怎樣減少塑料加工中的收縮
時間:2006-08-10
收縮是塑料加工商們面臨的大敵，特別是對于表面質(zhì)量要求較高的大型塑料制品，收縮更是一個頑疾。因此人們開發(fā)了各種技術(shù)，以最大限度地減少收縮，提高產(chǎn)品質(zhì)量。
在注塑塑料部件較厚位置，如筋肋或突起處形成的收縮要比鄰近位置更嚴(yán)重，這是由于較厚區(qū)域的冷卻速度要比周圍區(qū)域慢得多。冷卻速度不同導(dǎo)致連接面處形成凹陷，即為人們所熟悉的收縮痕。這種缺陷嚴(yán)重限制了塑料產(chǎn)品的設(shè)計和成型，尤其是大型厚壁制品如電視機(jī)的斜面機(jī)殼和顯示器外殼等。事實上，對于日用電器這一類要求嚴(yán)格的產(chǎn)品上必須消除收縮痕，而對于玩具等一些表面質(zhì)量要求不高的產(chǎn)品允許有收縮痕的存在。
形成收縮痕的原因可能有一個或多個，包括加工方法、部件幾何形狀、材料的選擇以及模具設(shè)計等。其中幾何形狀和材料選擇通常由原材料供應(yīng)商決定，且不太容易改變。但是模具制造商方面還有很多關(guān)于模具設(shè)計的因素可能影響到收縮。冷卻流道設(shè)計、澆口類型、澆口尺寸可能產(chǎn)生多種效果。例如，小澆口如管式澆口比錐形的澆口冷卻得快得多。澆口處過早冷卻會減少型腔內(nèi)的填充時間，從而增加收縮痕產(chǎn)生的幾率。
對于成型工人，調(diào)整加工條件是解決收縮問題的一種方法。填充壓力和時間顯著影響收縮。部件填充后，多余的材料繼續(xù)填充到型腔中補(bǔ)償材料的收縮。填充階段太短將會導(dǎo)致收縮加劇，最終會產(chǎn)生較多或較大的收縮痕。這種方法本身也許并不能將收縮痕減少到滿意的水平，但是成型工人可以調(diào)整填充條件改善收縮痕。
還有一種方法是修改模具，有一種簡單的解決方法就是修改常規(guī)的型芯孔，但是并不能指望這一方法適用于所有的樹脂。另外，氣體輔助方法同樣值得一試。
柱、氣體和泡沫
GE聚合物加工研究中心(PPDC)進(jìn)行了一項12個月的研究，來評估8種不同的旨在減少收縮痕的方法。這些技術(shù)代表了減少收縮痕的一些最新思路。這些方法可以分為兩類：一類可以稱為取代材料法，另一類為去除熱量法。取代材料法是通過增加或減少可能收縮區(qū)域的材料用量來減少收縮痕。去除熱量法旨在快速地將可能產(chǎn)生收縮的區(qū)域的熱量去除，從而減少較薄區(qū)域和較厚區(qū)域產(chǎn)生的冷卻不均的可能性。
在本次研究中，共評估了5種取代材料法：伸出式凸柱、圓頭凸柱、帶彈簧凸柱、氣體輔助成型和化學(xué)發(fā)泡。三種去除熱量法：鈹-銅凸柱、鈹-銅嵌件以及特殊設(shè)計的熱活動凸柱。評估的對象是待試部件中產(chǎn)生的收縮痕的數(shù)量，待試部件為帶有三角形凸起的制品。所有方法比較的標(biāo)準(zhǔn)為標(biāo)準(zhǔn)工具——不銹鋼凸柱。該測試工具能產(chǎn)生壁厚為2.5mm的圓盤，凸柱高為22.25mm，直徑為4.5mm，壁厚為1.9mm，在底盤上有2mm的三角鐵。
該研究所用的成型設(shè)備為350t的水平觸動液壓機(jī)，材料為日用電子產(chǎn)品中常用的材料，也是收縮問題嚴(yán)重的材料，即GE的PC/ABS、Cycoloy CU6800和PPE/PS、Noryl PX5622。這兩種材料的加工范圍均在產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)建議范圍的中間點。如果收縮痕處于最小狀態(tài)，可以下調(diào)填充量來引發(fā)更多收縮痕，以方便度量并與經(jīng)驗方法進(jìn)行比較。盡管收縮痕通常都是通過肉眼來觀察的，但是這些試驗采用了一種機(jī)器對收縮痕的深度進(jìn)行了定量測量。
試驗內(nèi)容
試驗的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)之一是伸出式凸柱，即標(biāo)準(zhǔn)凸柱伸出進(jìn)入凸柱底部的壁里，從而減小壁厚并補(bǔ)償凸柱中多余材料造成的效果。試驗中采用了兩種伸出深度，分別為壁厚的25%和50%。另外一個試驗采用了一種圓頭而不是尖頭的凸柱。這個方法不是去除凸柱區(qū)域的材料，而是使得各區(qū)域的過渡更加連貫。還有一種方法在頂出板和凸柱之間使用彈簧。彈簧使得部件冷卻后凸柱底下的材料仍處于壓力狀態(tài)，以使材料獲得補(bǔ)償收縮的效果。結(jié)果會受到彈簧初始壓力以及彈簧“剛性”的影響，試驗評估了這兩種因素的影響。使用了兩種不同剛度的彈簧，對每種剛度的彈簧都施加了多種不同的初始壓力。
