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粒子发泡复合注塑工艺潜力无限
作者:Hans Wobbe
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轻质结构—随着注塑成型和粒子发泡组合工艺的问世,具有远见的公司将挖掘出无限的创新潜力,尤其是在轻质结构方面。该技术的工业实用性已得到证明,它能够通过反向工艺来解除粒子发泡复合注塑成型工艺的限制。

人们对塑料件的要求变得越来越高。尽管在个别情况下(图1),注塑成型制造工艺的挑战可通过特殊工艺解决,越来越多的加工者仍被迫通过学习其他工艺来寻找新的挑战。选择性地结合不同工艺的新工艺将在未来发挥重大作用。

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例如,工程师们从事发泡工艺40多年,旨在研发特殊的工件属性。在注塑成型过程中,工程师们会对一系列化学和物理发泡方法进行检查—它们中的一些是自适应的,但大部分是综合性的,其主要目的是降低工件的密度和重量。

一种长期以来一直被忽视的工艺

如果我们紧跟轻质结构的趋势,我们就会明白,传统方法无法显著减少发泡注塑件的重量。但是,一种相对来说被忽视的加工技术—粒子发泡技术证明,该技术可实现的工件密度至少比当前的注塑成型技术(图2)可实现的工件密度少一个数量级。除了轻质结构方面的优势,这种材料(EPS、EPP等)以及用这种方法生产的工件还具有其他有意义的潜在特性,例如:能量吸收(碰撞行为)、隔音、隔热(热管理)或功能的简单集成能力。

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“粒子发泡和注塑成型”组合工艺在某些情况下能够消除粒子发泡的不良性能,同时,这种复合技术还能为新的应用带来改进的工件性能。为了保持轻质结构,人们只需考虑一侧为泡沫层的单体设计或两个硬层加一个泡沫芯的复合设计。

未来,硬注塑成型的支架、车身和壳体与功能粒子泡沫领域的组合将发挥突出的作用。粒子泡沫的出色性能还将开辟全新的应用领域,这些性能包括:

● 极低的密度(0.04 <ρ < 0.08 g/cm3)
● 动态和静态的冲击强度
● 隔音和隔热效果与注塑成型结构的结合。

早在2001年,Fraunhofer Gesellschaft为一种长期以来被忽视的组合工艺申请了专利,该工艺使用含粒子泡沫的内联式复合材料制造注塑成型工件(EP 1299219)。该工艺为一个模具内的两个工艺步骤。在第一个步骤中,粒子泡沫工件成型并覆上热塑性硬层,但是,该工艺再次被搁置。经过重新启动和技术实施之后,这种想法通过注塑成型制造单元在2012年的Fakuma展会上展出。在粒子发泡复合注塑成型的过程中,飞机轮子模型的PP轮毂(图3)被注塑成型到预制的EPP轮胎上,这一过程通过机器人实现。

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粒子发泡复合注塑成型的反向过程

为了防止热塑性材料在模制到粒子泡沫工件上时因高熔融温度和注塑压力出现泡沫塌陷现象,泡沫的最低密度必须达到ρ≥ 0.1 g/cm3。根据工件应用性能的不同,粒子发泡密度代表着可能的工艺序列之间的界限。例如,轻质结构应用要求密度非常低,此时则需采取不同的方法。

在反向工艺中,首先将热塑性硬壳注塑成型,然后再进行粒子泡沫工件的内联生产,并最终制成成品,该过程对组合技术的类型并没有限制。以这种方式生产的部件还具有新的开发潜力—这针对的不仅是现有的粒子泡沫模制品市场。在汽车行业的轻质结构方面,新的制造技术还使未来开发的产品在热管理、隔音和碰撞行为方面存在创新可能。

本文作者通过可行性研究对该工艺进行了深入了解,该研究由总部位于德国纽伦堡的Bayern Innovativ, Gesellschaft für Innovation und Wissenstransfer mbH赞助并由总部位于德国拜罗伊特的Neue Materialien Bayreuth GmbH执行。凭借自主生产的测试模具(图4),我们通过内联工艺制造了固体PP和EPP粒子泡沫复合材料。科研机构目前正在对机器和模具结构进行深入研究。

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若干材料组合会在不同工艺条件下加工成试样。随后,复合材料性能根据模具几何(平滑的或有棱纹的)、材料组合(不同的PP和EPP等级)和工艺参数(温度、压力和中级发泡)进行测试和评估。其积极的结果是,光滑的工件牢固粘合。通过肋状结构(图5)的选择性使用,复合材料的强度可通过额外的联锁得到显著提高。

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利用多功能混合泡沫制造夹层工件

注塑成型和粒子发泡加工(IM/EPP)创新组合工艺被证明在原则上是可行的,该工艺还具有进一步的创新潜力:例如,以夹层工件的形式出现时具有新的尺寸,该工件具有纤维增强的外层和多功能混合粒子泡沫。发泡单体材料的性能极具吸引力,其扩展特性还使它们在与金属、陶瓷或聚合物组分结合时可形成混合泡沫:例如,由EPP和发泡铝粒子(APM)组成的混合泡沫兼具柔韧、灵活的变形特性和塑料吸收能量的能力。EPP和陶瓷混合泡沫具有隔热和保温的性能。

这些基于混合泡沫现象的额外性能并非注塑成型/粒子发泡组合技术成为汽车轻质结构替代品的唯一原因。如果一个人看起来更加关注电动汽车,则可能与轻质结构密切相关,电池盒(图6)可被视为这种新技术的一个潜在应用。具有热塑性外层和混合层的夹层结构可显著提高电池的热管理能力。此外,如果纤维增强的外层与混合泡沫结合使用,电池可作为承重元件集成到车身结构—或凭借混合泡沫的能量吸收能力成为可变形的结构元件。

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作为汽车轻质结构未来解决方案的另一实例,由环形纤维增强外层和单体或混合泡沫组成的夹层工件应经过研究,以提高结构的性能。特别是,通过强化易碰撞区域的纤维增强复合材料和粒子泡沫,汽车的抗弯强度与工件刚性可得到增强。单体到复合泡沫的变化还可实现工件的进一步改善。这种材料组合为设计人员提供了更大的自由度,使他们能够改善汽车的隔音和碰撞特性以及热管理性能。

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文章内容仅供参考 (投稿) (11/29/2013)
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