目前,家用电器正在朝着重量轻、结构紧凑、多功能、智能化、个性化、节能化、健康无污染的方向发展,此外,新品种和非电器类家用器具的电气化也是不可忽视的发展方向。通常,家用电器对塑料的共性要求是绝缘和阻燃,同时,由于家用电器在其发展中具有一些很明显的特点,如换代快、要求成本尽可能低等,因此往往需要家电用塑料和原料向着高性能和一般性能两个方向分别进行改进。
高性能塑料可通过对通用塑料的工程化、通用工程塑料高性能化以及特种工程塑料改性来实现。一般性能塑料则通过低成本改性技术、原料替代、专用料等方法来实现对性能和成本方面的要求。塑料助剂除继续开发新型品种外,母料化和复合化是其主要发展方向。塑料加工装备则向针对某种具体产品加工的专用化方向发展,并且这种专用化设备是由专用料供应商和装备供应商互相配合而共同开发的。
新技术、新材料、新设备、新加工方法在家电塑料制品成型过程中得到大量应用,它们对制品成型、表面装饰、表面性能、视觉、感官和触觉提升至关重要,是家电行业产品换代、转型、晋级的途径之一。
在白色家电产品的外观件制造领域,塑料加工和装饰技术一直采用传统的普通注塑、覆膜、喷涂、丝印、电镀工艺,设计思路、产品外观变革都约束在此框架中。面对新一轮发展,有些家电公司近十年前就对模式潮流、产品外观设计、外观时尚、色彩&材料技术创新实施深耕,现阶段如何突破新技术、新材料及工艺的瓶颈,仍是提升产品力和产品价值空间要考虑的项目和课题。
已在手机、汽车、电脑、电视上成功应用的塑料装饰注塑工艺如,模内装饰(IMD、IML、IMR)、双色、压缩注塑、高压蒸汽变温模具注塑等工艺技术,目前在白色家电领域的应用甚少。该类注塑技术是材料创新、外观装饰技术突破的共性技术,是直接将外观装饰、材料、价值以及视觉引向时尚、市场的手段。
本文第一部分将重点介绍家电塑料制品成型相关的技术。
◆覆膜(注塑)成型技术
覆膜(注塑)成型技术又称模内注塑,在国外的应用已比较成熟。使用该技术时,需要在注塑前将专用印花装饰塑料膜夹在模具内,然后注塑成型。印花膜受热变形后可贴合在塑件表面,不但美观牢固,而且还省去了后装饰步骤。
模内注塑工艺包括有塑料制件表面装饰的多种工艺方法,在模内织物、薄膜或彩饰层压制品同样要采用这种特殊工艺技术,如模内装饰(IMD)、模内贴标签(IML)和IMD-3D(三-维模内装饰)等技术。不同的生产厂商生产出的产品具有相同的特点,就是将软质片材或织物基料与注射制件构成一个复合制件。基料可采取连续供料方式或者将已裁切好的装饰材料嵌入模内。为了使装饰材料有更大的变形量,可将热成型方法结合到注射成型方法中,或者作为一个额外处理工序放到产品生产线上。在生产福特(Ford)Focus牌汽车的仪表板时,将一块尺寸大小切裁合适的定型片材嵌入模具内,再与衬料一起成型。目前,汽车内饰板已广泛使用模内层压织物制件。在模内织物层压生产工艺过程中,由于熔体流动会造成模内层压基料严重变形。所以为了避免过度的拉伸力或剪切力而引起织物基料的拉伸变形、起皱和损坏,应降低注射压力,严格控制熔体的流动速度,采取逐级注射方法和合理的浇口设计。所以,模内层压和熔融积附工艺都应采用低压生产工艺。
一种具有软质手感粒面效果的塑料构件就是采取多步骤工艺生产出的新型产品,适用于汽车内饰板、中心仪表板和前壁板的生产成型。这种塑料板材的生产,首先是由印有花纹的垫塑性聚烯烃(TPO)面层、PP泡沫层和PP阻隔层用热成型方法粘结成型,接着将复合板材放入模具内,再注射PP制得最终的复合组件。
◆电磁动态注塑成型技术:这是由华南理工大学瞿金平先生发明的。该技术通过电磁力的作用使螺杆在轴向产生往复振动。由于在预塑化阶段使塑料得以微观塑化,从而使保压阶段的塑件结构更密实,并减小了制品的内应力。这一技术可用于成型要求较高的制品如光碟。当被用于普通制品的成型时,可提高制品的质量。
