●加工与应用 纲铧故ˇonmg2ms 文章编号:1005-3360(2008)09004 薄壁注塑成型中的变模温控制技术 Dynamic Mould Temperature Control Technology in Thin-Wall Injection Moulding 刘斌,赵春振 Liu Bin, Zhao chunzhen 华南理工大学聚合物成型加工工程教育部重点实验室,聚合物新型成型装备国家工程研究中心,广东广州510640 Key Laboratory of Polymer Processing Engineering of Ministry of Education, National Engineenng Research Center of Novel Equipment for Polymer Processing, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China 介绍了薄壁注塑成型中存在的主要问题,阐述了变模温控制技术在薄壁注塑成型中的重要性,综述了当前 各种变模温控制技术的原理及其在薄壁注塑成型中的研究与应用进展,并展望了未来薄壁注塑成型中变模 温控制技术的发展趋势。 e Abstract: Main problems existing in the thin-wall injection moulding were introduced. The importance of application of dynamic mould temperature control technology in the thin-wall injection moulding mould temperature control technology in the thin-wall injection moulding were reviewed in details. The development trend of dynamic mould temperature control technology was predicted 关键词:薄壁注塑成型;变模温控制;塑件品质 ●中图分类号:TQ320.662·文献标识码:A o Key words: Thin-wall injection moulding; Dynamic mould temperature control; Quality of moulded part 随着高分子材料在改性技术上的进步,以及在出现逐渐成为改善薄壁注塑件质量的有效途径。 成型技术上的发展创新,许多塑料制品的设计正朝 着“轻、薄、短、小的方向发展,而且对制品功:1薄壁注塑成型中存在的主要缺陷 能的要求也不断提升。薄壁注塑成型技术正是在这 背景下逐渐发展起来的。目前,薄壁塑件的一般 1.1知 定义是:塑件的流长厚度比(L/T,L为流动长度,T 为塑件厚度)在100或者150以上,或塑件厚度小于 短射是指由于模具型腔填充不完全造成塑件 lmm,同时投影面积在50cm以上 不完整的质量缺陷,即熔体在完成填充之前就已 注塑制品薄壁化因具有减轻制品质量、减小;经凝结。如果某塑件填充不完整,则无需考虑其 外形尺寸、便于集成设计及装配、缩短生产周期、;他质量缺陷就可判定为不合格制品。注塑成型过 节约成本等优点,而成为塑料成型行业中新的研程中,当聚合物熔体流动时,熔体前沿遇到相对 究热点。但是,薄壁化增加了塑件的成型难度,:温度较低的型芯表面或型腔壁,就会在其表面形 对成型工艺提出了更高的要求。薄壁塑件经常出:成一层冷凝层,如图1所示。熔体在冷凝层内继续 现诸如短射、翘曲变形、波流痕、熔接线等缺陷,向前流动,随着冷凝层厚度的増加,实际流道变 严重影响塑件质量。近年来,变模温控制技术的:窄,冷凝层厚度对聚合物流动有着显著的影响。 作者简介::刘斌【1969-).男,工学博士,副教授,主要研究方向为模具 CAD/CAE/CAM和材料成型装备及数控技术, 已发表科技论文90余
44 Vol.36 No.9 (Sum.197) 加工与应用 September 2008 文章编号：1005-3360（2008）09-0044-05 收稿日期：2008-06-28 随着高分子材料在改性技术上的进步，以及在 成型技术上的发展创新，许多塑料制品的设计正朝 着“轻、薄、短、小”的方向发展，而且对制品功 能的要求也不断提升。薄壁注塑成型技术正是在这 一背景下逐渐发展起来的。目前，薄壁塑件的一般 定义是[1] ：塑件的流长厚度比（L/T，L为流动长度，T 为塑件厚度）在100或者150以上，或塑件厚度小于 1mm，同时投影面积在50cm2 以上。 注塑制品薄壁化因具有减轻制品质量、减小 外形尺寸、便于集成设计及装配、缩短生产周期、 节约成本等优点，而成为塑料成型行业中新的研 究热点。但是，薄壁化增加了塑件的成型难度， 对成型工艺提出了更高的要求。