纵横谈光盘注塑技术

潘多拉

光盘又称为光存储器。其母盘是由耐高温的高强度聚碳酸酯为材料，用镜面精度在20～30纳米的超精密模具在超精密注塑机上加工制造出来的。在母盘上，分布有无数信号记录凹槽，这些凹槽都是模具在注塑机强大的合模力作用下压制出来的，凹槽根据盘片格式的不同也有所不同，其中CD、VCD信号记录凹槽宽度为0.56微米，深度为0.11微米，行距为1.5微米；DVD的信号记录凹槽宽度为0.28微米，深度为0.11微米，行距为0.75微米。在CDR（一次性刻录只读光盘）的预制凹槽上涂上有机塑料，经过刻录激光头激光信号的烧蚀，便将信号永久保留在光盘上了，经读取则可拾取信号。CDRW（可多次擦写刻录光盘）的信号凹槽相对较浅只有40～50纳米，里面喷镀沉积有记忆合金Ag、In、Sb、Te等，利用合金在晶态与无定型态对激光的反射率的差别，来擦写记录和读取信号。 正是因为光盘的信号凹槽的深度在纳米级别，对于模具的精度要求，对于注塑成型设备的要求，也就特别的高。在国际市场上，光盘生产线的注塑机主要集中由德国克劳斯玛菲（Krauss-Maffei）、瑞士耐驰特（NEtSTAL）、日本住友、瑞典TOOLEX几个公司生产，尤其是瑞士NEtSTAL和日本住友公司最负盛名，代表着注塑机的最高水平。 技术难题 光盘注塑机由锁模装置、注射装置、冷却系统、液压系统和电脑控制系统等组成。光盘母盘外径分为80毫米和120毫米两种，而厚度却小于1.2毫米，这意味着母盘材料的熔融料在模腔中的流程、流道比（流程深度与流道厚度之比）很大。因此塑料熔体在充模过程中制品质量不易均匀。而且母盘是圆形盘片，主浇道设在盘的中心，注入的塑料熔体进入模腔以后，必须沿着圆周360度的方向快速均匀的推进，沿着径向有序的流向圆周边沿。如果在流程中出现局部流速过快，窜流或者辅流等都会导致局部熔料分子取向并形成内应力；如果母盘在冷却过程中速度不均匀，也将形成局部残余应力；如果锁模模板不平行，不但会使母盘质量不稳定，更严重的是可能会损坏模具。
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因此针对光盘制品要求精度高、稳定性能好、生产效率高、洁净度高、光学性能好等特点，对注塑机的要求主要有以下几点：

1 l& q9 W' \6 E! j0 {◆ 系统整体运行稳定可靠，开合模快速平稳，模板起停定位精度高，模板平行度误差小，锁模力准确稳定。

◆ 塑化系统效率高、速度快、质量好、计量准确。
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◆ 注射压力高、注射速度快，多级可调。保压转换点准确，保压压力稳定，并且多级可调。

5 b) p; _* g5 J9 {◆ 温控准确。

◆ 整机噪音低、洁净、无油污。
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解决方案对比分析 从九月初在上海结束的中国国际光存储设备展览会及学术交流会的信息来看，目前国际上的光盘生产线多采用全液压式或全电动式注塑机，近年来电动－液压复合式注塑机也有所应用。 现就全液压式注塑机与全电动式注塑机分类进行优劣对比。
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一、合模部分 光盘注塑对合模动作要求快速、平稳且压力转换快速精准，模板平行度以及起停位置精度要求都很高。 尽管全液压式注塑机存在液压油的可压缩性问题，但是液压在静止的时候压力处处相等，所以模板和模具受力都相当均匀。 全电动式注塑机一般用伺服电机取代了原来的油缸推动肘杆作开合模运动。所以原来肘杆式结构所存在的问题继续存在，如加工精度要求高、易磨损、调模困难等。由于使用伺服电机，可以使肘杆在不同的角度停下来，有利于锁模力的改变，并可以进行压缩成型。并且，由于没有油压惯性的影响，所以噪音比较低，控制精度高。但是这一切都是以肘杆和滚珠丝杆没有磨损、制造和装配精度高并且模具安装平面平行为前提的。而一般全电动注塑机在使用一年时间左右，便都会出现肘杆和滚珠丝杆磨损所带来的麻烦。此时不但机器的精密度降低，而且滚珠丝杆上会出现一个附加的径向力，从而加速磨损使精密度进一步快速下降，并带来效率降低、噪音增大等问题。此外，如果肘杆在未完全撑直就开始注射，高压的熔融塑料对模具强大的涨模力会作用在滚珠丝杆以及伺服电机的主轴之上，此力足够大的时候便可能导致滚珠丝杆和伺服电机的损坏！
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二、注射部分 光盘属于薄壁制品，光盘上的信息凹槽深度在纳米级精度。为了保证复制信号的准确性，要求注射过程在高速高压的条件下进行，并且注射、保压过程的速度、压力多段可调，保压转换点准确。否则，盘片制造出来之后可能会出现信号丢失、信号不完整以及盘片翘曲、银纹等缺陷。同时，为了保证整机循环周期尽量短，因此机筒螺杆的塑化速度要求非常高，而且要求塑化量非常准确，塑化的速度、背压也是多级可调，以满足在高速的情况下依然有很好的塑化效果。因此采用专用的螺杆，这也有利于保证在成型过程中不会出现气泡、黑点和杂质等缺陷。 目前，全液压式注塑机在注射部分的结构一般分为双缸注射与单缸注射两种。双缸注射装置具有轴向长度短，注射油缸、螺杆、油马达三者之间的连接关系比较简单等优点。但是这种结构注射负载大，难以精密控制。单缸一线式注射装置则有利于精密控制，不过结构比较复杂，制造精度要求也比较高。 在全电动注塑机中注射系统一般有两种结构，一种是带传动结构，一种是电机直接驱动。显然，加入带传动之后精度会受到一定的影响，而不用皮带传动虽然结构比较简单，但是要求电机转速较低、转矩较大，且其过载保护能力较弱。不过，塑化的时候采用伺服电机控制螺杆旋转，塑化计量的精度会比较高，转速也较稳定，且可以无级调速。在注射的时候，伺服电机带动滚珠丝杆驱动螺杆进行注射，控制的精度也很高，反应也很灵敏，有利于多级注射调节。但是，由于滚珠丝杆的高负载高转速并且频繁启停，所以磨损也比较大。伺服电机在注射时启动速度比一般的液压式快，但是如果液压系统加装蓄能器，将比伺服电机启动更快，同样的如果将蓄能器用于快速注射，其速度也可以快过伺服电机的注射速度。当然，用伺服电机对于注射压力和速度的控制都是比较准确的，但是进入保压时，由于伺服电机不能够在停转的状态下提供大的扭矩，所以只能间断的转动，靠测量螺杆前面物料的压力进行补压。

