高質(zhì)量低成本的MuCell微發(fā)泡注塑成形技術(shù)
/ 2021/7/3 12:12:31
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注塑成型生產(chǎn)中，常常出現(xiàn)各種質(zhì)量問(wèn)題，如：收縮不均導(dǎo)致的部件尺寸不穩(wěn)定和內(nèi)應(yīng)力問(wèn)題、縮水痕、平直度不好、同芯度或圓度不夠、動(dòng)平衡性不高、難填充等適題。目前，隨著MuCell微發(fā)泡成型工藝的應(yīng)用，使上述問(wèn)題得以解決。MuCell微發(fā)泡成型工藝主要是依靠氣泡的成長(zhǎng)來(lái)填充產(chǎn)品，因此其成型過(guò)程是在較低而平均的壓力下進(jìn)行的。由于不像傳統(tǒng)注塑成型那樣需要機(jī)器的不斷保壓，因此產(chǎn)品的內(nèi)應(yīng)力大大減小，不同位置的收縮也變得非常平均。
MuCell微發(fā)泡成型工藝過(guò)程可分成三個(gè)階段：首先將超臨界流體（CO2或N2）溶解到熱熔膠中，以形成單相熔體并使之保持在高壓下；然后，單相熔體通過(guò)開(kāi)關(guān)式射嘴被射入到溫度和壓力較低的模腔中。由于溫度和壓力的降低，因此引發(fā)了分子的不穩(wěn)定性，從而在制品中形成大量的氣泡核。最后這些氣泡核逐漸長(zhǎng)大生成微小的孔硐。通常，制品的表層是未發(fā)泡的實(shí)體層這是由于模具溫度較低，表面樹(shù)脂冷卻迅速 從而使氣泡核沒(méi)有成長(zhǎng)時(shí)間而導(dǎo)致的未發(fā)泡。在成型過(guò)程中，由于單相熔體的形成，使樹(shù)脂的黏度降低，從而流動(dòng)性更高，這有利于降低熔膠溫度、模溫和射膠壓力，使塑件的成型更穩(wěn)定，成型視窗變大。
MuCell微發(fā)泡成型原理 使用MuCell工藝時(shí)，要求在注塑機(jī)上安裝特別的螺桿和機(jī)筒。一般，當(dāng)超臨界流體被射入攪拌區(qū)后，需要特別的螺紋來(lái)切碎超臨界流體，使之與熱熔膠充分溶解從而形成單相熔體。因此，MuCell螺桿采用了特殊的螺紋設(shè)計(jì)。此外，由于單相熔體必須保持在一定的高壓下以不至于出現(xiàn)離析，需要使用特殊的機(jī)筒。Trexel的機(jī)筒采用單向止逆閥和開(kāi)關(guān)式射嘴設(shè)計(jì)，從而可在機(jī)筒前端的射出段形成一個(gè)密閉高壓的區(qū)間。當(dāng)注射時(shí)，開(kāi)關(guān)式射嘴打開(kāi)，單相熔體瞬間被注入到模具型腔中開(kāi)始發(fā)泡。
通常情況下，用戶只需要更換Trexel特制的螺桿和機(jī)筒，并加裝注射器和射入界面系統(tǒng)，以及外接一個(gè)超臨界流體控制器等，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有注塑機(jī)的升級(jí)。另外，也可以在購(gòu)買(mǎi)部分品牌的新注塑機(jī)時(shí)，直接在注塑機(jī)制造廠整和這些特制部件。一般，用于MuCell工藝的螺桿和機(jī)筒是定制件?？紤]到與注塑機(jī)規(guī)格的配合問(wèn)題，可以選用相近的螺桿直徑，長(zhǎng)徑比通常是22:1或24:1。值得一提的是，加裝了MuCell工藝裝置后，還可以很方便地切換回原來(lái)的注塑系統(tǒng)中，使用戶可以靈活地安排生產(chǎn)。
