的高端注射加工技术在“3C”领域中的应用，以期进一步引起对开发更多的高端注射加工技术的重视。
高光冷热辅助注射成型加工薄壁外壳
高光冷热辅助注射成型加工，是液晶电视机、笔记本等面板框注射加工的一个发展趋势。按介质类型分为高光过热水辅助注射加工和高光蒸汽辅助注射加工。普通的注射成型加工中，将模具温度设低时，虽然可以缩短成型周期，但容易产生汇线，造成外观品质不良；将模具温度设高时，可以提高产品表面的外观品质，但容易产生翘曲、下陷、尺寸不良等，同时延长了成型周期，提高了成本。高光冷热辅助注射成型加工同时解决了上述两种问题：消除产品表面熔接线、熔接痕、波纹、银丝纹；彻底解决塑料产品的表面缩水现象；提高产品表面光洁度，使表面光洁度达到镜面；产品不需要喷漆后续加工,提高成品率20-30%；解决加纤产品所产生的浮纤现象使品质更完美；提高了熔融料的流动性，降低了薄壁制品的注射压力；提高了产品品质和强度；成型注塑周期可降低60%以上。
高光过热水辅助注射加工是采用180℃-200℃高温热水，在模具上做均衡的加温通道。当注塑机顶出后通入高温循环水，把模具温度提高到一个设定值，然后注射，在完成保压转入冷却后，注入冷水，模具温度很快下降到一个设定值后，取出制品。高光过热水辅助注射加工可以达到回收95%的冷、热水，能有效地利用热量，并且还能省去锅炉设备与铺设管道，大大降低生产成本。
高光蒸汽辅助注射加工是利用蒸汽锅炉产生的蒸汽和冷冻机产生的冷却水，速冷速热控制一个成型周期内模具的温度。
高光注塑的技术要点是模具设计必须符合冷热成型标准，模具要选用较好的钢材，因为模具需要承受很高很快的冷热变化，此外，为达到镜面效果，钢材还必须要耐腐蚀，结构组织均匀，导热性能好，热胀冷缩系数小。高光注塑模具内部结构的设计有很多地方和传统模具不同，模具费用会增加30%左右。
高光冷热辅助注射成型是一种节能加工。速热模温达到220℃，注射压力同比模温120℃时减少30~40%，同比模温40℃时减少50~60%。注射压力的减少，降低了成型的锁模力，用较小的合模力可成型投影面积大的制品。高光注塑由于不用喷油，故废件很容易回收重塑，这大大节约了原材料。
高光冷热辅助注射提高了注射成型加工能力。在普通注塑机上可实现固体薄膜结构发泡成型、微结构成型、含有金属纤维/碳纤维的复合材料的薄壁成型，使普通薄壁注射加工的壁厚小于0.10mm制品的成型成为可能。
高光冷热辅助注射成型加工的关键设备是模温机。传统的模温机无法满足高光注塑中快速开温及快速降温的需要、升温幅度较小。国内高光过热水模温机、高光速冷速热模温机、高光蒸汽模温机的研发成功，推动了高光塑料注射加工的发展。
模内修饰注射 — 压缩成型加工光学元件
注射 — 压缩成型加工照相机透镜等光学元件，随着电子产品的迅速发展，这种成型工艺显得越来越重要。提高注射成型光学元件的光学性能、逼真地复映出模具型腔表面状态、稳定成型光学元件的尺寸和几何性能，是注射 — 压缩成型加工的研发方向。
注射 — 压缩模具的创新，是注射 — 压缩成型加工主要的研发重点。以往的注射 — 压缩模具，不能对光学件的边缘实施模内修饰（即在模内去除塑料件的废边）等辅助加工，不适合用于生产移动电话的薄壁光学件。把注射 — 压缩成型与模内去除废边等工艺相结合发展为模内修饰注射 — 压缩成型加工，可进一步清除光学件上由模具表面区域形成的废边，以及进一步减少双折射以提高产品的光学性能；由于在整个压缩过程中，绝大部分时间是处于稳定的压力状态，所以可对临界几何形状的收缩和熔料充填进行平衡。这样就可以生产出装配区的厚度可以小于0.2mm优质液晶显示器覆盖扳。模内修饰注射 — 压缩成型加工用于成形所谓的“虫眼”结构，以便在减少边界面反射条件下增加物质的传输。例如对于液晶显示器覆盖板来说，应用这种技术可以增加光的传输量4%。即可以从原来的最大传输量92%，提高到96%。
