材料成型新工艺.doc

气体辅助注射成型首先是向模腔内进行树脂的欠料注射，然后把经过高压压缩的氮气导入熔融物料当中，气体沿着阻力最小方向流向制品的低压和高温区域。当融物料而掏空厚壁截面。这些置换出来的物料充填制品的其余部分。当填充过程完成以后，由气体继续提供保压压力，将射出品的收缩或翘曲问题降至最低。熔体短射气体注射气体保压气体排出和制品顶出气体辅助注塑成型的优点：低的注射压力使残余应力降低，从而使翘曲变形降到最低；低的注射压力使合模力要求降低，可以使用小吨位的机台；低的残余应力同样提高了制品的尺寸公差和稳定性；低的注射压力可以减少或消除制品飞边的出现；成品肉厚部分是中空的，从而减少塑料，最多可达40；与实心制品相比成型周期缩短，还不到发泡成型的一半；气体辅助注塑成型使结构完整性和设计自由度大幅提高；对一些壁厚差异较大的制品通过气辅技术可以一次成型；降低了模腔内的压力，使模具的损耗减少，提高其工作寿命；减少射入点，气道可以取代热流道系统从而使模具成本降低；沿筋板和凸起根部的气体通道增加了刚度，不必考虑缩痕问题；极好的表面光洁度，不用担心会像发泡成型所带来的漩纹现象。旋转模塑成型的工艺将塑料粉末加入到模具中，然后加热模具并使之沿两相互垂直的轴连续旋转，模具内的树脂在重力和热量的作用下逐渐均匀地涂布、熔融并黏附于模具的内表面上，形成所需要的形状。然后冷却模具，脱模而得到制品。如下图旋转模塑成型的主要特点 旋转模塑成型具有许多特点，优点是该法所使的设备和模具比吹塑、注塑等成型方法的更为简单、价廉，因此其具有投资少、上马快、经济效益高的特点适用于大中型或形状复杂的塑料制品，产品几乎无内应力。局限性：通常仅适于生产中空或壳体类的制件；成型周期较长；能耗和劳动强度较大；制品的尺寸精度亦较差等。旋转模塑成型的主要产品 工业用品 包括蓄电池壳体、机器外壳、防护罩、车船部件等。 容器、包装类制品 包括水槽、油箱、化学储罐、周转箱、包装箱等。 体育、娱乐和文化用品 如浮球、冲浪板、划艇、玩具、游乐设施、模特和工艺品等。 生活及公共设施 包括家居用品、浴室、城市垃圾箱、公共厕所、电话亭、指示标志、公路隔离墩、路障等。旋转模塑成型的原料树脂必须具备以下几个基本特性。原料粉末的流动性好 粉末能在模具内充分翻滚流动，并均匀地分布在模具的内表向。这样对树脂粉末颗粒的大小和形状就有一定的要求。通常要求原料粉末的粒度在30100目之间，避免出现尾丝状粉末。也可以用液体溶胶作为旋转模塑成型的原料。原料熔体的流动性好 粉末熔融后易于均匀地涂布在模具的内表面，并能流人模具的复杂形状区域。通常要求原料的熔体流动速率在2loglOmin之间。原料应具有一定的热稳定性 旋转模塑成型过程中树脂要经受较高的温度和较长的加热时间。通常要求原料在260400的温度下保持20-60min而不发生分解。树脂传递模塑（Resin Transfer Molding,简称RTM）它是将树脂注入闭合模具中浸润增强材料并固化的工艺方法。具有投资少，生产效率高，工艺适应性强等特点。所生产的制品表面光洁，外观质量好。这项工艺特别适应于大型薄壳异型结构件的生产。RTM加工过程大体分为四个步骤：（1）纤维布的铺设。纤维布可以预先编织成产品形状然后一次性放入模腔。（2）树脂注射。树脂及催化剂是在注射枪前端的静态混合器内混合，然后注入布满纤维布的模腔。（3）树脂固化。加热模腔以便加速树脂固化。（4）制品脱模。树脂固化成型后，开模获得最终的复合材料构件。其工艺示意图和工艺过程如图1.1和图1.2所示。对RTM模具有如下要求:上、下模具之间能精确地形成制品的形状；具有模具夹紧、顶开装置；具有足够的强度；模具材料能够经受所选树脂的放热峰值温度；较高的重复利用性能；上、下模具的密封完好；模具的热膨胀系数要尽可能与复合材料制品的热膨胀系数协调一致；成本低廉。特点：1：RTM成型工艺采用闭模操作系统，整个过程中苯乙烯挥发量较小。