MuCell微發(fā)泡注塑成型工藝適合于目前幾乎所有的熱塑性材料。出于經(jīng)濟(jì)性和產(chǎn)品品質(zhì)的要求，目前該工藝主要應(yīng)用于品質(zhì)要求較高、材料較貴的產(chǎn)品上。對(duì)于一些外觀要求較高的產(chǎn)品，可以將MuCell工藝與表面噴涂或模內(nèi)裝飾技術(shù)（IMD）聯(lián)合起來(lái)使用，以獲得無(wú)縮水痕、更平直、外觀更好的產(chǎn)品。
目前，MuCell微發(fā)泡注塑成型工藝在汽車行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，主要應(yīng)用包括：發(fā)動(dòng)機(jī)罩和動(dòng)力系統(tǒng)部件，電氣/電子部件，變速箱，運(yùn)動(dòng)部件，采暖、通風(fēng)、空調(diào)和散熱系統(tǒng)部件，風(fēng)扇護(hù)罩，閥門(mén)外殼，密封部件，門(mén)板，手套式操作箱，揚(yáng)聲器外殼等。
用一個(gè)工序成型出高質(zhì)量的柔觸內(nèi)飾件
通常，柔軟觸感的汽車內(nèi)飾件如儀表板等需要采用多個(gè)生產(chǎn)工序、經(jīng)聚氨酯發(fā)泡后才能被最終生產(chǎn)出來(lái)。對(duì)此，一年前在ENGEL公司的一個(gè)研討會(huì)上，人們提出了一種新的生產(chǎn)觀念，即通過(guò)引入MuCell微發(fā)泡注塑成型工藝，以便在一臺(tái)設(shè)備上完成制品的注塑成型和發(fā)泡成型過(guò)程，從而減少目前過(guò)多的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。這一新的生產(chǎn)觀念被稱作"Dolphin技術(shù)"，利用該技術(shù)，能夠以較低的成本和較高的生產(chǎn)效率生產(chǎn)出高質(zhì)量的、具有柔軟觸感的汽車內(nèi)飾部件，如儀表板、中控臺(tái)和儀表板上的小型工具箱等。
據(jù)介紹，新一代的Dolphin技術(shù)不采用像聚氨酯這類的熱固性材料，取而代之的是利用MuCell微發(fā)泡注塑成型工藝，在A面表皮的背部形成泡沫層，從而只需要一個(gè)生產(chǎn)工序就能方便地生產(chǎn)出柔觸內(nèi)飾部件。而傳統(tǒng)技術(shù)卻十分耗時(shí)，通常需要三個(gè)獨(dú)立的操作過(guò)程，其中還涉及到不同類型的塑料材料，包括：儀表板骨架的成型、柔觸表皮的生產(chǎn)，以及骨架與表皮的復(fù)合，這些獨(dú)立的操作都是在不同的設(shè)備上進(jìn)行的。
MuCell微發(fā)泡成型工藝的硬件系統(tǒng) 在該研討會(huì)上，一臺(tái)ENGEL的雙組分大容量DUO /4550/1500 Combi M 系列注塑機(jī)，演示了采用Dolphin技術(shù)生產(chǎn)柔軟觸感的客車儀表板的過(guò)程。首先，采用玻纖增強(qiáng)的PBT/ASA合金 （BASF的Ultradur S4090 IGX）材料注塑成型儀表板骨架，然后利用MuCell工藝，使用專用的聚酯材料(Pibiflex，P-Group公司的預(yù)發(fā)泡熱塑性聚酯泡沫) 進(jìn)行包覆成型。據(jù)說(shuō)這兩種材料之間的化學(xué)吸引力足以確保獲得很好的粘接效果。
該生產(chǎn)中所使用的ENGEL注塑機(jī)的合模力可達(dá)到kN。該設(shè)備的特點(diǎn)是，有兩個(gè)面對(duì)面布置的注射單元，在一個(gè)中芯轉(zhuǎn)臺(tái)上有兩套模具，中芯轉(zhuǎn)臺(tái)的控制則被集成在設(shè)備的控制系統(tǒng)中。
