快速热冷成型技术逐步发展以应对行业挑战

作者:Roctool公司 Mathieu Boulanger 文章来源:PT塑料网 发布时间:2019-03-20
如今,快速热冷成型技术在塑料和复合材料的成型中逐步推广使用。但该技术想要作为一种新的成型标准而得到广泛应用,还需要克服很多挑战,其中比较主要的是使行业了这项技术可以做什么,以及如何量化它用于某特定树脂时所能带来的优势。为此,Roctool公司开展了很多工作……

快速热冷(heat-and-cool,简称“H&C”)成型技术得到了越来越多的关注,并在塑料和复合材料的成型中逐步推广使用。但是,这项技术想要作为一种新的成型标准而得到广泛应用,还需要克服很多挑战。其中一个主要的挑战是使行业了解H&C成型可以做什么,以及如何量化该技术用于某特定树脂时所能带来的优势。

两年前,Roctool公司希望寻求一种新方法来满足这些需求,为此,笔者所在的团队与树脂供应商展开了合作,以量化H&C技术在他们的材料上所展现的不同于传统成型方法的优势。这个不断发展的材料数据库能帮助成型商选择模具设计,OEM也可以将其用于部件设计的决策中。

此外,这些结果还会与Roctool公司的用户共享,为他们寻求性能、质量和成本效益方面的改进而提供助力。可能许多人已经了解H&C成型可以改善部件的表面质量,如隐藏可见的焊缝和合流线。

但Roctool公司对树脂供应商的持续调查显示,这项技术还可以为全球各地的成型商带来其他的优势,包括:增加流程、减少或消除凹痕、减少压降、实现薄壁成型以及增强光学和功能应用的表面复制性。特别是最后一项优势,这也是Roctool公司用“HD Plastics”(HD是High-Definition的缩写,代表高清)来描述其整个H&C技术项目的一个原因。

H&C成型的另一个挑战是周期时间。许多年前,当Roctool公司开始将其感应加热技术用于快速H&C注塑成型时,发现会有一个难以接受的周期时间方面的损失。现在,这项技术的周期时间能够与传统成型的周期相媲美,甚至更短,具体取决于所用的树脂。在NPE 2018展会中,Roctool公司在一台克劳斯玛菲的注塑机上,采用一副16腔模具,演示了玻纤填充PBT/ASA部件的成型,每个部件都有不同的表面光洁度或纹理,总周期时间为20s。这是一项颠覆性的技术,因为可以在不牺牲生产率的情况下获得无缺陷的部件。Roctool公司表示,还没有看到其他的加热方法能够如此快速地进行加热和冷却,同时拥有这样的精确度和控制。

H&C技术面对的最后一个挑战是将加热元件集成到一副复杂模具中的能力。Roctool公司的柔性感应线圈有多种直径可供选择并且现在可以集成到复杂的模具中,正如该公司在NPE 2018展会中展出的一种半球形聚碳酸酯部件一样。

Roctool公司的HD Plastics技术可以生产出高光泽表面,并精确复制最精细的模具细节
Roctool公司基于感应的高精塑料(HD Plastics)技术可以生产出高光泽表面,即使采用了填充复合物也是如此,且还能精确复制最精细的模具细节,避免了二次装饰的需要

与传统注塑成型相比,基于感应的H&C技术能复制更精细的模具表面纹理
放大400倍的部件表面显示出与传统注塑成型相比,基于感应的H&C技术可以复制出更为精细的模具表面纹理

感应加热,湍流冷却

Roctool公司的专利技术包括设计一种H&C模具布局,以提供快速、均匀的加热。柔性电感器可以适应任何复杂的模具形状。高频电流产生并穿过电感器,形成涡流和焦耳效应,以高达25℃/s的速率将模具表面加热至1000℃。更重要的是,加热仅作用于型腔表面而不是整个半模,从而最大限度地降低了能耗。值得一提的是,使用标准的水冷却腔道并确保一个完全的湍流流速能够有效地冷却模具。

借助模具中的热电偶,加热和冷却能得到自动控制,并可提供多个加热区。该技术适用于P20和其他传统模具钢,以及几乎所有类型的注塑机。

下面是一些实际案例,说明了客户为何从其他成型方法转换成采用了Roctool感应技术的快速H&C工艺。

1.Dekko公司

位于美国印第安纳州Garrett的电子制造商Dekko公司生产高光泽电气和USB充电电源。在使用H&C技术之前,该公司必须解决一些部件缺陷和表面问题,如汇合线、合流线、浇口白晕和放射斑。

