怎樣減少塑料加工中的收縮
時間:2006-08-10
收縮是塑料加工商們面臨的大敵，特別是對于表面質量要求較高的大型塑料制品，收縮更是一個頑疾。因此人們開發了各種技術，以最大限度地減少收縮，提高產品質量。
在注塑塑料部件較厚位置，如筋肋或突起處形成的收縮要比鄰近位置更嚴重，這是由于較厚區域的冷卻速度要比周圍區域慢得多。冷卻速度不同導致連接面處形成凹陷，即為人們所熟悉的收縮痕。這種缺陷嚴重限制了塑料產品的設計和成型，尤其是大型厚壁制品如電視機的斜面機殼和顯示器外殼等。事實上，對于日用電器這一類要求嚴格的產品上必須消除收縮痕，而對于玩具等一些表面質量要求不高的產品允許有收縮痕的存在。
形成收縮痕的原因可能有一個或多個，包括加工方法、部件幾何形狀、材料的選擇以及模具設計等。其中幾何形狀和材料選擇通常由原材料供應商決定，且不太容易改變。但是模具制造商方面還有很多關于模具設計的因素可能影響到收縮。冷卻流道設計、澆口類型、澆口尺寸可能產生多種效果。例如，小澆口如管式澆口比錐形的澆口冷卻得快得多。澆口處過早冷卻會減少型腔內的填充時間，從而增加收縮痕產生的幾率。
對于成型工人，調整加工條件是解決收縮問題的一種方法。填充壓力和時間顯著影響收縮。部件填充后，多余的材料繼續填充到型腔中補償材料的收縮。填充階段太短將會導致收縮加劇，最終會產生較多或較大的收縮痕。這種方法本身也許并不能將收縮痕減少到滿意的水平，但是成型工人可以調整填充條件改善收縮痕。
還有一種方法是修改模具，有一種簡單的解決方法就是修改常規的型芯孔，但是并不能指望這一方法適用于所有的樹脂。另外，氣體輔助方法同樣值得一試。
柱、氣體和泡沫
GE聚合物加工研究中心(PPDC)進行了一項12個月的研究，來評估8種不同的旨在減少收縮痕的方法。這些技術代表了減少收縮痕的一些最新思路。這些方法可以分為兩類：一類可以稱為取代材料法，另一類為去除熱量法。取代材料法是通過增加或減少可能收縮區域的材料用量來減少收縮痕。去除熱量法旨在快速地將可能產生收縮的區域的熱量去除，從而減少較薄區域和較厚區域產生的冷卻不均的可能性。
在本次研究中，共評估了5種取代材料法：伸出式凸柱、圓頭凸柱、帶彈簧凸柱、氣體輔助成型和化學發泡。三種去除熱量法：鈹-銅凸柱、鈹-銅嵌件以及特殊設計的熱活動凸柱。評估的對象是待試部件中產生的收縮痕的數量，待試部件為帶有三角形凸起的制品。所有方法比較的標準為標準工具——不銹鋼凸柱。該測試工具能產生壁厚為2.5mm的圓盤，凸柱高為22.25mm，直徑為4.5mm，壁厚為1.9mm，在底盤上有2mm的三角鐵。
該研究所用的成型設備為350t的水平觸動液壓機，材料為日用電子產品中常用的材料，也是收縮問題嚴重的材料，即GE的PC/ABS、Cycoloy CU6800和PPE/PS、Noryl PX5622。這兩種材料的加工范圍均在產品技術參數建議范圍的中間點。如果收縮痕處于最小狀態，可以下調填充量來引發更多收縮痕，以方便度量并與經驗方法進行比較。盡管收縮痕通常都是通過肉眼來觀察的，但是這些試驗采用了一種機器對收縮痕的深度進行了定量測量。
試驗內容
