热成型领域的新发展

随着塑料成型组件的要求日益提高，机械制造商和用户迎来了新的挑战。可优化壁厚的新颖工艺、创新测量方法的发展以及适用于模拟热成型的先进模型，为这些挑战提供了应对之策。

热成型的目标在于实现具备特定功能的成型组件的精确与可重复制造，其中包括机械稳定性、透气性、形状与尺寸保持性、形状精度、透明度、光泽度、颜色真实度。机械稳定性往往是最重要的标准，因为它在很大程度上控制着材料的用量和成本。

根据具体应用，成型组件80%以上的成本为材料成本。通过优化成型组件壁厚，可以在减少材料用量的同时提升机械稳定性。

推动热成型行业最新发展的主要驱动力是制造薄壁成型件，从而降低生产成本。由于薄膜、片状半成品和单面成型模具轮廓的起始厚度均匀，通过选择合适的工艺以及最佳的加工和模具参数，可以最大限度地实现这一目标。在尽量减少材料用量的前提下保证高品质，要求能够掌握材料特性、成型加工的详细知识，以及成型工艺的关键参数。成型组件质量的优化是一项高度复杂的任务，并且是诸多在研项目工艺参数化以及创新型加热、成型与测量工艺获得新发展所要解决的主题。德累斯顿Fraunhofer IVV正通过开发新的工艺以应对这些挑战。

开发工作目标

由于局部温度分布不均匀会直接影响局部成型特性,所以优化半成品的加热是制造均匀壁厚成型组件的方法之一。为此德累斯顿Fraunhofer IVV已开发出一系列技术解决方案，包括使用激光束、红外光束和印刷陶瓷接触式加热器。例如，使用动态的陶瓷接触加热系统Cera2Heat可以使材料用量减少30%，但这些系统尚未实现广泛的工业应用。

除了对加热过程进行优化之外，还有一种选择，即直接在成型过程中影响壁厚。气动或机械预拉伸材料已很普遍,其中柱塞的设计是一个极其复杂的任务，涉及到材料、表面、几何形状、运动，这需要高度熟练的工具制造商，并且对优化存在严格的限制。测量拉伸力分布状况有助于成型质量的在线评估。然而，针对特定应用调整并生产出柱塞不仅耗时而且昂贵。这一事实，加上摩擦对成型结果的影响以及相关的磨损迹象，正是德累斯顿Fraunhofer IVV要投入相当大的努力以取代柱塞的原因。

作为对柱塞的替代或补充，成型空气直接影响成型结果这一事实或可加以利用。所谓成型空气影响热成型(FIT)，即成型空气引起定制的局部气动预拉伸，从而对待处理材料产生特定的力学和热影响。作为IGF 18536 BG/1项目的一部分，这项技术目前正在德累斯顿Fraunhofer IVV进行开发。

日益提高的组件要求和不断扩大的应用范围也推动了新工艺的发展，包括具有精细几何形状和功能微结构的复杂组件、极薄的创新阻隔层压板，以及再生聚合物和生物聚合物等新材料的使用。带集成电子电路的混合组件(整合电子，参见图1)，则是一项特殊挑战，例如，有机电子产品，同样也需要新颖工艺，以满足材料拉伸和冷却等需要质量更高的监控过程的需要。

仿真模型

上述发展为影响热成型工艺提供了新的机遇。但实证方法不能满足这些过程的配置与适应需求，而由于仿真模型可实现基于特定应用的过程参数化，故需求在日益增长。拟真材料模型和模型验证的有效方法对有效可行地进行高质量仿真模型的开发至关重要。事实上，对仿真模型以及材料表征与模型验证流程的开发目前正在积极推进中。

为描述塑料成型工艺，必须使用选定的方法和设备，通过实验来确定温度、拉伸、应变率、加工方向的影响。材料表征方法包括热成型材料表征(TMC)、膜膨胀电流测定(MIR)以及单轴向和双轴向拉伸试验。当使用柱塞预拉伸时，TMC和MIR尤为适用，同时双轴向拉伸试验特别用于无柱塞成型的情况。

长期以来，接近实际加工条件下(应变率、温度、热成型期间的拉伸)的双轴向拉伸一直是一个重大挑战。因为速度不够高且拉伸不均匀，成果往往无法转化到热成型工艺中。德国德累斯顿Fraunhofer IVV和德累斯顿 TU已经开发出采用一种新型专利软管夹(图2)的双轴向拉伸试验方法，这有可能实现力的传递与测量以及夹具的同步正交拉伸。它避免了箍缩，使材料在整个过程中保持安全并被均匀拉伸。作为与工业界伙伴合作项目的一部分，目前该过程通过使用原型以进行验证。

成型件的质量评估

仿真模型可以通过不同方式进行验证，对与时间相关的成型过程的评估有助于对模型质量做出正确的结论，线三角测量激光器和高速及红外摄像系统可用于此。这将加深人们对接触条件的了解，从而更好地理解摩擦、冷却和温度分布对成型过程中膜/片材的影响。关键的先决条件是透明的成型工具和开放的测试台。这些研究可以利用德累斯顿Fraunhofer IVV的模块化热成型试验装置(图3)来进行。

作为对时间相关型成型过程的替代或补充，可以通过比较壁厚分布来进行验证。为此，可在测试平台或工厂车间生产出成型件，然后对产品的局部壁厚进行测量。现行的壁厚测量法是基于计算机断层摄影或基于磁探针与金属物体间的霍尔效应。霍尔效应法非常耗时，其依赖于测量点的数量，从而获得关于上述点的局部壁厚报告。计算机断层摄影可提供高质量的测量结果，但受限于设备的体积和高昂的成本，仅用于特殊情况。为了快速测量整个区域的壁厚，德累斯顿Fraunhofer IVV正在通过与其工业界伙伴的一个合作项目开发一种新颖的方法。

这里，投影法和传输法的结合(图4)可迅速提供塑料成型件的详细信息。通过向塑料成型件上投射条纹图案并评估其扭曲情况，可以确定几何尺寸，或使用激光三角法测量几何形状。由于透光量与壁厚成反比，通过检测由均匀照射源发出经塑料成型件透过的光，这种方法得到进一步扩展。壁厚测量的准确性必须在10µm范围内，这一点正在验证阶段加以检查。