Dekko公司之所以选择Roctool感应H&C技术,主要有两个原因:首先,H&C拥有成本效益,而无需改变部件设计来达到传统模具所提出的要求;其次,Dekko公司的产品在注塑成型时着色,而Roctool公司的H&C技术提供了出色的表面质量,无需进行后期的喷漆处理。

“这项技术消除了表面缺陷,为成品部件的外观带来了极大的改善。Roctool公司帮助我们打开了设计窗口,一些以前无法实现的事情,现在变得可行。”Dekko公司项目经理Jerry Zawadzde表示。

Dekko公司生产USB充电电源
Dekko公司采用Roctool 的H&C技术生产USB充电电源,很大程度上是因为该技术能实现卓越的表面质量

2.Flex公司

总部位于美国加利福尼亚州San Jose的Flex公司多年来一直使用各种类型的H&C技术,包括采用蒸汽、加压水和电气筒的方式进行加热。Flex公司与Roctool公司的合作始于K 2010展会之后。第一副配备Roctool技术的Flex模具用于制造非常薄的电子阅读器/平板电脑的外壳。感应式H&C技术能确保部件完全填充,并缩短了周期时间,降低了能耗,从而优于采用加压热水的技术。

Flex公司改用Roctool感应技术的原因在于它是一种清洁、安全的系统,能提供更快的周期时间、更低的能耗以及无限的材料可能性、更好的温度控制且对模具的腐蚀较小。不过,这家公司在改用Roctool技术时遇到了一些难题,主要在于说服技术人员和其他同事尝试新的和不同的东西。但Flex公司希望未来能够使用Roctool公司的 H&C技术加工更多类型的材料,包括碳纤维复合材料,并通过高价值部件的轻量化及模内装饰效果实现新的产品设计。“由于不需要二次加工,Roctool公司的技术对环境非常友好,对操作人员来说也非常安全,而实现这些无需额外的费用。”Flex公司的高级工程总监Sebastien Ignotis解释道。

由Flex公司成型的一个复杂3D形状展示了基于感应的H&C技术的一些功能。Roctool公司在NPE 2018展会中展出了这款产品,它由两个卡扣部件组成,其中一个部件拥有多个不同尺寸的椭圆形孔和顶部的弯曲凹陷。它采用10%~50%玻纤填充PC制成,薄壁、高光泽并拥有模内成型的标识。

Flex公司采用Roctool H&C技术成型的两件式搭扣配合球体
Flex公司采用Roctool H&C技术成型的两件式搭扣配合球体,展示了柔性感应加热器对复杂部件形状的适用性

该部件的标识后面是中心浇口,但H&C工艺不会留下凹痕或瑕疵。Flex公司将这款产品设计用于室内香味扩散器和蓝牙音箱。

3.Dedienne公司

法国的Dedienne Multiplasturgy集团(以下简称“Dedienne公司”)是Roctool公司的第一批用户之一。这家多元化的订制塑料加工商希望在不断变化的市场中保持领先地位,并在创新和差异化方面预测客户的需求。

Dedienne公司使用Roctool H&C技术进行注塑和压缩成型。在高温下,提升高性能材料压缩成型效率,使得大批量生产成为可能。通常,这些材料用于短期运行,因为它们的加工需要大量的劳动力且周期时间长。但受益于快速感应加热,Dedienne公司原本需要耗费数小时才能生产的部件在几分钟内即可完成。

Dedienne公司副总经理Matthieu Crepin表示,Roctool公司于2017年成立了一个设计团队,自此该公司成为了一家技术和设计支持服务的供应商。这些资源加速了Dedienne公司对注塑用耐高温材料的部署,特别是在美国市场。Dedienne位于芝加哥的Met2Plastic子公司已经实施了采用Roctool感应技术的工艺。“通过设立自己的设计办公室,Roctool公司已经应对了一些主要挑战。我们非常期待这种新方法为耐高温材料带来的好处。”Crepin说

能够快速加热模具并完全控制温度分布开辟了新的成型可能性,包括更短的周期、更高的部件质量和更长的流程。热模具可实现A级表面或复制最精细的表面纹理。现在,通过Autodesk Moldflow软件还能完全模拟采用感应加热的H&C过程。