就整个过程而言，RTM成型过程中，苯乙烯的挥发量可控制在20ppm以下，而手糊、喷射和SMC的苯乙烯挥发量均超过300ppm。因此，RTM成型工艺减少了成型过程中有害气体的排放，从而改善工作环境，使能满足有害气体限制标准。2：RTM工艺生产的制品精度高，制品表面可达到A级标准，适于制造大型、薄壳的整体构件。由于RTM工艺采用闭模生产，制品的形状、尺寸完全有模具来确定。RTM工艺采用了阴阳两个模具，可以两面涂胶衣，生产出具有两个光洁表面的制品。此工艺一般采用低粘度、低收缩率的树脂，采用低压注射工艺，因此有利于大型薄壳制件的制备。3：RTM采用了先进的增强材料预成型体技术，可根据性能要求，合理铺放短切毡、连续毡、方格布，通过纤维编织，进行择向增强、局部增强或混合增强，并且在模塑时将夹层和预埋件直接加入到产品中，充分发挥出复合材料的性能可设计性。4：RTM工艺中，原材料的利用率非常高。树脂通过树脂泵准确计量，避免了手糊工艺中常常出现的树脂配置过量的问题，也避免了喷射工艺中喷射过量的问题。5：RTM工艺在模具的选择时，可根据生产规模选择聚酯模、环氧模、合金铝、镀镍模或钢模，以实现成本的降低。6：RTM工艺有效地提高了生产效率。这种半机械化成型工艺，只需要较少的作人员。由于可以将夹层和预埋件直接在模塑时加入产品中而不需要二次加，加上其成品的修整工作量也比手糊工艺少，所以RTM的生产周期要比手糊艺的短。总之，RTM工艺属于中等规模和速率的成型工艺，它介于低效率、低成本成型工艺（手糊工艺、喷射工艺）与高效率、高成本（SMC工艺）的工艺之，具有较SMC低的设备成本。RTM工艺纤维增强体应满足：（1）机械强度高、耐树脂冲刷好、对树脂流动阻力小；（2）均匀性好(重量和厚度)；（3）与树脂浸润性好。RTM工艺用预成型增强纤维有:玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维（kavlar纤维）；预成型品的形式为:布、短切纤维毡、连续纤维毡、针织物、编织物等。一般而言，短切纤维毡、连续纤维毡及其它玻纤织物适合铺于形状单一、表面平整的模具表面，而对于形状复杂的异形制品，铺放较困难，效率较低。纤维编织结构具有很好的整体性和均匀性，其整体性保证了纤维不会因注入树脂时产生的流动压力而引起纤维变形，而均匀性保证了预制品空隙均匀，使注胶的压头平齐，不会造成回流包住气体而形成气孔，所以可生产出高性能的RTM制品。RTM工艺对树脂体系的要求：（1）在室温或较低温度下具有低粘度(一般小于1.0Pa.s，以0.20.3 Pa.s工艺性能最佳)，且具有一定的适用期；（2）树脂对增强材料具有良好的浸润性、粘附性和匹配性；（3）树脂体系具有良好的固化反应性，固化温度不应过高，且有适宜的固化速度。在固化过程中不产生挥发物，不发生不良副反应。但随着真空辅助RTM成型技术的应用，对挥发成分的要求有所放宽。RTM工艺的主要应用的领域有：（1）汽车、火车零部件。如油箱、仪表板、保险杠、货车的壳体、汽车和火车车厢的高顶、重型货车的发动机罩、热气闸门板、空气导流器、蓄电池箱盖。（2）航天、航空零件。如导弹的鼻锥、导弹自动瞄准头的整流罩、飞机的舱壁、F-22的正弦波梁、F-117飞机的发动机进气口、火箭发射筒等、直升机扰性传动轴和联轴器、推进转换器等。（3）高级体育用品。如碳纤维复合材料自行车架、自行车手把、自行车前叉等，碳纤维高尔夫球杆、滑雪杆，碳纤维复合材料羽毛球拍、网球拍，碳纤维复合材料赛艇。（4）其他零件。如碳纤维复合材料照相机支架、安全头盔、浴盆、真空泵壳体等。顺序阀式浇口技术是在原来热流道浇口处加上一个可以控制开、关的阀门装置。注塑时浇口的开和关根据具体要求决定其工作方式。整个注塑过程各浇口的控制为:第一步,如图1开始时,打开模具中间的浇口,塑料向两旁充填;第二步如图2,当熔体到达其他浇口时,其他浇口打开进行浇注,直至熔体到达模具型腔各处并注满。