薄壁塑件经常出 现诸如短射、翘曲变形、波流痕、熔接线等缺陷， 严重影响塑件质量。近年来，变模温控制技术的 出现逐渐成为改善薄壁注塑件质量的有效途径。 1 薄壁注塑成型中存在的主要缺陷 1.1 短射 短射是指由于模具型腔填充不完全造成塑件 不完整的质量缺陷，即熔体在完成填充之前就已 经凝结。如果某塑件填充不完整，则无需考虑其 他质量缺陷就可判定为不合格制品。注塑成型过 程中，当聚合物熔体流动时，熔体前沿遇到相对 温度较低的型芯表面或型腔壁，就会在其表面形 成一层冷凝层，如图1所示。熔体在冷凝层内继续 向前流动，随着冷凝层厚度的增加，实际流道变 窄，冷凝层厚度对聚合物流动有着显著的影响。 刘 斌，赵春振 Liu Bin, Zhao Chunzhen 华南理工大学聚合物成型加工工程教育部重点实验室，聚合物新型成型装备国家工程研究中心，广东 广州 510640 Key Laboratory of Polymer Processing Engineering of Ministry of Education, National Engineering Research Center of Novel Equipment for Polymer Processing, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China 摘 要 : 介绍了薄壁注塑成型中存在的主要问题，阐述了变模温控制技术在薄壁注塑成型中的重要性，综述了当前 各种变模温控制技术的原理及其在薄壁注塑成型中的研究与应用进展，并展望了未来薄壁注塑成型中变模 温控制技术的发展趋势。 Abstract : Main problems existing in the thin-wall injection moulding were introduced. The importance of application of dynamic mould temperature control technology in the thin-wall injection moulding was expounded. Various kinds of principles and recent research and application of dynamic mould temperature control technology in the thin-wall injection moulding were reviewed in details. The development trend of dynamic mould temperature control technology was predicted. 关键词 : 薄壁注塑成型；变模温控制；塑件品质 Key words : Thin-wall injection moulding; Dynamic mould temperature control; Quality of moulded part - - 薄壁注塑成型中的变模温控制技术 Dynamic Mould Temperature Control Technology in Thin-Wall Injection Moulding 中图分类号 : TQ320.662 文献标识码 : A 作者简介 :：刘斌（1969—），男，工学博士，副教授，主要研究方向为模具 CAD/CAE/CAM 和材料成型装备及数控技术， 已发表科技论文 90 余篇。 薄壁注塑成型中的变模温控制技术.indd 44 2008/8/30 16:37:54
008年9月第36卷第9期(总第197期) 薄壁注塑成型中的变模温控制技术 在薄壁注塑成型中,由于塑件厚度相对很薄,这氵由于注射压力比较高、模具型腔比较狭窄,熔体 个影响就更大。研究表明:当塑件的厚度减小时, 很容易形成湍流,特别是在流道中,当流道界面 冷凝层对流动的影响将会以指数形式增加吗 大小不一致时,熔体的不稳定流动会在塑件表面 模具 形成螺旋状波流痕。 14熔接线 熔接线是型腔内两个或多个熔体流动前沿熔 合时形成的界线。塑件薄壁化增加了成型时的充模 :阻力,所以,在薄壁塑件中,料流汇合处的熔接线 会更加明显。熔接线不但影响塑件的外观质量,而 ▲图1注塑成型时熔体在型腔内的充模流动示意图 且在熔接线处易产生应力集中,削弱塑件的力学强 Fig. 1 Schematic drawing of melt flowing in mould cavity 度,对塑件特别是薄壁塑件的力学性能尤为不利 12翘曲变形 在外力作用下,塑件极易在熔接线处开裂 翘曲变形是不均匀的内部应力导致的塑件缺 在注塑成型过程中,多种因素的力学作用均2薄壁注塑成型中变模温控制的必要性 会在塑件中产生内应力。从工艺方面来讲,塑件 中主要存在以下两种形式的应力,即取向应力和 热应力 模具温度直接影响熔体的充模流动行为 取向应力是充模过程中塑料熔体中的纤维、:件的冷却速度和塑件最终质量,所以模具温度的 大分子链或链段沿一定方向取向,来不及松弛而 控制是决定塑件质量合格率与生产效率的重要条 产生的。