从敏感功能薄膜到三维成型部件 ——低压工艺的集成解决方案

功能薄膜可用于将附加功能集成到塑料部件中。例如，电致变色器件（ECD）可用于使透明表面变暗。但是，由于成本高昂且制造兼容性不佳，ECD尚未在市场上站稳脚跟。在此背景下，卡塞尔大学材料工程研究所（IfW）的研究人员开发了一套用于功能薄膜双面注塑压缩包覆的自动化生产单元，可实现短周期的规模化生产。

标题图：图为处于亮态的双面注塑压缩包覆电致变色多层系统，适用于透明应用场景。调暗功能所需的直流电压可通过两侧的铜触点施加 ©卡塞尔大学IfW研究所

ECD层被涂覆在柔性聚碳酸酯（PC）薄膜上。这使其具备三维可成型性，对于某些应用而言极具价值，例如一键变暗头盔面罩或眼镜镜片。

为了将该涂层系统集成到用于透光应用的三维部件中，ECD双面均用PC进行注塑包覆。这种封装方式可保护敏感的ECD免受环境影响。

FIM生产单元的自动化工艺步骤

为了在PC薄膜上加工ECD，塑料工程师使用了一套与Polar-Form Werkzeugbau GmbH公司合作开发的注塑压缩模具（图1）并通过一台双组分注塑机（型号：Allrounder 470 S；制造商：阿博格）进行薄膜嵌件注塑成型（FIM）。为此，他们特意选用了一种特殊的注塑成型方式——注塑压缩成型。该工艺的特点是，在熔体注入时，模具型腔的尺寸大于最终部件。这意味着保压压力并非通过浇口施加，而是通过模具的压缩功能均匀地分布在部件表面。

IfW这项方案的一个显著特点是其自动化程度。集成于生产单元的六轴机器人手臂（型号：KR 16；制造商：库卡）通过一个夹持器逐一拾取功能薄膜，随后将其送入多个外围设备以清除灰尘和其他杂质，最后将薄膜嵌入1+1结构的注塑压缩模具中。薄膜嵌件通过四个角上的固定夹和集成的真空吸附孔固定在准确位置。

EDC第一面PC的注塑在下方工位的型腔中完成。随后，半成品转上方工位，在此处由进行另一面（同样为PC）的注塑，对其进行完全包覆封装，最后由机器人将成品部件脱模取出。压力和温度传感器在此过程中用于监测薄膜嵌件所承受的载荷，位移传感器则用于记录成型间隙的变化。

图1：模具的可动侧（左侧）配备转盘式分度板、成型框架和弹簧组件，固定侧（右侧）则装有压力和温度传感器以及薄膜夹持装置 ©卡塞尔大学IfW研究所

图2：成型框架的注塑压缩模具示意图展示了成型间隙闭合时的成型步骤 （来源：卡塞尔大学IfW研究所；制图：© Hanser）

可动模具上的成型框架

该注塑压缩模具设有浸包边并配备成型框架，该框架通过弹簧组件与动模的其余部分连接（图2）。当动模与定模合模时，即可达到最大合模行程。在周期开始时，动模被推向定模。所施加的力与弹簧组件的预紧力相结合可形成所需的成型间隙。例如，100kN的合模力对应1mm的成型间隙，而150kN的合模力则对应0.5mm的成型间隙。

在压缩注塑过程中，合模力在熔体注入后持续增加，直至间隙完全闭合。压缩的启动时间取决于螺杆何时到达预设的行程。这种方式有利于调整启动时间并研究各工艺参数对光学元件质量以及功能薄膜所受热力和机械应力的影响。

为实现ECD两个电极层的电气连接，其铜触点区域必须被引出至模具之外。因此，无法采用无成型框架的浸包边设计。

图3：注塑成型和注塑压缩成型的对比（工艺参数相同）表明，压缩成型的型腔压力显著更低 （来源：卡塞尔大学IfW研究所；制图：© Hanser）

高光学质量需要低残余应力

在其他参数相同的前提下对比注塑成型和注塑压缩成型可见：型腔压力曲线清晰地表明，压缩成型对电致变色多层系统的作用更为温和（图3）。同时，其最高加工温度也低于注塑成型。这两大优势对于功能薄膜的加工而言至关重要，因为许多功能层对温度和压力极为敏感。

