注塑生產(chǎn)新技術(shù)

1、實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案注塑成型新技術(shù)高分子材料的成型方法主要有擠出成型、注塑成型、吹塑成型、 壓延成型、壓制成型等，其中，注塑成型因可以生產(chǎn)和制造形狀較為復(fù)雜的制品、 易于與計(jì)算機(jī)技術(shù) 結(jié)合、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，在高分子材料的成型加 工中占有極其重要的位置。注塑成型技術(shù)廣泛應(yīng)用于汽車、家電、電子設(shè)備、辦 公自動(dòng)化設(shè)備、建材等諸 多領(lǐng)域。近年來，這些工業(yè)領(lǐng)域迅速發(fā)展，給注塑成 型技術(shù)的發(fā)展提供了強(qiáng)大的推動(dòng)力，使注塑成型技術(shù)在發(fā)展速度上、水平上都得到了迅猛的發(fā)展，特別是對(duì)于注 塑成型新技術(shù)的發(fā)展更是起到了強(qiáng)大的推動(dòng)作 用。本文著眼于注塑成型新技術(shù)的最新發(fā)展動(dòng)向，介紹了幾種用途較為廣泛的注 塑成型新技術(shù)

2、。近幾年來，注塑成型新技術(shù)發(fā)展動(dòng)向主要集中在：新型氣輔注塑成型技術(shù)、多組分注塑成型新技術(shù)、微孔發(fā)泡注塑成型技術(shù)、微注塑成型技術(shù) 等方面。1新型氣輔注塑成型技術(shù)氣體輔助注塑成型技術(shù)(Gas-assisted InjectionMoldingTechnology)是自往復(fù)式螺桿注射機(jī)問世以來，注塑成型技術(shù)最重要的發(fā)展之一。它通過高壓 氣體在注塑制件內(nèi)部產(chǎn)生中空截面，利用氣體積壓，減少制品殘余內(nèi)應(yīng)力，消除制品 表面縮痕，減少用料，顯示傳統(tǒng)注塑成型無法比擬的優(yōu)越性。一般氣體輔 助注塑成型的過程是：先向模具型腔中注入經(jīng)過準(zhǔn)確計(jì)量的塑料熔體，再直接注入壓縮氣 體；氣體在塑料熔體的包圍下沿阻力最小的方向擴(kuò)散

3、前進(jìn)，對(duì)塑料熔 體進(jìn)行穿透和排空，作為動(dòng)力推動(dòng)塑料熔體充滿模具型腔并對(duì)塑料熔體進(jìn)行保 壓，待制品冷卻凝 固后再開模頂出。近年來，氣體輔助注塑成型技術(shù)發(fā)展迅速， 出現(xiàn)了一些創(chuàng)新性技術(shù)，如水輔助注塑成型技術(shù)、冷卻氣體氣輔技術(shù)、氣輔共注 成型技術(shù)、外部氣輔注塑技術(shù)及振動(dòng)氣輔技術(shù)等。1.1水輔助注塑成型技術(shù)水輔助注塑成型技術(shù)(Water-Assisted Injectio n Moldi ng Tech no logy)是以德國(guó)Aachen大學(xué)塑料加工研究所為代表的研究人員基于氣輔成型原理開 發(fā)出的新的注塑成型技術(shù)。由于氣體的熱容量比較小、導(dǎo)熱性差，氣體輔助注塑時(shí)，制件相當(dāng)于單面冷 卻，因而其成型周期

4、往往比普通注塑長(zhǎng)。水輔助注塑成型技術(shù)的原理與氣體輔助注塑成型技術(shù)基本相同，只是用水代替氣體注入熔體中 心。其工藝過程為：（1）將熔體注滿型腔，進(jìn)行短暫保壓；（2）將水注入熔 體中心，在水的壓力下，制件中心的熔體倒流回注塑系統(tǒng)；（3）經(jīng)過一段時(shí)間保壓后，減壓將水排出制件。排水所需的壓力可以由水的蒸發(fā)產(chǎn)生，或者通過加入水中的CO的蒸發(fā)產(chǎn)生。在注塑直徑為30mm勺PP中空制件的比較實(shí)驗(yàn)中發(fā) 現(xiàn)，水輔助注塑的冷卻時(shí)間比氣體輔助注塑減少了75%按照成型工藝過程的不同，水輔助注塑成型有短射（欠料注塑）法、返流法、溢流法和流動(dòng)法4種工藝 方法1 o1.2冷卻氣體氣輔成型技術(shù)在氣輔成型過程中，盡管氣體輔助成型

