汽车用塑料注塑新技术的进展

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摘要:综述了汽车用塑料的注射成型技术的进展,简单介绍了气体辅助注射成型( GAIM) 、水辅助注射成型、熔芯注射成型、反应注射/ 增强反应注射( RIM/ RRIM) 成型等技术的特点、生产的汽车部件及最新动向。
　　随着汽车工业的迅速发展,注塑已发展为汽车用塑料件生产的最重要的技术。如风扇、挡泥板、保险杠、仪表盘、车门等大多数塑料件都是用注塑方法生产的。本文就汽车用塑料件的最新注射成型技术进行简单介绍。
   1 　气体辅助注射成型
气体辅助注射成型( Gas - assisted injectionmolding ,简称GA IM) 又称为Air - Mould 法,是在传统的注塑基础上发展起来的一种新的成型工艺。近年来, GA IM 已成为塑料工业中重要的加工方法。因为它不但能生产壁厚不均匀的、形状复杂的制品,而且制品的性能优异,表面平整、光滑其原理是:在一定量的熔体注入型腔后,再将压缩空气注入熔体中心, 然后在压缩空气的作用下充满型腔。GA IM 具有充模压力低、制品内应力小、表面光洁等优点。
GA IM 基本过程主要包括以下几个阶段:
(1) 熔体注塑,即将聚合物熔体注入模具型腔,该过 程与传统注塑成型相同,熔体一般充满型腔60 %～97 %(随产品而异) ;
(2) 气体注塑,即把高压氮气注入熔体芯部,熔体流动前沿在高压气体驱动下继续向前流动,直到充满整个型腔;
(3) 气体保压,即制件在保持气体压力情况下冷却,在冷却过程中,气体由内向外施压,保证制品外表面紧贴模壁,并通过气体二次穿透从内部补充因熔体冷却凝固带来的体积收缩;
(4) 气体泄压并回收循环使用;
(5) 模腔打开,取出制件
。工作原理如图1 所示。采用该工艺,可成型尺寸大、壁厚差较大的制品,且大大降低了表面粗糙度、内应力和生产成本,用于生产汽车仪表板、车窗滑槽、甚至保险杠等
　　可以认为应用GA IM 的目的,主要是对粗厚件减重并改善表面质量;对大型平板制件降低锁模力,减小翘曲变形等
1. 1 　GAIM 用于汽车塑料件生产K. Toru 等采用GA IM 制得了中空的PB T/ PC复合材料制件,其厚度均匀性、表面光洁性优良,且脱模容易,可用作汽车的前后挡板、门把手等
W. Harumi 等人用GA IM 制备了玻纤增强的聚酰胺复合材料制件,具有高光泽、高强度等优点,断裂拉伸强度达210M Pa ,弯曲模量12 GPa ,表面粗糙度低,可用作汽车部件
。Foad. R. 对GA IM 的PP保险杠进行了研究
。GA IM 赋予了聚氨酯制品
极大的应用潜力, Kleba. I 等人对其在加工中空聚氨酯制品方面的应用进行了研究,由于具有反应性的聚氨酯体系的材料行为以及其物理化学性质与热塑性塑料不同,而专门设计了气体辅助反应注塑成型( GRIM) ,根据大量的实验得出的加工参数,如气体保留时间、模具温度等,制得了性能非常优异的制品。他们还用温度场和粘度场的数学模型对得到的加工行为进行了解释。此制品可用作汽车仪表盘、方向盘等。
1. 2 　GAIM 成型的进展采用GA IM 能降低制品生产成本,它集传统注塑及吹塑技术的优点于一身并且不同于两者,吹塑只能生产薄壁且形状简单的制品, GA IM 工艺过程与吹塑类似,但能生产大型、复杂、三维中空制品且有传统注塑成型的外观
