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生產高質量精密部件的微發泡注塑成型工藝
作為一種革新的精密注塑件技術，微發泡注塑件成型工藝突破了傳統注塑件的諸多局限，可顯著減輕制件的重量、縮短成型周期，并極大地改善了制件的翹曲變形和尺寸穩定性。尤其在生產高質量要求的精密制品上，該工藝更是獨具優勢，已經成為加工商生產輕質精密部件時的一個重要選擇。 原材料價格不斷飆升，對制造相對低廉的亞洲市場帶來了巨大的沖擊，很多加工商已經開始意識到，即使在中國也不再是廉價制品的產地。但是另一方面，為了占據有利市場先機，越南、印尼和其他一些國家的供應商卻又不得不通過削減價格的方式適應消費者的需求。 然而，隨著產品越來越復雜，制件的公差要求和表面外觀質量要求也越來越高，采用傳統的注塑件加工技術生產這些制件，往往會出現多種質量問題，如制品存在較大的內應力、由于收縮不均而導致產品變形等，達不到要求的品質或成本要求。可以說，塑料加工商遇到了前所未有的挑戰，他們迫切需要尋求新的加工技術來改變現在的困境。 近年來，一種新技術——精密注塑件成型技術越來越受到人們的關注。這種技術可以將制件的生產尺寸精度控制在0.01～0.001mm之間，有時甚至能夠達到0.001mm以下。與傳統的注塑件工藝相比，由該技術生產的制件具有良好的力學性能以及尺寸穩定性，而且制件的尺寸精度和重復精度高，公差范圍小。 由于其自身的多種性能優勢，加上塑料加工領域的“突變”，為該技術提供了廣闊的發展空間。目前，在對制品規格要求很高的醫療和電子電器領域，精密注塑件成型已經發展成為一種非常成熟和完善的注塑件工藝。近年來，隨著汽車市場的異軍突起，司機們在尋找油耗更小的汽車的同時，也更需要配置高精度的汽車配件和修飾件，而這些精密部件的生產同樣離不開精密注塑件成型工藝。 在這些領域中，Trexel公司的MuCell微發泡成型工藝表現得尤為突出，也是精密成型技術中發展最快、應用最廣泛的成型技術之一。該成型工藝主要靠氣孔的膨脹來填充制品，并在較低且平均的壓力下完成制件的成型。微發泡成型可分成三個階段（如圖1所示）：首先，將超臨界流體(CO2或N2)溶解到熱融膠中形成單相溶體，并在一定的恒定壓力下保持下來；然后，通過開關式射嘴將單相溶體射入溫度和壓力較低的注塑件模具型腔中，形成微發泡產品。由于溫度和壓力降低引發分子的不穩定性，從而在制品中形成大量的氣泡核，這些氣泡核逐漸長大生成微小的孔洞。發泡后的制品橫切面放大圖如圖2所示，可以看到制件的表層還是未發泡的實體層，這是由于注塑件模具溫度較低，表面樹脂冷卻迅速，細胞核沒有成長的時間而導致的。 傳統的注塑件工藝都需要采用較高的模內壓來完成注塑件，但是，此時較高的壓力點往往會使得制件由于承受較大且不平均的壓力而發生破裂。相比之下，MuCell微發泡成型工藝不需要依靠機器的不斷保壓，即可實現熔體的順利填充，因此大大減少了產品的內應力，并保證了產品不同位置的平均收縮，有效提高了產品的尺寸穩定性，還顯著減輕了制品的重量，消除了飛邊。另外，該工藝所配備的注塑件模具不需要進行反復精調，只要在運行正常的情況下，就能夠保證注塑件成型的質量。 Trexel公司總裁Dave Bernstein介紹說，MuCell微發泡成型工藝加快了充模和冷卻的速度，同時去掉了保壓過程，有效改善了制件的成型周期。同時，該工藝還使得注塑件生產朝著自動化的方向發展，更有利于提高生產效率。 精確控制尺寸 “如果你的工注塑件加工繼續留在歐洲或北美，那么就必須盡量地縮減成本，”Dave Bernstein說，“而且要想實現自動化生產，加工商必須嚴格控制制件的公差。”而MuCell微發泡成型工藝可將制件的公差控制在要求的區間范圍內，保證制件的尺寸穩定性。對于注塑件模具開發的前階段，這還能夠減少注塑件模具設計的反復修改，節約生產成本。 以生產一個高32.43cm、寬87.33cm和長191.50cm的注塑件模具為例（，分別采用傳統的注塑件工藝和MuCell微發泡成型工藝來生產該注塑件模具，并由此獲得一組實心制件和一組微發泡成型件。在長、寬、高方向上對兩組制件進行測量，通過對比發現，MuCell制件在各方向上都具有更小的尺寸偏差，而且具有較強的控制尺寸的工藝能力。最近，一家日本客戶采用MuCell工藝生產出了一種小型打印機的支架。這是一種重量非常輕的部件，可在打印機的表面來回移動，因此，對制件的重量和公差要求非常高。Bernstein表示，采用該工藝進行生產后，“該部件的成本、精密度、重量以及成型周期都得到了改進。”據介紹，該部件的公差僅為30μm。 改善翹曲變形 翹曲變形是傳統注塑件生產中常見的較難解決的制品缺陷之一，它主要是制品由于應力和收縮不均勻而產生的。由于在整個MuCell微發泡成型工藝中，制件始終處于平均的壓力下，保證了不同位置的均勻收縮，使得這一問題得以解決。以導紙板為例（如圖5所示），采用傳統的注塑件工藝所得的實心制件的翹曲變形程度為0.807mm，而采用MuCell發泡成型工藝得到的制件其翹曲變形程度僅為0.429mm，比前者提高了47%。另一個典型的應用實例是，采用該工藝來生產汽車上的牽引控制連接器外殼（如圖7所示）。該部件采用的是30%玻璃纖維增強的PBT材料，該材料在增強后由于橫縱方向上的收縮率不一致，因此，采用傳統的注塑件工藝進行生產時，非常容易發生翹曲變形。從圖8中可以看到，實心制件的變形程度為1.1cm，而采用MuCell微發泡成型得到的該部件的翹曲變形情況有了顯著的改善，其翹曲變形程度僅為0.27cm，較前者降低了約75%。8 采用兩種注塑件工藝得到的汽車部件的翹曲變形情況減輕重量 MuCell工藝在減輕重量方面的優勢也是顯而易見的。選用PBT、填充尼龍和ABS等不同樹脂材料來生產制件，該工藝能夠在保證制件結構強度不發生很大變化的前提下，將其重量減少10%以上。通過表2可以看出，不同材料制得的微發泡成型件的重量均比由相同材料制得的實心制件低。與結構發泡不同，MuCell的微孔結構更加規整，同時微孔的分布也更加均勻。“對于小型的薄壁制品，MuCell微發泡成型工藝的注射速度非常快，而且晶核都是瞬間形成的，”Bernstein說，“因此，這些微孔并不會出現加工商所不愿看到的微孔融合的現象。” 值得一提的是，聚碳酸酯材料雖然可以得到很好的微發泡，但是由該材料制得的制件會出現抗沖擊強度下降的情況，目前還不適用于該工藝。除此之外，MuCell微發泡成型工藝可適用于目前幾乎所有的熱塑性材料。 據Bernstein介紹，Trexel公司已經對多種材料進行了試驗。Bernstein表示：“我們同時還在開發和試驗更多可以用于該技術的新材料，包括高溫尼龍、聚砜和熱塑性聚氨酯等，而且由此獲得的結果也令我們非常興奮。” 來源：現代塑料
