注塑成型新技术的发展概况 - 侧重于Mu Cell
Mechanical 2011-01-24 20:32:56 阅读32 评论0 字号：大中小 订阅
MuCell射出成形制程最早在1984年由麻省理工学院机械系所发展出来，在1993年MIT授权美国Trexel公司将技术商品化。
MuCell制程利用N2或CO2具有低超临界压力与温度的本质，以超临界状态注入料管中，藉由扩散性佳的超临界流体扩散效应及螺杆混炼，超临界流体与熔融塑料混合成均匀单相体，混体在射出过程中因瞬间高压降导致超临界流体在模内成核而长成均匀微细气泡，塑料经模具冷却固化将气泡包于塑料内，达到微发泡的效果。超临界流体并非流体亦非气体，其物理性质介于二者之间 。
MuCell微发泡注塑成型技术的使用日趋普及，其制品主要集中在品质要求较高、材料较贵的产品上。近年来，选用微发泡注塑成型技术的中国企业数目快速增长，其应用领域也正在扩大。
MuCell的发展概况及原理
目前，MuCell微发泡技术已成为一种非常成熟的注塑成型革新技术，在全世界被广泛使用。其使用先从美国、欧洲开始，再延伸到日本及东南亚等地区；尽管在中国刚刚起步，但经过一年多的发展用户正迅速增长。该技术的专利持有者Trexel在中国已建立了完善的技术支援服务体系和备件库。经过多年来全球不同用户在商业设备、汽车部件、电子电器等各种产品中大批量生产使用，很多全球著名的OEM厂商已指定在他们的产品上应用MuCell。同时Trexel也和全世界许多著名的注塑机品牌建立了紧密的合作关系，如Nissei、Arburg、Engel、Milacron、Husky、Krauss Maffei、Sumitomo、Demag、JSW、Toshiba等。
微发泡成型过程可分成三个阶段：首先是将超临界流体（二氧化碳或氮气）溶解到热融胶中形成单相溶体并保持在高压力下；然后，通过开关式射嘴射入温度和压力较低的模具型腔，由于温度和压力降低引发分子的不稳定性从而在制品中形成大量的气泡核，最后这些气泡核逐渐长大生成微小的孔洞。我们从制品截面可以明显看到表层还是未发泡的实体层，这是由于在填充过程中模具温度较低，表面的树脂冷却迅速，细胞核没有成长的时间所以还未发泡。
基本原理
使用MuCell必须在注塑机上装上特别的螺杆和机筒：
1. 螺杆具有特殊的螺纹设计——超临界流体被射入搅拌区后需要特别的螺纹来切碎超临界流体使之与热熔胶充分溶解从而形成单相融体。
2. 单相融体必须保持在一定的高压下才不会离析，Trexel的机筒有单向止逆阀和开关式射嘴设计从而在机筒前端的射出段形成一个密闭高压的区间。当注射时，开关式射嘴打开，单相融体瞬间注入模具型腔开始发泡。
MuCell硬件系统简图
用户可以在现有注塑机上进行升级，更换Trexel特制的设备如螺杆、机筒，加装注射器和射入界面系统，外接一个超临界流体控制器来实现。另外也可以在购买部分品牌的新注塑机时直接在注塑机制造厂整合这些特制部件。MuCell的螺杆和机筒是定制件，一般选用和注塑机规格相应的螺杆直径，长径比通常是22:1或24:1，比普通的稍长。加装了MuCell的注塑机可以方便地切换回传统注塑，使用户可以灵活安排生产。
常见应用领域和案例分享
几乎目前所有的热塑性材料都可以采用微发泡注塑成型技术。但考虑到经济性和产品品质要求，MuCell微发泡制品主要集中在品质要求较高、材料较贵的产品上。上表列举了一些常用的产品，当然在其他行业的不同领域也有很多用户成功应用了这种技术。
MuCell微发泡成型主要是靠细胞的成长来填充产品，所以是在较低而平均的压力下进行的，不像传统注塑成型要靠机台的不断保压，因此产品内应力大大减小，不同位置的收缩也变得非常平均。
形成单相融体使树脂粘度降低。因为树脂粘度降低使得流体的流动速度更快，可以降低熔胶温度、模温和射胶压力，使塑件稳定，成型视窗变大。
MuCell微发泡技术能解决以下传统注塑常见的问题：部件收缩不均导致尺寸不稳定和内应力问题、缩水痕、平直度不好、同心度或圆度不够、动平衡性不高、难填充等等，采用MuCell注塑技术则可以提高部件质量，以下是部分应用实例。
MuCell微发泡技术典型应用领域
电子插座
