先进注塑模具技术的发展分析

先进注塑模具技术的发展分析

家电模具国家工程技术研究中心

    模具是现代制造业的重要基础装备，被誉为“工业之母”。高水平的工业产品离不开高水平的模具。模具技术已成为衡量一个国家产品制造水平的重要标志。近年来，中国模具行业发展成绩斐然，行业总体水平提高较快，主要反映在技术含量较高的中高档模具比例持续上升，科技进步明显，产品质量档次有了较大提高。

     塑料模具在模具市场占有率最高。其中，注塑模具在整机零部件占比、模具技术复杂程度、模具市场占有率等各项对比指标中处于领先地位。“十二五”期间，我国注塑模具领域应重点打造可持续发展能力，开展注塑模具技术创新，解决行业发展的瓶颈问题。通过研发高品质外观、高效生产、绿色制造、制造轻量化等类型的先进注塑成型工艺及新型模具结构，提升我国注塑模具技术在国际高端模具领域内的竞争力。

    一、高品质外观注塑模具

    随着社会的发展进步，时尚、绚丽的高品质外观产品越来越受到消费者的青睐，成为市场的主流。此类产品离不开高品质外观注塑模具，如双色注塑模具、高档饰纹类模具等，满足了消费者对高端、时尚产品的需求，具有广阔的市场前景。

    1.双色注塑模具

    该技术的成型原理是将两种不同的塑料在注塑机两个料筒内分别塑化，通过注塑机顺序注射和模具型腔转换，将两种熔料分别注入模具型腔，成型出表面具有两种颜色的塑料制品。根据双色注塑机中旋转结构的不同，双色模具主要分为转盘式、转轴式、转塔式三种类型。

    (1)转盘式双色模具如图1所示，由两套定模不同、动模相同的模具在垂直平面按上下或左右方向排列，两定模安装在注塑机定模板上，两动模安装在注塑机转盘上。两料筒位于注塑机同侧，与两定模对应上下或左右排列。转盘式双色模具主要适应于中小型双色制品的生产，如冰箱双色装饰条、汽车天窗防护件等。

    (2)转轴式双色模具如图2所示，由一副模具组成，型腔的一侧用于成型单色半成品，另一侧用于成型双色成品。模具中定模两腔结构不同，动模两腔结构相同，分别安装在注塑机的定模板和动模板上。动模被分成两部分，一部分是旋转块结构，与注塑机的转轴相连接，用来成型制品的单色半成品；另一部分固定，用来成型双色成品。两料筒布置在注塑机同侧，分别与双色模具定模的两型腔浇口相对应。转轴式双色模具主要适应于产量大的小型双色制品，如双色牙刷、手机壳等。

     (3)转塔式双色模具如图3所示，由两副定模相同、动模不同的模具沿注塑机开模方向并排安装在注塑机中，两套模具按倒装形式设计，成型单色半成品的模具动模和成型双色成品的模具动模分别安装在注塑机动模板和定模板上，两定模分别安装在位于注塑机中间转塔的垂直模板两侧。注塑机两料筒分布在注塑机两侧，从注塑机定模板和动模板两个方向注射。注塑成型单色半成品后，转塔水平旋转，带动模具两定模在水平面进行旋转换位180°，合模后成型双色成品。转塔式双色模具适应于大、中型双色制品的生产，如大型双色空调面板、电视前壳等。

     2.双色注塑模具的关键技术

    双色注塑模具的关键技术包括热流道系统的设计、模具转换机构、模具型腔加工精度、模具注塑工艺控制及排气系统设计等。

    产品造型的复杂化使双色注塑模向大型、深腔、高亮、控光的方向发展，如采用双色注塑工艺空调面板、滚筒洗衣机面板等。

    二、高效生产注塑模具

    模具注塑生产效率低严重影响了塑料制品的产量，提高了单件成本，造成整款产品的高成本。企业缺少创新技术满足市场需求的突然放大，只有扩大规模来占领市场，这样给企业造成很大风险，严重影响行业的发展，使企业不得不在占领市场与扩大规模之间博弈。据统计，汽车内饰中有90％的零件是注塑成型，家电产品中有70％的零件是注塑成型。所以，模具注塑生产效率将直接影响产品的交货期。高效生产注塑模具技术包括叠层注塑模具、自动化送料注塑模具等技术，采用新型模具结构、模具自动化装置等技术创新，大幅度提高注塑生产效率，有效解决上述注塑制造行业的瓶颈问题。