5、降低了塑件的壁厚，但在工 藝過程中，冷卻階段在成型周期中所占比例最大。當(dāng)氣體（氮?dú)猓⑺芗┩笗r(shí)， 其冷卻作用是非常小的。如果制品在脫模時(shí)冷卻不夠充分，則內(nèi)部殘余熱量會(huì)形 成表面再結(jié)晶，從而導(dǎo)致制品質(zhì)量降低或者變形，嚴(yán)重的時(shí)候制品內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)氣泡。為避免以上情況的發(fā)生，可以采取延長(zhǎng)模具冷卻時(shí)間或使用次級(jí)冷卻裝置 的措施，但會(huì)增加成本。冷卻氣體輔助成型技術(shù)便是針對(duì)以上的問題而出現(xiàn)的一種新的氣輔成型方法。在冷卻氣體輔助成型工藝中，氣體通常被冷卻至-20r 180°C。冷卻氣體形成的過程是：常溫氣體通過一個(gè)腔室，在其中被液氮冷卻。 這種冷卻氣體輔助成型技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)在于：當(dāng)冷卻氣體穿透熔體時(shí)

6、，在模腔內(nèi)會(huì)產(chǎn)生塞流效應(yīng)，塞流產(chǎn)生的殘余壁厚比傳統(tǒng)氣體輔助成型要小；冷卻氣體也防 止了制件內(nèi)部起泡，并能產(chǎn)生較光滑的內(nèi)表面 2 o1.3氣輔共注成型技術(shù)氣輔共注成型技術(shù)（Co-lnjection and Gas-Assisted InjectionMolding ）是將聚合物共注成型技術(shù)與氣輔技術(shù)相結(jié)合而得到的一種新工藝。聚 合物共注成型技術(shù)是同時(shí)或者先后向模腔內(nèi)注入不同的聚合物熔體，形成多層 結(jié)構(gòu)的一種成型技術(shù)，而與共注成型工藝相比多了一個(gè)注氣過程；相對(duì)氣輔成型而言，則多了一個(gè)多層結(jié)構(gòu)的形成過程3-5 o氣輔共注成型的過程包括三個(gè)階段：（1）共注塑階段。此階段與一般共 注成型工藝類似，只是在

7、形成表/內(nèi)層結(jié)構(gòu)后，當(dāng)表層和內(nèi)層所注入的材料總量 占型腔總體積一定比例時(shí)，停止注塑熔體，此過程可謂氣輔過程的“欠料注塑”， 只是注入兩種以上的熔體；（2）氣 輔注塑階段。氣體對(duì)內(nèi)層熔體進(jìn)行穿透，隨 著氣體的推進(jìn)，被氣體“排擠”的內(nèi)層熔體又帶動(dòng)表層熔體向前流動(dòng)；（3）保壓冷卻，釋壓脫模，獲得制品。為了實(shí)現(xiàn)聚合物的氣輔共注成型，必須對(duì)原有共注成型設(shè)備進(jìn)行改造，即在共注成型設(shè)備的基礎(chǔ)上增加一套氣輔系統(tǒng)。1.4外部氣體輔助成型技術(shù)外部氣體輔助注塑成型技術(shù)（External Gas Molding Technology）是與傳統(tǒng)的內(nèi)部氣體注塑成型不同的一種氣體輔助注塑方法 。傳統(tǒng)的氣體輔助成 型技術(shù)是將

