五步獲得更好的助壓模塞

文/CMT材料公司 Conor Carlin

五步獲得更好的助壓模塞

文/CMT材料公司 Conor Carlin

模塞是熱成型加工中一個不可或缺的重要組成，它同時影響著產品形狀、材料分布、透明度和抗壓強度等關鍵性能。通過仔細計劃并遵循最佳的方法制作正確的助壓模塞，有利于獲得高質量、可重復的部件。

90%以上的薄壁熱成型部件采用模塞助壓預拉伸成型。雖然具體的模塞設計由許多因素決定，包括撐壓深度、型腔數量、壁厚的臨界性質和塑料的拉伸特性，但某些基本技術還是可以幫助提高成型過程的可重復性。

模塞是熱成型項目中一個不可或缺的關鍵組成部分，它同時影響著產品的形狀、材料分布、透明度和抗壓強度。對模塞的材料成本及在材料分布、部件重量、廢品和其他問題（如美觀質量）上的平衡進行一個全面的對比十分重要。通過仔細計劃并遵循最佳方法，制作正確的助壓模塞可以讓你獲得高質量、可重復的部件。

在介紹每個步驟的具體細節之前，需要重點指出的是，在這個過程中，用戶的看法起著非常重要的作用。根據你是熱成型商、模具制造商，或是兩者兼具，在選擇適當材料時，有幾個要素要考慮。簡單來說，主要的區別在于一些人負責設計和制造模塞，而另一些人負責運行那些配備了模塞的機器。

在考慮熱成型生態系統時，這個重要區別得到凸顯，它涉及供應商和樹脂用戶、擠出商、再制工廠、模具制造商、機械工廠、原始設備制造商和其他服務供應商。生態系統中的某部分發生變化會影響決策和另一部分的結果。如果模具制造商簡單地選擇一種牌號的材料，沒有理解模塞和塑料之間的相互作用，加工商可能就無法獲得理想的產品。

基于此，本文概述了薄壁熱成型商和模具制造商應遵循的5個實際步驟，以優化模塞設計和材料選擇。

帶有高螺旋形狀的硬質合金工具專用于切割磨蝕性塑料，它能實現理想的光潔度。使用正確的速度和進刀會獲得一個更好的模塞，用以生產可重復的熱成型部件

步驟一：選擇最好的材料

并非所有的模塞材料都一樣。固體聚合物和復合泡沫塑料最常用于薄壁應用中，而木材幾乎沒在如今嚴苛的環境中得到過使用。CMT材料公司不同牌號的Hytac復合泡沫通過不同類型塑料的性能、溫度、加工條件、表面光潔度、耐久性和價格而進行優化。如果其他一些變量發生變化，簡單地使用與之前相同的材料并非明智之舉。例如，多層薄膜如PE/EVOH/PE的加工參數當然與HIPS是不相同的。

作出正確的選擇能降低加工成本，提高材料的分布效果，增強透明度，降低塑料在模塞上的堆積，并最大限度地延長模塞的壽命。這些好處以不同的方式使不同的生態系統成員獲益。

步驟二：同時考慮模塞設計與材料

模塞設計是一個復雜的問題，涉及許多因素，如模具設計、片料選擇、過程溫度、熱成型設備和模塞材料等。一個比較好的做法是從一種“材料安全”的模塞設計開始，這意味著模塞材料要盡可能靠近腔壁和地板（通常是1.5 mm），并在模塞頭部采用最小半徑。如果太多的物料被帶到型腔底部，這會為半徑的增加創造條件。另外，可以增加更多的模塞錐，以此來均勻分布材料的厚度或消除可能的模塞痕跡。

模塞的目的是預拉伸和將塑料分配至正確的地方。模塞和塑料之間的初始界面點輸送的物料量最多。鋒利的邊緣意味著較少的塑料流動，從而形成更薄的側壁和更厚的底部/角。圓邊意味著更多的塑料流動，產生更厚的側壁和更薄的底部/角。不同的模具設計、機械特性、塑料片料的特點、模塞速度和真空排氣/定時，甚至操作人員的技術都會影響模塞的表現。

不同的模塞材料擁有不同的物理性質，認識到這一點很重要。當設計人員從尼龍或縮醛模塞轉換成復合泡沫模塞時，可以看到最顯著的區別。例如，由于縮醛具有比Hytac復合泡沫塑料更高的線性熱膨脹系數（CLTE），因此它的設計必須考慮到一些膨脹。如果設計人員在未改變模塞設計的情況下改變了模塞材料，那么成品部件的材料分布無法得到優化，甚至可能導致廢品和/或部件失效。

除了CLTE外，模塞材料的強度（根據ASTM D790中的彎曲韌性測量標準）也在設計中發揮了重要的作用。選擇一種滿足熱成型部件強度要求的材料非常關鍵。例如，如果模塞有狹窄的肋或柱，脆性材料如一些環氧復合物就不是一個好選擇。

