冷-熱循環模具注塑技術介紹

在注塑循環過程中，利用熱循環控制模具溫度的一種方法。該技術要求模具表面的加熱溫度要在塑料的玻璃化轉變溫度(Tg)之上，以利于注塑，然后快速冷卻模溫，使部件冷固，以便于頂出。

熱/冷循環模具注塑工藝可極大提高注塑部件的表面質量，另外由于減少了上漆、打磨等消除表面瑕疵的二次加工工序，從而降低整個加工成本。在某些情況下，上漆或粉末涂覆皆可省去。熱/冷模注塑還可提高玻纖增強結構性材料的表面光潔度，用在對制品表面有高光澤要求的場合。利用該技術可獲得的其他優點包括：降低模塑應力、減少或消除漩紋、熔接縫等缺陷，并提高熔體的流動長度，生產出薄壁制品。

沙伯創新塑料公司(SABIC Innovative Plastics)在日本從事這項技術的研究工作已有幾年的歷史，其首個應用實例是加工一個汽車車頂行李架導軌的支腳，過去采用的是金屬支腳。當使用玻纖含量為11%的Xenoy 1760 PC/PBT樹脂進行試驗性加工時，表面質量效果不理想，原因是出現了漩紋和熔接縫。由于存在玻璃纖維的緣故，部件表面非常粗糙，需要采取打磨拋光二次處理，而不是上漆修飾。利用熱/冷模注塑可消除這些制品表面缺陷，并省去打磨處理工序。

對于聚碳酸酯、PC/ABS混料、PC/PBT混料而言，利用熱/冷循環模具進行注射加工非常成功，應用于加工電視機外殼、聚光板、車載音響部件、筆記本電腦外蓋等都達到了表面質量問題最少化。

1 工作原理

傳統注塑機也可以利用熱/冷循環模具注塑工藝，首先，需要安裝一個特殊的輔助系統裝置，以實現模具表面的快速加熱和冷卻。需要用到過熱水和蒸汽，有部分系統需外置一個鍋爐，以產生蒸汽，另外的一些系統則在控制裝置內形成蒸汽。沙伯公司設在亞太地區的研發中心使用了蒸汽，而設在美國麻省的聚合物加工研發中心則利用了一個過熱水系統，由德國Single Temperiertechnik公司出品的裝置可提供高達200℃的過熱水。

為了有效地控制加工過程，必須在緊靠著模具的外表面裝配多個熱電偶，以監控溫度。模具、注塑機、熱/冷控制裝置必須要求智能化連接，從而實現加工過程的穩定性。沙伯公司自行研制出了每個部件的智能化控制裝置。

在注塑循環周期的初始階段，蒸汽或過熱水循環流動，加熱模具表面，使模溫比樹脂的玻璃化轉變溫度高出10℃～30℃左右。當達到該設定溫度后，注塑機獲得信號，將塑料熔體注入模腔內。待模腔充滿后即完成注射，冷卻水循環流入模具，將塑料部件快速冷卻定型，然后頂出制品。設有一個閥門開關，輪流轉換通入蒸汽或過熱水，或是冷卻水。在部件冷卻之后，打開模具并頂出部件，系統轉換開關重新轉為模具加熱階段。

2 模具設計的要點

決定熱/冷循環模具注塑工藝在整個循環加工周期內能否成功的因素不僅與加工材質有關，同時也與模具的設計樣式和結構有關。加熱和冷卻模具所需的時間由鋼材的厚薄而定，對于熱交換循環來說，最好是將鋼材的厚度最小化。型腔與型芯可采用鑲嵌組裝的方式，優于在模板上切割開挖的方式，這樣就能減小模板厚度。為了減小熱量損失和提高熱效率，這些嵌件可以在型腔和型芯的托模板上盡量使用氣隙和隔絕材料進行裝配。

除了需減小模具鋼材用量之外，還需考慮模具冷熱交替的影響，模具制造所用的材質需有較高的導熱系數，如銅鈹合金或其他有較高導熱性能的合金材料，以縮短加熱和冷卻模具表面所需的時間。另外，冷卻水通道設計要靠近模具表面，從而加快響應時間。然而，在大多數情況下，這點會受到塑料制品幾何形狀的制約。設計采用保型冷卻的方式就非常合理有效，即冷卻水管道的布置根據塑料部件的表面形狀而設計。

保型冷卻有幾種不同的工藝技術，如激光燒結、金屬直接鍍覆等等。沙伯公司與Fast4M制模公司合作，開發了一種層壓制模工藝，該工藝名為Fast-Form。這項模具制造技術是利用一疊鋼材薄片，分別用激光切割和粘結上銅材而成。這種工藝具有成本低、方便綜合采用保型技術和貫通冷卻水管道、設計大面積的排氣區域等特點。

3 技術優點

熱/冷循環模具注塑技術可極大地改善注塑部件的外觀質感，最具突出效果的是采用無定型樹脂加工的部件，包括的樹脂種類有：PC樹脂、PC/ABS混料、PC/PBT混料。當模具表面溫度高于某種無定型樹脂的Tg之后，在注射階段，樹脂熔體不會結成一層皮，并且熔體可自由移動。其結果是：當熔體碰到模具表面時不會凍結，這點與傳統的注塑工藝有所區別。

在充模時，有一層薄薄的聚合物熔體逸出，留在墊模板的外表面，由此增加了部件的光澤度、降低表面粗糙度。研究結果顯示，如果部件的光澤度提高50%～90%，對于玻纖增強材料來說，表面粗糙度指數-Rmax可提高70%，相對于未填充材料的指數還要提高20%。

熱/冷模具注塑工藝對改善熔接痕的寬度和可見度有著積極的影響。曾經在同一模具上進行了3種不同材料的加工對比測試，結果顯示，采用傳統注塑工藝加工而成的制品，其表面的熔接痕寬度大約在6～13微米之間，在熱/冷模具上注塑得到的制品完全看不見熔接痕，而且檢測不出其寬度。這個巨大的優點可省卻上漆等二次加工工序，特別適用某些特殊場合。

制品內殘存的注塑內應力可引起部件翹曲，甚至縮短部件的使用壽命。傳統注塑的部件存在的內應力很高。四氯化碳屬于一種已知的可引起塑料部件產生應力開裂的溶劑。采用熱/冷循環模具加工的塑料部件內應力較低，使用這種溶劑也不會造成部件應力開裂，從而可省去部件使用前需進行的退火處理工序。