8、氣體注入塑料熔體內(nèi)以形成中空的部位或管道， 而新型氣輔成型技術(shù) 是將 氣體注入模腔表面的局部密封位置中（相當(dāng)于在塑料熔體外部），故稱之為“外氣注塑” 6。1.5振動(dòng)氣輔成型技術(shù)一般的氣體輔助注塑成型屬于非動(dòng)態(tài)成型工藝，而振動(dòng)氣體輔助注塑 成型(Vibrated Gas-Assist Molding)工藝最大的不同便是引入振動(dòng)波，使常規(guī) 氣體輔助注塑成型時(shí)注入的“穩(wěn)態(tài)氣體”，變?yōu)榫哂幸欢ㄕ駝?dòng)強(qiáng)度的“動(dòng)態(tài)氣體”， 從而利用氣體作為媒介將振動(dòng)力場(chǎng)引入到氣輔注塑成型的充模、保壓和冷卻過程中，使其成為動(dòng)態(tài)的成型工藝7。2多組分注塑成型技術(shù)多組分注塑(Multi-Component InjectionMo

9、lding )是由至少兩種不同的材料通過注塑成型得到所需部件的加工過程，其整合各組分的優(yōu)越性能，可 以生產(chǎn)普通單組分注塑過程無法實(shí)現(xiàn)的特殊性能制品。這種由兩種或更多種材料組成的產(chǎn)品，與傳統(tǒng)的由一種材料成型的注塑產(chǎn)品相比具有不同的物理特性。 多組分注塑成型的獨(dú)特之處在于8: (1)可將不同加工特性的材料復(fù)合成型；(2)提高制品手感和外觀，集多種性能于一體；(3)縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及 成型周期，降低了成本；(4)省略了傳統(tǒng)注塑成型后二次加工、裝配的過程。2.1多組分注塑成型工藝當(dāng)前，多組分注塑成型主要有共注塑成型、三明治成型、雙色注塑 成型、包覆成型、多色注塑成型等技術(shù)9，而根據(jù)各組分在其成型

10、過程中結(jié)合 形式的不同，大致可分為順序注塑成型和疊加注塑成型兩大類。順序注塑成型順序注塑成型是指依次注入物料的工藝過程，這一過程是通過特 殊的多組分噴嘴來實(shí)現(xiàn)的。其過程是先向模腔中注入第一種熔融組分形成制品表 層，然后通過切換多 組分噴嘴的切換閥，注射第二種組分，形成制品的內(nèi)核部 分，其過程如圖1所示。就常見的雙組分夾芯注塑來說，可以將兩組分某方面 的性能互補(bǔ)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，以達(dá)到單組分制品無法獲得的性能。順序注塑成型應(yīng)用最多的有以下三大類：(1)對(duì)于大體積制品，內(nèi)核利用回收的物料，而外層為起裝飾作用的新材料；(2)對(duì)于要求承受彎曲應(yīng)力等載荷的制品，其外層使用 玻纖增強(qiáng)材料，而內(nèi)核可以 采用非增強(qiáng)

11、材料；(3)對(duì)于厚壁制品，常使用發(fā)泡 物料制成其內(nèi)核10-11。圖1順序注塑成型示意圖Fig.1 The schematic diagram of sequenee injection molding疊加注塑成型疊加注塑成型過程是通過不同的澆口或流道將多種組分 （通常是兩種） 注塑到一起，或者將一種組分疊加在另一種組分之上。與順序注塑成型相比，其關(guān)鍵在于模具部分的改進(jìn)和變化。疊加注塑成型又可分為“熔融/熔融”注塑成型和“固體/熔融”注塑成型兩種10?！叭廴?熔融”注塑成型也就是一般說 的共注塑成型，其特點(diǎn)是同時(shí)把兩種熔融組分經(jīng)由不同的澆口注入模腔?！肮腆w/熔融”注塑成型的特點(diǎn)是在第一種熔融組分

12、部分固化后，再注塑第二種，甚至第三種、第四種組分。如模內(nèi)自組裝注塑成型，是在第一種組分完全固化后，通 過內(nèi)部 或外部的傳遞機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)移至下一成型位置，注入下一組分，實(shí)現(xiàn)多組分注 塑，如圖2所示10,12?？係2«內(nèi)自組裝注塑成型示Fig.2 The schematic dfagram of norm inner self-assembledinjection molding圖2模內(nèi)自組裝注塑成型示意圖Fig.2 The schematic diagram of n orm inner self-assembled injectio n moldi ng2.2多組分注塑成型設(shè)備不同的成型工

