注塑氣體反壓技術對注塑熔體填充過程和塑件性能的影響

2020年04月04日

    氣體反壓技術對注塑熔體填充過程和塑件性能的影響-微發泡注塑成型

    氣體反壓(Gas counter pressure,GCP)技術是一種動態氣體壓力控制技術,其控制參數包括GCP壓力和GCP作用時間。

   近年來,GCP技術被成功應用于注塑工藝,形成了GCP輔助注塑工藝。

   根據注塑工藝的不同,GCP輔助注塑工藝可分為GCP輔助常規注塑(Conventional injection molding,CIM)工藝、GCP輔助化學發泡注塑工藝和GCP輔助微孔發泡注塑(Microcellular injection molding,MIM)工藝,上述三種工藝中使用的模具分別為GCP輔助CIM模具、GCP輔助化學發泡注塑模具和GCP輔助微孔發泡注塑模具,統稱為GCP輔助注塑模具。

   在GCP輔助CIM工藝中,GCP技術可對填充過程中的熔體進行反向施壓,解決CIM工藝中流動前沿熔體壓力不足的問題,從而提高成型塑件的尺寸精度。

  在GCP輔助化學發泡注塑工藝和GCP輔助微孔發泡注塑工藝中,GCP技術可有效消除發泡注塑件表面的螺旋紋、銀紋等氣痕缺陷,顯著提高成型塑件的表面質量,無需常規發泡注塑件生產中的打磨、罩光及噴涂等二次加工工序,有效降低生產成本和能耗,減少環境污染。  

  但作為一項正在發展中的新型注塑成型工藝,GCP輔助注塑成型工藝尚存在許多亟待解決的科學問題和共性技術問題,尤其是在系統構成、模具結構設計、產品質量控制及作用機理等方面。本文從工藝流程、模具型腔氣體壓力控制設備及控制系統、模具結構設計、設備及生產線建立、工藝參數優化、影響機理及力學性能等方面對GCP輔助注塑工藝進行了系統研究。   基于GCP輔助注塑工藝原理,分析了GCP輔助注塑工藝的基本流程,建立了GCP輔助CIM工藝、GCP輔助化學發泡注塑工藝和GCP輔助微孔發泡注塑工藝成型周期的計算公式。根據GCP輔助注塑工藝要求,提出了模具型腔氣體壓力的控制方法和控制策略,自主研發了包含手動控制方式和自動控制方式的模具型腔氣體壓力控制系統,構建了對應的模具型腔氣體壓力控制設備。開發了一種盒形塑件的GCP輔助化學發泡注塑模具,提出了GCP輔助注塑模具分型面、頂出機構、氣體通道等關鍵部位的設計方案及設計準則。在GCP輔助注塑工藝中,提高模具型腔氣體的加壓/卸壓效率,可有效縮短塑件的成型周期,提高塑件的生產效率。

   通過在分型面上加工密封凹槽并放置密封圈,實現了GCP輔助注塑模具分型面部分的密封。提出了一種密封圈壓板結構設計,實現了GCP輔助注塑模具頂出機構的密封。

   GCP輔助注塑模具氣道采用主氣道和分氣道的設計方法,可在提高模具型腔氣體加壓/卸壓效率(抽真空方法)的同時保障成型塑件的質量。

    通過模具型腔氣體壓力控制設備(反壓和抽真空系統),與常規化學發泡注塑生產線進行了有機連接,構成了GCP輔助化學發泡注塑生產線,實現了具有較高表面質量的外觀塑件的GCP輔助化學發泡注塑生產,驗證了研制的模具型腔氣體壓力控制設備和提出的模具結構設計方法的有效性。

   針對GCP輔助CIM工藝,研究了GCP技術對熔體填充能力、熔體“泉涌效應”、塑件密度、塑件尺寸精度及塑件力學性能的影響規律,通過正交實驗設計和信噪比分析,揭示了GCP壓力和注塑參數對GCP輔助CIM塑件收縮率的影響規律,獲得了成型具有最小收縮率塑件的最優工藝參數組合。

   實驗證明在GCP輔助CIM工藝中,提高注射壓力和/或減小GCP壓力可有效提高熔體的填充能力,提高GCP壓力或延長GCP作用時間可提高GCP輔助CIM塑件的密度和沖擊性能,GCP技術可有效降低GCP輔助CIM塑件的收縮率,與CIM樣條的收縮率相比,GCP壓力為9MPa、GCP作用時間為10s時成型的樣條收縮率降低了17.2%。GCP技術可大幅度提高有熔接痕塑件的拉伸強度和彎曲強度,與CIM樣條相比, GCP壓力為9MPa、GCP作用時間為10s時成型的有熔接痕樣條的拉伸強度和彎曲強度分別提高了30.51%和23.69%。

   在GCP輔助CIM工藝中,GCP壓力是影響成型塑件收縮率最為重要的參數,其次為保壓時間、注射壓力、模具溫度、熔體溫度和保壓壓力,上述參數對塑件收縮率的百分比貢獻分別為61.232%、13.985%、7.260%、5.921%、5.918%和1.569%。  

  針對GCP輔助化學發泡注塑工藝,研究了GCP技術對熔體流動前沿、塑件表面質量和內部泡孔的影響規律,揭示了GCP壓力、GCP作用時間、發泡劑含量、熔融溫度、注射壓力和注射速率與GCP輔助化學發泡注塑樣條發泡層厚度、泡孔直徑和泡孔密度的內在關系。

    在GCP輔助化學發泡注塑過程中,GCP壓力越大,熔體流動前沿的泡孔破裂行為受到的抑制作用就越大,成型塑件的表面氣痕缺陷就越少,塑件的表面光澤度值就越高。研究還表明,在GCP輔助化學發泡注塑過程中,存在兩個臨界GCP壓力,分別為熔體流動前沿泡孔不發生破裂的臨界GCP壓力和熔體不發生發泡行為的臨界GCP壓力。

    當成型過程中GCP壓力不小于熔體流動前沿泡孔不發生破裂的臨界GCP壓力時,塑件表面無任何氣痕缺陷。較小的GCP壓力和GCP作用時間、較大的發泡劑含量、較高的熔融溫度、較大的注射壓力和合理的注射速率可成型發泡層厚度較大、泡孔直徑較小、泡孔密度較大的GCP輔助化學發泡注塑產品。  

    針對GCP輔助微孔發泡注塑工藝,系統研究了GCP壓力及其作用時間對塑件表面質量、泡孔形態和泡孔密度的影響規律,揭示了GCP壓力對微孔發泡注塑過程中熔體發泡行為的影響機理,研究了GCP壓力和注塑參數對微孔發泡注塑件表面縮痕深度的影響規律。研究表明,在GCP輔助微孔發泡注塑工藝中,增大GCP壓力或延長GCP作用時間均有利于提高塑件的表面質量,改善塑件內部的泡孔形態,在GCP輔助微孔發泡注塑生產中,應以熔體流動前沿泡孔不發生破裂的臨界GCP壓力作為參考,選用等于或稍大于此臨界GCP壓力的GCP壓力進行成型時,可獲得表面光澤度較高、表面縮痕深度較小的合格產品。

來源:上海東泰機電設備工程有限公司
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