熔体压缩的型腔膨胀注塑成型的工艺特点.doc

DDrummer，K. Vetter/机械工程研究所制造科学与技术XXX（2011）XXX - XXX熔体压缩的型腔膨胀注塑成型的工艺特点D. Drummer, K. Vetter高分子技术研究所，德国埃尔兰根 - 纽伦堡大学， Weichselgarten上午9点，91058埃尔兰根论文信息 文章历史 可用在线xxx摘要：成型薄壁制品和微尺寸制品，需要高的流体速度和注射速度。否则，聚合物快速冷却会造成填充不完整。此外，高流速可以改善模具成型的微观结构质量。这个是众所周知的，在微观成型中高注射速度会导致熔体的压缩。因此，隐含的流速没法实现，而且使过程变得不稳定。膨胀注塑成型（EIM）使用熔体压缩的物理效应。在过程的第一步，熔体受到压力。由于压缩腔打开后压力的降低压缩室朝高流量发展。填充过程本身不受机械的安装和过程控制的影响。本文介绍了一种新的EIM模块化附近熔体压缩腔的模具设计。微成型的巨大优势是减少了流道的长度，压力的损失和所需熔体的体积。通过分析一个由甲醛树脂做的缩小的流道来分析这个过程的特点。与传统的注塑相比，最大流量高出传统注塑10倍左右。关键词：膨胀注塑成型（EIM） 微型注塑成型 薄壁注塑成型 高速注塑成型 熔体压缩简介微型和薄壁塑料零件用于医疗电子和生物应用技术。微型系统的进一步市场增长调查预测在5中。科学技术的不断提高导致表面细节和精度质量要求不断提高。微成型热塑性聚合物采用不同的进程：注塑成型，热压，注塑压缩成型和热成型。刚刚像宏观聚合物部件的一样，工厂的大批量生产都基于注塑成型。因为薄壁注塑是大家都知道的，即需要高的注塑速度来抵消快速冷却，从而形成皮肤层。通过使用液压蓄能器获得高的注塑速度，Pokorny和Steinbichler检测用注射速度计算出体积流量和诱导成腔之间的差异。他们假设在型腔填充开始前聚合物熔体在螺杆形程中压缩。此外，为了实现小型精密注塑，因为螺杆直径和注塑量的关系，在技术上发现了困难。因此，计算使行程减小和熔体的均匀是不足够的。我们的想法是在注塑腔开始之前预先压缩一定量的熔融材料。由于热塑性塑料熔体规压缩性规定在10%和15%之间，材料的体积已经被压缩，已经10倍的压力高出部分的体积。把熔体压力当作一个水库，发现熔体可压缩性不影响流道的行为。其目的是结合注塑过程实现高流量的速度，从而独立注塑冲程。Engel和Netstal 用EIM的解决方案的过程在2004年获得专利。在第一步的过程中侧重于薄壁部件，移动电话的包装和电池盖。用显微镜调查观察发现，微型注塑成型特点减少注塑量和不完整的填充是一个挑战。EIM解决方案的过程中在喷嘴关闭的时候，塑料材料已经由螺杆增压。根据过程的类型在关闭喷嘴（专利恩格尔）或者注塑行程（专利Netstal公司）的时候螺丝是固定的。一旦喷嘴打开，熔体扩大马上进入流道系统和腔。所以假设注塑速度在填充开始的时候最大。2.物理模型在8,11中提出用物理模型来描述扩张的过程。基于热塑性材料的PVT数据和加工条件的基础上，可以计算出在保持压力的阶段注塑用的熔体体积。有用特定的体积（V）取决于温度（T）和压力（P），熔体压缩和膨胀的描述是应该可能的。有关工业参数如压缩压力，熔体被压缩重量，扩建后的最终压力需要计算射出重量如式所示。 （1）从方程（2）通过PVT数据可以计算出可压缩性（）。（2）当知道压缩压力，压缩结束时的膨胀压力，膨胀容积（DV）可以通过公式（3）计算出来。 （3）相反用公式（4）利用公式条件可以计算出模具熔体的一部分定义重量。 （4）物理模型必须和所使用的材料相独立。许多热塑性材料的PVT数据是大家都知道的。压缩压力的值可以被设置。相反，熔体扩张结束时的压力受不同因素的影响。由于在EIM解决方案过程中熔体的扩展是非常快的，在一定的压力下很难阻止它。这意味着，模具型腔的形状和厚度热塑性材料的粘度影响终端压力。分析这些注塑模具的影响，装个传感器是必需的。提出的工作目标是实现和评估EIM融化腔的工业技术。3.实验第一步设计在融化压缩腔附近设计一个模块化模具。带有一个针形喷嘴和热流道系统作为一个压缩室,，图1，而气动驱动有不同的档位。在起始位置喷嘴是封闭的，阀门被打开，熔体进入热流道。这个位置是EIM熔体压缩螺杆行程必需解决的方案。之后，在第二个位置喷嘴是打开的和一个封闭的阀是允许一定量的膨胀熔体进入腔。图1。喷嘴针阀热流道系统分别采用了两种不同类型的试样。通过使用一个矩形线棒分析最大的长宽比240，如图2顶部所示。在机械标准（EN ISO3167类型A）中选一个标准的拉伸杆用于研究力学性能和填充行为，如图2底部所示。在模具中已经采用了不同类型的传感器。为了控制熔体在热流道系统中的压缩和膨胀的熔体压力和剖面压力，用压力测量链4013A (Kistler Instrumente GmbH)嵌入在压缩腔里面。