精密注塑

作者:本刊记者 李军 文章来源:PT《现代塑料》 发布时间:2015-09-14
与普通的注塑成型相比,精密注塑成型技术对于注塑机、模具和辅助设备等都提出了更高的要求。本刊特邀了来自不同公司的专家,结合其各自的机器解决方案对与"精密注塑"相关的一系列问题做出了解答。

基于塑料部件精密装配及某些终端应用的需求,精密注塑成型正在获得越来越多的应用。然而与普通的注塑成型相比,精密注塑成型技术对于注塑机、模具(包括热流道)和辅助设备等都提出了更高的要求。为此,本刊特邀了宁波双马机械工业有限公司技术总监刘玉鹏先生,申达机器制造股份有限公司技术中心副主任、高级工程师袁卫明先生,恩格尔机械(上海)有限公司销售和服务总裁魏迈络先生以及力劲集团工程项目总监罗志雄先生结合其各自的机器解决方案对与“精密注塑”相关的一系列问题做出了解答,以期对注塑加工商正确选择精密注塑设备有所帮助。

宁波双马机械工业有限公司技术总监刘玉鹏先生

恩格尔机械(上海)有限公司销售和服务总裁魏迈络先生

 申达机器制造股份有限公司技术中心副主任、高级工程师袁卫明先生

力劲集团工程项目总监罗志雄先生

PT:众所周知,很多领域对应用的注塑产品的精密性有着严格的要求。那么,精密注塑产品的这种精密性主要体现在哪些方面? 

刘玉鹏先生:精密注塑是靠注塑产品来体现的,其精密性主要体现在几个方面:1.极高的制品尺寸精度,例如钟表齿轮、光学零件、精密医疗零件及3C产品等精密制品,它们的尺寸精度通常要求达到μm级别;2.极好的制品重量重复精度,精密注塑要求制品重量标准差系数不得大于0.1%,目前采用伺服驱动的普通注塑机成型的制品的重量重复精度最多能达到0.5%左右;3.注塑制品材料均一性,影响材料均一性的因素包括塑化单元的机构、液压系统的控制精度以及控制系统的响应时间等;4.注塑制品的外观质量,影响外观质量的主要缺陷有飞边、缺料、缩水和变形等。

袁卫明先生:精密注塑制品的界定指标主要体现在制品的尺寸和质量的重复精度。具体来说,就是制件的尺寸精度高,公差范围小(在0.03mm以内,有的甚至小到μm级),即有高精度的尺寸界限;制件的重量偏差也很小,通常在0.7%以下。

PT:精密注塑产品的上述要求对注塑机的设计及注塑机各个系统的性能提出了怎样的要求?贵公司的精密注塑机如何来满足这些需求?

刘玉鹏先生: 相对于普通注塑,精密注塑对注塑机的性能有着更高的要求。精密注塑要求注塑机具有:1.较高的注射压力,为了确保注塑成型时的充填压力,精密注塑要求注射压力至少为200MPa,部分原料流动性差的薄壁制品要求注射压力甚至大于300MPa;2.较高的注射速度,螺杆前进速度要求不小于200mm/s,可以减少制品冷却引起的尺寸收缩;3.储料背压及料温的精确控制;4.注射及保压终点的精确控制;5.锁模力的一致性;6.锁模部分(定模板及动模板)机械刚性。

双马公司的伯乐精密注塑机关注客户应用需求,帮助客户成功。比如在CPU风扇叶的注塑成型上,注塑制品除了尺寸精度和制品重量要求,还有极高的动平衡要求。我们通过应用低温塑化单元和高响应的注射控制,保证了产品的性能要求。

伯乐EK系列精密注塑机成型的风扇产品

袁卫明先生:由于精密注塑机注射压力高,要求合模系统具有很高的刚度,动、定模板的平行度应控制在0.08~0.10mm的范围内;要求对低压模具的保护及合模力大小精度的控制,因为合模力的大小影响模具变形的程度,进而影响到制件的尺寸公差;要求采用低剪切屏障型螺杆实现熔料质量平衡,快速切断止回阀可确保各次注塑的均一性;注射压力和速度是精密注塑机的一个重要指标,较大的注射压力可提高塑件的密实度,减小收缩变形,较大的注射速度可成型更薄壁厚的制品(一般要求注射速度达到200~350mm/s,压力达到220~270MPa);控制油温变化的波动,稳定在50~55℃为宜,注射油路系统采用伺服阀多级注射反馈控制。申达公司的精密注塑机正是满足了这些需求,使其可以成型出高精度的制品。