模内修饰注射 — 压缩成型加工，必须掌握最合理的压缩间隙、压缩速度、压缩力和延续时间等附加参数，并正确加以控制。例如所施加的压缩力不能通过进料口只传递到型腔中心部位，必须作用于光学件的整个表面。模具进料口位置的设计，型腔温度均匀分布设计，以及能对光学件实施均匀的冷却，对成型光学件质量具有非常重要的意义。
薄壁精密注射加工复杂电子电器件
随着电子和通讯行业市场的快速发展，以及人们对产品外观要求越来越高，这就导致了电子电器塑件在结构上变得越来越复杂及体积上不断向轻、薄、短、小型化发展，这也就导致了电子电器塑件产品的壁厚在不断变薄。精密薄壁复杂电子电器件要求高速高压的大功率注射加工，才能达到质量要求。注射速度1000mm/s、注射压力300Mpa的大功率注射普遍应用于薄壁复杂电子电器件的加工。
薄壁化因具有减小产品重量及外形尺寸、便于集成设计及装配、缩短生产周期、节约材料和降低成本等优点成为塑料消费行业追求的目标，已成为塑料成型行业中新的研究热点。薄壁制品的设计思想和方法更为复杂，并进一步受到成型局限及材料选择的影响。薄壁制品要求应该具有高的冲击强度、良好的外观质量和尺寸稳定性，并能承受大的静态载荷，成型材料的流动性要好。设计过程中要重点考虑制品的刚性、抗冲击性和可制造性。
成型薄壁制品需要专用模具。与常规制品的标准化模具相比，薄壁制品的模具从模具结构、浇注系统、冷却系统、排气系统和脱模系统等都发生了重大变化。模具应有足够的刚度以匹配高速高压的大功率射出的性能。薄件模具设计较大或较多的浇口，搭配顺序控制有助于降低薄件成品热流道系统的压力。熔胶的流道直径需比一般标准模具大25~40%，以减低压力损失。在可能条件下，尽量采用单一浇口，以减少缝合线的数量。因射出时间的缩短使得排气更为重要，沿分模面的排气可由模仁与顶针孔的排气补足，以免排气不良，另外可考虑真空排气，可避免烧焦痕及强化缝合线的强度。为保证制品的尺寸稳定性，把收缩和翘曲控制在可以接受的范围内，就必须加强模具的冷却，确保冷却均衡。较好的冷却措施有在型芯及模腔模块内采用不闭合冷却线，加大冷却长度，均可增强冷却效果，必要的地方加入高传导率金属镶块，以加快热传导。为避免顶穿和粘模，薄壁注塑成型应使用比常规注塑成型数量更多、尺寸更大的顶出销。
薄壁注塑成型随着壁厚的减薄，聚合物熔体在型腔中的冷却速度加剧，在很短的时间内就会固化，这使得成型过程变得复杂，成型难度加大，所以，不能把常规注塑成型中的理论和操作简单地照搬到薄壁注塑成型中去。 常规的注塑机控制系统很难在薄壁塑件注塑成型中有用武之地。比如薄壁注塑成型的填充时间很短，很多填充时间不足0.5s，在这样短的时间不可能遵循常规的速度、压力曲线，因此必须使用高解析度的微处理器来控制注塑机；在整个注塑成型过程中，应同时各自独立地控制压力和速度，常规注塑机的充填阶段用速度控制，保压阶段再转为压力控制的方法已不适用。注射机的启动与制动（加速、减速）性能应与注塑速度相适应。
图1为伺服电机驱动挤出塑化、蓄能器高速注射的薄壁注射系统。伺服电机驱动挤出螺杆塑化机构，隔离于系统液压动力驱动外，可以不间断连续工作，提高生产率。由于塑化生产率的提高，螺杆直径可适当减小，驱动功率也得到相应降低。蓄能器驱动柱塞实现超高速超高压注射，是超高速超高压注射机构的唯一选择，配上高灵敏度的伺服系统，既能达到速度指标，又能大幅度降低系统装载功率。 