在一個典型的加工表面（左）中，顏色的變化代表峰谷之間的高度變化。該表面有光滑的觸感，除具有高透明度要求的項目外，它可用于大多數的項目。右邊顯示了一個拋光表面，圓形的峰防止劃傷高透明度的部件，谷使塑料可以從模塞中脫出

步驟三：了解加工指南

和材料科學中的許多進展一樣，新模具通常被要求用于加工新材料。對于模塞助壓而言，傳統材料如木材或商品聚合物容易被CNC操作人員所了解。而復合泡沫塑料是一種空心玻璃微球和熱固性或熱塑性粘合劑系統的組合，其切割技術在本質上與傳統材料是不同的。為了獲得理想的結果，必須滿足兩個關鍵條件：鋒利的切割工具和充分的進刀速度。

切割工具必須鋒利，從而確保在加工泡沫塑料時能獲得令人滿意的表面光潔度。鈍的或外形不正確的刀具會導致較差的表面狀況。值得一提的是，高速鋼制刀具會很快變鈍，要謹慎選擇。通過工具制造商的研究，CMT發現帶有高螺旋形狀的硬質合金刀具更佳，因為它有鋒利的邊緣和更長的刀具壽命。有試驗表明，采用一個兩凹槽的設計對磨蝕性復合泡沫塑料的效果最好。

為了有效地加工復合泡沫并獲得盡可能好的表面光潔度，了解進刀速度也十分關鍵。進刀速度是一個簡單的方程，它包括切削載荷、主軸轉速和切割工具上的凹槽數量。讓我們依次來看每個變量。切削載荷通常是由工具供應商針對與特定類型材料一起使用的工具來提供。主軸轉速是由加工中心產生，凹槽數量是基于實際的切割工具。類似的原則也應用于車削圓柱模塞的數控車床，它一般用于生產飲用杯子或酸奶容器。

如果沒有和適當的人員充分溝通，再好的指南也無法發揮作用。通常，數控操作人員和模具設計師不會一起工作。這可能會導致有關模具路徑設計與實際數控機床參數傳達錯誤。當模具部門沒有充分意識到加工部門的需求時，這種情況同樣也會發生。相反，當整個團隊都充分了解項目的背景時，會取得理想的結果。

步驟四：如何以及何時修飾模塞表面

對于如何修飾模塞表面有不同的考慮。但大多數人同意“拋光模塞可以獲得更加可重復的過程”這一觀點。在此過程中，碳化硅砂紙經常被使用。當拋光熱固性樹脂和共聚物復合模塞時，砂紙可以蘸水，這有助于減少灰塵在砂礫中的積聚。需要注意的是，這個方法不能用于熱塑性塑料基復合模塞，因為在拋光過程中液體會使表面變得粗糙?？梢允褂媚p墊和粗目（open mesh）或微目砂紙，它們也會減少灰塵在砂礫中的積聚數量。

溫度、基材、表面光潔度、移動、灰塵和許多其他因素都會影響模塞/片料的界面。不同的表面條件由于模塞材料的加工或拋光，甚至溫度在模具中的幾度變化，都將會影響摩擦系數（CoF）和片料的拉伸值。對每種不同的模塞材料甚至不同的塑料卷而言，這些值是變化的，包括摩擦系數的靜態（對象靜止）值和動態（對象在運動）值。確定CoF值的唯一合適的方法是采用實際模塞和片料進行試驗。

如文章中的圖片所示，左面是一幅計算機圖像，顯示了一個典型的加工表面。顏色的變化表示從峰（peak）到谷（valley）之間的高度變化。該表面有光滑的觸感，除了那些有高透明度要求的項目外，它可用于大多數項目中。右邊顯示了一個拋光表面。顏色的變化再次說明了從峰到谷之間的高度變化。圓形的峰防止了針對高透明度部件的劃痕，而谷仍然使塑料可以從模塞中脫出。一個適當拋光的模塞能減少劃痕，優化材料拉伸，延長自身壽命，減少咬模，并提高熱成型過程的可重復性。

高度拋光共聚物模塞（藍色）和熱塑性復合泡沫模塞（粉色）

步驟五：將模塞牢固地安裝在模具上

如果在熱成型過程的加熱中沒有很好地發揮作用，那么即使是世界上設計最好的模塞也沒有價值。從根本上說，模具制造者希望避免在模塞中產生不適當的、可能導致斷裂或失效的應力。一些材料，如熱塑性基復合材料，非常耐用，可以承受直接的攻絲。另外一些較脆的材料則需要使用不同的方法。

模塞的形狀也必須加以考慮。嵌件對于實現最大量的連接是一個很好的方式。一個螺栓可以被安裝在一個平面嵌件中，沒有材料彎曲或模塞損壞的風險。該方法具有更容易連接/再連接的附加好處。