由于具有材料利用率高、成型周期短、產(chǎn)品設計靈活及自動化程度高等優(yōu)點，注塑成型已被廣泛應用于家電、汽車、醫(yī)療、航空及電子等領域[1-3]。為了保證塑料產(chǎn)品力學性能并實現(xiàn)降低材料使用量的要求，美國麻省理工學院(Massachusetts Instituteof Technology ， MIT) 的MARTINI-VVEDENSKY等[4]于20 世紀80 年代使用超臨界流體(Supercriticalfluids，SCF)作為發(fā)泡劑成功研制出了微孔發(fā)泡塑料。與未發(fā)泡的塑料相比，微孔發(fā)泡塑料具有許多優(yōu)點[5]，諸如更長的疲勞壽命、更低的塑件密度、更高的斷裂韌度和更好的能量吸收能力等。
20 世紀末，Trexel公司與MIT合作率先展開了微發(fā)泡注塑成型技術(shù)研究，并將此工藝命名為Mucell。與常規(guī)注塑相比，微發(fā)泡注塑成型工藝具有節(jié)省材料、降低鎖模噸位、提高產(chǎn)品尺寸精度、縮短成型周期等諸多優(yōu)勢[6]。微發(fā)泡注塑成型工藝一經(jīng)推出，便獲得了研究者們的廣泛關(guān)注，并分別從注塑機設備改進[7]、發(fā)泡劑種類[8]、材料改性[9]、模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化[10]、工藝參數(shù)優(yōu)化[11]及數(shù)值模擬方法[12]等多個方面進行了深入研究，并逐步將微發(fā)泡注塑工藝應用于電子、通信、汽車等領域的注塑件成型。
微發(fā)泡注塑成型工藝雖然有許多優(yōu)勢，但是此工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品表面存在螺旋紋及銀紋等缺陷[13]，嚴重阻礙了此新技術(shù)在外觀產(chǎn)品中的推廣應用。為了提高微發(fā)泡注塑件的表面質(zhì)量，研究者們從不同方向進行了工藝改進。LEE等[14]通過減少熔體中SCF的質(zhì)量分數(shù)來降低填充過程中的成核率，減少了填充過程中熔體前沿的泡孔破裂，明顯提高了微發(fā)泡注塑件的表面質(zhì)量。但是，這種方法獲得的微發(fā)泡制件泡孔密度較低，不利于產(chǎn)品的減重。PENG等[15]利用水作為物理發(fā)泡劑、微細鹽顆粒作為成核劑進行了微發(fā)泡注塑試驗，獲得了比氮氣作為物理發(fā)泡劑時表面質(zhì)量更高的微發(fā)泡注塑件。但此方法使用的水及微細鹽顆粒均需要進行特殊處理，并且僅局限在實驗室條件下進行，這使得此方法在實際生產(chǎn)中推廣應用尚有一定難度。TURNG等[16]通過共注塑工藝獲得了皮層為實體層、芯部為發(fā)泡層的表面質(zhì)量良好的微發(fā)泡注塑件，此方法可以獲得與常規(guī)注塑產(chǎn)品表面質(zhì)量相當?shù)奈l(fā)泡塑件，但是共注塑成型設備昂貴，導致注塑產(chǎn)品的生產(chǎn)成本過高。CHEN等[17]通過模具表面覆蓋絕熱層的方法來維持熔體填充過程中模具型腔表面的高模溫，減少了微發(fā)泡塑件表面的螺旋紋及銀紋缺陷，提高了塑件的表面質(zhì)量。但此方法使用的絕熱層容易產(chǎn)生應力損壞，這不利于延長模具的使用壽命。