* c# m- {% \$ ^% C# ?这样，一方面滚珠丝杆不断启停承受冲击力将加速磨损，另一方面电机频繁启停将导致发热，能耗也变大，压力也不易稳定。 总的来讲，全电动式注塑机与全液压式注塑机都各自具有自己的优势与劣势，将两者相结合制造出来的注塑机也不尽人意。
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5 f6 F0 E$ Q, v" [3 f所以，国际上高精密注塑机依然在朝全电动式和全液压式两个方向上发展。下面将从10个方面进行对比讨论：
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1）节能方面 全电动式注塑机在节能上比全液压式有一定的优势，但绝不是像一些厂家宣传的节能效率那么高。因为注塑机能耗最大的是在加热过程、注射过程以及塑化过程，液压式注塑机的动作是循序进行，而电动式注塑机则必须频繁启动；况且，生产不同产品其节能效果是有很大差别的，若用全电动式生产薄壁制品可能节能就没有那么多。而且许多厂家的节能是与单缸液压式相比较的，如果与其它结构的全液压式或肘杆式相比，节能效果就不是那么明显了。同时，如果全液压式注塑机采用多泵、变量泵液压系统，应用变频器控制电机转速，采用负载反应型注射系统等方案，其节能效果也能与全电动式的不相上下。
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2）降噪方面 全电动式注塑机的一个宣传口号就是宁静，对于这一点，如果其中的肘杆以及滚珠丝杆均没有磨损且装配精度较高时确实是如此的。但是一旦产生磨损或者装配精度不高，那么在注射以及开模过程中均会产生很大的震动和噪音，而且一旦发生，这一切都将加速其进一步恶化。

. ^7 Z. e- ^# u7 n/ l8 O! \4 V 3）精度方面 尽管全液压式存在液压油的可压缩性等问题，但是由于液压在静止的时候压力是处处相等的，所以采用两板式液压合模机构的精度很高。如果在注射以及塑化系统采用伺服阀控制，其控制精度也将是非常高的，全电动式合模装置由于还存在肘杆和滚珠丝杆的磨损问题，所以机械精度以及磨损必然将影响制品质量，因此其锁模精度还是没有全液压式的高。这方面在加工光盘方面也得到了验证，全电动式只能生产DVD5与VCD、CD等，DVD9以上及CD-R、DVD-R、DVD-RW等均难以应用电动式注塑机加工。不但如此，全电动式的精度还会随着使用时间的增加而不断加速下降。

: q6 I# L* O0 U3 C: o4）价格成本方面 全电动式的价格比全液压式一般要高30％以上，在综合性能没有比全液压式的特别高的情况下，如此高的价格，市场是否接受也是值得思考的。

5）使用寿命问题 全电动式主要是刚才所讲的肘杆及滚珠丝杆的磨损问题，这种问题一旦出现必将加速恶化。而全液压式的主要问题则是液压密封件的老化问题。
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6）维修费用问题 伺服电机的质量应该是可信的，维修率较低，但是如果出现故障，维修成本将会很高，而且滚珠丝杆及肘杆的维修也是一件十分困难的事情。
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7）使用费用方面 全电动式不必用液压油，也不用冷却器，这方面不但节省成本，而且也减少污染，当然也有例外。因为随着使用时间的增加，一些因为磨损所带来的一系列问题便会接踵而至，暴露无遗。

3 _4 Z+ g. o. d0 ?9 l 8）功能扩展方面 由于全电动式对于增加抽芯或者铰牙没有液压式的方便，用户购机时也很难选择。如果机器出厂时不配备这些功能，那么以后要增加这些装置将特别困难。
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9）过载保护功能方面 全电动式完全依靠机械传动，这既是它的优点，也是它的缺点。优点在于精度高，缺点是机器一旦出现故障，如螺杆被卡死，伺服电机可能会因为堵转而发热烧坏。而这方面全液压式的就要好得多，因为全液压式的注塑机都配备了泄流保护装置，一旦系统因为故障油压高到设定值使得可能出现危险的时候，保护装置自动泄流使系统压力不至于再升高，以保证不会损坏设备。
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10）环境适应能力方面 由于全电动式注塑机对于环境的要求较高，如环境中有较多灰尘会加速伺服电机及滚珠丝杆的磨损。当然全液压式注塑机在这方面也有较高的要求，因为空气中的灰尘、水蒸气等都可能影响液压油和润滑装置的使用效果和质量。