特别是在一些纤维增强的薄壁塑件成型:件之一。传统的模具加热方法是采用水、油加热 过程中,既有分子取向,又有纤维取向,取向应或电加热:在加压情况下,水温可达140~180℃ 力对塑件的翘曲变形影响会更明显。 高温油一般可达350℃,但会产生油气,影响成 热应力是薄壁塑件在注塑成型过程中,由于熔型;电热管的温度控制范围可大于350℃。这三种 体温度与模腔壁之间有较大的温差,靠近模壁的塑方式的共同特点是可使模具温度维持在一定髙温 料熔体冷却很快,在塑件内分布不均而产生的机械:范围内,有效地改善塑件质量缺陷,但同时也导 应力。塑料的热容量大、导热性差,所以塑件表层致冷却时间过长,生产成本相对提高。 比内层冷却快,而形成的凝固壳层会阻碍内部熔体 变模温控制技术是在注射时通过加热系统迅 继续冷却,使塑件内部产生拉应力,从而在凝固层速将模具型腔表面加热到较高温度,以保证塑料 产生压应力。在保压过程中,有少量熔体补入塑件:熔体在型腔内的流动性,注射完成后,再由冷却 中,使已凝固的表层受到拉伸,在塑件中产生拉应:系统迅速将熔融物料冷却至脱模温度,加热-冷却 力。这些都是热应力产生的原因。 时间越短越好。目前,变模温控制技术的加热系 统主要采用蒸气加热、电极加热和感应加热,而 1.3波流痕 冷却仍然采用传统方式,即利用冷却管道中的冷 波流痕是由于熔料在模具型腔中的不稳定流:却介质以热传导的方式将热量带走 而导致的塑件表面呈现年轮状或螺旋状的条纹花 在薄壁注塑成型过程中采用变模温控制技术 样。在一些有较高表面质量要求的塑件中,这类氵具有诸多优点。首先,较高的模具温度增加了熔 缺陷是不允许出现的。在薄壁注塑成型过程中,:体在模具型腔中的流动性,这样不但可以有效降
45 2008年 9月 第36卷 第9期 （总第197期） 薄壁注塑成型中的变模温控制技术 在薄壁注塑成型中，由于塑件厚度相对很薄，这 个影响就更大。研究表明：当塑件的厚度减小时， 冷凝层对流动的影响将会以指数形式增加[1] 。 图 1 注塑成型时熔体在型腔内的充模流动示意图 Fig. 1 Schematic drawing of melt flowing in mould cavity during injection moulding 1.2 翘曲变形 翘曲变形是不均匀的内部应力导致的塑件缺 陷。在注塑成型过程中，多种因素的力学作用均 会在塑件中产生内应力。从工艺方面来讲，塑件 中主要存在以下两种形式的应力，即取向应力和 热应力[2] 。 取向应力是充模过程中塑料熔体中的纤维、 大分子链或链段沿一定方向取向，来不及松弛而 产生的。特别是在一些纤维增强的薄壁塑件成型 过程中，既有分子取向，又有纤维取向，取向应 力对塑件的翘曲变形影响会更明显。 热应力是薄壁塑件在注塑成型过程中，由于熔 体温度与模腔壁之间有较大的温差，靠近模壁的塑 料熔体冷却很快，在塑件内分布不均而产生的机械 应力。塑料的热容量大、导热性差，所以塑件表层 比内层冷却快，而形成的凝固壳层会阻碍内部熔体 继续冷却，使塑件内部产生拉应力，从而在凝固层 产生压应力。在保压过程中，有少量熔体补入塑件 中，使已凝固的表层受到拉伸，在塑件中产生拉应 力。这些都是热应力产生的原因。 1.3 波流痕 波流痕是由于熔料在模具型腔中的不稳定流 而导致的塑件表面呈现年轮状或螺旋状的条纹花 样。在一些有较高表面质量要求的塑件中，这类 缺陷是不允许出现的。在薄壁注塑成型过程中， 由于注射压力比较高、模具型腔比较狭窄，熔体 很容易形成湍流，特别是在流道中，当流道界面 大小不一致时，熔体的不稳定流动会在塑件表面 形成螺旋状波流痕。 1.4 熔接线 熔接线是型腔内两个或多个熔体流动前沿熔 合时形成的界线。塑件薄壁化增加了成型时的充模 阻力，所以，在薄壁塑件中，料流汇合处的熔接线 会更加明显。熔接线不但影响塑件的外观质量，而 且在熔接线处易产生应力集中，削弱塑件的力学强 度，对塑件特别是薄壁塑件的力学性能尤为不利， 在外力作用下，塑件极易在熔接线处开裂。 2 薄壁注塑成型中变模温控制的必要性 模具温度直接影响熔体的充模流动行为、塑 件的冷却速度和塑件最终质量，所以模具温度的 控制是决定塑件质量合格率与生产效率的重要条 件之一。传统的模具加热方法是采用水、油加热 或电加热：在加压情况下，水温可达140~180℃； 高温油一般可达350℃，但会产生油气，影响成 型；电热管的温度控制范围可大于350℃。这三种 方式的共同特点是可使模具温度维持在一定高温 范围内，有效地改善塑件质量缺陷，但同时也导 致冷却时间过长，生产成本相对提高。 变模温控制技术是在注射时通过加热系统迅 速将模具型腔表面加热到较高温度，以保证塑料 熔体在型腔内的流动性，注射完成后，再由冷却 系统迅速将熔融物料冷却至脱模温度，加热-冷却 时间越短越好。目前，变模温控制技术的加热系 统主要采用蒸气加热、电极加热和感应加热，而 冷却仍然采用传统方式，即利用冷却管道中的冷 却介质以热传导的方式将热量带走。 在薄壁注塑成型过程中采用变模温控制技术 具有诸多优点。首先，较高的模具温度增加了熔 体在模具型腔中的流动性，这样不但可以有效降 薄壁注塑成型中的变模温控制技术.indd 45 2008/8/30 16:37:55