目前提高微發(fā)泡注塑件表面質(zhì)量的方法大多基于簡單的塑件模型，并且是在實驗室條件下進行的，這對于指導復雜結(jié)構(gòu)件的微發(fā)泡注塑生產(chǎn)仍具有一定的局限性。為了尋求更好地提高微發(fā)泡注塑產(chǎn)品表面質(zhì)量的方法，本文在對超臨界流體成核機理分析的基礎上，提出了一種利用高壓氮氣進行加壓并使用高壓容器進行穩(wěn)壓的模具型腔氣體壓力控制方法，選用一種結(jié)構(gòu)復雜的醫(yī)療器械外觀產(chǎn)品作為微發(fā)泡注塑工藝的研究對象，研究了微發(fā)泡注塑成型過程中熔體前沿壓力對塑件表面質(zhì)量的影響規(guī)律，獲得了最佳的模具型腔氣體壓力，并指導生產(chǎn)實際獲得了表面質(zhì)量良好的微發(fā)泡注塑產(chǎn)品。
1 氣體反壓微發(fā)泡注塑工藝原理
在微發(fā)泡注塑成型過程中，泡孔成核的誘發(fā)是由于發(fā)泡熔體的壓力突降引起的，因此泡孔均相成核理論對微發(fā)泡注塑過程是比較適合的。根據(jù)經(jīng)典成核理論和COLTON等[18]的研究可知，體系發(fā)生相分離后，要形成一個穩(wěn)定的泡孔核所需克服的臨界自由能壘ΔG*hom可表示如下
結(jié)合計算出的活化能及經(jīng)典成核理論方程可以推導出均相成核速率公式如下
從式(1)和式(2)可以看出，泡孔內(nèi)外壓差越大，即在相同的注射壓力下熔體的壓力越低，形成穩(wěn)定的泡孔核所需克服的臨界自由能壘越小。從物理學上講，發(fā)泡體系的壓力降越大，意味著聚合物中的大量氣體可以輕松成核，泡孔成核速率越高。
在微發(fā)泡注塑成型工藝中，塑件的表面缺陷主要是由發(fā)泡熔體填充模具型腔過程中流動前沿的泡孔發(fā)生破裂而形成的。根據(jù)式(1)和式(2)可知，提高填充過程中熔體流動前沿泡孔周圍的熔體壓力，可以增大形成穩(wěn)定泡孔核所需克服的臨界自由能壘，降低熔體的成核速率，從而減少熔體流動前沿破裂泡孔的數(shù)量。同時，流動前沿熔體壓力的提高，可以增大泡孔破裂所需的泡孔內(nèi)壓力，能夠有效抑制前沿泡孔的破裂行為。因此，提高熔體填充過程中流動前沿壓力可以減少因泡孔破裂而形成的表面螺旋紋及銀紋缺陷，從而提高微發(fā)泡注塑件的表面質(zhì)量。目前，常用的提高填充過程中熔體流動前沿壓力的方法為模具型腔氣體壓力控制技術(shù)，即所謂的氣體反壓壓力控制技術(shù)[19]，本文采用圖1所示的曲線對比了常規(guī)微發(fā)泡注塑過程中熔體壓力的變化與氣體反壓微發(fā)泡注塑過程中熔體壓力的變化。
2 模具型腔氣體壓力控制技術(shù)
常規(guī)微發(fā)泡注塑的工藝過程主要分為模具閉合、注射填充、模具冷卻、開模、頂出取件5個階段，其工藝周期循環(huán)過程如圖2a所示。與常規(guī)微發(fā)泡注塑的工藝過程相比，氣體反壓微發(fā)泡注塑的工藝過程增加了模具型腔氣體壓力的控制過程，主要包括模具型腔氣體加壓階段、氣體高壓保持階段和模具型腔氣體卸壓階段。在模具型腔氣體加壓階段，需利用模具型腔氣體壓力控制裝置將型腔內(nèi)氣體壓力迅速提高到設定高壓，以充分改善微發(fā)泡注塑件的表面質(zhì)量問題。熔體的注射需要在模具型腔氣體加壓完成之后進行。因此，氣體反壓微發(fā)泡注塑工藝中氣體加壓時間直接影響整個注塑生產(chǎn)周期，其主要影響因素有模具型腔氣體壓力控制裝置的加壓能力、設定的模具型腔氣體壓力大小、模具型腔體積及模具氣路管道尺寸等。