塑料模具制造技术的最新动向

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塑料模具制造技术的最新动向
模具制造业中一直被认为是理所当然的东西，在过去十年中已经经历了剧烈的变化。标准化的基础零配件已被应用了相当一段时间。过去几年中，标准化的单一精密零件已取代了手装式嵌件。这是模具制造商能够合理地生产模具、尽快地装配、和确保世界范围内都有替换零件供应的唯一方法。
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' n! I4 S3 ?2 J  U/ C这个转变是因为九十年代初经济气候的变化和竞争的全球化，甚至在模具业也是这样。除此以外，越来越多的顾客在世界范围内拥有生产网络，而模具的产出地和使用地之间的距离变得更大。甚至只有工业化的模具生产才能满足由这个转变产生的规格要求。

2 ^; s* P+ c# G* V图1：用于成型复杂件的微注塑模具的固定半模部分

; \( }' L0 h3 m高标准的工程技术

5 v+ {) t4 R# L, f) I* Y不断地引入3D-CAD设计、CAD/CAM、加工中心才能实现模具的工业化生产。而且，高速铣削（HSC）和组合工件加工在模具制造领域已成为最新技术。这些新发展已经取代了类似仿形铣削和电火花加工，以及程度不大的线导电火花加工等传统工艺。通过HSC铣削获得的表面质量高，已经令多数费时的表面抛光在电火花加工后不再需要使用。高质量的金属去除生产工艺已经代替了模具嵌件的单独组装和对模，取而代之的是集中装配。

  V; y2 \* c! n& \% [工业化生产的模具嵌件，以及单/多型腔模具的阴模具有统一性和精确度，促进了注道系统的均衡。热塑料用注塑模具的最新技术是热流道系统，而弹性体用注塑模具的最新技术是冷流道系统。
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新型注塑工艺
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模具制造业设计师和生产专家的想象力和能力也经受考验。他们不得不将过去十年在工艺工程中取得的为数众多的革新转化为成功的实践。可举出的例子有多料和多色注塑、含织物、薄膜或涂漆表面的注塑。但热流道注道系统或者气体注射方法也得到不断应用。
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: ~7 F0 m2 ]" y/ {, S- d这些模具制造技术的发展也需要来自顾客（如注塑工厂）、最终使用者、材料和设备生产厂家的紧密合作。日益提高的模具复杂性（型腔数量、不同工艺的结合）也迫使模具制造趋于规范化。与10-15年前的情况相比，普通的模具制造商很难在今天的市场中具有竞争力。但是将产品理念转变化模具设计将会一直是模具制造业的主要任务。
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3 n; P. e. _' K  ~6 v微注塑工艺
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微注塑模具一般轻于1克，但产品所含部件的总重量仅0.01克。这些微注塑件的几何形态同大型注塑件的一样都是多种多样的。

对于成型微型部件，有两套系统供选择。第一种是由合模装置、材料准备、注射装置、模具等组成的非标准注塑装置的组合部件。在这种情况下，模具配备了转板，从而可以从模具中取出完整的物件。　
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第二种被称为变温注塑。基本原理是在每个循环内，将模具加热至被加工塑料的熔化温，以促进填充模腔。一旦模腔被充满，它又冷却下来了。为缩短冷却时间，尽可能少的阴模嵌件经受温度循环。余下的模结构被一直保持在脱模温度中。阴模嵌件依靠电加热，它的截面积决定着加热的强度。

