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蒸汽加热模具变温技术的新发展 |
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作者：北京中拓机械有限责任公司 唐庆华 来源：中国塑料橡胶 |
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在采用传统恒温模注塑成型外观零件时，往往存在可见熔接痕、流痕、玻纤外露、皮纹复制不完全造成的外观表面光泽不一致等缺陷。为解决这些问题，模具变温技术的出现提供了一种解决方案。在模具变温技术中，由于采用饱和蒸汽作为加热介质而冷却水作为冷却介质这种工艺方式易于实施，且能实现低能耗和高效率生产，蒸汽加热模具变温技术越来越广泛地作为一种基础节能环保技术进行应用。
基本原理
模具变温技术的工艺过程基本包括以下几个步骤：1）在向模具型腔内射胶之前，向成型外观表面的模具型腔或芯腔部分中的加热/冷却通道中通入饱和蒸汽，将模具该部分的表面加热到热塑性树脂的软化点温度之上0-50℃；2）射胶和/或保压；3）在射胶完毕或保压完毕后，向该模具部分的加热/冷却通道中通入冷却水，使模具的温度降低到一个可脱模温度，其中还可包括用压缩空气将冷却水吹出的辅助工序；4）开模取件；5）再次通入饱和蒸汽加热该模具部分，如此循环往复，实现自动生产。
在应用模具变温技术时，模具变温部分中的加热/冷却通道设置与传统注塑成型的水道设置有两个主要区别：加热/冷却通道与型腔或芯腔表面距离短，常见在3-10 mm范围；各加热/冷却通道与型腔或芯腔表面的距离尽可能一致。这两点明显区别是为了实现型腔或芯腔表面快速升温和快速降温，即模具非对称加热和冷却，减少能耗和缩短成型周期。
集成式模具变温控制系统
为什么采用饱和蒸汽作为加热介质，而不用过热水？
在模具变温技术开始出现时也有采用过热水作为加热介质用于制造小制品，其主要原因是，高温过热水可以采用已有的过热水模温机在现场获得。但随着模具变温技术的应用拓展和集成式蒸汽加热模具变温系统的开发成功，相对于高温过热水，采用饱和蒸汽作为加热介质的技术特点和优势越来越明显。
首先，从相同温度下的饱和水蒸汽和过热水的热焓来比较，假设两种介质的温度均为180℃，1 kg蒸汽的热焓值为2777kJ，而1 kg过热水的热焓值则为762kJ，即1 kg蒸汽至相同温度的过热水的相变就可释放出2015kJ热量来加热模具。而这部分热量如果由高温过热水降温5℃来提供，就需要近100 kg的高温过热水通过并实现完全换热；而事实上很难达到完全热交换，即需要通过更多的高温过热水才能实现。在采用饱和蒸汽加热模具时，可直接通过向模具的加热/冷却通道中补充饱和蒸汽维持蒸汽压力来补充加热模具所需的热量，即利用相变热加热；而采用高温过热水加热模具时，热量传递后必然造成过热水温度降低，因此只能通过持续向模具的加热/冷却通道中供应相同温度的过热水，并使过热水通过模具的加热/冷却通道才能补充加热模具所需的热量。采用高温过热水加热模具，不仅需要较长的时间来实现加热所需热量的输送，而且需要消耗额外的能量来实现高温过热水的输送或循环。
第二，采用蒸汽作为加热介质，饱和蒸汽的压力与蒸汽的温度有明确的对应关系，蒸汽压力有明显的均衡传导特性，更重要的是蒸汽加热的热源是相变释放的热量，因此在通入蒸汽的所有加热/冷却通道中蒸汽的温度能够保持均匀一致，使需要加热的模具部分获得一致的温升。采用过热水进行加热，虽然在加热/冷却通道中高温过热水的压力具有传导性，但是加热模具需要的热源是过热水中的蓄热，很难保证过热水的温度从进口到出口的一致性，需要加热的模具部分无法在短时间内获得一致的温升。
由于饱和蒸汽和高温过热水的不同特性，决定了采用饱和蒸汽的加热速率和效率大大好于采用过热水。根据实验数据，同等条件下，采用过热水加热模具的温升速率大约在1.5℃/秒，而采用饱和蒸汽的加热速率可达到或超过3℃/秒。
第三，与模具加热速率相对应的是：加热速率越大，升温过程中向无效部位传递的热量越少；冷却时需要从模具中带走的热量也相应减少，使模具的降温速率越大。根据实验数据，同等条件下，采用高温过热水加热时，模具冷却的速率只有约1.8℃/秒；而采用饱和蒸汽加热时，模具冷却的速率可达到或超过2.5℃/秒；
第四，蒸汽加热容易获得更高的模具表面温度和/或更快的冷却速度，制品外观面表面质量会更好，如更高光泽或更好的皮纹复制效果。
综合采用饱和蒸汽加热模具在加热温升过程以及随之在冷却过程中所带来的优势，蒸汽加热模具变温技术相对高温过热水加热模具变温技术具有明显的经济优势，如加热同样的模具到相同的温度，采用饱和蒸汽作为加热介质的成型周期是采用高温过热水作为加热介质的成型周期的50-70%之间，采用饱和蒸汽加热所需的能耗也是采用过热水的25-50%之间。
两种主要实施形式
对于不愿投资中央蒸汽锅炉系统的用户，采用集成式模具变温控制系统是很好的选择，如北京中拓的JMJR系列。这种系统包括电加热蒸汽发生器、冷却水管理单元、工艺控制器、以及余热回收单元等，与注塑机和注塑模具连接后可直接使用，可用于大至70" 甚至更大规格的LCD/LED电视面板的制造。
对于愿意投资中央蒸汽锅炉的用户，可将中央蒸汽锅炉的蒸汽通过保温管网输送到注塑机附近，然后通过模具变温控制器，向模具按程序输送饱和蒸汽、压缩空气、冷却水，实现大规模生产。
应用领域拓展
蒸汽加热模具变温技术在国内最早的商业化应用是LCD、LED电视前壳和底座。应用这项技术，不需喷涂处理就获得了表面无瑕疵的零件。目前，这一技术的应用不仅限于改善表面质量和消除喷涂处理，已扩展到新功能设计方面。如在家电、消费电子领域，已利用这项技术制造由亚光皮纹和高光装饰相结合具有特殊装饰效果的外壳、控制面板等；在汽车零部件方面，已作为一种轻量化技术手段制造更薄更轻的零件；在光学制品领域，采用这项技术来消除双折射缺陷、提高透光率、或获得微纳表面。
蒸汽加热模具变温技术在一些特殊加工领域的应用也在开发之中，如在注塑成型电镀件基体时通过采用蒸汽加热模具变温技术提高熔接部位强度和减少应力梯度来提高电镀成品率；在发泡注塑成型和EPP/EPE模压成型时在成型模具上应用这项技术，可消除发泡痕或珠粒之间的熔接线。
总之，作为轻量化和环保技术，蒸汽加热模具变温技术将逐步成为一项注塑成型加工的基础技术手段。(end)
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(3/23/2012) |
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