塑料注射成型新工艺

精确的塑料制品，且成型过程自动化程度高，在塑料成型加工中有着广泛的应用。但随着塑料制品听应用日益广泛，人们对塑料制品的精度、形状、功能、成本等提出了更高的要求，传统的注射成型工艺已难以适应这种要求，主要表现在①生产大面积结构制件时，高的熔体粘度需要高的注塑压力，高的注塑压力要求大的锁模力，从而增加了机器和模具的费用；②生产厚壁制件时，难以避免表面缩痕和内部缩孔，塑料件尺寸精度差；③加工纤维增加复合材料时，缺乏对纤维取向的控制能力，基体中纤维分布随机，增强作用不能充分发挥。因而在传统注射成型技术的基础上，又发展了一些新的注射成型工艺，如气体辅助注射、剪切控制取向注射、层状注射、熔芯注射、低压注射等，以满足不同应用领域的需求。
1．气体(水)辅助注射成型
气体辅助注射成型是自往复式螺杆注塑机问世以来，注射成型技术最重要的发展之一。它通过高压气体在注塑制件内部产生中空截面，利用气体积压，减少制品残余内应力，消除制品表面缩痕，减少用料，显示传统注射成型无法比拟的优越性。气体辅助注射的工艺过程主要包括三个阶段：
起始阶段为熔体注射。该阶段把塑料熔体注人型腔，与传统注射成型相同，但是熔体只充满型腔的60％－95％，具体的注射量随产品而异。
第二阶段为气体注人。该阶段把高压惰性气体注人熔体芯部，熔体前沿在气体压力的驱动下继续向前流动，直至充满整个型腔。气辅注塑时熔体流动距离明显缩短，熔体注塑压力可以大为降低。气体可通过注气元件从主流道或直接由型腔进人制件。因气体具有始终选择阻力最小（高温、低粘）的方向穿透的特性，所以需要在模具内专门设计气体的通道。
第三阶段为气体保压。该阶段使制件在保持气体压力的情况下冷却．进一步利用气体各向同性的传压特性在制件内部均匀地向外施压，并通过气体膨胀补充因熔体冷却凝固所带来的体积收缩（二次穿透），保证制品外表面紧贴模壁。
气辅技术为许多原来无法用传统工艺注射成型的制件采用注塑提供了可能，在汽车、家电、家具、电子器件、日常用品、办公自动化设备、建筑材料等几乎所有塑料制件领域已经得到了广泛的应用，并且作为一项带有挑战性的新工艺为塑料成型开辟了全新的应用领域。气辅技术特别适用于制作以下几方面的注塑制品：
1）管状、棒状制品
如手柄、挂钩、椅子扶手、淋浴喷头等。采用中空结构，可在不影响制品功能和使用性能的前提下；大幅度节省原材料，缩短冷却时间和生产周期。
2）大型平板制件
如汽车仪表板、内饰件格栅、商用机器的外军及抛物线形卫星天线等。通过在制件内设置式气道，可以显著提高制品的刚度和表面质量，减小翘曲变形和表面凹陷,大幅度降低锁模力，实现用较小的设备成型较大的制件。
3）厚、薄壁一体的复杂结构制品
如电视机、计算机、打印机外壳及内部支撑和外部装饰件等。这类制品通常用传统注塑工艺无法一次成型，采用气输技术提高了模具设计的自由度，有利于配件集成，如松下74cm电视机外壳所需的内部支撑和外部装饰件的数量从常规注塑工艺的17个减至18个，可大幅度缩短装配时间。
水辅助注射成型是IKV公司在气体辅助注射成型技术基础上开发的新技术，是用水代替氮气辅助馆体流动，最后利用压缩空气将水从制件中压出。与气体辅助注射成型相比，水辅助注射成型能够明显缩短成型时间和减小制品壁厚，可应用于任何热塑性塑料，包括那些分子量较低、容易被吹穿的塑料，且可以生产大直径（40mm以上）棒状或管状空心制件，例如，对于直径为10mm的制件，生产周期可从60s减至10s（壁厚l－1.5mm）；而直径为30mm的制件，生产周期则可由180s减到40s（壁厚2.5～30mm）。
IKV公司和Ferromatik Milacron公司目前正在完善样机，其他一些气辅注塑厂商如Baitenfeld公司和Engel公司最近也加入到开发的队伍中来。水辅助注射成型主要用于生产内表面光滑、重要性的介质导管；其质量和经济效益都是气体辅助注射技术所不及的。
2.模具滑动注射成型
模具滑动注射成型是由日本制钢所开发的一种两步注射成型法，主要用于中空制品的制造。其原理是首先将中空制品一分为二，两部分分别注射形成半成品，然后将两部分半成品和模具滑动至对合位置，二次合模，在制品两部分结合缝再注入塑料熔体（2次注），最后得到完整的中空制品。与吹塑性品相比，该法型制品具有表面精度好、尺寸精度高、壁厚均匀且设计自由度大等优点。
在制造形状复杂的中空制品时，模具滑动注射成型法与传统的二次法（如超声波熔接）相比，其优点是：不需要将半成品从模具取出，因而可以避免半成品在模具外冷却所引起的制品形状精度下降的问题；此处还可以避免二次熔接法因产生局部应力而引起的熔接强度降低问题。
3.熔芯注射成型
当注射成型结构上难以脱模的塑料件，如汽车输油管和进排气管等复杂形状的空心塑料件时，一般是将它们分成两半成型，然后再拼合起来，致使塑料件的密封性较差。随着这类塑料件应用的日益广泛，人们将类似失蜡铸造的熔芯成型工艺引入注射成型，形成了所谓的熔芯注射成型方法。

