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一文看懂低压注射成型工艺关键技术(杨氏注塑法)
信息来源:本站 作者:xiaohe 更新日期:2018-3-6 16:25:55
传统的注射成型过程可分为控制熔体入口速度的充填过程和控制熔体入口压力对塑料冷却收缩进行补料的保压过程。充填过程中熔体的入口速度是一定的,随着充填过程的进行,熔体在模腔内的流动阻力逐渐增加,…


传统的注射成型过程可分为控制熔体入口速度的充填过程和控制熔体入口压力对塑料冷却收缩进行补料的保压过程。充填过程中熔体的入口速度是一定的,随着充填过程的进行,熔体在模腔内的流动阻力逐渐增加,因而熔体人口压力也容易随着增高,在充缜结束时人口压力出现较高峰值。由于高压在型腔内的作用,不仅会造成熔料溢边、胀摸等不良现象,而且会使塑料件内部产生较大内应力,塑料件脱模后易出现翘曲和变形,使塑料件形状精度和尺寸精度难以满足较高要求,在使用过程中也易出现开裂现象。为了抑制塑料件在充填过程中形成的残余应力,将塑料件的变形限制在最小的范围内,以成型塑料件所需的最低压力进行充填,且使充填压力恒定,称为低压注射成型(LPIM)。


低压注射成型技术可用来保护传感器、马达、开关、光纤设备、连接器、PCB 板、继电器、电子部件以及燃料电池。此工艺对于温度敏感性部件与复杂形状部件来说是相当理想的,已经在很多行业中得以成功应用,包括家电、汽车、电子、航海、医疗以及长途通信等行业。


低压注射成型是相对于普通注射成型的一个新概念,而且是一个系列的综合概念,不仅涉及如何制造和控制设备,更涉及如何在较低的限定臣力和锁模力条件下制造塑料件。该技术最初于20世纪80年代起源于欧洲的汽车工业,到目前为止在欧美、日韩等的汽车工业领域和电子电气领域已经成功应用了十几年,在我国目前尚处在初步阶段。其工艺包括成型与用熔化的热塑性热熔胶封装现有部件。此工艺包含四个关键技术:原材料、模具、设备及应用技术。


1.原材料

(1)热塑性塑料     

低压注射成型对材料的加工适应性范围很宽,热塑性塑、热固性塑料、塑料合金和共混料、再生热塑性塑料甚至橡胶,都可采用低压注射成型方法加工。


由于材料在加工过程中受到的机械应力和热应力影响较小,材料的性能不会因受到过分剪切和热降解而降低 能较好地保持性能。由于LPIM 能保护其加工材料的性能,可采用较低成本的替代材料,在材料成本上有着极大的优势。

聚丙烯是LPIM的典型材料之一。由于残余的加工应力很小,能降低材料成本,提高材料的物理性能及力学性能,在越来越多的应用领域受到欢迎,并将逐步替代高成本原料。


低压注射成型非常重要的一类开发产品是单一塑料原料的汽车内饰件、单一塑料原料制造内饰件懿体现明显的制造经济性,而且能回收利用。聚丙烯非常适合作此用途,尤其是能将各种织物和薄膜模压到聚丙烯制件上。模内复合可省去复合所必需的粘合,节约材料成本和生产成本;在回收造粒时不释放有害气味,从环保的角度考虑更是一个值得欢迎的积极因素。


(2) 热固性塑料


热固性塑料注射成型存在几个问题,一是溢料;二是对模具的磨损;三是成型周期的时间临界现象,该问题较严重。熔融状态的热固性塑料会迅速开始固化,如果存在任何延迟,材料在尚未离开机筒或注嘴时即会出现硬化。一旦出现这种情况,生产线就必须立刻停车进行清理。


(3) 填充材料


LPIM也适合加工各种填充树酯。混合材料经塑化和均质化以确保熔体的均质性。有许多研究已证实低压注射成型具有若于有利于加工的特征,如较低的机头压力、较大的浇口尺寸、较低的螺杆转速和较低的材料粘度,这些都有利于减小对注射制件配方中的纤维长度的破坏。纤维长度对树脂的增强效果有很大影响。