魏迈络先生:无论是用于移动设备的高精密光学塑料元件或是微型连接器,元件的尺寸越小,对品质和精密度的要求就越高。为了能在极大的成本压力下满足这些需求,ENGEL e-motion 30 TL注塑机结合了全电力驱动的ENGEL无拉杆技术。

ENGEL e-motion 30 TL全电动注塑机

一种新型的一部分框架概念被开发应用于这种机器。凭借这一新的解决方案,由压缩和弯曲元件组成的一个变形补偿器,将锁模力均匀地分布在整个模板上,此外,允许非常简单的模板平行度的精细调整。得益于这种新的设计,模板的平行度的偏差可低于0.02mm,而这种低锁模力(300kN)的通常偏差规定值为0.1 mm——也适用于有拉杆的注塑机。欧洲塑料和橡胶工业机械制造商协会规定的0.2mm显然更高。因此,ENGEL e-motion 30 TL注塑机在锁模方面实现了极其高的精密度。

为了可靠地制造薄壁元件,配备了久经考验的内联注射单元50的ENGEL e-motion 30 TL注塑机可实现注射速度800mm/s、加速度30m/s²,且注射压力达到2400bar(1bar=0.1MPa)。

罗志雄先生:为了保证精密注塑制品的成型质量,精密注塑机应该满足以下几方面的要求:1.机器的塑化单元要具有优良的塑化能力、计量精度和注射动作;2.合模力的稳定性会影响模具的变形及变形程度,进而影响成型制品的精度,因此机器在工作中要能稳定、精确地控制合模力的大小;3.机器零部件的匹配性能需得到优化,以综合提高合模系统的工作效率,尤其是启闭模速度及其加速度的稳定性;4.合模系统需具有高强度的刚性结构,可承受精密注塑过程中的高压;5.精密注塑机的工艺参数应得到多级控制,包括多级速度、压力、转速控制及位置控制等,同时控制操作要易于进行且具有可靠优良的性能;6.控制系统实现高响应、闭环反馈设计,精确完成各动作,保证制品的成型精度。

力劲集团提供的精密注塑机,正是因为满足了以上设计要求,才达到了精密制品在尺寸、重量、形位和功能上的精度要求。

PT:针对某些精密产品的成型,贵公司是否在自己的注塑机上进行了比较特殊的注塑工艺的应用开发?最终取得的效果如何?

刘玉鹏先生:不同类型的产品对精度有着不同的需求,双马公司联合合作伙伴针对3C产品、医疗产品等精密产品的要求,开发了一系列的注塑工艺及设备。比如:伯乐EK系列机器采用中心锁模结构提高锁模机构的刚性,降低模具变形;与德国团队合作开发的低温塑化单元,可降低注塑制品内应力;采用注塑压缩工艺,显著提高了制品的尺寸精度。

双马公司的伯乐EK系列精密注塑机

袁卫明先生:精密注塑最本质的四项基本因素是塑料材料、注塑模具、注塑工艺和注塑设备。精密注塑主要是向实现高速、高压和快速应答的目标发展, 因此申达机器采用了一线式同轴装置同时完成注塑和塑化,有效避免在高速注塑时引发熔料倒流现象。此外,精密注塑螺杆具有压缩比较小、长径比大和能经受较高磨损等特点,为了避免高压注塑时出现弯曲和扭断等失效现象,申达机器采用了具备足够刚度和强度的精密注塑螺杆。

魏迈络先生:在Chinaplas2015展会上,ENGEL展示了令人印象深刻的上述所提到的ENGEL e-motion 30 TL注塑机,采用16腔模具生产60针板对板LCP材质的连接器。尽管有非常紧密的0.5mm的针间距,但是ENGEL e-motion 30 TL注塑机的周期运转时间仅为6.3s。这一特殊工艺是ENGEL根据精密电子市场的需求,结合高精密的ENGEL e-motion 30 TL注塑机开发的。

