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轻量化技术:化学法微孔发泡注塑成型

一、微孔发泡注塑成型特点


微孔发泡技术起源于1982年MIT聚合物实验的发明。


Microcellular Foam Injecton Molding的特点:

  • 孔径小:平均孔径1—80μm

  • 泡孔密度:109—1012 cells/cm3

图 微孔发泡显微图像(来源网络)

图 微孔发泡注塑制品(来源昊智)


二、微孔发泡注塑工艺优点



低模腔压力:

  • 低制件残余压力      

  • 无飞边

  • 少或无翘曲变形

  • 低合模压力


低熔体粘度:

  • 低注射压力

  • 低熔体温度

  • 低模具温度

  • 较少模具磨损


均匀并较小的模塑件收缩:

  • 制件尺寸稳定性好


材料:

  • 材料适用面广


成本:

  • 制件重量减少,节省材料成本

  • 注塑加工周期缩短,提高生产效率


三、化学法微孔发泡注塑的三个基本点



  • 在特定的温度范围内受热分解

  • 气泡成核

  • 气泡的生长和稳定


四、化学法微发泡关键工艺



1) 提高气体扩散系数(改变温度):温度升高、扩散系数增大

2) 提供足够的混合均化:设计螺杆产生强剪切作用,使气泡拉伸变形

图 气泡成长过程示意图(来源网络)


3)气泡成核:升高温度、降低压力、泡筒中保持一定的背压


4)气泡的成长和稳定


成长动力:

  • 气泡内外压差

  • 气体扩散


成长阻力:

  • 熔体粘度

  • 表面张力


在化学法注塑微发泡时,控制熔体温度和模具温度,可以抑制泡孔成长


五、化学法微发泡注塑要点



  • 注射体积速率要满足:注射速率要高

  • 注射压力可降低40-50%(降低熔体粘度)

  • 喷嘴前段加装自锁式嚅嘴,防腐止提前发泡

  • 无保压过程

图 微泡注射与普通注射的加工周期比较(来源网络)


六、化学法微发泡注塑的优点



  • 合模压力降低50%

  • 均匀的模温及冲模流场

  • 低注射压力、高注射速率

  • 能在螺杆停转和注射开始前,保持一定的压力,防止预发泡

  • 注射时间缩短,缩短生产周期

  • 不需要保压,残余应力极小

  • 很少的翘曲或凹陷,制件尺寸公差精度高

  • 注塑压力分布均匀

  • 产品韧性增强


七、化学法微发泡对材料性能的影响


减重比与拉伸强度的关系

图 减重与拉伸强度的关系


随减重比增大,材料强度降低,GF增强材料,降低幅度较小


冲击强度:

  • 不仅与减重比有关

  • 皮层厚度有关

  • 泡孔形态有关:泡孔尺寸、冲击强度高


对于化学法微发泡而言:

建议注塑微发泡重量降低比:10-25%之间,此时制品的性能损失仅20%左右。

图 机械性能与减重的关系


八、用最少的强度损失,得到最大的制件减重的方法



1)制件流长控制在150以下

2)产生尽可能多均匀的微小泡孔

3)平衡制件表皮厚度和发泡芯层厚度之比例

4)增加表皮厚度可提高挠曲强度

5)加入填料,尤其是玻璃纤维作为填料,控制纤维取向可大幅度的增加强度

6)加入成核剂,提高成核率以得到小而多的微孔泡

7)控制冷却时间和模具温度,熔体温度,以得到合适的制件表皮和发泡芯层的比例

图 微孔发泡注塑制品(来源昊智)


九、对注塑机和模具有的要求



对注塑机的要求:

  • 自锁式喷嘴

  • 设计发泡工艺用螺杆:增加压力限制元件,防止气体反流;螺杆头增强混合功能设计

  • 增加机筒长径比


对模具的要求:

  • 热流道和浇口设计:

    所有热浇道都必须是阀式浇口,非阀式浇口不能用于注塑发泡

    阀式浇口必须能免承受24Mpa以上的熔体力而不泄露、滴料

    从注塑机喷嘴到每个浇口的距离应该相等,而且流道直径也应该相同

    尽可能对阀式浇口单独控制


  • 冷流道和浇口设计:

    冷流道的成核点在注塑机的自锁式喷嘴上

    主流道长度小于50mm

    流道上端直径稍大于喷嘴直径  

    流道的尺寸应接近注塑件的厚度


  • 浇口设计

    开设浇口应在厚壁处

    浇口设置应考滤流动系数


流动系数和减重间的对应关系

流动系数(L/t)

典型的最大减重/%

50:1

20+

100:1

15-20

150:1

10-15

200:1

5-10

(流动系数:流程与厚度比)


  • 排气系统

    模具充分排气是生产高质量注塑件的关键

    分模线处必须排出周边区域的40—50%

    流道的每个换向处都排气,靠近浇口


  • 模温系统

    模具可采用传热效率高的材料制作

    配备快速升、降温系统,以获得制件高的表面质量

    模具内嵌件、滑块和活动钢板应设水路。


本文素材由山东昊智提供,艾邦团队整理编辑

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