(4) 回收利用材料


低压注射成型的成功应用,在材料回收利用方面取得了重大突破。最值得重视的是混合回收材料的应用。由于混合物的不可预见性和混合物成分的多样性,各种成分都具有各自的加工参数,加工混合的塑料废弃物将面临独特的挑战。多数混合塑料废弃物中含有边角料、纸和木头的碎片,甚至还有少量金属物。


采用低压注射成型成功地加工再生塑料,需要对熔体的塑估和均质化给予特别的关注。通过调节螺杆转速和机头压力,将混合塑料充分塑化,尽量减少不必要的降解,经充分塑化的熔体被注入模腔,制成所需的制件。由于这样制成的制件可能外观较差,所以加工过程中一般都配备复合成型装置,对制件做进一步的表面装饰处理,多数是进行模压贴膜。


控制混合塑料废弃物的塑化和均质化对加工的成功与否很关键,因此需要配置专门的控制软件。此软件对从混合粉碎料进入料斗开始,到制件从模具中技顶出的整个生产过程提供复杂的信号反馈和调节,为了对混合过程中的熔体温度变化进行补偿,需要对螺杆进行更精密的控制。


某些条件下可能需要对设备的进料段进行特殊的改造。以便能适应不同尺寸的塑料颗粒。低压注射成型对所用材料都有很大的选择余地,而所选的材料不但能通过低压注射成型加工,而且其制件能够被模压进行表面处理。利用回收聚乙烯混合料经低压注射成型的塑料托盘是一个早期的成功例子。


配置复合成型装置生产的建筑用模板和汽车部件都有令人满意的外观;低压注射成型还能采用回收地毯粉碎料生产渔用托盘;采用木质纤维和混合塑料废弃物可生产用于铺地和墙壁装饰的塑料放瓷砖,木质纤维的质量分数最高可达35%。


2.模具


由于低压注射成型中采用的模具不受极端压力的影响,因而模具的制造材料可采用有利于传递的铝或者铜-铍合金等,或采用能浇铸预成型形状的铜、铝、镍的合金。甚至水泥模具也能用来模制样件,水泥可实施快速周转,对于小规模生产可实现低成本操作。


模具还可采用能在高精度产品、大规模生产中发挥优势的工程陶瓷材料制造,这类材料易于模具的设计、开发和加工制造,可以大大节约材料成本和开发周期。


在低压条件下注射成型可采用自锁模具。自锁模具使注射成型优良突破性发展,实现了大规模的、复杂的、深拉伸制件加工的注射成型。对于诸如电冰箱内衬、电器外壳、汽车仪表板和浴缸等制件的注射成型,一般都需要如真空成型、反应注射成型、片料成型、滚铸成型或手工铺叠生产速度慢、劳动强度大的加工方法。如果这些制件的成型采取常规注射成型方法,由于所需要的锁摸力太大,所需的设备非常昂贵。采用自锁模具实现低压注射成型可使问题大大简化。


自锁模具可置换注射机上的整个锁模装置,可去掉连杆和模板。自锁模具置于一个样实的工作台上,模具静止的一半安装在平台的一端,并顶住注射浇口,另一半则在轨道上前后滑动。液压锁模装置安装在固定一侧的角上。随着移动半模的边缘与液压锁模装置接触,其突出部分被锁定,并使模具保持闭合状态,解除锁摸则由相反的动作完成。液压锁定装置的规格和数量决定于模具的规格和所需的锁模力。由于高压注射成型采取高的注射压力和高的保压力,所以自锁模具不能用于高压注射成型。


活动自锁模具易于操作,也可安装复杂的机械手:由于去掉了沉重的模板和连杆,模具的构件(如顶出系统和热流道等)可设计得更为简单,更容易改进。较低的注射压力和锁模力,以及省却了连杆和模板,意味着重量减轻,只需投入较低的模具成本即可。


锁模力


将LPIM和普通注射成型进行简单对比,LPIM的显著优点是节省投资,因为其锁模力低而无需大型、坚固的设备。一台单工位低压注射机能与一台标准500~700t高压注射机竞争。


