目前,家用電器正在朝著重量輕、結構緊湊、多功能、智能化、個性化、節能化、健康無污染的方向發展,此外,新品種和非電器類家用器具的電氣化也是不可忽視的發展方向。通常,家用電器對塑料的共性要求是絕緣和阻燃,同時,由于家用電器在其發展中具有一些很明顯的特點,如換代快、要求成本盡可能低等,因此往往需要家電用塑料和原料向著高性能和一般性能兩個方向分別進行改進。
高性能塑料可通過對通用塑料的工程化、通用工程塑料高性能化以及特種工程塑料改性來實現。一般性能塑料則通過低成本改性技術、原料替代、專用料等方法來實現對性能和成本方面的要求。塑料助劑除繼續開發新型品種外,母料化和復合化是其主要發展方向。塑料加工裝備則向針對某種具體產品加工的專用化方向發展,并且這種專用化設備是由專用料供應商和裝備供應商互相配合而共同開發的。
新技術、新材料、新設備、新加工方法在家電塑料制品成型過程中得到大量應用,它們對制品成型、表面裝飾、表面性能、視覺、感官和觸覺提升至關重要,是家電行業產品換代、轉型、晉級的途徑之一。
在白色家電產品的外觀件制造領域,塑料加工和裝飾技術一直采用傳統的普通注塑、覆膜、噴涂、絲印、電鍍工藝,設計思路、產品外觀變革都約束在此框架中。面對新一輪發展,有些家電公司近十年前就對模式潮流、產品外觀設計、外觀時尚、色彩&材料技術創新實施深耕,現階段如何突破新技術、新材料及工藝的瓶頸,仍是提升產品力和產品價值空間要考慮的項目和課題。
已在手機、汽車、電腦、電視上成功應用的塑料裝飾注塑工藝如,模內裝飾(IMD、IML、IMR)、雙色、壓縮注塑、高壓蒸汽變溫模具注塑等工藝技術,目前在白色家電領域的應用甚少。該類注塑技術是材料創新、外觀裝飾技術突破的共性技術,是直接將外觀裝飾、材料、價值以及視覺引向時尚、市場的手段。
本文第一部分將重點介紹家電塑料制品成型相關的技術。
◆覆膜(注塑)成型技術
覆膜(注塑)成型技術又稱模內注塑,在國外的應用已比較成熟。使用該技術時,需要在注塑前將專用印花裝飾塑料膜夾在模具內,然后注塑成型。印花膜受熱變形后可貼合在塑件表面,不但美觀牢固,而且還省去了后裝飾步驟。
模內注塑工藝包括有塑料制件表面裝飾的多種工藝方法,在模內織物、薄膜或彩飾層壓制品同樣要采用這種特殊工藝技術,如模內裝飾(IMD)、模內貼標簽(IML)和IMD-3D(三-維模內裝飾)等技術。不同的生產廠商生產出的產品具有相同的特點,就是將軟質片材或織物基料與注射制件構成一個復合制件。基料可采取連續供料方式或者將已裁切好的裝飾材料嵌入模內。為了使裝飾材料有更大的變形量,可將熱成型方法結合到注射成型方法中,或者作為一個額外處理工序放到產品生產線上。在生產福特(Ford)Focus牌汽車的儀表板時,將一塊尺寸大小切裁合適的定型片材嵌入模具內,再與襯料一起成型。目前,汽車內飾板已廣泛使用模內層壓織物制件。在模內織物層壓生產工藝過程中,由于熔體流動會造成模內層壓基料嚴重變形。所以為了避免過度的拉伸力或剪切力而引起織物基料的拉伸變形、起皺和損壞,應降低注射壓力,嚴格控制熔體的流動速度,采取逐級注射方法和合理的澆口設計。所以,模內層壓和熔融積附工藝都應采用低壓生產工藝。
一種具有軟質手感粒面效果的塑料構件就是采取多步驟工藝生產出的新型產品,適用于汽車內飾板、中心儀表板和前壁板的生產成型。這種塑料板材的生產,首先是由印有花紋的墊塑性聚烯烴(TPO)面層、PP泡沫層和PP阻隔層用熱成型方法粘結成型,接著將復合板材放入模具內,再注射PP制得最終的復合組件。
◆電磁動態注塑成型技術:這是由華南理工大學瞿金平先生發明的。該技術通過電磁力的作用使螺桿在軸向產生往復振動。由于在預塑化階段使塑料得以微觀塑化,從而使保壓階段的塑件結構更密實,并減小了制品的內應力。這一技術可用于成型要求較高的制品如光碟。當被用于普通制品的成型時,可提高制品的質量。