在ENGEL e-motion 30 TL注塑机上,采用16型腔模具生产的60针板对板LCP材质的连接器

罗志雄先生:针对薄壁大面积制品的成型,力劲集团在其精密注塑机上增加了注塑压缩功能。该功能可实现在精确计量进入模具的原料之后,模具的空隙被进一步压缩,使得模具中的熔体均匀充满模具。此项技术可以在较小合模力下完成薄壁大面积制品的精密成型。目前,对于大面积导光板的精密注塑成型,该技术已经取得良好效果。我们可以根据客户要求量身订做此项合模功能。

PT:干燥机、模温机等辅助设备对于精密注塑产品的成型是否也有着重要的影响? 

刘玉鹏先生:干燥机、模温机等辅助设备对精密注塑产品的影响主要体现在对原料及模具的影响上。塑料原料的干燥充分与否会显著影响制品的充填与收缩,并对最终的注塑制品外观、尺寸精度等产生较大的影响。

袁卫明先生:精密注塑产品要求塑料有良好的流动性能以及良好的成型性能,以便成型出的制品在形状和尺寸方面具有良好的稳定性。目前主要的精密注塑产品的塑料原料对水分的敏感性高,因此必须进行干燥。干燥机的作用是除去原料中的水分或者溶剂,便于后续加工,达到改善和提高产品质量的目的。因此干燥机对于精密注塑产品的成型具有重要的影响。

由于成型收缩率的波动对塑件精度及塑件的稳定性影响很大,因而它是影响注塑产品精度的重要原因,而对模具的温度调节是防止收缩率发生波动的一个有效途径,同时模具温度也会影响到注塑制品的力学性能,因此通过模温机对模具温度进行调节是实现精密注塑的必要手段。

PT:精密模具(包括热流道)是影响精密注塑成型的又一个关键,请谈谈精密模具的设计和制造原则是什么?

刘玉鹏先生:模具的精度,特别是模具型腔尺寸精度直接决定了制品的尺寸精度。一般精密注塑模具的尺寸公差,应控制在制品尺寸公差的1/3以下。在模具结构设计中,型腔数不宜过多,而底板、支承板和型腔壁都要厚一些,以避免零件在高温、高压作用下发生剧烈弹性形变。精密模具的材料,宜选择机械强度高的合金材料。制作型腔、浇道的材料需要经过严格的热处理,以具有良好的耐热、耐磨和耐腐蚀能力。热流道模具可显著提高注塑成型制品的质量并减少废料,所以在精密注塑成型中越来越多地被采用。

袁卫明先生:一般精密注塑模具的尺寸公差应控制在制品尺寸公差的1/3以下。为此,应选择经过严格热处理的高强度合金钢——具备硬度高(HRC52左右)、耐磨性好和抗腐蚀性强的性能特点;模具型腔数不宜过多,并加厚型腔壁等零件,避免在高温、高压作用下发生剧烈弹性形变;采用少而短和更高光洁度的流道,降低流动阻力以利于脱模;提高模具冷却系统的均匀性等等。

PT:在线监测技术如模内压力监测等,在精密注塑成型中起着怎样的作用?贵公司的解决方案是否采用了在线监测技术?取得了怎样的效果?

刘玉鹏先生:注塑工艺过程的在线监测对于提升注塑制品的精度有着显著的作用。如美国RJG公司推出的eDART系统,可在线监测和控制短射、飞边等各种缺陷。针对医疗行业的精密成型,如注射器针筒的成型,双马公司的伯乐注塑机在塑化系统、型腔及流道分别加装eDART压力传感器和温度传感器,控制系统实时采集温度和压力数据,并通过分析计算实时调整系统输出,从而显著提高了制品的精密度。另外,值得一提的是,伯乐机器还通过采用中心锁模结构,有效降低了模板和模具的变形几率,从而最大限度地保证了针筒对尺寸精度的要求。

袁卫明先生:对于精密注塑(非二次合模的成型工艺)而言,由于制品的精密性,常常要求比较高的注射压力和型腔压力,因此采用在线监测技术对压力实时监测并进行闭环控制是保证精密注塑的一种有效途径。

