怎样减少塑料加工中的收缩

收缩是塑料加工商们面临的大敌,特别是对于表面质量要求较高的大型塑料制品,收缩更是一个顽疾。因此人们开发了各种技术,以最大限度地减少收缩,提高产品质量。

在注塑塑料部件较厚位置,如筋肋或突起处形成的收缩要比邻近位置更严重,这是由于较厚区域的冷却速度要比周围区域慢得多。冷却速度不同导致连接面处形成凹陷,即为人们所熟悉的收缩痕。这种缺陷严重限制了塑料产品的设计和成型,尤其是大型厚壁制品如电视机的斜面机壳和显示器外壳等。事实上,对于日用电器这一类要求严格的产品上必须消除收缩痕,而对于玩具等一些表面质量要求不高的产品允许有收缩痕的存在。

形成收缩痕的原因可能有一个或多个,包括加工方法、部件几何形状、材料的选择以及模具设计等。其中几何形状和材料选择通常由原材料供应商决定,且不太容易改变。但是模具制造商方面还有很多关于模具设计的因素可能影响到收缩。冷却流道设计、浇口类型、浇口尺寸可能产生多种效果。例如,小浇口如管式浇口比锥形的浇口冷却得快得多。浇口处过早冷却会减少型腔内的填充时间,从而增加收缩痕产生的几率。对于成型工人,调整加工条件是解决收缩问题的一种方法。填充压力和时间显著影响收缩。部件填充后,多余的材料继续填充到型腔中补偿材料的收缩。填充阶段太短将会导致收缩加剧,最终会产生较多或较大的收缩痕。这种方法本身也许并不能将收缩痕减少到满意的水平,但是成型工人可以调整填充条件改善收缩痕。

还有一种方法是修改模具,有一种简单的解决方法就是修改常规的型芯孔,但是并不能指望这一方法适用于所有的树脂。另外,气体辅助方法同样值得一试。

柱、气体和泡沫

GE聚合物加工研究中心(PPDC)进行了一项12个月的研究,来评估8种不同的旨在减少收缩痕的方法。这些技术代表了减少收缩痕的一些最新思路。这些方法可以分为两类:一类可以称为取代材料法,另一类为去除热量法。取代材料法是通过增加或减少可能收缩区域的材料用量来减少收缩痕。去除热量法旨在快速地将可能产生收缩的区域的热量去除,从而减少较薄区域和较厚区域产生的冷却不均的可能性。

在本次研究中,共评估了5种取代材料法:伸出式凸柱、圆头凸柱、带弹簧凸柱、气体辅助成型和化学发泡。三种去除热量法:铍-铜凸柱、铍-铜嵌件以及特殊设计的热活动凸柱。评估的对象是待试部件中产生的收缩痕的数量,待试部件为带有三角形凸起的制品。所有方法比较的标准为标准工具——不锈钢凸柱。该测试工具能产生壁厚为2.5mm的圆盘,凸柱高为22.25mm,直径为4.5mm,壁厚为1.9mm,在底盘上有2mm的三角铁。

该研究所用的成型设备为350t的水平触动液压机,材料为日用电子产品中常用的材料,也是收缩问题严重的材料,即GE的PC/ABS、Cycoloy CU6800和PPE/PS、Noryl PX5622。这两种材料的加工范围均在产品技术参数建议范围的中间点。如果收缩痕处于最小状态,可以下调填充量来引发更多收缩痕,以方便度量并与经验方法进行比较。尽管收缩痕通常都是通过肉眼来观察的,但是这些试验采用了一种机器对收缩痕的深度进行了定量测量。

试验内容

试验的标准技术之一是伸出式凸柱,即标准凸柱伸出进入凸柱底部的壁里,从而减小壁厚并补偿凸柱中多余材料造成的效果。试验中采用了两种伸出深度,分别为壁厚的25%和50%。另外一个试验采用了一种圆头而不是尖头的凸柱。这个方法不是去除凸柱区域的材料,而是使得各区域的过渡更加连贯。还有一种方法在顶出板和凸柱之间使用弹簧。弹簧使得部件冷却后凸柱底下的材料仍处于压力状态,以使材料获得补偿收缩的效果。结果会受到弹簧初始压力以及弹簧“刚性”的影响,试验评估了这两种因素的影响。使用了两种不同刚度的弹簧,对每种刚度的弹簧都施加了多种不同的初始压力。