薄壁注塑成型中的变模温控制技术 纲铧故 低对超高速注射机和特殊模具的需求国,避免了 气体加热变模温控制是在充模前将高温高压 以往依赖高的注射速度和注射压力使得制品的经 气体注入到型腔中来加热模具表面,使其升温的 济性降低,而且也放宽了成型工艺对塑料熔体黏 种新技术。图3为高温高压气体加热方式示意 度的限制,使成型材料的种类更加广泛;其次,氵图。韩志翔和刘文斌研究了利用高温氮气作为 较高的模温不但可以延缓熔体与模腔接触界面冷ξ快速变模温的介质,在注射填充之前,快速、精 凝层的扩展,使薄壁塑件可以完整充模,避免短:准、定量地将气体注入模腔中,可以瞬间加热模 射现象,而且使得热流通率下降,不均匀冷却效:腔表面,使其温度最高可达2000℃C左右,且高温 应下降,有助于应力释放,避免塑件翘曲变形,:变化区域可以有效控制在模腔表面附近,不会造 同时还可有效消除熔接线和波流痕,大大改善塑:成模具钢材因温度变化剧烈而产生尺寸膨胀,进 件表面质量,产生镜面效果,提高了塑件强度和:而影响配合度的问题。实验成型了薄壁塑料光学 表面硬度。采用该技术可取消后续的喷涂工艺,:镜片,结果表明:气体加热不但可以有效改善塑 省去昂贵的二次加工费用,在大幅度降低生产成:件外观质量,提高力学性能,降低成型残留应力, 本的同时,节省能源与材料。变模温控制技术在:而且无需对现有模具作太大的修改,是一项非常 薄壁注塑成型过程中能达到改善质量和降低成本:具有经济效益的新技术。 的双重效果。 定模型腔动模 3变模温控制技术在薄壁注塑成型 注塑成型机 中的研究与应用 针对薄壁注塑成型中快速变模温控制的要求, 电加热器 压机 国内外学者对变模温控制的方法进行了大量的研 高温高压气体 究。由于变模温技术仍然采用传统的冷却方式, 所以该技术的主要区别在于加热方式。目前报道 ▲图3高温高压气体加热系统示意图 Fig 3 Schematic drawing of heating system heated by 的加热方式有火焰加热、气体加热、电阻式加热 high temperature and high pressure gas 感应加热和红外线加热等+。 由日本小野产业株式会社开发的快速加热循 火焰加热变模温控制利用以气体为燃料的加:环成型( Rapid Heat Cycle Molding,简称RHCM) 热炉或喷枪,在模具合模瞬间,对模具表面进行技术η,利用高温高压水蒸气将模具型腔表面加 火焰加热,然后再合模进行注射。在一项国际专氵热到塑料的热变形温度,然后注入熔融塑料,在 利技术中,曾报到了用气体火焰来加热模具 注塑过程中,模具温度保持不变,注塑完毕后 使模具表面瞬间达到较高的温度。图2为喷枪火焰ξ模具温度逐渐降至脱模温度,开模顶出制品,然 加热方式示意图。 后进入下一个循环,其工艺过程如图4所示。 喷枪 RHCM主要是针对成型模具,在成型模具型 芯及滑块内开设均匀分布的水路,利用高温高压 水蒸气作为快速加热媒体,冷冻水为冷却媒体, 再用空气管道气压,通过RHCM系统的控制设备 对高温高压水蒸气、冷冻水和空气管道气压三者 在型芯及滑块内水路中进行切换,来加热/冷却模 ▲图2喷枪火焰加热系统示意图 具。注射前,模具型芯及滑块内的水路中通高温 Fig 2 Schematic drawing of heating system heated by flame spray gun 高压水蒸气来快速加热模具到较高温度;注射过
46 薄壁注塑成型中的变模温控制技术 低对超高速注射机和特殊模具的需求[3] ，避免了 以往依赖高的注射速度和注射压力使得制品的经 济性降低，而且也放宽了成型工艺对塑料熔体黏 度的限制，使成型材料的种类更加广泛；其次， 较高的模温不但可以延缓熔体与模腔接触界面冷 凝层的扩展，使薄壁塑件可以完整充模，避免短 射现象，而且使得热流通率下降，不均匀冷却效 应下降，有助于应力释放，避免塑件翘曲变形， 同时还可有效消除熔接线和波流痕，大大改善塑 件表面质量，产生镜面效果，提高了塑件强度和 表面硬度[3] 。采用该技术可取消后续的喷涂工艺， 省去昂贵的二次加工费用，在大幅度降低生产成 本的同时，节省能源与材料。变模温控制技术在 薄壁注塑成型过程中能达到改善质量和降低成本 的双重效果。 3 变模温控制技术在薄壁注塑成型 中的研究与应用 针对薄壁注塑成型中快速变模温控制的要求， 国内外学者对变模温控制的方法进行了大量的研 究。由于变模温技术仍然采用传统的冷却方式， 所以该技术的主要区别在于加热方式。目前报道 的加热方式有火焰加热、气体加热、电阻式加热、 感应加热和红外线加热等[4-11] 。 