特点：1：熔体按顺序注入注塑模型腔,可以消除各浇口之间的熔接痕,因而塑料制品的强度和表面质量得到很大提高。2：由于浇注是顺序控制的,注塑时需要的压力和熔体温度相对于普通浇口而言可降低许多,这样大型复杂和薄壁类制件注塑成型就很容易实现,也可以有效地避免浇注不足的问题。3：由于阀式浇口控制的运用可以降低注塑压力,所以注塑同样的制品,较普通浇口模具对注塑设备的注塑压力、锁模力等技术指标要求要低得多。4：可得到较理想的充填效果，分子取向分布均匀，故制件翘曲变形小，不仅降低注塑压力，又可以有效地消除或避免熔接痕的响特别适合超长型和超大型制件的注塑。5：难控制，成本非常高微孔发泡注塑成型技术大多采用二氧化碳和氮气作为物理发泡剂，成型时需将物理发泡剂转化为超临界流体(SCF)，再通过输送装置以恒定的剂量注入聚合物熔体中，形成单一相溶体。当溶体充填模具型腔时，外部压力快速降低，促使溶解于溶体中的物理发泡剂迅速发生相变，形成微小气泡核，之后逐渐长大形成微孔，从而获得微孔塑料制品工艺过程分为四步：1）气体溶解：将惰性气体的超临界液体通过安装在构简上的注射器注人聚合物熔体中，形成均相聚合物/气体体系；2）成核：充模过程中气体因压力下降从聚合物中析出而形成大量均匀气核；3）气泡长大：气在精确的温度和压力控制下长大；4）定型：当气泡长大到一定尺寸时，冷却定型。微细发泡注塑的特点微孔塑料具有传统泡沫塑料不具有的很多优点。具有高冲击强度(可达未发泡塑料的5倍)、高韧性(可达未发泡塑料的5倍)、高比刚度(可达未发泡塑料的3倍)、高疲劳寿命(可达未发泡塑料的5倍)、低介电常数、低热传导系数。应用前景非常广阔：适合于应用在包装材料，绝缘和绝热材料，吸震抗冲击材料，航天和汽车工业的零部件等。做成开孔的材料还可做分离吸收材料催化剂的载体和药物缓释材料等微孔发泡注塑成型方法的优点(1)熔体黏度降低。便于成型加工采用超临界气体作发泡剂,对熔体具有稀释和塑化作用，降低了熔体的玻璃化温度，使熔体黏度减小。熔体黏度的降低有助于降低注射成型的压力和合模力，降低对注塑设备的要求，从而减低成本。熔体玻璃化温度降低，使加工温度可以大幅度降低，因此便于成型加工。(2)缩短成型周期。微细发泡注塑成型工艺，一般可以将成型周期缩短20%50%，这主要是因为微孔成型不需要保压。微孔均匀的内部气体压力提供了充模所需的模腔压力，而压实和保压是传统注塑周期的主要构成部分，因此，微孔注塑成型大大缩短了压实和保压过程，甚至不用保压。此外，微细发泡的成核过程和泡核的长大过程都是吸热反应，从而缩短了冷却时间；低黏度降低了聚合物分子的剪切热，相应的冷却时间也被缩短，因此生产周期缩短。(3)减小了制品壁厚和产品重量。微孔发泡注塑成型技术是将一部分聚合物熔体注入型腔，再利用超临界气体的发泡作用将剩余的空间填满，因此，减少了制件的原材料用量，减轻了产品的重量同时，因为单相熔融物能均匀成核，所以微细发泡成型工艺可以在很薄的制品上控制重量的减少，相对于传统发泡注塑成型，可以成型更薄壁厚的产品。 (4)降低了注塑压力和锁模力。由粘性塑料熔体和超临界液体混合成的单相溶体可以极大的减低材料的黏度，而且没有压实和保压过程，因此与传统的不发泡工艺相比，微细发泡注塑工艺能够大幅度的降低锁模力，降幅高达50%以上。(5）减小产品的翘曲变形。制件的收缩率在很大程度上取决于壁厚和保压压力。如果保压压力变化，那么注塑件的收缩率也会发生变化。由于微细发泡注塑成型几乎不用保压过程，微孔内的气体压力就是保压压力，而且基本均匀分布于整个注塑件内，由于保压压力均匀注塑件的收缩率也就非常均匀，从而使注塑件的翘曲和弯曲程度大幅减小。此外锁模力的大幅降低，减少了制品的内应力，也减小了翘曲变形，本文后续部分将通过数值模拟来验证微细发泡成型与普通注塑成型相比可以大幅度的降低制件的翘曲量。(6)制品综合性能优异。采用微细发泡注塑工艺，注塑件物理性能的下降一般与密度下降成线性关系，但在实际微细发泡注塑件中，应力降低以及发泡使注塑件的保压更均匀，而且低温熔体和低温模具使得皮/芯厚度比更高，所有这些都使注塑件的物理性能得到提高。