外部气体注射成型防止缩痕

19910124曼 · 发表于 2010-10-5 08:24

外部气体注射成型防止缩痕
注射成型有A级表面光洁度和加强筋或凸台的制品一直被认为是注射成型加工厂商的一个类似幻想式的目标，尽管他们为此在通常的注射成型和内部气体辅助注射成型技术方面做出了最大的努力。而对于广泛多样的工业制品，却还在不断提高对于有加强筋或凸台的制品表面进行毫无缩痕凹陷成型的要求。在薄壁应用方面，如手机、汽车车体侧边成型件、轿车内装饰板和计算机监视器等制品，对这一要求是特别关键性的。除薄壁制品外，供应商说，外部气体注射成型(EGM)在大型、平板状制品，如盖板、机壳、仪表板和格栅等零部件成型方面有巨大的潜力。

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图1 平坦制品如图示箱盖是外部气体注射成型的主要争夺对象

从1990年代早期开始就有两种可以选择的加工技术专门用于补救注射成型表面缺料的缺陷。一种办法是在模具被充模到大约98%-99%后，通入气体到制品的一个外表面。此气体从型芯一侧进入模具，并向相对一侧的模具表面推压，使关键的要求外观的表面紧贴模具壁。另一种办法是气体反压法。在反压法中，一种气体，通常是空气，在熔体注射前预先对模具增压，以确保在型腔充模前持续加压，使熔体压向模具表面。两种办法的作用都是在熔体冷却时保证材料贴合到模具表面。“它们影响材料的方式类似于压缩成型，”巴顿菲尔(Battenfeld)公司加工工程和开发经理Juergen Ehritt说。

三种外部气体注射成型技术正被五家美国公司应用推广，它们是美国巴顿菲尔公司的Airmold Contour工艺；由日本Asahi Kasei公司开发，Incoe公司和CGI气辅注塑公司获得许可证的外部气体成型技术；以及由Textron汽车公司通过它的IntelliMold系统部门提供的气体反压工艺，也即IntelliMold工艺。

3 d7 B9 `' V5 I图2 在Incoe公司的EGM加工方法中,气 $ ]7 R4 D8 w( e1 f5 q4 o
体通过一块多孔金属嵌件进入型腔

虽然外部气体注射成型技术的采用一直很缓慢，但供应商宣称说∶成型厂商的兴趣正在增长 — 因为客户保密的原因，这种增长不可能加以证实。“我们当前具有数以十计的有效利用的例子和商业性应用，但是全部都是专利所有的，”Incoe公司业务开发副总裁John Blundy说。

Textron汽车公司称，它在自己的密歇根州Troy的 Trim部门有三个商业应用采用气体反压技术。现在为IntelliMold工艺的运转配备了24台成型机，它们中的大多数超过1000t，并计划在今年年底最少有100个系统安装到公司的机器设备上，制造部门执行副总裁Jerry Mosingo说。在Textron汽车公司去年买来该项技术前，此加工工艺的十几个许可已经被授予其他公司，也还有它的原始开发商，密歇根州Ann Arbor的M & C 先进加工工艺公司。

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图3 对外部气体注射成型来说密封技术是关键性的

CGI公司的主席及董事Terry Pearson说，外部气体辅助工艺在欧洲和亚洲有许多商业应用，并且至少有一家北美的成型加工厂商正在为一项汽车应用而关注它。CGI公司是在八月间由两家英国公司 — Cinpres，一家内部气体辅助技术供应商和Gas Injection公司，Asahi公司的外部气体工艺较早期的推动者 — 合并建立的。Pearson说，Asahi Kasei公司从1990年代中期开始发出了30个许可证。“几种应用正在用于汽车零部件开发，那里用任何其他方法不可能消除缩痕凹陷，”Pearson说。

巴顿菲尔公司的Ehritt说，它的外部气体加工工艺被商业应用于北美，但是详细的细节是专属于客户的。

突破

零部件典型的内部支撑结构厚于外部的零件壁厚时，支撑结构部分冷却得较慢。在冷却上的这一差异在制品内造成了内应力，可能在制品表面表现为缩痕、斑点、压陷、光斑和翘曲。“当结构部分(加强筋或者凸台)冷却时，由于正常的体积收缩，它拉动周围的材料，吸引制品表面的材料，”Incoe公司的Blundy解释说。

