为热/冷注塑成型选择合适的加热介质

作者:Eventus Global LLC. Steve Braig 文章来源:PT《现代塑料》 发布时间:2016-06-23
热/冷注塑成型为加工商提供了一种新工具,以实现更高的美观性或者成型具有挑战性的薄壁部件。热/冷注塑的加热方法方面有多种选项,本文对此进行了详细的介绍。

尽管注塑技术已有许多进步,但是在生产外观合格的且拥有高美观性、高尺寸稳定性、没有模塑残余应力或可靠高流程薄壁部件等方面仍存在一些挑战。

在21世纪初,日本的几家公司合作开发了一种成型技术,它可以满足电子消费品客户最严格的表面质量要求。2002年,一家拥有重要加工技术部门的领先注塑成型商小野公司(Ono Sangyo),推出了快速热循环成型(RHCM)工艺并获得了专利。2009年,日本领先的塑料辅助设备制造商松井制造有限公司(Matsui),作为该工艺控制器的一家生产厂商加入了RHCM联盟。这种技术是作为型腔加热介质的蒸汽为基础,在亚洲消费电子制造厂家中已获得了认可。

在接下来的几年中,该技术成为了生产平板电视屏幕边框的默认成型工艺,被大多数的品牌厂商如索尼和三星所使用。最初,这些电视边框的生产工艺是注塑成型后上漆,然后涂覆透明涂层。而RHCM工艺可以采用模内着色来成型电视边框,生产的产品拥有高光泽的表面,且没有诸如可见凹痕和熔合线等的外观缺陷,同时避免了油漆的使用。不仅如此,此方法通过取消二次操作和油漆与涂层生产线中的VOC排放,极大地降低了成本。

典型的热/冷注塑温度循环被附加在一个用钢琴黑表面修饰的电视边框上,边框采用蒸汽RHCM工艺成型

尽管该技术有明显且已经过证明的优势,但它在其他终端用户行业和地理区域中获得认可的速度比较缓慢,直到21世纪前十年的末期,几家欧洲公司进入了该领域,并推出了可供选择的热/冷成型技术。在欧洲,该技术通常被称为“Variotherm”,这是一个被广泛使用的术语,由德国Hofmann创新集团注册的商标。

如今,热/冷注塑成型在汽车内饰和其他许多对表面美观性有高要求的消费产品应用中被快速接受。

加热介质的选择

在传统注塑成型中,熔融聚合物进入型腔并接触较冷的型腔表面会产生一层瞬时冻结的表皮层。这种快速转变稍微改变了聚合物的分子结构,导致材料自然光泽度的损失。另外,相邻于冻结表皮层的聚合物也会快速冷却,并以一个比熔峰核心高的黏度流动,这导致了各种可见的缺陷。

热/冷注塑成型的原理是在聚合物进入型腔之前提高型腔的表面温度,一旦充模完成后,冷却型腔,就像传统注塑一样。

在充模过程中,防止聚合物表面瞬时冻结可以使材料保留其自然光泽,熔体也能以均匀的黏度流动,因而避免了许多和传统注塑相关的常见表面缺陷的产生。

一般,冷冻水是热/冷注塑成型中常见的冷却介质,但在加热介质方面却有很多选择。具体的结果可以考虑个人偏好和财务预算,但是主要标准仍然是模具表面温度。对一种给定的聚合物,为了实现热/冷注塑成型的优势,必须达到这一模具表面温度。

1.热水

一般,加压热水作为加热介质时,固定设备投资比较小,并且在大多数情况下,无需对模具或模具设计进行修改。模具中现有的冷却通道经常被用于循环热水,以使型腔温度达到所需的水平。用热水作为加热介质,使该技术成为了一个非常方便且低成本的选项,用于在部件开发过程中开展模具试验以及采用热/冷注塑成型工艺改进现有的注塑应用。

所需的设备通常包括一套流体温度控制系统,此系统带有一个加热回路和一个冷却回路以及能在加热回路和冷却回路之间快速转换的阀组。

虽然基于热水的解决方案是一种方便且相对低成本的选项,但其过程有一些限制要考虑。这其中,最主要的限制因素是用水可以有效达到的最高温度(一般约160℃),可能有一些系统可以实现稍高一点的温度,但如果材料和过程要求的型腔表面温度在此之上,那么相对于其他介质而言,水有限的热容量将大幅延长周期时间。

水的热能和所能达到的温度一般对于半结晶材料是足够的,也可以满足在高流程的薄壁应用中提高流动或最低的表面改善这样的目的。但是这种加热方法对某些更高温度的无定形材料以及具有短周期或涉及发泡的成型应用而言,其限制是不能忽视的。

以水为加热介质的热/冷注塑成型单元

2.热油

热油作为加热介质的主要好处是其拥有非常高的热转移特性,另外就是油可以被加热到320℃,非常适合于特种聚合物(如PEEK)或高碳含量的聚合物。将热油作为加热介质相对容易实施,固定设备成本也相对较低。虽然在开发或原型制备阶段,模具中现有的冷却通道可以被用于循环油,但是模具需要专门的加热和冷却通道,因此,要对其进行一些必要的改造。

