防縮痕的方法
注塑件成型有A級表面光潔度和加強筋或凸臺的制品一直被認為是注塑件成型加工注塑件加工商的一個類似幻想式的目標，盡管他們為此在通常的注塑件成型和內部氣體輔助注塑件成型技術方面做出了最大的努力。而對于廣泛多樣的工業制品，卻還在不斷提高對于有加強筋或凸臺的制品表面進行毫無縮痕凹陷成型的要求。在薄壁應用方面，如手機、汽車車體側邊成型件、轎車內裝飾板和計算機監視器等制品，對這一要求是特別關鍵性的。除薄壁制品外，供應商說，外部氣體注塑件成型(EGM)在大型、平板狀制品，如蓋板、機殼、儀表板和格柵等零部件成型方面有巨大的潛力。 從1990年代早期開始就有兩種可以選擇的加工技術專門用于補救注塑件成型表面缺料的缺陷。一種辦法是在注塑件模具被充模到大約98%-99%后，通入氣體到制品的一個外表面。此氣體從型芯一側進入注塑件模具，并向相對一側的注塑件模具表面推壓，使關鍵的要求外觀的表面緊貼注塑件模具壁。另一種辦法是氣體反壓法。在反壓法中，一種氣體，通常是空氣，在熔體注射前預先對注塑件模具增壓，以確保在型腔充模前持續加壓，使熔體壓向注塑件模具表面。兩種辦法的作用都是在熔體冷卻時保證材料貼合到注塑件模具表面。“它們影響材料的方式類似于壓縮成型，”巴頓菲爾(Battenfeld)公司加工工程和開發經理Juergen Ehritt說。 三種外部氣體注塑件成型技術正被五家美國公司應用推廣，它們是美國巴頓菲爾公司的Airmold Contour工藝；由日本Asahi Kasei公司開發，Incoe公司和CGI氣輔注塑件公司獲得許可證的外部氣體成型技術；以及由Textron汽車公司通過它的IntelliMold系統部門提供的氣體反壓工藝，也即IntelliMold工藝。 雖然外部氣體注塑件成型技術的采用一直很緩慢，但供應商宣稱說∶成型注塑件加工商的興趣正在增長 — 因為客戶保密的原因，這種增長不可能加以證實。“我們當前具有數以十計的有效利用的例子和商業性應用，但是全部都是專利所有的，”Incoe公司業務開發副總裁John Blundy說。 Textron汽車公司稱，它在自己的密歇根州Troy的 Trim部門有三個商業應用采用氣體反壓技術。現在為IntelliMold工藝的運轉配備了24臺成型機，它們中的大多數超過1000t，并計劃在今年年底最少有100個系統安裝到公司的機器設備上，制造部門執行副總裁Jerry Mosingo說。在Textron汽車公司去年買來該項技術前，此加工工藝的十幾個許可已經被授予其他公司，也還有它的原始開發商，密歇根州Ann Arbor的M & C 先進加工工藝公司。 CGI公司的主席及董事Terry Pearson說，外部氣體輔助工藝在歐洲和亞洲有許多商業應用，并且至少有一家北美的成型加工注塑件加工商正在為一項汽車應用而關注它。CGI公司是在八月間由兩家英國公司 — Cinpres，一家內部氣體輔助技術供應商和Gas Injection公司，Asahi公司的外部氣體工藝較早期的推動者 — 合并建立的。Pearson說，Asahi Kasei公司從1990年代中期開始發出了30個許可證。“幾種應用正在用于汽車零部件開發，那里用任何其他方法不可能消除縮痕凹陷，”Pearson說。 巴頓菲爾公司的Ehritt說，它的外部氣體加工工藝被商業應用于北美，但是詳細的細節是專屬于客戶的。 突破 部件典型的內部支撐結構厚于外部的零件壁厚時，支撐結構部分冷卻得較慢。在冷卻上的這一差異在制品內造成了內應力，可能在制品表面表現為縮痕、斑點、壓陷、光斑和翹曲。“當結構部分(加強筋或者凸臺)冷卻時，由于正常的體積收縮，它拉動周圍的材料，吸引制品表面的材料，”Incoe公司的Blundy解釋說。 內部氣體輔助注塑件成型一直用于解決凹陷的問題，辦法是制成較厚的加強筋，然后用氣體部分地充入以擠空加強筋。這一方法的缺點包括可能的較高的材料用量、較高的充模壓力和較長的冷卻時間，而這一切還不能保證不出現凹陷。 這些考慮打開了外部氣體注塑件成型之門。