冷却模具嵌件相当具有挑战性。因为尺寸细微，很难得有空间来集中冷却腔道。它们的截面积很小，对任何冷却液体都有很高的流动阻力。所以空气是最理想的冷却介质。

图2：微注塑模具的模芯，经线导电火花加工和防形磨削而成

9 ~; h4 V% b% V应用变温方法，目前注塑可获得15秒的循环时间，尽管阴模嵌件在每个周期中不得不经受200℃-50℃的温度。

8 ~' O+ T$ s4 ]! }1 ~除了冷却之外，另一个特别的问题是由微注塑过程中的阴模排气引起的。通过阴模嵌件之间的分界线可完成排气。在目前的发展阶段，注道仍然较大。在一个四型腔模内，腔内容物占了注射重量的30％-50％。还没有适合于微注塑的热流道系统。
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微型模具可由微蚀或微加工来制成。用火花底蚀加工方法，半径可达20μm，粗糙深度可达0.2μm，而用线导电火花加工方法，半径达30μm，粗糙深度达0.1μm(图2)。
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微型注塑零件的例子是可移植助听器的感应器外壳，或微型开关的元件。在试验性应用中，已能用聚甲醛（POM）制作板形元件，厚度只有0.01-0.03mm。而常规注塑模具的排气通道有0.03mm深。

图3：6+6 型腔模具（左），用于密封圈复合型件的成型，密封圈由硬PP基体和TPE封边组成（右）

: Y% s+ e' J7 @9 s' K新型钢材提高了精确度
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+ h3 A( i: g. ?粉末冶金或HIP（高温均压）方法生产的钢材获得广泛应用，对注塑模具的质量改善做出了重要的贡献。这样在长期运行中仍能保持成品的高精确度，阴模尺寸可以在最大5μm的范围内偏离。为防止溢料，排气缝宽度必须小于5μm。
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) `- D3 b2 t' A5 H8 @" J$ V橡胶的加工也可用类似的工艺。在这个领域，人工卸载成型件的压塑技术仍被广泛应用。采用了来自硅酮注塑的创新概念后，会在将来使橡胶物件的自动化生产也逐渐成为可能。
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) v/ d2 m* f/ c  `' b  t由压塑向注塑的转变是工作条件改善的一个重要前提。通常在橡胶硫化过程中会排出大量的水蒸汽和气体。因为压力为垂直方向的，只可能从操作员的工位不充分地抽走气体。而用注塑方法，气体上升直接进入抽取系统，而操作员站在模具的旁边。有了自动化的注塑，包括手动装置卸载塑件的整个模具工位都能最有效地作为抽取气体之用。
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随着弹性成型件的出现，液体硅酮的应用将有可能比天然橡胶的加工变得更加广泛。硅酮与其它材料的结合已经被认为是可行的。并且这些工艺所需要的注塑模具已出现了。

7 A! d- W1 T- g使用多组件模具的注塑装配
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多组件模具取代装配的单个元件是注塑设备生产厂家中模具制造部分的显著特征。注塑模具是生产部门的核心，产品新理念的接受促进了内部技术的结合，导致了应用研究、自动化技术和机械工程部门之间的合作。

图4：1+1 型腔的旋转模具，用于ABS料油箱边的注塑，并直接附有一个TPE的封边

用于硬/软复合物的多组件注塑模具占据了特别重要的地位。这些包括带完整密封件的功能组件，以及“软接触”容装件（如牙刷、螺丝批、剃须刀外壳、电器的吸振手柄）。为了这个目的，在第一工作台上制作实心热塑件。在第二工作台上,成型件接受一个密封件，多数情况下由热塑弹性体（TPE）组成。当模具在两个工位间交替时，通常作旋转运动。这个转台可能是注塑机的一部分（图3），或者与模具结合而成为转位板（图4）。
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一般说来，多色彩或多组件注塑的设计依赖于所规定作业（成品的复杂度、生产件数等）。对于每一个项目，顾客规定的要求决定着整个设计方案和周期时间。目的是将任何组装过程集中到注塑工艺中，迄今已不断进行。

3 S$ a, X' R+ a* E随着对注射过程中单个元件更深程度集成的要求持续，更复杂模具由此产生，还有热塑件和橡胶弹性体元件的结合。这要求冷却的模具用于热塑性材料，受热的模具用于橡胶的硫化。不同的温度和热扩散比率、不同加工技术的结合对跨学科问题的解决提出了极大的要求。

市场对完整结构件的质量改善、价格竞争和产品个性化（设计的自由性）的要求驱动着多组件成品专门领域的注塑模具的系统化集成。

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