在填充中为了检测压力值，如图所示沿着水流的路径在安装3个压力传感器6183A(Kistler Instrumente GmbH)。另外，用一个红外传感器MTS408(FOS Messtechnik GmbH)集成在一个腔测量模具成型时的熔体的温度。图2。试样：矩形线棒（顶部，D = 0.5毫米），缩放拉伸栏（底部，D = 0.5毫米）一个ENGEL Austria GmbH 公司开发的混合注塑机VICTORY 200/60 Electric被用来进行这个实验。这种机器在螺杆直径为25mm ,最大240MPa和 锁模力600kNde 条件下注塑和压缩。一个共聚甲醛（POM/ Hostaform C9021 Ticona）被用来作模具材料。它是一个标准的注塑成型类型装配起来用来做精密加工制造。表一列举所使用的材料和相关的加工条件的信息。表1 模具的材料和条件树脂POM (Hostaform C9021)MVR8熔体温度( )210模具温度( )110压缩压力（MPa）120/180/2404.结果和讨论图3显示了热流道的压力曲线和（EIM与IM）两种类型的流程管理腔。膨胀注塑（实线）显示了压力曲线的特性不同于传统注塑（虚线）。传统注塑在关闭的喷嘴打开的时候(在)的热流道的压力上升受到螺杆行程影响。腔的压力上升延迟率和热流道的压力大致相同。 对于EIM的不同的工艺特性的发生。正如它在图表3中显示，在热流道的压力和熔体压缩和注塑过程中压力的上升速度相同。当热流道达到预定的压力，在一张一弛的时间，关闭的喷嘴打开。在压力下降的时候腔被充满，腔的压力上升率很高，填充的EIM的时间比注塑的时间的三分之一还要少。图3，表示用矩形条表示EIM和普通注塑压力和腔的压力特性。这两个进程，EIM与IM标准偏差小于1MPa的最小压力，功能和重复性好。对于IM的标准偏差是最大压力的0.1和腔压力的0.2。对于EIM这些值在0.4和0.8。动态过程可能导致更高的值。然而，由于模具是装备气动控制，热流道关闭喷嘴的两个过程是非常出色的。图标3 可以看到当喷嘴关闭的时候针的转变引起的压力峰值。这个峰值不应该影响填充和部件的属性。 除了（IM和EIM）的流程管理以外，腔的压力很大程度上取决于压缩压力和型腔中的流动助力，如图4所示。使用填充拉伸杆腔的EIM的解决方案，压缩240Mpa压缩腔压力迅速上升150Mpa，如图4中灰线所示。在小于100ms后，压力到最大值，保持在一定压力在注塑开始的时候。使用较低的压缩压力，例如，120MPa导致稍低的压力上升率和显著腔的压力降低少于50Mpa。没有检测到一个稳定的压力平台。此外，模腔的压力减小速度比喷嘴关闭前的更高压力，一部分的冷却和收缩快。最后，两个传感器显示的压缩压力的损失比较小。图4表示EIM的压力腔（拉伸栏）的特点。 在EIM的过程中发生压力保持平稳不像传统的注塑的控制变量成型过程。相反开关注塑压力和控制压力，在熔化膨胀后热流道的残余压力，在EIM的结果中需要一个保压时间。由于模具被填充满和喷嘴还在打开着，这个压力可以当作保持压力。浇口包括两部分的重量应该是162.4mg，这几乎实现了，注塑模具部分（低压180Mpa：161.4mg0.15,高压240MPa:162.60.84）。由于所有的注塑件再弹射的时候被扭曲可以假设真正的模具是稍微比设计的模具小，这些部分都是超过定值。EIM成型零件的重量较小（更低的压力180MPa：155.4mg0.08,更高的压力240MPa：156.8mg0.57）。特别的，在较低的压力180MPa下膨胀注塑件早已被填满，没有发生失真，如图所示的保压图和一个小的标准偏差。如前面所示高流速需要薄壁和微型注塑。在一定的时间内测量腔内的流量的真实值是非常困难的。有机会估算流量，就是计算压力传感器和的流量速度，如图2所示。 流动前沿的速度达到20的注塑速度，这个速度是独立的，低于0.15的值和0.01的标准偏差值。对于EIM的解决方案的值已经两倍的小于最低压力了。EIM压缩压力的增加导致流速可以到达7.4，压缩压力到240MPa，如图5所示。EIM的流动前沿的速度的标准偏差要比IM的值高很多。由于不稳定的过程这个不大会发生，但是因为是用1KHZ的频率进行记录的。高流量前的速度可以高流量相平。不像，注塑成型，EIM的解决方案在填充开始前导致一个非常高的流动前沿速度。这个防止皮肤层的形成和冲模所需的压力也会减少。在日后的流动前沿速度和相关的EIM的流量可能会低于普通注塑的之一。这个可以解释EIM过程的特点。在热流道的压力损失导致腔短暂熔体流动，因为最初的压力迅速的损失和相关压力损失的改变。图5所示，在传感器和的前端流动速度（拉伸杆，） 腔中的熔体温度测量得到的与流动前沿的速度有关，假设在冲模前流量的减少如图6中所示。与注塑相比EIM的高流量速度导致快速的温度漂移和较高的熔融温度。