除了解決表面質量問題，從而可以免除后階段的涂飾工作以外，外部氣體注塑件成型技術還能產生多種加工好處。其一是縮短或者無需周期中的保壓或者鎖模階段。“保壓階段至少需要50%的合模力噸數，”巴頓菲爾公司的Ehritt說。保壓由氣體壓力實現了，所以對合模力噸數的要求可以降低30%以上。較低的合模力可能意味著延長注塑件模具壽命，Pearson補充說。 外部氣體注塑件成型是一種低壓成型方法，甚至在薄壁成型時最高也只要求13.79 Mpa(2000 lbf/in2)的壓力來消除凹陷。一種內部氣體注塑件成型技術可能需要兩到三倍的氣體壓力，大約為6.89 到25.51 Mpa(1000到3700 lbf/in2)，而通常的注塑件成型甚至需要更高的壓力，大約為30.34到68.95 Mpa(4400到10000 lbf/in2)，而且還未必一定能解決問題，Pearson說。 外部氣體也能幫助將制品從型芯上推出，以減少或者消除頂桿痕跡。它能允許成型的制品壁較薄，從而降低材料用量。較低的合模壓力以及消除過度充模現象，有利于生產無內應力制品。較薄的壁厚以及與注塑件模具接觸的改善也能帶來較快冷卻和縮短整個周期時間的好處。 “采用一個外部氣體系統給與了成型加工注塑件加工商使用較低成本、較大收縮材料，例如PP的機會，”CGI公司的Pearson說。 其他方法的局限性 外部氣體成型技術的供應商熟知內部氣體輔助成型方法。Incoe公司曾為成功的氣體輔助注射工作出售過注塑件模具部件，并且巴頓菲爾公司和CGI公司都向市場供應內部和外部氣體兩種工藝方法。所以，它們對內部氣體輔助注射技術的局限性的看法可以認為是不帶偏見的. “采用內部氣體注塑件成型，氣體流過阻力最小的通道，問題也恰恰出在那里，”Incoe公司的Blundy說。“如果在一個區段，注塑件模具較熱或較冷，可能引起氣體通道的擴展或者分流到較小的通道中，形成一種指形效應。”指形效應并非唯一的能破壞表面質量的氣體輔助現象，CGI公司的Pearson補充說。氣體流流過制品時，流動狀態的任何猶豫現象都可能在表面上形成可見的線條，這類似于在熔體充模時猶豫會形成斑紋一樣。內部氣體輔助成型也能在制品上的氣體注射點上留下“影”跡，那里的氣體壓力最高。當氣體壓力從氣體注入口進一步下降除去時，可能形成凹陷或者熔接縫。內部氣體輔助成型也需要進氣和排氣孔，會在制品上留下斑點。(Hettinga設備公司的一個內部氣體輔助成型系統在成型后將氣體保留在制品中。) Pearson補充說，讓內部氣體流入一個加強筋是一項挑戰。“如果您有許多 平行的加強筋，實際上不可能使氣體均勻地流到每一根加強筋。”有不同型腔的成套注塑件模具也能表明內部氣體輔助成型的氣體滲透是否令人滿意的問題。 內部氣體輔助注塑件成型還需要特殊的提供氣體的噴嘴和排氣裝置，以及供氣體替代的熔體排出溢出閥。這些項目在外部氣體技術中或者是取消了，或者是經工程重新組合進入了注塑件模具中。 外部氣體注塑件成型的加工過程也優于通常的注塑件成型。“通常的注塑件成型嘗試用高壓保壓和鎖模來解決凹陷問題。為補償收縮，一般的注塑件成型注塑件加工商在型腔中注射較多的材料以進行保壓，但是，那樣會在制品內造成內應力，而且也不能完全解決凹陷問題，”Pearson說。在某些情況下，注塑件加工商為防止凹陷而設置保壓和鎖模時間，代價是加長了周期時間。 為說明外部氣體注塑件成型的優點，Incoe公司成型了一個645.16 cm2(100 in2)的ABS/PC合金的掃描器蓋子，使用通常的加工方法，采用或不采用保壓，以及使用它的外部氣體注塑件成型(EGM)加工方法。在所有情況下，周期時間是相同的。Blundy說，用無保壓法制成的制品重量為246.5 g，需要41 t的合模力，并且仍有凹陷。有保壓階段方法生產的制品重261.5g，需要125t的合模力，仍然有凹陷。EGM零件重246.5g, 僅需41t壓力，并且沒有凹陷。 沒有能包治百病的靈丹妙藥 外部氣體注塑件成型技術不是適合所有注塑件成型注塑件加工商的靈丹妙藥，供應商告誡說。Pearson說，“有許多注塑件成型工作對制品內殘余有一定程度的應力是可以接受的，并且對制品沒有負面影響。” 