火焰加热变模温控制利用以气体为燃料的加 热炉或喷枪，在模具合模瞬间，对模具表面进行 火焰加热，然后再合模进行注射。在一项国际专 利技术中[4] ，曾报到了用气体火焰来加热模具， 使模具表面瞬间达到较高的温度。图2为喷枪火焰 加热方式示意图。 图 2 喷枪火焰加热系统示意图 Fig. 2 Schematic drawing of heating system heated by flame spray gun 气体加热变模温控制是在充模前将高温高压 气体注入到型腔中来加热模具表面，使其升温的 一种新技术。图3为高温高压气体加热方式示意 图。韩志翔和刘文斌[5-6] 研究了利用高温氮气作为 快速变模温的介质，在注射填充之前，快速、精 准、定量地将气体注入模腔中，可以瞬间加热模 腔表面，使其温度最高可达2 000℃左右，且高温 变化区域可以有效控制在模腔表面附近，不会造 成模具钢材因温度变化剧烈而产生尺寸膨胀，进 而影响配合度的问题。实验成型了薄壁塑料光学 镜片，结果表明：气体加热不但可以有效改善塑 件外观质量，提高力学性能，降低成型残留应力， 而且无需对现有模具作太大的修改，是一项非常 具有经济效益的新技术。 图 3 高温高压气体加热系统示意图 Fig. 3 Schematic drawing of heating system heated by high temperature and high pressure gas 由日本小野产业株式会社开发的快速加热循 环成型（Rapid Heat Cycle Molding，简称RHCM） 技术[7] ，利用高温高压水蒸气将模具型腔表面加 热到塑料的热变形温度，然后注入熔融塑料，在 注塑过程中，模具温度保持不变，注塑完毕后， 模具温度逐渐降至脱模温度，开模顶出制品，然 后进入下一个循环，其工艺过程如图4所示。 RHCM主要是针对成型模具，在成型模具型 芯及滑块内开设均匀分布的水路，利用高温高压 水蒸气作为快速加热媒体，冷冻水为冷却媒体， 再用空气管道气压，通过RHCM系统的控制设备 对高温高压水蒸气、冷冻水和空气管道气压三者 在型芯及滑块内水路中进行切换，来加热/冷却模 具。注射前，模具型芯及滑块内的水路中通高温 高压水蒸气来快速加热模具到较高温度；注射过 薄壁注塑成型中的变模温控制技术.indd 46 2008/8/30 16:37:55
008年9月第36卷第9期(总第197期) 薄壁注塑成型中的变模温控制技术 程中,利用水蒸气保温;注射完成后,模具型芯 及滑块内的水路停止供给水蒸气,用空气管道气 加热表面 压吹干净水路内残留水气,再转通冷冻水对模具 m∥ )) 快速降温;降到适当温度后,开模顶出塑件,进 加热棒 入第二个循环。图4显示了RHCM与传统注塑成型 的模具温度变化的差异。RHCM的优点有:塑件 表面光滑,可以成型发光表面的制品;当加入玻 璃纤维、碳素纤维、矿物纤维时,可以同时改善 ▲图5加热实验基础模板规格及表面加热配置 Fig 5 Basic template sizes of heating experiment and 塑件的性能和表面效果;高温成型时,还有利于 configuration of surface heating 高精度压花,而且塑件的表面结晶比率增加,所 Donggang yao和 Byung Kim提出的铜电极 以物理性能得到提高。 加热模具系统是在模腔内壁上直接镀上一层绝缘 层和一层薄金属,利用铜电极来加热薄金属层 从而得到高温模壁,如图6所示。注射时通过控制 加热功率来控制模壁温度,冷却仍然使用冷水机 在模板上开冷却水道。这种方法控温方便,反应 灵敏,能源利用率高。在薄壁注塑、微注塑实验 研究中取得了很好的效果。但是,电阻绝缘层存 在一定的安全隐患,使用寿命有限,对于较复杂 ▲图4RHcM与传统成型的模具温度差异 的微型腔,镀层制作困难。 Fig. 4 Difference of mould temperature between RHCM and conventional moulding 感应加热是根据电磁感应原理,在感应线圈 薄金属和绝缘层 上通交变电流,使附近的模具型腔表面产生感应 电流(涡流),从而产生热量使模具升温。陈夏宗 钢基体 钢导线 等利用高频电磁感应加热方式使被加热的模具 钢架 型腔材料內部产生感应涡流,并依靠涡流产生能 量达到加热目的。由于仅对于工件表面至集肤深 ▲图6铜电极加热系统示意图 度范围加热,因此加热体积小、升温速度快,搭 Fig 6 Schematic drawing of heating system heated by copper electrode 配良好的加热线圈设计,升温速度可达20℃以 韩国NADA公司采用的电热式变模温控制技 上。表面加热完成后,再搭配快速低温冷却设备,:术(又称 Electricity MOLD,简称 E-MOLD)在 可以达到模具表面快速加热冷却的效果。图5为:工业应用上取得了很大的成功。 E-MOLD技术是 实验中所采用的基础模板规格及表面加热配置。