图1 伺服电机驱动挤出塑化、蓄能器高速注射的薄壁注射系统
工作原理：熔融料流道开关打开，挤出螺杆塑化挤出熔融料进入储料缸，达到设定的塑化计量，塑化挤出停止，熔融料流道开关关闭，进入注射。
薄壁注塑成型技术是一种仅有十几年发展历史的新兴技术，其理论体系尚未形成，缺少系统性的研究，还有许多理论上和实践中的问题尚待解决。
微型精密注射加工
微型精密注射加工用于生产总体尺寸、功能特征或公差要求以毫米甚至微米计、重量几微克到几分之一克的微型制品，例如微型齿轮、螺母、光纤技术用接插件等。由于成型制品的微型特征，需要特殊的成型机械和辅助设备来完成各种生产操作。如 ：注射量控制、模具排空(真空)、注射、制品的顶出、检验、分离、操作、存放、定位和包装。模具嵌件和模腔的制造也需要特殊的技术。
高速高压注射系统：精密小型的塑化装置，螺杆直径在12-18mm范围内，螺杆长度较短，L/D比值大约为20，以避免停留时间长引起材料降解；开关型喷嘴，避免由于加工温度高造成熔体流延；如果微注射成型制品的壁厚小于5mm，须具备模具抽空能力，因为这种情况下壁厚与空气逃逸的气孔尺寸处于同一数量级；精确的模温控制。
图2 三级精密计量的挤注复合系统
精确的重复精度高的注射量和注射速度的控制系统：PVT质量控制系统。采用改进的模具传感器，高精度模具导向装置，模具抽空系统，集成流道采集器和用于制品取出的机械手，自动的浇口切除系统，和在每个周期都激活的模具清洗系统。
精密塑化计量系统：精密塑化计量时实现微型注射加工的关键。
工作原理：挤出螺杆塑化计量类同普通往复式螺杆的塑化计量，作为第一级计量，塑化的熔融料在螺杆的推动下，进入过渡储料腔，作为第二级计量，然后熔融料在第一级柱塞缸柱塞的推动下，进入注射储料腔，作为第三级计量。
主要特点：熔融料在流道反复的循环流动过程中，达到了先进先出、后进后出，内部的比容更趋于一致，从本质上提高了计量精度。为使各级计量相互之间不干扰，在熔融料流道中设置了二个流道开关。
德国Battenfeld公司的Microsystem50、德国Ferromatik Milacron公司与亚琛大学IKV研究所合作改进的FX25等微型精密注塑机应用了三级精密计量的挤注复合系统，提高了微型塑料件的尺寸及重量精度。
结语
高端注射加工技术是涉及塑料原料、设备、模具等方面综合性的研究课题，塑料又是一种不确定因素很多的特殊性能的高分子材料，所以，不断研发适应“3C”产品不断发展的高端注射加工技术，是塑料加工行业的一项长期任务。
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(10/21/2009) |
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张友根，男，中国浙江宁波镇海俞范东路77号
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张友根 教授级高级工程师，中国管理科学研究院学术委员会特约研究员。1994年起享受国务院政府特殊津贴。1982年毕业于上海交通大学。曾任职于上海第一塑料机械厂总工程师、上海华王工业公司（集团）研发部...
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