注塑成型的趨勢科技
摘要：熱流道、一模多腔、氣輔注射成型、超臨界流體微發(fā)泡成型、模內(nèi)標簽和計算機輔助工程技術等注塑成型科技具備節(jié)能、省料、降本、環(huán)保、創(chuàng)新等特質(zhì)，順應時代的趨勢和滿足市場的需求。 但要把這些技術應用得當， 必須鉆研認清相關工藝的物理本質(zhì)，掌握正確的設計方法，使得各注塑成型趨勢科技能夠避短就長，充分發(fā)揮其優(yōu)勢。
一. 前言
在原物料漲價、環(huán)保成為共識的大環(huán)境下，先進注塑成型技術獲得業(yè)界的廣泛重視。 本文就近來獲得關注的熱流道、一模多腔、氣輔注射成型、超臨界流體微發(fā)泡成型、模內(nèi)標簽和計算機輔助工程這幾項注塑成型趨勢科技，分別予以說明，并點出其優(yōu)勢、應用、問題與對策。
二. 幾項值得重視的注塑成型趨勢科技
1. 熱流道(hot runner)
說明：自噴嘴至澆口的熔膠傳送系統(tǒng)(melt delivery system)的局部或全部在整個注塑周期中，以加熱的方式保持塑料在熔融狀態(tài)，此一保持塑料在熔融狀態(tài)下的的熔膠傳送系統(tǒng)稱之為熱流道(hot runner)系統(tǒng)。 該系統(tǒng)可經(jīng)冷流道和澆口進膠型腔，也可直接進膠型腔。 若要控制進膠和斷膠的時間，可在直接進膠的熱流道系統(tǒng)的熱嘴處采用閥式澆口(valve gate)。
優(yōu)勢：(1)熱流道的直徑一般比較大，而熔膠在熱流道中一直保持在高溫狀態(tài)，所以塑流流經(jīng)熱流道的剪切應力(shear stress)與壓力降遠較流經(jīng)冷流道者低，而能將同質(zhì)(相對同溫同壓)的熔膠送到所有的澆口，這對制品(尤其是薄壁制品)的高質(zhì)量注塑成型以及更多型腔的模具開發(fā)是有利的； (2) 冷流道模具往往因為冷流道較之制品過于粗厚而使得周期時間太長，在此情況下，熱流道因為本身不須冷卻固化而使得周期時間縮短； (3) 冷流道有回收料的污染、降解等問題，熱流道在材料的節(jié)省和品保的成效突顯； (4) 閥式澆口和熱流道的合并使用，可以改變充填模式(filling pattern)，消除或轉移熔接痕(weld lines)、氣穴(air traps)等的功能。
應用：熱流道模具在先進國家的應用已然成為主流。 對于多型腔或/和薄壁型腔模具而言，熱流道的應用日趨廣泛。
問題與對策：降解(degradation)、流涎(drooling)、堵料(blocking)等。 可藉良好的制品、模具與工藝設計防患于未然。
2. 一模多腔(multicavity)
說明：一模多腔。 熱流道、熔膠翻轉器(melt flipper)、堆迭模(stack mold)、T-模(tanden mold)都有助于一模更多腔的模具開發(fā)。
優(yōu)勢：(1) 使用較少的模具、注塑機、場地和操作員； (2) 提高生產(chǎn)力。
應用：大多數(shù)注射模具。
問題與對策：流動不平衡(unbalanced flow)產(chǎn)生的短射(short shot)、溢料(flash)等。 良好的制品、模具與工藝設計可以將困擾降到最低。
3. 氣輔注射成型(gas-assisted injection molding)
說明：在型腔填滿或大部分充填滿以前與傳統(tǒng)的注塑成型相同，在型腔快要填滿時或型腔剛填滿后不久，從熔膠注射切換到氮氣注射，氮氣順沿(并入制品設計的)氣道(gas channels)進行穿透(penetration)，以完成充填和保壓的工作。
