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一次成型复杂中空部件

来源:荣格 发布时间:2017-02-06 709
化工塑料橡胶模具及零件材料处理、计量与检测添加剂及母粒 技术前沿
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双片材热成型工艺旨在将两个成型件连接在一起,形成一个中空体。为此,两个半成品件在最终冷却前,会在热成型模具内分别成型并焊接在一起。

图1 双片材成型件(从左至右)汽车扰流板、育苗钵、空气导管(图片由Illig提供)

图1 双片材成型件(从左至右)汽车扰流板、育苗钵、空气导管(图片由Illig提供)
 

双片材热成型工艺可用于三维中空部件制造(图1)。在采用这一工艺时,两个热塑性半成品(有时候厚度或颜色不同)同时被加热,在不同模具中成型,并通过对模具施压、利用余热连接在一起。这一工艺是伴随着压模完成的,其前提是需要将半成品部件焊接在一起。还有其它可选工艺,如在加工出各个半成品件后采用粘合或焊接等传统方法将两个成型件连接起来。双片材热成型工艺的优势在于,它可以防止连接过程中产生偏差,因为成型与焊接是在加工设备内部的同一模具中通过一次性操作完成的,此后,无需对两半片材进行粘合或焊接。


然而,它也存在不利的一面,即无法利用柱塞助压对半成品件进行预拉伸。因此,成型件的壁厚分布可能达不到标准热成型工艺能实现的水平。此外,以众多合同制造商使用的标准机器为例,只能对半成品件进行单边加热,这意味着需要较长的加热时间。这些机器通常很难甚至无法采用气冷,导致冷却时间过长。也可能必须施加高锁模力,具体视对焊缝线的要求而定。

图2 双片材主要成型部件:上/下模具(1,9),加热单元(2,8),锁模框(3,7),半成品(4,6),中间锁模框(5),真空连接件上/下(10),以及将空气从环境中引入,以形成真空的部件(11)。左、底部:双片材成型部件,未修边(图片由Illig提供)。

图2 双片材主要成型部件:上/下模具(1,9),加热单元(2,8),锁模框(3,7),半成品(4,6),中间锁模框(5),真空连接件上/下(10),以及将空气从环境中引入,以形成真空的部件(11)。左、底部:双片材成型部件,未修边(图片由Illig提供)。


表1列举出了一步式双片材热成型工艺与多阶段工艺(如先成型后焊接)之间的重要区别。图2描述了双片材热成型工艺的原理,而图3则显示了一台机器在手工操作时的工艺过程。该工艺所需的标准配备(除模具外)包括上、下锁模框,在大多数情况下还需要一个中层锁模框。中层双片材锁模框需要一定空间,这就是为什么上部加热单元的高度必须可调,以及锁模框为什么需要配备直接驱动的原因。此外,上、下台面还需要真空及温度控制连接器。

图3 配有双片材成型机构的人工操作设备工作流程:插入两块模板、施加锁模力、(加热后)成型、(冷却后)脱模、打开锁模框、(从左至右)取出成型部件(图片由Illig提供)。

图3 配有双片材成型机构的人工操作设备工作流程:插入两块模板、施加锁模力、(加热后)成型、(冷却后)脱模、打开锁模框、(从左至右)取出成型部件(图片由Illig提供)。


双片材热成型工艺的总体特性


几乎所有的热塑性塑料都能焊接,因而这类材料也极适用于双片材热成型工艺。成型件两半部分的壁厚分布分别对应于未利用柱塞助压进行预拉伸的单个部件。因此,在高拉伸率的情况下,壁厚分布欠佳。
热成型站能对两个片材进行单侧加热:上半部分从顶部加热,下半部分则从底部加热。根据半成品件自身类型与厚度、加热时间以及辐射强度的不同,两半部分表面可能存在相当大的温差。未直接加热的较冷一侧的当前温度必须足以完成两半部分的焊接。这就是为什么加热时间是双面加热的两到三倍。更重要的是,单侧加热塑料意味着材料必须承受更高的热负荷。


与标准热成型相比,双片材成型的冷却时间是其2.5-4倍。采取特别措施可减少这部分时间,例如利用压缩空气吹扫部件内腔。


影响焊缝质量的主要因素包括焊接温度、焊接压力以及接缝设计(表1)。这就是必须检查每个双片材成型部件所需的锁模力以及机器可提供的锁模力的原因,这一点至关重要。

表1 一步法成型(单独焊接)与双片材工艺的比较:在加工由两半部件组成的产品时的差异对比(图片由Illig提供)。

表1 一步法成型(单独焊接)与双片材工艺的比较:在加工由两半部件组成的产品时的差异对比(图片由Illig提供)。        

实际应用案例:PE泡沫空气导管


以用于车内加热或降温的空气导管为例,传统上这种产品采用PP挤吹而成。最近又出现了另一种生产技术,即化学交联PE泡沫薄膜的双片材热成型。质地柔软、韧性好的PE泡沫管优于壁厚约1毫米的刚性PP管。除重量较轻外,PE泡沫薄膜的双片材热成型还有更多优势:与硬质吹塑管相比,泡沫结构带来了更低的导热系数,且降噪性能更佳。此外,因为PE泡沫管质地柔韧,它更便于安装在难以接近的区域。