:利用电热在几秒钟内将模具表面加热到300℃以 通过注塑成型厚度为lmm、长度为l62mm的薄壁:上,之后又在极短的时间内使其冷却到较低的脱 拉伸样条的实验,对比了感应加热、电热棒加热模温度的超高温模具温度控制技术。加热时,加 及水温切换来控制模温的变化,结果表明:感应氵热面从模具圆盘分离,以隔绝加热面和模具圆盘 加热技术表现出加热均匀性好、加热速度快的优:之间的热传导;当加热到设定温度时,自动切断 点,并能有效消除塑件表面熔接线,降低塑件内:电源,模具闭合,在较高温度下开始注射;保压 部的残余应力。 结束后,加热面与模具圆盘接触,并在模具圆盘 内通冷却水,迅速将型腔内的塑件冷却到开模温 度,其模具圆盘是用热传导率很高的铜或铝制造
47 2008年 9月 第36卷 第9期 （总第197期） 薄壁注塑成型中的变模温控制技术 程中，利用水蒸气保温；注射完成后，模具型芯 及滑块内的水路停止供给水蒸气，用空气管道气 压吹干净水路内残留水气，再转通冷冻水对模具 快速降温；降到适当温度后，开模顶出塑件，进 入第二个循环。图4显示了RHCM与传统注塑成型 的模具温度变化的差异。RHCM的优点有：塑件 表面光滑，可以成型发光表面的制品；当加入玻 璃纤维、碳素纤维、矿物纤维时，可以同时改善 塑件的性能和表面效果；高温成型时，还有利于 高精度压花，而且塑件的表面结晶比率增加，所 以物理性能得到提高。 图 4 RHCM 与传统成型的模具温度差异 Fig. 4 Difference of mould temperature between RHCM and conventional moulding 感应加热是根据电磁感应原理，在感应线圈 上通交变电流，使附近的模具型腔表面产生感应 电流（涡流），从而产生热量使模具升温。陈夏宗 等[8] 利用高频电磁感应加热方式使被加热的模具 型腔材料内部产生感应涡流，并依靠涡流产生能 量达到加热目的。由于仅对于工件表面至集肤深 度范围加热，因此加热体积小、升温速度快，搭 配良好的加热线圈设计，升温速度可达20℃ /s以 上。表面加热完成后，再搭配快速低温冷却设备， 可以达到模具表面快速加热/冷却的效果。图5为 实验中所采用的基础模板规格及表面加热配置。 通过注塑成型厚度为1mm、长度为162mm的薄壁 拉伸样条的实验，对比了感应加热、电热棒加热 及水温切换来控制模温的变化，结果表明：感应 加热技术表现出加热均匀性好、加热速度快的优 点，并能有效消除塑件表面熔接线，降低塑件内 部的残余应力。 图 5 加热实验基础模板规格及表面加热配置 Fig. 5 Basic template sizes of heating experiment and configuration of surface heating Donggang Yao和Byung Kim[9-10] 提出的铜电极 加热模具系统是在模腔内壁上直接镀上一层绝缘 层和一层薄金属，利用铜电极来加热薄金属层， 从而得到高温模壁，如图6所示。注射时通过控制 加热功率来控制模壁温度，冷却仍然使用冷水机， 在模板上开冷却水道。这种方法控温方便，反应 灵敏，能源利用率高。在薄壁注塑、微注塑实验 研究中取得了很好的效果。但是，电阻绝缘层存 在一定的安全隐患，使用寿命有限，对于较复杂 的微型腔，镀层制作困难。 图 6 铜电极加热系统示意图 Fig. 6 Schematic drawing of heating system heated by copper electrode 韩国NADA公司采用的电热式变模温控制技 术（又称Electricity MOLD，简称E-MOLD）[11] 在 工业应用上取得了很大的成功。E-MOLD技术是 利用电热在几秒钟内将模具表面加热到300℃以 上，之后又在极短的时间内使其冷却到较低的脱 模温度的超高温模具温度控制技术。加热时，加 热面从模具圆盘分离，以隔绝加热面和模具圆盘 之间的热传导；当加热到设定温度时，自动切断 电源，模具闭合，在较高温度下开始注射；保压 结束后，加热面与模具圆盘接触，并在模具圆盘 内通冷却水，迅速将型腔内的塑件冷却到开模温 度，其模具圆盘是用热传导率很高的铜或铝制造 薄壁注塑成型中的变模温控制技术.indd 47 2008/8/30 16:37:55
