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生產(chǎn)高質(zhì)量精密部件的微發(fā)泡注塑成型工藝
作為一種革新的精密注塑件技術(shù)，微發(fā)泡注塑件成型工藝突破了傳統(tǒng)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(wěn)定性。尤其在生產(chǎn)高質(zhì)量要求的精密制品上，該工藝更是獨(dú)具優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為加工商生產(chǎn)輕質(zhì)精密部件時(shí)的一個(gè)重要選擇。 原材料價(jià)格不斷飆升，對(duì)制造相對(duì)低廉的亞洲市場(chǎng)帶來了巨大的沖擊，很多加工商已經(jīng)開始意識(shí)到，即使在中國(guó)也不再是廉價(jià)制品的產(chǎn)地。但是另一方面，為了占據(jù)有利市場(chǎng)先機(jī)，越南、印尼和其他一些國(guó)家的供應(yīng)商卻又不得不通過削減價(jià)格的方式適應(yīng)消費(fèi)者的需求。 然而，隨著產(chǎn)品越來越復(fù)雜，制件的公差要求和表面外觀質(zhì)量要求也越來越高，采用傳統(tǒng)的注塑件加工技術(shù)生產(chǎn)這些制件，往往會(huì)出現(xiàn)多種質(zhì)量問題，如制品存在較大的內(nèi)應(yīng)力、由于收縮不均而導(dǎo)致產(chǎn)品變形等，達(dá)不到要求的品質(zhì)或成本要求。可以說，塑料加工商遇到了前所未有的挑戰(zhàn)，他們迫切需要尋求新的加工技術(shù)來改變現(xiàn)在的困境。 近年來，一種新技術(shù)——精密注塑件成型技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注。這種技術(shù)可以將制件的生產(chǎn)尺寸精度控制在0.01～0.001mm之間，有時(shí)甚至能夠達(dá)到0.001mm以下。與傳統(tǒng)的注塑件工藝相比，由該技術(shù)生產(chǎn)的制件具有良好的力學(xué)性能以及尺寸穩(wěn)定性，而且制件的尺寸精度和重復(fù)精度高，公差范圍小。 由于其自身的多種性能優(yōu)勢(shì)，加上塑料加工領(lǐng)域的“突變”，為該技術(shù)提供了廣闊的發(fā)展空間。目前，在對(duì)制品規(guī)格要求很高的醫(yī)療和電子電器領(lǐng)域，精密注塑件成型已經(jīng)發(fā)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(chǎng)的異軍突起，司機(jī)們?cè)趯ふ矣秃母〉钠嚨耐瑫r(shí)，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(chǎn)同樣離不開精密注塑件成型工藝。 在這些領(lǐng)域中，Trexel公司的MuCell微發(fā)泡成型工藝表現(xiàn)得尤為突出，也是精密成型技術(shù)中發(fā)展最快、應(yīng)用最廣泛的成型技術(shù)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(fā)泡成型可分成三個(gè)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(guān)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(fā)泡產(chǎn)品。由于溫度和壓力降低引發(fā)分子的不穩(wěn)定性，從而在制品中形成大量的氣泡核，這些氣泡核逐漸長(zhǎng)大生成微小的孔洞。發(fā)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(fā)泡的實(shí)體層，這是由于注塑件模具溫度較低，表面樹脂冷卻迅速，細(xì)胞核沒有成長(zhǎng)的時(shí)間而導(dǎo)致的。 傳統(tǒng)的注塑件工藝都需要采用較高的模內(nèi)壓來完成注塑件，但是，此時(shí)較高的壓力點(diǎn)往往會(huì)使得制件由于承受較大且不平均的壓力而發(fā)生破裂。相比之下，MuCell微發(fā)泡成型工藝不需要依靠機(jī)器的不斷保壓，即可實(shí)現(xiàn)熔體的順利填充，因此大大減少了產(chǎn)品的內(nèi)應(yīng)力，并保證了產(chǎn)品不同位置的平均收縮，有效提高了產(chǎn)品的尺寸穩(wěn)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(jìn)行反復(fù)精調(diào)，只要在運(yùn)行正常的情況下，就能夠保證注塑件成型的質(zhì)量。 