文/Eventus Global 公司 Steve Braig Matsui America 公司 Nobu Yamanaka

為熱/冷注塑成型選擇合適的加熱介質(zhì)

文/Eventus Global 公司 Steve Braig Matsui America 公司 Nobu Yamanaka

熱/冷注塑成型為加工商提供了一種新工具，以實(shí)現(xiàn)更高的美觀性或者成型具有挑戰(zhàn)性的薄壁部件。該工藝的加熱方法有多種選項(xiàng)，如何能進(jìn)行合理選擇，本文對此做了詳細(xì)介紹。

盡管注塑技術(shù)已有許多進(jìn)步，但是在生產(chǎn)外觀合格的且擁有高美觀性、高尺寸穩(wěn)定性、沒有模塑殘余應(yīng)力或可靠高流程薄壁部件等方面仍存在一些挑戰(zhàn)。

在本世紀(jì)初，日本的幾家公司合作開發(fā)了一種成型技術(shù)，它可以滿足電子消費(fèi)品客戶最嚴(yán)格的表面質(zhì)量要求。2002年，一家擁有重要加工技術(shù)部門的領(lǐng)先注塑成型商小野公司（Ono Sangyo），推出了快速熱循環(huán)成型（RHCM）工藝并獲得了專利。2009年，日本領(lǐng)先的塑料輔助設(shè)備制造商松井制造有限公司（Matsui），作為該工藝控制器的一家生產(chǎn)廠商加入了RHCM聯(lián)盟。這種技術(shù)是以作為型腔加熱介質(zhì)的蒸汽為基礎(chǔ)，在亞洲消費(fèi)電子制造廠家中已獲得了認(rèn)可。

在接下來的幾年中，該技術(shù)成為了生產(chǎn)平板電視屏幕邊框的默認(rèn)成型工藝，被大多數(shù)的品牌廠商如索尼和三星所使用。最初，這些電視邊框的生產(chǎn)工藝是注塑成型后上漆，然后涂覆透明涂層。而RHCM工藝可以采用模內(nèi)著色來成型電視邊框，生產(chǎn)的產(chǎn)品擁有高光澤的表面，且沒有諸如可見凹痕和熔合線等的外觀缺陷，同時避免了油漆的使用。不僅如此，此方法通過取消二次操作和油漆與涂層生產(chǎn)線中的VOC排放，極大地降低了成本。

盡管該技術(shù)有明顯且已經(jīng)過證明的優(yōu)勢，但它在其他終端用戶行業(yè)和地理區(qū)域中獲得認(rèn)可的速度比較緩慢，直到本世紀(jì)一十年代末期，幾家歐洲公司進(jìn)入了該領(lǐng)域，并推出了可供選擇的熱/冷成型技術(shù)。在歐洲，該技術(shù)通常被稱為“Variotherm”，這是一個被廣泛使用的術(shù)語，由德國Hofmann創(chuàng)新集團(tuán)注冊的商標(biāo)。

如今，熱/冷注塑成型在汽車內(nèi)飾和其他許多對表面美觀性有高要求的消費(fèi)產(chǎn)品應(yīng)用中被快速接受。

典型的熱/冷注塑溫度循環(huán)被附加在一個用鋼琴黑表面修飾的電視邊框上，邊框采用蒸汽RHCM工藝成型

加熱介質(zhì)的選擇

在傳統(tǒng)注塑成型中，熔融聚合物進(jìn)入型腔并接觸較冷的型腔表面會產(chǎn)生一層瞬時凍結(jié)的表皮層。這種快速轉(zhuǎn)變稍微改變了聚合物的分子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致材料自然光澤度的損失。另外，相鄰于凍結(jié)表皮層的聚合物也會快速冷卻，并以一個比熔峰核心高的黏度流動，這導(dǎo)致了各種可見的缺陷。

熱/冷注塑成型的原理是在聚合物進(jìn)入型腔之前提高型腔的表面溫度，一旦充模完成后，冷卻型腔，就像傳統(tǒng)注塑一樣。

在充模過程中，防止聚合物表面瞬時凍結(jié)可以使材料保留其自然光澤，熔體也能以均勻的黏度流動，因而避免了許多和傳統(tǒng)注塑相關(guān)的常見表面缺陷的產(chǎn)生。

一般，冷凍水是熱/冷注塑成型中常見的冷卻介質(zhì)，但在加熱介質(zhì)方面卻有很多選擇。具體的結(jié)果可以考慮個人偏好和財(cái)務(wù)預(yù)算，但主要參考標(biāo)準(zhǔn)仍是模具表面溫度。對一種給定的聚合物，為了實(shí)現(xiàn)熱/冷注塑成型的優(yōu)勢，必須達(dá)到這一模具表面溫度。

