一種更快、更容易地成型出優(yōu)質部件的新工藝

文/iMFLUX公司GENE ALTONEN

本文介紹了一種“打破常規(guī)”的新注塑工藝，該工藝通過使用低的恒定壓力實現了更短的周期并獲得了更優(yōu)質的部件。

寶潔公司（Procter＆Gamble）是一家廣為人知的消費品公司，但人們對于該公司在塑料加工技術方面的研發(fā)可能知之甚少。寶潔公司本身就是注塑部件的主要消費者，這些部件被用于包裝、女性護理產品、牙刷、剃須刀組件和其他產品中。

該公司從訂制成型商處購買大量的零部件，同時也會自己生產，以為Oral B牙刷業(yè)務和吉列刀片及剃須刀業(yè)務提供支持。寶潔公司在這一領域不斷創(chuàng)新，尋求速度、成本和設計上的進步。

幾年前，寶潔公司認識到需要減少開發(fā)新塑料零部件的成本和時間，并為此集全公司之力開展了一項研究工作，其注塑技術專家都參與其中，目標是重新全面地思考注塑成型部件的方法，以便在速度、成本和質量上實現突破。經過深入而細致的研究、測試和中試，該團隊開發(fā)了一種采用低的恒定注射壓力的突破性技術。這種新工藝允許采用與以往不同的方法來思考如何設計零部件和模具。在這一新研發(fā)成果的基礎上，寶潔公司決定成立一個獨立的全資子公司——iMFLUX公司。

這項新開發(fā)的iMFLUX注塑工藝包含了一款專用控制器，它能在較低的、定義好的熔體壓力曲線下充模，且充模速率可變，以自動適應部件的幾何形狀。該工藝可提高零部件的質量、新部件和模具設計的可能性以及改進的可持續(xù)性，還能減少資本支出。不過，這項技術最大的突破在于能以緩慢的充模實現更短的周期時間，這是意料之外的。

解決常見的成型問題

iMFLUX工藝解決了使用流變曲線來建立最佳充模速度的傳統(tǒng)加工理念所帶來的一些挑戰(zhàn)。這種傳統(tǒng)的理念通常會進行非常快速的充模，以利用聚合物的剪切變稀特性。然而，這種方法常會產生非常高的成型壓力，從而導致一些缺點。不僅如此，這種方法的充模速度是受控的，所以在成型部件的不同區(qū)域上，熔體壓力存在很大的差異，而固有的這些壓差會產生很多問題，包括差異收縮（或翹曲）、尺寸變化、溢料以及無法適應壁厚過渡和部件形狀。圖1顯示了在以常規(guī)方式注塑而成的典型部件中壓力是如何變化的。

而iMFLUX工藝通過采用低且恒定的充模壓力解決了這些問題，使得在成型部件中產生的壓力非常均勻。這其中的關鍵是，并非使用恒定的注射速度充模，而是允許速度變化以保持恒定的塑料壓力。圖2顯示了在整個iMFLUX工藝過程中充模速度的變化情況。

更慢的充模，更短的周期

不同于根據體積流速（也稱為“速度充模”）進行充模的傳統(tǒng)方法，iMFLUX工藝是通過塑料壓力控制成型過程，這使得熔體通過熔體輸送系統(tǒng)和型腔時，不會失速或滯流。無波動的恒定壓力在每個點連續(xù)地推動流鋒，即使遇到肋線、凸臺或其他特征也是如此。

iMFLUX工藝依靠模具中熔體的冷卻來產生流動阻力，這反過來使得壓力穩(wěn)定，并在流徑內部和流鋒處保持恒定。由于模具充模過程非常緩慢，因此聚合物能在充模時不斷冷卻、壓實，可以說部件實際上是在充模時保壓的。

圖3是采用iMFLUX工藝和傳統(tǒng)注塑工藝進行的欠注射。從圖中可以看出，采用iMFLUX工藝，無論流鋒停在哪里，欠注射的部件都被完全保壓，而傳統(tǒng)的部件沒有保壓，繼續(xù)在流鋒后壓實。

為何iMFLUX工藝能以較慢的充模速度實現更短的成型周期？幾個關鍵因素發(fā)揮了作用：

1.較低的充模速率使得剪切熱減少，需要的冷卻時間也得以縮短。

2.充模速度慢使得模具能夠“在充模時被保壓”，因此材料可以連續(xù)地與模具壁接觸，從而實現有效的冷卻。

3.當模具完全充滿時，零部件已經被保壓，這基本上取消了保壓階段并縮短了一個循環(huán)周期中的冷卻時間。

這些效果疊加在一起，使得更短的周期時間成為可能，如圖4所示。

圖1 （上）、圖2（下）顯示了傳統(tǒng)注塑成型與采用了可變速度的iMFLUX工藝的對比

如何實施這一新工藝

iMFLUX這項專利技術由位于美國俄亥俄州的iMFLUX公司（成立于2013年）獨家提供，可以通過許可證授權獲得。該技術已經在數百種商業(yè)應用中以全面生產的規(guī)模經過了驗證。

