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MuCell物理发泡工艺潜力无限
作者:Andreas Handschke, Jochen Mitzler
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热塑性塑料发泡注塑。能够减轻重量且节约原材料,又能确保不变形且产量更高,这样的工艺无疑满足了业内研发人员的所有幻想。虽然注塑专家一度对热塑性塑料的物理发泡工艺持有怀疑态度,但MuCell工艺的横空出世,特别是在轻量化结构领域的应用,带来了无限的潜力。

一涉及发泡工艺领域,许多专家不由自主地想到反应技术。这一年,距离公认的聚氨酯聚氨酯发明年份,已有76年。热塑性塑料发泡注塑(FIM)诞生的年份比聚氨酯晚许多,只是从20世纪60年代起才被人知悉。跳过性能范围和适用细节不说,PUR和热塑性塑料泡沫这两种截然不同的材料却有着相通的地方:应用于轻质化结构的潜力。随着聚氨酯日益广泛的应用,FIM却未能与其并驾齐驱,尽管FIM算是最古老的特殊塑料加工技术之一了。

发泡注塑工艺的起源可以追溯到20世纪50年代。那时,“如果注塑成型产品出现表面凹陷,经验丰富的注塑工人往往会添加一小撮发酵粉(大约0.05%)在材料表面”。这项工艺另一方面也会相应地减轻元件重量,但这种影响在当时却不被注意。由于需要首先开发与之匹配的推进剂,所以发泡结构及其元件较低密度的特性,在若干年后才真正走进生产带来利润。在70年代早期开始,热塑性塑料发泡产品起初使用化学推进剂。而在那时,KraussMaffei就已经开始尝试研发更完善和定义好的发泡结构,在生产中降低了合模压力,生产密度在0.3到0.6 g/cm3之间且表面无凹陷的注塑元件。作为FIM的分支,以直接充气的方式使用物理推进剂,在上述生产中理论上具有可行性。其原理是在高压之下使用发泡剂,直接进入充满熔体的螺杆螺纹。该工艺在当时的制造业中被用于生产装饰内衬、家用元件和电插头连接器,但由于使用的推进气体因生态环保因素而被禁止使用,导致该工艺最终被化学工艺所取代。

战略失误的弯路

美国马萨诸塞州威尔明顿的Trexel有限责任公司在20世纪90年代末期,采用MuCell加工工艺,并进行了改良和改进,实现了当时首次重要突破。80年代末最初由马萨诸塞州技术研究中心(MIT)研发,工艺最初目标应用于挤出生产。后于2000年初,工艺才聚焦在了注塑生产。然而,其间若干战略失误阻碍了该工艺的迅速传播——除技术设备成本外,Trexel还向用户收取许可证费,费用金额基于每年的产出。自2005年年底起,Trexel不再向用户收取这项费用,但是这一对用户如此重要的信息却没有及时在整个塑料行业传播开来。另一战略失误是市场营销策略。Trexel最初聚焦在挤出领域,却在识别潜在客户和OEM方面显得很不明智。该公司将目标客户群定位为塑料加工商和模具制造商,但经验却显示出这些群体对生产项目相关加工技术的决策影响十分有限。导致的结果是,这一新工艺仅局限于内部人士的小圈子内传播。在此过程中,Trexel对策略加以调整,也在一定程度上增加了用户和OEM对该技术的兴趣。

作为全球首批设备制造商之一,德国慕尼黑的KraussMaffei从初始便与Trexel合作。随着标准设备方面的顺利开展, KraussMaffei在2001初就已经生产出包含所有MuCell系统的产品系列。

配备气体喷嘴的塑化单元

采用上述物理发泡进行充气注塑成型,其实操作原理十分简单。先决条件是全自动注塑设备、定位控制螺杆和增加注塑量,有特殊设计螺杆的塑化单元是系统的核心。气体以超临界流体(SCF)直接注入进塑料熔体,从而在螺杆中产生单相均质溶液。止逆阀会阻止气体/熔体混合物过早地向进料口扩散,且设备的自锁喷嘴会在前端阻止熔体。氮气或CO2被用作推进剂(见图1)。

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在整个生产周期中,重要的一点是,用这种方式,塑化单元中的熔体压力——且也可能在热流道系统中——有可能不会下降到SCF熔体压力之下。这就是为什么螺杆一定要具备定位控制(“主动背压”),这也保障了即使在安全门打开的情况下,压力也得以保持。也出于同样原因,设备在操作时使用针阀喷嘴,或者在热流道模具配备栓式喷嘴,这样当合模单元打开时,喷嘴接触力会减小。为了应对压力下降,并且因此发泡工序开始的端口需要尽可能远离填充环节的末端,而为了确保在流道末端也正常发泡,整个注塑过程必须非常迅速地进行。因此,这就要求设备必须具有很高的注塑产能。

气体作为物理发泡剂的使用,降低了熔体黏度,这极其有利于快速注塑。当单相溶液进入模腔, 压力下降,气泡形成,这样熔体就开始发泡。与化学发泡截然相反,MuCell工艺中使用大量的精细分布微粒。这种精细分布确保了许许多多细小、尺寸相同且紧密排列的微泡的形成,这些微泡的直径小于100 μm。从成品的横截面图可以看到整体泡沫结构,低密度的发泡内芯包覆在高密度的薄壁、压实的包覆层之内。尽管表面呈闭合,但是实心注塑产品的质量却大大减轻。

发泡熔体补偿收缩

熔体的发泡可补偿模具壁上的收缩,因而,发泡所需的合模压力会相对低很多,甚至在理想状态下根本无需合模压力。与此相通的内部模具压力也比实心注塑实心注塑件的压力大幅降低,从而熔体和模具温度也相应降低。

