塑模部件的难题

时间：2008-11-18 20:57:14 来源：设计创新网查看：

新的喷射模塑技术解决了设计中常见的的两个难题。
　　设计圆柱状和薄壁塑料部件是个令设计工程师们非常头痛的问题。当用增强塑料制造这些部件时，圆柱状的部件的熔接痕上会出现有一些疲劳点，就使得圆柱状部件在收缩时很容易产生变形。而这就引起难以喷射成型的问题，以至于设计者最终往往不得不以使用增加厚壁或者使用更厚的零件，而且，薄壁部件通常要用特殊的成型机器才能制成，这无疑增加了制造的成本。
　　你也许认为解决这两个塑料设计中的难题的方法目前还停留在图纸上，但是最近在喷射成型技术方面取得的进展将有助于我们解决车间生产中碰到的麻烦。 Solvay Advanced Polymers 公司(Alpharetta, GA)开发出了一种新的专利技术，可以使圆柱部件更加结实、圆整。而奥地利的塑模系统制造商Engel GmbH也申请了一项有关薄壁部件生产的专利，采用该专利可以在熔融塑料喷射成型之前便通过挤压的方法，生产出比现有产品更薄的塑料薄壁。下面将详细地介绍这两项技术。
　　更好的圆
　　含有增强纤维的圆柱状部件，尤其是那些结构部件或有装配精度要求的部件存在有两个难题。由于增强纤维不能有效连接流动的前边界，而导致在流动前端汇合处形成的缝合线或熔接痕通常会出现点缺陷。Solvay新型加工工艺部门经理Greg Warkoski指出：“这些点缺陷的强度和未填充聚合物差不多，如果结构部件中带有这种缺陷的话将会产生危险。”
　　更令人头痛的是，用增强塑料制成的圆柱部件在刚生产出来的时候可能是圆整的，但是在零件离开机床的时候，却不能一直保持原状。正如Warkoski解释的那样，这些纤维通常不会沿同一个方向排列，因此会产生各向异性的收缩，从而导致部件变形。他说：“总而言之，这些圆形部件就是麻烦”。
　　多年以来制模工人和工具制造者也找到了一些解决这两个问题的办法，但要实现大多数办法花费都很大。例如，有些工具制造者擅长“雕刻”那些纤维，以抵消最终部件的收缩。另一些人则掌握了精细的门控设定。使用隔膜技术也能去掉熔接痕，但它会留下加工痕迹，需要在后续步骤除去。多重隔膜、连续加料等技术也都可以将熔接痕移转到那些承受较低压力的位置去。

消除熔接痕 iKdCAEworks

　　Solvay的工程师现在已经找到了新的简单方法：在熔融塑料填入空腔时旋转桶壁。据Warkoski说，自转的桶壁重新分配了熔接痕的位置，从而消除了那些无纤维的点缺陷。旋转桶壁产生的熔接痕沿着部件螺旋分布，而不象常规工艺产生熔接痕那样沿圆柱状部件长轴方向分布。Warkoski说“你可以把桶壁的运动当作是洗掉那些熔接痕。”他还指出，熔接痕呈螺旋状分布意味着部件中不再存在有缺少增强纤维的部分。这种方法使得材料的强度有了显著的提高。据Warkoski称，在对玻璃增强的Solvay材料如PPS以及聚芳基酰胺的测试中已经证实该技术可使材料的临界环应力有超过200%的提高。他说：“你应该充分发挥增强材料的潜力”。iKdCAEworks
　　这种方法也能解决变形的问题。Warkoski指出，旋转桶壁可以使玻璃纤维沿着旋转的方向分布，部件在圆周方向的收缩也不会改变这种取向。iKdCAEworks
　　那么Solvay的旋转桶壁的方法究竟有多简单呢？Solvay同时使用了伺服传动和液压传动系统来控制桶壁的旋转。这两种系统应用广泛，应该都不会给塑模工和精密模具制造者带来太多的麻烦。Warkoski相信这些改进甚至可能只对现有的浇注机的进行翻新就可以了。iKdCAEworks
　　然而，这项技术的推广还是有一定难度的。Solvay的设计工程师们仍然需要凭经验找出每个应用中桶壁的旋转速度以及时间，这在处理新的任务时会占用一些时间。中间带通孔的圆柱筒部件的制造也碰到了一些问题——虽然这并不是不可克服的。Warkoski指出，通孔的形成需要一些可终止圆筒表面运动的附加作用。他承认“这的确有点棘手”，但是Solvay已经着手处理这些问题了。Warkoski称其中的一种解决方法是设计一些在旋转轴上不完全闭合的滑片，滑片之间会有一些间距，在塑料的表面上会留下一些“枕块”状的物体，这些“枕块”状的物体可以在下一道工序中除掉。iKdCAEworks
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Solvay的“旋转桶壁”法 iKdCAEworks

　　Solvay和它的一个客户已经将该项技术用于生产含65%的玻璃纤维矿物填充的PPA制成的汽车节流体外壳。这正是对该项技术的最好检测，因为这种部件必须严格地符合圆度规格以确保里面的挡板阀能正常工作。“阀体越大，它们的圆度就会越差，”Warkoski指出，“过去没有一种塑料阀室的直径超过了28mm”。以前大的阀室要么仍由金属制成，或者将浇注成型后的塑料经机械加工制成iKdCAEworks

