注射成型技术进展

2001年10月

中　国　塑　料

CHINAPLASTICS

Vol.15,No.10

Oct.,2001

综　　　述

注射成型技术进展

王向东,杨惠娣

(轻工业塑料加工应用研究所,北京100037)

摘　要:介绍了注射成型机、注射成型工艺的一些新进展,重点介绍了电动式注射成型机、预柱塞式注射成型机、往复式成型机、专用成型机等一些新式注射成型机;同时介绍了超高速注射成型、薄壁注射成型、复合注射成型工艺的特点。

关　键　词:注射成型;电动式注塑机;热流道;薄壁注塑;技术进展中图分类号:TQ320.66+2　　文献标识码:A　　文章编号:1001Ο9278(2001)10Ο0001Ο06

　　注射成型亦称注射模塑或注塑,是热塑性塑料的一种重要成型方法。迄今为止,除氟塑料外,几乎所有的热塑性塑料都可以采用此成型方法;它的特点是生产周期短、适应性强、生产率高、易自动化等,因此广泛地应用于塑料制品的生产中[1]。目前,注塑制品量已占塑料制品生产的20%-30%。随着注射工艺、理论和设备的研究进展,注射成型也已应用于部分热固性塑料、泡沫塑料、多色塑料、复合塑料以及增强塑料的成型中。注射成型总的发展趋势是向精密、节能、自动化、薄壁化和微型化发展。本文将主要介绍近年来注射成型技术的进展。

dretto等。

电动式注射成型机之所以受到广泛关注是由于它具有如下的优点:

①节能:电动式注射成型机的电力消耗仅为液压式注射成型机的1/3左右,而且越是大型注射成型机,节能越明显。

②无污染:由于不使用操作油,电动式注射成型机不需要冷却操作油的设备,节省了资源,无漏油、漏水现象,可以保持工作场地的清洁。

③易于控制:电动式注射成型机的可控好,所以稳定性高,即控制精度高。

④成型周期短:各动作相对,可以利用伺服电机进行最佳化的开闭模控制,缩短了成型周期。

图1所示为电动式和液压式注射成型机成型周期的对比。

1　注射成型机

111　电动式注射成型机

1983年,日精树脂工业公司率先开发成功电动式

注射成型机[2],由于当时受到伺服电机的,再加之主要考虑节能,电动式注射成型机被在300t以下的小机型范围内,有人甚至认为电动式注射成型机仅适宜于小型机,用途也只限于成型各种棱镜。但是最近这一已被突破,UbeMachinery公司日前开发了世界最大的电动式注射成型机,其锁模力高达1550t,共采用了7台伺服电机[3]。可以说,电动式注塑机正在掀起一股旋风,在日本国际塑料展览会和NPE2000上[3]展出的电动式注射成型机数量甚至超过了普通的注射成型机。目前世界上生产电动式注塑机的主要厂家有:Nissei,Toshiba,SumitomoPlastics2Machinery,NiigataEngineering,FerromatikMilacrocn,Fanuc,Sod2ick,Demag,UbeMachinery,Arburg,DigitalTech,San2

收稿日期:2001Ο08Ο16

图1　电动式注射成型机缩短成型周期的概念[4]

电动式注射成型机随着各种新技术的开发以及对

这些技术的评价和再评价,终于获得了世界的承认,电

　　・2・注射成型技术进展　

动式注射成型机也进入了它的第二代。电动式注射成型机将成为注射成型机重要的发展方向之一。

电动式注射成型机对于液压式注射成型机压倒的优势是节能。电动式注射成型机目前最大的问题是在价格上,比液压式注射成型机高约2-3成。另外,电动式注射成型机对环境的要求较高,要求环境清洁,以保证控制电路、电机等的正常运转,1000t以上大型注射成型机所采用的大型伺服电机的研制也是当务之急。