用于iMFLUX工藝的注塑機需要一種專門的控制器，以使工藝能夠通過塑料壓力進行控制，而并非通過速度和保壓壓力。另外，設備注嘴中要增加壓力傳感器，以提供進入材料輸送系統(tǒng)的塑料壓力的實時測量值。同時模具也要增加傳感器，以顯示模具中的壓力和流鋒進展。

模具傳感器的反饋對于確保模具中擁有理想的壓力，以及對材料、模具或工藝變化導致的注射壓力進行實時調整是至關重要的。一個用戶界面可以用于輸入過程參數并監(jiān)視工藝過程。圖5顯示了專有控制系統(tǒng)的元件。

大多數類型的注塑機都可以采用iMFLUX工藝，包括液壓、全電動和混合動力注塑機。有幾家主要的設備制造商能為用于該技術的新設備提供OEM套件，從而幫助加工企業(yè)實現快速簡單的整合。不僅如此，iMFLUX工藝也可以與現有的機器整合。

目前，這一技術已在很多領域中得到應用，如汽車、醫(yī)療、包裝和消費品。由于采用了一種閉環(huán)、恒定低壓的控制手段，因此大多數聚合物采用iMFLUX工藝進行加工都會獲得比采用高剪切的傳統(tǒng)工藝更好的效果。

案例

1.聚碳酸酯（PC）醫(yī)用零部件的生產：一家客戶采用一副帶有閥式澆口熱流道的16腔模具生產PC醫(yī)用零部件。由于充模不平衡，導致了高廢品率和間歇性欠注射。而iMFLUX工藝的采用通過改善部件之間的充模平衡，將廢品率從10%以上降低至不到0.2%。這主要受益于iMFLUX工藝的恒壓充模。如此一來，每個零部件都經歷相同的壓力，部件的幾何形狀告訴設備如何連續(xù)分布速度，從而形成穩(wěn)定的保壓條件。除了消除欠注射并改善了型腔之間的平衡，周期時間也縮短了30%。該案例中采用的設備是加工商現有的全電動注塑機，改裝后用于運行iMFLUX系統(tǒng)。

2.一種聚丙烯（PP）家用清潔工具的生產：在這個案例中，iMFLUX系統(tǒng)是在新模具和新設備的設計階段中即被引入。之前，該部件采用一臺500 t伺服液壓設備生產，搭載8腔模具，周期時間為52 s。而新的iMFLUX模具和系統(tǒng)使得可以采用傳統(tǒng)的400 t液壓設備，并將型腔數增至12個，將周期時間縮短了21%。總之，最終產量提高了91%。盡管增加了4個型腔并縮短了周期時間，但總的峰值注射壓力比傳統(tǒng)工藝低30%。這個案例說明，雖然iMFLUX系統(tǒng)在使用現有模具的改裝機器上也非常有效，但專門為iMFLUX工藝設計新模具會有很多好處。

圖3 欠注射對比：采用傳統(tǒng)的注塑成型工藝（右），充模停止時，形成的是高度扭曲的部件表面；而iMFLUX工藝(左)在充模時保壓，因此部件在充模期間的任何位置上都擁有完全成型的表面

圖4 iMFLUX工藝基本上取消了傳統(tǒng)注塑成型的保壓階段，并縮短了冷卻時間，因為它會在充模時保壓

圖5 幾乎任何類型的注塑機都可以采用iMFLUX工藝，有配套元件可用于新機器或改裝現有的設備。關鍵的元件包括：一個注嘴壓力傳感器、型腔壓力傳感器和帶有用戶界面屏幕的專有控制軟件

3.一種聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）包裝組件的生產：在改造的液壓注塑機上采用iMFLUX技術搭載4腔模具加工這款部件，使得產量提高了16%。不僅如此，iMFLUX工藝還將型腔的不平衡從6%減少到0.8%，幾乎是充模零部件所需壓力的一半（從107.9 MPa減至62.2 MPa），并在保證所有部件尺寸規(guī)格的情況下，將平均部件的重量減少了0.48%。與高速充模后保壓的傳統(tǒng)工藝相比，在充模時保壓的iMFLUX工藝消除了不必要的材料，減輕了部件重量，并將周期時間縮短了13%。

4.一種PP汽車零部件的生產：該部件最初采用一臺550 t液壓設備搭載8腔模具進行生產，周期時間50 s。在iMFLUX工藝整合到設備中后，周期時間縮短了8 s，從而使產量提高了20%。如案例3中所述，同時保壓和充模使得壓力降低了14%，并使部件重量減輕了1%。此外，iMFLUX動態(tài)吸收黏度變化的能力將廢品率從18%降低至0.2%。