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热固性复合材料注塑成型工艺控制的优化

来源:荣格 发布时间:2017-09-28 700
化工塑料橡胶塑料加工设备模具及零件
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热固性塑料的特性分布使这类材料对许多高性能应用极具吸引力。批次间的波动,以及工艺和环境的不稳定,在注射成型这种高度填充、在模具中产生交联的材料时容易产生破坏性的影响,进而直接影响零件的质量。作为与罗森海姆应用科技大学、Deckerform Pro- duktionssysteme模具制造商和HBW-Gubesch热成型塑料制造有限公司(均位于德国)合作“QuaProDur”研究项目的一方,克劳斯玛菲主要负责优化热固性模塑料的加工。

一个由BMC制成的断路器外 壳的应用实例:随着材料粘度 的增加,肋条处没有完全填充 (左),右图是一个用于比较 的低粘度部件。克劳斯玛菲的 APC功能补偿了这种成型零件 填充的波动,确保部件体积稳 定。(© KraussMaffei)

一个由BMC制成的断路器外壳的应用实例:随着材料粘度的增加,肋条处没有完全填充(左),右图是一个用于比较的低粘度部件。克劳斯玛菲的APC功能补偿了这种成型零件填充的波动,确保部件体积稳定。(© KraussMaffei)

热固性塑料的特性分布使这类材料对许多高性能应用极具吸引力。批次间的波动,以及工艺和环境的不稳定,在注射成型这种高度填充、在模具中产生交联的材料时容易产生破坏性的影响,进而直接影响零件的质量。作为与罗森海姆应用科技大学、Deckerform Pro- duktionssysteme模具制造商和HBW-Gubesch热成型塑料制造有限公司(均位于德国)合作“QuaProDur”研究项目的一方,克劳斯玛菲主要负责优化热固性模塑料的加工。

热固性塑料的主要特性包括:尺寸精度高,温度范围宽、材料耐受性好,并具有良好的绝缘性。这些特性使得热固性部件在热塑性塑料的性能不能满足要求的领域备受欢迎,特别是那些需要耐高温、高压、需要与化学品接触或长期处于化学品环境的部件,以及对表面质量有严格要求的部件。材料成本低、重量轻,加上高强度,极其有助于实现金属替代,增加如紧邻用热固性模塑配混料制成的内燃机的阀盖或泵壳等铝质部件。

与模压成型一样,注塑成型是热固性部件最重要的加工工艺。由于所有工艺和与质量相关的参数均可以调整,与模压加工相比,注塑成型具有提高重现性、改善工艺可靠性、缩短加工时间的特点。尽管如此,仍然会出现一些材料和环境导致的干扰,影响工艺的稳定性。

注塑成型中的干扰

破坏性影响包括批量波动、材料老化、热平衡变化、环境温度或湿度以及注塑机的磨损效应。除其它影响外,这些因素容易导致熔体中的粘度波动,进而改变流动行为和模腔的填充。这就说明了两个加工周期中的熔体压力曲线和模腔压力(远离浇口)的不同,在这两个加工周期中,采用了同样的工艺设置,区别在于两种玻纤增强聚酯块状模塑料的粘度不同(图1)。

图1 两种不同粘度的BMC UP(GF + MD)材料在注射和保压阶段的熔体压力和模腔压力曲线:同 样的工艺参数设置,压力曲线不同,表明成型部件填料情况的不同(© KraussMaffei)

图1 两种不同粘度的BMC UP(GF + MD)材料在注射和保压阶段的熔体压力和模腔压力曲线:同样的工艺参数设置,压力曲线不同,表明成型部件填料情况的不同(© KraussMaffei)

高粘度熔体肯定比粘度较低的熔体产生更高的熔体压力。粘度较大的熔体对应的模腔压力降低较少,且比低粘度材料增加的时间晚、速度慢。这表明模腔填充行为存在差异,在本例中,导致模腔内的填充不足。断路器壳体的例子表明,随着加工材料粘度的增加,模腔并没有完全填满,所选的肋条没有完全成型(标题图)。

止回阀关闭行为的变化会引起成型零件填充的进一步波动(图2)。与聚酯块状模塑料不同,自由流动的热固性塑料加工中没有采用止回阀,因此粘度的变化导致整个螺纹范围内回流行为的变化。这样,注射阶段模腔的体积填充会受到随注射阶段到保压阶段基于位置变化进行切换的影响。