◆气辅、水辅注塑成型:该注塑工艺用途广泛,可成型多种类型的注塑件。注塑时,可将气体或过热水与塑料熔体几乎同步地注入型腔中。此时,塑料熔体将气体或过热水包覆,成型的塑料制品为夹层结构,塑件定型后排出气体或水即可脱模。此类制品具有省料、收缩小、外观好、刚性好的优点。成型设备的关键部分是气辅或水辅装置及其控制软件。近年来,国内虽然对此研究较多,应用速度也较快,但国产设备的稳定性尚有欠缺。
◆熔芯注塑技术:通常被用于成型对空腔粗糙度和精度要求较高的、不能用中空成型或旋转成型方法加工的异型空腔制品。目前,该技术在国外的应用已比较成熟,但在国内尚处于个别应用状态。该技术的加工原理是:先成型出构成空腔的芯型,然后再用芯型作为嵌件注塑成型。在注塑件的加热作用下,使芯型熔化流出,从而形成了空腔。使用该技术最重要的一点是需要掌握好芯型材料和塑件的熔点。通常,芯型材料可根据具体情况而选用通用塑料、热塑型弹性体或低熔点金属如铅、锡等。
气辅、水辅注塑成型管道
熔芯成型法当中,型芯仅仅作为模壁。充模过程不因固态嵌件而改变。由于金属合金型芯或聚合物型芯的热性能大不一样,故其所要求的压力也有所不同。聚合物型芯起到隔绝壁的作用,并且在成型制件中产生非常薄的流体表皮;金属型芯成为散热点而在制件上形成相对厚的流体表皮。
◆快速成型技术(快速原型):快速成型技术近年来炙手可热,又称3D打印成型技术,是一种立体的打印技术(3D Printing)。你可以把它想象成是办公室或是家里的喷墨打印机,只是它印完一层之后会再迭上另一层,重复这样的动作之后,就可以把平面的物体迭成立体的形状。
它是伴随着家电品种的多样化方向发展以及不断的更新换代而快速发展起来的,主要用于制备家电用塑料外壳模板模型制作。这一技术的优点在于,不需要模具即可实现塑件的小批量生产。目前,比较成熟的快速成型方法有激光扫描成型和液体光固化成型。激光扫描设备是由激光光源、扫描装置、撒粉装置和计算机组成。其加工过程是,由计算机控制的激光头按一定轨迹进行扫描,在激光经过的位置上,塑料微粉受热熔化并粘结在一起,其中激光扫描完成一次,微粉装置就撒一层薄粉,这样,经过反复扫描,就形成了具有一定形状和尺寸的制品。现在,国内已经大量生产激光扫描成型机、3D打印机和塑料微粉、耗材,但设备性能多样化,微粉、耗材的品种牌号名目繁多。例如:在一张方凳SOLID S1 的设计里, Patrick Jouin 则应用了另一种常见的快速成型技术SLS (Selective Laser Sintering),他让整张凳子布满了细胞组织般的形体,中间则由植物根茎般的支柱撑起整个结构。
◆多层复合注塑:借助模流分析以及材料的高流动性和色彩设计,Myto椅以三点进胶完成塑料的射出,得到三色复合的外观效果。
◆变模温无流痕高光免喷涂注塑成型:高光无熔痕注塑技术,采用高温高压水蒸汽(或热水或电加热),将模具快速加热到一定温度后,在模腔中注入塑胶,完成保压后快速冷却至塑件出模温度,完成一个注塑过程。该技术可使塑件表面无熔痕、无拉白、无顶白、无顶裂、无气泡、无毛刺、无飞边、无云纹、无流痕、无皮纹发白等缺陷。具有超高光泽度,可达到镜面效果。该技术可直接取消喷涂工艺,不仅节省能源、材料、车间、设备与人力,降低注塑生产成本,而且显著减少因涂等工艺造成的环境污染和对人身健康的危害,是一种节能减排的绿色注塑新技术。
精确控制模温是实现免喷涂高光注塑成型的一大关键,目前使用较多的温控技术有如下几种:
1.用油加热的高温模温机
模温可被始终维持在恒定温度,优点是成本低、使用方便,但在模具设计上要考虑好熔接线的处理,同时对材料的流动性要求也相对更高。该种模温机主要应用于对外观要求稍低的产品。
2.蒸汽加热的快速模技术
这是较早用于塑料高光无痕成型的一种技术,其工艺原理是:在合模前及合模过程中对模具进行蒸汽加温,合模完成后,温度达到设定条件即可进行注射;注射过程中模具继续维持高温,这样可使胶料在充模过程中保持很好的流动性;注射完成,在保压冷却时,用低温水对模具进行降温处理,以便缩短制品的冷却时间,提高生产效率。
