精密注塑成型技术的最新进展
精密注塑成型技术的最新进展
引言
精密注塑成型一般是指成型制件的精度和表面质
量均要求很高的工艺[1]"随着科学技术的日益发展,
人们对塑料制件精度的要求越来越高,传统的成型工
艺已很难满足目前高标准的要求,这给精密注塑成型
技术的发展提供了强大的推动力,全世界先进的精密
注塑技术不断涌现"近年来,随着电脑!手机!光盘及
微电子通讯产品用量急速增长,精密注塑成型开始向
高速!超精密及微型化方向发展;计算机模拟仿真以及
计算机辅助设计技术越来越多地应用到产品与模具的
设计加工过程中去;新型的材料不断涌现,并且通过对
原有材料进行改性使制品精密度得到较大提高"分别
从精密注塑机!精密注塑模具设计与制造!精密注塑工
艺及材料性能研究等方面介绍了国内外精密注塑技术
的最新进展"
1 精密注塑机的最新进展
精密注塑机是指具有成型精密制品能力的注塑
机"从20世纪70年代开始,随着电子技术的发展,工
业发达国家相继研制出不同种类的精密注塑机"目前
精密注塑机已经向超小!超高速!超精密的方向发展,
例如日本制钢所成功地开发出了超高速精密注塑成型
机J2ELII2UPS,日本东芝机械公司研究开发出了型号
为IS40HD的DVD专用超精密注射成型机;美国
HUSKY公司生产的S系列小型液压精密成型注塑
机,锁模力为60~160t;德国Dr.Boy公司生产的小型
液压精密成型注塑机为BOY系列,锁模力为12~
80t;日精(香港)塑料工业有限公司最近开发出小巧型
精密注塑机NP7RealMini[2~4]"
3种最新发明的精密注塑机分别是由我国广东泓
利!德国的IKV和日本的Toyo发明的"
1)数码光盘精密注塑机
2003年8月19日,由广东泓利机器有限公司研
制的首台国产数码光盘注塑机[5],通过了广东省科技
厅的鉴定,从而结束了光盘生产线完全被进口设备垄
断的历史"该机以高档精密为特点,其锁模结构是在
其专利产品四缸直锁二板式基础上进行改进的结构
它在开合模运动时导向性很好,超过了国外进口机
而且在高压锁模时受力均衡,从而提高盘片厚度的均
匀性,光盘基片成型过程中,模具开启行程很小,不但
使模具定位精度高,而且机器寿命长,开合模速度也很
快"该机目前已经获得中国!美国!英国!日本等7个
国家的专利"
2)新型微型注塑机
到目前为止,还没有适当的制造单个微型零件的
注塑机,因此制造商们生产较大但是精密的流道来获
得必要的注入量"通常90%的聚合物都浪费掉了,而
且大流道增加了冷却时间和生产周期"为了达到最小
的注入量(<0101g)开发新的尺寸,德国IKV在AGA
GasGmbH公司的帮助下,发明了一种新的微型注塑
成型机[7]"
该注塑机只需要在电加热的料筒里塑化少量的塑
料,并由活塞注入到注射料筒,接着由第二个直径仅为
2mm的活塞把熔融塑料注射到型腔里,由电动机和一
个精密的线性驱动器驱动该过程"该机运转的中心零
件是喷嘴,它可以用电加热并通过注射液体CO2快速
冷却"在注射和保压阶段后浇口关闭"该技术使流道
减小到大约15~20mg"该机的发明者通过使用IKV
软件CADMOULD/MEX来计算,使喷嘴和模具的设
计最优化"而且在该机的设计过程中使用最新发明的
3D软件SIGMASOFT来规划塑化单元的热量,因此
提高了塑化效率"
3)超精密注塑机
日本ToyoMachinery&MetalCo.Ltd的Yoshiya
Taniguchi[6]等人发明了一种精密注塑机,可以进行超
精密的注塑成型"该设备的特点是在该设备的各个部
分都安装有伺服机构,由于使用了伺服机构,在对动作
重复响应的精确性上没有变化;而且在不减少精确性
的前提下,操作速度增加;由于所有的注射操作都是由
伺服电动机反馈控制,定时!注射速度!压缩速度等可
以很自由的控制,成功地使成型周期缩短;由于在动模
板和机壳之间安装了压力传感器,可以直接检测到注
射压力!称重树脂压力以及合模力等数据,使控制更加
准确和实时;而且在该发明中,一个伺服电动机可以进
行两项或更多的工作,例如在浇口切割和模型喷出过
程可以使用一个伺服电动机,这样就降低了成本并且
使控制更加简单,而且性能并没有降低"该发明已于
2001年获得美国专利"
该机装有伺服机构的各部分,其中包括树脂注射
部分,对树脂计量!共混和注射过程提供精确的反馈控
制;开合模部分,对开合模过程提供精确的反馈控制,
即把动模从一隔开的位置打入相对于定模闭合的位置
以形成模腔;浇口切割部分,对浇口切割过程提供精确
的反馈控制,即在树脂注射入模腔之后进行浇口切割;
脱模部分,对脱模过程提供精确的反馈控制,即开模后
顶出制品;模型转移部分,对模型转移过程提供精确的
反馈控制,即从打开的模具中间转移模型"该装置的
结构简图如图1所示,11!12!31!40!45!51分别是用
于控制称量共混树脂!注射树脂!开合模!浇口切割!脱
模!模型转移过程的伺服电动机"
2 精密注塑模具的设计及制造
模具是精密注塑中非常重要的一部分,制品的尺
寸精度与模具制造精度以及模具设计合理性密切相
关,因此人们不断地对精密注塑模具的设计与制造进
行研究与改进,以达到成型精密注塑零件的精度要求"
首先介绍一种制造光纤套圈的方法及其对模具的
改进[8]"光纤套圈由塑料注射成型,主要用在光纤连
接器上,通常直径为215mm"套圈有一轴向的通道,
用来接收纤维光缆,通道的尾部是一个直径很小的孔,
用来接收突出的光纤"该套圈的纵向截面图如图2所
示"在实际中,这样的一对套圈在光纤连接器上是对
接形式,于是对应的一对光纤可以精确地对接来传输
光信号"由于光纤连接器需要很小的公差,原有的技
术还不能制造出公差如此小的产品"
美国IL的LeopoldKiernicki!JamesW.Mcginley!