在模具型腔氣體壓力控制裝置及模具氣路管道尺寸一定的情況下，模具型腔氣體壓力大小是影響注塑生產(chǎn)周期的主要因素。圖2b給出了氣體反壓微發(fā)泡注塑成型的周期循環(huán)示意圖，從圖2b可以看出，在熔體填充模具型腔的過程中，需要保持熔體前沿較高的氣體反壓壓力，達到抑制熔體流動前沿泡孔破裂的目的。另外，在模具冷卻之前對模具型腔氣體快速卸壓，使熔體充分發(fā)泡，避免成型制件表面因冷卻而發(fā)生收縮。
2.1 模具型腔氣體壓力控制裝置
在氣體反壓微發(fā)泡注塑工藝中，理想的模具型腔氣體壓力控制是在熔體填充過程中保持較高的模具型腔氣體壓力，并且保證此高壓壓力的穩(wěn)定，而在熔體填充階段后期或填充剛結(jié)束時對模具型腔氣體進行快速卸壓。因此，模具型腔氣體壓力控制裝置應當具備動態(tài)反饋和實時控制模具型腔氣體壓力的功能。
根據(jù)氣體反壓微發(fā)泡注塑的工藝流程及模具型腔氣體壓力的控制要求，構(gòu)建了如圖3所示的氣體反壓微發(fā)泡注塑生產(chǎn)線。從圖3可看出，模具型腔氣體壓力控制系統(tǒng)主要通過控制高壓容器進氣閥、高壓容器穩(wěn)壓閥、模具進氣閥及模具出氣閥的啟閉，實現(xiàn)微發(fā)泡注塑工藝各個階段的模具型腔氣體壓力的動態(tài)變化。
2.2 模具型腔氣體壓力控制系統(tǒng)設計
模具型腔氣體壓力控制系統(tǒng)的設計需要綜合考慮微發(fā)泡注塑生產(chǎn)工藝、注塑機控制系統(tǒng)、系統(tǒng)操作的安全性及方便性等方面。根據(jù)上述氣體反壓微發(fā)泡注塑工藝對于模具型腔氣體壓力的控制要求，本文提出并構(gòu)建了由壓力傳感器、A/D轉(zhuǎn)換模塊、控制主機、輸入輸出模塊、監(jiān)控模塊、閥門轉(zhuǎn)換裝置等組成的模具型腔氣體壓力控制系統(tǒng)，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖4所示。
3 試驗設計
3.1 模具結(jié)構(gòu)及產(chǎn)品三維模型設計
實際的工業(yè)生產(chǎn)中，大多數(shù)注塑產(chǎn)品為結(jié)構(gòu)復雜制件，為了提高對實際生產(chǎn)的指導意義，選用結(jié)構(gòu)較復雜的某醫(yī)療器械外觀產(chǎn)品作為研究對象，進行相關(guān)的氣體反壓微發(fā)泡注塑試驗。在常規(guī)微發(fā)泡注塑成型工藝中，通常采用排氣良好的模具設計，以保證填充過程中模具型腔氣體壓力為大氣壓力。而在氣體反壓微發(fā)泡注塑成型工藝中，模具型腔氣體壓力是動態(tài)變化的，為了提高成型過程中模具型腔氣體壓力的控制精度，對試驗所用的氣體反壓微發(fā)泡注塑模具進行密封設計。圖5a所示為模具分型面及頂出機構(gòu)的密封設計，其中，模具頂出機構(gòu)的密封位置為型芯板背面，型腔對應的頂桿均需要加工密封槽，并在密封槽內(nèi)放置O形圈進行模具密封。塑件的三維模型尺寸及表征測量位置P1～P9如圖5b所示。
3.2 成型設備
