领先的注射成型法汽车电池

领先的注射成型法

领先的注射成型法 2011年12月03日 来源： 一种新的加工方法结合了挤出和注射成型法的优点。集成了底衬、隔板、加固部分和装饰要素的长断面部件能通过一个步骤，经过一个注射点而被经济地生产出来，而塑料的流动性不再是一个限制因素。当用挤出法来生产具有类似外形的塑料部件时，这些附加的要素却恰好不能实现。 奥地利的IB Steiner工程咨询公司和Hybrid Composite Products 有限公司联合开发了一种新技术来生产带材和型材，他们花了三年的时间才进行了首次成功的测试运转。这种结合挤出和注射成型法的工艺特别适合用低锁模力来生产长的薄壁结构件，包括以粘稠性热塑性塑料为原料生产的部件。端盖和诸如咬合钩和螺丝孔的功能部件都可按其外形结构成型。产品的潜在客户主要是建筑和家具行业、汽车和航空领域以及机械工程领域。用这种方法批量生产的产品的具体例子包括建筑和家具型材、LED光带、灯罩、电缆槽、具有金属效果的电缆粘结和装饰带。

用ABS制得的具有Y形截面和端盖的一米长的带材

成本更低，功能更多 挤注成型工艺给用户带来技术和经济上的好处。系统和装备上的投资大约是传统注射成型装置的一半，并且产品的成本可降低30%。根据下列关键数据，新工艺的成本效益通过单片ABS带材产品（题图）的生产表现出来： ◆ Y形横截面并具有端盖的部件； ◆ 部件长度为1000mm； ◆ 横截面尺寸为10×16mm (宽×高) ； ◆ 壁厚为1.5至1.8mm； ◆ 年需求量为100000条或者直线米。 传统注射成型法所具有的更短的循环周期更多地被生产设备所需的更高的每小时费用所抵消。尽管所用模具的成本更高，但与注射成型法相比，挤注成型法能提供1.24欧元/片（约合人民币13.9元/片）的最低产品成本。当带材由挤出的片材来制得时，成品的后期加工阶段(端盖的粘结、碾磨和上漆)需要可观的附加成本，挤注成型法则可节约这部分成本。对于没有功能单元和表面结构的型材，挤出法仍然是最有成本效率的工艺方法。如果型材是由高温热塑性塑料制成的并且年需求量很低，那么采用挤注技术也是更为有利的。 此加工工艺的成本效率与优良的部件性能很好地结合在一起。与相关的原材料制造商相配合，大量的材料在试制模上进行了试制。该方法被证明有可能用于平均壁厚为1.5mm、尺寸为935mm×10mm×16mm的部件，所用材料为日用塑料原料(ABS, SAN, PP)、工程塑料(包括离子型聚合物, POM, PBT, PC, PMMA, PA 6和PA 66)及热塑性聚氨酯弹性体(TPU)。采用高性能塑料PEI (等级：Ultem；制造商：沙伯基础创新塑料)、PPSU (等级：Radel；制造商：Solvay公司)和PEEK (等级：Victrex PEEK；制造商：Victrex公司)生产的带材质量是传统的注射或者挤出成型法所不能达到的。 大量的特殊注射成型技术可通过挤注成型法来实现，包括模内贴标、混合工艺和多组分注塑成型。通过采用薄膜、材料和胶合板来对部件进行装饰，或者对玻璃、金属、木材和玻纤增强塑料制得的插入件进行全部或者部分的封装可节省组装成本。木质插入件的模内复合和封装在工艺开发过程中已经进行了实验。对填充后的材料(短或者长玻纤增强，以及矿物填充，特殊效果的染色)进行的实验表明在制得产品的整个长度范围内填料和染料的分布都很均匀。 流体前端的浇口 一旦模具闭合后，挤注成型工艺就跟传统的注射成型法一样开始了，塑料熔体被注入到型腔中。模具底座处于其初始位置。整个部件的结构都加在模具的底座上(图1所示)。在模具固定的喷嘴边的一个剑形棒部分上密封了相当开阔的模腔，并和校正单元一起担当挤出口模的作用。

图1 具有加工过程所需关键模具组件的测试模具浇口区域的截面图

熔体通过一个热流道喷嘴而被注入到模腔内，填充末端区域，并从浇口处流入到开阔的模腔内。在喷嘴的位置，数百巴的压力以贯例的方式形成。模具底座开始沿与注射相反的方向移动，即便熔体已经通过了加热的长度大约为100 mm的供料段并射入到空气中。在流体前端速度和模具底座移动速度一致的情况下，注射过程主要由压力来控制。这就意味着浇口要与流体前端的方向一致。在用前沿流体填充操作期间，以熔体粘性为基础的均匀压力分布形成(图2)。这种状态实际上是一种静止的情况，因此，在横截面不变的情况下，其独立于部件的长度而生成。

图2 挤注工艺中在供应段有自由流体前沿情况下的填充行为及在校正段保压和冷却效应(示意图)