13、藝需要由對(duì)應(yīng)的成型設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。對(duì)應(yīng)于上述多組分注 塑成型工藝的分類，相應(yīng)成型設(shè)備的注射單元的主要形式有：（1）數(shù)個(gè)注射單元水平方向相互 平行或互成一定角度的布局（L型或V型）設(shè)計(jì)或在豎直面內(nèi) 垂直分布；（2）兩個(gè)注射單元共用一個(gè)噴嘴，注塑部分允許兩種組分交替順序 注塑或間歇順序注塑。多組分成型設(shè)備的代表有德國(guó)（Krauss Maffei） 克勞斯?瑪菲公司的Revolution 旋轉(zhuǎn)壓板雙組分注塑系統(tǒng)等13。2.3多組分注塑成型技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)隨著塑料注塑制品的廣泛應(yīng)用，多組分技術(shù)在當(dāng)代注塑技術(shù)中具有巨 大的機(jī)遇和希望。與單一組分的普通注塑技術(shù)相比，多組分技術(shù)在設(shè)計(jì)和功能上 具有明顯的優(yōu) 勢(shì)。不

14、同熱塑性塑料共成型、彈性體塑料和熱固性塑料共成型、 超壁雙組分成型、裝飾性襯里成型等是多組分技術(shù)的趨勢(shì)14。另外，用多組分 技術(shù)制出的具有 磁性、導(dǎo)熱或?qū)щ娦缘忍畛湫凸δ軣崴苄运芰现萍渤蔀楫?dāng)前 研究熱點(diǎn)。3粉末注塑成型技術(shù)粉末注塑成型（Powder Injection Molding）是將現(xiàn)代塑料注塑成型技 術(shù)引入粉末冶金領(lǐng)域而形成的一門新型粉末冶金成型新技術(shù)。它是塑料成型工藝 學(xué)、高分子化學(xué)、粉末冶金工藝學(xué)和金屬材料學(xué)等多學(xué)科滲透與交叉的產(chǎn)物，利用模具注塑成型坯件，并通過燒結(jié)快速制造高密度、高精度、三維復(fù)雜形狀的 結(jié)構(gòu)零件，能夠快速準(zhǔn)確地將設(shè)計(jì)思想物化為具有一定結(jié)構(gòu)、一定 功能的制品，并可

15、直接批量生產(chǎn)出零件，是制造技術(shù)行業(yè)一次新的變革。3.1粉末注塑成型的工藝過程及技術(shù)特點(diǎn)粉末注塑成型的工藝流程，如圖3所示。（1）選取符合粉末注塑 成型技術(shù)要求的金屬粉末和有機(jī)黏結(jié)劑；（2）在一定溫度下，采用適當(dāng)?shù)姆椒?將粉末和黏結(jié)劑混合成均勻的喂料；（3）用注塑成 型機(jī)將制成粒狀后的喂料注 入模腔內(nèi)后冷凝成型，得到成型坯件；（4）對(duì)成型坯件進(jìn)行脫脂處理；（5）燒結(jié)成型坯件，得到最終產(chǎn)品。圖3粉耒注塑成型的工藝潦程Fig.3 The flow chart of powder Injection molding圖3粉末注塑成型的工藝流程Fig.3 The flow chart of powder

16、injection molding粉末注塑成型技術(shù)在制造具有復(fù)雜形狀、均勻組織結(jié)構(gòu)和高性能、高 強(qiáng)度、高精度的產(chǎn)品方面顯示了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。不僅具有常規(guī)粉末冶金工藝工序少、 無切削或少切 肖U、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)，而且克服了傳統(tǒng)粉末冶金工藝制品、材 質(zhì)不均勻、機(jī)械性能低，不易成型薄壁、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，特別適合于大批量生 產(chǎn)小型、復(fù)雜形狀以 及具有特殊要求的金屬零件，采用粉末注塑成型進(jìn)行大批 量生產(chǎn)有較大的成本優(yōu)勢(shì)，生產(chǎn)成本只有傳統(tǒng)工藝的20%60%粉末注塑成型技術(shù)的出現(xiàn)，給各行各 業(yè)設(shè)計(jì)和制造人員提供了嶄新的設(shè)計(jì)思路和制造技術(shù)，采 用粉末注塑成型技術(shù)可以大膽采用原來由于可加工性和加工經(jīng)濟(jì)性差而不得不

