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2014-07-15      作者:元宝国际娱乐      点击:
料流速度高会导致分子形态形成的增加,冷却率会影响分子的松弛过程,而料流也会同时影响结晶过程,这在微塑件的分界层尤为突出。微塑件尺寸缩小的同时,一方面由于纯冷却而结晶度随之降低,另一方面料流随之增加。
在许多技术领域,塑件日益呈现微型化趋势,也渐渐发挥出越来越重要的作用。这一趋势从过去几年里显微系统技术市场的持续增长就能看出,其10%的旺盛增长率有望一直持续到2020年。在这种繁荣的市场背景下,微塑件可以说攀登上了前所未有的重要地位,其当前适用领域主要集中在应用生物学、光学系统、机器组装元件、医学技术、微流体以及微电子。
由于微塑件自身的规格尺寸决定了其对加工工艺的特定要求,特别是料流和冷却工艺方面。机械子系统及塑形和加工工艺方面的改良与发展成果百家争鸣,并且已经成功地投入实际工业生产制造。其中,动态变温温控与高恒温恒流微量原料传输技术不得不提。前者已应用于精密结构微塑件的生产,后者则可实现在高度恒温恒流状态下进行微量原料运输传送且精密注塑的改良或创新技术。诸如此类工艺的发展,使得重量仅为几毫克的微塑件可以进行精准度极高地批量生产。
图1 PA66材质注塑拉力试棒的规格依赖性(左图:Campus拉力试棒,右图:微型拉力试棒(1:16))
  
规格依赖性
尽管微塑件加工技术中会进行不断调整,但多数情况下,如果采用钢制注塑模具及传统温控技术,工业感热塑料往往会受到约束而无法充分发挥其优势。其主要原因是因为冷却速度越来越快,伴随着微塑件自身尺寸的缩小,从而影响到微塑件的成型和机械性能。高冷却率会引起微塑件显著的结构变化,例如颗粒细微的结晶结构却结晶度低。图1所示Campus拉力试棒和微型拉力试棒(Campus拉力试棒图示尺寸比例1:16)的比较,微型拉力试棒的生产材料是无核聚酰胺66(即PA66,级别:聚酰胺A3K,生产商:BASF SE公司),其生产设备是螺杆直径仅15mm的微注塑设备(型号:全功能370U 700-30/30设备,生产商Arburg有限责任公司)。Campus拉力试棒内芯PA66结晶度约为40%,而微型拉力试棒的则相比低约15%。
图2 以无核PA66注塑拉力试棒(通过DIN EN ISO 527-1拉力测试)作为样本,图示不同规格对压力和拉力反应的影响

料流速度高会导致分子形态形成的增加,冷却率会影响分子的松弛过程,而料流也会同时影响结晶过程,这在微塑件的分界层尤为突出。微塑件尺寸缩小的同时,一方面由于纯冷却而结晶度随之降低,另一方面料流随之增加。基本同级别但不同规格尺寸的拉伸试棒,其结晶度均约为30%。
微塑件的内芯由于冷却依赖性而导致结晶度低,而表层分界层却料流依赖性高且成型度高,这就使得微塑件的内部整体结构呈现极大的非同质性,其对于微塑件机械性能的影响(见图2)使得这种传统生产加工方式成为普遍实际生产特性的次优之选。随着微塑件规格尺寸的缩小,拉力试棒的硬度和力度也有所降低,而韧性则更高。最微型塑件的曲线上反而呈现逆转,这是由于料流增大提升了结晶度。即便对加工环节进行优化控制,传统注塑工艺对微塑件性能的影响,也无法显著消除。
诸如POM这样的高结晶率且高结晶潜能材料是微注塑生产的一个较优选择,但是可能会造成的料流依赖性各向异性也需要加以考虑。
图3 材料参数相关(100%相等)的微型拉力试棒(缩放比例1:16,通过DIN EN ISO 527-1拉力测试)的弹性系数和抗压力
图4 在不同温控技术,或不同材质塑形模具的条件下,无核PA66(熔化温度290℃)微型拉力试棒(缩放比例1:8,通过的DIN EN ISO 527-1拉力测试)的弹性系数和抗压力性对比,相关物料数据由制造商提供
  