薄壁注塑成型中的变模温控制技术 纲铧故 的。该技术在液晶面板、电器外壳、汽车内外装:重大的应用价值。未来变模温控制技术的发展趋 饰件等薄壁塑件的成型中取得了很好的效益,可 势将体现在以下4个方面:(1)结合绝热技术,开 以生产出无需涂装的塑件。 发更为方便、高效、低成本的变模温控制方法; 张沛颀等设计了利用红外线快速加热模具:(2)研究新型持久耐热的模具材料,以适应变模 表面的加热系统,如图7所示。此系统被设计组装温控制技术的发展需求;(3)将现有的较为成熟 在模具上,并使用一个控制系统来操作灯座的运氵的变模温控制方法推广到常规塑料注塑成型及粉 动与卤素灯的开关。使用4个卤素灯(每个kW):末注塑成型中,充分发挥变模温控制的应用价值 作为加热型芯表面的光源。分别使用3种塑料材料:从而推动变模温控制技术的更大发展;(4)进 即聚丙烯、有机玻璃与聚碳酸酯来进行阿基米德:步硏究模具温度场的变化对塑件质量的影响,开 螺旋线和薄壁塑件的注塑成型实验。结果表明: 发更为先进的3D仿真分析软件,使用非接触式的 在高模温条件下(高于注射熔体的玻璃化温度),:温度测量技术以推动薄壁注塑成型中温度场的实 阿基米德螺旋线的长度会增加,薄壁塑件的充模:验研硏究。 性能和表面质量有很大提高。 参考文献 宋满仓,颜克辉薄壁注塑成型数值模拟技术的发展现状] 塑料科技,2006,34(1):51-54 连接器 2]罗嗣胜,陈锋塑料制品薄壁化技术[].现代塑料加工应用 反射镜 2004,16(4):37-39 卤素灯 3]许海航,吴宏武.注射模温度快速响应技术J]模具工业, 2004(10)34-37 [4]Sook-Jia Yim Momentary Surface heated mold tool with gas flame:Wo.98051460P]1998-11-19 5]韩志翔,刘文斌气体式变模温控制技术应用[cCAE Molding Conference 2007. Taiwan: Association of CAE ▲图7红外线加热系统示意图 Molding Technology, 2007: A13. Fig 7 Schematic drawing of Infrared Heating System [6]ONO SANGYO Co, Ltd Rapid Heat Cycle Molding [EB/ Ol].2008-03-31.http://www.onosg.co.jp/technology/ images/ RHCM_E pdt 4结语 7]陈夏宗,张仁安,秦进传.感应式变模温控制技术应用c CAE Molding Conference 2007. Taiwan: Association of CAE Molding Technology, 2007: A16. [8] Donggang Yao, Byung Kim. Development of Rapid Heating 薄壁注塑成型塑件的品质由内部质量与外观 and Cooling Systems for Injection Molding Applications [J] 质量所决定,而模具温度是影响塑件分子取向、 Polymer Engineering and Science, 2002, 42(12): 2 471 2481 残余应力、收缩、翘曲的重要工艺参数之一。变 [9] Donggang Yao, Byung Kim. Increasing Flow Length 模温控制技术对提高塑件外观品质效果非常显著, Thin Wall Injection Molding Using A Rapidly Heating 同时可取消后续的喷涂工艺,省去了昂贵的二次 Mold [J]. Polymer-Plastic Technology and Engineering 2002,41(5)819-832 加工费用,并节省了能源与材料。该技术可广泛:[1 O] Myung- Ho Kang. Wonder Injection Molding with 应用于平板电视机、电脑液晶显示器、空调、汽 Momentary Mold Surface Heating Process(E-MOLD 车内饰件等的薄壁塑件制造中。 PROCESS)(CJ/CAE Molding Conference 2007. Taiwan Association of CAE Molding Technology, 2007: A15 虽然由于薄壁注塑成型中流长比大、流动阻:[张沛颀,陈建羽,黄圣杰,等红外线变模温系统设计与分 力大等特殊的成型工艺条件直接推动了快速变模 ST [A]. CAE Molding Conference 2007[C]. TAIWAN 温控制的发展,但是变模温方面的硏究成果在常 Association of CAE Molding Technology, 2007: A17 12]蒋炳炎,沈龙江,彭华建.微注射成型中变模温控制技术J] 规塑料成型、金属和陶瓷粉末注塑成型中有着更 中国塑料,200620(399-102
