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模具技术

气辅与水辅注塑技术的比较

发布日期:2014-07-29 10:17:01

气辅注塑成型作为一项非常成熟的技术已经在塑料加工业有了多年的应用历史,其中该技术一个最重要的应用领域就是厚壁塑件的生产,例如生产手柄及其类似产品等。板型件或其他具有局部加厚区的塑件也是气辅注塑重要的应用领域。

与之相对应的水辅注塑成型技术却是一项新技术,从德国塑料加工研究所(IKV)公布水辅注塑技术的初步成果到现在还只有六个年头,然而,这种技术一直快速发展着。水辅注塑技术发明不久,人们便利用该技术加工出一种超市手推车配件。之后,人们利用水辅注塑成型批量生产的手柄与截面积大的杆形塑件。从实际生产来看,具有功能空间或流道的塑件开始越来越多地应用水辅注塑成型技术。

巴顿菲尔以IKV完成的基础研究和其在气辅注塑技术领域的经验为基础,开发出了组合式水辅注塑成型生产系统。该生产系统由压力产生器、压力控制模块和控制装置组成。同时,适应特殊要求的专用注射器组件也被开发出来。巴顿菲尔拥有经销商标名为“Airmold”(气辅注塑)和“Aquamold”(水辅注塑)的两种产品。 



水与氮气的比较优势


气辅注塑技术被用于生产杆型部件时能够减轻部件重量与周期时间。气辅注塑也有助于大幅降低或者完全消除平面塑件的壁厚区域、变形和皱缩痕迹,从而提高塑件质量。

水的导热率约为氮气的40倍,热容量是氮气的4倍。除了普通模具冷却以外,注水会引起塑件的“内部冷却”,与气体相比,冷却时间缩短达70%,塑件达到所需脱模温度要快很多。同时,水也是一种不可压缩和价廉的介质。 

用水来代替氮气将使模腔内表面质量更好。除了可以加工更大的部件以外,水辅注塑形成更均匀的壁厚,降低了残余壁厚。 

水辅注塑与气辅注塑可以被用于不同的工艺方法中。他们在机器的使用方面并无不同,但在模具设计与工艺控制上有所区别。水辅注塑是类似气辅注塑的两步过程:首先模腔部分完全地被熔体填充;在第二步中,注射水形成空腔。



水辅注塑设备的特点

水辅注塑设备的设计必须满足与气辅注塑相近的条件。这是因为多数工艺技术是以气辅注塑为基础。但是,水辅注塑也有其自身的特点。从塑件上看,除排水与排除氮气相比更为复杂,需要通过重力以及通入压缩气体完成塑件的“排水”。为了防止腐蚀,水一定不能与模具表面接触。 

水辅注塑需要极高的注水能力确保壁厚分布均匀以及高的表面质量。为此,巴顿菲尔开发出了合适的压力控制模式。供水装置在极高的流速下运转,可以达到350bar的压力。为了把水注入到熔体中,必须利用截面积比气辅注塑大的注射组件,这对于水以足够速度渗透到熔体中是必不可少的。 

巴顿菲尔的水辅注塑压力生成装置被设计成独立式装置,能同时向多台注塑机提供压力。通过Unilog B4移动控制装置对水压调控组件进行控制,一般来说,它们也可以被用在其他制造商出品的机器上。


气辅与水辅的经济性对比

为了对塑件的经济生产做出正确决策,巴顿菲尔与科隆理工大学合作,利用实验性模具比较了以下5种工艺: 


传统注塑

短射出气辅注塑

全射出气辅注塑

短射出水辅注塑

全射出水辅注塑

为了获得有意义的结果,有必要利用在所有工艺中都采易于处理的材料。然而,原材料制造商刚刚开始优化水辅注塑用材料。当由水辅注塑进行塑料加工时,一些材料易于形成泡沫、缩孔或侧槽。另外,还有一些材料会因为水的原因引起开裂、起泡与不可复制的性能。在一些玻纤填充材料中,玻纤可能会被洗掉,导致粗糙的内表面。因此,本实验选择了以下三种材料:



拜耳的PA66 Durethan BKV 30GH

杜邦的PBT Crastin T803

帝斯曼的PP。 

塑件是在巴顿菲尔TM 4500/2800 Unilog B4注塑机上进行加工的。该塑机锁模力为4500kN,装备有用于气辅与水辅注塑模式的界面。水辅注塑模具一般比气辅模具要贵,其原因是制造模具所用的钢材不同。水辅注塑模具所用的钢材质量更高(坚固的镀镍层或氮化钛涂层对于保护水辅注塑模具不受腐蚀是必不可少的)。 



实验假设操作时间为每天24h, 工作日为300天,系统利用率为90%。折旧期假定为8年。可变成本,例如人工、能源和其他成本(冷却水、清洁成本等等)包括在这个计算当中。在水辅注塑中,也包括水的成本。氮气形成成本被考虑到采购与能源成本中。气辅与水辅注塑的采购成本比实心塑件的注塑要高出10万至14.5万欧元。 

在短射出工艺中,气辅注塑的采购成本比水辅注塑要低出一大截,这意味着气辅注塑工艺的临界生产量比水辅注塑工艺的临界生产量要低5000±500单位。在特殊时期,例如对于聚酰胺材料的测试部件,气辅注塑的临界生产量是38206单位,水辅注塑是43203单位。计算以各种材料的系列测试中获得的部件重量和周期时间为基础。聚酰胺塑件作为实心注塑件的重量为224g,气辅注塑件为114g,而水辅注塑件仅为104g。

临界塑件数量取决于工艺与材料


在对气辅与水辅注塑的直接比较中,在少于65000的生产量之后,短射出水辅注塑为PA测试塑件带来了赢利。在这个过程中,材料价格对临界生产的绝对数量起着重要作用。对于被测材料中最便宜的PP来说,水辅注塑与实心塑件注塑的临界生产量为75000。 

在全射出工艺中,成本情况是不同的。对于所有三种材料来说,水辅注塑所制塑件的生产成本在气辅注塑件的成本之下。主要原因之一是利用全射出气辅注塑需要许可证费用。因生产能力较高,水辅注塑的可变成本比气辅注塑要低。通过实验发现,全射出工艺的临界生产量比短射出工艺的临界生产量要高得多。高采购成本意味着材料价格对塑件成本的贡献意义不大。 


水辅注塑技术是对气辅注塑技术的理想补充。水辅注塑的优势包括残余壁厚的分布更好、更均匀,冷却时间缩短等。从经济角度考虑,水辅注塑工艺比气辅注塑更便宜,因为它不涉及到许可证费用。如果利用了短射出工艺,更为经济的工艺就完全由生产量和材料所决定。 当然,要充分利用这个优点,必须收集加工影响因素的更多信息。针对水辅注塑的特殊要求,原材料制造商也要对他们的产品等级进行调整。

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