化学发泡剂也在本次试验的评估内容里,因为化学发泡剂的优势在于不用对工具进行任何改变。该方法的理论依据是在较厚的区域也就是最可能产生收缩的区域发泡,发泡过程会产生足够的局部压力以阻止收缩。当然,在发泡过程中只能使用少量(0.25%)的发泡剂(Safoam RPC-40),以免形成裂纹损伤部件表面。

通过加工过的凸柱注射氮气来试验气体辅助成型,氮气在通常容易出现收缩的区域形成气泡,这样就可以去除该区域的材料用气泡里的气体来填充该区域。

为了实现热量快速转移,使用了一种由铍-铜构成的凸柱,热传导速度远远超过不锈钢材料。该技术同样要求凸柱的后端与巨大的热池连接,使得热量能够完全从凸柱的区域去除。该方法的另一种方式是利用标准的不锈钢凸柱但是在凸柱周围区域安装铍-铜的插件。这就要求对模具型腔进行充分的修改,在该区域加工出一个小槽安装筋肋/凸柱结构。筋肋/凸柱结构加工成独立的铍-铜型腔插件,安装在小槽里。热传导速率高的插件会将凸柱区域的热量完全吸收并导入到工具中。前两种方法采用的是被动的热去除方法,“热活动凸柱”包含了一种流体将热区域的热量带走并分散到冷却装置。

结果的比较

采用PC/ABS材料时,五个试验方法产生的收缩比标准凸柱产生的收缩少。所有的去除热量的方法效果很好,取代材料的方法中只有加载弹簧的凸柱的方法比标准凸柱效果好,而弹簧的预加载压力对性能的影响尤为突出。气体辅助方法的结果不是决定性的:使用该种模具和材料,由于制品壁太薄,熔融-冷却速度太快,从而气体渗透很难保持一致。发泡试验也没有决定性的影响。部件表面明显的裂纹表明,在本方法还不能与其他方法相提并论之前,应该减少发泡剂的数量。

使用PPE/PS树脂时,加载弹簧的凸柱同样表现出色。其他三种取代材料方法,包括伸出式凸柱法和气体辅助成型法效果也比标准凸柱的效果好。对于去除热量法,只有铍-铜凸柱方法比标准凸柱方法的效果好。

而圆头凸柱方法对于两种材料的效果都不好。意外的是伸出式凸柱方法对于PC/ABS材料而言效果很不好,而二十年来,伸出式凸柱一直是推荐的方法。这些试验结果表明这些方法对于不同材料而言效果并不是相同的。

最有趣的结果还是来自加载弹簧式凸柱的方法。对于两种材料而言,适当使用弹簧的预压力,制品收缩性均得到了50%的改善。弹簧钢性的影响似乎不如弹簧预压力的影响大。预压力过小,塑料熔体将凸柱的背端推得太远,导致凸柱区域太多材料滞留,从而导致收缩。弹簧预压力过大,在熔体的压力下不会被压缩,效果和标准凸柱一样。测量筋肋结构附近的收缩痕时,弹簧加载方法还显示了惊人的结果。尽管该方法旨在将凸柱附近的收缩最小化,加工PPE/PS材料时,相连的筋肋结构处的收缩也得到了惊人的改善。可能是凸柱压缩时有效地将材料填充进筋肋结构,从而减少了收缩。

不管结果如何,人们也不应就此低估气体辅助成型方法和化学发泡剂方法。对于气体辅助成型,模具没有得到优化,有望在较大尺寸部件中起到很好的效果,因为它能覆盖的区域比加载弹簧凸柱覆盖的范围更大。而且,如前所述,这些试验中发泡剂的配方也没有得到优化。