選用中國廣州博創(chuàng)機械股份有限公司生產(chǎn)的型號為BS800-Ⅲ的微發(fā)泡專用伺服節(jié)能精密注塑機作為微發(fā)泡注塑成型設備。注塑機配備美國Trexel公司生產(chǎn)的超臨界流體輸送系統(tǒng)，實現(xiàn)成型過程中超臨界流體的計量和注入。使用純度為99.99%的瓶裝工業(yè)氮氣作為物理發(fā)泡劑。模具型腔氣體壓力控制裝置及控制系統(tǒng)為本課題組自主研發(fā)，實現(xiàn)成型過程中模具型腔氣體壓力的動態(tài)變化。
3.3 試驗材料
ABS樹脂不僅具有抗沖擊性、耐熱性、耐低溫性、耐化學藥品性等優(yōu)良性能，還具有易加工、制品尺寸穩(wěn)定、表面光澤性好等特點，已被廣泛應用于機械、汽車、電子電器、儀器儀表、紡織和建筑等工業(yè)領域，是一種用途極廣的熱塑性工程塑料。選用LG公司生產(chǎn)的牌號為HF380的ABS作為成型材料。材料在80℃環(huán)境下烘干10h后進行氣體反壓微發(fā)泡注塑成型。
3.4 試驗方案
為了降低其他工藝參數(shù)的干擾，采用單因素變化的方法，研究熔體填充過程中不同模具型腔氣體壓力對微發(fā)泡注塑件表面質(zhì)量的影響規(guī)律。結(jié)合ABS材料的推薦成型工藝，氣體反壓微發(fā)泡注塑成型參數(shù)設定如表1所示。
3.5 測量及表征
為了更好地對比不同模具型腔氣體壓力對微發(fā)泡注塑件表面質(zhì)量的影響，分別選用直接觀察、表面光澤度測量和表面粗糙度測量三種方式進行塑件的表面質(zhì)量表征。微發(fā)泡注塑件表面光澤度測量選用中國天津市金孚倫科技有限公司生產(chǎn)的JFL-BZ60°光澤度儀。使用白光干涉儀(WykoNT9300)進行不同工藝參數(shù)下微發(fā)泡注塑件表面粗糙度的測量。塑件表面光澤度和表面粗糙度測量位置如圖5b所示的P1～P9，計算每個成型工藝條件下塑件九個位置測量數(shù)值的平均值作為塑件整體的表面光澤度值和表面粗糙度值。
4 試驗結(jié)果與討論
4.1 表面觀察
圖6給出了不同的模具型腔氣體壓力下微發(fā)泡注塑件表面觀察照片的對比情況。由圖6可以看出，模具型腔氣體壓力控制技術(shù)可以有效提高微發(fā)泡注塑件的表面質(zhì)量。隨著填充過程中模具型腔氣體壓力的增大，微發(fā)泡注塑件表面的螺旋紋及銀紋逐漸減少直至消失，塑件的表面視覺效果逐漸變好。氣體反壓工藝對微發(fā)泡注塑產(chǎn)品表面質(zhì)量的影響主要包括兩個方面，一方面，氣體反壓工藝影響發(fā)泡熔體的泡孔成核和泡孔長大，另一方面，氣體反壓工藝影響熔體流動前沿的泉涌效應。
圖7給出了微發(fā)泡注塑成型過程中模具型腔氣體壓力對微發(fā)泡塑件成型過程中前沿泡孔的影響機理。由式(1)、(2)和圖7可以看出，在微發(fā)泡注塑成型過程中，提高模具型腔氣體壓力可以有效提高形成臨界泡孔所需克服的臨界自由能壘，降低熔體前沿的形核速率。同時，模具型腔氣體壓力的提高能夠增大泡孔破裂所需要的泡孔內(nèi)壓力。當模具型腔氣體壓力較小時(本文為1MPa和2MPa)，熔體流動前沿的部分泡孔仍會發(fā)生破裂行為，從而形成塑件表面的螺旋紋及銀紋缺陷；當模具型腔氣體壓力較大(本文為3MPa和4MPa)，并且超過泡孔破裂的臨界熔體壓力值(pa)時，熔體流動前沿的泡孔破裂行為將被完全抑制，從而成型表面視覺效果良好的、無任何螺旋紋及銀紋缺陷的微發(fā)泡注塑產(chǎn)品。
