為熱/冷注塑成型選擇合適的加熱介質(zhì)

文/Eventus Global 公司 Steve Braig Matsui America 公司 Nobu Yamanaka

為熱/冷注塑成型選擇合適的加熱介質(zhì)

文/Eventus Global 公司 Steve Braig Matsui America 公司 Nobu Yamanaka

熱/冷注塑成型為加工商提供了一種新工具，以實(shí)現(xiàn)更高的美觀性或者成型具有挑戰(zhàn)性的薄壁部件。該工藝的加熱方法有多種選項(xiàng)，如何能進(jìn)行合理選擇，本文對(duì)此做了詳細(xì)介紹。

盡管注塑技術(shù)已有許多進(jìn)步，但是在生產(chǎn)外觀合格的且擁有高美觀性、高尺寸穩(wěn)定性、沒(méi)有模塑殘余應(yīng)力或可靠高流程薄壁部件等方面仍存在一些挑戰(zhàn)。

在本世紀(jì)初，日本的幾家公司合作開(kāi)發(fā)了一種成型技術(shù)，它可以滿(mǎn)足電子消費(fèi)品客戶(hù)最嚴(yán)格的表面質(zhì)量要求。2002年，一家擁有重要加工技術(shù)部門(mén)的領(lǐng)先注塑成型商小野公司（Ono Sangyo），推出了快速熱循環(huán)成型（RHCM）工藝并獲得了專(zhuān)利。2009年，日本領(lǐng)先的塑料輔助設(shè)備制造商松井制造有限公司（Matsui），作為該工藝控制器的一家生產(chǎn)廠商加入了RHCM聯(lián)盟。這種技術(shù)是以作為型腔加熱介質(zhì)的蒸汽為基礎(chǔ)，在亞洲消費(fèi)電子制造廠家中已獲得了認(rèn)可。

在接下來(lái)的幾年中，該技術(shù)成為了生產(chǎn)平板電視屏幕邊框的默認(rèn)成型工藝，被大多數(shù)的品牌廠商如索尼和三星所使用。最初，這些電視邊框的生產(chǎn)工藝是注塑成型后上漆，然后涂覆透明涂層。而RHCM工藝可以采用模內(nèi)著色來(lái)成型電視邊框，生產(chǎn)的產(chǎn)品擁有高光澤的表面，且沒(méi)有諸如可見(jiàn)凹痕和熔合線等的外觀缺陷，同時(shí)避免了油漆的使用。不僅如此，此方法通過(guò)取消二次操作和油漆與涂層生產(chǎn)線中的VOC排放，極大地降低了成本。

盡管該技術(shù)有明顯且已經(jīng)過(guò)證明的優(yōu)勢(shì)，但它在其他終端用戶(hù)行業(yè)和地理區(qū)域中獲得認(rèn)可的速度比較緩慢，直到本世紀(jì)一十年代末期，幾家歐洲公司進(jìn)入了該領(lǐng)域，并推出了可供選擇的熱/冷成型技術(shù)。在歐洲，該技術(shù)通常被稱(chēng)為“Variotherm”，這是一個(gè)被廣泛使用的術(shù)語(yǔ)，由德國(guó)Hofmann創(chuàng)新集團(tuán)注冊(cè)的商標(biāo)。

如今，熱/冷注塑成型在汽車(chē)內(nèi)飾和其他許多對(duì)表面美觀性有高要求的消費(fèi)產(chǎn)品應(yīng)用中被快速接受。

典型的熱/冷注塑溫度循環(huán)被附加在一個(gè)用鋼琴黑表面修飾的電視邊框上，邊框采用蒸汽RHCM工藝成型

加熱介質(zhì)的選擇

在傳統(tǒng)注塑成型中，熔融聚合物進(jìn)入型腔并接觸較冷的型腔表面會(huì)產(chǎn)生一層瞬時(shí)凍結(jié)的表皮層。這種快速轉(zhuǎn)變稍微改變了聚合物的分子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致材料自然光澤度的損失。另外，相鄰于凍結(jié)表皮層的聚合物也會(huì)快速冷卻，并以一個(gè)比熔峰核心高的黏度流動(dòng)，這導(dǎo)致了各種可見(jiàn)的缺陷。

熱/冷注塑成型的原理是在聚合物進(jìn)入型腔之前提高型腔的表面溫度，一旦充模完成后，冷卻型腔，就像傳統(tǒng)注塑一樣。

在充模過(guò)程中，防止聚合物表面瞬時(shí)凍結(jié)可以使材料保留其自然光澤，熔體也能以均勻的黏度流動(dòng)，因而避免了許多和傳統(tǒng)注塑相關(guān)的常見(jiàn)表面缺陷的產(chǎn)生。

一般，冷凍水是熱/冷注塑成型中常見(jiàn)的冷卻介質(zhì)，但在加熱介質(zhì)方面卻有很多選擇。具體的結(jié)果可以考慮個(gè)人偏好和財(cái)務(wù)預(yù)算，但主要參考標(biāo)準(zhǔn)仍是模具表面溫度。對(duì)一種給定的聚合物，為了實(shí)現(xiàn)熱/冷注塑成型的優(yōu)勢(shì)，必須達(dá)到這一模具表面溫度。

