外文翻译-通过微结构的PVD涂层注塑模具注塑具有功能表面的产品

外文翻译 通过微结构的 到： 2011年 2月 11日 /接受： 2011年 4月 29日 /在线发布： 2011年 5月 15日 德国生产工程学会（ 2011 摘要 通过注塑成型微结构导致模具的特殊要求。关于模制部件的耐磨性和低释放力。同时不允许影响复制精度。物理气相沉积（ 应用具有如硬度，低粗糙度，低杨氏模量和较低的聚合物熔体粘附性等适用性能的涂料之一。物理气相沉积技术允许在微结构上沉积薄膜。因此，必须研究这些 此目的，注射模具插件是激光结构的，具有不同尺寸的微结构，然后涂覆有两个不同的涂层，其通过磁控溅射离子镀 积后，通过关于硬度，杨氏模量和形态的技术分析涂层。通过扫描电子显微镜在涂层前后分析微结构的几何形状。之后，将涂覆的模具插入物用于注塑实验。在注射成型过程中，使用常规和变温的模具温度控制。通过激光显微镜分析模制件的粗糙度，结构高度和结构宽度。 关键词：微结构 光结构 注塑成型 变温 介绍 高薪和低工资国家制造业公司之间的竞争通常发生在生产型经济和规划型经济两个层面。低工资国家的生产重点是规模经济，而高工资国家则试图结合规模和地域。在第二维度 - 规划导向型经济体 - 高工资国家的公司通过复杂的投资密集型规划系统和生产系统来优化流程，而低工资国家的公司措施简单，坚定的以价值流为导向的流程链。 。这两个二分法产生了生产的多重性。 生产的多样性只能通过综合的研究方法来解决。解决规模和地域之间的二分法的一种方法是混合生产。这包括将不同物理机制或生产步骤组合成一个机器和混合产品的混合生产过程。具有功能表面的宏观塑料产品由于通过使用微结构模具而在单步骤过程中产生的表面上的微观结构。为了大量生产这些功能性产品，塑料工业需要结构化，高度耐用的模具，聚合物熔体的粘合性低，并且对于小型结构容易喷射。为了形成这样一个模具，需要在一侧进行精确的结构化方法，另一侧需要进行适当的表面修改。激光消融是构建挑战的有力解决方案。 今天，对于精确的激光烧蚀，使用重复率通常为 100 -2 纳秒范围内，激光照射的热影响导致几微米的典型熔化深度以及由熔体固化和熔体表面张力控制和定义的表面质量。使用 是由于完全不同的激光相互作用机制，具有显着不同的热影响和产生的质量 1通常，光子和物质的相互作用是基于材料的自由和结合电子上的电磁能的吸收。电子被加热并且在特征时间之后将其能量转移到材料的晶格上。考虑到激光材料相互作用通常发生在具有过热电子气的光子和电子之间的激光材料相互作用，并且通过特定耦合系数的材料将能量转移到晶格。 ，因此温度升高和热行为被描述为双温度模型。 在纳秒激光处理中，能量转移发生在激光脉冲的持续时间内，而在皮秒激光处理中，能量转移发生在一定的相互作用时间之后。 对于金属来说，该转移时间通常在一些皮秒的范围内，这意味着材料在激光脉冲结束后被加热。 因此，光子与熔体和蒸发材料没有相互作用。 结果是更准确的消融，因为消融主要是由材料的蒸发而不是熔体排出引起的。 在近净形状工艺中纳米和微结构的模制需要减少模制部件的释放力。为了满足这些要求，必须减少注射速度和保压压力等重要工艺参数，以便在不损坏的情况下进行脱模。这导致纳米和微结构的不完全复制和表面官能度的降低。成功的关键是将注塑成型工艺的常规温度管理系统改变为面向未来的变温过程，并通过使用现代表面工程改造模具表面。薄膜工艺技术物理气相沉积（ 助于保护塑料加工模具的良好性能。由于模具工作期间的高机械负荷，建议提高涂层的高耐磨性。对于光学产品的生产，需要化学惰性和耐磨模具表面以减少生产的光学产品的污染 5,6。含铬（ 层具有了高度的保护涂层潜力。第一种氮化铬薄膜在 20世纪 80年代被保藏 7。虽然不能达到氮化钛（ 硬度 8，但在许多介质中观察到耐腐蚀性提高。此外，添加铝（ 致硬度的增加并且影响薄膜微结构 9,10，也观察到作为耐磨保护涂层的高电位 10这是获得用于注塑的纳米或微结构和涂层模具有两种方法。对于小结构尺寸，涂层可以直接结构化，对于较大的结构，薄膜沉积在结构化模具表面上。 本文涉及先前激光结构的模具插件的涂层和随后的注塑实验。 工艺链如图1所示。 使用 光束聚焦在表面上，并通过电流计扫描仪系统移动。相同的结构涂覆有两种不同的（ 层的化学成分适应于不同的形态。 （ 此，沉积了具有低铝含量 低 N和具有较高铝含量的涂层 高 N的涂层。这些模具插入件用于常规注射成型工艺中以用标准聚丙烯（ 制结构。