17、 放棄的一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的設(shè)計(jì)方案。還可使原來由于加工困難、而不得不采用的組合件、拼裝件進(jìn)行一次復(fù)合完成加工15-16。3.2粉末注塑成型工藝的新發(fā)展近幾年，粉末注塑成型技術(shù)得到快速發(fā)展。其最大特點(diǎn)是粉末注塑成 型技術(shù)與其他成型技術(shù)相結(jié)合，得到了許多優(yōu)異的產(chǎn)品。微型注塑成型和雙組分 注塑成型與粉末 注塑成型結(jié)合：以微型拉伸試樣作為研究對(duì)象，證明雙組分注 塑成型粉末產(chǎn)品切實(shí)可行，開發(fā)的產(chǎn)品實(shí)例為一種微型加熱針。Arburg公司注塑了質(zhì)量為0.0679g的陶瓷產(chǎn)品，用作絕緣材料17-18。振動(dòng)輔助注塑成型：殷 小春等19對(duì)振動(dòng)輔助注塑成型應(yīng)用于金屬粉末注塑成型過程進(jìn)行了研究。結(jié) 果表明：振動(dòng)力場(chǎng)可以使

18、不同徑向位置處的模腔最大壓力隨振動(dòng)振幅、頻率的增加而減小，從而可 以在不影響制品性能的條件下降低注塑成型壓力，以拓寬金 屬粉末注塑成型的適用范圍。今后，粉末注塑成型技術(shù)研究和開發(fā)的主要方向是：開發(fā)高效、低成本 的預(yù)混合粉生產(chǎn)技術(shù)；研究和開發(fā)工藝性能更佳的新型黏結(jié)劑，建立起黏結(jié)劑設(shè)計(jì)原理和數(shù)據(jù)庫20;開發(fā)粉末注塑成型過程模擬與仿真技術(shù)，為模具設(shè)計(jì)和 注塑工藝制定奠定理論基礎(chǔ)；發(fā)展低溫、快速脫脂和低溫?zé)Y(jié)技術(shù)，減小缺陷和 變形。4微孔發(fā)泡注塑成型微孔泡沫塑料（MCF）是指微孔直徑為0.110.0卩m微孔密度達(dá)1091015個(gè)/cm3，材料密度比發(fā)泡前減少5%98%的勺泡沫塑料。與不發(fā)泡塑料相比，

19、微孔泡沫塑料具有優(yōu)良的沖擊性能、高疲勞壽命、低介電常數(shù)和熱導(dǎo)率。由于微 孔發(fā)泡塑料達(dá)到了既降低材料的成本又提高其性能的雙重效果，性價(jià)比更高，因此具有極大的應(yīng)用前景。利用氣體超臨界液體狀態(tài)在整個(gè)聚合體中產(chǎn)生分布均 一和尺寸統(tǒng)一的微小的氣孔（根據(jù)聚合體不同的材質(zhì)及應(yīng)用，其尺寸通常為5io0卩m是微孔發(fā)泡注塑成型的技術(shù)特點(diǎn)。 微孔發(fā)泡注塑成型技術(shù)與傳統(tǒng)塑料 發(fā)泡技術(shù)比較21，既不需要化學(xué)發(fā)泡劑，也不需要以烴基為原料的物理催化劑、泡沫劑及其他助劑。合理利用微孔注塑成型技術(shù)可以擴(kuò)大產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式、 提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本。按照成型過程的連續(xù)性，可將微孔發(fā)泡注塑成型工藝分為間隙式微孔發(fā)泡塑料注塑成型和連