    文章来自: 辅助资源网(www.caxss.com) 详文参考：https://bbs.caxss.com/thread-2718-1-1.htmlMilacron Inc 公司最近开发出称为Airpress Ⅲ的最新GA IM 工艺。它使气辅成型生产形状复杂制品且能保持均匀壁厚和光洁的表面成为可能,该工艺以生产汽车刮水器为例在第12 届国际塑料橡胶展览会上首次亮相并引起轰动。尤其是生产商已用该工艺生产用于Boxster 运动车的后视镜。该技术通过生产中空制品使汽车轻量化,但同时保证了复杂制品优异的表面光洁性。且重现性高,产品质量均一,克服了普通GA IM 的缺点(如表面粗糙度等) 。Airpress Ⅲ工艺是先让熔料充满空腔,在模具冷却时使熔体紧贴模壁,再用压缩气体使少量塑化料挤出并形成内腔等技术来获得均一的产品质量。完全充满空腔和使熔体在模壁自我充分固化是保持表面平整、光滑的关键。如只是使足够的熔料充满空腔和用气体使熔体紧贴模壁,则该状态下的流体动力学常导致制品有流痕和制品薄壁化现象。
Battenfeld 公司最近把目光瞄向了开发薄壁制品的GA IM 工艺,把传统的注塑制品壁厚最小为6mm 降至1mm 以下。Delphi 公司用Battenfeld 的GA IM 工艺生产的产品上有些气道的横截面厚仅为0. 1mm。
Delphi 公司在改进其汽车的Press fit layer( PFL) 生产线时,对GA IM 工艺产生了极大的兴趣,该生产线的目标产品是一个由冲压金属和压制在两块长纤维含量为33 %的增强PET 板之间的线端组成的具有夹层结构的大型平板。其中一块PET 板接受冲压金属接线端并连接线, 然后压上另一块PET 板,最后工序是调节高压电路,并使其与低压电路连通。然而,要使生产的PET 板足够的平整却是一大挑战。尽管对于30418mm (12″) 板来说平均偏差容忍度为0. 100 ,然而当偏差为0. 060～0. 075时,在生产过程中就会造成麻烦。因此,平板尺寸的稳定性就变得非常关键,如果平板翘曲,容纳接线端的槽就会偏离中心。最终的实验证明,为使生产工序具有可重复性,平整技术参数为0. 010 比较理想。传统成型工艺为达到要求而成本昂贵,于是该公司决定采用GA IM 工艺来生产这种PET 板。
Golf 汽车公司开发出一项新的GA IM 工艺,用该工艺生产出的产品具有优异的表面质量、高强度、重量轻等优点。以前Golf 汽车上的车顶是采用真空成型的, Golf 汽车公司成功地同Thomson Plastics及Cinpres 公司合作用气辅成型生产出高质量的车顶,现该车顶是用GA IM 技术生产的最大注塑件之一。
GA IM 的新发展是外气压辅助注塑。该技术所用的设备与原先的GA IM 类似,但气体作用在熔体的外部,即在熔体充满整个型腔后通过设置在型腔表面的气体喷嘴将气体引入, 气体的压力高达30M Pa ,代替保压压力作用到制件的一个表面。这种压力通过已经凝固的表面作用到仍然呈流动状态的制件内部,后者将压力均匀传递到制件的各个部位,从而避免了制件另一面产生收缩凹痕。
M. Doyoung 等人对液- 气辅助注射成型(L GA I) 进行了研究,他们认为L GA I 是替代GA IM的有效方法。在L GA I 加工过程中,液体在低压下注入熔体流中,然后液体气化迫使熔体流动并在制品内形成中空通道。他们用不同模具和液体喷嘴对这一过程进行了评价,并与常规的GA IM 进行了比较。
2 　水辅助注射成型
水辅助注射成型( Water - assisted injectionmolding ,简称WA IM) 是GA IM 的进一步发展。德国亚琛工业大学塑料加工研究所对其进行了系统的研究。由于气体的热容量比较小、导热性差,气体辅助注塑时,制件相当于单面冷却,因而其成型周期往往比普通注塑更长。开发WA IM 的目的在于缩短生产厚中空制品的生产周期,与GA IM 相比,水冷却的效果好,可大大缩短冷却时间。WA IM 方法的原理与GA IM 基本相同,只是用水代替气体注入熔体中心。其工艺过程为:
(1) 将熔体注满型腔,进行短暂保压;
(2) 将水注入熔体中心,在水的压力下,制件中心的熔体倒流回注塑系统;
(3) 经过一段时间保压后,减压将水排出制件。排水所需的压力
可以由水的蒸发产生,或者通过加入水中的CO 2 的蒸发产生。在注塑直径为30mm 的PP 中空制件的比较实验中发现,水辅助注塑的冷却时间比气体辅助注塑减少75%。
3 　熔芯注射成型
熔芯注塑成型是利用低熔点金属作为注塑模具的型芯来生产形状复杂中空注塑件技术,其关键是解决塑料、型芯材料、模具和将型芯熔化所用介质的相互影响。使用该技术必须保证:
(1) 塑料注塑时型芯不能发生熔化;
(2) 作型芯的金属的熔体以及用来熔化型芯的介质不会腐蚀塑料;
(3) 在熔化型芯的温度下制件不会发生变形
。它可广泛用于汽车进气管(岐管) 、肘管、汽车吸油管的成型。
4 　RIM 及RRIM 成型
RIM (反应注射) 成型是将两种或两种以上的高活性原料在压力下,通过混合头撞击混合后注入模具内,在发生化学反应的同时制得产品的一种成型工艺,可用于生产挡泥板、车身板等大型件; RR IM(增强反应注射) 成型是在液态的原料组分中加入纤维或填料的RIM ,可生产冲击性好的汽车壳体,如Jaguar 公司用RR IM 生产新S 型汽车的车门板;
SRIM (结构反应注射) 成型生产车顶框架、外壳、行
李箱盖、保险杠等
。D Odge Viper 牌汽车使用
重约3. 45kg (7. 6lb) 的玻璃纤维增强SRIM 保险杠,取代原有的重7kg 的钢制保险杠, 重量减轻约
50 % ,耐冲击性也有改善
。Dow Automotive 公司的RR IM 聚氨酯制品已用作德国大众汽车的后护板
。
5 　微注射成型技术
微型注射成型制品主要指每一个注塑件的质量在毫克级的范围内。汽车上的自动控制和电子
控制部件使用日益增多,这些部件尺寸都较小,比如汽车传感器的部件。此技术的特点为:
(1) 在注塑机方面,一般使用微型注塑机,也可使用普通注塑机,但由于注塑件使用塑料量小,容易引起塑料在注塑机中降解;
(2) 在模具方面,由于制品质量小,应使用热流道系统;
(3) 在工艺方面,为了保证充填,模具应采用变温控制模式,即充填时模具保持很高的温度,充模结束后再降温。这种模式导致较长的成型周期,一般要几分钟。发展方向是在型腔的局部采用单独的高效的加热和冷却装置,使型腔温度在充填时为熔体温度,充模结束后快速降到脱模温度,这样可以使注塑周期降到15s。
6 　长纤维注塑技术
纤维增强塑料是利用纤维的高强度和刚度来改进塑料的力学性能。开发长纤维注塑技术的目的是取代GM T (玻璃纤维毡增强热塑性塑料) 技术,这种技术可用于汽车结构件,如汽车地板罩面和汽车引擎罩等。在该工艺中,保持纤维免受损伤和均匀分布成为关键因素
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。使用长纤维增强热塑性塑料比短纤维有三大优点:
(1) 长纤维增强塑料中随着玻璃纤维添加量的增加,制品的冲击强度和刚性同时均匀地提高,当制品受到大冲击时,不是脆性破坏,只是延性破坏,可适用于高刚性、高冲击强度的制品及大型结构制品;
(2) 长期耐蠕变性能优秀;
(3) 高温时的线膨胀系数小
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。
7 　结语
许多新的塑料成型工艺都是在汽车工业的推动下开发的,在竞争激烈的今天,只有不断创新,开发出新的塑料加工工艺,才能满足汽车轻量化的需求,才能在未来的市场竞争中占有更多的市场份额。不掌握特殊的新工艺,企业就没有前途。随着新的注塑工艺开发和应用技术研究的深入,它们必将在汽车用塑料加工成型领域中得到越来越广泛的应用。