油基系统的主要缺点和热水相同——需要加热和冷却处于冷却通道和型腔表面之间大量的模具钢,然而只有型腔表面会影响塑料,这无疑延长了周期时间。因此,油基解决方案应该在针对耐高温性非常好的树脂以及其他技术不足以发挥优势时再进行考虑。

3.蒸汽

在所有可获得的技术中,蒸汽加热被使用的时间最长,并且为大多数的应用提供理想的经济效益,特别是在大批量的部件生产中。蒸汽带有的热能是水的6倍多,油的18倍多,因而比采用其他液体介质拥有更短的整体周期时间。期可达到的温度比用水获得的温度略高。固定设备成本比采用水的热/冷系统稍高。除了控制设备外,该方法需要一个锅炉来产生蒸汽。

现在,针对这种应用的锅炉是紧凑型的,通常被放在注塑机旁边,和控制单元在一起。用于蒸汽热/冷成型的模具应该具有独立的加热通道和冷却通道。加热通道应尽可能接近型腔壁,以获得一个更高的型腔壁温度,从而更快地达到所需温度,并加热尽可能少的钢材,如此一来,在冷却循环过程中需要去除的热能也更少。

使用蒸汽作为加热介质的RHCM成型单元

4.感应加热

电磁感应作为一种加热介质是热/冷注塑成型技术中最新开发的技术。该技术为实现精确的温度控制、型腔中不同位置的温度变化、非常快速的温度循环和相对高的最大温度(>200℃)创造了条件。

市场上有几种不同类型的系统提供,大多数需要在模具中整合感应线圈。松井公司的感应加热技术(IH RHRC)能通过自动安装的感应线圈加热型腔表面,其具体方法是在合模前将线圈简单地固定在半模的型腔前面。该技术可以使用任何标准的模具进行生产,无需改动或专业知识,对于固定设备的要求包括感应加热控制系统、特定应用的感应线圈和它们在注塑取出机械手背面中的整合。另外,线圈可以安装在于成型区域移动的一个专用机械手执行器上。

基于感应的热/冷注塑成型提供了一种经济的加工方案,可以在现有的模具上实施,改善加工结果,同时在生产率上不会有大的牺牲。其典型的38.9~61.1℃/s的加热速率和27.8℃/s的冷却速率,提供了一种高度动态的热循环。

感应加热在型腔钢的表面层中产生涡流,不需要加热模具的主体

技术的实施

热/冷注塑成型应用通常是在塑料部件的设计阶段被确定下来,在此情况下,区分属性(differentiating attributes)就能以较低的部件成本得以实现;还可能是在现有的项目中被定义为一个解决问题的策略,包括消除凹痕和熔合线,并为难以充模的部件改善流动性。

如果热/冷注塑成型的用户从一开始就用该技术进行部件和模具设计,则容易获得更高的经济效益。在这种情况下,可以生产出具有A级表面要求的部件,而无需昂贵的油漆或涂层操作。热/冷注塑成型也有利于特殊的表面特性,比如在无需二次加工步骤的情况下,实现金属效果或仿皮革缝合。

用感应加热IH RHRC过程成型的两个部件:汽车内饰用的仿皮革缝合(左);和BenQ投影仪外壳(右)

在热/冷注塑成型的前期计划中,模具设计必须考虑加热型腔壁的需要。如前所述,加热通道或加热线圈应尽可能靠近型腔表面以达到最大的效率。在过去的几年中,许多具有挑战性的热/冷注塑成型应用带有困难的几何形状和深斜度,它们已经通过使用适形加热和/或适形冷却而获得了成功。在这些应用中,加热或冷却源要适合部件的轮廓或最终型腔。适形加热和冷却为整个部件有一个非常均匀的型腔温度和更快的冷却创造了条件,因为通常要去除的热量更少了。

采用激光烧结金属粉末的3D打印问世,使适形冷却系统的生产能够实现,无论是作为直接嵌件插入模具中,还是作为“失去核心”的模型用于铸造适形冷却系统。除了适形冷却外,最近的高导热率模具涂料和材料也进一步增强了热/冷注塑成型工艺的可能性和效率。

一旦决定实施热/冷注塑成型,采用哪些技术就需要被仔细评估。首先要考虑的是加工的材料,这将决定模具需要达到的最低温度。其他要考虑的因素还包括所要求的表面特性、成型部件的尺寸和几何形状、部件的体积和生产时间以及周期时间和产量。用传统工艺成型一个平板外壳,其整体周期时间是12s,用热/冷注塑成型的周期时间延长了5s,这要比整体周期时间为55s的大型汽车部件延长5s更加不利。对于这种平板应用,用户可以接受更高的固定设备投资,其要求的回报是这种最具活力的传热技术要实现尽可能快的周期时间。

值得一提的是,大多数的热/冷设备制造商提供应用技术的支持,这应该在项目定义和实施阶段内进行咨询。为了在最后选到最适合的热/冷成型技术,最好是与一家供应商建立关系。

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