新型塑化工艺为汽车LED应用开辟新道路

LED已经被越来越多地投入到车辆应用中，并且更多地用作区别设计元素。这提高了几何可变性，对光导纤维制造商提出了新的挑战。为了在复杂的几何形状和较长的结构（例如轮廓照明）中也能确保较高的发光效率，ENGEL 开发了一种针对光导纤维注塑生产的新型塑化工艺。它增加了熔体的均匀性和纯度，从而为照明设计人员开辟了新的自由度。

良好的光导纤维可远距离传输特定光源的光线，而不会明显降低其强度或改变其颜色。其前提条件是在整个传输距离上具有非常光滑的表面，以确保光线的全反射。这样，光只能在专门为此设计成棱镜式结构的特定点射出。因此对注塑工艺的要求是：表面的高精度成型以及塑料熔体的高均匀性和纯度。总体而言，注塑为光导纤维的生产提供了很大的优势。它结合了设计自由度和成本效率两方面的优势。

ENGEL与开发合作伙伴一起应对这一挑战，在 K 2019上展示了针对 PMMA 加工进行优化的注塑工艺，该工艺使光导纤维具有很高纯度，从而实现具有更长、更复杂结构的 LED 解决方案。

PMMA是汽车行业用于光导纤维生产的优质材料之一，尤其是体现在车辆内饰的创新照明概念方面。为了从一开始就考虑汽车制造商的要求，Volvo汽车集团为开发工作提供了光导纤维演示结构（图 1）。所有测试均通过 INEVO（项目阶段是 INglass 集团成员）的多腔模具进行。

图 1 开发的目的是实现形状长而复杂的光导纤维的高光学质量，演示部件顶部（右）的精细结构用于光线输出

图 2 在一个多腔模中生产三种不同长度和不同形状的光导纤维

底垫可降低剪切负荷
在一次注射中生产三种不同长度和不同形状的光导纤维（图 2）。三个光导纤维中最长的一个在两个点注射。加工的是 Altuglas International（Arkema 集团）的 Altuglas V825T LPL。为了尽可能提高光输出，具体的开发目标是：
◆ 最小表面粗糙度小于 25 纳米。粗糙度较大时，特别是短波（蓝色）光不会完全反射，而是折射，因此射出的光是黄色（暖色）。
◆ 无杂质。任何杂质都会导致光散射。
◆ 无（微）空腔，因为它们也会导致光散射。

图 3 较高的光输出的关键在于给复合缸筒加底垫

技术的关键是填加底垫的原则，ENGEL 为此开发了自己的软件。这使得在塑化过程中有针对性地添加到螺杆上的颗粒比在传统注塑过程中机器从料斗输入的更少。这样，在螺杆的进料区，缸筒仅部分填充颗粒（图 3）。在螺杆尖端方向上，材料才能变稠并完全填满缸筒。缸筒中的材料较少意味着扭矩更低，因此熔体的剪切负荷更小，从而减少了材料降解。为了同时防止材料氧化降解，在进料区上方用氮吹洗复合缸筒。

图 4 注射测试和工艺优化采用了全电动 ENGEL e-motion 310/120TL 注塑机

作为开发项目的一部分，注塑测试在 ENGEL e-motion 310/120 TL 注塑机上进行，该注塑机配备一个针对 PMMA 加工专门设计和涂覆的螺杆和止回阀（图 4）。全电动注塑机系列将效率与高动力、高精度相结合，这对于演示部件顶部用于光线输出的非常精细的结构成型尤为重要。

在质量相关的外围设备上，来自 Motan-Colortronic 的 Luxor EM-A 60 型颗粒干燥机和同样来自 Motan-Colortronic 的 Minicolor 型计量设备（带计量盘）特别值得一提。

为了考虑三种光导纤维几何结构的不同流道长度，开发合作伙伴 HRSflow （INglass 集团） 测试了各种带电动针阀的注射系统。该过程使用了 HRS FlexFlow 系统工作，它可以根据螺杆位置单独控制阀针。

图 5 内联质量检查检测，靠近光源和远离光源的光导纤维的 CCT 值

相关色温确认高光导纤维质量
为了确保部件质量，将内联质量检查集成到设备概念中（图 5），每次注射均测试最小长度为 15 cm 的杆状光导纤维。脱模后，立即由机械手将其放置在带有 LED 光源的测试站中。借助 Radiant Vision 系统（Konica Minolta Sensing Europe 提供的 IC-PMI8 型）测量相关色温 (Correlated Colour Temperatur, CCT) 的变化。CCT 描述人眼如何感知光色。光色取决于物体温度（以黑体为参考），对于 LED，则取决于光源特性。低于 3000 K 的温度被视为暖色，高于 3000 K 的温度被视为冷色。CCT 值偏离参考值（LED 光源的光色）越小，光导纤维质量越好。

注射测试清晰地证实了底垫对注塑光导纤维质量的积极影响（图 6）。在系列测试中，通过计量设备改变添加的材料量，其中添加的材料与传统注塑过程中机器从料斗输入的材料相比越来越少。复合缸筒的填充水平为 65% 时取得了最佳结果。如果材料输入进一步减少，光学质量将再次下降。这是因为计量时间随着材料输入的减少而延长，这又增加了熔体的剪切负荷。

图 6 注射测试证实了底垫对光导纤维质量的积极影响。复合缸筒的填充水平为 65% 时取得了最佳结果。此外，用氮吹洗进料区可提高熔体的纯度。相关色温 CCT 的变化越小，光导纤维的质量越高。

图 6 显示了氮吹洗的其他积极影响。在测试中，进料区用每分钟 0.2 升氮吹洗，以挤出氧气，防止熔化塑料的氧化。

图 7 为了优化加工过程，其他参数进行了更改并与光导纤维的光学质量相关联。对注塑结果影响最大的是塑化螺杆的周长速度、熔体的注射速度、模具温度和颗粒除尘 （图片来源：ENGEL）

找到理想的工艺参数
此外，为了优化工艺还研究了其他工艺参数对光导纤维光学质量的影响（图 7）。上图显示了塑化螺杆圆周速度的影响。尽管材料规格允许使用的 PMMA 的圆周速度为 0.3 m/s，但测试表明，即使更慢的塑化速度也会显著改善光学质量。

另一方面，当聚合物熔体注入模具时，更高的速度最初可产生更好的光导纤维质量。但是，如果注射速度进一步提高，质量将再次下降。这是因为随着速度的增加，压力会增加，剪切负荷也因此而增加。
测试还证实，模具温度也会产生影响。较高的模具温度可改善表面成型，从而提高 CCT 稳定性。
就外围来说，除尘的积极影响特别值得一提。颗粒和熔体中的粉尘含量越小，光导纤维中的散射就越低。

结语
ENGEL 新开发的塑化工艺为照明技术开辟了新的可能性。底垫与经过优化的过程控制相结合，可为长而形状复杂的光导纤维带来很高的光学质量。这可以借助内联测量系统进行评估并得到持续保证。
光导纤维的生产主要使用全电动注塑机，因此 ENGEL 选择实施 e-motion 注塑机的开发项目。但是，原则上，新的塑化技术与非常多样化的结构型式及驱动技术的注塑机相结合。根据客户要求，ENGEL 将相关的外围系统集成到设备概念中,该技术不与任何特定品牌的外围系统挂钩。

来源：荣格-《国际塑料商情》


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