的。
　　然而据Warkoski称，他们正在评估用Solvay旋转桶壁法制作75mm直径的可行性。这阀体若用塑料制成的话则要设计成带五道隔膜的部件，并且还需要机加工以满足圆度确保节流体和外壳间千分之二的间隙。Warkoski相信使用旋转桶壁的方法最终能用单隔膜机床生产出同样的零件并无须二次加工。
　　旋转桶壁
　　● 消除增强塑料部件中熔接痕的缺陷，使临界环应力增加 200%
　　● 将纤维排布调整至环向，使部件可以更好地保持圆整度
　　● 管状部件可获得光滑的内表面
　　● 需要对设备进行一些调整和专门的加工经验
　　更薄的壁iKdCAEworks
　　消费电子产品工程师们通常很喜欢使用一些塑料薄壁部件。这些部件的壁越薄，产品的重量就会越轻，也就越能节省空间和原材料的成本。然而即使设计者完全按照塑料的强度及流长来设计这些薄壁，制造它们也决非易事，因为生产流长和壁厚比大于100:1的薄壁需要高压、高喷射速度的特种成型机以及专业的成型技术。对于企业而言不管是购买这些设备还是获得成型的专门技术都是一笔不小的开支。
　　上述这些正是位于York, PA的Engel公司开发“膨胀熔化”成型技术

的原因。与以往那些高压、高喷射速度的方法不同的是，这种简称为“X-Melt”技术首先将桶壁中的熔融塑料进行预压缩，然后再将它们注入到空腔中。Engel的副研发部门经理Georg Steinbichler称，“快速喷射所需的能量储存在熔融物中，而熔融物在螺杆前或浇注系统中的空间内进行预压缩。”。
　　X-Melt技术一般会将熔融塑料压缩到2,000bar左右，使得熔融物的的体积减少10%。一旦开始喷注，这些被压缩的熔融塑料将会迅速喷入成型空腔，在0.03～0.06秒内填充完毕。压缩也使熔融塑料的温度略有升高，压力每升高100bar，熔融物的温度就会增加2到3摄氏度。但是Steinbichler指出，这种温度的影响是暂时的，只局限于熔融物进入空腔前的那段时间。而且Engle也通过降低机筒内热设置的方法，抵消这些影响。这样做的结果是，与传统工艺相比，塑料只是被轻微加热，减小了因过热导致的聚合物性能降低的风险。
　　就设计者而言，将喷射所需的能量储存在熔融塑料中有几点引人注目的优势。最重要的是，它使得生产比以往更薄的塑料薄壁成为可能。Steinbichler说这种方法可以生产流长对壁厚比大于400:1的薄壁，而使用传统的薄壁成型工艺和常用的工程聚合体一般只能生产出150:1的薄壁。为了演示这种薄壁生产技术，Engel公司使用X-Melt技术生产出了一种壁厚仅为0.15mm，流长为30mm的聚碳酸酯手机电池外壳。“ 如果采用其他工艺的话是不可能做到的，”Steinbichler如是说。
　　另一个潜在的好处则与熔接痕强度有关。Steinbichler称，当使用增强塑料时，X-Melt技术可以使熔接痕强度提高50%到100%。虽然他不能确切地解释这种现象，但高的流体先端速度肯定是一个重要原因。他指出，高的流体先端速度意味着短的填充时间和比低速移动界面高的相交温度。他还补充道，高速高温的熔融塑料可能会使得两种流动前端内的纤维混合。
　　最后，从成本的角度来看，X-Melt技术使得生产厂商可以使用一些低端的成型机械来生产高难度的薄壁部件。“你可以在标准的液压或者电动设备上填充很薄的零件”，Steinbichler说。
　　X-Melt技术已经发展了三年多，最近Engel公司推出了这一技术的改进版本。它可以更加便捷地用来在多腔机床中加工精密部件。最初，X-Melt使用位于塑胶机喷嘴后面的螺杆压缩熔融塑料，但是最新的X-Melt技术在一个专门的浇注系统中压缩熔融物。Steinbichler称他们使用一个刚性的钢片来确保系统中所有的针形阀“绝对同步”，用以保证各个腔体之间喷射量的一致性。

基于热浇注系统的版本 iKdCAEworks

　　随着技术的不断成熟，X-Melt被用来生产越来越多不同用途和尺寸的部件。基于热浇注系统的版本现在已经可以生产喷射量为0.1g到40g ，壁厚为0.1mm到0.8mm的各种部件了。它也可以加工包括PC、PBT、LCP、PA、POM以及相关混合物在内的各种工程热塑性塑料。
　　X-Melt技术
　　● 可使用某些塑料生产壁厚为0.1mm，流长和壁厚比为 400:1的部件
　　● 加工精度可达0.1g
　　● 由于可以在标准的模塑成型机上使用，其生产成本较低
　　● 可以防止熔融塑料的热降解
　　● 需要专门的热浇注系统

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