注塑成型的趋势科技

        摘要：热流道、一模多腔、气辅注射成型、超临界流体微发泡成型、模内标签和计算机辅助工程技术等注塑成型科技具备节能、省料、降本、环保、创新等特质，顺应时代的趋势和满足市场的需求。  但要把这些技术应用得当， 必须钻研认清相关工艺的物理本质，掌握正确的设计方法，使得各注塑成型趋势科技能够避短就长，充分发挥其优势。

一. 前言

        在原物料涨价、环保成为共识的大环境下，先进注塑成型技术获得业界的广泛重视。  本文就近来获得关注的热流道、一模多腔、气辅注射成型、超临界流体微发泡成型、模内标签和计算机辅助工程这几项注塑成型趋势科技，分别予以说明，并点出其优势、应用、问题与对策。

二. 几项值得重视的注塑成型趋势科技

1.        热流道(hot runner)

        说明：自喷嘴至浇口的熔胶传送系统(melt delivery system)的局部或全部在整个注塑周期中，以加热的方式保持塑料在熔融状态，此一保持塑料在熔融状态下的的熔胶传送系统称之为热流道(hot runner)系统。  该系统可经冷流道和浇口进胶型腔，也可直接进胶型腔。  若要控制进胶和断胶的时间，可在直接进胶的热流道系统的热嘴处采用阀式浇口(valve gate)。

       优势：(1)热流道的直径一般比较大，而熔胶在热流道中一直保持在高温状态，所以塑流流经热流道的剪切应力(shear stress)与压力降远较流经冷流道者低，而能将同质(相对同温同压)的熔胶送到所有的浇口，这对制品(尤其是薄壁制品)的高质量注塑成型以及更多型腔的模具开发是有利的； (2) 冷流道模具往往因为冷流道较之制品过于粗厚而使得周期时间太长，在此情况下，热流道因为本身不须冷却固化而使得周期时间缩短； (3) 冷流道有回收料的污染、降解等问题，热流道在材料的节省和品保的成效突显； (4) 阀式浇口和热流道的合并使用，可以改变充填模式(filling pattern)，消除或转移熔接痕(weld lines)、气穴(air traps)等的功能。

        应用：热流道模具在先进国家的应用已然成为主流。  对于多型腔或/和薄壁型腔模具而言，热流道的应用日趋广泛。

       问题与对策：降解(degradation)、流涎(drooling)、堵料(blocking)等。  可藉良好的制品、模具与工艺设计防患于未然。

2.        一模多腔(multicavity)

       说明：一模多腔。 热流道、熔胶翻转器(melt flipper)、堆迭模(stack mold)、T-模(tanden mold)都有助于一模更多腔的模具开发。

      优势：(1) 使用较少的模具、注塑机、场地和操作员； (2) 提高生产力。

      应用：大多数注射模具。

      问题与对策：流动不平衡(unbalanced flow)产生的短射(short shot)、溢料(flash)等。  良好的制品、模具与工艺设计可以将困扰降到最低。

3.    气辅注射成型(gas-assisted injection molding)

        说明：在型腔填满或大部分充填满以前与传统的注塑成型相同，在型腔快要填满时或型腔刚填满后不久，从熔胶注射切换到氮气注射，氮气顺沿(并入制品设计的)气道(gas channels)进行穿透(penetration)，以完成充填和保压的工作。

       优势： (1) 气道如同导流道(flow leader)，使得熔胶充填的压力降大为降低， 加上超低黏度的氮气穿透的压力降可以忽略不计，气辅注射成型所须的射压和锁模力显着降低，锁模力降低30%到50%的案例比比皆是； (2) 氮气所过之处压力基本相同，只要气道设计得合理，型腔内的塑料基本是被相同的压力填压，收缩均匀、残余应力低、制品尺寸精准稳定；  (3) 制品粗厚处可设计成气道或气腔，使得制品设计不再受限于均一壁厚的原则，产品设计的自由度大为提高； (4) 可将大小厚薄不同的零件一体成型，减少最终产品(end product)的零件数目、所须模具数目以及装配站的数目； (5)气辅注射成型制品的设计可以遵循局部加厚(作为气道和加强筋)与全面打薄(壁厚)的原则，达到省料和减重的目的。

        应用：粗厚件如手柄等、板框件如计算机外壳、电视面框、汽车仪表盘等。

        问题与对策： 气体穿透不均(uneven gas penetration)造成的缩痕、变形、气痕、吹穿(blow through)。 可藉良好的制品、模具与工艺设计消弭祸源于未生。

4. 超临界流体微发泡成型(super critical fluid micro molding)

       说明：将超临界流体如氮气或二氧化碳注入注塑机的料筒(barrel)中，超临界流体和熔胶在料筒内形成单相流体，该流体通过高压力降的喷嘴(nozzle)时产生10到50微米的微泡，微发泡的熔胶完成充填和保压的任务。

       优势：(1) 微发泡的熔胶黏度低、压力降小，残余应力低，具备气辅注射成型的大部分优点； (2) 不需要设计气道，较之气辅注射成型，超临界流体微发泡成型的制品和模具设计容易。

        应用：须要尺寸精准稳定的制品(如打印机的内部制品、电圆锯的机筒、电扇的叶片等)、需要减重的制品。

        问题与对策：表面有细微、紊乱的银纹。  可采用改性料和高模温减轻或消除上述银纹，也可以模内标签(见后述)的方式遮盖银纹。  当然，对透明件而言，此一工艺是无能为力的。

5. 模内标签(in-mold decoration)

        说明：开模时，置入印花的薄膜(film)或薄壳(preform)，关模后在薄膜或薄壳的后方注射熔胶，形成一体的制品。

        优势：(1) 避开高成本、低合格率、有环保顾虑的喷涂工序； (2) 将颜色、图案变化多端的外观面皮与满足多功能要求的塑料殻体一体成型，是把几个工序在模具内一次完成，省时、省工又环保。

        应用：外观面起伏变化不大的制品都可适用。

        问题与对策： 薄膜或薄壳与后继而至的熔胶熔合不当产生的冲花、溢料、剥离等问题。  可藉良好的制品、模具与工艺设计正本清而一劳永逸。

6.  计算机辅助工程(computer aided engineering 或CAE)

        说明：借助计算机软硬件仿真(simulate)制程(process)的某一阶段(如充填、保压、冷却等)，从模拟的结果(如熔接痕的位置、流动平衡与否、熔胶压力和温度、剪切应力、锁模力、缩痕指数、体积收缩率、动定模模温差、变形量等)可以帮助我们找出问题的症结和对策。

       优势：(1) 传统注射成型有所不足，新的制程如气辅注射成型、共射成型(co-injection molding)、多色(多料)注射成型(overmolding)等不断推陈出新。  开发新产品耗时花钱， 有了CAE，可以在计算机上试模，省时省钱，提升竞争力。

       应用：成功的CAE应用已经成为注塑行业品质的保证。

       问题与对策：好的CAE工程师培育不易。  可由政府和产业拟定奖励措施并积极推动，在较短时间内育成足够的专才。