原位注射成型潜力无限

作者：Christian Hopmann

欢迎访问e展厅 展厅 1 塑料模具展厅 注塑模具, 吹塑模具, 挤出模具, 吸塑模具, 瓶胚模具, ... 当前用于生产纤维增强塑料零件的方法具有技术和经济上的缺陷，这些缺陷导致它们没有得到广泛的工业应用。一种新的原位注射工艺应运而生，它能够实现纤维增强热塑性零件的自动化及大批量生产，生产周期短，且生产出的这些零件无需二次加工。 如今，连续纤维增强塑料（FRP）在技术性应用以及体育用品中的使用量正在迅速增长。原因是与金属材料相比较时，FRP具有出色的强度重量比、较高的功能整合潜力和能量吸收能力等特点。 目前，为了达到大幅降低车重的目的，汽车行业正在积极推动轻量化纤维增强塑料零部件的使用，以达到工业化的规模。在体育用品领域，轻质对于产品来说一直都是非常重要的因素。这两个领域都对产品的性能、产量及功能集成有较高的要求，此外都面临较高的成本压力。在这些极具挑战性的产品中，要想提高纤维增强塑料的竞争力，只能通过研发新工艺和搭配使用不同的替代材料来实现。 迄今为止，基材主要为热固性材料，比如环氧树脂、乙烯基酯或不饱和聚酯树脂。由于其加工粘度低，热固性材料可以用“液体浸渍法”（图1）进行处理。与注射成型相比，我们可以浸渍具有负载路径且适于纤维取向的织物预制品，这样我们就可以根据载荷方向来设定机械性能。 浸渍后，基材将被固化。尽管轻质结构的潜力大，但是使用热固性材料作为纤维增强塑料的基材也有许多缺点。一方面，固化过程的化学反应持续时间限制了高生产速度的实现。另一方面，热固性材料固化后不能再次熔融，因此不能被回收利用，也就不能再次成型为功能元件或将其焊接到功能元件上。由于热固性材料易脆的特性及较低的断裂伸长率，其在受到冲击的情况下会导致分层或其他损坏的危险。 相比之下，现有使用热塑性基材的生产工艺周期时间较短，在这里不需要交联步骤，同时抗冲击性较高。因为基材可以被再次熔融，所以采用热塑性纤维增强塑料（TP-FRP）制作的零件适合回收。此外，在随后成型或焊接工艺中可以进一步将TP-FRP功能化。 液体浸渍及注射成型工艺的协同组合 生产TP-FRP零件的挑战来自于如何在熔融状态下用高粘度热塑性基材浸渍增强纤维。为了解决这个问题，我们采用压制成型工艺生产出片状夹层或者“有机片材”。在这个相对缓慢的过程中，纤维被浸渍。然后只有在接下来的第二个步骤中，零件才得以成型。由于要生产所需的夹层，所以有机片材几乎对所有的织物增强产品都是适用的。因为技术性零件上的负荷一般需要单向增强纤维，所以采用对负载路径较适应的增强纤维织物预制件来生产热固性FRP零件使轻量化零件的生产更具潜力。 用于形成聚酰胺6（PA6）的单体己内酰胺原位聚合，是一种非常有效的方法。它可以将液体浸渍工艺的一些优势很好地结合起来，并且可以使用热塑性基材来处理织物预制件。己内酰胺（大约3至6毫帕•秒）的粘度显著低于热塑性熔化物（约50至10,000帕斯），甚至低于常见的热固性树脂体系（10至50毫帕•秒）。在聚合之前，这样的低粘度使得有复合纤维取向的预型件能够渗透和浸渍模具中的单体。形成PA6的化学反应一般在几分钟之内就可以发生。此外，在注射成型过程中，由于热塑性基材的熔融性，这样的部件可能会被功能化。 目前的注射成型工艺向“原位注射成型”工艺转变，使得在注射模具里可以浸渍复杂的纤维夹层，并且可以直接发生形成PA6的化学反应。这样我们能够将液体浸渍工艺的优点与注射成型（图1）有机地结合起来，其中注射成型的周期时间能够匹配得上工业规模的周期时间。这样做的前提 – 除了作为基材、改性纤维/大小的系统和一种特殊注射成型机技术的优化配方 – 也是模具和工艺技术的进一步发展。 用于原位注射成型的创新制造单元 为了证明原位注射成型的潜力，德国亚琛的亚琛工业大学塑料加工学院（IKV），目前正在开发一种高度集成的工艺（图2）。在“反应注射成型 – 大规模轻量级”这样的主题下，IKV与一些工业合作伙伴（表1）一起在K2013展会上，以为体育用品专门开发的原位注射成型制造单元这样的形式展示这一工艺。 预制纤维成品 这是一个护胫（标题图片），包括一个纤维增强的热塑性聚合物保护件（TP- FRP保护件）和一个由热塑性弹性体（TPE）制成的软零部件，所以该护胫能够将防止损伤的保护性和高度的穿戴舒适性很好地结合在一起。这个部件具有较高的机械强度，这主要得益于增强纤维的负载路径方向，其出色的抗冲击性能得益于热塑性材料基体，轻量化则得益于复合材料的结构，而穿戴舒适性则得益于TPE组件穿戴。 将预制件切成一定尺寸 自动化生产工艺包括进一步的功能集成，比如紧固元件（弹簧钩，螺丝圆顶）以及视觉和触觉元件的集成。从增强纤维的铺设开始，然后再进入到由IKV（图3）开发的原位注射模具。