图4：偏振光下的注塑压缩薄膜：左侧为注塑成型后（型腔压力峰值301bar），右侧则为注塑压缩成型后（型腔压力峰值88bar） ©卡塞尔大学IfW研究所

图5：经注塑压缩成型加工用于透光应用的ECD在亮态（1V电压下透光率为62%）和暗态（-2.5V电压下透光率为46%）下的效果。该ECD的有效面积为145cm² ©卡塞尔大学IfW研究所

注塑成型部件的光学质量同样不佳。部件在浇口附近存在一个光折射更强的区域。在偏振光下观察时（图4），该光学缺陷区域与着色区域重合，表明上述区域存在残余应力或强烈的分子取向。对于透光应用中的光学部件而言，核心在于最大限度地降低冷却后的残余应力以确保视野清晰。该区域在注塑成型过程中更为显著，主要归因于保压压力的影响。注塑压缩成型工艺则不包含保压阶段。此时，压缩成型工艺能够均匀且持续地将这一功能施加到整个功能表面，从而实现了源自浇口的残余应力最小化。

具有不同导电层的ECD的双面注塑包覆

在对功能薄膜进行注塑包覆的过程中，功能薄膜承受着较高的机械和热载荷。若载荷超出单层的承载极限，将导致透光率下降和变色时间延长。为了降低功能层在加工过程中所受的应力，IfW团队不仅优化了工艺参数，还调整了层结构，使其满足注塑压缩成型工艺的要求。研究证实，各层间的粘附力和导电电极层的电阻对于注塑包覆后的变色性能至关重要。

首款类电池层结构ECD变体采用氧化铟锡（ITO）作为导电电极层。该材料兼具高导电性和高透光率，因此常被用于ECD。但是，ITO脆性极高。当应用于柔性塑料薄膜时，如果裂纹萌生应变超过阈值，ITO层便会产生裂纹。这些裂纹会显著降低其导电性，从而削弱亮态和暗态之间的透光率差异。裂纹萌生应变很大程度上取决于层厚。当ITO层厚为280µm时，由于PC薄膜和ITO层的热膨胀系数不同，在35°C条件下作用于ITO层的应变也足以引发微裂纹网络。

此外，易开裂的ITO层被一种导电性更高的有机材料PEDOT：PSS变体所取代。该导电聚合物以聚3,4-乙烯二氧噻吩（PEDOT）和聚苯乙烯磺酸盐（PSS）的水性分散体形式涂覆于PC上。新型PEDOT：PSS层的导电性和透光率均低于ITO，因此变色时间和变色行程更短。另一方面，PEDOT：PSS层能够承受注塑压缩成型工艺中的高热机械要求。这些涂层即使经过后续加工仍能保持功能稳定且无裂纹产生。采用这种改良的有机涂层体系后，于注塑机上加工后的变色质量可与未受力状态下的性能相媲美（图5）。ECD呈现的蓝色源于电致变色材料PEDOT：PSS。基材上印刷可见标识表明，经注塑包覆后的产品无论在亮态或暗态下均可实现透光应用。

展望

通过在成型阶段对整个型腔表面施压，注塑压缩成型工艺特别适用于薄壁透明应用。同时，由于其对嵌件的应力较低，该工艺也适合加工敏感的功能薄膜。除ECD外，此工艺还可用于其他功能部件，如显示器、电容传感器、LED、OLED、PCB导线和压电传感器等。当电子元件被用作嵌件时，该工艺即称为模内电子（IME）。最关键的因素在于基板和功能层之间的热膨胀差异以及由部件结构引起的弯曲应变必须保持在最易开裂层的裂纹萌生应变阈值以下。

除了高昂的制造成本，ECD随使用时间增加而出现的切换性能下降是其尚未得到广泛应用的另一原因。这主要源于水分、氧气和紫外线辐射等因素所引发的降解和氧化过程。目前，IfW正参与一项德国研究基金会（DFG）的研究项目，致力于研究通过注塑压缩成型对ECD进行双面包覆封装将对其产生何种影响。

本文由荣格独家翻译自Plastics Insights杂志
作者：Miriam Meyer, M.Sc.，Dr.-Ing. Michael Hartung，Prof. Dr.-Ing. Hans-Peter Heim

来源：荣格-《国际塑料商情》

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