由于均匀的收缩令产品的尺寸异常稳定。在模具开发的前阶段，尺寸的稳定和一致性减少了模具的设计和制作的反覆修改，在生产中Cpk值非常好，大大减少了不良率。左图是Ｔricon的一种电子插座，材料PA66加33%的玻纤，可以达到8%的减重和48%的减周期，锁模力减少40%。生产中的Cpk值可以达到1.66，模温度减少28℃。
汽车仪表板
因为射胶压力和熔胶温度较低，MuCell被广泛应用到模内装饰（IMD）的产品上，有效地解决了传统注塑易出现的“冲膜”和“渗边”的现象，同时也解决了缩水造成的外观问题，提高了尺寸的稳定性和平直度，从而大大减少了不良率，锁模力也大大减少。
汽车冷却箱
传统注塑解决部件翘扭曲通常会靠延长注塑和保压时间来达到，同时借助特制的夹具来定型，这样大大降低了生产效率。MuCell使部件不仅在生产时非常平整，而且在热处理后也能保持。许多应用表现出了这一优点，比如汽车冷却箱，打印机过纸架等。
MuCell微发泡注塑的新技术发展
MuCell并不适合直接用于外观要求高的产品，但可以和表面喷涂结合起来，也可以和IMD（模内注塑装饰技术）结合，做出来的产品没有缩水痕、更平直、外表更美观。
为了满足一些用户想直接把MuCell应用于外观产品的需求，Trexel和Rhodia合作专门开发了适用MuCell微发泡技术的尼龙材料TECHNYL XCell 6.6和6，还可以针对客户的要求进行加纤或矿物质等的改性处理。这种材料已经获得了WEEE和RoHS的认证，用它在MuCell制程下加工的产品在保证产品机械性能等特性的情况下具有极佳的外观表现。
用Rhodia Technyl XCell MuCell 6.6制作的部件外观极佳
另外，Trexel也正在开发模具型腔热喷涂技术，用这种处理过的模具结合MuCell做出来的产品也有很不错的外观表现。
相信Trexel不断致力优化和改善的这些辅助技术能把MuCell微发泡带入更广阔的应用领域，让更多的用户享受到MuCell微发泡注塑带来的优势。
塑料射出成型技术
射出成型系统包括了射出成型机、模具、成型条件、成型方法、成型品设计等重要因素，成型品的质量、成本即受这些因素之影响，而各项因素又会互相干扰。
射出成型机在全电动化、精密控制、专用机台等方面的进步很显着，尤其是全电动射出成型机的订单已超高油压式射出成型机，其优点在于精密控制性以及节约能源方面。
电动射出机以小型机为主，但最近已有锁模力超过1000吨的大型机了。各公司并开发DVD、连接器、微齿轮等精密成型品的专用成型机。此外模具也在精密化、热浇道等方面进步显着。以下以最近的成型法为中心，介绍其代表性例子。
一 、超高速射出成型
模穴充填压力要进一步均一化，可采用多种方法，其一为提高射出速度。对薄肉或复杂形状的模穴，为将熔融塑料充填至最末端，各公司均开发出超高速射出成型机。可成型厚度0.5mm以下的薄制品，日本FANUC公司利用线性马达，使射出速度达2000mm/s，加速度13G以上，用此超高速成型机制造厚度0.13mm的喇叭筒。日精树脂工业公司则以油压机开发出射出速度2000mm/s的机台。
二 、低压射出成型
成型品单位投影面积锁模力为0.3吨/cm2左右者，为一般的射出成型，低压射出成型的锁模力则多在其一半以下。代表性的成型法为射出压缩成型法，不但模内压力均一，塑料可均一地流动至模穴末端，流动长度也可增至2倍。0.6mm厚的光盘、各种电子仪器的薄肉外壳等均可用此法成型。射出压力可精密控制的低压成型，已被各种射出成型机所采用。
近年来，一些信息产品(如光盘)有精密表面，导光板等也要求性能提高，因此促成模具表面转写性提高，其具体的方法如下:
(1)以高速射出、高温模具来改良。
(2)用射出压缩成型、气体辅助射出成型等方法，以提高塑料压力的传达。 (3)将热媒、冷媒交互流过模具(循环加热、冷却法)。 (4)成型前以高周波诱导加热法将模具表面选择性加热。 (5)成型前将模具表面辐射加热。
(6)于模具表面设电绝缘层及导电层，藉导电层来加热模具表面。 (7)将持续振动塑料并成型(Rheomolding)。 (8)将持续振动模具并成型(UIM)。