原材料的影响
若要实现微塑件的不同层面在高冷却率下都能够达到较高的结晶度,也可选择使用高结晶率的材料来进行元宝国际娱乐,例如通过添加无核作用剂或者直接选用高结晶度的材质,这在实际生产过程中是可以实现的。但根据学术研究的结果,可以看出在如PA66这样低结晶率且低结晶潜能的原材料中添加无核作用剂,并不能提高其结晶度,因而也无法随之提升其机械性能(见图3)。
图5 使用不同材质的注塑模具(测试样本1:8拉力试棒,A=4*1.25mm2,模具:钢制,Rz=2.6-2.8μm,T=23oC,p=4N/mm2,Vslide=0.5m/s,FN=20N)的条件下,无核PA66微型拉力试棒(缩放比例1:8)的摩擦特性对比
半结晶感热塑料POM具有高结晶度和高结晶潜能,在生产中使用这一材质,微塑件的力度可达到材料原有特性的75%,硬度甚至超过了标准测试样本值。但也需要特别注意的是,造成这一提升的原因是高结晶率和高结晶度,以及表面高料流影响的结晶度和成型度。特别是,高成型度往往在实际应用中会存在些许计划外的不良影响。总体来说,诸如POM这样的高结晶率且高结晶潜能材料是微注塑生产的一个较优选择,但是可能会造成的料流依赖性各向异性也需要加以考虑。
  
多样化的注塑模具材质
实际工业生产中已经采用变温温控来降低冷却率,其热传输介质是水。相比传统冷却工艺,在变温温控条件下,无核PA66的机械性能在生产微型拉力试棒时可以有所提升(见图4左图)。要达到降低冷却率的目的,还可以在微注塑工艺使用的模具材质上进行改良,例如采用低导热材质,如氧化锆(ZrO2)的导热系数为2 W/mK,与变温温控下的数值相近,又如采用PEEK材质注塑模型生产的微塑件,其机械性能够显著提高(见图4右图),这是因为微塑件各个层面达到了结晶率高且同质性高。
使用低导热材质的注塑模具非常有利于实现微塑件的同质化结构,并保持良好的机械性能以及耐摩擦性,采用变温温控工艺也可以实现相似的性能提升,但就缩短生产周期而言,前者更具优势。

对于在使用中会产生摩擦负荷的工业微塑件,缓慢冷却的加工工业尤其收益良多。与钢铸模具注塑且冷却率高的微塑件相比,采用PEEK模具且缓慢冷却的微塑件,其摩擦系数降低25%,磨耗系数降低超过70%(见图5)。冷却率低的微塑件因而具备了得天独厚的优势,能够延长使用寿命,或防止提前老化。这不仅归功于显著提高了这一结构的同质性,也是因为降低了内部压力及差异收缩。
  
可预测机械性能的层面模型
图6 相比规格和冷却介质不同的影响,机械性能依赖于层面依赖性结晶度(通过的DIN EN ISO 527-1拉力测试)

如上述研究结果所见,冷却和料流会影响微塑件的层面结构,而在拉力测试中可以看出微塑件的性能很大程度上依赖于层面结构。因此,将微塑件分成表层和特性相似的内芯(结晶度,成型度和结构规格),且以其相对层面份额来进行衡量权重,由此建立的模型相当具有可行性和实用性,可以依据层面依赖性将层面模型与微塑件的实用特性,如机械性能建立关联。图6在层面依赖性结晶度的基础上,用原始的模型(双层模型)初步展示了这一点。相比微塑件规格和模具材质,无核PA66微塑件的硬度和强度是更加直接依赖于层面依赖性结晶度。基于深入探索,建立这一模型的重点落在了冷却和料流的相关模仿上,伴随实验中衍生出来的局部特性,加以融合扩展,以期能够实现微塑件机械性能的预测(见图7)。
图7 预测微塑件机械特性的方法原理
综述
与大型塑件生产不同,微塑件生产中如果采用实用性能较低的半结晶感热塑料,往往会受到料流和冷却的影响,这一事实充分显示出了高结晶率且高结晶潜能的材质的微注塑生产优势,但后者可能会引致的料流依赖性各向异性也是需要加以考虑。
使用低导热材质的注塑模具非常有利于实现微塑件的同质化结构,并保持良好的机械性能以及耐摩擦性,采用变温温控工艺也可以实现相似的性能提升,但就缩短生产周期而言,前者更具优势。
无核PA66材质微塑件的机械性能可以通过各个层面的结晶度加以预测,基于这一理论建立的预测模型可以通过微塑件内部各个层面的料流及冷却依赖性内部特性,来预测微塑件的实用性能,这一模型目前尚在初始实验阶段,对未来微塑件生产加工能否产生更深远的影响,尚有极大的潜力发掘空间。
The small dimensions ofmicro partsplace special requirements on the process-ing technology in particular in respect ofthe flow and cooling conditions.Variousdevelopments in machinery subsystemsas well as mold and process technologyhave already been realized and successful-ly implemented at an industrial level.Oneexample is the dynamic,variothermaltemperature control that is used for ex-ample in the production ofdemandingmicro structures.Other developmentshave centered on improved or innovativetechnologies for the delivery ofvery smallamounts ofmaterial with high levels ofthermal and rheological homogeneityand the precise injection phase that fol-lows.Thus it is possible to produceeven the smallest components with just afew milligrams ofweight with the high-est possible levels ofprecision.