1.熱水

一般，加壓熱水作為加熱介質(zhì)時，固定設(shè)備投資比較小，并且在大多數(shù)情況下，無需對模具進(jìn)行修改。模具中現(xiàn)有的冷卻通道經(jīng)常被用于循環(huán)熱水，以使型腔溫度達(dá)到所需的水平。用熱水作為加熱介質(zhì)，使該技術(shù)成為了一個非常方便且低成本的選項(xiàng)，用于在部件開發(fā)過程中開展模具試驗(yàn)以及采用熱/冷注塑成型工藝改進(jìn)現(xiàn)有的注塑應(yīng)用。

所需的設(shè)備通常包括一套流體溫度控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)帶有一個加熱回路和一個冷卻回路以及能在加熱回路和冷卻回路之間快速轉(zhuǎn)換的閥組。

雖然基于熱水的解決方案是一種方便且相對低成本的選項(xiàng)，但其過程有一些限制要考慮。這其中，最主要的限制因素是用水可以有效達(dá)到的最高溫度（一般約160 ℃）?？赡苡幸恍┫到y(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)稍高一點(diǎn)的溫度，但如果材料和過程要求的型腔表面溫度在此之上，那么相對于其他介質(zhì)而言，水有限的熱容量將大幅延長周期時間。

表 熱/冷注塑成型的好處

水的熱能和所能達(dá)到的溫度一般對于半結(jié)晶材料是足夠的，也可以滿足在高流程的薄壁應(yīng)用中提高流動或?qū)崿F(xiàn)表面改善這樣的目的。但是這種加熱方法對某些更高溫度的無定形材料以及具有短周期或涉及發(fā)泡的成型應(yīng)用而言，其限制是不能忽視的。

2.熱油

熱油作為加熱介質(zhì)的主要好處是其擁有非常高的熱轉(zhuǎn)移特性，另外就是油可以被加熱到320 ℃，非常適合于特種聚合物（如PEEK）或高碳含量的聚合物。將熱油作為加熱介質(zhì)相對容易實(shí)施，固定設(shè)備成本也相對較低。雖然在開發(fā)或原型制備階段，模具中現(xiàn)有的冷卻通道可以被用于循環(huán)油，但是模具需要專門的加熱和冷卻通道，因此，要對其進(jìn)行一些必要的改造。

油基系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)和熱水相同——需要加熱和冷卻處于冷卻通道和型腔表面之間大量的模具鋼，然而只有型腔表面會影響塑料，這無疑延長了周期時間。因此，油基解決方案應(yīng)該在針對耐高溫性非常好的樹脂以及其他技術(shù)不足以發(fā)揮優(yōu)勢時再進(jìn)行考慮。

3．蒸汽

在所有可獲得的技術(shù)中，蒸汽加熱被使用的時間最長，并且為大多數(shù)的應(yīng)用提供了理想的經(jīng)濟(jì)效益，特別是在大批量的部件生產(chǎn)中。蒸汽帶有的熱能是水的6倍多，油的18倍多，因而比采用其他液體介質(zhì)擁有更短的整體周期時間。其可達(dá)到的溫度比用水獲得的溫度略高。固定設(shè)備成本比采用水的熱/冷系統(tǒng)稍高。除了控制設(shè)備外，該方法還需要一個鍋爐來產(chǎn)生蒸汽。

以水為加熱介質(zhì)的熱/冷注塑成型單元

使用蒸汽作為加熱介質(zhì)的RHCM成型單元

現(xiàn)在，針對這種應(yīng)用的鍋爐為緊湊型，常被放在注塑機(jī)旁邊，和控制單元在一起。用于蒸汽熱/冷成型的模具應(yīng)該具有獨(dú)立的加熱通道和冷卻通道。加熱通道應(yīng)盡可能接近型腔壁，以獲得一個更高的型腔壁溫度，從而更快地達(dá)到所需溫度，并加熱盡可能少的鋼材，如此一來，在冷卻循環(huán)過程中需要去除的熱能也更少。

4.感應(yīng)加熱

電磁感應(yīng)作為一種加熱介質(zhì)是熱/冷注塑成型技術(shù)中最新開發(fā)的技術(shù)。該技術(shù)為實(shí)現(xiàn)精確的溫度控制、型腔中不同位置的溫度變化、非常快速的溫度循環(huán)和相對高的最大溫度（＞200 ℃）創(chuàng)造了條件。