Trexel公司總裁Dave Bernstein介紹說，MuCell微發(fā)泡成型工藝加快了充模和冷卻的速度，同時(shí)去掉了保壓過程，有效改善了制件的成型周期。同時(shí)，該工藝還使得注塑件生產(chǎn)朝著自動(dòng)化的方向發(fā)展，更有利于提高生產(chǎn)效率。 精確控制尺寸 “如果你的工注塑件加工繼續(xù)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，加工商必須嚴(yán)格控制制件的公差。”而MuCell微發(fā)泡成型工藝可將制件的公差控制在要求的區(qū)間范圍內(nèi)，保證制件的尺寸穩(wěn)定性。對(duì)于注塑件模具開發(fā)的前階段，這還能夠減少注塑件模具設(shè)計(jì)的反復(fù)修改，節(jié)約生產(chǎn)成本。 以生產(chǎn)一個(gè)高32.43cm、寬87.33cm和長(zhǎng)191.50cm的注塑件模具為例（，分別采用傳統(tǒng)的注塑件工藝和MuCell微發(fā)泡成型工藝來生產(chǎn)該注塑件模具，并由此獲得一組實(shí)心制件和一組微發(fā)泡成型件。在長(zhǎng)、寬、高方向上對(duì)兩組制件進(jìn)行測(cè)量，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，MuCell制件在各方向上都具有更小的尺寸偏差，而且具有較強(qiáng)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(chǎn)出了一種小型打印機(jī)的支架。這是一種重量非常輕的部件，可在打印機(jī)的表面來回移動(dòng)，因此，對(duì)制件的重量和公差要求非常高。Bernstein表示，采用該工藝進(jìn)行生產(chǎn)后，“該部件的成本、精密度、重量以及成型周期都得到了改進(jìn)。”據(jù)介紹，該部件的公差僅為30μm。 改善翹曲變形 翹曲變形是傳統(tǒng)注塑件生產(chǎn)中常見的較難解決的制品缺陷之一，它主要是制品由于應(yīng)力和收縮不均勻而產(chǎn)生的。由于在整個(gè)MuCell微發(fā)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(dǎo)紙板為例（如圖5所示），采用傳統(tǒng)的注塑件工藝所得的實(shí)心制件的翹曲變形程度為0.807mm，而采用MuCell發(fā)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(gè)典型的應(yīng)用實(shí)例是，采用該工藝來生產(chǎn)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(qiáng)的PBT材料，該材料在增強(qiáng)后由于橫縱方向上的收縮率不一致，因此，采用傳統(tǒng)的注塑件工藝進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)，非常容易發(fā)生翹曲變形。從圖8中可以看到，實(shí)心制件的變形程度為1.1cm，而采用MuCell微發(fā)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(yōu)勢(shì)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(chǎn)制件，該工藝能夠在保證制件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不發(fā)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(fā)泡成型件的重量均比由相同材料制得的實(shí)心制件低。與結(jié)構(gòu)發(fā)泡不同，MuCell的微孔結(jié)構(gòu)更加規(guī)整，同時(shí)微孔的分布也更加均勻。“對(duì)于小型的薄壁制品，MuCell微發(fā)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(huì)出現(xiàn)加工商所不愿看到的微孔融合的現(xiàn)象。” 值得一提的是，聚碳酸酯材料雖然可以得到很好的微發(fā)泡，但是由該材料制得的制件會(huì)出現(xiàn)抗沖擊強(qiáng)度下降的情況，目前還不適用于該工藝。除此之外，MuCell微發(fā)泡成型工藝可適用于目前幾乎所有的熱塑性材料。 據(jù)Bernstein介紹，Trexel公司已經(jīng)對(duì)多種材料進(jìn)行了試驗(yàn)。Bernstein表示：“我們同時(shí)還在開發(fā)和試驗(yàn)更多可以用于該技術(shù)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(jié)果也令我們非常興奮。” 來源：現(xiàn)代塑料