魏迈络先生:每次注射都能生产出始终如一的高品质成型部件是每一家注塑成型商的目标。但只是简单地采用一台精密注塑机是无法实现这一目标的,即使在环境条件或在原材料和磨损方面发生了细微的变化,都会带来影响,而且可能意味着参数需要重新得到调整。为了避免任何废料和提高生产率,ENGEL已经开发了智能重量控制软件,能够自动识别偏差并在相同的注射量中进行弥补。

为了实现这一目标,该软件会在注射过程中实时分析螺杆位置的压力分布,并将测量值与在线参考循环相比对。基于这些结果,切换点和注射曲线适应当前的条件,保持了在整个生产运转中恒定的注射量。因此在填充模具时黏度波动的影响,特别是在依赖注射压力的切换点应用中,也能够得到补偿。在2015年6月发布的最新软件版本中,ENGEL又取得了新一步的进展。自动保持压力修正功能现在能够即使在注射阶段完成后,通过调节保持压力曲线,来进行黏度波动的补偿。

罗志雄先生:力劲集团与北京化工大学正在共同研发一项在线监测技术,即采用超声波对聚合物熔体进行检测。随着注塑制品精度的不断提高,精密注塑制品对于注塑机选配螺杆的性能提出了更高的要求。为了定量、客观地评价螺杆的混炼能力,力劲集团与北京化工大学联合研发,借助超声波检测系统,以及自行设计的超声波检测辅助装置,通过超声波声速的波动情况,结合相同工艺条件下所得制品的力学性能,可评价注塑机螺杆的混炼能力,也可实现制品成型质量的在线测量,有效提高注塑成型制品的几何精度。

PT:贵公司所提供给的精密注塑生产线,除了保证成型产品的精密性外,在节能性和提高生产效率上是否也令客户满意?

刘玉鹏先生:我公司的伯乐注塑机EK系列机型,采用国内首创的外曲式中心锁模结构,搭配自主研发的synmot伺服控制系统,相比传统机器可节省能源30%~80%。同时,借助于我们优化的机构运动曲线、可并行动作的油路系统,特别是以德籍总工程师为首的团队研发的塑化系统,该系列机型可缩短生产周期,提高生产效率的特点,也获得了国内外众多客户的认可。

袁卫明先生:申达公司生产的精密注塑机均采用伺服节能控制系统,伺服控制系统在获得生产指令时才进行启动工作,并且响应迅速、精确,可闭环控制,在节能和生产效率方面均能满足客户要求。

申达公司的高精密注塑机

魏迈络先生:节能性和生产效率一直是ENGEL研发部门关注的焦点。ENGEL e-motion 30 TL注塑机,由于将极高的精密度和能源效率与低的机器重量和紧凑的设计相结合,因而在制造精密的光学零件和小的电子元件方面建立了一个新的全球标准。凭借仅3m的长度,此台机器非常紧凑的设计节省了生产场地宝贵的地面空间。而且,得益于无拉杆技术,它可以在很多应用中以更小的注塑机运行更大尺寸的模具,从而实现节能。在没有拉杆的方式下,模具固定模板可以被使用至其边缘。这也意味着更低的投资成本和更低的寿命周期成本。

罗志雄先生:力劲集团的精密注塑机在节能性和提高生产效率上也是十分出色的,除了能达到国家一级能耗限定值标准外,还能提升30%~50%的节电率;生产效率也得到了20%~30%的提升,从而使客户能够真正从精密、高效、节能中获益。

力劲PT50V精密高速注塑机

PT:您对于加工商投资购买精密注塑生产设备有什么好的建议吗?