市場上有幾種不同類型的系統(tǒng)提供，大多數(shù)需要在模具中整合感應(yīng)線圈。松井公司的感應(yīng)加熱技術(shù)（IH RHRC）能通過自動安裝的感應(yīng)線圈加熱型腔表面，其具體方法是在合模前將線圈簡單地固定在半模的型腔前面。該技術(shù)可以使用任何標(biāo)準(zhǔn)的模具進(jìn)行生產(chǎn)，無需改動或?qū)I(yè)知識，對于固定設(shè)備的要求包括感應(yīng)加熱控制系統(tǒng)、特定應(yīng)用的感應(yīng)線圈和它們在注塑取出機(jī)械手背面中的整合。另外，線圈可以安裝在于成型區(qū)域移動的一個專用機(jī)械手執(zhí)行器上。

基于感應(yīng)的熱/冷注塑成型提供了一種經(jīng)濟(jì)的加工方案，可以在現(xiàn)有的模具上實(shí)施，改善加工效果，同時在生產(chǎn)率上不會有大的犧牲。其典型的38.9～61.1℃ /s的加熱速率和27.8 ℃/s的冷卻速率，提供了一種高度動態(tài)的熱循環(huán)。

用感應(yīng)加熱IH RHRC成型的兩個部件：汽車內(nèi)飾用的仿皮革縫合（左）和BenQ投影儀外殼（右）

技術(shù)的實(shí)施

熱/冷注塑成型應(yīng)用通常是在塑料部件的設(shè)計(jì)階段被確定下來，在此情況下，區(qū)分屬性（differentiating attributes）就能以較低的成本獲得部件；還可能是在現(xiàn)有的項(xiàng)目中被定義為一個解決問題的策略，包括消除凹痕和熔合線，并為難以充模的部件改善流動性。

如果熱/冷注塑成型的用戶從一開始就針對該技術(shù)進(jìn)行部件和模具設(shè)計(jì)，則容易獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益。在這種情況下，可以生產(chǎn)出具有A級表面要求的部件，而無需昂貴的油漆或涂層操作。熱/冷注塑成型也有利于特殊的表面特性，如在無需二次加工步驟的情況下，實(shí)現(xiàn)金屬效果或仿皮革縫合。

在熱/冷注塑成型的前期計(jì)劃中，模具設(shè)計(jì)必須考慮加熱型腔壁的需要。如前所述，加熱通道或加熱線圈應(yīng)盡可能靠近型腔表面以達(dá)到最大的效率。在過去的幾年中，許多帶有困難的幾何形狀和深斜度的具有挑戰(zhàn)性的熱/冷注塑成型應(yīng)用，已經(jīng)通過使用適形加熱和/或適形冷卻而獲得了成功。在這些應(yīng)用中，加熱或冷卻源要適合部件的輪廓或最終型腔。適形加熱和冷卻為整個部件有一個非常均勻的型腔溫度和更快的冷卻創(chuàng)造了條件，因?yàn)橥ǔＲコ臒崃扛倭恕?/p>

感應(yīng)加熱在型腔鋼的表面層中產(chǎn)生渦流，不需要加熱模具的主體

采用激光燒結(jié)金屬粉末的3D打印問世，使適形冷卻系統(tǒng)的生產(chǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)，無論是作為直接嵌件插入模具中，還是作為“失去核心”的模型用于鑄造適形冷卻系統(tǒng)。除了適形冷卻外，最近的高導(dǎo)熱率模具涂料和材料也進(jìn)一步增強(qiáng)了熱/冷注塑成型工藝的可能性和效率。

一旦決定實(shí)施熱/冷注塑成型，采用哪些技術(shù)就需要被仔細(xì)評估。首先要考慮的是加工的材料，這將決定模具需要達(dá)到的最低溫度。其他要考慮的因素還包括所要求的表面特性、成型部件的尺寸和幾何形狀、部件的體積和生產(chǎn)時間以及周期時間和產(chǎn)量。用傳統(tǒng)工藝成型一個平板外殼，其整體周期時間是12 s，用熱/冷注塑成型的周期時間延長了5 s，這要比整體周期時間為55 s的大型汽車部件延長5 s更加不利。對于這種平板應(yīng)用，用戶可以接受更高的固定設(shè)備投資，其要求的回報(bào)是這種最具活力的傳熱技術(shù)要實(shí)現(xiàn)盡可能快的周期時間。

值得一提的是，大多數(shù)的熱/冷設(shè)備制造商提供應(yīng)用技術(shù)的支持，這應(yīng)該在項(xiàng)目定義和實(shí)施階段內(nèi)進(jìn)行咨詢。為了在最后選到最適合的熱/冷成型技術(shù)，最好是與一家供應(yīng)商建立關(guān)系。