内部气体辅助注射成型一直用于解决凹陷的问题，办法是制成较厚的加强筋，然后用气体部分地充入以挤空加强筋。这一方法的缺点包括可能的较高的材料用量、较高的充模压力和较长的冷却时间，而这一切还不能保证不出现凹陷。

这些考虑打开了外部气体注射成型之门。除了解决表面质量问题，从而可以免除后阶段的涂饰工作以外，外部气体注射成型技术还能产生多种加工好处。其一是缩短或者无需周期中的保压或者锁模阶段。“保压阶段至少需要50%的合模力吨数，”巴顿菲尔公司的Ehritt说。保压由气体压力实现了，所以对合模力吨数的要求可以降低30%以上。较低的合模力可能意味着延长模具寿命，Pearson补充说。

外部气体注射成型是一种低压成型方法，甚至在薄壁成型时最高也只要求13.79 Mpa(2000 lbf/in2)的压力来消除凹陷。一种内部气体注射成型技术可能需要两到三倍的气体压力，大约为6.89 到25.51 Mpa(1000到3700 lbf/in2)，而通常的注射成型甚至需要更高的压力，大约为30.34到68.95 Mpa(4400到10000 lbf/in2)，而且还未必一定能解决问题，Pearson说。

外部气体也能帮助将制品从型芯上推出，以减少或者消除顶杆痕迹。它能允许成型的制品壁较薄，从而降低材料用量。较低的合模压力以及消除过度充模现象，有利于生产无内应力制品。较薄的壁厚以及与模具接触的改善也能带来较快冷却和缩短整个周期时间的好处。

“采用一个外部气体系统给与了成型加工厂商使用较低成本、较大收缩材料，例如PP的机会，”CGI公司的Pearson说。

其他方法的局限性

外部气体成型技术的供应商熟知内部气体辅助成型方法。Incoe公司曾为成功的气体辅助注射工作出售过模具部件，并且巴顿菲尔公司和CGI公司都向市场供应内部和外部气体两种工艺方法。所以，它们对内部气体辅助注射技术的局限性的看法可以认为是不带偏见的.

6 j2 `/ V& I+ U, p图4 Textron公司的IntelliMold成型方法可消除缩痕凹陷,
; O+ Y3 d6 R% i, z8 c甚至在被故意欠注射的制品上亦可,就象图中的无线电装置的凹槽的情况

“采用内部气体注射成型，气体流过阻力最小的通道，问题也恰恰出在那里，”Incoe公司的Blundy说。“如果在一个区段，模具较热或较冷，可能引起气体通道的扩展或者分流到较小的通道中，形成一种指形效应。”指形效应并非唯一的能破坏表面质量的气体辅助现象，CGI公司的Pearson补充说。气体流流过制品时，流动状态的任何犹豫现象都可能在表面上形成可见的线条，这类似于在熔体充模时犹豫会形成斑纹一样。内部气体辅助成型也能在制品上的气体注射点上留下“影”迹，那里的气体压力最高。当气体压力从气体注入口进一步下降除去时，可能形成凹陷或者熔接缝。内部气体辅助成型也需要进气和排气孔，会在制品上留下斑点。(Hettinga设备公司的一个内部气体辅助成型系统在成型后将气体保留在制品中。)

Pearson补充说，让内部气体流入一个加强筋是一项挑战。“如果您有许多平行的加强筋，实际上不可能使气体均匀地流到每一根加强筋。”有不同型腔的成套模具也能表明内部气体辅助成型的气体渗透是否令人满意的问题。

内部气体辅助注射成型还需要特殊的提供气体的喷嘴和排气装置，以及供气体替代的熔体排出溢出阀。这些项目在外部气体技术中或者是取消了，或者是经工程重新组合进入了模具中。

外部气体注射成型的加工过程也优于通常的注射成型。“通常的注射成型尝试用高压保压和锁模来解决凹陷问题。为补偿收缩，一般的注射成型厂商在型腔中注射较多的材料以进行保压，但是，那样会在制品内造成内应力，而且也不能完全解决凹陷问题，”Pearson说。在某些情况下，厂商为防止凹陷而设置保压和锁模时间，代价是加长了周期时间。

为说明外部气体注射成型的优点，Incoe公司成型了一个645.16 cm2(100 in2)的ABS/PC合金的扫描器盖子，使用通常的加工方法，采用或不采用保压，以及使用它的外部气体注射成型(EGM)加工方法。在所有情况下，周期时间是相同的。Blundy说，用无保压法制成的制品重量为246.5 g，需要41 t的合模力，并且仍有凹陷。有保压阶段方法生产的制品重261.5g，需要125t的合模力，仍然有凹陷。EGM零件重246.5g, 仅需41t压力，并且没有凹陷。