PhilipW.Schofield发明了一种精密注塑光纤套圈的
方法"该方法通过对模具进行改进,在成型过程中使
用了一种可调节的型芯和接收装置,精确地定位芯棒
和模具中的伸出线装置"芯棒在模制套圈中确定了内
部的通道,而伸出线在套圈中形成了小直径的纵向孔,
小孔和内部通道的末端连接,这样模制套圈就精确地
定位了内部通道和小孔"该发明已于2001年获得了
包括美国在内的多项专利"
新加坡Natl[9]大学的SunYF等人在注射模具的
冷却系统中使用了一种U形铣槽,并且对该凹槽与传
统的直冷却流道的冷却效果进行模拟,结果发现U形
铣槽比直冷却流道有更好的冷却效果,从而可以提高
制品的精密度"
德国的LindnerE.[10]针对CD光盘各方面要满足
高精密度的要求,例如平面!厚度!波形和表面质量等,
对注射模具的结构以及工况提出了一定的要求"光盘
在一个单型腔的!并且带有一个锥形注入口和环形浇
口的模具中注射成型"提出模具型腔的公差单位必须
在几个Lm之内,表面磨光到镜面精加工的程度"模
具的成型部分为钢1.2083,洛氏硬度为50"模具在
60e下工作,周期时间小于4s"
日本ProductionEng.Res.Lab.的HigashiY.等
人[11]发明了一种使用激光辅助的高速金属烧结和成
型技术"使用该技术制造注射模具可以降低成本,缩
短生产周期,而且制造的模具可以用来生产超精密的
塑料制品1万件以上"
大连理工大学的于同敏等人[12]研究了BMC
(BulkMouldingCompound)注射模具的关键技术,研
制出了BMC塑封电机定子精密注射模具,成型的电
机定子不论外观与内在质量均达到或超过引进国外模
具生产的同类产品水平,已完全替代进口"
福建厦门联想移动通信科技有限公司[13]研制开
发了导光柱精密注射模具,成功地用于成型G218手
机面板上的显示导光柱"
3 精密注塑成型工艺的研究
影响精密注塑制品质量的工艺条件有很多,包括
注射压力!注射量!注射速度!料筒温度!保压压力及时
间!多级控制!冷却时间!制件的检查等"目前在精密
注塑成型工艺的研究中,人们越来越多地使用了计算
机模拟与仿真技术,通过对实际工况进行模拟,找出影
响制品质量及尺寸精度的因素,并提出改进的方法"
薄壁制品的精密注射成型已经在计算机!通信!电
子等行业受到普遍的关注,以前的研究主要集中在注
射螺杆,台湾ChungYuan大学的ChenSC[14],Liaw
WL等人研究了相关参数的影响,包括在不同的合模
压力下注射速度!熔化温度!模具温度!填充2保压转换
和保压压力对模板分离的影响,用来作为精密注塑控
制的一部分"他们经研究发现:随着合模压力的增加,
分模次数减少;随着熔体温度和模具温度的增加,分模
次数增加,这将导致零件质量和厚度的增加"类似的,
随着注射速度和保压压力的增加,分模次数增加"从
填充阶段到保压阶段转换较早可以减少分模次数和零
件的质量与厚度"在研究的所有参数中,保压压力对
分模次数及零件质量和厚度的影响最大,并且成型零
件的壁越薄,影响就越大"韩国Yeungnam大学的Du
HwanChun[15]使用模拟技术对注塑成型过程中产生
的缺陷进行了测定和观察,得到的结果生动地显示了
聚合物在注入型腔时的流动型式,突出地显示了熔合
线和气泡的形成过程,并且对如何改善缺陷!提高注塑
精度提出了许多有益的见解"
韩国KoreaAdvancedInstituteofScienceand
Technology的S.C.Lee等人[16]研究了在注射成型的
充模阶段,熔体的压缩对流动场和纤维取向的影响"
他们在研究时发明了一个考虑了压缩的FEM/FDM
混合图表来计算流动场,得到的结果和实验数据吻合
得很好"该研究对实际注射过程中充模阶段的流动场
进行了精确的分析,并且分别对压缩流体和不可压缩