化學(xué)發(fā)泡劑也在本次試驗的評估內(nèi)容里，因為化學(xué)發(fā)泡劑的優(yōu)勢在于不用對工具進(jìn)行任何改變。該方法的理論依據(jù)是在較厚的區(qū)域也就是最可能產(chǎn)生收縮的區(qū)域發(fā)泡，發(fā)泡過程會產(chǎn)生足夠的局部壓力以阻止收縮。當(dāng)然，在發(fā)泡過程中只能使用少量(0.25%)的發(fā)泡劑(Safoam RPC-40)，以免形成裂紋損傷部件表面。
通過加工過的凸柱注射氮氣來試驗氣體輔助成型，氮氣在通常容易出現(xiàn)收縮的區(qū)域形成氣泡，這樣就可以去除該區(qū)域的材料用氣泡里的氣體來填充該區(qū)域。
為了實現(xiàn)熱量快速轉(zhuǎn)移，使用了一種由鈹-銅構(gòu)成的凸柱，熱傳導(dǎo)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過不銹鋼材料。該技術(shù)同樣要求凸柱的后端與巨大的熱池連接，使得熱量能夠完全從凸柱的區(qū)域去除。該方法的另一種方式是利用標(biāo)準(zhǔn)的不銹鋼凸柱但是在凸柱周圍區(qū)域安裝鈹-銅的插件。這就要求對模具型腔進(jìn)行充分的修改，在該區(qū)域加工出一個小槽安裝筋肋/凸柱結(jié)構(gòu)。筋肋/凸柱結(jié)構(gòu)加工成獨立的鈹-銅型腔插件，安裝在小槽里。熱傳導(dǎo)速率高的插件會將凸柱區(qū)域的熱量完全吸收并導(dǎo)入到工具中。前兩種方法采用的是被動的熱去除方法，“熱活動凸柱”包含了一種流體將熱區(qū)域的熱量帶走并分散到冷卻裝置。
結(jié)果的比較
采用PC/ABS材料時，五個試驗方法產(chǎn)生的收縮比標(biāo)準(zhǔn)凸柱產(chǎn)生的收縮少。所有的去除熱量的方法效果很好，取代材料的方法中只有加載彈簧的凸柱的方法比標(biāo)準(zhǔn)凸柱效果好，而彈簧的預(yù)加載壓力對性能的影響尤為突出。氣體輔助方法的結(jié)果不是決定性的：使用該種模具和材料，由于制品壁太薄，熔融-冷卻速度太快，從而氣體滲透很難保持一致。發(fā)泡試驗也沒有決定性的影響。部件表面明顯的裂紋表明，在本方法還不能與其他方法相提并論之前，應(yīng)該減少發(fā)泡劑的數(shù)量。
使用PPE/PS樹脂時，加載彈簧的凸柱同樣表現(xiàn)出色。其他三種取代材料方法，包括伸出式凸柱法和氣體輔助成型法效果也比標(biāo)準(zhǔn)凸柱的效果好。對于去除熱量法，只有鈹-銅凸柱方法比標(biāo)準(zhǔn)凸柱方法的效果好。
而圓頭凸柱方法對于兩種材料的效果都不好。意外的是伸出式凸柱方法對于PC/ABS材料而言效果很不好，而二十年來，伸出式凸柱一直是推薦的方法。這些試驗結(jié)果表明這些方法對于不同材料而言效果并不是相同的。
最有趣的結(jié)果還是來自加載彈簧式凸柱的方法。對于兩種材料而言，適當(dāng)使用彈簧的預(yù)壓力，制品收縮性均得到了50%的改善。彈簧鋼性的影響似乎不如彈簧預(yù)壓力的影響大。預(yù)壓力過小，塑料熔體將凸柱的背端推得太遠(yuǎn)，導(dǎo)致凸柱區(qū)域太多材料滯留，從而導(dǎo)致收縮。彈簧預(yù)壓力過大，在熔體的壓力下不會被壓縮，效果和標(biāo)準(zhǔn)凸柱一樣。測量筋肋結(jié)構(gòu)附近的收縮痕時，彈簧加載方法還顯示了驚人的結(jié)果。盡管該方法旨在將凸柱附近的收縮最小化，加工PPE/PS材料時，相連的筋肋結(jié)構(gòu)處的收縮也得到了驚人的改善。可能是凸柱壓縮時有效地將材料填充進(jìn)筋肋結(jié)構(gòu)，從而減少了收縮。
不管結(jié)果如何，人們也不應(yīng)就此低估氣體輔助成型方法和化學(xué)發(fā)泡劑方法。對于氣體輔助成型，模具沒有得到優(yōu)化，有望在較大尺寸部件中起到很好的效果，因為它能覆蓋的區(qū)域比加載彈簧凸柱覆蓋的范圍更大。而且，如前所述，這些試驗中發(fā)泡劑的配方也沒有得到優(yōu)化。