優(yōu)勢： (1) 氣道如同導流道(flow leader)，使得熔膠充填的壓力降大為降低， 加上超低黏度的氮氣穿透的壓力降可以忽略不計，氣輔注射成型所須的射壓和鎖模力顯著降低，鎖模力降低30%到50%的案例比比皆是； (2) 氮氣所過之處壓力基本相同，只要氣道設計得合理，型腔內(nèi)的塑料基本是被相同的壓力填壓，收縮均勻、殘余應力低、制品尺寸精準穩(wěn)定； (3) 制品粗厚處可設計成氣道或氣腔，使得制品設計不再受限于均一壁厚的原則，產(chǎn)品設計的自由度大為提高； (4) 可將大小厚薄不同的零件一體成型，減少最終產(chǎn)品(end product)的零件數(shù)目、所須模具數(shù)目以及裝配站的數(shù)目； (5)氣輔注射成型制品的設計可以遵循局部加厚(作為氣道和加強筋)與全面打薄(壁厚)的原則，達到省料和減重的目的。
應用：粗厚件如手柄等、板框件如計算機外殼、電視面框、汽車儀表盤等。
問題與對策： 氣體穿透不均(uneven gas penetration)造成的縮痕、變形、氣痕、吹穿(blow through)。 可藉良好的制品、模具與工藝設計消弭禍源于未生。
4. 超臨界流體微發(fā)泡成型(super critical fluid micro molding)
說明：將超臨界流體如氮氣或二氧化碳注入注塑機的料筒(barrel)中，超臨界流體和熔膠在料筒內(nèi)形成單相流體，該流體通過高壓力降的噴嘴(nozzle)時產(chǎn)生10到50微米的微泡，微發(fā)泡的熔膠完成充填和保壓的任務。
優(yōu)勢：(1) 微發(fā)泡的熔膠黏度低、壓力降小，殘余應力低，具備氣輔注射成型的大部分優(yōu)點； (2) 不需要設計氣道，較之氣輔注射成型，超臨界流體微發(fā)泡成型的制品和模具設計容易。
應用：須要尺寸精準穩(wěn)定的制品(如打印機的內(nèi)部制品、電圓鋸的機筒、電扇的葉片等)、需要減重的制品。
問題與對策：表面有細微、紊亂的銀紋。 可采用改性料和高模溫減輕或消除上述銀紋，也可以模內(nèi)標簽(見后述)的方式遮蓋銀紋。 當然，對透明件而言，此一工藝是無能為力的。
5. 模內(nèi)標簽(in-mold decoration)
說明：開模時，置入印花的薄膜(film)或薄殼(preform)，關模后在薄膜或薄殼的后方注射熔膠，形成一體的制品。
優(yōu)勢：(1) 避開高成本、低合格率、有環(huán)保顧慮的噴涂工序； (2) 將顏色、圖案變化多端的外觀面皮與滿足多功能要求的塑料殻體一體成型，是把幾個工序在模具內(nèi)一次完成，省時、省工又環(huán)保。
應用：外觀面起伏變化不大的制品都可適用。
問題與對策： 薄膜或薄殼與后繼而至的熔膠熔合不當產(chǎn)生的沖花、溢料、剝離等問題。 可藉良好的制品、模具與工藝設計正本清而一勞永逸。
6. 計算機輔助工程(computer aided engineering 或CAE)
說明：借助計算機軟硬件仿真(simulate)制程(process)的某一階段(如充填、保壓、冷卻等)，從模擬的結果(如熔接痕的位置、流動平衡與否、熔膠壓力和溫度、剪切應力、鎖模力、縮痕指數(shù)、體積收縮率、動定模模溫差、變形量等)可以幫助我們找出問題的癥結和對策。
優(yōu)勢：(1) 傳統(tǒng)注射成型有所不足，新的制程如氣輔注射成型、共射成型(co-injection molding)、多色(多料)注射成型(overmolding)等不斷推陳出新。 開發(fā)新產(chǎn)品耗時花錢， 有了CAE，可以在計算機上試模，省時省錢，提升競爭力。
應用：成功的CAE應用已經(jīng)成為注塑行業(yè)品質(zhì)的保證。
問題與對策：好的CAE工程師培育不易。 可由政府和產(chǎn)業(yè)擬定獎勵措施并積極推動，在較短時間內(nèi)育成足夠的專才。