之后，使用相同的材 料在变模注射成型工艺中测试模具插入件。在这种类型的工艺中，在注射聚合物熔体之前，通过外部电感器来加热模具的表面附近的区域，以实现微结构的完全模制。 图。 1生产具有功能表面的产品的工艺链。 结构化模具涂覆有耐磨涂层。 在注射成型过程中，结构直接与零件一起产生 表 1产生槽的消融参数 2实验细节 所有的激光结构实验都是用波长为 k = 355d：振荡器功率放大器， 行的。激光器的工作重复率高达 m = 500 冲持续时间为 s = 12 于微结构实验，激光辐射通过聚焦长度为 f = 32伤的几何是线条。消除不同的线几何形状。为了产生线，激光束在相同的线上（对于小的沟槽宽度）沿着表面移动几次或者激光沿着平行线移动几次以产生更宽的凹槽。所有实验以 m = 500蚀槽被设计为具有 意味着宽度等于或小于深度。消融参数如表 1所示。 通过使用 次发射电子）模式的扫描电子显微镜（ 微照片（ 82 析其结构的宽度，并且另外使用彩色 3显微镜（ 。 所用的模具插件（ 20，冷加工钢）都用 6糙度为 a。 对于沉积，使用脉冲磁控溅射离子电镀（ 涂层单元（ 9 G）配备了非对称双极双阴极布置。 本机配有四个矩形阴极（ 500 9 88 。 为了沉积高 用二十 15 两个 。 对于低 用四种 沉积参数如表 2所示。 表 2沉积薄膜的沉积参数 为了评估其形貌和厚度，采用 由于它们的脆性断裂行为，使用由硬质合金制成的这种显微照相材料（ 。 在该 用能量分析确定涂层表面的化学成分。 此外，使用纳米压痕的方法确定硬度和杨氏模量。 为此， P（ 。 压痕深度不超过涂层厚度的 1/10。 测量结果的评估是根据 3。 假定 m = 结构化和涂覆的模具插件随后安装在高精度注塑模具中，其特别用于微结构塑料部件的复制而被设计和构建。 所有模塑实验使用具有 40X 160行。 注射成型过程从模具闭合开始，然后将熔融聚合物注入腔中。 一旦填充了空腔，施加保持压力以补偿材料的收缩，直到达到密封点。 冷却时间后，模具打开，零件被弹出。 为了确保精确的模具成型，在注射过程中需要加热温度是十分必要的14。当热熔接触相对冷的模具表面时，温度的快速下降导致粘度的增加。 因此，熔体压力不能将材料推入到表面结构中。 在模具温度接近熔融温度的前提下，可以防止过早固化，从而导致结构的精密化。 同时，需要低至足以脱模而不损坏零件的温度。 为此，可以使用变温过程控制将注射期间的高温和足够低的温度合理地在合理的循环时间脱模。 为了实现良好定义和快速变化的温度曲线，采用了一种与常规模具冷却相结合的电感式加热系统 15。 用于变电过程控制的系统由电感加热单元和机器人组成。 当模具打开时， 动将电感放置在微结构化腔体的前面。 使用基于高温计的温度控制，实现了空腔壁的定义加热（高达 60 K ，而不会因不受控制的高温而破坏脆弱的微结构。 模具加热后，电感器移出，模具关闭，注射过程开始。 使用标准聚丙烯（ 行注塑实验。 该材料具有优异的流动性，这对于微结构化表面的精确复制是重要的。 在常规和变温过程中都对每个模具插件进行了测试，注塑参数保持不变。 最大注射速度为 40持压力设定为 900 选择 200 的熔体温度，模底温度为 30 。 在变温注射成型工艺中，在注射聚合物之前，通过感应模具加热系统将空腔加热到160 的温度。 在模制之后，使用彩色 3析关于结构的宽度和高度的部分。 3。结果与讨论 沉积后，根据上述方法对样品进行基本表征。 表征结果示于表 3中。 通过 于低 7原子铬和 43原子铝，测量涂层的化学组成为 80原子铬和 20原子铝， 如预期的那样，硬度通过增加铝的含量而增加。 此外，形态从柱状变化到细粒结构（图 2） 。 （ 首先分析了 40 3显示了涂层和未涂覆模具的表面的 然，在结构化部件中可以看到粗糙的墙壁和地面。地面上有三种不同类型的结构，造成粗糙的表面。尺寸为几百 性微结构和孔结构（图 4） 。纳米结构可以与激光诱导的周期表面结构（ 关。线性微结构和孔结构可以与最近描述的周期性子结构和锥形突起（ 关。这些发生在表面上并且在表面上扩展以增加数量的烧蚀层 16 对于未涂覆的（ 于（ 均值为 种粗糙度导致稍微变化的宽度，为 通过涂覆结构， 中电的洞只能稍微调整一点。 这得出结论，除了涂层的功能外，模具表面的小断层可以通过涂层进行校正。 在边缘处的粗糙度，地面上的壁和孔可导致脱模力的增加，其然后在注塑实验中在喷射过程期间引起聚合物的拉伸。 然而，在冷却过程中聚合物的收缩可导致更容易的喷射。 