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淺述冷/熱模注塑件成型技術(shù)
所謂的冷/熱模注塑件成型技術(shù)，是一種可在注塑件成型周期內(nèi)，使模腔表面溫度實(shí)現(xiàn)冷熱循環(huán)的工藝。其特點(diǎn)是：在注射前，先加熱模腔，使其表面溫度達(dá)到加工材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）以上；當(dāng)模腔填滿(mǎn)后，迅速冷卻模具，以使制件在脫模前完全冷卻。 這種冷/熱模注塑件成型工藝可以大幅度地改善注塑件制品的外觀(guān)質(zhì)量，而且可以省去某些二次加工（如旨在掩蓋表面缺陷的底漆和磨砂處理）過(guò)程，從而降低整體生產(chǎn)成本。在某些情況下，甚至還可以省去上漆或粉末涂布工藝。在那些對(duì)表面光澤度有較高要求的應(yīng)用中，冷/熱模注塑件成型工藝還允許使用玻纖增強(qiáng)材料。該工藝的其他優(yōu)勢(shì)還包括：降低注塑件內(nèi)應(yīng)力、減少甚至消除噴射痕和可見(jiàn)的熔接線(xiàn)，以及增強(qiáng)樹(shù)脂的流動(dòng)性，從而生產(chǎn)出薄壁產(chǎn)品等。 通常情況下，冷/熱模注塑件成型工藝適用于所有的傳統(tǒng)注塑件機(jī)。但是，如果希望模具表面得到快速加熱或冷卻，還需要配合使用特定的輔助系統(tǒng)，目前常用的輔助系統(tǒng)是高溫?zé)崴到y(tǒng)和高溫蒸汽系統(tǒng)。這些輔助系統(tǒng)中的蒸汽，要么來(lái)自外部鍋爐，要么由其自身的控制設(shè)備產(chǎn)生。早在幾年前，沙伯基礎(chǔ)創(chuàng)新塑料就開(kāi)始在日本研究冷/熱模注塑件成型技術(shù)。目前，該公司在其亞太區(qū)的開(kāi)發(fā)中心中使用的是高溫蒸汽系統(tǒng)，而在位于馬薩諸塞州匹茲菲爾德的聚合物加工開(kāi)發(fā)中心（PPDC）中，該公司則使用了德國(guó)SingleTemperiertechnik公司的高溫?zé)崴到y(tǒng)，它可以提供200℃的高溫?zé)崴?為了實(shí)現(xiàn)有效的工藝控制，模具必須配備熱電偶，并且熱電偶最好被安置在靠近模腔表面的位置，以便監(jiān)控溫度。為了確保工藝的穩(wěn)定性，注塑件模具、注塑件機(jī)和冷/熱控制器還必須集成在一起。沙伯基礎(chǔ)創(chuàng)新塑料在該工藝的生產(chǎn)體系中配備了一臺(tái)控制設(shè)備，以將各個(gè)要素有效地集成在一起。 在該工藝的開(kāi)始階段，利用在模內(nèi)循環(huán)的蒸汽或高溫?zé)崴畞?lái)加熱模腔表面，使其溫度達(dá)到高于被加工樹(shù)脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度10~30℃的水平。一旦模腔表面達(dá)到這一溫度值，系統(tǒng)便向注塑件機(jī)發(fā)出信號(hào)，以將塑料注射到模腔中。當(dāng)模腔被填滿(mǎn)（注射階段完成）后，冷水開(kāi)始在模具中循環(huán)流動(dòng)，以快速帶走熱量，從而使注塑件部件在脫模前完全冷卻。利用一個(gè)閥站，即可方便地實(shí)現(xiàn)從蒸汽或高溫?zé)崴嚼渌那袚Q，反之亦然。當(dāng)部件冷卻后，模具打開(kāi)，部件被頂出，然后重復(fù)上述過(guò)程?！?工藝優(yōu)化：模具的設(shè)計(jì)和構(gòu)造 冷/熱模注塑件成型技術(shù)的循環(huán)周期除了取決于所加工的材料外，模具的設(shè)計(jì)和構(gòu)造對(duì)其則有極大的影響。一般，加熱模具所需的時(shí)間取決于模具用鋼的總量，因此盡量減少所要加熱和冷卻的鋼材量非常重要。為了做到這一點(diǎn)，最好是將模腔和模芯嵌入到模板中，而不是穿過(guò)模板。為了減小熱損失并提高效率，還應(yīng)在任何可能的條件下，利用氣隙和隔熱材料，將這些嵌入件與模腔和模芯固定板隔開(kāi)。 除了盡可能地減少必須進(jìn)行冷/熱循環(huán)的鋼的用量外，還應(yīng)考慮使用具有高導(dǎo)熱性的金屬，如鈹銅合金或其他具有良好導(dǎo)熱性的合金來(lái)制作模具。這些金屬有助于縮短加熱/冷卻模腔表面所需的時(shí)間。此外，在模腔表面附近布置水路管線(xiàn)也可以加快響應(yīng)速度。然而，多數(shù)情況下，制品的幾何形狀不允許這樣做。盡管如此，共形冷卻方法卻極適合這種工藝，這是因?yàn)?，其管線(xiàn)的布置可以與部件表面形狀保持一致。因此，共形冷卻方法可以極大地縮短最重要位置（即模腔表面）的熱響應(yīng)時(shí)間。 就共形冷卻技術(shù)而言，它往往涉及到注塑件模的制造，或者更確切地說(shuō)是鑲嵌塊的制造。一般，通過(guò)優(yōu)化冷卻道的設(shè)置，可以?xún)?yōu)化冷卻效率，縮短生產(chǎn)周期。