源自CGI公司、Incoe公司和巴頓菲爾公司的消息也警告說，外部氣體成型僅僅限于只需要在制品一側表面具有高質量光潔度的制品。“所以透明制品成型注塑件加工商不會希望采用這一加工方法，”巴頓菲爾公司的Ehritt告誡說。 但是，Textron公司的技術服務經理Anthony Spalding說，它的公司正在使它的加工方法最佳化以減小這一效應。該公司用透明ABS料制造了一塊無斑點的樣品板。 某些供應商也說高純度(至少98%)的氮氣是它們的加工方法使用的最佳氣體。在受壓氣體中的氧含量較高時，可能造成某些塑料熔體的氧化。使用氮氣增加了設備和/或操作成本。但是，Textron公司的發言人說，他們在使用壓縮空氣的IntelliMold反壓法技術上沒有看到問題。還有，Incoe公司最近用清潔、干燥的車間壓縮空氣試驗了它的外部氣體注塑件成型工藝方法，并對它們的初始結果感到鼓舞，Blundy報告說。 供應商指出，節約原料和周期時間將部分地抵償為采用這一加工方法所需的許可證費用、注塑件模具的改變和附加設備所需的成本。還有，某些消息源承認，采用外部氣體成型技術時，周期時間的減少可能是微小的。為了有效利用，在型腔充模和氣體引入之間通常有一個時間延遲。“你必須給材料一點時間，讓材料準備好，以使氣體有東西可以推壓，”Blundy說。供氣體進入、保壓和排出注塑件模具的時間與通常注塑件成型的保壓和鎖模時間大致相同。 成型注塑件模具的改進 外部氣體注塑件成型通常需要在注塑件模具內或在提供氣體的管道內裝一個壓力傳感器，以及氣體發生器和控制技術。氣體注射速度是重要的，壓力也是重要的。改進注塑件模具要增加5%到20%的制模成本。成型注塑件模具改進的最關鍵的地方是注塑件模具要緊緊地密封，以在注塑件成型期間保持均勻的氣體壓力。密封的關鍵區域是分型線、頂桿銷、型芯和排氣孔。在帶有可移動型芯或者其他部件的注塑件模具中，供應商建議在注塑件模具的外部部件上加一個密封塊。硅橡膠是最通常使用的密封材料。 制品設計也對有效的氣體密封做出貢獻。“靠近分型線的制品幾何參數必須稍作改變以建立密封，”Incoe公司的Blundy說。常常有這樣的情況，制品上的一條加強筋或者凸臺就自然地密封了氣體，以致氣體只在加強筋之間的局部區域起作用。 排出氣體也要在注塑件模具上作某些改變。Textron公司在通常的注塑件模具內用機械方法加工一個單獨的通道連接現有的排氣孔，通道起到空氣歧管的作用。其他系統，如Incoe公司的外部氣體注塑件成型，它是依靠在注塑件模具內的一個金屬多孔嵌件，讓氣體進出的。“當氣體供應中斷時，氣體通過此嵌件，經阻力最小的通道反向流回，”Blundy說。另外，可能需要特殊的閥門技術來防止氣體通過熱流道噴嘴逃逸。 三種外部氣體成型方法 巴頓菲爾公司的Airmold Contour加工方法是公司內部氣體輔助成型技術Airmold的一種延伸。該方法使用一種可移動的供氣設備，帶有圖像接觸屏控制裝置。“我們不控制進入制品的氣體體積，我們控制壓力，”Ehritt說。閉環氣體的壓力控制系統依靠一個時間或者熔體壓力觸發信號引進并維持型腔中的氣體壓力。氣體通過一個設計安裝成與型腔內表面齊平相連接的噴嘴或氣針進氣。 此成型機安裝在Solvay工程聚合物公司的實驗室里，成型機規格為500 t和4000 t。這些成型機可為巴頓菲爾公司向客戶演示用，許可證費用取決于具體的應用。 CGI公司有Asahi公司擁有的兩項外部氣體注塑件成型技術的許可證。第一項類似于由Incoe公司在北美地區提供的技術。第二項包括外部氣體注射和附加的保壓功能。“甚至對于外部氣體注塑件成型技術，也有可能產生某些體積收縮。保壓有助于收縮進一步減少，”Pearson說。他拒絕說明在什么情況下CGI公司會推薦某一種方法而不推薦另一種方法，或者是詳細說明兩種加工方法的區別。按照Pearson的說法，由任何一種加工方法制成的制品難以彼此加以區別。 CGI公司一種氮氣注射系統，可在10.14 Mpa(1470 lbf/in2)的壓力下提供氣體，由安裝在注塑件模具和機器上的傳感器進行控制。 