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拓展注塑压纹工艺的空间
作者:威猛巴顿菲尔集团 Martin Philipp-Pichler
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对于薄壁部件或微型注塑成型产品,传统注塑压纹工艺总是面临着精度不够的难题。新近推出的产品系列通过选择性地增加工艺参数和功能监控,改进了对注塑过程的控制,从而使这一缺陷得到了有效克服。

注塑成型件通常会具有明显的各向异性,因为这个阶段的成型伴随着大的变形和快速冷却,导致分子按照变形的方向固化。但是,部件需要尽可能呈现出各向同性,这样,一方面可以获得极高的表面质量,另一方面,由于内部张力和翘曲低,可以确保成型和尺寸的精度。光学部件对各向异性特别敏感,因为内部张力和取向度会因为双折射而严重影响光学部件的明亮度。

这种情况可通过采用特别的注塑成型方法——注塑压纹工艺得到改善。在这种特别的工艺中,熔融的塑料被射入预先设置了压纹间距的模具中。通过两半模具预先设置的压缩行程,进行成型。通常会采用两种不同工艺:

● 在射出过程中完全填满模具型腔
● 部分注满型腔

由于模具内的冷却速度快,薄壁件和微型部件的注塑压纹必须严格地完全填满型腔。部分填满的压缩行程以及熔体已经冷却的前端毫无疑问会形成表面瑕疵和内部张力、以及取向度,而这些正好是注塑压纹工艺力图避免的。

压缩行程对微型部件生产而言精度太低

注塑压纹工艺与传统注塑成型的主要区别在于材料的剪切力和分子的取向度低。由于保压压力并不通过浇口,而是作用于整个突出的表面,这减少了留下缩痕的风险。 而且,射入空型腔改善了通风排气效果。当然,这需要对定制模具和特别改良过的的过程控制系统进行更高的资金投入。

注塑压纹工艺的关键步骤是压缩行程。在传统的压纹工艺中,这一行程是受时间或路径控制的,造成整个微型部件区域的加工精度下降。因为时间和路径的设置只是一种刚性的工艺,并没有得到成形部件的信息反馈。

如果可以从模具了解到关于型腔内熔体的热动力学状态,就可以特别调整工艺,使之适应于被加工的材料。这样,控制单元就可以考虑在压纹阶段的材料行为,确保动态的、灵活的工艺不会对材料产生严重影响。

位于奥地利Kottingbrunn的威猛巴顿菲尔集团的微型注塑成型部门,着手开发强大的注塑压纹工艺已经有一段时间。目的是为了改进品质,满足市场需要。由于该工艺的灵活性、可重现的精度和动态特征,这种MicroPower机械系列成为进行实际测试的理想平台 (图1)。

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压纹压力可通过合模行程按照特定工艺进行调整

由欧盟资助(F97)的研究项目“Co-tech”微型系统制造会聚技术是一种低成本大批量快速注射-压纹工艺,具有纳米结构表面和更优秀的材料特性。

在以下合作伙伴:微系统(英国)有限公司、卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)、布拉德福德大学、丹麦技术大学(DTU) 、弗莱堡大学微系统技术研究院 (IMTEK) 的帮助下,威猛巴顿菲尔集团开发了著名的 “Hi-Q Shaping”工艺。和传统注塑压纹工艺一样,射出过程中合模单元的主动运动发挥着主要的作用。不仅如此,压纹工艺所需的参数以及测量数据,通过增加温度和压力数值而进一步丰富,这样,可通过合模行程来调节每一个步骤所需的特定压纹压力(保压压力)(图2)。为此,创建了新的软件编程,用于微型注塑成型机械。

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目的是在高于玻璃化转化温度的情况下将压纹力施加到整个部件表面,以获得高度的灵活性和精度。这可以大幅降低材料的张力,因为变形是在非常低的剪切力下进行的。微型部件由于尺寸小、或者壁厚低,固化速度比大部件快很多,可同时获得高动力学、高精度,这极大缩小了压缩行程的时间窗口。因此,每个阶段都会自动对熔体的粘度加以考虑。

由于其非常刚性的切换设计,虽然没有足够的灵活度,但依然可以保持高精密度,MicroPower的合模板运动的精度可以非常高,从而也保证了非常精密的压缩行程。在涉及到微型结构时,合模行程的精度会对部件内部的压力形态产生非常大的影响。而且,由于部件体积和表面积小,温度状态比大部件的重要性高出许多。这是一个高度动态的压纹工艺,只能由合适的软件执行。

用手电筒透镜做实验

在研究中,手电筒透镜被用作测试样本,因为会对成型部件的光学性能和表面特性形成高的品质标准(图3)。这些透镜由具有很高透光性的聚碳酸酯制成。(牌号: LED Makrolon 2045;生产商:位于德国勒沃库森的拜耳材料科技)。

除了 pvT 相图,还必须注明有效导热系数aeff和玻璃化转化温度 Tg,因为它们可以计算出瞬间熔体温度,从而使工艺在第一时间可控。还需要部件最后的尺寸规格以及期望的密度。

双折射效应用来获得关于内部张力和取向度的量化信息。双折射是光学各向异性介质将光束分裂成两股互相垂直的偏振光束的倾向。双折射材料可通过,比如使用偏光显微镜来确定。当样本在交叉极化滤波器中旋转时,双折射物体的光强度及/或色彩会发生改变,而光学各向同性材料则不会改变外观 (图4)。

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制成的部件表面品质通过比较光镜进行评估。实验表明, “Hi -QShaping”比传统压纹工艺的精度更高, 降低了内部压力,极大提高了透明性(图5)。而且Hi-Q Shaping 的加工周期与传统注射成型工艺相差无几。与同样能获得良好结果的变温工艺相比,速度提高了10倍。这使得这种工艺非常经济、高能效,因为不需要对复杂的加热和冷却系统进行高额投资,制成的部件质量也不逊色。

结论

使用注塑压纹工艺总体上可以改进光学性能和表面质量。改良过的工艺还可能生产出重量一致、没有严重收缩、表面品质高、内部张力和取向度低于传统方式的产品。影响注塑成型部件质量的关键因素有模具温度、压纹的压力和时间。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (10/30/2014)
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