◆氣輔、水輔注塑成型:該注塑工藝用途廣泛,可成型多種類型的注塑件。注塑時,可將氣體或過熱水與塑料熔體幾乎同步地注入型腔中。此時,塑料熔體將氣體或過熱水包覆,成型的塑料制品為夾層結構,塑件定型后排出氣體或水即可脫模。此類制品具有省料、收縮小、外觀好、剛性好的優點。成型設備的關鍵部分是氣輔或水輔裝置及其控制軟件。近年來,國內雖然對此研究較多,應用速度也較快,但國產設備的穩定性尚有欠缺。
◆熔芯注塑技術:通常被用于成型對空腔粗糙度和精度要求較高的、不能用中空成型或旋轉成型方法加工的異型空腔制品。目前,該技術在國外的應用已比較成熟,但在國內尚處于個別應用狀態。該技術的加工原理是:先成型出構成空腔的芯型,然后再用芯型作為嵌件注塑成型。在注塑件的加熱作用下,使芯型熔化流出,從而形成了空腔。使用該技術最重要的一點是需要掌握好芯型材料和塑件的熔點。通常,芯型材料可根據具體情況而選用通用塑料、熱塑型彈性體或低熔點金屬如鉛、錫等。
氣輔、水輔注塑成型管道
熔芯成型法當中,型芯僅僅作為模壁。充模過程不因固態嵌件而改變。由于金屬合金型芯或聚合物型芯的熱性能大不一樣,故其所要求的壓力也有所不同。聚合物型芯起到隔絕壁的作用,并且在成型制件中產生非常薄的流體表皮;金屬型芯成為散熱點而在制件上形成相對厚的流體表皮。
◆快速成型技術(快速原型):快速成型技術近年來炙手可熱,又稱3D打印成型技術,是一種立體的打印技術(3D Printing)。你可以把它想象成是辦公室或是家里的噴墨打印機,只是它印完一層之后會再迭上另一層,重復這樣的動作之后,就可以把平面的物體迭成立體的形狀。
它是伴隨著家電品種的多樣化方向發展以及不斷的更新換代而快速發展起來的,主要用于制備家電用塑料外殼模板模型制作。這一技術的優點在于,不需要模具即可實現塑件的小批量生產。目前,比較成熟的快速成型方法有激光掃描成型和液體光固化成型。激光掃描設備是由激光光源、掃描裝置、撒粉裝置和計算機組成。其加工過程是,由計算機控制的激光頭按一定軌跡進行掃描,在激光經過的位置上,塑料微粉受熱熔化并粘結在一起,其中激光掃描完成一次,微粉裝置就撒一層薄粉,這樣,經過反復掃描,就形成了具有一定形狀和尺寸的制品。現在,國內已經大量生產激光掃描成型機、3D打印機和塑料微粉、耗材,但設備性能多樣化,微粉、耗材的品種牌號名目繁多。例如:在一張方凳SOLID S1 的設計里, Patrick Jouin 則應用了另一種常見的快速成型技術SLS (Selective Laser Sintering),他讓整張凳子布滿了細胞組織般的形體,中間則由植物根莖般的支柱撐起整個結構。
◆多層復合注塑:借助模流分析以及材料的高流動性和色彩設計,Myto椅以三點進膠完成塑料的射出,得到三色復合的外觀效果。
◆變模溫無流痕高光免噴涂注塑成型:高光無熔痕注塑技術,采用高溫高壓水蒸汽(或熱水或電加熱),將模具快速加熱到一定溫度后,在模腔中注入塑膠,完成保壓后快速冷卻至塑件出模溫度,完成一個注塑過程。該技術可使塑件表面無熔痕、無拉白、無頂白、無頂裂、無氣泡、無毛刺、無飛邊、無云紋、無流痕、無皮紋發白等缺陷。具有超高光澤度,可達到鏡面效果。該技術可直接取消噴涂工藝,不僅節省能源、材料、車間、設備與人力,降低注塑生產成本,而且顯著減少因涂等工藝造成的環境污染和對人身健康的危害,是一種節能減排的綠色注塑新技術。
精確控制模溫是實現免噴涂高光注塑成型的一大關鍵,目前使用較多的溫控技術有如下幾種:
1.用油加熱的高溫模溫機
模溫可被始終維持在恒定溫度,優點是成本低、使用方便,但在模具設計上要考慮好熔接線的處理,同時對材料的流動性要求也相對更高。該種模溫機主要應用于對外觀要求稍低的產品。
2.蒸汽加熱的快速模技術
這是較早用于塑料高光無痕成型的一種技術,其工藝原理是:在合模前及合模過程中對模具進行蒸汽加溫,合模完成后,溫度達到設定條件即可進行注射;注射過程中模具繼續維持高溫,這樣可使膠料在充模過程中保持很好的流動性;注射完成,在保壓冷卻時,用低溫水對模具進行降溫處理,以便縮短制品的冷卻時間,提高生產效率。