(9)以隔热层披覆模具表面的模表面隔热法(隔热模具法/CSM、ULPAC等)。 (10)利用二氧化碳的方法(AMOTEC)。
以上方法均有其优、劣点，必须依用途来选用可发挥其优点的方法。 三 、微泡发泡体
于熔融塑料中添加各种发泡剂，再发泡射出成型而得的发泡体，有轻量化、刚性高、残留应变低的优点，在大型成型品或偏肉成型的制品常被采用。
近年来，以超临界流体的二氧化碳为发泡剂可制得泡径0.01~l00μm的微泡体(micro cellular foam MCF)，因而受到注目。此技术由MIT开发出来，在日本由JSW公司取得销售权。
发泡体依泡径不同可分为MCF(l~l0μm)、Super MCF(0.1~lμm)及Ultra MCF(0.01~0.lμm)，但目前仍以MCF居多。MCF单位重量的比强度增加，这是因为泡壁延伸产生的分子配向效果，且泡内有微量气压之故。微泡本身也有防止龟裂发生的作用。
四 、模内加饰成型
UBE公司及良Battenfeld公司均有模内加饰成型(In Mold Coating)的技术，这是以一般方法射出成型，模穴冷却后，降低锁模力，并将液状涂料注入模具，然后再施加锁模力。关键技术在于涂料的特殊配方及多段锁模的控制。
五 、三明治射出成型
三明治射出成型(SW成型)在1970年便已实用化，后经多次改良，因此相关研究很多，通常是以回收塑料或发泡塑料为芯材，制成质轻、价廉的成型品。
从SW成型可衍生出其它相关技术。SW成型是对模穴依序注入二次材料，依二次射出材料的粘度不同，而可区分为三明治成型、液体辅助成型、寡聚体辅助成型、气体辅助射出成型等。
注塑成型新技术的发展概况
Development Situation of the New Technology of Injection Molding
刘方辉，钱心远，张 杰（1） Liu Fanghui, Qian Xinyuan, Zhang Jie(1) - 四川大学高分子科学与工程学院高分子材料工程国家重点实验室， 四川 成都 610065 - State Key Lab of Polymer Material Engineering, College of Polymer Science&Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China
摘 要 : 综述了近年来注塑成型技术的发展状况，介绍了新型气辅注塑成型、多组分注塑成型、粉末注塑成型、微孔发泡注塑成型、微注塑成型等技术的特点及最新动向。
Abstract : The development of the injection molding technology in recent years was summarized, and the characteristics and developing trend of the new gas-assisted injection molding technology,
multi-component injection molding technology, powder injection molding technology, microcellular foam injection molding, micro-injection molding technology were introduced. 关键词 : 注塑成型；新技术；发展动向 Key words : Injection molding; New technology; Development trend 评述
文章编号：1005-3360（2009）03-0083-06 中图分类号 : TQ320.662 文献标识码 : A
高分子材料的成型方法主要有挤出成型、注塑成型、吹塑成型、压延成型、压制成型等，其中，注塑成型因可以生产和制造形状较为复杂的制品、易于与计算机技术结合、易于实现自动化生产等优点，在高分子材料的成型加工中占有极其重要的位置。注塑成型技术广泛应用于汽车、家电、电子设备、办公自动化设备、建材等诸多领域。近年来，这些工业领域迅速发展，给注塑成型技术的发展提供