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冷热模注塑成型技术气缸体

2022-11-16 15:56:52 注塑成型    缸体    气缸    

冷/热模注塑成型技术

冷/热模注塑成型技术 2011: 所谓的“冷/热模注塑成型” 技术,是一种可在注塑成型周期内,使模腔表面温度实现冷热循环的工艺。其特点是:在注射前,先加热模腔,使其表面温度达到加工材料的玻璃化转变温度(Tg)以上;当模腔填满后,迅速冷却模具,以使制件在脱模前完全冷却。这种冷/热模注塑成型工艺可以大幅度地改善注塑制品的外观质量,而且可以省去某些二次加工(如旨在掩盖表面缺陷的底漆和磨砂处理)过程,从而降低整体生产成本。在某些情况下,甚至还可以省去上漆或粉末涂布工艺。在那些对表面光泽度有较高要求的应用中,冷/热模注塑成型工艺还允许使用玻纤增强材料。该工艺的其他优势还包括:降低注塑内应力、减少甚至消除喷射痕和可见的熔接线,以及增强树脂的流动性,从而生产出薄壁产品等。

图1 分别采用冷/热模注塑成型技术和传统的注塑工艺生产的产品对比(所用材料为20%长玻纤增强LNP Verton PCA7004树脂)

图2 带有阀站的一体式温度交替系统

冷/热模注塑成型工艺的特点通常情况下,冷/热模注塑成型工艺适用于所有的传统注塑机。但是,如果希望模具表面得到快速加热或冷却,还需要配合使用特定的辅助系统,目前常用的辅助系统是高温热水系统和高温蒸汽系统。这些辅助系统中的蒸汽,要么来自外部锅炉,要么由其自身的控制设备产生。早在几年前,沙伯基础创新塑料就开始在日本研究冷/热模注塑成型技术。目前,该公司在其亚太区的开发中心中使用的是高温蒸汽系统,而在位于马萨诸塞州匹兹菲尔德的聚合物加工开发中心(PPDC)中,该公司则使用了德国Single Temperiertechnik公司的高温热水系统,它可以提供200℃的高温热水。为了实现有效的工艺控制,模具必须配备热电偶,并且热电偶最好被安置在靠近模腔表面的位置,以便监控温度。为了确保工艺的稳定性,注塑模具、注塑机和冷/热控制器还必须集成在一起。沙伯基础创新塑料在该工艺的生产体系中配备了一台控制设备,以将各个要素有效地集成在一起。

图3 加热或冷却模具工艺演示图

在该工艺的开始阶段,利用在模内循环的蒸汽或高温热水来加热模腔表面,使其温度达到高于被加工树脂的玻璃化转变温度10~30℃的水平。一旦模腔表面达到这一温度值,系统便向注塑机发出信号,以将塑料注射到模腔中。当模腔被填满(注射阶段完成)后,冷水开始在模具中循环流动,以快速带走热量,从而使注塑部件在脱模前完全冷却。利用一个阀站,即可方便地实现从蒸汽或高温热水到冷水的切换,反之亦然。当部件冷却后,模具打开,部件被顶出,然后重复上述过程。工艺优化:模具的设计和构造冷/热模注塑成型技术的循环周期除了取决于所加工的材料外,模具的设计和构造对其则有极大的影响。一般,加热模具所需的时间取决于模具用钢的总量,因此尽量减少所要加热和冷却的钢材量非常重要。为了做到这一点,最好是将模腔和模芯嵌入到模板中,而不是穿过模板。为了减小热损失并提高效率,还应在任何可能的条件下,利用气隙和隔热材料,将这些嵌入件与模腔和模芯固定板隔开。除了尽可能地减少必须进行冷/热循环的钢的用量外,还应考虑使用具有高导热性的金属,如铍铜合金或其他具有良好导热性的合金来制作模具。这些金属有助于缩短加热/冷却模腔表面所需的时间。此外,在模腔表面附近布置水路管线也可以加快响应速度。然而,多数情况下,制品的几何形状不允许这样做。尽管如此,共形冷却方法却极适合这种工艺,这是因为,其管线的布置可以与部件表面形状保持一致。因此,共形冷却方法可以极大地缩短最重要位置(即模腔表面)的热响应时间。

