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塑料模具 |
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快变模温技术原理及最新进展 |
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作者：北京化工大学 边智 来源：CPRJ中国塑料橡胶 |
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模温动态控制技术是一种新型绿色注射成型技术。对模温实行动态控制，可以有效消除制品表面熔接痕，减少制品残余应力，获得良好的表面质量。本文重点结合实现模温动态控制的快变模温技术原理，介绍了蒸汽加热、电磁加热、红外加热等多种新型加热方式，并展望快变模温技术的发展前景。
模具温度与制品精度、生产效率密切相关，是当前行业内研究的热点。快变模温技术通过对模温的动态控制，可以有效提高熔体充模流动能力，降低注射压力，改善制品成型工艺；降低注射速率和熔体充模过程中受到的剪切力，减小最终制品的残余应力和翘曲变形，改善制品结构性能。模温的动态变化有效地避免熔体在型腔壁处形成冷凝层，消除制品表面的熔接痕、浮纤等缺陷，使制品表面呈现高光效果。快变模温技术是十分具有发展前景的绿色制造技术。
快变模温技术原理及特点
模具温度是注塑成型过程中影响制品质量的重要工艺参数。收缩变形是影响注塑制品最终尺寸精度的关键因素之一。
影响制品收缩变形的因素包括制品成型过程中的残余应力、从型腔取出後的分子继续结晶行为以及材料的应力松弛。在注射成型制品时，通过提高模具温度可有效降低制品残余应力的产生。同时，高模温还可使制品充分结晶，从而显着降低脱模後收缩量。此外，高模温还可减小制品的冷却速率，使聚合物分子链充分地松弛、恢复，此时制品内应力小，後收缩变形也小。快变模温控制技术与传统模温控制技术相比较，其根本区别在于对模具温度的动态控制。快变模温技术有如下特点：
（1）改善制品外观质量，有效消除产品表面熔接痕、银纹、表面浮纤等注射成型缺陷。
采用快变模温技术，模腔表面温度被快速提升至树脂塑料的热变形温度以上，从而增加熔融塑料在模腔内的流动性，降低熔融塑料与模腔表面之间的磨擦阻力，显着消除制品表面熔接痕、银纹等外观缺陷。同时，通过控制模腔表面加热和冷却的时间变化可改变塑料制品表面的结晶状态，有效消除因玻纤外露于产品表面影响外观的问题。
（2）改善成型条件，缩短成型周期，提升制品结构性能。
快变模温技术提供的高模温除了可提高熔体的流动性、减小注射压力，还可以降低注射速率和熔体充模过程中受到的剪切力，减小最终成形塑件的残余应力和翘曲变形，改善制品结构性能。
（3）无需二次加工的绿色制造技术。
快变模温技术可提高产品表面光洁度，表面光洁度可达到镜面要求；无需污染环境的喷漆等後续加工，有效降低成本，缩短制品的成型周期。
快变模温技术
蒸汽加热
蒸汽加热是利用模温控制装置将高温蒸汽和冷凝水循环交替引入模具的内部管路，以实现模具的快速加热与冷却的成型工艺。蒸汽加热系统最高可使模具表面温度达到160℃。但由于蒸汽相对于水热容较小，升温时间较长。
目前比较成熟的技术有日本小野产业株式会社开发的蒸汽加热系统。山东大学海信研究院在高光无熔痕绿色注塑新技术及其成套工艺与装备研究中也取得重要进展，实现了高光液晶平板电视机面板的连续注塑生产。
优缺点：采用蒸汽加热，模具温度控制精度高，加热及冷却范围大，可获得表面光亮、无熔接痕、无流痕、不需喷涂加工、塑件性能好、生产成本低的塑件。但由于增加了外在的蒸汽热源及模具内部开设的蒸汽管孔，系统较复杂，运行成本较高。
在快变模温控制过程中，冷热流体交替通入模具之中，实现更高品质的产品成型。
电磁感应加热