没有能包治百病的灵丹妙药

外部气体注射成型技术不是适合所有注射成型厂商的灵丹妙药，供应商告诫说。Pearson说，“有许多注射成型工作对制品内残余有一定程度的应力是可以接受的，并且对制品没有负面影响。”

源自CGI公司、Incoe公司和巴顿菲尔公司的消息也警告说，外部气体成型仅仅限于只需要在制品一侧表面具有高质量光洁度的制品。“所以透明制品成型厂商不会希望采用这一加工方法，”巴顿菲尔公司的Ehritt告诫说。

但是，Textron公司的技术服务经理Anthony Spalding说，它的公司正在使它的加工方法最佳化以减小这一效应。该公司用透明ABS料制造了一块无斑点的样品板。

某些供应商也说高纯度(至少98%)的氮气是它们的加工方法使用的最佳气体。在受压气体中的氧含量较高时，可能造成某些塑料熔体的氧化。使用氮气增加了设备和/或操作成本。但是，Textron公司的发言人说，他们在使用压缩空气的IntelliMold反压法技术上没有看到问题。还有，Incoe公司最近用清洁、干燥的车间压缩空气试验了它的外部气体注射成型工艺方法，并对它们的初始结果感到鼓舞，Blundy报告说。

供应商指出，节约原料和周期时间将部分地抵偿为采用这一加工方法所需的许可证费用、模具的改变和附加设备所需的成本。还有，某些消息源承认，采用外部气体成型技术时，周期时间的减少可能是微小的。为了有效利用，在型腔充模和气体引入之间通常有一个时间延迟。“你必须给材料一点时间，让材料准备好，以使气体有东西可以推压，”Blundy说。供气体进入、保压和排出模具的时间与通常注射成型的保压和锁模时间大致相同。

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图5 特殊的硬件设备如输送系统增加了的成本, 9 H6 V$ W4 v& m. K4 n# L. L( q
抵消了一些使用EGM技术而节约的成本.(照片提供:巴顿菲尔)

成型模具的改进

外部气体注射成型通常需要在模具内或在提供气体的管道内装一个压力传感器，以及气体发生器和控制技术。气体注射速度是重要的，压力也是重要的。改进模具要增加5%到20%的制模成本。成型模具改进的最关键的地方是模具要紧紧地密封，以在注射成型期间保持均匀的气体压力。密封的关键区域是分型线、顶杆销、型芯和排气孔。在带有可移动型芯或者其他部件的模具中，供应商建议在模具的外部部件上加一个密封块。硅橡胶是最通常使用的密封材料。

制品设计也对有效的气体密封做出贡献。“靠近分型线的制品几何参数必须稍作改变以建立密封，”Incoe公司的Blundy说。常常有这样的情况，制品上的一条加强筋或者凸台就自然地密封了气体，以致气体只在加强筋之间的局部区域起作用。

排出气体也要在模具上作某些改变。Textron公司在通常的模具内用机械方法加工一个单独的通道连接现有的排气孔，通道起到空气歧管的作用。其他系统，如Incoe公司的外部气体注射成型，它是依靠在模具内的一个金属多孔嵌件，让气体进出的。“当气体供应中断时，气体通过此嵌件，经阻力最小的通道反向流回，”Blundy说。另外，可能需要特殊的阀门技术来防止气体通过热流道喷嘴逃逸。

三种外部气体成型方法

巴顿菲尔公司的Airmold Contour加工方法是公司内部气体辅助成型技术Airmold的一种延伸。该方法使用一种可移动的供气设备，带有图像接触屏控制装置。“我们不控制进入制品的气体体积，我们控制压力，”Ehritt说。闭环气体的压力控制系统依靠一个时间或者熔体压力触发信号引进并维持型腔中的气体压力。气体通过一个设计安装成与型腔内表面齐平相连接的喷嘴或气针进气。

此成型机安装在Solvay工程聚合物公司的实验室里，成型机规格为500 t和4000 t。这些成型机可为巴顿菲尔公司向客户演示用，许可证费用取决于具体的应用。

CGI公司有Asahi公司拥有的两项外部气体注射成型技术的许可证。第一项类似于由Incoe公司在北美地区提供的技术。第二项包括外部气体注射和附加的保压功能。“甚至对于外部气体注射成型技术，也有可能产生某些体积收缩。保压有助于收缩进一步减少，”Pearson说。他拒绝说明在什么情况下CGI公司会推荐某一种方法而不推荐另一种方法，或者是详细说明两种加工方法的区别。按照Pearson的说法，由任何一种加工方法制成的制品难以彼此加以区别。

