在高壓釜內注入CO2, 對塑料顆粒進行浸漬, 並用常規的注塑成型設備進行加工.
發泡的PC部件重量減輕了16%, 由於採用了氣體反壓法, 表面更為光滑. (來源: Kunststoff-Institut)汽車電動化發展趨勢推動產品輕量化製造成為當前一大趨勢. 現在, Kunststoff-Institut Lüdenscheid 和 林德氣體開發了一種新型物理髮泡工藝, 省去了對注塑設備進行代價高昂的重新改造或加工. 這種技術所具有的靈活性吸引了小批量生產和量產企業. 如果結合氣體反壓法, 還可以賦予產品漂亮的外觀表面.
眾多OEM廠商在組裝車輛時, 都會竭力挖掘輕量化的潛力. 受到法規要求減少有害物質排放以及圍繞電動車展開的一系列討論的推動, 各種塑料部件也被置於人們的視線中. 如, 發泡技術是一種有效的減輕注塑部件重量的方法. 而在汽車工業以減重為首要關注點時, 其它行業對發泡技術也產生了興趣, 因為它可以減少材料的使用量, 這意味著成本的降低.
發泡注塑成型也有加工技術上的優勢. 因為它可以顯著降低粘度, 從而增加熔體的流動性能. 由於發泡材料的填充壓力變小, 一定程度上不再需要確定的保壓時間, 也可以降低注塑機的合模力和模具的剛度. 改用更小的注塑機, 更輕的注塑模具意味著可以帶來顯著的節約. 原來需要用鋼材製造的結構緊湊的注塑機才能加工的大型部件, 如果採用發泡注塑, 可能只需要鋁製模具即可.
通過發泡提高尺寸精度
發泡技術可以為部件質量帶來積極影響. 許多塑料的各向異性收縮是造成零件變形和尺寸精度不足的主要原因之一. 由於發泡能減少收縮, 因為氣泡會在部件內部產生一種複雜的保壓力, 從而降低了收縮的差異, 從而提高了部件的尺寸精度.
出於各種原因, 目前市場上有多種發泡技術. 此處我們將化學和物理髮泡工藝進行一些區分.
化學與物理髮泡工藝的比較
在化學發泡工藝中, 發泡劑與塑料顆粒, 通常是色母粒, 按照0.5~ 2%的重量比混合. 化學發泡的優點包括容易操作, 可用現有的常規注塑機加工. 與物理髮泡工藝相比, 則存在發泡壓力低, 薄壁部件發泡有限的缺點. 而化學反應導致的產品分解會在模具上造成殘留.
模具或注塑機應配有噴嘴或端部閉合系統, 以防止合成發泡材料從塑化單元中溢出. 還要對螺杆的位置進行控制, 以確保可重複加工. 否則材料在螺杆前端空間的發泡會在計量工作完畢後對螺杆造成不受控制的背壓. 在進行物理髮泡時, 必須滿足這兩個要求.
除了上述對注塑機的要求外, 已知的物理髮泡方法要求對注塑單元和螺杆進行改造, 同時要增加周邊設備, 以控制氣體的供應, 具體視工藝不同而異. 這也是為什麼需要有能適應不同工藝的特殊塑化單元的原因所在.
就目前市場上供應的物理髮泡技術而言, 發泡劑是在注塑機內與塑料顆粒或熔體直接混合的. 最有名的代表性技術是ProFoam工藝(Arburg/IKV), 它通過粒子閥內的發泡劑豐富了塑料顆粒, 並對後部密封的螺杆施加壓力;以及MuCell工藝, 後者將發泡劑添加到位於改造過的塑化單元中的發泡劑中.
由於不發生化學反應, 因此產品不會出現變形, 模具上也不會產生積垢. 物理髮泡的另一個優勢是發泡壓力高, 因此, 薄壁部件也可以取得很好的發泡效果.
一種簡單的新型物理髮泡工藝
由Kunststoff-Institut Lüdenscheid 和林德氣體共同開發的新型物理髮泡工藝兼具簡單化學發泡和高效物理髮泡的優點.
圖1 新型發泡工藝流程: 與其它物理髮泡技術不同的是, 塑料顆粒在設備內進行處理前, 被浸潤在發泡劑中. (來源: Kunststoff-Institut) 在注塑機加工工藝前增加了一個步驟: 乾燥後的材料被浸潤在二氧化碳(CO2)中, 作為壓力容器內的推進劑(圖1). 粒子帶走的氣體根據塑料材料的種類, 溫度, 浸潤時間以及壓力的不同而有差異. 根據當前已有的知識, 聚碳酸脂消耗的氣體最多(圖2).