因?yàn)橹恍枰粋€(gè)生產(chǎn)工序，因此從物流的角度考慮，與傳統(tǒng)的多層泡沫制品生產(chǎn)技術(shù)相比，新技術(shù)的生產(chǎn)速度更快、更經(jīng)濟(jì)、更簡(jiǎn)單。利用該技術(shù)，可以使用目前所有的熱塑性塑料方便地生產(chǎn)出具有柔軟觸感的產(chǎn)品。與傳統(tǒng)工藝中所使用的不可回收的熱固性塑料相比，Dolphin技術(shù)生產(chǎn)的制品能夠回收利用，而且最大程度地降低了生產(chǎn)中的運(yùn)輸成本。
為尼龍引擎蓋帶來(lái)更高的表面質(zhì)量
目前，一些汽車行業(yè)的客戶希望采用MuCell微發(fā)泡成型工藝生產(chǎn)外觀產(chǎn)品。為此，Trexel與Rhodia展開(kāi)了合作。根據(jù)合作協(xié)議，作為合作一方的Rhodia負(fù)責(zé)為MuCell微發(fā)泡工藝積極開(kāi)發(fā)和推廣經(jīng)優(yōu)化的新材料，合作的另一方Trexel將得到Rhodia 的獨(dú)家授權(quán)，從事聚酰胺的應(yīng)用。
Trexel和Rhodia的戰(zhàn)略合作目標(biāo)是，共同為聚酰胺產(chǎn)品提供新的應(yīng)用價(jià)值。例如，為引擎蓋下的應(yīng)用，如搖桿蓋和進(jìn)氣歧管等部件帶來(lái)新的價(jià)值和性能，從而為新一代的熱塑性聚酰胺在前端模塊的應(yīng)用開(kāi)發(fā)方面提供技術(shù)支持。
在NPE 2006展會(huì)上，Trexel 和Rhodia 聚酰胺工程塑料業(yè)務(wù)單元共同推出了由Rhodia專為MuCell微發(fā)泡工藝開(kāi)發(fā)的新型玻纖增強(qiáng)的TECHNYL XCell PA6.6 和TECHNYL Xcell PA6級(jí)別的尼龍產(chǎn)品。據(jù)說(shuō)，該新型尼龍樹(shù)脂材料具有良好的流動(dòng)特性，當(dāng)采用MuCell 微發(fā)泡工藝進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)，表現(xiàn)出了良好的性能穩(wěn)定性，可使最終產(chǎn)品在保證機(jī)械性能不變的情況下，還可獲得極佳的外觀效果。
采用Dolphin技術(shù)能夠在一個(gè)生產(chǎn)工序中生產(chǎn)出柔軟觸感的汽車內(nèi)飾件，
如儀表板外殼，而傳統(tǒng)的工藝通常需要三個(gè)工序Rhodia與Trexel戰(zhàn)略合作的一個(gè)重要行動(dòng)是，與位于德國(guó)Dillenburg的Weber公司合作，使用Weber為歐洲一家重要的OEM設(shè)計(jì)的用于生產(chǎn)引擎裝飾蓋的系列荊具進(jìn)行工業(yè)化試生產(chǎn)。盡管沒(méi)有對(duì)模具進(jìn)行仁何改動(dòng)，但仍然生產(chǎn)出了外觀質(zhì)量很好的產(chǎn)品。據(jù)了解在NPE展會(huì)上展出的引擎裝飾蓋是由位于奧地利Braunau的EKB Elektro-und Kunstofftechnik GmbH公司試制生產(chǎn)的。在生產(chǎn)中，該公司采用了500t的注塑機(jī)和90mm 的MuCell 螺桿。
該工業(yè)化的試生產(chǎn)表明，TECHNYL Xcell材料除了具有優(yōu)異的剛性穩(wěn)定性、熱變形溫度和缺口沖擊性能外，還能節(jié)省10%的密度。因此當(dāng)被用于MuCell 工藝時(shí)，其所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)包括重量減輕、制品的翹曲變形小、注射成型快、注塑壓力和模內(nèi)應(yīng)力都更低。