CGI公司一种氮气注射系统，可在10.14 Mpa(1470 lbf/in2)的压力下提供气体，由安装在模具和机器上的传感器进行控制。

CGI公司声称它的加工方法的使用者可以减小制品壁厚多达50%，缩短周期时间达40%，模具压力至少也可降低25%。

此加工方法能按模具或者按成型机发放许可证。费用从5000到20000美元不等，取决于所需模具或机器设备的尺寸大小。专利使用费用是一次性的，对模具终生有效。CGI公司也提供为进行外部气体注射成型而进行模具改造的服务。

Incoe公司的EGM加工方法施加高达10.34 Mpa(1500 lbf/in2)的氮气通过模具的型芯侧到达型腔内的熔融塑料。气体通过一块多孔的金属嵌件、气针或有孔的小珠进入。气体控制器需要一个来自成型机的信号，以在充模过程结束或接近结束时释放气体。信号可根据时间或者螺杆位置产生。

如要使用EGM技术，Incoe公司基于制品总体规划的领域，对每套模具收取一次性费用5000到15000美元。Incoe公司为其气体控制用控制设备收取附加的7500到9000美元，然后，成型厂商也可以使用其他来源的气体控制器。Incoe公司可在它的实验室在125 t和425 t成型机上演示它的EGM技术。

气体反压

Textron公司的IntelliMold外部气体成型工艺与其他方法不同。首先，在熔体进入前，它用空气预先充满模具型腔。第二，当型腔充模时，它连续测量并控制内部熔体压力，目的是使制品密度均匀。在这一技术背后的概念是，在通常的注射成型中熔体刚一进入模具时遇到低压，然后在充模结束时又是很高的压力。Textron公司称，当试图采用高的保压来对付缩痕凹陷时，这一现象特别明显。在第一批和最后一批固化的材料密度之间的差异本身就是造成缩痕凹陷、应力和翘曲之源。

“我们给模具施加1.38Mpa(200 lbf/in2)的车间空气，它有助于控制材料的流锋并使制品从充模开始到结束都密度均匀，”Textron公司的Spalding解释道。“反压力在我们充模时包住制品，所以我们不需要对模具作过度充模处理或压缩材料。”

压缩空气作为恒定的力将材料均匀地推向型腔壁。“这达到较好的尺寸稳定性，并减少了翘曲、凹陷、汇合线和收缩，”Spalding说。

另外，气体的压力保持制品的外观侧与型腔表面接触时间较长，防止制品外观侧因为收缩而脱离型腔表面。这样，仅仅是因为免去了保压和锁模时间，即可减少周期时间达到25%，Textron公司称。

IntelliMold系统使用两个压力转换器，一个设在喷嘴内，另外一个在型腔内，设在接近充模的最远点。当熔体进入模具时，被压缩的空气被迫压回，并从它进入的排气口排出。型腔中的转换器开始感受气体压力，而当型腔几乎充满时，感受熔体的压力。控制器每2 ms从两只传感器接收一次压力数据，并用特有的算法加工这些数据，以使型腔内的熔体压力达到标称值。控制器调节注射杆的速度来维持型腔内熔体压力的设定点值。设定点通过反复试验或按照原先使用的加工方法的经验来选择。

设置IntelliMold加工方法不使用通常的注射速度或压力变化曲线。没有速度曲线，而压力曲线本质上是平坦的。这种方法被说成是使加工过程对油液粘度、模具及其周围温度，以及材料粘度“透明”，或者不受影响。

Textron公司在它的实验室中在四台成型机器上进行试验 —Van Dorn 230 t和350t，一台Engel公司的500t机器，和一台HPM公司的880t成型机。Textron公司在每台机器的基础上发放技术许可证。费用根据成型的尺寸灵活确定。安装和培训包括在许可证费用中。Engel公司和Van Dorn Demag公司被许可在它们的机器上提供IntelliMold加工方法。

Textron公司也提供它的IntelliMold加工方法的两种类型∶Xtralite和Xtrasoft，前者用于成型泡沫制品，后者是一种采用单一机筒成型双硬度，即硬/软制品的工艺方法。

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