20、續(xù)微孔發(fā)泡塑料注塑成型。4.1間隙式微孔發(fā)泡塑料注塑成型間隙式微孔發(fā)泡塑料注塑成型是早期進(jìn)行微孔注塑成型的一種方法， 工藝過程22-23是先在高壓下使氣體（C02）均勻地溶解于固態(tài)聚合物中（在聚 合物玻璃態(tài)下進(jìn)行），形成固態(tài)聚合/氣體飽和體系，加熱至熔融狀態(tài)。然后在 高壓下注塑成型，并降低溫度和壓力至某一狀態(tài)，使聚合物熔體中的氣體過飽和， 析出形成大量的氣泡核，最后快速冷卻阻 止氣泡生長(zhǎng)，由此成型微孔發(fā)泡塑料。 這種利用壓力使惰性氣體滲入固態(tài)聚合物中成型微孔泡沫塑料的方法只適用于 間歇式生產(chǎn)，生產(chǎn)效率比較低，不及其他連續(xù)的微孔發(fā)泡注塑技術(shù)。4.2連續(xù)微孔發(fā)泡塑料注塑成型美國(guó)Trexel公司提供

21、的MuCell技術(shù)24被認(rèn)為是第一種適合市 場(chǎng)推廣的微孔發(fā)泡注塑技術(shù)，其工藝過程可以分為以下4步：（1）超臨界狀態(tài)下的氣體（如CO2）在螺桿后退階段通過機(jī)筒注塑進(jìn)入聚合物熔體中，形成單相溶液；（2）當(dāng)高壓下機(jī)筒內(nèi)的熔體注塑進(jìn)人壓力較低的模具時(shí)，由于壓力變化， 單相溶液經(jīng)歷熱力學(xué)不 穩(wěn)定的狀態(tài)，大量的成核點(diǎn)形成泡沫氣室；（3）氣體擴(kuò)散到泡沫中，引起氣泡膨脹；（4）當(dāng)氣泡長(zhǎng)大到一定尺寸時(shí)，冷卻定型。MuCell 在注塑成型技術(shù)上的突破，為注塑制品生產(chǎn)提供了其他注塑工藝所不具有的巨大 能力，為新型制品設(shè)計(jì)、優(yōu)化工藝和降低產(chǎn)品成本開拓了新的途徑。其他連續(xù)微孔發(fā)泡塑料注塑成型工藝有：Ergocell微孔

22、發(fā)泡塑料注塑成型 24、超臨界流體微孔發(fā)泡塑料注塑成型25等。5微注塑成型技術(shù)近年來，微系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用已從微電子元件、微型光學(xué)儀器、微型醫(yī) 療儀器、微型傳感器擴(kuò)展到磁盤讀寫裝置、噴墨打印等。為了能夠生產(chǎn)具有實(shí)用 價(jià)值的微細(xì)組 件，許多新興制造技術(shù)隨之產(chǎn)生，包括光刻，電鑄及脫模技術(shù) （LIGA）、紫外光蝕刻技術(shù)（UV）、放電加工（EDM）微注塑成型、精密磨削和精密 切削等26-27。其中，微注塑成型技術(shù)以容易實(shí)現(xiàn)低成本大規(guī)模生產(chǎn)具有精密 微細(xì)結(jié)構(gòu)零件的優(yōu)點(diǎn)，成為世界制造技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一28-29。5.1微注塑成型技術(shù)的工藝特點(diǎn)微注塑成型的工藝過程，如圖4所示。與普通注塑成型相比，具有如下的優(yōu)點(diǎn)：（1）原料利用率提高。微注塑系統(tǒng)可以顯著縮小流道的尺寸， 從而提高原料的利用率；經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)的流道，其物料利用率可達(dá)60% （ 2）制品精度高?？煽刂频淖⑸淞?、縮小的澆口和流道都有利于提高制品的精度，目前微注塑制品的尺寸誤差可控制在 0.01mm之內(nèi)，質(zhì)量誤差不超過0.00008g ;（3） 生產(chǎn)周期縮短。澆口、流道尺寸縮小及變溫控制系統(tǒng)加快了制品的充模、冷卻速度，縮短了成型周期。一般采用用 微注塑成型的零件，其成型循環(huán)時(shí)間較從前 縮短40%左右30-31。VW圖4徽型注雖的工藝過Fig.4 The process