該工藝需要鍋爐快速產生足夠量的蒸汽,并能夠和注塑機信號互鎖,實現閉環控制,另外還要求材料耐熱性及相容性好。
采用該技術,模溫可以達到很高的溫度,不存在熔接線問題,同時可以提高產品表面硬度。但由于鍋爐投入較大,限制了該技術的使用。為此,目前市場上出現了無需鍋爐的快冷快熱一體機。
3.電加熱的快速模技術
這一技術以韓國NADA公司的E-MOLD(Electricity Mold)系統為代表,可實現超高溫模具的溫度控制,是快速加熱冷卻成型技術的最新進展。該技術利用電加熱在短時間內把模具的表面溫度加熱到很高,然后在幾十秒之內又能把溫度下降到50℃以下,從而幫助高光注塑成型順利完成。
E-mold技術使用方便,由控制器控制模溫,利用冷水來進行模具冷卻。
當模具開模取制品時,型芯開始加熱。加熱區域的溫度并不是始終如一,而是根據澆口等位置的設計來決定。當模具關閉時,加熱完成,同時射膠注塑開始。通過瞬間加熱,升高模溫,使得射膠時溶膠的流動性大大提高,從而可以較低的壓力成型。
較低的注塑壓力意味著降低了制品的內應力,進而使得制品的耐熱性和后加工性得到了提高。更重要的是,樹脂流動性提高,壓力降就會減少,使得產品不易出現冷料而導致表面出現熔接線、流痕等缺陷,大大提高了產品質量。
E-mold技術目前已被廣泛用于家電產品外殼的成型,尤其對于平板電視的前框、裝飾框、底座及后框的成型,已日漸成為主流。
4.其他模溫控制技術
包括高頻電磁感應加熱系統、紅外輻射加熱系統以及采用韓國TITAN技術的高壓水溫機在內的其他模溫控制系統,也在高光注塑成型中得到了應用。它們雖然加熱方式不同,但控制原理大同小異,并各有優缺點。
更薄、更時尚和更環保將是未來的產品設計方向,免噴涂高光無痕注塑成型技術預計將會得到更多的應用,并隨著塑料材料、模具以及注塑設備和成型技術的發展而得到不斷完善。
近期應用領域趨勢:空調、冰箱、洗衣機的外觀件,具有省去噴涂罩光過程、環保、性價比高等特點。可獲得不同顏色的單色高光或單色高光+金屬閃爍效果的制品。
表:變模溫無流痕高光免噴涂注塑成型工藝與產品外觀效果比較
◆雙色、雙料注塑現行技術
1. 一般雙色、雙料注塑成型
比較多見的雙色、雙料注塑的方法,其雙色注塑機具有兩種單獨的塑化裝置和傳動裝置,一個共享的鎖模裝置,須有公母模各二,其作動原理參見下圖,其中模具b之型腔較模具a大,首次注塑在模具a中成型,經充模保壓、冷卻定型,完成后開模,半成品留在模上,料頭自動脫落,再利用裝置回轉盤,將模具繞中心線作180度旋轉,進行第二階段注塑,完成第二種塑料的注射成型,然后完成脫模。
2. 三明治共注塑成型:依次將兩種不同熔融樹脂由同一個進料口射出成型。特性如下:
(1)可應用于肉厚的產品,以低價格之塑料為芯材,可降低材料成本,維持表面觸感并不影響整體強度。
(2)芯材使用導電性佳的塑料,可達到EMI防治的效果。
(3)不須多付模具,可節省模具成本。
(4)射出過程為依次射入不同種樹脂,所需成型時間節省有限。
(5)技術層次較高,芯材與表面層的厚度及分布明顯影響產品質量,須較高的技術層次以控制射出質量。
3. 同步復合注塑成型(SCI):由兩部注塑缸筒及附帶的兩個注塑噴嘴構成的注塑成型機,同步射出顏色、材質不同的兩種成型材料于同一模槽內充填,得到自由熔體交織效果。
圖 型芯旋轉式雙色注塑機結構示意圖
1-合模油缸;2-塑化注射裝置;3-料斗;4-定模;5-模具回轉板;6-動模
特性如下:
(1) 結合面結合強度佳,由于SCI法采同步射出兩種樹脂可以在模具內已熔融狀態結合,各結合強度較前兩者佳。
(2) 縮短成型時間,由于以往的雙色成型須作模具翻轉交換,或是模仁滑退的交替射出以完成射出成型動作, 需要兩次的成型周期,相較下SCI法僅需要一次的成型周期,可大幅縮短成型時間,大型零件尤其明顯。