这些都会作为预制纤维夹层或“预制件”融入到生产工艺流程中。 能兼容各种尺寸大小的玻璃纤维织物（制造商：德国埃尔巴赫P-D Interglas科技股份公司），可以用作预成型的织物增强夹层。将单个纺织层切割至所需大小，以及使用热活化粘合剂材料将纺织层固定后，我们将会采用使用超声波切割刀片的三维切削工艺，把预成型体切割成最终的轮廓（制造商：德国奥伯豪森EM-Systeme有限公司）（图4）。 在进一步进行切割操作前，预制件必须进行预干燥，这样可以减少其从周围空气中吸收的水分。这一点至关重要，因为即使很微少的水分都会阻碍己内酰胺阴离子聚合。 在熔融温度下生产浇注聚酰胺 机器人将两个（干）预制件一次放置到两腔模具中，然后用己内酰胺将它们浸渍（生产厂家：德国勒沃库森的德国朗盛有限公司）。为了防止单体过早进行阴离子聚合而形成聚酰胺6（APA6） – 通常也被称为浇注聚酰胺 – 在注射前就将两个组件放置到模具中。第一个预制件包含己内酰胺和活化剂，第二个预制件包含己内酰胺和催化剂；这些添加剂用于启动和加速化学反应。这两个己内酰胺组件分开放置，在室温下呈固体片状。 两个带有活化剂和催化剂的固相己内酰胺，其熔融温度大约是70℃。拥有1200KN合模力的恩格尔e-victory 120注射成型机（制造商：奥地利施韦特贝格的恩格尔奥地利公司），特别适用于该工艺，该机器有两个螺杆塑化单元，分别用于两个预制件的熔融和计量。电驱动螺杆能够确保高计量精度以及较高的工艺重复性，而后一特性由于材料的低粘度而显得特别的重要。 这两个熔融的预制件只在冲击注射混合头里混合在一起（制造商：德国圣奥古斯丁的亨内基公司）（图5），其中为了这个应用该混合头已经被改进过。因为聚合只发生在注射模具中，所以在120℃混合头里己内酰胺熔融的温度大大低于反应温度。注射模具被加热至160℃；在此温度下，当注入己内酰胺熔融物时，开环阴离子聚合就会开始。在温度低于220℃的熔融温度时，一种固体高结晶性的聚酰胺6便会由此产生。 生产无需二次加工的原位模具技术 为了能够处理低粘度的己内酰胺熔体，IKV开发了一种改进型多级密封概念的模具（图6）。因此注射工艺可以在真空下进行，这样也会显著提高层压板的质量。在实际的密封组合封闭型腔之前，整个真空系统内的空气都需要被排空。这样可以防止反应性混合物进入真空抽气系统。顺着沉降片的边缘，预制件被压缩至流路的末端。这样，一个流制动将会被创建，使得在浸渍过程中流前沿的扩散得以控制。密封性也因两个O形环围绕腔体而得以保证。 在原位注射模具里，我们可以使用压水温度控制单元来达到超过160℃的高工艺温度（制造商：奥地利施韦特贝格的Schöfer有限公司）。当模具被打开时，从己内酰胺聚合中产生的任何微量的挥发性副产物都可通过一个提取系统抽出（ 型号：TR 5，制造商：德国菱形代表基尔希海姆市凯乐空气净化有限公司）。 因为己内酰胺熔融聚合和固化是在两个腔体中进行，为了实现免加工的工艺功能，在浇注系统中，特别要注意将预制件的浇口进行分离。原位模具的三板结构完全能够自动化分离浇口。当一个处理系统已将TP- FRP保护件层从模具中取出并为了进一步功能化将其转移时，模具的第二级便可以打开（图6）。通过点浇口连接到预制件的浇口可以自由地关闭。 护胫的处理和功能化 具有挑战性的预制件处理是由线性机器人（型号：Engel viper 20型）来完成的，该机器人配有复杂的机械手（制造商：德国奥弗拉特ASS 机械制造有限公司）。它可以拿起具有有限抗弯刚度的织物预制件，并且能够在原位模具腔中利用重复精度来定位它们。机械手还可以为TPE组件将浸渍和聚合的TP- FRP保护件传送到反注射模具中。 还有，在第二台注射机上（型号：Engel victory 80型），护胫是用TPE反注射的，这样可以提高穿戴的舒适性。原位注射成型的周期长度基本上由聚合反应的持续时间确定的，这大大长于TPE注射周期。出于这个原因，TPE模具（也是由Schöfer有限公司制造的）仅有一个空腔；在一个原位注射成型周期中，2 个TP- FRP屏蔽层都是用TPE反注射的（图7）。 结论 以工业规模生产TP-FRP零部件时，集成原位注射成型工艺面临很大的挑战，主要是因为所有用于确定工艺的参数都相互影响。除了机器和模具技术，在这里材料性能和工艺控制的平衡也起到了重要的作用。通过将创新的注射机和原位模具技术相结合，我们可以在一个完全自动化的机器上，仅需几分钟的周期时间即可生产出无需二次加工的复杂TP- FRP零部件。同时进行的浸渍增强纤维和成型，展示了我们在未来能够高度集成地生产大批量FRP零部件的潜力。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (3/5/2014)