据有关资料[4],日本1999年生产1.2万台注射成型机,其中3500台是电动式注射成型机,2000年更达到4800台。在美国、日本几乎有1/2加工厂家选择采用电动式注射成型机,相对而言,欧洲使用电动式注射成型机较少,目前还是以液压式为主,但是,相信这种情况正在很快发生变化,相信电动式注射成型机还会以更快的速度进一步发展。

在今后一段时间中,液压式和电动式注射成型机将处于共存状态,用户可根据需要,在综合考虑液压式和电动式的优缺点后,再确定采用其中一种,或采用混合方式。

112　预柱塞式注射成型机

113　微型成型机

微型成型是加工外形尺寸在1mm以下、重量在

0.0005g(0.5mg)以下[4]、具有必需精密度的微型结构零部件的方法。但是,事实上对于微型结构件的尺寸、重量和精度在世界上尚未有统一的定义,也有人认为外形尺寸要在0.1mm以下的才能称为微型制品,也有人将这类成型机分成微型成型机与精密小型成型机两种的,前者主要用于医疗用的微型机械零部件,后者指锁模力在5t以上的小型成型机,主要用于钟表齿轮等微小制品的成型。微型成型采用模具表面瞬时加热和型腔内脱气技术进行成型,模具表面加热采用介电加热,微型结构件的材料可以是塑料、金属和陶瓷等。

预柱塞式注射成型机是指以使熔融树脂的PVT特性稳定为目的而在结构上将塑化部分和注射柱塞部分分开的注射成型机。

螺杆预柱塞式注射成型机作为螺杆往复式注射成型机的前身早就登过场了,但因为结构复杂、材料高温

滞留时间长(易造成材料分解)、材料换色不方便等,被置换成目前的螺杆往复式注射成型机。1990年初,日本󰁽󰂇⁄√公司采用预柱塞式注射成型机后,又有一些厂家开始采用这种方式。

各公司采用的各种方法,围绕熔融树脂的粘度和密度的尽可能均匀化以及逆流的防止,克服螺杆预柱塞式注射成型机的缺点,开发出了与原来的螺杆预柱塞式注射成型机几乎完全不同的新型螺杆预柱塞式注射成型机。

通常,预柱塞式注射成型机有下述特征:

①塑化计量机构和注射机构是分开的,树脂的均匀熔融性能比往复式螺杆型优越。

②往复式螺杆的逆流防止阀的动作是不能控制的,这是造成误差的主要原因。预柱塞式注射成型机有可控制防止逆流的动作的优点。

③注射柱塞直径可以任意设计,小的直径可以对应超小制品的精密成型。

图2所示为预柱塞注射成型机的结构示意。

图2　预柱塞注射成型机结构示意[5]

114　注射压缩成型机

注射压缩成型是在将熔融树脂充模的过程中,进

行压缩,以降低在注射成型中容易产生的分子取向,达到减少制品变形的成型方法。具体的过程是:首先将模具打开一定量,大小即为压缩行程量,再将熔融树脂注入模具型腔,在注射工序的时间内开始进一步合模,最终通过锁模力将尚未固化的型腔中的树脂压缩,制得制品。

注射压缩的特征如下:①可以实现小的锁模力、低的注射压力的薄壁成型。

②成型制品内部的内应力减小,应变也小。③成型制品的花纹的成型清晰度提高。④因为模具内的流动阻力小,可进行带有表皮的整体成型,这在以前的注射成型中是做不到的。115　专用成型机

近年,光盘专用成型机、塑料卡专用成型机、特殊接插件专用成型机、磁性塑料专用成型机、镁合金专用成型机、金属粉末专用成型机等特殊制品和材料的专用成型机及其技术的开发取得了较大进展,下面介绍几种专用成型机。

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11511　DVD专用成型机

模具细长芯销容易折断,常靠闭环控制保证成型条件的稳定而起到防止芯销的折断。116　无拉杆注射成型机

信息工业的急速增长,计算机用的CD、CD-ROM、DVD盘的用量将越来越多,为此,开发了相应的专用注射成型机。将喷嘴接触驱动部分采用伺服电机进行控制,并将与模具主流道衬套部分的接触状态进行控制,而达到控制模具前端的冷却状态。

