注塑压缩成型技术实现塑料光学部件的批量制造

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, ... 工艺控制 - 注塑压缩成型技术使优质光学部件实现了大批量的经济生产。pvT优化的工艺控制可进一步提高各部件的光学效率。 在光学应用中，透明塑料正在逐步取代玻璃的主导地位。塑料的优势是它们具有极大的设计自由度、可用于集成功能元件并且易于塑形。在生产优质塑料光学部件的过程中，注塑压缩成型与注塑成型相比具有一定的优势。注塑压缩成型可分为多种，如膨胀压缩成型或传统的注塑压缩成型。本文主要探讨传统的注塑??压缩成型技术。与注塑成型技术相比，注塑压缩成型技术在注射阶段初期利用压缩间隙开模。熔体在腔内通过模具的合模动作进行塑形。注塑压缩成型过程中的模具运动通常分为两个阶段。在第一阶段，开始速度控制运动。一旦达到某个转换标准，如达到特定的型腔压力，第二阶段即可开始，并在这一阶段对锁模力进行控制。 注塑压缩成型技术的优点包括较低的注塑压力、均匀的锁模压力作用和较低的部件内应力。其缺点是机器控制和工艺控制以及模具技术更为复杂。 pvT优化的工艺控制的动机 此外，模具和机器技术、注塑压缩过程中的工艺控制也会对部件的质量产生巨大的影响。在部件的制造过程，其光学质量极大地受到型腔压力和熔体温度的影响。上文所述的“pvT优化”即从这里开始。它能够推导出参数的最佳配置。为了确保良好的复制性，工艺控制应基于工艺参数之上。 pvT优化的目的是通过最大限度地减少注射完成后部件内部的材料运动来改善部件属性。注塑压缩成型技术pvT优化的原则如图1所示。在理想的pvT优化工艺流程中，首先采用直接压缩进行等温注塑，直至达到预设的比容（A-C）。在冷却阶段，比容尽可能保持恒定。由于比容保持恒定，压强随温度降低而下降，因此部件可温和地承受外界压力。 要达到这一压强，机器尤其是模具必须是超尺寸的。如果压力有限并在注射（B-D）完成后额外引入等压阶段，pvT优化工艺流程则可经济有效地实现。由于熔体进入模具即开始冷却，等温注射不可能在实际过程中实现。可行的配置如图1的A-B线所示。 确定比容 为了控制比容，首先必须确定目前型腔内的比容，这主要取决于部件温度、模内压力和冷却速度。型腔压力可通过压电式压力传感器进行测量。 为了获得特定的冷却速度，比容可根据施密特“7系数”原则进行估算。该模型包含三个方程式。等式1描述了熔体区域的比容，等式2可用于计算固体区域的比容。等式3用于确定转变温度。 系数Ki指利用pvT装置通过实验室测试确定的材料特性。温度T指部件中心的熔体温度。该温度可通过冷却计算来确定。等式4通过傅立叶导热系数方程式并假定可无限扩展的厚度s和足够长的冷却时间来推导得出。 温度TW和TM指注射之前的模壁温度和熔体温度。有效导热系数αeff通过等式5确定。 控制型腔压力 为了实现pvT优化控制，型腔压力主要根据确定的比容进行控制，从而使型腔压力在第一阶段（B-D）保持恒定的高压，并在第二阶段（D-E）达到既定的目标比容。 出于这一目的，总部位于奥地利施韦特贝格的恩格尔有限公司为电动肘杆式注塑机配备了改良的控制系统。图2为控制系统示意图。首先，型腔温度根据冷却方程式从实测模具温度和熔体温度推导得出。测定的型腔压力可用于确定pvT图中的当前作业点。后续工艺流程的确定还需考虑到控制系统的pvT优化。因此，受控系统的控制器参数在鉴定阶段确定并通过自动算法优化。该控制器使pvT优化和等压工艺流程得以实现。 质量要求 这些研究参照PMMA双凸塑料镜片（Plexiglas 7N；制造商：EvonikRöhm GmbH，位于德国达姆施塔特）（图3）对质量要求进行了讨论。 斯特列尔比和重复精度鉴定 斯特列尔比S为最大实测强度Ib与点扩展函数可能理论强度It的比值（等式6）。斯特列尔比只能假设为0和1之间的数值。光线穿过镜片时可能会因为边界表面的反射而产生光损失，因此无法达到理论最佳值1。夏克-哈特曼传感器可用于确定斯特列尔比（制造商：Optocraft GmbH，位于德国埃朗根）。 塑料镜片的重复精度经过非触式系统测试（型号：MicroGlider，制造商：Fries Research & Technology GmbH，位于德国贝尔吉施格拉德巴赫）。测量可得出部件的垂直廓线。z方向上的结果偏差因已知型腔表面和被测镜片表面之间的差异造成。峰谷（PV）值是模压镜片和模腔之间测得的最大差值。 优化工艺控制的结果论证 在系统研究过程中，镜片根据等压和pvT优化工艺控制策略生产。随后比较部件的质量。恒压制造的镜片形成参照。pvT优化替代方案研究了不同比容选点对部件质量的影响。图4说明了pvT图中所测的工艺流程。为了区分不同的pvT优化工艺控制方案，比容可用作索引。pvT0.856即指比容选点为0.856cm3/g的pvT优化周期。 两种工艺控制替代方案的峰谷值和不同的比容均标在图5中。最佳重复精度在pvT优化工艺控制和既定比容约0.847cm3/g（pvT0.847）的条件下实现。图6说明了预设比容对斯特列尔比的影响。斯特列尔比在pvT0.850点达到最大值；该值对应最小光散射。 光学和几何质量的比较表明，这两种配置分别在实验点pvT0.850和pvT0.847达到最佳效果，并在pvT0.856达到最差效果。通过重复精度和斯特列尔比之间的直接相关性可得出结论：斯特列尔比在此工艺配置条件下受部件内部属性的影响较少，受镜片几何尺寸的影响较大。 工艺控制最佳效果预计在约0.84cm3/g的比容选点达到。该值是室温下使用的材料的比容。较高的比容选点因型腔容积较大而在脱模后产生变形。较低的比容则因模具容积较小而无法完全填满型腔。 预期最佳比容选点结果偏差因系统干扰产生，具体如以下所述：由于可无限扩展板材的边界条件是假定的，因此冷却公式在确定温度时可能会产生误差。此外，基础材料数据（pvT特性）以较低的冷却速度通过实验设备确定。因此，实际材料数据并不一定与测量结果准确对应。 通过7系数原则计算的比容会产生重大偏差。图7显示了与实测值相差几个点的近似比容。估算值几乎在所有情况下均高于实际值。其偏差有时甚至高达1%。除了估算产生的误差，确定比容过程中产生的误差还将不断累积。除此之外，型腔压力只在型腔的一个点上进行测量。尽管注塑压缩成型对型腔内的熔体施加了大范围的压力，沿着流动路径产生的压力梯度仍无法测出。因此，最佳工艺流程必须经反复试验确定。 结语 注塑压缩成型使优质塑料光学部件实现了批量制造。在研究过程中，注塑压缩成型过程中的型腔压力得到了控制。相较于等压压缩压力分布，这种pvT优化工艺控制提高了所制造镜片的重复精度和光学效率。为了实现pvT优化工艺控制，比容必须在熔体温度和模具温度测定后通过冷却方程式来确定。

文章内容仅供参考 (投稿) (6/3/2014)