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模具技術

氣輔與水輔注塑技術的比較

發布日期:2014-07-29 10:17:01

氣輔注塑成型作為一項非常成熟的技術已經在塑料加工業有了多年的應用曆史,其中該技術一個最重要的應用領域就是厚壁塑件的生産,例如生産手柄及其類似産品等。闆型件或其他具有局部加厚區的塑件也是氣輔注塑重要的應用領域。

與之相對應的水輔注塑成型技術卻是一項新技術,從德國塑料加工研究所(IKV)公布水輔注塑技術的初步成果到現在還隻有六個年頭,然而,這種技術一直快速發展着。水輔注塑技術發明不久,人們便利用該技術加工出一種超市手推車配件。之後,人們利用水輔注塑成型批量生産的手柄與截面積大的杆形塑件。從實際生産來看,具有功能空間或流道的塑件開始越來越多地應用水輔注塑成型技術。

巴頓菲爾以IKV完成的基礎研究和其在氣輔注塑技術領域的經驗為基礎,開發出了組合式水輔注塑成型生産系統。該生産系統由壓力産生器、壓力控制模塊和控制裝置組成。同時,适應特殊要求的專用注射器組件也被開發出來。巴頓菲爾擁有經銷商标名為“Airmold”(氣輔注塑)和“Aquamold”(水輔注塑)的兩種産品。 



水與氮氣的比較優勢


氣輔注塑技術被用于生産杆型部件時能夠減輕部件重量與周期時間。氣輔注塑也有助于大幅降低或者完全消除平面塑件的壁厚區域、變形和皺縮痕迹,從而提高塑件質量。

水的導熱率約為氮氣的40倍,熱容量是氮氣的4倍。除了普通模具冷卻以外,注水會引起塑件的“内部冷卻”,與氣體相比,冷卻時間縮短達70%,塑件達到所需脫模溫度要快很多。同時,水也是一種不可壓縮和價廉的介質。 

用水來代替氮氣将使模腔内表面質量更好。除了可以加工更大的部件以外,水輔注塑形成更均勻的壁厚,降低了殘餘壁厚。 

水輔注塑與氣輔注塑可以被用于不同的工藝方法中。他們在機器的使用方面并無不同,但在與工藝控制上有所區别。水輔注塑是類似氣輔注塑的兩步過程:首先模腔部分完全地被熔體填充;在第二步中,注射水形成空腔。



水輔注塑設備的特點

水輔注塑設備的設計必須滿足與氣輔注塑相近的條件。這是因為多數工藝技術是以氣輔注塑為基礎。但是,水輔注塑也有其自身的特點。從塑件上看,除排水與排除氮氣相比更為複雜,需要通過重力以及通入壓縮氣體完成塑件的“排水”。為了防止腐蝕,水一定不能與模具表面接觸。 

水輔注塑需要極高的注水能力确保壁厚分布均勻以及高的表面質量。為此,巴頓菲爾開發出了合适的壓力控制模式。供水裝置在極高的流速下運轉,可以達到350bar的壓力。為了把水注入到熔體中,必須利用截面積比氣輔注塑大的注射組件,這對于水以足夠速度滲透到熔體中是必不可少的。 

巴頓菲爾的水輔注塑壓力生成裝置被設計成獨立式裝置,能同時向多台注塑機提供壓力。通過Unilog B4移動控制裝置對水壓調控組件進行控制,一般來說,它們也可以被用在其他制造商出品的機器上。


氣輔與水輔的經濟性對比

為了對塑件的經濟生産做出正确決策,巴頓菲爾與科隆理工大學合作,利用實驗性模具比較了以下5種工藝: 


傳統注塑

短射出氣輔注塑

全射出氣輔注塑

短射出水輔注塑

全射出水輔注塑

為了獲得有意義的結果,有必要利用在所有工藝中都采易于處理的材料。然而,原材料制造商剛剛開始優化水輔注塑用材料。當由水輔注塑進行塑料加工時,一些材料易于形成泡沫、縮孔或側槽。另外,還有一些材料會因為水的原因引起開裂、起泡與不可複制的性能。在一些玻纖填充材料中,玻纖可能會被洗掉,導緻粗糙的内表面。因此,本實驗選擇了以下三種材料:



拜耳的PA66 Durethan BKV 30GH

杜邦的PBT Crastin T803

帝斯曼的PP。 

塑件是在巴頓菲爾TM 4500/2800 Unilog B4注塑機上進行加工的。該塑機鎖模力為4500kN,裝備有用于氣輔與水輔注塑模式的界面。水輔注塑模具一般比氣輔模具要貴,其原因是制造模具所用的鋼材不同。水輔注塑模具所用的鋼材質量更高(堅固的鍍鎳層或氮化钛塗層對于保護水輔注塑模具不受腐蝕是必不可少的)。 



實驗假設操作時間為每天24h, 工作日為300天,系統利用率為90%。折舊期假定為8年。可變成本,例如人工、能源和其他成本(冷卻水、清潔成本等等)包括在這個計算當中。在水輔注塑中,也包括水的成本。氮氣形成成本被考慮到采購與能源成本中。氣輔與水輔注塑的采購成本比實心塑件的注塑要高出10萬至14.5萬歐元。 

在短射出工藝中,氣輔注塑的采購成本比水輔注塑要低出一大截,這意味着氣輔注塑工藝的臨界生産量比水輔注塑工藝的臨界生産量要低5000±500單位。在特殊時期,例如對于聚酰胺材料的測試部件,氣輔注塑的臨界生産量是38206單位,水輔注塑是43203單位。計算以各種材料的系列測試中獲得的部件重量和周期時間為基礎。聚酰胺塑件作為實心注塑件的重量為224g,氣輔注塑件為114g,而水輔注塑件僅為104g。

臨界塑件數量取決于工藝與材料


在對氣輔與水輔注塑的直接比較中,在少于65000的生産量之後,短射出水輔注塑為PA測試塑件帶來了赢利。在這個過程中,材料價格對臨界生産的絕對數量起着重要作用。對于被測材料中最便宜的PP來說,水輔注塑與實心塑件注塑的臨界生産量為75000。 

在全射出工藝中,成本情況是不同的。對于所有三種材料來說,水輔注塑所制塑件的生産成本在氣輔注塑件的成本之下。主要原因之一是利用全射出氣輔注塑需要許可證費用。因生産能力較高,水輔注塑的可變成本比氣輔注塑要低。通過實驗發現,全射出工藝的臨界生産量比短射出工藝的臨界生産量要高得多。高采購成本意味着材料價格對塑件成本的貢獻意義不大。 


水輔注塑技術是對氣輔注塑技術的理想補充。水輔注塑的優勢包括殘餘壁厚的分布更好、更均勻,冷卻時間縮短等。從經濟角度考慮,水輔注塑工藝比氣輔注塑更便宜,因為它不涉及到許可證費用。如果利用了短射出工藝,更為經濟的工藝就完全由生産量和材料所決定。 當然,要充分利用這個優點,必須收集加工影響因素的更多信息。針對水輔注塑的特殊要求,原材料制造商也要對他們的産品等級進行調整。

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