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超临界流体微发泡注塑零件设计制造 |
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作者：北京中拓机械 唐庆华 张建伟 鄢俊虎 来源：CPRJ 中国塑料橡胶 |
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超临界流体微孔发泡成型技术是利用超临界流体，特别是某种超临界状态下的氮气（N2）或二氧化碳（CO2）等惰性气体，在热塑性树脂中的溶解特性，通过机械混合和分子扩散等方式溶入到热塑性树脂中，形成热塑性树脂/超临界流体发泡剂的均相溶液，然后注射到适当环境下的模具型腔中，发泡成型微孔制品。作为轻薄化和精密化的主要技术，该技术近年已在汽车、办公设备、医疗设备、精密仪器、家用电器等诸多领域零部件供应商得到广泛关注。
相对于传统注塑成型，SCFoam微孔发泡注塑成型包括下列三个特殊工艺过程：1）按需要的剂量和注入工艺将超临界流体发泡剂，例如N2或CO2，注入到注塑机塑化装置内的熔融树脂中；2）在某种超临界状态下，使注入的N2或CO2均匀分散到熔融树脂中，形成均相溶液，并在射出之前保持在均相溶液状态；3）在适当的模具条件下气泡成核和长大，冷却定型获得微孔发泡制品。
SCFoam注塑机及控制器
由于超临界流体（N2或CO2）的加入，微孔发泡注塑成型对模具型腔的填充行为相对于传统注塑成型的填充行为发生了根本性的变化。这种变化主要体现在下列几方面：1）在相同温度下熔体粘度大幅下降，与此对应的，所需注射填充压力更低，或模温更低，或壁厚更薄；2）填充过程中气体析出形成的微细气泡增强了注塑压力在熔体中的传递效应，相应的，残存在制品中的压力梯度降至最小；3）超临界流体析出后形成的微孔对制品有补缩作用，特别是在相对壁厚较大的部位，相应的，常规注塑保压操作就可取消，因而在制品中不存在保压压力梯度；4）芯部发泡提供各向均衡保压、均衡收缩；5）芯部发泡为树脂分子链解取向提供空间等。
微孔发泡风扇轮
这些根本性变化为解决常规注塑成型常见的问题，如翘曲变形、尺寸不稳定、表面缩痕、型腔复制不充分等，提供了一种理想的解决方案。
尽管SCFoam技术应用于按传统注塑工艺设计的零件上会取得一些效果，例如表面不会存在收缩痕，零件重量有可能降低达到8%，但是很多时候难以达到初始期望值。这与零件设计和制造过程中各个环节如何应用这项技术所具有的特性有很大的关系。
如何设计微孔发泡零件
1）原材料与零件壁厚的关系
在结构零件上应用热塑性树脂合金或纤维增强树脂是大势所趋。但局限于材料填充特性差或翘曲变形严重等因素，零件壁厚无法降低到材料性能所能达到的程度。
如果考虑超临界流体对填充流动性的显著改善，及对零件翘曲变形的改善，设计时进一步降低零件壁厚和选用性能更好的材料成为可能，从而使零件的综合成本得到下降。已有案例显示，使用PC+10%GF材料制作的0.5-0.8 mm壁厚的微孔发泡内部结构零件，具有优良的性能和尺寸精度。
2）主面壁厚与加强筋壁厚关系
注塑制品中常设置加强筋来提高制品的刚度和抗冲击性能。对于一些在主面上不允许收缩痕的零件，加强筋的壁厚一般小于零件主面的壁厚（前、后者比小于0.75）；为了实现所需性能（如抗冲击性），需增加主面壁厚，从而造成零件质量过大。
如果考虑微孔发泡成型在消除表面收缩痕的效果，加强筋厚度与主面壁厚比可增至1:1，甚至1.2：1；这样就可通过增加加强筋壁厚而保持或减少主面的壁厚来满足零件整体性能，并减少材料用量，实现零件减重最大化。已有案例显示，通过这种方法可将零件重量降低达30%，甚至更多。
3）主要功能部位与次要功能部位的位置关系
在零件结构设计时，设计者一般不会将零件主要功能部位放置在零件外圈，或通过增加次要功能部位的壁厚来制造主要功能部位的保压通道，以保证主要功能要求，导致零件重量增加，零件结构设计自由受到限制。
如果考虑到微孔发泡成型时芯部发泡保压作用，主要功能部位则可设置在零件外圈，或靠近填充流动末端，并不需特别制造保压通道。这种新的结构形式也可增加减重比，且缩短成型周期，降低制造成本。
4）分体结构还是整体结构？
在常规注塑零件设计时，为避免截面壁厚变化导致成型后零件翘曲变形及尺寸稳定性差，一般将整体的功能部件设计成由几个零件组装而成的分体结构，以便于成型。
如果考虑应用SCFoam技术成型能缓解或消除零件翘曲变形，和提高尺寸稳定性，就可将功能部件设计成整体结构，从而使零件的制造费用（成型、组装、物流等）大幅下降。
如何制造微孔发泡零件
下面根据大量的实验和对具体产品试验结果，探讨如何制造高品质微孔发泡零件。
1）热塑性树脂/超临界流体均相溶液制备系统
