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淺述冷/熱模注塑件成型技術
所謂的冷/熱模注塑件成型技術，是一種可在注塑件成型周期內，使模腔表面溫度實現冷熱循環的工藝。其特點是：在注射前，先加熱模腔，使其表面溫度達到加工材料的玻璃化轉變溫度（Tg）以上；當模腔填滿后，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質量，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）過程，從而降低整體生產成本。在某些情況下，甚至還可以省去上漆或粉末涂布工藝。在那些對表面光澤度有較高要求的應用中，冷/熱模注塑件成型工藝還允許使用玻纖增強材料。該工藝的其他優勢還包括：降低注塑件內應力、減少甚至消除噴射痕和可見的熔接線，以及增強樹脂的流動性，從而生產出薄壁產品等。 通常情況下，冷/熱模注塑件成型工藝適用于所有的傳統注塑件機。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，目前常用的輔助系統是高溫熱水系統和高溫蒸汽系統。這些輔助系統中的蒸汽，要么來自外部鍋爐，要么由其自身的控制設備產生。早在幾年前，沙伯基礎創新塑料就開始在日本研究冷/熱模注塑件成型技術。目前，該公司在其亞太區的開發中心中使用的是高溫蒸汽系統，而在位于馬薩諸塞州匹茲菲爾德的聚合物加工開發中心（PPDC）中，該公司則使用了德國SingleTemperiertechnik公司的高溫熱水系統，它可以提供200℃的高溫熱水。 為了實現有效的工藝控制，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，以便監控溫度。為了確保工藝的穩定性，注塑件模具、注塑件機和冷/熱控制器還必須集成在一起。沙伯基礎創新塑料在該工藝的生產體系中配備了一臺控制設備，以將各個要素有效地集成在一起。 在該工藝的開始階段，利用在模內循環的蒸汽或高溫熱水來加熱模腔表面，使其溫度達到高于被加工樹脂的玻璃化轉變溫度10~30℃的水平。一旦模腔表面達到這一溫度值，系統便向注塑件機發出信號，以將塑料注射到模腔中。當模腔被填滿（注射階段完成）后，冷水開始在模具中循環流動，以快速帶走熱量，從而使注塑件部件在脫模前完全冷卻。利用一個閥站，即可方便地實現從蒸汽或高溫熱水到冷水的切換，反之亦然。當部件冷卻后，模具打開，部件被頂出，然后重復上述過程。 工藝優化：模具的設計和構造 冷/熱模注塑件成型技術的循環周期除了取決于所加工的材料外，模具的設計和構造對其則有極大的影響。一般，加熱模具所需的時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，最好是將模腔和模芯嵌入到模板中，而不是穿過模板。為了減小熱損失并提高效率，還應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。 除了盡可能地減少必須進行冷/熱循環的鋼的用量外，還應考慮使用具有高導熱性的金屬，如鈹銅合金或其他具有良好導熱性的合金來制作模具。這些金屬有助于縮短加熱/冷卻模腔表面所需的時間。此外，在模腔表面附近布置水路管線也可以加快響應速度。然而，多數情況下，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，這是因為，其管線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）的熱響應時間。 就共形冷卻技術而言，它往往涉及到注塑件模的制造，或者更確切地說是鑲嵌塊的制造。一般，通過優化冷卻道的設置，可以優化冷卻效率，縮短生產周期。而傳統的冷卻方法很難做到這一點，因為一般制品的形狀都很復雜，且常規的冷卻通道只能被鉆成直線形。 目前，有多種模具制造技術可實現共形冷卻，如激光燒結和直接金屬沉積法。為了開發用于該工藝的測試模具，沙伯基礎創新塑料的PPDC選擇了位于美國密歇根州特洛伊市的Fast4mTooling公司作為其模具供應商。Fast4mTooling采用鋼板層壓構造技術，設計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的優點 冷/熱模注塑件成型技術可以極大地提高注塑件部件的美觀性。該工藝有助于改善半晶態和非晶態樹脂制品的外觀，特別是對于非晶態樹脂尤為明顯。在注射階段，當模具表面溫度超過非晶態樹脂的玻璃化轉變溫度時，表層材料即使接觸到模具表面，也不會出現傳統注塑件生產中常見的冷凝現象，從而確保了聚合物在注射階段能夠自由流動。隨著模腔的填滿以及模腔內壓力的增大，樹脂被迫流出，這有助于模腔表面的完美復制，并提高制品的表面光澤度。 對于填充型材料，被迫流出的樹脂在制品外表面上形成聚合物薄層，它可將填料（玻璃纖維、碳纖維或礦物質等）包覆起來，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。總之，冷/熱模注塑件成型工藝對于改善制品的表面粗糙度是非常有利的，它可使玻纖增強材料制品的表面粗糙度得到70%的改善。即使是無填充材料制品，其表面粗糙度也可獲得20%以上的改善。 減少可見的熔接線、射流和流痕 冷/熱模注塑件成型技術有利于改善熔接線的深度和可視程度。利用一個測試模具，沙伯基礎創新塑料分別采用冷/熱模注塑件成型技術和傳統的注塑件工藝分別加工了3種不同的材料。使用傳統注塑件技術生產的部件，其表面熔接線的深度介于6~13μm之間，而在采用冷/熱模注塑件成型工藝生產的部件上，完全看不到熔接線，因此也無從測量其深度。這一突破性的改進意味著對某些產品的涂裝作業可以省去。 減小內應力 內應力通常是導致產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，采用傳統方法注塑件成型的部件具有較高的內應力，此時如果應用四氯化碳（CCl4）這種廣為熟知的應力開裂促進劑作溶劑進行試驗，就會導致部件的開裂。而采用冷/熱模技術注塑件成型的制件由于具有較低的內應力，因此即使采用了CCl4溶劑，也不會導致部件的開裂。顯然，采用冷/熱模技術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的首次應用是生產汽車車頂的行李支架，該產品被用來替代原來的金屬制件。沙伯基礎創新塑料采用了玻纖增強Xenoy*1760樹脂（即11%玻纖增強PC/PBT）來生產該行李支架部件。當采用傳統的注塑件成型工藝時，制品表面出現了明顯的噴射痕和熔接線，以至于無法滿足表面質量要求。同時，玻纖增強材料還使得制品表面非常粗糙，因此需要在上漆之前進行打磨。而采用冷/熱模注塑件成型技術后，上述各種表面質量問題都得以避免，從而滿足了高表面質量的要求。 總之，當使用PC、PC/ABS和PC/PBT等材料生產電視屏幕邊框、導光板、汽車音響組件和筆記本電腦外殼等產品時，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的質量問題。