    1.叠层注塑模具

    叠层注塑模具是区别于普通注塑模具的一种新型模具形式，是在一副模具中将多个型腔在合模方向重叠布置，这种模具通常具有多个分型面，每个分型面上可以布置一个或多个型腔。简单地说，叠层模具就相当于将多副单层模具叠放在一起，安装在一台注塑机上进行注塑生产。

    叠层注塑模具结构上由叠层模具热流道系统、专用模架系统、承载导向系统、双向顶出系统和开合模联动系统等多个系统组成（见图4）。

     2.叠层模具技术的特点

     叠层模具技术具备以下特点：

     (1）叠层模具的生产效率超过普通单层模具一倍或多倍，大幅度降低注塑生产成本。从叠层模具的结构特点来看，叠层模具将多副型腔组合在一副模具中，利用普通注塑设备即可满足生产，模具的充模、保压和冷却时间与单层模具相同，因此生产效率将超过普通单层模具一倍甚至多倍，大大提高制品单位时间的产量。

     (2）装在与单层模具要求相同的注塑机上，无须投资购买额外的机器和设备，从而节约了安装机器、设备和扩建厂房、新增劳动力的费用。

     (3）叠层模具的制造要求基本上与普通模具相同。据统计，一套双层叠层模具的制造周期比两套单层模具的制造周期缩短5％～10％。

     (4）叠层模具适用于大批量生产的制品，批量越大，制品生产成本越低。叠层模具技术可以广泛应用于家电、汽车等产品塑料零件的制造，如洗衣机外桶盖、上盖，空调面板，汽车的门板、地图袋等。发展叠层注塑模具技术可以有效解决我国注塑制造行业的瓶颈问题，促进行业的转型升级，因此被列入科学技术部、工信部等四部委联合发布的《重大技术装备自主创新指导目录》。

     三、绿色制造注塑模具

     为贯彻实施国家积极倡导的“绿色制造”的发展路线，实现注塑生产向低碳、节能减排的方向良性发展，应大力发展绿色制造模具技术。其中，高光免喷涂模具、一体注塑模具是绿色制造模具的重要发展方向。

     1.高光免喷涂模具

     高光免喷涂模具技术是通过提高模具表面温度消除产品表面因熔接线、波纹等引起的外观质量缺陷，实现产品表面无需喷漆即可拥有镜面效果，达到绿色、环保的目的。

     高光免喷涂模具在注塑前，模具的成型部分需要升温至90°～120°，从而使射入的熔体在填充过程中，保持均衡的温度、较强的流动性和较小的压力降，从而消除熔接痕、气痕等缺陷，使制品表面实现高光亮度。型腔填充完成后，加热系统与冷却系统进行切换，在模具冷却系统的作用下，制品快速冷却固化，温度降低至顶出温度以下。提高模具型腔表面温度的方法主要有高温油加热、蒸汽加热、电热管加热、高频电磁感应加热等加热方式。

     (1）高温油加热方式是一种采用高温热油为介质，在模具上做均衡的油路，当模具空腔的时候便开始注入热油，使模具型腔位置达到设定温度，保证成型材料快速填充型腔，在注塑机完成保压后，将热油变换为冷油，从而快速降低温度，模具温度很快下降到设定值后开模，完成整个注塑过程。

     高温油加热方式的优点是控温范围大，可实现0～350°的温度控制，载热量大、热稳定性好，但是导热油需更换和防火，存在冷却速度慢、设备投入大等问题。

     (2)蒸汽加热方式采用高温热蒸汽作为介质，模具内部设计均衡的管道，加热时通入蒸汽，冷却时切换为低温水，实现模具表面的加热或冷却（蒸汽加热前一般还需要用压缩空气将管道吹干）。高温高压蒸汽加热系统可使模具表面的最高温度达到160℃。蒸汽加热方式主要用于大型制品的高光免喷涂模具，但由于生产过程中蒸汽不可循环利用，需要安装锅炉设备和铺设管道等，致使其运行成本偏高。