流体的纤维取向做出了定性和定量的分析,这对提高
制品精密性有很大的帮助"
新加坡南洋科技大学的XuehongLu等人[17]通过
实验研究了在塑料光学透镜的精密注射成型中加工条
件对成型透镜质量的影响"所研究的加工参数包括注
射速度!保压压力和模具温度等,通过研究,他们成功
地建立了轮廓误差和模具的收缩以及成型透镜的残余
应力之间的关系"研究表明,除了模具的收缩,应力对
透镜表面轮廓的影响也很大"
一般在注塑成型时,当模具表面粗糙度降低时,喷
出力要减小;然而当表面粗糙度在纳米级时,情况恰好
相反,而且随着喷出力的增加,制品的缺陷将增加"日
本Nippon科技学院和Nihon大学的TetsuoSasaki等
人[18]对注射成型中的喷出力进行了实验研究,定量地
得出了当模具粗糙度在纳米级的情况下,注射成型中
喷出力的变化规律;并且发现在模具型芯上涂上几种
PVD薄膜可以有效地减小喷出力,如WC/C碳涂层!
TiN(HCD)涂层等,对注射成型一些精度较高的产品
有很好的指导作用,如透镜和CD等"
超精密零件成型时的熔体温度控制依赖于非线形
的热传递和控制加工过程中的流体动力学行为"这样
的体系在标准的控制方法中很难表征,尤其是在加工
过程中材料经常改变和设定点的外形经常修正的时
候"德国NewBrunswick大学的HealyAnna[19]和
DubayRicky等人把计算流体动力学(CFD)和主动的
过程控制结合起来使控制器的性能最优化,并且成功
地把该方法应用于注射成形中熔体温度的控制模拟
中"
广东工业大学材料系的李江平[20]通过分析研究
一些主要因素对精密塑件精度的影响,提出了精密注
塑模具设计和提高塑件精度的方法,并推导出精密注
塑模的型腔尺寸设计计算公式,对精密塑件的生产有
很好的指导作用"
4 精密注塑材料(制品)性能的研究
美国DonnellyOptics[21]对几种新型用于成型光
学零件的树脂材料进行了全面的材料测定,包括新型
的环状石蜡共聚物(COCs)和圆形丙烯酸共聚物
(CACs),经测定发现它们可以使制品的透明性增强,
双折射减少,热稳定性增加"该研究看出了这些新树
脂在未来注射成型中的潜能"
日本MitsubishiEng.-PlasticsCorp的Ueda
M[22]对PC材料进行了改性,大大地提高了PC材料
的性能,因而可以提高制品的精密性"他研究了添加
m2tPh(元2三联苯)的PC基体的测试性能,发现并证
实了添加m2tPh将产生更好的表面硬度,这种性质对
透明的薄的涂层更有利,因为它可以避免产生擦痕"
最后,他还提出树脂良好的黏弹性将产生较高的转录
性,较低的双折射和较低的倾斜角"
日本HitachiLtd的YoshiiMasabi等人[23]研究了
在聚碳酸酯精密注射成型时影响微小波纹形成的因
素,并通过进行实验和分析,定量地得出了这些因素与
微小波纹的尺寸关系,成功地建立了对精密注射成型
过程的指导"
美国Massachusetts大学的LiuC.等人[24!25]通过
研究两种带有玻璃或矿物填充物的工程塑料PEI和
LCP的精密注射成型,得出了加工变量对塑料制品精
密性的影响规律以及聚合物形态与制品精密度的关
系"
5 结束语
通过对世界上精密注塑先进技术的考察,发现精
密注塑成型制品已经渗透到了我们生活中的每个角
落,在21世纪里精密注塑成型必将继续不断地发展和
完善"计算机模拟与仿真设计的精密注塑成型技术将
向着更加高速!超精密!微型化及智能化方向发展"目
前世界上先进的精密注塑技术主要集中在德国!日本!
美国以及其他一些西欧国家,东南亚一些国家和地区,
如韩国!新加坡,还有我国的香港和台湾地区发展也较
迅速"我国大陆的精密注塑技术近几年也取得了较快
的发展,但是与一些发达国家还有一定的差距,这就需
要我们的科技人员不断努力,争取早日达到国际先进
水平"