图4 冷/热模注塑成型工艺示意图

就共形冷却技术而言,它往往涉及到注塑模的制造,或者更确切地说是镶嵌块的制造。一般,通过优化冷却道的设置,可以优化冷却效率,缩短生产周期。而传统的冷却方法很难做到这一点,因为一般制品的形状都很复杂,且常规的冷却通道只能被钻成直线形。目前,有多种模具制造技术可实现共形冷却,如激光烧结和直接金属沉积法。为了开发用于该工艺的测试模具,沙伯基础创新塑料的 PPDC选择了位于美国密歇根州特洛伊市的Fast4m Tooling公司作为其模具供应商。Fast4m Tooling采用钢板层压构造技术,设计并制造了带有共形冷却通道的模腔和模芯组件。 冷/热模注塑成型技术的优点冷/热模注塑成型技术可以极大地提高注塑部件的美观性。该工艺有助于改善半晶态和非晶态树脂制品的外观,特别是对于非晶态树脂尤为明显。在注射阶段,当模具表面温度超过非晶态树脂的玻璃化转变温度时,表层材料即使接触到模具表面,也不会出现传统注塑生产中常见的冷凝现象,从而确保了聚合物在注射阶段能够自由流动。随着模腔的填满以及模腔内压力的增大,树脂被迫流出,这有助于模腔表面的完美复制,并提高制品的表面光泽度。 对于填充型材料,被迫流出的树脂在制品外表面上形成聚合物薄层,它可将填料(玻璃纤维、碳纤维或矿物质等)包覆起来,从而提高了制品的光泽度并降低了表面粗糙度。研究表明,这种方法可使光泽度提高50%~90%以上。总之,冷/热模注塑成型工艺对于改善制品的表面粗糙度是非常有利的,它可使玻纤增强材料制品的表面粗糙度得到70%的改善。即使是无填充材料制品,其表面粗糙度也可获得20% 以上的改善。

图5 采用冷/热模工艺注塑的样品

1. 减少可见的熔接线、射流和流痕冷/热模注塑成型技术有利于改善熔接线的深度和可视程度。利用一个测试模具,沙伯基础创新塑料分别采用冷/热模注塑成型技术和传统的注塑工艺分别加工了3种不同的材料。使用传统注塑技术生产的部件,其表面熔接线的深度介于6~13μm之间,而在采用冷/热模注塑成型工艺生产的部件上,完全看不到熔接线,因此也无从测量其深度。这一突破性的改进意味着对某些产品的涂装作业可以省去。2. 减小内应力内应力通常是导致产品翘曲变形的主要原因之一,在某些情况下,它还有可能缩短部件的使用寿命。一般,采用传统方法注塑成型的部件具有较高的内应力,此时如果应用四氯化碳(CCl4)这种广为熟知的应力开裂促进剂作溶剂进行试验,就会导致部件的开裂。而采用冷/热模技术注塑成型的制件由于具有较低的内应力,因此即使采用了CCl4溶剂,也不会导致部件的开裂。显然,采用冷/热模技术注塑成型的部件在使用前可取消退火处理。

图6 采用传统工艺注塑的样品

应用冷/热模注塑成型技术的首次应用是生产汽车车顶的行李支架,该产品被用来替代原来的金属制件。沙伯基础创新塑料采用了玻纤增强Xenoy* 1760树脂(即11%玻纤增强PC/PBT)来生产该行李支架部件。当采用传统的注塑成型工艺时,制品表面出现了明显的喷射痕和熔接线,以至于无法满足表面质量要求。同时,玻纤增强材料还使得制品表面非常粗糙,因此需要在上漆之前进行打磨。而采用冷/热模注塑成型技术后,上述各种表面质量问题都得以避免,从而满足了高表面质量的要求。总之,当使用PC、PC/ABS和PC/PBT等材料生产电视屏幕边框、导光板、汽车音响组件和笔记本电脑外壳等产品时,利用冷/热模注塑成型工艺,可以最大程度地减少影响制品外观的质量问题。(end)

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