该工艺无须或仅需较低合模压力(降低30%到50%)及冷却,可将生产周期缩短20%(见图2和3),而且生产成型的扭曲率非常低,产品极少出现凹陷或气泡。塑料内芯的冷却往往阻碍流道末端的保压压力,该发泡工艺也可成功克服这种现象。生产现有的同款结构元件,发泡注塑元件的重量比同款实心注塑元件轻7%到10%。根据不同的结构,匹配与MuCell兼容的设计,元件重量最高可减轻达20%(见图4)。这方面的出众优势使得该工艺尤其适用于新型轻量化生产项目。

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加载专用软件包,操作过程便可简化,这是KraussMaffei MC5 控制系统或新型MC6系统的整合部分之一,其所有重要参数都能够加以调整、监控且可集中显示。计算气体用量时所需的加工数据,例如SCF流体率,注入端开启时间和重量减少量,都可经由该系统组成部分之一的计算机得出,随后即可便捷地传输给MuCell参数设置界面。

软件结构清晰,操作简易。最重要的参数都在一个操作界面内展示,且都可进行调整。调整基础设定另有独立界面,仅需一次设定便可完成。

化学发泡与物理发泡的对比

已经有无数调查研究和报告对化学发泡和物理发泡进行了对比,得出的结论也不尽相同。撇开组分表面质量而言,物理发泡显得略微更胜一筹。MuCell工艺的微泡尺寸和分布同质性,已经彰显其优势。虽然该工艺些许复杂,但直接气体注入的方式,保证其流程明晰可控且生产可复制。与化学发泡剂相比,物理起发剂成本较之至少低80%,成本优势不言而喻。

虽然化学发泡经由计量设备间接引入发泡剂,操作十分简单,但其工艺非直接可控,仅能够间接通过温度控制和螺杆速度来加以调整。

MuCell塑化存在的缺陷是塑化区域较短,这是由于采用了中央止逆阀,这会根据使用材料不同而对要求的注塑量产生影响。但根据所选择的材料,该工艺也可进行灵活调整。在大概90%的生产用途中,氮气被用作发泡剂,随后不会产生溶剂汽化(雾化),这一特点对于某些适用用途十分理想。

投资成本收回

从财务角度的分析可以清楚看出,尽管MuCell设备的投资成本较高,但其操作成本显著低于标准设备(见表1)。操作成本的降低是因为发泡剂成本降低且原材料消耗量减少,从而得出的平均ROI为半年到一年(使用设备合模力6,500 kN)。显而易见,原材料的节约量依赖于注塑元件的尺寸,根据经验,该节约量约为10%到近20%。

如将MuCell设备的产能提高量也计算在内,生产周期时长可缩短达20%。

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如同其它特殊工艺一样,物理发泡工艺在用于大批量生产或高级别设备时,尤其如虎添翼。但也有标准设备的拥护者提出,MuCell设备塑化组件会对适用灵活性造成局限。虽然MuCell设备也可用于生产实心注塑元件,但塑化区域较短的确会在某种程度上成为短板,因而如果有实心注塑的生产需求,建议采用标准塑化设备替代MuCell设备。

正在进行的项目

综上可见,发泡注塑工艺的确带来了原材料节约及元件重量降低的优势,这对于大型生产设备而言尤其重要。为了支持潜在及现有客户,德国Mutlangen的塑料生产加工公司Mürdter Technikum与Trexel和KraussMaffei联手研发,于2011年末,出品合模力54,000 kN的MC5 4 0 0 - 1 7 . 2 0 0设备,是世界最大的采用MuCell工艺的注塑设备(见图5 ) 。这套设备首次实现了将实心注塑和发泡注塑进行直接对比,不止如此,在测试期间得到的发现能够直接应用于其下游的模具制造车间,这极大地节约了时间和资金。该新型设备也可使用SGI工艺(整体发泡注塑) 进行测试。美国加工制造商ProperGroup有相似的车间但规模相比略小。

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在已经过去的两年里,位于德国多瑙河畔的诺伊施塔特的Kunststofftech¬nik Wiesmayer有限责任公司,已经其合模力达16000kN大型注塑设备(KraussMaffei出品的MX型号)上使用MuCell工艺。该设备采用串联技术,生产梅赛德斯E系列的车门内部支承。因MuCell工艺无须合模压力,从而生产出的元件比实心注塑元件的扭曲率要低得多。而且,串联技术能够实现在一个元件进行注塑的同时对另一元件进行冷却,从而大幅提升产能。

尽管已经收获颇丰,KraussMaffei仍在潜心研究化学发泡工艺,该工艺与物理发泡工艺一起推出市场,冠名
“CellForm”。

前瞻

当前工艺研发着眼于提升发泡元件的表面质量,这对于汽车制造商尤其迫切。原材料供应商已经开发出适合的新型原材料可供选择,木纹或者蚀刻表面能够被考虑作为开端。为了进一步完善,比如高光表面,可结合动态注塑诸如脉冲冷却,KraussMaffei已在2012年Fakuma展示过类似工艺。

不止如此,还结合相应的工艺,如金属箔底注塑或模内表面装饰都不是没有可能,而且MuCell工艺的低压需求也对此十分有利。进行多功能元件生产时,物理发泡工艺也能够与多组分技术相结合(见图6)。

在进行结构零件生产时,可采用有机板的三明治结构。可以预见到,MuCell工艺的发展前景十分光明,这不仅得益于其技术优势,也更是因原材料消耗的降低顺应了节约资源的潮流。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (2013-9-28)
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