圖8給出了常規(guī)微發(fā)泡注塑工藝和氣體反壓微發(fā)泡注塑工藝中熔體流動前沿的泉涌效應對比。由圖8可以看出，氣體反壓工藝可以減小熔體前沿的泉涌效應，有效降低流動前沿熔體的剪切速率，從而減少了模具型腔表面的因剪切效應發(fā)生破裂的氣泡數(shù)量，最終提高了成型產(chǎn)品的表面質(zhì)量。
4.2 表面光澤度
試驗獲得的微發(fā)泡注塑成型過程中，模具型腔氣體壓力對微發(fā)泡注塑件表面光澤度的影響規(guī)律如圖9所示。由圖9可以看出，提高模具型腔氣體壓力可以大幅度提高微發(fā)泡注塑件的表面光澤度。當模具型腔氣體壓力達到一定值(本文為3MPa)后，模具型腔氣體壓力的提高對微發(fā)泡注塑件表面光澤度的影響較小。
熔體填充過程中流動前沿破裂的泡孔形成的塑件表面螺旋紋及銀紋缺陷是影響微發(fā)泡注塑件表面光澤度的主要因素。在氣體反壓微發(fā)泡注塑成型工藝中，提高模具型腔氣體壓力，可以有效抑制熔體填充過程中前沿泡孔的破裂行為，從而大幅度提高塑件的表面光澤度。當模具型腔壓力達到一定的臨界值(pa)時，熔體流動前沿的泡孔破裂行為被完全抑制，塑件表面螺旋紋及銀紋缺陷完全消失，在此基礎上模具型腔氣體壓力的提高對微發(fā)泡注塑件表面光澤度影響不大。
4.3 表面粗糙度
圖10所示為試驗獲得的模具型腔氣體壓力對微發(fā)泡注塑件表面粗糙度的影響規(guī)律。由圖10可以看出，提高模具型腔氣體壓力可以有效降低微發(fā)泡注塑件的表面粗糙度。但當模具型腔氣體壓力達到一定值(3MPa)后，模具型腔氣體壓力對微發(fā)泡注塑件表面粗糙度已幾乎沒有影響。
在氣體反壓微發(fā)泡注塑成型工藝中，模具型腔氣體壓力對塑件表面粗糙度的影響主要有以下幾個方面。首先，模具型腔氣體壓力的提高可以有效減少微發(fā)泡注塑件表面螺旋紋及銀紋缺陷，從而大幅度降低塑件的表面粗糙度。其次，氣體反壓工藝有助于減小模具型腔表面加工粗糙度對成型塑件表面粗糙度的影響，其影響機理如圖11所示。在氣體反壓工藝中，模具型腔表面的加工凹槽內(nèi)部會存有一定壓力的氣體，可以有效阻止填充過程中熔體的進入，從而提高塑件表面的整體平整程度，有利于降低塑件的表面粗糙度。第三，氣體反壓微發(fā)泡注塑成型過程中，較高的模具型腔氣體壓力對熔體具有一定的保壓補縮作用，可以減小塑件填充過程中因冷卻而產(chǎn)生的表面收縮，有利于提高塑件表面的平整度，同樣可以降低塑件的表面粗糙度。
5 應用
對于氣體反壓微發(fā)泡注塑工藝，當模具型腔氣體壓力控制裝置的加壓能力一定時，所需的模具型腔氣體壓力越大，模具型腔氣體的加壓時間越長，意味著注塑生產(chǎn)周期越長。由以上研究內(nèi)容可知，對于本文所選用的ABS材料，當模具型腔氣體壓力為3MPa時，微發(fā)泡注塑件表面已無螺旋紋及銀紋缺陷，獲得的塑件具有較高的表面光澤度和較低的表面粗糙度。綜上考慮，使用3MPa的模具型腔氣體壓力進行此醫(yī)學器械外觀產(chǎn)品的實際生產(chǎn)，圖12為實際生產(chǎn)的常規(guī)微發(fā)泡注塑產(chǎn)品和氣體反壓微發(fā)泡注塑產(chǎn)品。由圖12可以看出，常規(guī)微發(fā)泡注塑產(chǎn)品表面存在大量的螺旋紋和銀紋，而氣體反壓微發(fā)泡注塑工藝獲得的產(chǎn)品表面光滑，無任何螺旋紋和銀紋。因此，采用氣體反壓工藝和微發(fā)泡注塑工藝相結(jié)合的方法可以有效提高微發(fā)泡注塑產(chǎn)品的表面質(zhì)量，獲得可直接使用的微發(fā)泡注塑外觀產(chǎn)品。
6 結(jié)論