圖2 在兩種不同的浸漬時間條件下, 重量分別增加100g. 壓力增加產生的影響非常明顯. (來源: Kunststoff-Institut) 隨著含CO2的PET飲料瓶的推出, 人們認識到, CO2會快速擴散進入並貫穿到塑料粒子中, 但Kunststoff-Institut Lüdenscheid和林德氣體的共同研究表明, 在載荷和壓力釋放後, CO2依然會保留在塑料粒子中相當長的時間, 即便在敞開存放條件下, 有時候還能保持2-3小時.
圖3 對用不同塑料製成的發泡部件進行連續稱重(參考: 緊緻部件). 每一個點對應於一個部件. 確認了經過幾個小時, 浸漬塑料表現出了可重現性. (來源: Kunststoff-Institut) 迄今為止, 很多材料得到了研究, 因此, 人們可以在數小時內重現發泡結果. 只有當氣體逐漸從塑料粒子中逃逸後, 部件才會開始變得重起來(圖3). 更讓人振奮的是, 像化學發泡一樣, 人們也在常規注塑機上對多種材料進行了物理髮泡研究.
圖4 材料浸漬的氣體供應. 可以由同一台高壓釜供應多台注塑成型設備(來源: 林德氣體)與中央乾燥方式相似, 一隻高壓釜也可以載入幾台注塑機(圖4)用的材料. 除了對材料進行進一步研究外, Kunststoff-Institut Lüden scheid和林德氣體還與周邊技術合作夥伴共同就工業化概念進行合作, 並有望於2018年推出產品.
用氣體反向壓力改善部件表面外觀
各種發泡工藝都存在的缺點是氣泡會突然在熔體前端破裂, 導致成型部件表面產生裂紋(圖5). 與防止明顯的流痕的產生一樣, 採用變模溫工藝是一個合適的方法, 即稍微增加射出和保壓階段的模具壁溫, 這樣, 在熔體於模腔壁固化下來以前, 存在氣泡破裂的熔體被再次壓緊.
圖5 當氣泡到達表面時, 會形成條紋(頂部). 氣體反壓法(下)防止氣泡在熔體前沿破裂(來源: Kunststoff Institut)
這樣產生的表面可與實心成型部件相媲美, 在許多情況下, 流痕和凹痕的情況要更好. 因模具, 周邊設備, 能耗而造成的相關成本, 具體視材料, 部件的幾何形狀, 模具概念和加工周期而定.
另一種方法是氣體反壓工藝, 但這種方法迄今為止用得很少, 主要用來防止氣泡在熔體前沿破裂(圖5). 它會略微降低發泡水平, 但即便採用傳統的模溫控制方式, 依然可以得到密實的表面(標題圖).
表1 不同塑料材料達到的發泡程度在10%至60%(PC)之間波動(來源: Kunststoff-Institut) 聽上去很簡單, 但從密封和工藝技術角度來看, 卻並不那麼容易實現. 即便模具密封恰當, 也必須控制氣體, 以適應模腔的填充. 因此, 氣體(氮氣)壓力不僅要具有可重複性, 而且必須迅速增加, 並以可控的方式再次迅速地下降.
圖6 必須快速響應壓力控制模組(林德), 在熔體進入時, 通過釋放氣體, 保持流道末端反向壓力一致.
這裡可以使用類似於內部氣體壓力技術的壓力控制模組(圖6). 一旦閉模後, 壓力控制模組的控制單元接收到一個訊號, 並在注射開始前增加將模腔內的氣體壓力水平. 為了防止熔體在流動時進一步增加壓力, 從而產生填充問題, 壓力控制模組的控制閥必須迅速響應, 並通過釋放氣體使流道末端的反壓力保持恒定. 這裡, 除了壓力控制模組外, 閥門和排氣通道的位置是否正確至關重要.
結論
如今的工業企業需要保護資源. 在汽車工程領域, 只有通過降低車輛的重量才能實現這一目標. 因此, 未來對發泡塑料部件的需求有望增加.
由Kunststoff-Institut Lüden scheid和林德氣體合作開發的工藝可以彌合化學和物理髮泡工藝之間的差異, 幫助更多的聚合物生產企業利用現有的注塑機械進行物理髮泡. 按照作者的觀點, 新的可能, 如生產出3D形式的密封件, 以及進一步開發出新的壓力控制模組, 可以推動氣體反壓法工藝成為未來變溫模工藝的一種替代方式.