刘玉鹏先生:精密注塑成型不应单独考虑注塑机及周边设备、模具和原材料,注塑成型工艺也对制品的精度也有着很大的影响。通常,在客户投资前,我们的售前支持部门与客户一起对项目进行分析评估,以选择合适的注塑成型设备,确定合适的成型工艺,最终帮助他们实现目标。

袁卫明先生:客户在购买精密注塑生产设备时应根据产品生产的原料特性、产量和品质要求选择专用机型。选择时需注意:设备技术参数应满足产品生产要求;合模单元应具有高刚性、精确行程控制以及运行平稳的机构;注射单元需具有运行阻力小、有足够强度和刚度的高效塑化,以及计量准确稳定的螺杆;液控单元应具有流量、速度、位置和压力等的精确闭环控制,以达到高速应答控制效果。

罗志雄先生:精密注塑生产线的购买,除了考虑注塑制品外观尺寸和结构、使用物料和模具尺寸等,更需重点根据制品的设计、成型要求,尤其是制品精度等级要求,为注塑机选择适合的注塑系统、合模系统、驱动系统和控制系统等配置。

此外,还需注意的是,精密注塑机性能的提升固然可以增加生产效率,但同时也要综合考虑投资成本及运转成本。因此,投资前的效益评估需仔细衡量,这样才能以最合适的机型产生最高的效益。

PT:您对国内精密注塑制品行业的发展现状和前景有何看法?当下设备制造商还需在哪些方面改良以跟上国内精密注塑制品行业的发展步伐?

刘玉鹏先生:精密注塑成型是一门涉及原料性能及配方、模具精度、注塑成型设备精度,以及注塑成型工艺等多方面的综合技术。随着中国政府推动制造业的转型升级步伐的加快,注塑制品行业也将迎来对精密注塑技术的强劲需求。更多涉及智能控制、工艺自动在线调整与校正、电动机直接驱动及工业通信总线等的先进技术将逐步普及运用。因此,设备制造商必须调整战略,加大在新技术、新工艺研发方面的投入,才能跟上行业发展的步伐。

袁卫明先生:随着国内注塑制品的产能结构的调整,精密注塑制品行业对高端生产设备的需求将不断增多。对于国内设备制造商而言,目前需注重设备各零部件的选材、加工、热处理的品质以及安装工艺等要求,同时液压、电器控制在精准计算方面也有待改良提高。

魏迈络先生:以消费性电子为代表的精密注塑制品行业不仅要求产品质量和精密度高,而且要求特别短的市场时间。这一趋势将来会进一步凸显。注塑成型商为了加强他们的竞争优势,正在越来越多地投资于高效且精密的注塑设备以提升他们的效率和产品品质。因此,设备制造商必须跟上这一趋势来满足注塑成型商的需求。作为系统方案提供商,ENGEL可提供单一来源的包括自动化、工艺技术和附加外围设备的系统方案,这一优势可更好地满足中国注塑成型商的要求。因为只有所有组件从一开始就相互完美配合,效率的潜力才能被完全地开发出来,同时还有利于改善产品品质。

除此之外,ENGEL是唯一一家在亚洲拥有多个生产工厂的西方注塑机制造商。在亚洲的当地生产确保了我们快速而灵活地提供注塑机和系统解决方案,而且也保证了短的交货时间。

罗志雄先生:当前,在国内精密注塑行业中进口机器居多,国产机器相对来说比较少。这是因为,精密注塑机所需要的电气、机械、控制技术及电动机技术在国内仍处于一个比较低的发展水平。以电动机为例,国内注塑机通常使用的一些国内品牌电动机尚达不到精密注塑的要求。

对于设备制造商而言,差异化竞争应当是一条必经之路。鉴于注塑机控制系统供应商同时给多家注塑机厂家供应系统,其采用的方案基本上一致,导致注塑机在控制上基本上是同一类型,其他系统也是如此。因此,为了避免同质化竞争,同时也为客户提供更高性能的精密注塑机,设备制造商应当大力发展自己特有的控制系统、电动机等核心技术,这样既能保证自己的利润和市场份额,又能推动行业的发展。

PT:您还有什么要补充吗?

罗志雄先生:作为从事注塑机研发、生产和销售多年的厂商,力劲集团拥有雄厚的技术实力、完善的品质体系、严格的品控管理、先进的检测手段和检测设备,以及行业一流的加工装备,这些优势成为我们为客户打造精密度高、稳定性好及性价比高的机器的保证。除了机器之外,我们还未客户提供一系列的超值服务,如:厂房规划、产品选型、模具制造、工艺流程、人才储备、技术培训等,全方位提升客户的综合竞争力。

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