电磁感应加热是根据法拉第电磁感应原理加热模具的表面温度。交变磁场产生的感应电流具有集肤效应，涡流分布模具表面而芯部接近于零。因此，电磁感应加热只在模具表面至集肤深度范围加热，加热体积小，升温速度快，台湾中原大学研发的系统升温速度可到40℃/s以上。
电磁感应加热可分为模外感应加热和模内感应加热。模外感应加热需要用外部辅助机构将线圈置于型腔表面，加热到设定温度时线圈移出模具合模注射；模内感应加热是将感应线圈置于模具内部，合模时对型腔表面加热，准确控制模具温度。
优缺点：电磁感应加热系统与模具之间无传热介质，传热速度快，加工周期短。由于集肤效应，仅对模具表面进行加热，节省能源，还可以针对模具的特殊部位，如微小结构或可能出现熔接痕的部位进行局部加热。利用电磁感应作为加热源，比电加热、蒸汽加热有更高的热效率，节省了加热过程中的能源消耗，具有灵活、便捷、安全等优点。由于受感应线圈形状的限制，电磁感应加热不适用具有复杂结构或大尺寸的模具。
红外加热
红外线模具加热技术是利用红外线的热辐射作用加热模具型腔的方法。加热板工作面上镀有一层厚度为0.2-1000μm薄膜来反射红外线，模具型腔表面镀有一层吸收红外线的薄膜。红外线的传热形式是辐射传热，由电磁波传递能量，不需要传热介质，具有一定的穿透能力。
优缺点：该方式具有节省能源、安全、设备简单、易推广等优点。但由于光亮金属对红外线吸收能力较弱，加热速度慢，需要在加热板和模腔表面镀一层薄膜来反射和吸收红外线，增加了系统装置的成本，且受到红外线发射装置尺寸和形状的限制，一般应用于微注射成型领域。
火焰加热
火焰加热是一种利用气体燃料的火焰瞬时加热模具的方法。利用气体火焰加热，能够在10s内将模具表面温度提升至400℃之上，并能够迅速冷却模具表面温度至聚合物凝固温度之下，这种加热方法不但可以极大提高成型品质，而且可以使制品强度比普通成型方法提高40%左右。
采用火焰加热型腔表面，加热速度快，模具表面温度高，有利于提高塑件的表面质量。但是需在模具内部开设燃料管孔，模具结构相对复杂，也不宜成型形状复杂的塑件。由于使用气体燃料，现场存在一定的安全隐患。模腔表面的温度不易控制，从而导致型腔表面的温度大小和温度分布的均匀性难以控制。
复合模壁加热
复合模壁加热变模温技术的原理是在模具表面镀上一层具有高导热系数的材料，如金属材料、热解石墨等作为模具型腔壁，然後利用其电热作用加热模具。
为了提高加热效率，一般还要在模具基体与加热层之间增加一层导热系数较低的材料，如氧化物、聚合物材料等。
通常复合模壁由三层组成：外层为高热传导率材料形成的预热层，中间层为低热传导率材料形成的绝缘层，底层为模板基体。合模後压缩热空气通过浇注系统注入型腔预热模壁，并通过排气口抽出，然後关闭压缩热空气、抽真空、注射。复合模壁加热主要弥补了压缩热空气热容小，传热效率低的缺点。
优缺点：这种加热方法温度控制方便，反应灵敏，结构相对简单。但是对于结构复杂的制品，电镀层的制作还有待进一步解决。此外，由于模具频繁的加热冷却，在热应力的作用下，镀层易发生疲劳破坏，降低模具的使用寿命。
随着精密加工技术的不断发展，产业对制品质量的要求也不断提高。模具温度是影响制品分子取向、残余应力、收缩和翘曲的最重要工艺参数之一，快变模温技术旨在通过对模温表面动态控制改善制品表面质量，优化制品内部结构。该技术可以有效地消除制品的表面熔接痕、银纹、浮纤等缺陷，减少了喷涂或喷漆等工艺，保护了环境和操作人员的健康，节省能源与材料，是一种先进的绿色注塑工艺，具有极大发展潜力。
在未来几年，无论在技术开发方面还是推广应用上，快变模温注塑技术都将获得更大的发展，也必将成为注塑成型领域研究的重点和热点。(end)
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(3/17/2011) |
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