1.熱水

一般，加壓熱水作為加熱介質(zhì)時(shí)，固定設(shè)備投資比較小，并且在大多數(shù)情況下，無(wú)需對(duì)模具進(jìn)行修改。模具中現(xiàn)有的冷卻通道經(jīng)常被用于循環(huán)熱水，以使型腔溫度達(dá)到所需的水平。用熱水作為加熱介質(zhì)，使該技術(shù)成為了一個(gè)非常方便且低成本的選項(xiàng)，用于在部件開(kāi)發(fā)過(guò)程中開(kāi)展模具試驗(yàn)以及采用熱/冷注塑成型工藝改進(jìn)現(xiàn)有的注塑應(yīng)用。

所需的設(shè)備通常包括一套流體溫度控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)帶有一個(gè)加熱回路和一個(gè)冷卻回路以及能在加熱回路和冷卻回路之間快速轉(zhuǎn)換的閥組。

雖然基于熱水的解決方案是一種方便且相對(duì)低成本的選項(xiàng)，但其過(guò)程有一些限制要考慮。這其中，最主要的限制因素是用水可以有效達(dá)到的最高溫度（一般約160 ℃）。可能有一些系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)稍高一點(diǎn)的溫度，但如果材料和過(guò)程要求的型腔表面溫度在此之上，那么相對(duì)于其他介質(zhì)而言，水有限的熱容量將大幅延長(zhǎng)周期時(shí)間。

表 熱/冷注塑成型的好處

水的熱能和所能達(dá)到的溫度一般對(duì)于半結(jié)晶材料是足夠的，也可以滿(mǎn)足在高流程的薄壁應(yīng)用中提高流動(dòng)或?qū)崿F(xiàn)表面改善這樣的目的。但是這種加熱方法對(duì)某些更高溫度的無(wú)定形材料以及具有短周期或涉及發(fā)泡的成型應(yīng)用而言，其限制是不能忽視的。

2.熱油

熱油作為加熱介質(zhì)的主要好處是其擁有非常高的熱轉(zhuǎn)移特性，另外就是油可以被加熱到320 ℃，非常適合于特種聚合物（如PEEK）或高碳含量的聚合物。將熱油作為加熱介質(zhì)相對(duì)容易實(shí)施，固定設(shè)備成本也相對(duì)較低。雖然在開(kāi)發(fā)或原型制備階段，模具中現(xiàn)有的冷卻通道可以被用于循環(huán)油，但是模具需要專(zhuān)門(mén)的加熱和冷卻通道，因此，要對(duì)其進(jìn)行一些必要的改造。

油基系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)和熱水相同——需要加熱和冷卻處于冷卻通道和型腔表面之間大量的模具鋼，然而只有型腔表面會(huì)影響塑料，這無(wú)疑延長(zhǎng)了周期時(shí)間。因此，油基解決方案應(yīng)該在針對(duì)耐高溫性非常好的樹(shù)脂以及其他技術(shù)不足以發(fā)揮優(yōu)勢(shì)時(shí)再進(jìn)行考慮。

3．蒸汽

在所有可獲得的技術(shù)中，蒸汽加熱被使用的時(shí)間最長(zhǎng)，并且為大多數(shù)的應(yīng)用提供了理想的經(jīng)濟(jì)效益，特別是在大批量的部件生產(chǎn)中。蒸汽帶有的熱能是水的6倍多，油的18倍多，因而比采用其他液體介質(zhì)擁有更短的整體周期時(shí)間。其可達(dá)到的溫度比用水獲得的溫度略高。固定設(shè)備成本比采用水的熱/冷系統(tǒng)稍高。除了控制設(shè)備外，該方法還需要一個(gè)鍋爐來(lái)產(chǎn)生蒸汽。

以水為加熱介質(zhì)的熱/冷注塑成型單元

使用蒸汽作為加熱介質(zhì)的RHCM成型單元

現(xiàn)在，針對(duì)這種應(yīng)用的鍋爐為緊湊型，常被放在注塑機(jī)旁邊，和控制單元在一起。用于蒸汽熱/冷成型的模具應(yīng)該具有獨(dú)立的加熱通道和冷卻通道。加熱通道應(yīng)盡可能接近型腔壁，以獲得一個(gè)更高的型腔壁溫度，從而更快地達(dá)到所需溫度，并加熱盡可能少的鋼材，如此一來(lái)，在冷卻循環(huán)過(guò)程中需要去除的熱能也更少。

4.感應(yīng)加熱

電磁感應(yīng)作為一種加熱介質(zhì)是熱/冷注塑成型技術(shù)中最新開(kāi)發(fā)的技術(shù)。該技術(shù)為實(shí)現(xiàn)精確的溫度控制、型腔中不同位置的溫度變化、非常快速的溫度循環(huán)和相對(duì)高的最大溫度（＞200 ℃）創(chuàng)造了條件。

