高分子材料注射成型加工极限化趋势

原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-07-02 原文发表时间:2007-07-02 人气:1

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高分子制品正朝着高性能、高精度、高效率、低成本的方向迅猛发展，特别是IT产业、汽车工业、航空航天和国防军工等领域越来越多地采用高分子及其复合材料替代传统的金属材料，对注射成型加工方法和工艺设备提出了精密、高效、节能的迫切要求。因此，研究适应极端环境条件的特种高分子材料及其在极限条件下的成型加工技术，制造完美无瑕的高性能产品，是高分子材料加工技术发展的重要方向。

注射成型作为高分子材料成型加工的主要方式之一，1952年发明的往复式螺杆注射成型至今仍然占据巿场主导地位。在这一成型加工原理基础上的研究进展正不断地向其极限挑战。“更高、更快、更强”是人类追求完美的理想，这种理想也体现在人们对于高分子材料注射成型加工科学与技术的研发上。制品尺寸方面，小到 0.1克以下，大到万克以上。使用性能和精度方面，某些制品开始追求由微米向纳米尺度的公差等。为此，注射成型加工设备也向着微型化和巨型化两个极端发展。同时，为了适应高效率和高精度成型要求，不断提高螺杆注射速度也成为当前发展的潮流。以前，注射速度达到1000mm/s时已经被认为是超高速，如今，人们在努力把注射速度由 1500mm/s进一步提高到2000mm/s以上。在制品性能要求方面，则在追求“零缺陷”的极限。本文提出高分子材料注射成型加工极限化科学与技术，旨在向人们介绍当前这一领域追求完美的努力，更是对于注射成型新原理、新方法、新设备产生和发展的祈望。

图1 Arburg 的ALLROUNDER U 系列可生产出重量小至几百分之一克的产品。

下面从高分子制品注射成型加工微小化、高速化、无瑕化三个方面做些简要的介绍。

高分子制品注射成型微小化

微注射成型是在普通注射成型的基础上发展起来，成型尺寸和重量为微米级和毫克级制品的新型注射成型工艺。其研究出发点同普通注射成型一样，通过综合分析注塑机、模具、加工工艺参数和物料性能间的关系来提高制品的性能。目前微注射成型多采用将传统注塑机小型化、减小注射量和提高精度的方式进行。

高分子制品微小化利大于弊

微小化带来的利益：

提高制品的附加值
提高原料的利用率
提高制品的精度
缩短周期、提高生产率
易实现大批量低成本生产
扩展塑料制品应用领域

微小化带来的问题：

现有成熟注射理论和技术不适用微成型
微型模具设计和加工难度增加
材料易产生尺寸效应
产品性能测试困难
成型工艺参数确定难
成型加工环境要求高

从图2可以看出，随着制品尺寸向微小化发展，企业能够获得的利润显著上升。

图2 制品大小与利润的关系

高分子制品注射成型微小化的关键技术

高分子微小制品的注射成型与传统的注射方法比较，有以下三个方面的关键问题需要解决：

高注射速率

微注射成型零件质量和体积微小，为防止熔料凝固而导致零件欠注，必须以高的注射速率在短时间内完成注射过程。

快速反应能力

成型过程中注射量和注射设备移动行程非常微小，因此驱动单元必须要有相当快的反应速度。

精密计量

微成型制品的质量以毫克计量，对质量和行程的控制精度提出了非常高的要求。传统注射成型的计量行程S通常控制在（1D～4D），而微成型的计量行程S < D。注射量与计量行程及螺杆直径间存在着相应的关系：

微小制品注塑机的开发

微小制品注射成型机的开发目前主要有三条途径：传统注塑机器的精密化、往复螺杆式注射机微型化、微注射成型机。

传统注塑机精密化

传统塑机的精密化配置，可用于制造微小的塑料制品。例如，德国ARBURG精密注塑机，注射量重复精度可高达0.07%。但是，如果采用较大规格的精密注塑机生产微小塑料制品，会因为浇道料把所占的比重过大导致成型加工材料和能源浪费而不经济（如图3所示）。因此，在模具中应用热流道技术成为传统注塑机用于精密成型必不可少的重要组成部分。

图3 制品与料把的对比

往复螺杆式注塑机微型化

为了生产微小塑料制品，克服上述方法中浇道料把所占的比重过大导致成型加工材料和能源浪费而不经济的问题，一些注塑机制造商也开发了微型化的往复螺杆式注塑机。这类注塑机虽然在很大程度上解决了材料和能源浪费的问题，但还存在一些缺点：如控制精度差，螺杆的小型化存在加工和强度问题，目前最小螺杆直径为12mm。

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