柔性泡沫管可以在配有过程控制的Illig UAR 155g片材热成型机上生产,这款机器可用于双片材技术,采用伺服电机驱动以完成精确的、可重现的快速动作(图4)。即便是重达1吨的模具重量,仍可实现高达500 mm/s的移动速度。工艺的所有环节均为全自动运行。

图4 PE发泡膜复杂的3D 几何形状。车用空气导管重量非常轻且柔韧度高,采用UAR 155g热成型设备经双片材 (双模板)加工而成(图片由Illig提供)。图4 PE发泡膜复杂的3D 几何形状。车用空气导管重量非常轻且柔韧度高,采用UAR 155g热成型设备经双片材 (双模板)加工而成(图片由Illig提供)。

图4 PE发泡膜复杂的3D 几何形状。车用空气导管重量非常轻且柔韧度高,采用UAR 155g热成型设备经双片材 (双模板)加工而成(图片由Illig提供)。
 

两个传输单元采取上下配置,其距离可调,从两个卷膜单元向机器供应3-4 mm厚的PE膜。成型站配有加热单元,上下台面分别接收模具两半部分,成型台可以调整高度从单侧加热两部分膜结构,表面温度最高可达200°C。加热完成后,两个加热单元迅速移出热成型站,用时不到3秒,使得成型开始时膜的冷却程度最低。


发泡膜加热时会延展开来,除非半成品件在加热阶段可以扩展和延伸,否则还会发生下垂。因此,在加热时,必须防止两部分膜结构相互接触,这点十分重要。相应调整两个锁模层的间距可以避免下垂。对于半成品的小范围轻微下垂,50mm的间距通常就可以了。如果下垂范围较大且更明显,间距必须显著加大至约200mm。

表2 双片材成型件焊缝线类型:焊接线设计和修边差异(图片由Illig提供)

表2 双片材成型件焊缝线类型:焊接线设计和修边差异(图片由Illig提供)


这台机器没有锁模框或中层框。当模具的两半部分接触到预热过的膜结构时,对膜进行机械式预拉伸,封闭住模具两半部分的外边缘。然后,中空体的两半部分依靠真空成型,并沿成型件的外缘焊接在一起。在这一阶段,确保两部分膜结构表面不提前(比如说在成型开始前)相互粘连,是至关重要的。使两个台面之一受控延迟,可以防止这一现象,因为在这种情况下,一个半模会先于另一半接触并吸住膜结构。
为在中空部件内形成真空,两部分膜结构必须在焊接前最终成型,或者在成型过程中让空气从外部流入中空部件内部。这一要求可通过在模具焊缝中置入通道型缝隙实现。通道型缝隙还有利于部件冷却,从而缩短周期时间,尽可能实现经济效益的最大化。除了通过模具两半部分的温度控制以实现冷却,中空部件内的空气流动也有助于其降温。冷却空气通过模具中配置的针口进入双片材成型部件,吹入中空部件后,经通气管流出。冷却后,成型部件即从模具中移出,它们仍通过连接桥固定(部件与废弃料之间的细小连接),以防止从成型站中掉落。


热成形泡沫塑料中空部件不可修整成无框的形状,因为它们总是存在外部焊缝线。针对空气导管设计的PE发泡膜在150°C的表面温度、约0.4 MPa(4 kg/cm²)的压力下很容易焊接在一起。然而,由于泡沫密度低、弹性高,即使在压力极高的情况下,双片材部件内也不会形成焊道。不推荐采用高压力,因为这将消耗掉更多泡沫的热量,从而降低焊缝线的强度。PE泡沫空气导管的外部焊缝约为 3至4mm宽。

总结


在欧洲,双片材部件大多是在改良的标准热成型机上生产的,它们所要求的焊缝类型与整体焊接表面对机器的锁模力具有决定性的影响。只有少数热成形部件具有轻度拉伸,因此,即使在无柱塞助压的情况下也易于生产。在通常的双片材工艺中,无法利用柱塞的机械预拉伸改善壁厚分布,在不利的情况下,必须采用较厚的半成品来加以纠正。由于边缘部位的拉伸,双片材技术需要比标准热成型工艺更大的成型区域。如同在某些机器上一样,由于对半成品采用单侧加热,冷却条件不利,双片材成型所需的周期时间总是高于标准热成型。


少量双碗成型部件通常采用粘合连接方式。对于数量较大的情况(约5000件起),双片材成型的材料用量高于标准热成型。对于产量较大的部件,半成品部分分别成型然后再焊接的成本更低。


最终,在批量生产中是否采用双片材热成型工艺并非总是根据成本来决定的。在很多情况下,焊缝的微小偏差是决定性因素。如果要求部件两半部分实现无偏差连接,双片材工艺就展现出超出其它技术的优势,因为焊机可能产生的偏差要大得多。而对于PE泡沫空气导管来说,双片材工艺还有另一项优势,即由于模具的表面积较大(UAR 155g单元的成型区域达1450mm x 1200mm),可在同一步骤中同时成型大小、几何形状不同的数个部件,而且每个部件造成的废料更少,单个空气导管的生产时间也更短。相应地,发泡膜空气导管在成本上可与刚性PP挤吹管竞争,两者单位生产成本大致相似。


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