48 薄壁注塑成型中的变模温控制技术 的。该技术在液晶面板、电器外壳、汽车内外装 饰件等薄壁塑件的成型中取得了很好的效益，可 以生产出无需涂装的塑件。 张沛颀等[12] 设计了利用红外线快速加热模具 表面的加热系统，如图7所示。此系统被设计组装 在模具上，并使用一个控制系统来操作灯座的运 动与卤素灯的开关。使用4个卤素灯（每个1kW） 作为加热型芯表面的光源。分别使用3种塑料材料 即聚丙烯、有机玻璃与聚碳酸酯来进行阿基米德 螺旋线和薄壁塑件的注塑成型实验。结果表明： 在高模温条件下（高于注射熔体的玻璃化温度）， 阿基米德螺旋线的长度会增加，薄壁塑件的充模 性能和表面质量有很大提高。 图 7 红外线加热系统示意图 Fig. 7 Schematic drawing of Infrared Heating System 4 结语 薄壁注塑成型塑件的品质由内部质量与外观 质量所决定，而模具温度是影响塑件分子取向、 残余应力、收缩、翘曲的重要工艺参数之一。变 模温控制技术对提高塑件外观品质效果非常显著， 同时可取消后续的喷涂工艺，省去了昂贵的二次 加工费用，并节省了能源与材料。该技术可广泛 应用于平板电视机、电脑液晶显示器、空调、汽 车内饰件等的薄壁塑件制造中。 虽然由于薄壁注塑成型中流长比大、流动阻 力大等特殊的成型工艺条件直接推动了快速变模 温控制的发展，但是变模温方面的研究成果在常 规塑料成型、金属和陶瓷粉末注塑成型中有着更 重大的应用价值。未来变模温控制技术的发展趋 势将体现在以下4个方面：（1）结合绝热技术，开 发更为方便、高效、低成本的变模温控制方法； （2）研究新型持久耐热的模具材料，以适应变模 温控制技术的发展需求；（3）将现有的较为成熟 的变模温控制方法推广到常规塑料注塑成型及粉 末注塑成型中，充分发挥变模温控制的应用价值， 从而推动变模温控制技术的更大发展；（4）进一 步研究模具温度场的变化对塑件质量的影响，开 发更为先进的3D仿真分析软件，使用非接触式的 温度测量技术以推动薄壁注塑成型中温度场的实 验研究[12] 。 参考文献 : [1] 宋满仓 , 颜克辉 . 薄壁注塑成型数值模拟技术的发展现状 [J]. 塑料科技 ,2006,34(1):51-54. [2] 罗嗣胜 , 陈锋 . 塑料制品薄壁化技术 [J]. 现代塑料加工应用 , 2004,16(4):37-39. [3] 许海航 , 吴宏武 . 注射模温度快速响应技术 [J]. 模具工业 , 2004(10):34-37. [4] Sook-Jia Yim. Momentary Surface heated mold tool with gas flame: WO, 98/051460[P]. 1998-11-19. [5] 韩 志 翔 , 刘 文 斌 . 气 体 式 变 模 温 控 制 技 术 应 用 [C]//CAE Molding Conference 2007. Taiwan: Association of CAE Molding Technology, 2007:A13. [6] ONO SANGYO Co., Ltd. Rapid Heat Cycle Molding [EB/ OL].2008-03-31. http://www.onosg.co.jp/technology/ images/ RHCM_E.pdf. [7] 陈夏宗 , 张仁安 , 秦进传 . 感应式变模温控制技术应用 [C]// CAE Molding Conference 2007. Taiwan: Association of CAE Molding Technology, 2007: A16. [8] Donggang Yao, Byung Kim. Development of Rapid Heating and Cooling Systems for Injection Molding Applications [J]. Polymer Engineering and Science, 2002, 42(12):2 471- 2 481. [9] Donggang Yao, Byung Kim. Increasing Flow Length in Thin Wall Injection Molding Using A Rapidly Heating Mold [J]. Polymer-Plastic Technology and Engineering, 2002,41(5):819-832. [10] Myung-Ho Kang. Wonder Injection Molding with Momentary Mold Surface Heating Process (E-MOLD PROCESS)[C]//CAE Molding Conference 2007. Taiwan: Association of CAE Molding Technology, 2007: A15. [11] 张沛颀 , 陈建羽 , 黄圣杰 , 等 . 红外线变模温系统设计与分 析 [A]. CAE Molding Conference 2007[C]．TAIWAN： Association of CAE Molding Technology, 2007：A17. [12] 蒋炳炎 , 沈龙江 , 彭华建 . 微注射成型中变模温控制技术 [J]. 中国塑料 ,2006,20(3):99-102. 薄壁注塑成型中的变模温控制技术.indd 48 2008/8/30 16:37:56