市場(chǎng)上有幾種不同類(lèi)型的系統(tǒng)提供，大多數(shù)需要在模具中整合感應(yīng)線圈。松井公司的感應(yīng)加熱技術(shù)（IH RHRC）能通過(guò)自動(dòng)安裝的感應(yīng)線圈加熱型腔表面，其具體方法是在合模前將線圈簡(jiǎn)單地固定在半模的型腔前面。該技術(shù)可以使用任何標(biāo)準(zhǔn)的模具進(jìn)行生產(chǎn)，無(wú)需改動(dòng)或?qū)I(yè)知識(shí)，對(duì)于固定設(shè)備的要求包括感應(yīng)加熱控制系統(tǒng)、特定應(yīng)用的感應(yīng)線圈和它們?cè)谧⑺苋〕鰴C(jī)械手背面中的整合。另外，線圈可以安裝在于成型區(qū)域移動(dòng)的一個(gè)專(zhuān)用機(jī)械手執(zhí)行器上。

基于感應(yīng)的熱/冷注塑成型提供了一種經(jīng)濟(jì)的加工方案，可以在現(xiàn)有的模具上實(shí)施，改善加工效果，同時(shí)在生產(chǎn)率上不會(huì)有大的犧牲。其典型的38.9～61.1℃ /s的加熱速率和27.8 ℃/s的冷卻速率，提供了一種高度動(dòng)態(tài)的熱循環(huán)。

用感應(yīng)加熱IH RHRC成型的兩個(gè)部件：汽車(chē)內(nèi)飾用的仿皮革縫合（左）和BenQ投影儀外殼（右）

技術(shù)的實(shí)施

熱/冷注塑成型應(yīng)用通常是在塑料部件的設(shè)計(jì)階段被確定下來(lái)，在此情況下，區(qū)分屬性（differentiating attributes）就能以較低的成本獲得部件；還可能是在現(xiàn)有的項(xiàng)目中被定義為一個(gè)解決問(wèn)題的策略，包括消除凹痕和熔合線，并為難以充模的部件改善流動(dòng)性。

如果熱/冷注塑成型的用戶(hù)從一開(kāi)始就針對(duì)該技術(shù)進(jìn)行部件和模具設(shè)計(jì)，則容易獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益。在這種情況下，可以生產(chǎn)出具有A級(jí)表面要求的部件，而無(wú)需昂貴的油漆或涂層操作。熱/冷注塑成型也有利于特殊的表面特性，如在無(wú)需二次加工步驟的情況下，實(shí)現(xiàn)金屬效果或仿皮革縫合。

在熱/冷注塑成型的前期計(jì)劃中，模具設(shè)計(jì)必須考慮加熱型腔壁的需要。如前所述，加熱通道或加熱線圈應(yīng)盡可能靠近型腔表面以達(dá)到最大的效率。在過(guò)去的幾年中，許多帶有困難的幾何形狀和深斜度的具有挑戰(zhàn)性的熱/冷注塑成型應(yīng)用，已經(jīng)通過(guò)使用適形加熱和/或適形冷卻而獲得了成功。在這些應(yīng)用中，加熱或冷卻源要適合部件的輪廓或最終型腔。適形加熱和冷卻為整個(gè)部件有一個(gè)非常均勻的型腔溫度和更快的冷卻創(chuàng)造了條件，因?yàn)橥ǔＲコ臒崃扛倭恕?/p>

感應(yīng)加熱在型腔鋼的表面層中產(chǎn)生渦流，不需要加熱模具的主體

采用激光燒結(jié)金屬粉末的3D打印問(wèn)世，使適形冷卻系統(tǒng)的生產(chǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)，無(wú)論是作為直接嵌件插入模具中，還是作為“失去核心”的模型用于鑄造適形冷卻系統(tǒng)。除了適形冷卻外，最近的高導(dǎo)熱率模具涂料和材料也進(jìn)一步增強(qiáng)了熱/冷注塑成型工藝的可能性和效率。

一旦決定實(shí)施熱/冷注塑成型，采用哪些技術(shù)就需要被仔細(xì)評(píng)估。首先要考慮的是加工的材料，這將決定模具需要達(dá)到的最低溫度。其他要考慮的因素還包括所要求的表面特性、成型部件的尺寸和幾何形狀、部件的體積和生產(chǎn)時(shí)間以及周期時(shí)間和產(chǎn)量。用傳統(tǒng)工藝成型一個(gè)平板外殼，其整體周期時(shí)間是12 s，用熱/冷注塑成型的周期時(shí)間延長(zhǎng)了5 s，這要比整體周期時(shí)間為55 s的大型汽車(chē)部件延長(zhǎng)5 s更加不利。對(duì)于這種平板應(yīng)用，用戶(hù)可以接受更高的固定設(shè)備投資，其要求的回報(bào)是這種最具活力的傳熱技術(shù)要實(shí)現(xiàn)盡可能快的周期時(shí)間。

值得一提的是，大多數(shù)的熱/冷設(shè)備制造商提供應(yīng)用技術(shù)的支持，這應(yīng)該在項(xiàng)目定義和實(shí)施階段內(nèi)進(jìn)行咨詢(xún)。為了在最后選到最適合的熱/冷成型技術(shù)，最好是與一家供應(yīng)商建立關(guān)系。