采用MuCell工藝和TECHNYL Xcell材料成型的Weber引擎裝飾蓋具有出色的表面質(zhì)量"很多行業(yè)的用戶已經(jīng)體驗(yàn)到了使用MuCell微發(fā)泡工藝生產(chǎn)的制品所擁有的質(zhì)量、性能、成本效益等方面的優(yōu)勢(shì)。" Rhodia聚酰胺業(yè)務(wù)市場(chǎng)戰(zhàn)略部總經(jīng)理Philippe Guinot說(shuō)，"Weber引擎裝飾蓋的試制成功表明，Rhodia開(kāi)發(fā)的TECHNYL XCell PA6.6 和TECHNYL Xcell PA6 級(jí)別的材料，以及經(jīng)優(yōu)化的MuCell工藝為制品帶來(lái)了優(yōu)異的力學(xué)性能，且保證了制品的表面質(zhì)量。"
"這個(gè)協(xié)議還涉及到由Rhodia負(fù)責(zé)對(duì)材料做進(jìn)一步的改進(jìn)，用以克服在材料被注射入模具中時(shí)，材料和模具之間有氣流進(jìn)入。" Trexel的總裁兼首席執(zhí)行官David Bernstein說(shuō)，"Trexel 對(duì)MuCell微發(fā)泡工藝參數(shù)做了進(jìn)一步的優(yōu)化，包括注射面（profiles）、澆口尺寸、注射速度、模塑溫度和熔體溫度等，以期獲得無(wú)可挑剔的表面質(zhì)量。其中關(guān)鍵在于材料配方的突破和工藝的持續(xù)優(yōu)化。"
減少結(jié)構(gòu)部件的翹曲變形
Schefenacker Vision Systems Australia Pty Ltd的主要產(chǎn)品是汽車內(nèi)飾，以及外飾中的后視鏡和后視鏡調(diào)節(jié)器，產(chǎn)品主要供應(yīng)給澳大利亞的4家汽車制造商。同時(shí)，其后視鏡還供應(yīng)給美國(guó)的Ford、日本的Mazda、Suzuki 和Isuzu公司，而后視鏡調(diào)節(jié)器則銷售給該公司在法國(guó)、西班牙、英國(guó)和美國(guó)的姐妹公司。因此，出口占到了該公司整個(gè)業(yè)務(wù)的80%。2004年，Schefenacker 開(kāi)始進(jìn)入汽車門(mén)把手市場(chǎng)，并從該項(xiàng)業(yè)務(wù)中獲得了更多的收益。
Ford的表殼框架（Case frame）采用50%玻纖增強(qiáng)的PBT制成 最近，Schefenacker和Trexel一起，為Ford和Toyota開(kāi)發(fā)了兩種創(chuàng)新性的結(jié)構(gòu)部件。據(jù)Schefenacker 的生產(chǎn)工程師Joe Kennedy介紹，通常情況下，注塑生產(chǎn)中的關(guān)鍵因素是成型周期，但對(duì)于這兩個(gè)項(xiàng)目，成型周期并不是他們考慮的重點(diǎn)，避免部件的翹曲、獲得較好的尺寸穩(wěn)定性才是這兩種結(jié)構(gòu)部件成型的關(guān)鍵。"過(guò)去我們已經(jīng)節(jié)省了10%的成型周期，現(xiàn)在我們采用MuCell工藝的目的是為了減少部件的翹曲變形。我們從Trexel 那俚得到了很好的技術(shù)支持。目前我們擁有3臺(tái)可用于MuCell工藝的生產(chǎn)設(shè)備，另外還有一臺(tái)正在訂購(gòu)中。每年我們將為Ford提供35萬(wàn)套表殼框架（Case frame），為此項(xiàng)目我們將使用1～2臺(tái)設(shè)備用于全日制生產(chǎn)。"