此外，分析了 10 5） 。 在这里，实际上可以看到相同的结构效果。 对于未涂覆的结构，达到的平均宽度为 （ （ 由于结构将被较少量的熔融聚合物填充，所以聚合物的收缩可能不会导致更容易的喷射。 另外，采用未涂覆的模具插入物上的结构的 3 6） 。 对于较大的结构，宽度和截面的测量结果分别为 对于 10度和深度分别为 量结果显示，对于 40结果显示了对 1和 1的影响。 对于 10到 2的长宽比。 由于激光结构的粗糙度，结构深度的标准偏差非常高。 在以下研究中使用该方法来确定模制部件中的不同结构的宽度和高度。 表 3沉积在 图 2 （ N（左）和（ N（右）的 图。 3宽度为约 40） ， （ ）和（ ）结构的 图。 4具有约 40 由于结构效应，可以看到高粗糙度 图。 5宽度为约 10） ， （ ）和（ ）结构的 图。 6未涂覆的模具插入物的 40）和 10）的 3在没有外部感应模具加热的模制实验中，每个模具插件被成功地用于模制超过 200个零件而没有任何脱模问题。 没有观察到部件粘附到模具，使得注塑机可以以全自动模式操作。 这对于循环到循环的高再现性至关重要，确保每个部件都在相同的热条件下成型。 来自具有变化过程控制的成型试验的预期结果不同。如上所述，由于激光烧蚀过程，在微结构上存在小于 1些结构形成许多底切，当模具在注射之前被加热到接近聚合物的熔融温度时，其被聚合物填充。在随后的脱模过程中，这些底切导致脱模力的增加，其抵抗部件脱模。然而，具有高断裂伸长率的延性聚合物材料如聚丙烯可以脱模。脱模力的增加导致结构的拉伸和同时的横向收缩。因此，该部件可以完全脱模。在使用聚丙烯的这些实验中，可以看不到模具插入物的堵塞。然而，在该过程中产生的独特的表面结构可能不会完全反射模具插入件的表面结构。 对两种方法的成型部件进行了常规和变温分析，分析了基座的宽度和结构的高度。 图 7示出了用未涂覆的模具以 0 很明显，通过使用常规的温度控制，在注射成型过程中结构完全没有被填充。 否则，用变温控制形成的结构更准确。 图 8显示了在三种不同类型的模具的 40 另外，目标值为 40横比 1） 。 特别是（ 此外，使用变温过程表现出与目标结构的一致性。通过实践证明，可以达到可观的结构高度。 此外，变温过程控制导致每个模具插入件的结构的平均高度增加。 40所示。 由于与（ （ 以在模制塑料部件上测量的结果不符合预期。 然而，使用（ 总之，这些结果显示柱状（ 在下一步中，对结构的宽度和高度分析了 10 10） 。 由于（ 此脱模力导致结构的拉伸。 10所示。 通过使用（ 里粗糙度的显着增加是显而易见的。 这也可以通过使用变温过程来解释。 在脱模过程中，结构被拉伸。 拉伸导致高力，其对结构之间的小的非结构化部分起作用。 图。 7用具有常规温度控制（左）和变温控制（右）的 40D 3未涂覆的模具 图。 8 0 图。 9在 40a 图。 10 0图。 11在 10 a 4。结论 将两种不同的槽结构（ 40和 10用于注射成型的模具插入件中激光烧蚀。 用两种不同的（ 脉冲 通过 在用聚丙烯（ 行注射成型实验之后，分析聚合物部件中的结构。 分析的主要方面是一方面结构的平均宽度和高度以及聚合物部件的非结构化部件的平均粗糙度。 烧蚀结构的特征在 壁和地面上显示出高的粗糙度。可以通过使用 外，涂层的化学组成导致聚合物熔体与未涂覆的模具插入物的粘附性较低，特别是通过使用（ l N。为了实现复制结构接近目标值的平均高度，需要在注射聚合物期间提高约 160 的模具温度。为此，使用外部感应模具加热系统。这些效果可以显示为 40于 10部件的夹紧相比，涂层表面的化学成分更好。结构在模具插入件中的夹紧导致脱模过程中的拉伸，这导致平均结构高度远大于目标值 10别是在变温注射成型过程中。 致谢所描述的研究由德国研究基金会（ 助，作为亚琛大学卓越高校“高薪国家综合生产技术 ”的一部分。 1. N, , , , (1996) 飞秒，皮秒和纳秒激光烧蚀固体。 应用物理 A 63： 109. , , , , N, , (1997) 通过 m B 14(10):27162722 3. , , (2002) 用超短激光脉冲表面构造金属。 830:501505 4. , (2007) 使用 自 : 第 26届国际激光与电光学应用大会论文集 2007, 奥兰多 , 844 5. (1998) 塑料加工中硬涂层的耐磨性。 冲浪外套技术 105:3844 6.