另外,为了稳定树脂充填时的低压锁模力,要尽量减小拉杆的热胀冷缩量。为此,常采用电动直压锁模的注射成型机。下面介绍DVD成型的例子。

用于图像、情报记录的介质DVD(DigitalVideoDisc)可称为20世纪最后的一种大型商品。其代替目前的VTR和CD-ROM记录介质等具有更高的画面质量和记忆容量。DVD的制造过程如图3所示。其中厚度为0.6mm的成型薄基板,以及贴合工序是其不同于CD制造过程的特征。另外,在成型后有较多的其他工序,需要除注射成型以外的多种技术的综合,才能完成整个制造过程。所以,这是一个以注射成型机为核心的综合体系。

成型薄基板→取出→冷却→阴极溅镀→旋转涂覆→

UV照射→粘接剂→涂布→贴合→UV照射→质量检验→入库无拉杆注射成型机是一种无动定模板间拉杆的注射成型机,由著名的加拿大Engel公司首先开发成功。在登台亮相之初曾受到各方的非议,认为锁模力不够,但近5年不仅获得承认,而且获得各种改进,在复合成型领域,如立式双工位嵌件注射成型、模内装饰注射成型机、多成分注射成型等,在欧美确立了稳固的市场地位。无拉杆注射成型机由于可以有效利用模板面积、便于更换模具和安装模具辅助部件,如用于管件生产时可以方便地安装抽芯油缸等,在市场开拓方面取得了进展,已经从中型注射成型机向着大吨位机型发展。另外,也便于配置机械手,因此获得较快增长。

无拉杆注射成型机也用于薄壁注射成型机以及电动式注射成型机等,展现了无拉杆注射成型机的发展前景。

117　MuCellTM注射成型机

MuCellTM是制备微孔泡沫塑料的一种新工艺,由

图3　DVD制造过程示意美国Trexel公司开发完成。目前已经在注射成型、挤出成型和中空成型中得到了实际应用。MuCellTM工艺用于注塑的主要优点是反应为吸热反应,熔体的粘度低,熔体和模具温度低,因此制品成型周期、材料消耗和注射力及锁模力均有所降低,可以完成厚壁制品的成型。MuCellTM注塑工艺的许多优点吸引了众多注射成型机厂商的关注和肯定。

目前已有多家注射机制造商如Milacron、Engel、HuskyInjectionMoldingSystem、JapanSteelWorks、BattenfeldofAmerica等公司都取得了Trexel公司的专

DVD与CD成型相比具有下述特性:

①高的复制性:数位形状远较CD小,间距也仅为

CD一半以下。

②光学特性:为获得标准范围内的双折射率,须改进成型条件。

③力学特性:为达到0.6mm厚度,要防止造成翘曲或扭曲等影响基板的情况。

④贴合:即使单片板质量很好,贴合时形状会发生变化而不平,这是要防止的。

⑤过热点、杂质混入:因为位数、间距很小,要严格清洁,防止过热点、杂质混入。

⑥高速成型:要求成型周期在4s,甚至更短时间。11512　特殊接插件专用注射成型机[4]带孔而孔间距在0.6mm以下的塑料接插件因为孔间距过小,使间隔部分的壁厚极薄,很容易发生缺料注射,而且使成型过程不稳定。为此,针对这类制品的特殊性,一些注射机生产厂家开发了专用注射成型机。

专用注射成型机要求锁模装置具有高的刚性,拉杆连接机构要求强韧,合模精度要高,而且要有防止飞边的产生。另外,通过喷嘴两段的温度控制,达到防止拉丝、流涎的目的。

通过更高应答注射驱动,可以改善在LCD成型时熔合缝的强度。

利技术许可,在其注射机上采用MuCellTM注塑成型工艺,为用户服务。

2　注射成型模具

211　热流道模具

热流道模具也称无流道模具,是指不产生浇注系统凝料(料把)的流道系统的模具。因可以省去浇口凝料切除工序,可提高生产率,也省去了料把的回收,可节省工时和能源,因而受到用户的欢迎。