     (3)电加热方式是利用模具局部安装高效电加热装置，使模具型腔位置达到相当高的温度，保证成型材料在高温时快速填充型腔，并在成型材料冷却的同时快速降低模具温度，以获得产品非常高的表面质量效果。电热管加热速度较快，控制温度范围可达350℃，利用该加热系统，15s就可将模具温度加热到300℃，然后15s又能将模具温度冷却到20℃。电加热方式主要用于生产中小型精密制品。由于加热丝反复快速加热，配件性能要求很高，模具使用寿命是瓶颈问题。

     (4）高频电磁感应加热方式是本领域的一种新型的加热方式，根据电磁感应原理使工件的温度升高。由于集肤效应，在工件表面上产生的涡流最强，而在内部很弱，到芯部接近于零。因此这种方法可只对工件表面至集肤深度范围加热，因此加热体积小，升温速度快，加热速度在20℃/s以上。表面加热完成后，再搭配快速低温冷却设备，可达到模具表面快速加热、冷却的效果，实现变模温控制。此项技术已在中小型、扁平制品的模具上实施，但因受到加热器形状的限制，对于深腔、大弧度的产品还处于研究阶段。

     目前，高光免喷涂模具技术应重点研究低成本快速加热方法提高生产效率、简化模具结构、降低模具成本、提高制品表面硬度等课题，扩大该技术的应用范围。

     2. 一体注塑模具

     将膜片、皮革、网、布料等表面装饰层与塑料结构本体一体注塑成型的模具统称为一体注塑模具。该技术可减少生产工序，避免黏合、喷涂等高污染的表面处理工艺，实现模具的“绿色制造”。模具一体注塑技术主要有模内转印、模内注塑、皮革/布料一体注塑等多种模具类型。

     (1)模内转印模具（简称IMD），是在定模和动模之间吸附有凹版印刷制成的胶片，并且在注塑的同时将胶片表面的油墨层转印到注塑件上的注塑方式。模具采用倒装结构形式，并配有送料装置、离心泵吸气装置等。模具生产时通过卷轴状送料机自动送料，由模具夹持、吸引装置通过排气槽将胶片吸附在凹模腔内，合模后注塑，将油墨层转印到塑件上。

     (2)模内注塑模具（简称IML），是将油墨网印形成的具有各种图案的高分子片材（一般为PET）放于塑料模具中，将此膜片和塑料制品经注塑结合。膜片的最外层是一次透明PET基材，油墨丝印于中间层，底层是粘合胶。注塑成型后制品外表光亮美观，具有优良的抗刮性和耐化学性（见图5）。此类模具是包括刀模、热压成型模、裁边模、注塑成型模的多工序模具。

     模内注塑模具技术的关键环节是膜片的预成型。目前，深腔复杂制品的膜片成型技术还不成熟，制品表面的质量合格率低，应重点研究膜片的材料、成型、定型技术，以提高制品合格率。

     (3)皮革/布料一体注塑模具，是在模具型腔内嵌入无纺布、PVC、真皮等内饰材料，随后在嵌件的内侧注入塑料熔体，熔体在成型时与内饰材料接触并熔合在一起，生产出表面覆盖装饰材料的塑料制品。

     皮革/布料一体注塑模的结构分为多点顺序阀热流道系统、倒装模架系统、面料挂针机构、面料压块机构、电控柜顺序控制系统、模具冷却系统等。模具动作过程是：开模后，面料挂针弹出，挂住装饰材料四个角。模具合模，达到一定间隙时，面料压块弹出，同时面料挂针缩回，面料压块以恒定的压力均匀地压住装饰材料的边缘，使其固定在型腔中，完全合模后，面料压块全部缩回，熔融塑料注射入型腔中，冷却成型后与装饰材料牢固地黏附在一起，实现一体注塑成型。