该工艺需要锅炉快速产生足够量的蒸汽,并能够和注塑机信号互锁,实现闭环控制,另外还要求材料耐热性及相容性好。
采用该技术,模温可以达到很高的温度,不存在熔接线问题,同时可以提高产品表面硬度。但由于锅炉投入较大,限制了该技术的使用。为此,目前市场上出现了无需锅炉的快冷快热一体机。
3.电加热的快速模技术
这一技术以韩国NADA公司的E-MOLD(Electricity Mold)系统为代表,可实现超高温模具的温度控制,是快速加热冷却成型技术的最新进展。该技术利用电加热在短时间内把模具的表面温度加热到很高,然后在几十秒之内又能把温度下降到50℃以下,从而帮助高光注塑成型顺利完成。
E-mold技术使用方便,由控制器控制模温,利用冷水来进行模具冷却。
当模具开模取制品时,型芯开始加热。加热区域的温度并不是始终如一,而是根据浇口等位置的设计来决定。当模具关闭时,加热完成,同时射胶注塑开始。通过瞬间加热,升高模温,使得射胶时溶胶的流动性大大提高,从而可以较低的压力成型。
较低的注塑压力意味着降低了制品的内应力,进而使得制品的耐热性和后加工性得到了提高。更重要的是,树脂流动性提高,压力降就会减少,使得产品不易出现冷料而导致表面出现熔接线、流痕等缺陷,大大提高了产品质量。
E-mold技术目前已被广泛用于家电产品外壳的成型,尤其对于平板电视的前框、装饰框、底座及后框的成型,已日渐成为主流。
4.其他模温控制技术
包括高频电磁感应加热系统、红外辐射加热系统以及采用韩国TITAN技术的高压水温机在内的其他模温控制系统,也在高光注塑成型中得到了应用。它们虽然加热方式不同,但控制原理大同小异,并各有优缺点。
更薄、更时尚和更环保将是未来的产品设计方向,免喷涂高光无痕注塑成型技术预计将会得到更多的应用,并随着塑料材料、模具以及注塑设备和成型技术的发展而得到不断完善。
近期应用领域趋势:空调、冰箱、洗衣机的外观件,具有省去喷涂罩光过程、环保、性价比高等特点。可获得不同颜色的单色高光或单色高光+金属闪烁效果的制品。
表:变模温无流痕高光免喷涂注塑成型工艺与产品外观效果比较
◆双色、双料注塑现行技术
1. 一般双色、双料注塑成型
比较多见的双色、双料注塑的方法,其双色注塑机具有两种单独的塑化装置和传动装置,一个共享的锁模装置,须有公母模各二,其作动原理参见下图,其中模具b之型腔较模具a大,首次注塑在模具a中成型,经充模保压、冷却定型,完成后开模,半成品留在模上,料头自动脱落,再利用装置回转盘,将模具绕中心线作180度旋转,进行第二阶段注塑,完成第二种塑料的注射成型,然后完成脱模。
2. 三明治共注塑成型:依次将两种不同熔融树脂由同一个进料口射出成型。特性如下:
(1)可应用于肉厚的产品,以低价格之塑料为芯材,可降低材料成本,维持表面触感并不影响整体强度。
(2)芯材使用导电性佳的塑料,可达到EMI防治的效果。
(3)不须多付模具,可节省模具成本。
(4)射出过程为依次射入不同种树脂,所需成型时间节省有限。
(5)技术层次较高,芯材与表面层的厚度及分布明显影响产品质量,须较高的技术层次以控制射出质量。
3. 同步复合注塑成型(SCI):由两部注塑缸筒及附带的两个注塑喷嘴构成的注塑成型机,同步射出颜色、材质不同的两种成型材料于同一模槽内充填,得到自由熔体交织效果。
图 型芯旋转式双色注塑机结构示意图
1-合模油缸;2-塑化注射装置;3-料斗;4-定模;5-模具回转板;6-动模
特性如下:
(1) 结合面结合强度佳,由于SCI法采同步射出两种树脂可以在模具内已熔融状态结合,各结合强度较前两者佳。
(2) 缩短成型时间,由于以往的双色成型须作模具翻转交换,或是模仁滑退的交替射出以完成射出成型动作, 需要两次的成型周期,相较下SCI法仅需要一次的成型周期,可大幅缩短成型时间,大型零件尤其明显。