对于注射成型，目前有两种均相溶液制备系统，其中最常用的系统采用往复式螺杆的塑化装置；另一种系统为连续挤出+注射缸射出系统。两种系统均需要配备超临界流体输送装置，以精确控制注入到热塑性树脂熔体中的SCF剂量。
对于采用往复式螺杆塑化装置的注塑机，除了配备专用的螺杆/机筒外，背压油路应使用数字比例背压控制，并且能实现在塑化完成后螺杆不得后退的功能；为了保证在射出之间的均相溶液状态，气动或液动式针阀喷嘴是必要的。这样在SCF控制器(FPC)上设定和调整有关注气工艺参数后，通过SCF控制器与注塑机控制系统的通讯，就可如普通注塑机一样进行循环往复操作，制备所需的树脂熔体/超临界流体的均相溶液。
2）成型模具
在一些情况下，例如成型均匀壁厚不发泡零件的小型模具（冷流道，或针阀式热流道)可直接采用超临界流体微孔发泡注射成型。但是，在大多数情况下，所获得的效益可能不明显，甚至有负面影响。
要获得良好的微孔发泡制品和使SCFoam技术的优势最大化，除考虑微孔发泡零件结构与传统不发泡注塑零件结构设计的可能差异外，模具的浇道和排气系统也需作相应的改变，以顺应这项技术的流动填充行为。
这些改变主要体现在下列几点：1）浇道系统：短流程的冷浇道，或针阀式热流道，或针阀式直浇道转短流程冷浇口，禁用开放式热嘴；2）进胶点：最好开设在加强筋部位，或非重要的薄壁部位； 3）均衡进胶：多点进胶时，料流要均衡；4）流长比(L/T)： 虽然流动性获得改善，但需考虑填充流动过程中泡孔长大所产生的负面影响；5）模具温度：可能采用比常规注塑模具更低的模具温度，以缩短成型周期；6）排气系统：SCFoam技术的充型速度可快于实体注塑的充型速度，需相应增加排气能力，避免困气。
模具的设计是实现微孔发泡注塑成型技术优势的另一个关键硬件。浇道系统和排气系统布置的核心思想是要实现在填充时型腔内压力处于尽可能均匀的低压状态，形成利于泡孔成核、控制泡孔长大以及消除残留应力梯度的填充环境。在此前提下，优化成型工艺可制造优质的微发泡制品。
3）微孔发泡注塑成型工艺
在零件结构设计和成型模具完成的基础上，SCFoam成型工艺包括两个部分：制备适合零件制品的热塑性树脂/超临界流体的均相溶液工艺，调整注射充型参数。
为在短时间内将注入的超临界流体均匀分散到热塑性树脂熔体中，注气时机筒内熔胶压力保持稳定高于超临界流体的临界压力是重要的；对于不同的树脂材料和零件，熔胶压力一般设定在14~20MPa之间；而超临界流体注入的流速和剂量则根据螺杆的塑化速度和一次塑化量来进行调整，尽可能均匀地覆盖塑化行程。这样，通过螺杆运动所产生的机械混合以及超临界流体在树脂熔体中的扩散两种方式的共同作用，使超临界流体均匀地分散到树脂熔体中，形成均相溶液并保持在喷嘴之前的储料空间中。
值得注意的是，虽然制成达到饱和溶解度的均相溶液对泡孔成核有益，但实际生产中，考虑到零件制品结构、模具结构、表面质量及成型效率等因素，SCF的注入量一般低于，甚至远低于饱和溶解度所需的剂量。
结合型腔背压技术量产的汽车把手及断面
对于注射充型参数，与传统注射成型有相似之处。但如果能够实现型腔快速充填，甚至按完全可控的充填速度填充，对改善零件制品内部微结构和表面质量有明显帮助。而对于粘度下降后的均相溶液，如何匹配模具温度和熔胶料温度，是需要针对具体零件进行评估的。从提高成型效率或获得更好的性能的角度出发，建议采用较低的模具温度。
4）表面质量
虽然微孔发泡产品相对传统实体注塑制品有很多优势，但其表面常存在发泡痕等缺陷，用于外观零件受到局限。但可结合型腔背压、或模具快速变温、或模内装饰、共注等技术手段来一次成型高质量的外观件。而如果结合模具快速变温技术，不仅可以获得表面无缩痕的A级外观件，而且可简化非外观面的筋位设计和模具设计。通过借助这些配套技术，可以拓展SCFoam技术的应用范围，也是注塑成型厂需要进一步考虑的课题。
作为一种轻量化和精密化平台技术，超临界流体微孔发泡注塑成型技术已获得广泛关注。但是，目前，国内在产的微孔发泡制品基本上都是在国外设计开发后转到国内生产，技术还掌握在几家具有跨国公司背景的一级供应商手中。国内该技术应用发展缓慢一是在现有产品设计结构上应用这项技术所带来的经济效果，难以回收国外进口设备投资；其次，国内的OEM厂商还无暇顾及如何应用这项技术优势设计零部件；最后，纯粹微发泡制品的应用由于表面质量缺陷等受到限制。但是，随着制品轻薄化趋势的发展及推出具有自主产权的硬件系统和服务，我们有理由相信国内OEM厂商会设计和应用越来越多的微孔发泡产品。(end)
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(10/10/2011) |
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