热流道模具的优点除了节省材料和能量外,还可加快成型周期、降低注射压力和锁模压力、减少废品率和减少制品质量。

在一些加工厂,为增加生产能力常常靠通过增加设备数量来达到,而很少考虑去提高现有设备的有效

　　・4・注射成型技术进展　

时间,而热流道模具的应用正可以通过增加有效时间提高生产效率。

对于像CD-R、DVD、瓶盖和一次性调羹这样大量和简单的产品的生产,非常适合采用热流道模具。热流道能节约成本,肯德基炸鸡公司使用32腔调羹的热流道模具就是一个很好的例子。由于无需清理飞边,加快了成型周期,因采用热流道而增加的成本一个月就可收回。

设计合理的热流道模具特别适合热敏性树脂,如阻燃工程塑料,并且由于无料把产生,解决了回收利用的问题。

发挥热流道模具效果的关键是设计好热流道:①喷嘴应该消除静态树脂熔体,因为静态树脂熔体会发生热降解而影响熔体质量。②喷嘴的设计要使塑料每次都能被完全推出,换色只要3次注射即可完成。

③喷嘴使用铍-铜合金芯和标准的230-V加热器,对玻璃纤维增强的材料,喷嘴内部使用导热硬质合金。

浇口通常通过顶部定位/锁紧螺母固定,可以更换,只要更换浇口补套,即可改变浇口,从而不必掉换整个喷嘴。

热流道注射成型模具近5a的价格几乎已经下降了一半。目前在全世界的热流道注射成型模具的实际使用量约占全部注射成型模具消费量的20%-30%;在美国约占40%(或更高);在德国约占30%(或更高),但是,在亚洲的用量只有10%左右,而在中国的用量更是不足5%。212　红外辐射加热成型法

注射成型机自动化、无人化的关键。为此,注射成型用的机械手的进展受到关注,发展较快。

4　注射成型技术

411　超高速注射成型

超高速注射成型是指树脂充模时螺杆前进速度为500-1000mm/s的注射成型技术。用于超高速充模

注射成型的注射成型机称为超高速充模注射成型机,

主要用于薄壁塑料制品(如IC卡等)的成型。机理是机构要保证将熔融树脂在瞬间充填到型腔内。超高速充模注射成型技术的开发也是以塑料机械生产厂商首先开发并推动市场的。

超高速充模注射成型技术的优点如下:

①由于成型材料在极高剪切速率下流动,所以材料因为受到高剪切发热而使粘度降低,另一方面,材料与模具中流道的低温壁面接触固化时通常会形成一个皮层,在超高速充模注射成型的情况下,这一皮层的厚度通常也较薄,使充模过程中的整个材料温度能在较长时间内保持在较高温度,这也使材料的粘度保持在较低的水平,从而容易实现超薄壁成型。

②因为是低粘度下的流动,成型制品各部分的承受的成型压力较为均匀,温度梯度较小,所以制品的翘曲、扭曲等变形较小。

③制品表面的流纹(流痕)和熔合线没有普通成型明显。

超高速充模注射成型技术最大的目标,是超薄壁成型,而薄壁制品究竟能薄到什么程度,这是一个关键问题。注射成型机的注射速度,首先要把握的第一个关键是使用材料的成型性,也就是流动性和固化速度。另外,模具设计也是一个重要的关键,特别是如何确保排气的实现有时是决定性的因素。

壁厚0.5-0.6mm的一次性使用的杯子,通过使用流动性较好的材料,如PP、PE、PS等,在几十年前就已经能进行生产了,无须特别采用超高速充模注射成型机也能高速成型。近年采用超高速充模注射成型技术的意义在于,将其用于流动性较差的工程塑料,制造电子机器等高功能性零部件。