在低锁模力下操作时,意味着必须设定有关注射速率、压力分布、注料形态和模具对正等预警措施,以确保模具处于闭合状态。LPIM的锁模力应着重模具的边框和分型线。这样能减少射料杆压力的50%~80%,而且在分型线处没有溢料。


与此相反,常规注射设备必须施加液压力,这可能导致制件的拱形形变和分型线的不完全定位,为确保分型线的最佳结合和避免模具溢料,常规注射成型就必须施加很高的锁模力,必然也会大大增加设备投资。


3.设备


为了实现低压成型,需对传统注射机的注射系统进行必要的改进,目前国外已开发出多腔液压注射系统,其主要功能如下:


1) 在同一油压下可多级变换最高注射压力。2) 可在低注射压力下实施高速注射。


(2) 多工位设备。多工位注射成型设备包括一台单螺杆注射机和2~6个分开设置的模具工位,注射装置旋转或利用轨道从一个模具滑向另一个模具。当一个制件在模具中冷却固化时,另一个新的制件已在注射之中。该系统的设计特点是注射机无空转时间,但是所设计循环时间必须足以利用全部的性能优势。多工位设备能将工位顺序智能程序化,并能在各工位模塑不同重量的制件。


4.应用技术

(1) 复合注射成型


低压注射成型最成功的应用实例是将塑料注射复合在织造或非织造布、薄膜、金属或木头上。复合注射成型或简单复合注射成型也称为复合材料成型或背衬注射成型。此加工方法不仅能减少生产成本,减轻制件重量,而且能扩展设计的灵活性,并能采用较便宜的树脂原料。


复合注射成型涉及非背衬织物在摸内的固定以及闭模后向模腔内注射精确量的熔融塑料。在注料过程中适当地控制压力和注射量,能确保模内的背衬织物不被损坏,同时确保注射过程中无溢料现象。


以复合注射成型塑料椅为例,将装饰织物展铺于凹模腔,中间填充发泡材料置于装饰织物背后,基衬织物紧绷在模具的凸模上;紧接着模具闭合,将基衬织物和面饰织物之间的填充发泡层压实;然后塑料被注入模腔,基衬织物、填充层以及装饰织物被粘合在一起,完成复合注射成型。成型工序完成后,椅子从模具中取出,外界压力的突然降低使中间填充层随即膨胀发抱,将面层充实。


由于低压注射成型无需多层织物和特殊的织物背胶,塑料和织物复合后的重量和成本方面都有可观的节省。由于没有胶水的存在,设计产品时可选择成本较低、材质较轻的树脂。聚丙烯是设计此类产品时考虑较多的原料之一。由于聚丙烯本身是一种较理想的粘合树脂,粘合的相容性不再是生产和设计中的一个问题,不必过多顾及。重量成本、材料成本以及人工成本累积节约,可体现出整个制件的成本降低。


从性能上看,低压复合注射成型在很大程度上与纤维增强的普通复合注射相类似,塑料制件的结构中国有织物的存在而使冲击强度等性能得到了增强。甚至复合注射成型在很大程度上与纤维增强的普通复合注射相类似,塑料制件的结构中因有织物的存在而使冲击强度等性能得到增强。甚至金属丝网或金属纤维亦能够被塑料包覆,所获得的制件具有特别高的强度和耐穿刺性。


由于非织造布增强是一种连续的两维增强,就重量而言,与玻璃纤维增强相比,所需纤维甚少。鉴于腐蚀性的玻璃纤维不属于熔体流的一部分,不随熔体流与螺杆发生摩擦,从口模流出,因而不存在对螺杆、机筒甚至模具的磨损。


(2) 低压热熔胶注射成型(电子产品的封装)


低压热熔胶注射成型技术在欧美和日本已经广泛应用于汽车电子零部件制造行业。在国内也有多家外资企业应用此技术,用于汽车电子零部件的生产。涉及的产品包括汽车线束的索环、各种传感器、各种微动开关、插头以及其他有防震、防潮、防油、抗化学腐蚀等要求的电子零部件等。


低压热熔胶注射系统由热熔胶机、工作控制台、模具组成。它的一般工艺流程为:


热熔胶机加热热熔胶→齿轮泵输出→输胶管→注射喷头→模具


低压热熔胶注射成型技术采用可调节输出压力、精密输出计量的热熔胶机,以确保注射精度;具有控制调节注射过程中的温度、压力、流量和时间等参数的工作控制台;模具价格远远低于传统注射工艺。


低压热熔胶注射成型技术使用的模具可以使用航空锅来制作。由于注射压力低,需要的合模压力很低,一般手工锬模就可以满足要求。另外,根据零件尺寸的大小,可以选择二模多腔或者一模一腔。还可以根据实际情况选择是否对模具进行冷却。


低压热熔胶注射成型技术使用专用的热熔腕。这种特殊的热熔腔材料粘度低,流动性很好,不用高压就可以注满很小的空间;它对PVC、PA66、PC、ABS、金属等材料有很好的粘接性能,注射后可以达到很好的密封效果,能够有效地抵抗各种化学腐蚀、防潮和抗震。耐温性是这种特殊热熔胶的另外一个特性,它可以在工作环境温度范围为-40~150℃的场合使用。


(3) 陶瓷的低压注射成型


陶瓷注射成型制得的坯体接近制品最终形状,适于高尺寸精度、复杂形状制品的大批量生产,易实现生产自动化。然而,传统陶瓷注射成型需加入大量聚合物在高压下注射,脱脂过程复杂且耗时,并且对设备要求高。而低压注射成型是生产复杂形状陶瓷的高效、低成本的近净尺寸成型方法。与传统注射成型工艺相比,低压注射成型技术的设备和模具成本很低,尤其在制备少量特殊形状零件时可较大程度地降低成本。


另外,低压注射成型过程中成型温度和压力低,且脱脂相对容易,通过热激活的毛细流动,可以很容易收集吸附在粉末床上的液化的粘接剂,或仅通过蒸发脱脂,不会造成环境污染。另外,浆料中蜡含量较高,包覆在粉末表面,使其不能与模具直接接触,对模具的磨损很小。 


 1) 陶瓷低于注射成型设备。典型的低压注射成型设备由以下几部分组成:电加热部分,双行星式混合器(用于混合有机粘接剂和粉末,再加热混料至操作温度),混合器连有真空系统(用于注射前排除混料中的气体),混合器连接一个注射传送管道通向台板。混合器受到外部气压作压台板,并且进入型腔。另外,还可以安装用于监控多机器参数的设备,如监控混合器温度和压从传送管和台板温度、注射时间和压力模具可用铝制作,以降低成本且缩短成型周期。


2) 陶瓷低压注射成型工艺。陶瓷低压注射成型工艺通常包括下列步骤:陶瓷粉及粘接剂的选取、陶瓷耢与粘接剂的混合、注射成型、脱脂和烧结,与传统注射成型工艺几乎相同,只是在成型压力上有大幅度降低。


首先,将按一定比例配制的粘接剂依次加人到成型机预置容器中,充分熔融并混合均匀,然后分批加人所选用粉末,混合均匀后,抽真空排除浆料中的气体,最后在一定压力下充型,制得毛坯。


成型毛坯在烧结致密化之前,必须将其中的粘接剂组分完全脱除,可选用加热、溶剂、催化、虹吸等脱脂方式。热降解方法简单易行,它也是目前使用最多的脱脂方法。


在低压注射成型工艺中,粘接剂的选择对于制备具有良好分散性和流动性的浆料及是否能够成型至关重要。粘接剂主要有两个基本功能:增强粉末流动性和维持坯体形状。由于这两项功能间常存在矛盾,从而增加了粘接剂设计的困难。粘接剂研究方面的突破是低压注射成型发展的重要前提,因此粘接剂的设计、加入和脱除成为低压注射成型工艺研究的热点。


成型环节是低压注射成型工艺中最主要的特色。除了等静压,其他高压工艺在成型阶段的坯件中都会产生密度梯度,只有低压注射成型制得的坯体内几乎无密度变化。若成型坯体密度不同,则在烧结过程中由于粉末压坯中低堆积密度比高密度压坯收缩大而发生不同大小的收缩,这将严重影响产品的质量。


低压注射成型工艺的成型压力很小,液体几乎在压力的情况下充型,并且在模型充满后才开始凝固,这也是低压注射成型工艺相对于其他工艺的优势。



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