SABIC已与Roctool公司合作多年。将Roctool基于感应的H&C技术与SABIC广泛的材料组合相结合,有助于将成品部件的性能和美观推向更高的水平,并开辟新的应用机会。

过去,采用某些材料,如30%玻纤填充Ultem 2300聚醚酰亚胺(PEI)和50%玻纤填充聚碳酸酯(Thermocomp D551),注塑成型而成的部件,想要实现光泽的表面是比较有挑战性的,但SABIC已证明,通过Roctool技术这些都成为了可能。

此外,SABIC还验证了在同一部件中将低光泽效果(使用纹理)与高光泽效果结合在一起的可能性。

通过对比发现,基于感应的H&C技术可以增加各种树脂的流动长度
Roctool不断发展的数据库表明,采用基于感应H&C技术可以增加各种树脂的流动长度

此图展示了Roctool的树脂数据库内容的一点内容
通过图中数据可以对Roctool的树脂数据库内容有简单的了解

开发一个数据库

现在,SABIC支持Roctool公司使用HD Plastics数据库量化感应H&C技术效果的计划。以不同的材料为研究对象,创建一个拥有关于表面复制、焊缝强度和流程相关数据的中央存储库,可以提供特定的数据点,以帮助客户了解使用这种H&C技术能在部件中实现何种程度的改进效果。

材料特性是Roctool公司与树脂供应商展开合作以进一步开发HD Plastics数据库的一部分工作,该数据库旨在帮助制造商获得卓越的部件质量和更高的性能。Roctool公司正不断增加新的供应商和材料,以强化信息的来源。目前,这个数据库只有Roctool公司的用户可以使用,但是将来也可以通过订阅的方式获得。

新的IDH复合材料技术

IDH代表“感应双重加热”,这是一种新的成型技术,它将连续纤维热塑性复合材料坯料与采用附加的热塑性材料进行的包覆成型相结合来生产部件。这种“混合的”复合材料正受到越来越多的关注,因为它们轻质且拥有高强度、高刚度,为包覆成型出3D细节提供了设计自由度,还能在无需二次加工的情况下获得理想的表面美观性,而所有这些都在60s的周期时间内完成。

目前,混合复合材料的包覆成型工艺通常采用一个红外加热炉来对压实的热塑性“有机片材”进行预热,再通过机械手和/或传送机将软化的片材输送到冷模具。而IDH技术在整个过程中使用一台单独的感应发电机。机械手会将冷的复合材料嵌件放置在模具中,该模具已经被感应发电机加热。同时,少量的电能被传输到第二个小型感应加热工位,来加热一片与复合材料嵌件相同尺寸的固体石墨。机械手从感应工位取出热的石墨片并将其靠近复合材料嵌件暴露的一面,通过辐射对这个面进行加热。然后,将复合材料嵌件冲压成所需的形状,接下来,模具打开,带有复合材料嵌件的半模旋转到注射工位中进行包覆成型。与此同时,感应发电机将动力从冲压模具切换到注塑模具然后再返回。

感应加热比红外线更高效,能达到的温度也更高。如果在将有机片材放入模具之前采用红外对其进行预热,会增加操作和定位的困难,而IDH技术为此提供了替代方案。此外,还避免了预热的嵌件在转移过程中的冷却问题。通过自动调整加热时间和功率,IDH能够用智能方式控制两个元件的加热。该系统也更加紧凑,从而满足电子行业的限制条件。

IDH提供了富含树脂的表面,适用于复杂的几何形状,并且可以使用非织造和夹层复合材料嵌件。而如果在传统工艺中使用这些材料,加热环节就比较难处理。更重要的是,IDH甚至可以使用非压实的片材,节省加工步骤并且可能降低复合材料的原料成本。IDH可以在高达400℃的温度下提供多区域加热,并适用于热塑性和热固性材料。

以采用含50%碳纤维的PC材料,生产厚度为1mm的14in(1in=2.54cm)笔记本电脑外壳为例,IDH展现了以下优势:周期时间从传统的混合复合材料成型所需的100s缩短为60s(缩短了40%);在工艺温度范围相同的情况下,能耗从5kWh降低为2.3kWh(降低了54%);在采用相同的立式注塑机和六轴机械手的情况下,占地面积减小了28%。

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