共注射成型(Co-Injection Molding)，又称三明治射出成型(Sandwich InjectioMolding)或者夹芯注射成型。是同时或顺序将不同的聚合物熔体注入模腔，在模腔内聚合物熔体以多相分层流动充模成型，最终熔体固化成壳层/芯层复合注塑件。先注入的熔体形成壳层，后注入的熔体形成芯层。共注射成型技术分类共注射成型按其工艺不同可以分为单流道成型(SingleChannelTechnique)、Mon共注射成型(Mono Sandwich Technique)、双流道成型(Two Channel Technique)和三流道成型(ThreeChannelTechnique)四种主要的成型技术。单流道成型采用的注射机一般由两个注射单元组成，其工艺过程如下:首先，注射壳层熔体局部填充模腔（壳层熔体注射量取决于壳层与芯层的比例，而该比例由制品的工艺及所要求的性能所决定）。当壳层熔体注射量达到要求后，转动熔料切换阀，开始注射芯层熔体，芯层熔体进入预先注入的壳层熔体内部，迫使壳层熔体进入模腔的空隙部分。由于壳层熔体的外部已固化，芯层熔体不能渗透，从而将芯层熔体包覆起来，形成壳层/芯层结构。最后，熔料切换阀回到起始位置，继续注射壳层熔体，将流道中的芯层熔体推入注塑件中并封模。缺点：在壳层和芯层熔体通过熔料切换阀进行切换时，模腔内压力下降，壳层熔体料流前缘出现短暂的滞流现象，以致共注射注塑件表面存在暗纹或晕纹等缺陷。Mono共注射成型技术Ferromatik Milakron利用顺序共注射成型工艺提出Mono共注射成型技术,这种技术与单流道成型技术有所相似。其工艺过程如下:首先,通过一个辅助料筒对壳层物料进行塑化,并推动壳层熔体到达主料筒的螺杆前缘。在壳层熔体的挤压作用下,主注射机的螺杆后移,而壳层熔体的输送量则由行程信号来确定。当堆积在螺杆前缘的壳层熔体达到某一行程点后,控制系统则从控制辅助塑化装置转化到主塑化装置。芯层物料在主塑化装置中充分塑化后,主塑化装置中的螺杆推动壳芯层熔体依次进入模腔,并最终形成壳层/芯层结构。相对单流道成型技术,Mono共注射成型技术不仅设备结构和成型过程简单,而且可以避免注塑件表面产生暗纹的缺陷,获得具有高表面性能的制品。该技术还可以用于生产薄壁制品,尤其是对于简单的轴对称制品。缺点,由于加工设备的简单而缺乏精确的注射工艺参数控制,Mono共注射成型技术很难用于生产形状复杂的共注射制品。双流道成型技术是由Battenfeld和其他一些研究者9于20世纪70年代中期所提出的。该技术一般是将两个独立的注射单元通过一个特殊的喷嘴而连接起来，而喷嘴的设计往往依据不同的需求而设定。Battenfeld所采用的是一种特殊的环形浇口，壳层熔体与芯层熔体分别通过外围环形喷嘴与中心喷嘴注入模腔。该成型技术的具体工艺过程如下:首先，在型腔内注入一定量的壳层材料局部填充模腔。当壳层材料注射量达到要求后，同时注射壳层与芯层材料。最后，顺序切断芯层与壳层熔体料流，利用壳层熔体封模。优点双流道成型技术具有较高灵活性，可以在充模过程中独立控制壳层和芯层熔体注射速度，避免壳层熔体料流前缘出现短暂的滞流现象，杜绝共注射注塑件表面暗纹或晕纹等缺陷的产生。此外,这种独立的注射单元操作可以更好地控制壳层厚度。缺点在于芯壳层熔体分布不均:在近浇口区域，由于熔体流动所产生的摩擦热致使壳层物料再次熔融而被刮带向前运动，以致壳层厚度在该区域往往过薄；而对于远离浇口的区域，情况则相反。三流道成型技术是指在浇口中心处增设一个辅助流道注射壳层熔体。这个流道可以使壳层熔体注入到模腔的另一面,这使得两个面上的壳层材料的厚度可以调节。但是这种技术只限于中心浇口制品,对于其它浇口制品或者一模多腔的情况,选择双流道或者是单流道成型技术更为可取。