图2 带止回阀的聚酯块状模塑料注射成型。与之相对,自由流动的热固 性材料加工未采用止回阀。因此,通过螺纹和模制件填充,粘度的变化 引起回流行为的波动(© KraussMaffei)

图2 带止回阀的聚酯块状模塑料注射成型。与之相对,自由流动的热固性材料加工未采用止回阀。因此,通过螺纹和模制件填充,粘度的变化引起回流行为的波动(© KraussMaffei)

另外,取决于压力的模腔切换过程可以作为基于条件的工艺控制。此方法建立在对模腔压力曲线监测的基础上,从注射阶段切换到保压阶段是通过确定压力来实现的,结果是形成了稳定的部件质量。然而,这种工艺控制产生了维护费用和成本的增加,特别是由于热固性填料的研磨特性,对模腔压力传感器造成更高的磨损。

通过自适应闭环控制系统,实现工艺稳定

如要实现对热固性材料的稳定加工,以便让这类材料可以用于其它应用领域,还有一种显而易见的选择,即选择专门针对这些材料和工艺波动的自适应工艺控制。作为QuaProDur研究项目(热固性塑料质量优化生产)的一部分,克劳斯玛菲科技公司与几个合作伙伴一起,开发出一种基于条件的热固性塑料复合材料注塑成型的工艺控制,它不需要任何额外的传感器技术,代表着通过消除复杂设置和维护步骤的更为人性化的方法。

自适应的工艺控制(APC)模型已成功应用于热塑性塑料注射成型领域。其结果是,在运行周期中,从注射阶段向保压阶段切换的切换点以及保压水平的调节方式应使进入模腔的熔体体积保持一致。此外,可测得止回阀的关闭行为。这样,热塑性塑料注塑工艺可以显著提高诸多应用加工工艺的稳定性、部件质量的一致性。

作为研究项目的一部分,克劳斯玛菲也考察这种工艺控制是否可以被转用到自由流动的热固性塑料和聚酯模塑料(BMC)的注射成型中去。自适应工艺控制开发的基础是对工艺参数与材料性能之间的相互作用具备基本的理解。前述考察表明,自适应工艺控制系统的关键性能指标已经反映出物料流动能力及原材料的波动和热固性树脂反应性的变化。

图3 BMC聚酯混料测试系列的基本条件:配备了AZ 100自动送料装置 的X 200-750PolySet 注塑机(© KraussMaffei)

图3 BMC聚酯混料测试系列的基本条件:配备了AZ 100自动送料装置的X 200-750PolySet 注塑机(© KraussMaffei)

考虑到材料特有的特征值,可以根据聚酯块状模塑料(BMC)首批系列测试来保障射出量的稳定。这些可采用配备了AZ 100自动送料装置的CX 200-750 PolySet(制造商:克劳斯玛菲)完成(图3)。测试组件是用BMC UP(GF + MD)制成的电路板外壳。

图4 分别采用根据位置确定的切换工艺和自适应过程控制系统(APC),连续测试比较130个不同的生产 周期。统一的工艺设定造成重量的增加,而自适应工艺控制则使元件的重量保持了稳定。

图4 分别采用根据位置确定的切换工艺和自适应过程控制系统(APC),连续测试比较130个不同的生产周期。统一的工艺设定造成重量的增加,而自适应工艺控制则使元件的重量保持了稳定。

分别采用依位置确定的切换过程和自适应工艺控制系统(APC)(图4),对130个不同的生产周期进行连续测试比较。测试结果可从图4清晰看出。根据注塑阶段熔体平均压力,在两个测试系列中,料筒温度的上升均导致粘度的下降。统一的工艺设定造成重量的增加,而自适应工艺控制则保持了元件重量的稳定。

热固性塑料加工前景

“QuaProDur”宣称,其目的是为了洞察对由自由流动的热固性塑料和块状模塑料制成的部件的性能特征产生关键影响的材料和工艺参数。为此,使用三种模具在不同的环境条件和工艺参数下对不同类型的材料进行了反复的系列测试。

在该项目过程中获得的关于材料和工艺的知识将为热固性材料注射成型的自适应工艺控制的开发奠定基础。目的是从根本上促进热固性塑料注塑制品质量的稳定,降低废品率,这两方面是提高热固性产品质量标准迫切需要解决的问题。此外,更稳定的工艺有助于进一步提高热固性塑料的吸引力,促进更为广阔的应用,减少生产商对加工这种类型材料的抗拒,最终更好地发挥这类材料的潜力。


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