冷热循环的模具注塑技术分享

冷热循环的模具注塑技术
生产过程中，模具温度是影响部件质量高低的一个重要因素。一般而言，设置较高的模温通常可获得较高的部件表面质量。冷/热循环模具注塑技术是在注塑循环过程中，利用热循环控制模具温度的一种方法。该技术要求模具表面的加热温度要在塑料的玻璃化转变温度(Tg)之上，以利于注塑，然后快速冷却模温，使部件冷固，以便于顶出。

　　热/冷循环模具注塑工艺可极大提高注塑部件的表面质量，另外由于减少了上漆、打磨等消除表面瑕疵的二次加工工序，从而降低整个加工成本。在某些情况下，上漆或粉末涂覆皆可省去。热/冷模注塑还可提高玻纤增强结构性材料的表面光洁度，用在对制品表面有高光泽要求的场合。利用该技术可获得的其他优点包括：降低模塑应力、减少或消除漩纹、熔接缝等缺陷，并提高熔体的流动长度，生产出薄壁制品。

　　沙伯创新塑料公司(SABIC Innovative Plastics)在日本从事这项技术的研究工作已有几年的历史，其首个应用实例是加工一个汽车车顶行李架导轨的支脚，过去采用的是金属支脚。当使用玻纤含量为11%的Xenoy 1760 PC/PBT树脂进行试验性加工时，表面质量效果不理想，原因是出现了漩纹和熔接缝。由于存在玻璃纤维的缘故，部件表面非常粗糙，需要采取打磨抛光二次处理，而不是上漆修饰。利用热/冷模注塑可消除这些制品表面缺陷，并省去打磨处理工序。

　　对于聚碳酸酯、PC/ABS混料、PC/PBT混料而言，利用热/冷循环模具进行注射加工非常成功，应用于加工电视机外壳、聚光板、车载音响部件、笔记本电脑外盖等都达到了表面质量问题最少化。

　　1工作原理

　　传统注塑机也可以利用热/冷循环模具注塑工艺，首先，需要安装一个特殊的辅助系统装置，以实现模具表面的快速加热和冷却。需要用到过热水和蒸汽，有部分系统需外置一个锅炉，以产生蒸汽，另外的一些系统则在控制装置内形成蒸汽。沙伯公司设在亚太地区的研发中心使用了蒸汽，而设在美国麻省的聚合物加工研发中心则利用了一个过热水系统，由德国Single Temperiertechnik公司出品的装置可提供高达200℃的过热水。

　　为了有效地控制加工过程，必须在紧靠着模具的外表面装配多个热电偶，以监控温度。模具、注塑机、热/冷控制装置必须要求智能化连接，从而实现加工过程的稳定性。沙伯公司自行研制出了每个部件的智能化控制装置。

　　在注塑循环周期的初始阶段，蒸汽或过热水循环流动，加热模具表面，使模温比树脂的玻璃化转变温度高出10℃～30℃左右。当达到该设定温度后，注塑机获得信号，将塑料熔体注入模腔内。待模腔充满后即完成注射，冷却水循环流入模具，将塑料部件快速冷却定型，然后顶出制品。设有一个阀门开关，轮流转换通入蒸汽或过热水，或是冷却水。在部件冷却之后，打开模具并顶出部件，系统转换开关重新转为模具加热阶段。

　　2模具设计的要点

　　决定热/冷循环模具注塑工艺在整个循环加工周期内能否成功的因素不仅与加工材质有关，同时也与模具的设计样式和结构有关。加热和冷却模具所需的时间由钢材的厚薄而定，对于热交换循环来说，最好是将钢材的厚度最小化。型腔与型芯可采用镶嵌组装的方式，优于在模板上切割开挖的方式，这样就能减小模板厚度。为了减小热量损失和提高热效率，这些嵌件可以在型腔和型芯的托模板上尽量使用气隙和隔绝材料进行装配。

　　除了需减小模具钢材用量之外，还需考虑模具冷热交替的影响，模具制造所用的材质需有较高的导热系数，如铜铍合金或其他有较高导热性能的合金材料，以缩短加热和冷却模具表面所需的时间。另外，冷却水通道设计要靠近模具表面，从而加快响应时间。然而，在大多数情况下，这点会受到塑料制品几何形状的制约。设计采用保型冷却的方式就非常合理有效，即冷却水管道的布置根据塑料部件的表面形状而设计。

　　保型冷却有几种不同的工艺技术，如激光烧结、金属直接镀覆等等。沙伯公司与Fast4M制模公司合作，开发了一种层压制模工艺，该工艺名为Fast-Form。这项模具制造技术是利用一叠钢材薄片，分别用激光切割和粘结上铜材而成。这种工艺具有成本低、方便综合采用保型技术和贯通冷却水管道、设计大面积的排气区域等特点。

　　3技术优点

　　热/冷循环模具注塑技术可极大地改善注塑部件的外观质感，最具突出效果的是采用无定型树脂加工的部件，包括的树脂种类有：PC树脂、PC/ABS混料、PC/PBT混料。当模具表面温度高于某种无定型树脂的Tg之后，在注射阶段，树脂熔体不会结成一层皮，并且熔体可自由移动。其结果是：当熔体碰到模具表面时不会冻结，这点与传统的注塑工艺有所区别。

　　在充模时，有一层薄薄的聚合物熔体逸出，留在垫模板的外表面，由此增加了部件的光泽度、降低表面粗糙度。研究结果显示，如果部件的光泽度提高50%～90%，对于玻纤增强材料来说，表面粗糙度指数-Rmax可提高70%，相对于未填充材料的指数还要提高20%。

　　热/冷模具注塑工艺对改善熔接痕的宽度和可见度有着积极的影响。曾经在同一模具上进行了3种不同材料的加工对比测试，结果显示，采用传统注塑工艺加工而成的制品，其表面的熔接痕宽度大约在6～13微米之间，在热/冷模具上注塑得到的制品完全看不见熔接痕，而且检测不出其宽度。这个巨大的优点可省却上漆等二次加工工序，特别适用某些特殊场合。

　　制品内残存的注塑内应力可引起部件翘曲，甚至缩短部件的使用寿命。传统注塑的部件存在的内应力很高。四氯化碳属于一种已知的可引起塑料部件产生应力开裂的溶剂。采用热/冷循环模具加工的塑料部件内应力较低，使用这种溶剂也不会造成部件应力开裂，从而可省去部件使用前需进行的退火处理工序。