共注射成型技术的优越性共注射成型技术摒弃传统层压及膜成型工艺的繁琐步骤，通过熔融生产实现各组分的综合性能，具有其它塑料成型技术无法比拟的特殊功能(1)将废旧塑料作芯层材料，将优质塑料作壳层材料，在满足表面质量要求前提下，既降低产品生产成本，又解决废旧塑料回收利用，实现可持续发展；(2)工程上往往需要塑料制品具有高强度、耐热、耐腐和耐磨等优良的物理化学性能，或者表面装饰美观和软接触的感观性能，而满足这些性能的工程树脂价格昂贵，使用传统的单相注塑成型技术，其产品价格高，使其应用受到限制。而共注射成型可将具有高表面性能的工程树脂作壳层材料，用普通聚合物材料作芯层，取高表面性能的低成本注塑件，拓宽普通塑料的应用范围；(3)可综合利用芯层/壳层复合结构的各层特殊性能实现塑料制品多功能性，如生产具有电磁屏蔽功能的制品，以及同时具有隔光、隔氧、隔水蒸汽等多功能的制品，这是传统单相注塑成型技术和气辅注射成型技术不能实现的。共注射成型技术的局限性(1)一般来说，共注射成型技术所需的设备费较普通注射成型高50%-100%(2)共注射技术对模具的几何形状及尺寸有严格限制，其适用范围较小。该技术往往很难对具有尖角、加强筋等特殊结构的复杂制品，或一模多腔的模具设计进行加工，获得具有均一壳芯层厚度分布的注塑制品(3)物料的选择极为复杂、苛刻。理论上来说，我们可以选择性能差异极大的不同物料作为芯层与壳层材料，然而，在实际应用中，芯层与壳层物料的选择却往往存在诸多限制： (1)芯层与壳层材料的黏度差异不宜过大。若两者黏度差异过大，不仅破坏芯/壳层结构的均一程度，而且容易使注塑件出现暗纹、翘曲变形等诸多缺陷。一般说来，芯层的黏度应大于表层材料的黏度；(2)芯/壳层物料必须具有相近的收缩和膨胀性能，尽量做到完全匹配，通常要求芯层材料的收缩率略小、线膨胀系数略大；(3)芯/壳层物料在两者界面处具有一定的相容性和互粘性。材料粘合性能好，界面层的作用力大，不容易分层、脱落。若芯/壳层物料的选择不相匹配，容易在其注塑件界面出现分层、剥落等诸多影响其实用性的问题。共注射成型技术应用共注成型技术主要是为了生产一些有特殊要求（如耐候性、化学稳定性、气体阻隔性、导电性、屏蔽电磁波等）的塑料制品而开发的。主要用于生产增强复合注塑件，功能复合注塑件（屏蔽罩）和再生塑料制品。共注成型技术有广阔的应用前景,其工艺应用取决于二个因素：一由制品性能决定；二由制品经济效益决定。受性能驱使的应用场合是指共注射部件具有某种使用性能，而由单一材料制成的制品不具备这种性能。受经济效益支配的应用场合是指将低成本的芯材与较昂贵的表层材料结合起来并用。这种技术主要应用领域包括汽车、电子、包装、家具、化工和医疗器械等行业随着该项技术的日益推广，还会出现更多的应用领域。共注射产品结构设计前应注意(1)先注入的壳层材料与模具接触时间最长,因此接近注射口处的壳层材料较厚,此处不应过于狭小,以免熔体材料流动不畅；(2)产品棱角和拐角处,将累积较多的壳层材料。所以制品的截面形状最好为圆形,这样壳层厚度最均匀,若是非圆形应避免尖角过度,；(3)当模具中的销钉和其他突起物将熔体分流时,熔体流动路线被干扰,出现壳层流体材料在汇交处堆积；(4)模具中沟槽或其他凹下部分一旦注入壳层材料后,很难再注入芯层材料；(5)如果加工技术掌握得不好,注射口处的芯层材料可能会暴露出来。注射口的位置是保证产品质量的最关键因素,如果注射口选择不合理,尤其是在产品的形状不对称时,特别容易出现产品质量问题,注射口位置的选择原则是(1)应保证壳层材料同时流动到产品的两边；(2)对于形状特别复杂的产品,在制做模具之前,应进行流体的流动分析,从而确定注射口的最佳位置,以确保产品的质量。热流道是通过加热的办法来保证流道和浇口的塑料保持熔融状态。由于在流道附近或中心设有加热棒和加热圈，从注塑机喷嘴出口到浇口的整个流道都处于高温状态，使流道中的塑料保持熔融，停机后一般不需要打开流道取出凝料，再开机时只需加热流道到所需温度即可。因此，热流