Ford 的表殼框架（Case frame）采用了50%玻纖增強(qiáng)的PBT材料，在一個(gè)雙型腔的模具中成型，成型周期僅為46s。生產(chǎn)該制品采用了420t的Arburg設(shè)備，但實(shí)際上其所需要的合模力僅為200t。據(jù)Schefenacker 稱，實(shí)芯制品通常需要650t的設(shè)備。"制品最終的重量是754g。我們減輕了10%的重量，而且翹曲變形確實(shí)減少了，尤其是在支架部位。" Kennedy 說(shuō)。
使用MuCell微發(fā)泡工藝生產(chǎn)的Hyundai Elantra 的HVAC蓋重量極輕，
同時(shí)還幫助降低了汽車的噪音Toyota 的門(mén)把手框（Door Handle frame）采用的是30%玻纖增強(qiáng)的尼龍材料，在一個(gè)4型腔的模具中成型，成型周期為40s。制品最終的重量是85g，減輕了10%。同時(shí)翹曲變形也明顯減少。該生產(chǎn)是在一臺(tái)350 t的Engel注塑機(jī)上完成的，所需要的合模力僅為100t，相比較而言，實(shí)芯制品則要求350t的合模力。
"這些項(xiàng)目運(yùn)作得很成功。我們所追求的尺寸穩(wěn)定性已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。然而，如果沒(méi)有MuCell工藝，這些目標(biāo)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。" Kennedy說(shuō)，MuCell工藝幫助該公司減少了制品的翹曲變形，同時(shí)制品重量的減輕和成型周期的縮短還為其帶來(lái)了額外的利潤(rùn)。
縮短車鎖殼體的成型周期
一家大型的車鎖系統(tǒng)生產(chǎn)商獲得了北美一家OEM的大訂單，為該OEM提供車鎖殼體（lock housing）。為此，該公司采用了位于德國(guó)Espelkamp 的Erwin Quarder Systemtechnik 公司為其提供的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模具和塑料殼體的生產(chǎn)方案。Erwin Quarder 提供的創(chuàng)新性方案被稱為"Tandem 模具"。這一高設(shè)計(jì)水平的模具通過(guò)與MuCell微發(fā)泡工藝的聯(lián)合，大幅度縮短了產(chǎn)品的成型周期。
Tandem 模具使用了疊層模具（a double daylight mold）的概念，即在兩個(gè)型腔中輪流注塑，當(dāng)一個(gè)制品冷卻時(shí)，注塑另一個(gè)制品。在全合模力的作用下，模具處于關(guān)閉狀態(tài)以完成注塑和保壓過(guò)程。
MuCell微發(fā)泡工藝與Tandem 模具的聯(lián)合所帶來(lái)的最大好處是，縮短了保壓時(shí)間。
在Erwin Quarder的工業(yè)化試生產(chǎn)中，與傳統(tǒng)的、使用單層模具生產(chǎn)實(shí)芯制品的注塑成型相比，使用Tandem模具節(jié)省了33%～35%的成型周期。然而，當(dāng)Tandem 模具與MuCell微發(fā)泡工藝聯(lián)合使用后，成型周期可節(jié)省50%以上。
基于目前的成功經(jīng)驗(yàn)，Erwin Quarder正在制造一個(gè)"4 + 4 "的Tandem模具，以采用MuCell工藝生產(chǎn)車鎖殼體。該公司將在德國(guó)采用420t的Krauss-Maffei設(shè)備進(jìn)行試制，然后轉(zhuǎn)向北美進(jìn)行批量生產(chǎn)，屆時(shí)Trexel也將提供一整套技術(shù)支持。
用于TPV 耐候密封條的生產(chǎn)
目前，ExxonMobil Chemical 在日本Chidori 的Santoprene TPV 技術(shù)開(kāi)發(fā)中芯安裝了一條用于MuCell微發(fā)泡工藝的TPV 擠出生產(chǎn)線。