另外,笔记本电脑和移动电话的外壳(壁厚0.6-1.0mm)等薄壁化和轻量化的制品。在考虑成型性、薄壁性的同时,要考虑翘曲、扭曲等变形问题。这常常要依赖CAE进行分析。

再有,超薄壁高功能性制品DVD(壁厚0.6mm)、IC卡(壁厚0.8mm)等,通常不采用上述超高速充模注射成型机,而可以采用注射压缩成型方法。

日本东京工业大学开发了红外辐射加热成型法。这种方法是将模具的一部分用锌化硒(SeZn)制造,对这部分从模具的外部将二氧化碳激光照射,而只让接触模具的树脂表面局部加热。这样,可以消除这部分的残余应力。

213　利用通电加热模具的方法

日本东京工业大学还开发了另一种可以快速加热和冷却模具表面的方法。这种方法采用通电加热,目前还处于试验中。

3　注射成型机的自动化

注射成型机在主机上的塑化、注射、保压、开合模等的控制方面的自动化随着计算机技术的进步已经取得很大的进展,控制精度也越来越高,处于成熟阶段,而与之匹配的制品取出等辅助工序的自动化成为整个

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轻薄短小化是塑料制品的发展方向,对应于薄壁化、轻量化的成型方法的开发将变得越来越重要。412　薄壁注射成型

前端有薄壁部分的成型制品非常有效。

②可消除翘曲、扭曲等缺陷。

③因为不发生注射终结时的峰压,不会发生模具的销钉的倾斜或破损。

④由于是低压成型,所以,可以使用锁模力较小的注射成型机。

鉴于此,在IPF96上发布了为达到更高注射速度和更快注射应答性能的技术。这就是通过油压控制阀的前后压差可任意变换,来控制成型性能的技术,使成型条件范围进一步扩大。413　复合注射成型就像移动电话或笔记本电脑所代表的那样,在提高性能和小型化方面同时进行商品开发,而注射成型制品的小型化和薄壁化给与很大的贡献。

薄壁成型的定义还没有统一,但是,现在要求定义为0.5mm以下的平板形状,连续或局部地方要求在0.1mm以下的制品成型称为薄壁成型。

薄壁成型方法,可大致划分为3种类型。

(1)高压高速充模成型

使用最大注射速度为600-1000mm/s[4]、注射应答时间为10-50ms规格的注射成型机,在极短的时间,且直至最后用高压克服充模阻力,充满型腔的成型方法。

为此,在1996年的IPF上,各公司互相展示其最大的注射速度值的注射成型机。

注射成型机的特点可举例如下:

①为提高注射立即应答性能,须进行油压、电器控制技术的开发和降低注射单元的质量。

②为了抑制充模结束时点控制的差异,制动特性和控制处理速度要求高速化。

③耐高的注射压力,要求刚性高的锁模机构。④耐高的注射压力,要求刚性高、精度高的模具。⑤为实现稳定成型条件下的均匀塑化,要使用高混炼型的螺杆。

(2)高速低压成型

充模开始时用高速注射,目的在于增加流动长度,同时,结合充模结束前充模阻力的增加,自动地降低了注射速度,防止了充模结束时的过充模和因控制切换造成的误差。这是这种成型方法的优点。

这种成型方法的油压控制特征是非常好地将“流量-压力”特性用于成型,是将原来的充模过程中的速度优先控制的主要考虑方法,改为“压力充模优先”的原则的成型方法。这是一种全新的方法。

成型机的特点可举例如下:

①注射速度和注射压力在从大范围的组合中选择,使注射油缸的油压室可以切换。这样,即使在低压设定时,也能获得高速注射性能。

②为了实现高速性能,使用蓄料缸。

③注射油缸油压室的切换,分成5-7段,可以从中进行选择。

其中,就本方法的典型的成型效果介绍如下:①消除了飞边、缺料。特别是对象连接器那样的

如前所述,为了降低成本,提高性能和功能,通过复合成型进行商品开发的工作相当活跃。在企业间激烈竞争中,作为开发各种个性化的商品的手段,采用了各种各样的复合成型。

(1)多品种异质材料成型

双色成型是早就被利用的一种成型方法,近年,由于部件成型一体化的进展,硬质材料和软质材料的组合,以及为在感官上的高级化目的,多品种异质成型正在增加。

(2)立式注射成型机的复合成型

立式注射成型机的嵌件成型虽然不是新的成型方法,但是,由于降低成本的要求和自动化技术的提高,需求正在扩大。

(3)复合材料的直接注射成型法

复合材料的直接注射成型法是岩本产业开发的成型方法,适用于制造复合塑料制品,是将树脂与增强材料或填充材料的干混料直接成型的方法。原来,分开为树脂制造-配混-成型加工的工艺过程中,将后两个工序一体化。

414　三维MID注射成型技术

三维注射成型电路板成型技术的基本原理是通过使用导电树脂和非导电树脂两种材料将电路制成成型制品。

这种技术尚在开发之中,如果成功,将是一种小型、薄型、轻型、低消耗、低成本的制品生产技术,大量生产将是一项划时代的技术。415　模头滑动注射成型技术

这是一种三维中空成型制品一次成型的独特的成型方法,典型的制品是汽车发动机的进气歧管和中空制品。这种技术的开发成功将使这类制品的生产成本大幅降低并可以用于不同材料的成型。416　水辅注射成型技术

水辅助注射成型技术(Water-assistInjection

　　・6・注射成型技术进展　

Technology)的发展目前正向商业化的道路迈进。IKV

持。另外,注射成型技术也将为医疗医药、食品、建筑、农业等行业发挥作用。在需求行业的推动下,注射技

术及注射成型机也将获得进一步的发展。参考文献:

[1]　塑料成型工艺学.轻工业出版社,1985:133.

[2]　广　惠,章　利.最近の•󰂩󰁺󰂁⁄󰁰󰁺成型加工技术の

和FerromatikMilacron正在完善样机,其他一些气辅

注射成型厂商如Battenfeld和Engel最近也加入到开发的队伍中来。水注射成型是用冷水取代氮气进行加工的,可以比气辅注射成型得到壁厚更薄的制品,同时也可以生产大型空心制品,其质量标准更高并且远比气辅注射成型经济。据悉,泄露是水辅需要解决的一个很重要的问题。

潮流.•󰂩󰁺󰂁⁄󰁰󰁺,2000.4别册:14.

[3]　廖正品,张玉霞,李　坚,杨惠娣.美国2000塑料橡胶工业

5　结束语

塑料注射成型技术曾经是汽车工业、电器电子零部件的基础技术,并推动这些行业的飞速发展,21世纪,塑料注射成型技术将成为信息通讯工业的重要支博览会回顾(2).中国塑料,14(10),2000,10:90.

[4]　小松道男.射出成形の高度化技术.•󰂩󰁺󰂁⁄

2000,4:21.[5]　佐藤澄夫,寺山正志.射出成形.•󰂩󰁺󰂁⁄󰁰󰁨-󰁹.En2

cyclopedia,1997:1.

󰁰󰁺,

ProgressinInjectionMouldingTechniqueWANGXiang2dong,YANGHui2di

(InstituteofPlasticsofProcessingandApplicationofLightIndustry,Beijing100037)

Abstract:Newprogressininjectionmouldingmachinesandprocessareintroduced.Somenewones,forexample,elec2tricinjectionmouldingmachines,pre2raminjectionmouldingmachines,miniatureinjectionmouldingmachines,special2izedinjectionmouldingmachinesandthecharacteristicsofultra2speedinjectionmoulding,thick2wallinjectionmouldingandcompoundinjectionmouldingareemphaticpresent.

Keywords:injectionmoulding;electricinjectionmouldingmachines;hotrunner;thin2wallinjectionmoulding;tech2niqueprogress

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