熔芯注射成型的基本原理是：先用低熔点合金铸造成可熔型芯，然后把可熔型芯作为该件放入模具中进行注射成型，冷却后把含有型芯的制件从模腔中取出，再加热将型芯熔化。为缩短型芯熔出时间，减少塑料件变形和收缩。
一般采用油和感应线圈同时加热的方式，感应加热使可熔型芯从内向外熔化，油加热熔化残存在塑料件内表面的合金表皮层。
熔芯注射成型特别适于形状复杂、中空和不宜机械加工的复合材料制品，这种成型方法与吹塑和气辅助注射成型相比，虽然要增加铸造可熔型芯模具和设备及熔化型芯的设备，但可以充分利用现有的注塑机，且成型的自由度也较大。
熔芯注射成型中，制件是围绕芯件制成的。制成后芯件随即被格去，这似乎与传统基础工业的做法类似，并不新奇。但是关键问题在于芯件的材料，传统的材料是不可能用来作为塑料加工中的芯件的，首先是不够坚硬，难以在成型过程保持其形状，尤其是不能承受压力和熔体的冲击，更主要的是精度绝不适合塑料制品的要求，所以，关键是要找到芯件的合适材料。目前常采用的Sn－Bi和Sn-Pb低熔点合金。
熔芯注射成型已发展成一专门的注射成型分支，伴随着汽车工业对高分子材料的需求，有些制件已实现批量生产地如，网球拍手柄是首先大批量生产的熔芯注射成型制品；而汽车发动机的全塑多头集成进气管已获得广泛应用；其它的新的用途有：汽车水泵、水泵推进轮、离心热水泵、航天器油泵等。
4 受控低压注射成型
传统的注射成型过程可分为控制熔体入口速度的充填过程和控制熔体入口压力对塑料冷却收缩进行补料的保压过程。充填过程中熔体的入口速度是一定的，随着充填过程的进行，熔体在模腔内的流动阻力逐渐增加，因而熔体入口压力也容易随着增高，在充填结束时入口压力出现较高峰值。由于高压在型腔内的作用，不仅会造成熔料溢边、涨模等不良现象，而且会使塑料件内部产生较大内应力，塑料件脱模后易出现翘曲和变形，使塑料件形状精度和尺寸精度难以满足较高要求，在使用过程中也易出现开裂现象。
为了降低或避免塑料在充填过程中因较高的型腔压力产生的内应力，将塑料件的变形限制在较低的范围内，应以塑料件充填所需的最低压力进行充填，这样就可降低型腔内压力。受控低压注射成型与传统注射成型的主要差别在于：传统注射成型充填阶段控制的是注射速率，而低压注射成型充填阶段控制的是注射压力。在低压注射过程中，型腔入口压力恒定，但注射速率是变化的，开始以很高的速度进行注射，随着注射时间的延长，注射速率逐渐降低，这样就可以大幅度消除塑料件内应力，保证塑料件的精度。高速注射时，熔体高速流动所产生的剪切粘性热可提高熔体温度，降低熔体粘度，使熔体在低压下充满型腔成为可能。由于低压注射是以恒定压力为基准进行熔体充填，因而低压注射机有其独特的油压系统。
为了实现低压高速成型，需对传统注塑机的注射系统作必要的改进，目前国外已开发出多腔液压注射系统，其主要功能有：
1）在同一油压下可多级变换最高注塑压力；
2）可在低注塑压力下实施高速注射。
由于低压注射成型的基本原理与一般注射成型相同，所以两种成型方式所用模具的结构完全一样。但低压注射成型用低压充填，不出现压力峰值，可避免细小型芯的折断或损坏，有利于提高模具的使用寿命。另一方面由于低压注射成型对模具的磨损较小，对模具的温度控制和排气等要求也不很高。可采用由锌-铝合金材料制造和简易注塑模，这样不仅可以降低生产成本，而且能快速地生产出小批量精密塑料件，以适应目前市场上多品种、小批量生产的需要。
5 注射-压缩成型
这种成型工艺是为了成型光学透镜面开发的。其成型过程为：模具首次合模，但动模、定模不完全闭合而保留一定的压缩间隙，随后向型腔内注射熔体；熔体注射完毕后，由专设的闭模活塞实施二交合模，在模具完全闭合的过程中，型腔中的熔体再一次流动并压实。
与一般的注射成型相比，注射-压缩成型的特点是：
1）熔体注射是在模腔未完全闭合情况下进行的，因而流道面积大，流动阻力小，所需的注塑压力也小。
2）熔体收缩是通过外部施加压力给模腔使模腔尺寸变小（模腔直接压缩熔体）来补偿的，因而型腔成压力分布均匀。
因此，注射-压缩成型可以减少或消除由充填和保压产生的分子取向和内应力，提高制品材质的均匀性和制品的尺寸稳定性，同时降低塑料件的残余应力。注射-压缩成型工艺已广泛用于成型塑料光学透镜。激光唱片等高精度塑料件以及难以注射成型的薄壁塑料件。此外注射一压缩成型在玻璃纤维增强树脂成型中的应用也日益普及。
6.剪切控制取向注射成型
剪切在制取向注射成型实质是通过浇口将动态的压力施加给熔体，使模腔内的聚合物熔体产生振动剪切流动，在其作用下不同熔体层中的分子链或纤维产生取向并冻结在制件中，从而控制制品的内部结构和微观形态，达到控制制品力学性能和外观质量的目的。将振动引入模腔的方法有螺杆和辅助装置加振两种。