在部件的长度范围内，基于设定点的值和粘度分布情况，底座的前进和注射分布被控制。控制的变量为部件横截面和部件厚度，其决定了部件的冷却速度，因而模具底座移动速度是材料和加工温度的函数。当部件的横切面被功能单元或者可变的壁厚改变后，模具底座速度和/或者注射速度也会被相应的改变，这样可使模腔被均一的填充。 填充压作为保压 从熔体前沿前进的熔体在模腔表面冷却下来，并和在底座上的模腔一起被移动回到浇口的位置。在此工艺过程中，起到保压作用的填充压力在填充的截面上被建立起来(图2)，在浇口处压力达到峰值。大小在50到200 bar的填充压力(保压压力)作为熔体粘度、填充速度和部件壁厚的函数而逐步形成。这样就确保了部件结构的重复性，并且意味着部件表面出现缩痕的情况可以避免。因而部件中的每一个体积单元都会经过一个有时间依赖性的保压阶段，直至熔体固化为止。此阶段之后，被挤出物的表面离开喷嘴流道的校正区域，并暴露在空气中。该表面的最小宽度和浇口的横截面尺寸一样，然后，它也可被加工得更宽一些。 在浇口移到模腔末端之前的很短时间内，模具底座的移动被减速直至最终停下来。部件的末端通过模塑循环、成型并被固化这样传统的注射成型方法来制得。在计量操作被完成后，模具可以被打开，模具底座回到起初始位置，并且部件可以被脱模、顶出并取出。生产的整个循环周期等于包括联接控制和模具被从部件的一个末端开始填充在内的整个注射成型过程(参见表1)。 和位于美国的Moldflow公司进行紧密合作，使得有可能在流变学上来模拟该加工过程，并进而分析每一个加工步骤。用于控制样条部件的压力在模腔内的压力分布在起流动方向上表现出下降的压力，该方向为从浇口(填充到流体前沿)开始并沿模具底座移动的方向(保压以固化)(图3所示)。在这两个边界之外，模具可以被打开。图片现实的区域被用于计算供应和校正段。一个基于Moldflow Plastics Insight (MPI)的专业软件被用于此项研究。该模拟工具的适宜性通过系统地比较计算结果和部件生产而得以证实。

图3 生产ABS制得控制条部件时模腔内压力分布，由Moldflow Plastics Insight (MPI)所计算

用于串联执行的设备能力 制造测试模具的公司包括德国的模具制造商CAD-Plast公司、奥地利的模具钢专家B歨ler Edelstahl公司、德国的标准模具部件和热流道制造商Hasco Hasenclever公司、奥地利的涂层专家Oerlikon Balzers公司及瑞士的压力测量专家Kistler Instrumente公司。这就意味着有可能获得在已有的过程分析阶段用于制造系列模具的必要专门知识。 当前在奥地利的CAD-Plast和Dema公司正在被设计和制造的模具是由Hasco开发和制造的用于喷嘴一侧的过程相关模具来产生的。在功能项方面已经被优化的第一套用于系列生产的标准模具部件在2008年2月被安装在测试模具上并通过了广泛的功能测试。该单元由定做来适合工艺的热流道和具有一个剑形几何形状以便适合模具的挤出零件所构成(图4所示)。剑形棒通过就挤出机而言同样的原理来设计，并具有变温填充段(供应段)。固化段被进行冷却并组成校正段。

图4 具有功能插入部分的模具喷嘴一侧的一套标准模具组件

过程分析和工艺优化在奥地利的卡普芬贝格高等技术大学和奥地利Schwertberg的Engel奥地利有限责任公司进行。Engel公司是第一个承认该工艺巨大潜力的注射成型机制造商，并在K 2007塑料展上和IB Steiner及复合物产品有限责任公司一起首次展出了该产品。其所展示的是由锁模力为550 kN与Engel e-motion 200/55相似的生产模具生产的标题图片所示的条状产品(图5所示)。通用电源机器设计也非常适合该工艺的控制需要。

图5 安装在一台通用电源注射成型机上集成有驱动单元的测试模具(垂直方向)，e-motion200/55模具

与传统的注射成型机相比，该新工艺所需的锁模力相对较低。由于具有大的注射体积，该机器的塑化单元相对较大，由此具有两个圆柱体的挤出和可选操作的注射单元为此处可选的两个不同解决方案。 模具不一定非要安装在垂直的方位上(图5所示)，而对于长部件也可以采用水平方向安装的设计。更多的选择标准包括生产场地可用的空间、自动化程度和加工方法。德国的Arburg有限两合公司生产的具有垂直锁模单元的Allrounder V系列机器具有水平移动的底座模块的优点，模具被安装在位置更低的锁模平板上。利用这种设计，底座长度、底座冲程，进而部件长度都能被随意的选择。进入模具内来取出部件非常容易。为了2008年4月开始的Arburg技术会议，IB Steiner与注射模具制造商紧密合作，设计并制造出了用于在垂直式机器上生产控制条的模具 — Arburg Allrounder 375。底座移动的驱动单元被集成到机器中。机器所有的耦合单元意味着伺服电子线性驱动能用在不止一个模具上(图6所示)。

图6 生产控制条样品的模具(水品方向)的三维视图，其驱动单元固定在Arburg Allrounder的375 V机器的位置更低的锁模平板上

前景 大量的公司通过签署挤注产品生产许可证已经确保了其技术领先性。当前和这些公司正进行的工作是实现初始的系列部件。至于关注的所需模具，基于不同的模具方法，最终的设计是可以实现的。系列部件生产所需的工艺专门知识在一系列测试中正被不断扩充。挤注部件布局的方法和方针以用过去数年中CAX工具技术发展所获得的经验值为基础。该工艺后续更进一步的开发和申请的版权和权利也将确保所有项目合作伙伴处于竞争领先的地位。

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