     皮革/布料一体注塑模具有如下的显著优点：

①注塑工艺只需一次成型，因而具有很高的加工效率，并可节省高达15%～30%的成本。

②环保型工艺，在模内粘合的过程中不需要添加任何粘接剂，使用中不会释放挥发性有害气体。

③表面装饰层与模塑件之间具有很强的黏附力，使用中不会脱落或开裂，手感舒适。

    一体注塑模具技术广泛应用于家电、电子、汽车内饰等领域外观制品的制造，如洗衣机控制面板、空调面板、手机外壳、汽车AB柱、控台等。

    目前，一体注塑模具技术需要重点研究注塑生产自动化提效、制品表面质量提高、表面装饰材料研发等课题，解决技术推广应用的瓶颈问题。

    四、制品轻量化注塑模具技术

    制品轻量化注塑模具技术是指模具所生产的制品在保持原有外部形状及原有力学性能的基础上，减轻产品重量，降低能源消耗。在注塑模具技术领域，主要发展方向有微发泡注塑成型、模具注塑后压缩成型等。

    1.微发泡注塑成型

    该工艺主要靠气孔的膨胀来填充制品，并在较低且均匀的压力下完成制件的成型。由于制品内部几乎没有残余应力，制品的翘曲和变形可以得到很好的控制，保障了制品尺寸的合格率，提高了产品的装配质量，同时，微发泡注塑成型可以使制品减重10%以上，降低制品原材料的成本。

    微发泡注塑成型是利用发泡装置，将超临界流体射入料筒搅拌区，采用特殊螺杆切碎超临界流体，使之与热熔胶充分溶解，形成单相溶体。单相溶体必须保持在一定的高压下才不会离析，料筒设有单向止逆阀和开关式射嘴，从而在料筒前端的射出段形成一个密闭高压的区间。当注射时，开关式射嘴打开，单相溶体瞬间注入模具型腔开始发泡。由于温度和压力降低引发分子的不稳定性从而在制品中形成大量的气泡核，最后这些气泡核逐渐长大生成微小的孔洞，气体起到保压和减重的作用。

    微发泡注塑成型的关键技术主要集中在两方面，一是注塑设备的微发泡装置改造，包括安装发泡装置、更换特殊的螺杆和料筒等；二是微发泡成型工艺控制。该技术主要应用于产品的塑料结构件，在提高质量、降低成本、缩短成型周期方面效果明显。目前，不适用于透明制品、高要求外观制品的注塑成型。

    2. 模具注塑后压缩技术

    原理上是一种注塑成型和压缩模塑的组合成型技术，成型过程包括注塑和压缩两个阶段。该技术能增大注塑制品的流长比，降低塑料制品的残余应力，使其具有很高的尺寸精度。还可以生产难成型的薄壁塑件，实现注塑制品的轻量化。

    根据注塑零件的几何形状、表面质量要求以及不同的注塑设备条件，主要有三种后压缩方式，分别是顺序压缩、呼吸式压缩、局部压缩。

    (1)顺序压缩：其注射动作和模具型腔的压缩是按先后顺序进行的。注塑生产开始时，模具不完全闭合，留有约为零件壁厚两倍的型腔空间，开始注射动作，将树脂注入模具型腔，达到一定的入胶量后，模具开始闭合压缩至完全闭合，冷却成型。

    (2)呼吸式压缩：模具在注射开始时即处于完全闭合状态，注射时，塑料熔体保持在受压状态下流动，注射的同时模具同步打开一定距离，形成较大的型腔空间，而型腔内的熔料始终保持在一定的压力之下。当充填接近结束时，模具开始反向推合，直至完全闭合，完成后压缩动作。

    (3)局部压缩：注射时，模具完全处于闭合状态，模具内置的压缩滑块，在熔料注射时或注射完毕后，对型腔进行局部压缩。

    注塑后压缩模具的关键技术主要集中在压缩驱动装置的研制、注塑工艺的控制等方面。由于该技术能够成型高质量制品、薄壁制品，可以广泛应用于透明件模具、外观件模具等，具有广阔的市场前景。

    综上所述，模具技术的发展日新月异，我国模具企业要实现转型升级，必须加大对高端模具的研发投入，培养高端模具的研发能力，以提升企业核心技术竞争力，从而推动我国制造业的转型升级。