EIM的温度影响在短时间内表明，EIM的流量将减少。较低的流量导致降低的剪切率和低的功率消耗。 为了分析模具的剪切力和熔融温度的影响，由于流动前沿的聚合物的降解速度和矩形条熔体流动速度（MFR）相衡量。为了排除局部热氧化降解，树脂是为了处理溶解氧。此外，氧气被排除在塑化单元外，比如文献Schmiederer【9】中描述的。未处理的聚合物测量熔体速度为。材料成型用标准（膨胀）注塑成型过程导致聚合物的降解和MFR材料成型不超过12，如图7所示。图7显示在不同的压缩压力和氧气排除下，矩形条熔体流动速率（MFR）。如图5所示，使用EIM的解决方案和更高的压缩压力会导致更高的前沿的流动速度。对于分析矩形条是否对聚合物的分解有影响是显而易见的，EIM与EI使用的不同的压力是相等的。根据工艺特性或者压力，惰性处理不会导致聚合物的降解的差异。随着MFR值约为低一点，所以聚合物的降解因为氧气的排斥性而变的缓慢。此外，惰性处理，降低MFR的标准偏差接近到零。这个过程似乎更加有重复性。在拉伸杆拉紧部分取10mm的超薄切片在显微镜下观察结晶体的形态。注塑成型的拉伸杆的形态有一个两层的结构，包括一个表层部分准非晶层和核心层的结晶层。核心层的特点是可变大小的球晶。封闭表层的球晶比中心拉伸杆的球晶要小很多，如图8，左边所示。改版从IM到EIM的管理过程导致一个较小的表层，这个似乎更加重要。此外，大小和梯度核心层球晶的大小是较小的。与此关联的较高的流动前沿速度可能会导致晶体较高的剪切力。EIM的压缩压力从120MPa增加到240MPa改变了流动前端的速度和由此产生的形态。层皮分数再次降低，球晶尺寸也再次降低。在核心层的中心一些较大的球晶是可以看见的。此外，第三层皮肤层在表层和核心层皮肤层之间发展。晶体在垂直于流动的方向上生长。通常这种形式球晶石剪切力诱导出现的。结晶形态强调过程分析的结果的假设。如图8所示，在紧张区域拉伸杆的形态（10mm的切片，偏振光）如左边所示，注塑速度，中间：膨胀注塑，右边：膨胀注塑） 认为注塑拉伸杆（71.9%）的两个极值的结晶度没有差异，以及高压缩压力膨胀注塑成型的拉伸杆（72%）是可以测量的。这个可能发生有用整个截面是用差量扫描的（DSC）。皮肤层和核心层的晶体度可以相互抵消。文献中不同种类聚合物结晶体属性的影响描述如几种聚合物如聚丙烯【4】，尼龙【10】。增加结晶导致高的抗拉强度，屈服点或者硬度。EIM与IM的部分有相同的结晶程度，但是有不同的力学性能。特别是微型零件的力学性能可能受结晶度，球结晶尺寸分布和方向的影响。5.结论EIM融化压缩腔的解决方案是一个特别适合传统微型零件注塑的过程。这个过程不同于传统的注塑成型。EIM解决方案的模腔压力上升更快，更高。EIM测量的流动前沿速度是普通注塑测量的十倍。大概EIM导致瞬间流量。这个可以解释温升率的影响时间较短，在膨胀时压力下降。高流动的潜力需要进一步研究，在模具注塑开始前，EIM复制质量和微观结构提供较高的熔融温度，并且与传统的注塑相比达到了更加高的水平。力学性能的形态已经被调查。使用不同的热塑性材料用来广泛研究关于物理模型的验证。致谢 作者非常感谢德国研究基金会（DFG in FOR702）的财政支持和工作合作伙伴Engel Austria ，GmbH，EWIKON，Heikanalsysteme GmbH & Co. KG提供的机器和工具设备Ticona GmbH提供材料。参考文献1 Heckele, M., Schomburg, W.K., 2004, Review on Micro Molding of Thermo-plastic Polymers, Journal of Micromechanics and Microengineering, 14:R1R14.2 Herlihy, G., 2008, X-Melt: Precision Technology for Micromoulding and ThinWall Parts, Plastics Rubber and Composites, 37:6773.3 Juettner, G., Jacob, S., Krajewsky, P., Michealis, J., Bloss, P., 2005, Expansion Injection Moulding: Amazingly Thin, 21st Annual Meeting of PPS (Leipzig, SL2.4).4 Jungmeier, A., 2010, Struktur und Eigenschaften spritzgegossener, thermoplastischer Mikroformteile. 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