Santoprene TPV 技術(shù)開(kāi)發(fā)中芯主要支持地域性的TPV 開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，為亞洲汽車行業(yè)開(kāi)發(fā)耐候性MuCell TPV 密封條，重點(diǎn)是針對(duì)韓國(guó)和日本的客戶。另外，該技術(shù)開(kāi)發(fā)中芯還為其他地區(qū)開(kāi)發(fā)新的應(yīng)用。
據(jù)ExxonMobil Chemical介紹，該公司專為MuCell微發(fā)泡工藝而設(shè)計(jì)的新型Santoprene TPV F150 級(jí)材料克服了傳統(tǒng)TPV 材料的很多弱點(diǎn)和不足，同時(shí)還提高了材料的彈性、柔軟性、可發(fā)泡性和表面性能。與傳統(tǒng)的不可循環(huán)利用的EPDM橡膠耐候密封條相比，該TPV材料制成的耐候密封條不僅可循環(huán)利用，而且重量更輕，并有更多的顏色可供選擇。針對(duì)目前日本和韓國(guó)的很多汽車廠商對(duì)TPV耐候密封條的迫切需求，Santoprene TPV 技術(shù)開(kāi)發(fā)中芯將首次采用Berstorff的擠出生產(chǎn)線以及MuCell微發(fā)泡工藝進(jìn)行就候密封條的生產(chǎn)。
Trexel公司首席執(zhí)行官David Bernstein介紹說(shuō)，目前在歐洲及世界其他地區(qū)，已有很多耐候密封條的生產(chǎn)商安裝了Berstorff 的設(shè)備?；贐erstorff 設(shè)備的應(yīng)用基礎(chǔ)，生產(chǎn)商可以方便地對(duì)Berstorff 設(shè)備進(jìn)行升級(jí)，用于MuCell微發(fā)泡工藝來(lái)生產(chǎn)TPV耐候密封條。
高尺寸穩(wěn)定性的HVAC系統(tǒng)蓋
通常，在汽車的HVAC系統(tǒng)中，冷卻風(fēng)扇產(chǎn)生的強(qiáng)大空氣流被用于吹散引擎散熱器和壓縮機(jī)的熱量。這往往帶來(lái)很大的噪音，帶給人不舒適的感覺(jué)。為此，Hyundai 在其Elantra車上安裝了采用MuCell微發(fā)泡工藝成型的輕型高性能的HVAC系統(tǒng)蓋，從而為駕乘者帶來(lái)了舒適的感覺(jué)。
盡管HVAC系統(tǒng)蓋不屬于高性能部件，但由于這一部件位于引擎蓋下，常常處于極高或極低的環(huán)境溫度中，因此提高該部件的尺寸穩(wěn)定性非常重要。
對(duì)于韓國(guó)的汽車制造商而言，MuCell微發(fā)泡工藝是一項(xiàng)較新的技術(shù)，為了確保該工藝的可靠性，他們?cè)谠嚿a(chǎn)的過(guò)程中，對(duì)采用該工藝生產(chǎn)的不合格品率與傳統(tǒng)注塑成型方法進(jìn)行了仔細(xì)的對(duì)比，結(jié)果令人滿意。此外，他們利用該工藝還減輕了9%的部件重量。
Trexel 在韓國(guó)的合作伙伴PlusHUB 的市場(chǎng)總監(jiān)S.K. Lee說(shuō)："很多制造商都在尋求各種方法，以期降低部件的成本，但是，真正有效的方式是減輕汽車的重量，以此來(lái)降低生產(chǎn)成本。Hyundai 的HVAC系統(tǒng)蓋的生產(chǎn)就是一個(gè)很好的例子。采用MuCell微發(fā)泡工藝能優(yōu)化生產(chǎn)工藝，得到高質(zhì)量的制品，從而使部件獲得良好的尺寸穩(wěn)定性和使用性能，以及更輕的重量，并且能幫助降低汽車的噪音。