試驗的標準技術之一是伸出式凸柱，即標準凸柱伸出進入凸柱底部的壁里，從而減小壁厚并補償凸柱中多余材料造成的效果。試驗中采用了兩種伸出深度，分別為壁厚的25%和50%。另外一個試驗采用了一種圓頭而不是尖頭的凸柱。這個方法不是去除凸柱區域的材料，而是使得各區域的過渡更加連貫。還有一種方法在頂出板和凸柱之間使用彈簧。彈簧使得部件冷卻后凸柱底下的材料仍處于壓力狀態，以使材料獲得補償收縮的效果。結果會受到彈簧初始壓力以及彈簧“剛性”的影響，試驗評估了這兩種因素的影響。使用了兩種不同剛度的彈簧，對每種剛度的彈簧都施加了多種不同的初始壓力。
化學發泡劑也在本次試驗的評估內容里，因為化學發泡劑的優勢在于不用對工具進行任何改變。該方法的理論依據是在較厚的區域也就是最可能產生收縮的區域發泡，發泡過程會產生足夠的局部壓力以阻止收縮。當然，在發泡過程中只能使用少量(0.25%)的發泡劑(Safoam RPC-40)，以免形成裂紋損傷部件表面。
通過加工過的凸柱注射氮氣來試驗氣體輔助成型，氮氣在通常容易出現收縮的區域形成氣泡，這樣就可以去除該區域的材料用氣泡里的氣體來填充該區域。
為了實現熱量快速轉移，使用了一種由鈹-銅構成的凸柱，熱傳導速度遠遠超過不銹鋼材料。該技術同樣要求凸柱的后端與巨大的熱池連接，使得熱量能夠完全從凸柱的區域去除。該方法的另一種方式是利用標準的不銹鋼凸柱但是在凸柱周圍區域安裝鈹-銅的插件。這就要求對模具型腔進行充分的修改，在該區域加工出一個小槽安裝筋肋/凸柱結構。筋肋/凸柱結構加工成獨立的鈹-銅型腔插件，安裝在小槽里。熱傳導速率高的插件會將凸柱區域的熱量完全吸收并導入到工具中。前兩種方法采用的是被動的熱去除方法，“熱活動凸柱”包含了一種流體將熱區域的熱量帶走并分散到冷卻裝置。
結果的比較
采用PC/ABS材料時，五個試驗方法產生的收縮比標準凸柱產生的收縮少。所有的去除熱量的方法效果很好，取代材料的方法中只有加載彈簧的凸柱的方法比標準凸柱效果好，而彈簧的預加載壓力對性能的影響尤為突出。氣體輔助方法的結果不是決定性的：使用該種模具和材料，由于制品壁太薄，熔融-冷卻速度太快，從而氣體滲透很難保持一致。發泡試驗也沒有決定性的影響。部件表面明顯的裂紋表明，在本方法還不能與其他方法相提并論之前，應該減少發泡劑的數量。
使用PPE/PS樹脂時，加載彈簧的凸柱同樣表現出色。其他三種取代材料方法，包括伸出式凸柱法和氣體輔助成型法效果也比標準凸柱的效果好。對于去除熱量法，只有鈹-銅凸柱方法比標準凸柱方法的效果好。
而圓頭凸柱方法對于兩種材料的效果都不好。意外的是伸出式凸柱方法對于PC/ABS材料而言效果很不好，而二十年來，伸出式凸柱一直是推薦的方法。這些試驗結果表明這些方法對于不同材料而言效果并不是相同的。
最有趣的結果還是來自加載彈簧式凸柱的方法。對于兩種材料而言，適當使用彈簧的預壓力，制品收縮性均得到了50%的改善。彈簧鋼性的影響似乎不如彈簧預壓力的影響大。預壓力過小，塑料熔體將凸柱的背端推得太遠，導致凸柱區域太多材料滯留，從而導致收縮。彈簧預壓力過大，在熔體的壓力下不會被壓縮，效果和標準凸柱一樣。測量筋肋結構附近的收縮痕時，彈簧加載方法還顯示了驚人的結果。盡管該方法旨在將凸柱附近的收縮最小化，加工PPE/PS材料時，相連的筋肋結構處的收縮也得到了驚人的改善。可能是凸柱壓縮時有效地將材料填充進筋肋結構，從而減少了收縮。
不管結果如何，人們也不應就此低估氣體輔助成型方法和化學發泡劑方法。對于氣體輔助成型，模具沒有得到優化，有望在較大尺寸部件中起到很好的效果，因為它能覆蓋的區域比加載彈簧凸柱覆蓋的范圍更大。而且，如前所述，這些試驗中發泡劑的配方也沒有得到優化。