CGI公司聲稱它的加工方法的使用者可以減小制品壁厚多達50%，縮短周期時間達40%，注塑件模具壓力至少也可降低25%。 此加工方法能按注塑件模具或者按成型機發放許可證。費用從5000到20000美元不等，取決于所需注塑件模具或機器設備的尺寸大小。專利使用費用是一次性的，對注塑件模具終生有效。CGI公司也提供為進行外部氣體注塑件成型而進行注塑件模具改造的服務。 Incoe公司的EGM加工方法施加高達10.34 Mpa(1500 lbf/in2)的氮氣通過注塑件模具的型芯側到達型腔內的熔融塑料。氣體通過一塊多孔的金屬嵌件、氣針或有孔的小珠進入。氣體控制器需要一個來自成型機的信號，以在充模過程結束或接近結束時釋放氣體。信號可根據時間或者螺桿位置產生。 如要使用EGM技術，Incoe公司基于制品總體規劃的領域，對每套注塑件模具收取一次性費用5000到15000美元。Incoe公司為其氣體控制用控制設備收取附加的7500到9000美元，然后，成型注塑件加工商也可以使用其他來源的氣體控制器。Incoe公司可在它的實驗室在125 t和425 t成型機上演示它的EGM技術。 氣體反壓 Textron公司的IntelliMold外部氣體成型工藝與其他方法不同。首先，在熔體進入前，它用空氣預先充滿注塑件模具型腔。第二，當型腔充模時，它連續測量并控制內部熔體壓力，目的是使制品密度均勻。在這一技術背后的概念是，在通常的注塑件成型中熔體剛一進入注塑件模具時遇到低壓，然后在充模結束時又是很高的壓力。Textron公司稱，當試圖采用高的保壓來對付縮痕凹陷時，這一現象特別明顯。在第一批和最后一批固化的材料密度之間的差異本身就是造成縮痕凹陷、應力和翹曲之源。 “我們給注塑件模具施加1.38Mpa(200 lbf/in2)的車間空氣，它有助于控制材料的流鋒并使制品從充模開始到結束都密度均勻，”Textron公司的Spalding解釋道。“反壓力在我們充模時包住制品，所以我們不需要對注塑件模具作過度充模處理或壓縮材料。” 壓縮空氣作為恒定的力將材料均勻地推向型腔壁。“這達到較好的尺寸穩定性，并減少了翹曲、凹陷、匯合線和收縮，”Spalding說。 另外，氣體的壓力保持制品的外觀側與型腔表面接觸時間較長，防止制品外觀側因為收縮而脫離型腔表面。 這樣，僅僅是因為免去了保壓和鎖模時間，即可減少周期時間達到25%，Textron公司稱。 IntelliMold系統使用兩個壓力轉換器，一個設在噴嘴內，另外一個在型腔內，設在接近充模的最遠點。當熔體進入注塑件模具時，被壓縮的空氣被迫壓回，并從它進入的排氣口排出。型腔中的轉換器開始感受氣體壓力，而當型腔幾乎充滿時，感受熔體的壓力。控制器每2 ms從兩只傳感器接收一次壓力數據，并用特有的算法加工這些數據，以使型腔內的熔體壓力達到標稱值。控制器調節注射桿的速度來維持型腔內熔體壓力的設定點值。設定點通過反復試驗或按照原先使用的加工方法的經驗來選擇。 設置IntelliMold加工方法不使用通常的注射速度或壓力變化曲線。沒有速度曲線，而壓力曲線本質上是平坦的。這種方法被說成是使加工過程對油液粘度、注塑件模具及其周圍溫度，以及材料粘度“透明”，或者不受影響。 Textron公司在它的實驗室中在四臺成型機器上進行試驗 —Van Dorn 230 t和350t，一臺Engel公司的500t機器，和一臺HPM公司的880t成型機。Textron公司在每臺機器的基礎上發放技術許可證。費用根據成型的尺寸靈活確定。安裝和培訓包括在許可證費用中。Engel公司和Van Dorn Demag公司被許可在它們的機器上提供IntelliMold加工方法。 Textron公司也提供它的IntelliMold加工方法的兩種類型∶Xtralite和Xtrasoft，前者用于成型泡沫制品，后者是一種采用單一機筒成型雙硬度，即硬/軟制品的工藝方法。
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