而傳統(tǒng)的冷卻方法很難做到這一點(diǎn)，因?yàn)橐话阒破返男螤疃己軓?fù)雜，且常規(guī)的冷卻通道只能被鉆成直線(xiàn)形。 目前，有多種模具制造技術(shù)可實(shí)現(xiàn)共形冷卻，如激光燒結(jié)和直接金屬沉積法。為了開(kāi)發(fā)用于該工藝的測(cè)試模具，沙伯基礎(chǔ)創(chuàng)新塑料的PPDC選擇了位于美國(guó)密歇根州特洛伊市的Fast4mTooling公司作為其模具供應(yīng)商。Fast4mTooling采用鋼板層壓構(gòu)造技術(shù)，設(shè)計(jì)并制造了帶有共形冷卻通道的模腔和模芯組件。 冷/熱模注塑件成型技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) 冷/熱模注塑件成型技術(shù)可以極大地提高注塑件部件的美觀(guān)性。該工藝有助于改善半晶態(tài)和非晶態(tài)樹(shù)脂制品的外觀(guān)，特別是對(duì)于非晶態(tài)樹(shù)脂尤為明顯。在注射階段，當(dāng)模具表面溫度超過(guò)非晶態(tài)樹(shù)脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，表層材料即使接觸到模具表面，也不會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)注塑件生產(chǎn)中常見(jiàn)的冷凝現(xiàn)象，從而確保了聚合物在注射階段能夠自由流動(dòng)。隨著模腔的填滿(mǎn)以及模腔內(nèi)壓力的增大，樹(shù)脂被迫流出，這有助于模腔表面的完美復(fù)制，并提高制品的表面光澤度。 對(duì)于填充型材料，被迫流出的樹(shù)脂在制品外表面上形成聚合物薄層，它可將填料（玻璃纖維、碳纖維或礦物質(zhì)等）包覆起來(lái)，從而提高了制品的光澤度并降低了表面粗糙度。研究表明，這種方法可使光澤度提高50%~90%以上?？傊?，冷/熱模注塑件成型工藝對(duì)于改善制品的表面粗糙度是非常有利的，它可使玻纖增強(qiáng)材料制品的表面粗糙度得到70%的改善。即使是無(wú)填充材料制品，其表面粗糙度也可獲得20%以上的改善。 減少可見(jiàn)的熔接線(xiàn)、射流和流痕 冷/熱模注塑件成型技術(shù)有利于改善熔接線(xiàn)的深度和可視程度。利用一個(gè)測(cè)試模具，沙伯基礎(chǔ)創(chuàng)新塑料分別采用冷/熱模注塑件成型技術(shù)和傳統(tǒng)的注塑件工藝分別加工了3種不同的材料。使用傳統(tǒng)注塑件技術(shù)生產(chǎn)的部件，其表面熔接線(xiàn)的深度介于6~13μm之間，而在采用冷/熱模注塑件成型工藝生產(chǎn)的部件上，完全看不到熔接線(xiàn)，因此也無(wú)從測(cè)量其深度。這一突破性的改進(jìn)意味著對(duì)某些產(chǎn)品的涂裝作業(yè)可以省去。 減小內(nèi)應(yīng)力 內(nèi)應(yīng)力通常是導(dǎo)致產(chǎn)品翹曲變形的主要原因之一，在某些情況下,它還有可能縮短部件的使用壽命。一般，采用傳統(tǒng)方法注塑件成型的部件具有較高的內(nèi)應(yīng)力，此時(shí)如果應(yīng)用四氯化碳（CCl4）這種廣為熟知的應(yīng)力開(kāi)裂促進(jìn)劑作溶劑進(jìn)行試驗(yàn)，就會(huì)導(dǎo)致部件的開(kāi)裂。而采用冷/熱模技術(shù)注塑件成型的制件由于具有較低的內(nèi)應(yīng)力，因此即使采用了CCl4溶劑，也不會(huì)導(dǎo)致部件的開(kāi)裂。顯然，采用冷/熱模技術(shù)注塑件成型的部件在使用前可取消退火處理。 冷/熱模注塑件成型技術(shù)的首次應(yīng)用是生產(chǎn)汽車(chē)車(chē)頂?shù)男欣钪Ъ?，該產(chǎn)品被用來(lái)替代原來(lái)的金屬制件。沙伯基礎(chǔ)創(chuàng)新塑料采用了玻纖增強(qiáng)Xenoy*1760樹(shù)脂（即11%玻纖增強(qiáng)PC/PBT）來(lái)生產(chǎn)該行李支架部件。當(dāng)采用傳統(tǒng)的注塑件成型工藝時(shí)，制品表面出現(xiàn)了明顯的噴射痕和熔接線(xiàn)，以至于無(wú)法滿(mǎn)足表面質(zhì)量要求。同時(shí)，玻纖增強(qiáng)材料還使得制品表面非常粗糙，因此需要在上漆之前進(jìn)行打磨。而采用冷/熱模注塑件成型技術(shù)后，上述各種表面質(zhì)量問(wèn)題都得以避免，從而滿(mǎn)足了高表面質(zhì)量的要求。 總之，當(dāng)使用PC、PC/ABS和PC/PBT等材料生產(chǎn)電視屏幕邊框、導(dǎo)光板、汽車(chē)音響組件和筆記本電腦外殼等產(chǎn)品時(shí)，利用冷/熱模注塑件成型工藝，可以最大程度地減少影響制品外觀(guān)的質(zhì)量問(wèn)題。
