1 概述

超聲波注塑成型，一家西班牙公司研制出了一種超聲波微型注塑機(jī)，它能夠生產(chǎn)出滿足嚴(yán)格原材料精度要求的塑料部件，同時(shí)還能免去螺桿或柱塞塑化的流程。定量的標(biāo)準(zhǔn)粒料加入模具后，通過(guò)完全基于超聲波的工藝在非常低的能量輸入條件下即可在幾毫秒內(nèi)熔化。

總部位于西班牙巴塞羅那的Ultrasion S.L.是全球塑料加工領(lǐng)域首家成功地結(jié)合了注塑成型生產(chǎn)和超聲波技術(shù)的公司。該公司成立于2010年，作為從西班牙FundacióAscamm基金會(huì)分離出來(lái)的獨(dú)立運(yùn)營(yíng)公司，專門(mén)從事大功率超聲波行業(yè)解決方案的開(kāi)發(fā)、制造和銷售，并將多年來(lái)的應(yīng)用研究成果（在歐盟資源的支持下獲得）轉(zhuǎn)變?yōu)槌暡ㄔ诟咝Ь酆衔锛庸つ芰縼?lái)源方面的優(yōu)勢(shì)。到目前為止，超聲波在塑料行業(yè)里主要用于焊接和切割。

2 利用USM技術(shù)實(shí)現(xiàn)節(jié)能

Ultrasion推出的第一款產(chǎn)品是適用于微型注塑成型應(yīng)用的緊湊型全電動(dòng)立式注塑機(jī)，稱為Sonorus，它采用超聲波進(jìn)行塑料部件生產(chǎn)-制造商使用的縮寫(xiě)是USM（超聲波成型）。以創(chuàng)新的超聲波系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的基于電阻的塑化單元，這顯著提升了該工藝的能源效率。此外，超聲波還大大增強(qiáng)了聚合物的流動(dòng)性能。從而以最溫和的壓力精確復(fù)制模腔的所有細(xì)節(jié)而不受注入材料的支配。

這款注塑機(jī)的主要組件是一個(gè)特殊的30kHz超聲波單元（由Branson Ultrasound提供），最大功耗為1kW。但是，USM工藝實(shí)際只用到一部分功率。超聲波由發(fā)射器產(chǎn)生，隨后經(jīng)過(guò)放大并通過(guò)特殊的探頭（超聲波發(fā)生器）供應(yīng)給粒料或熔體。此外還需在注塑成型過(guò)程中精確控制作用于聚合物的壓力以及三個(gè)伺服機(jī)械軸的位置，否則超聲波將無(wú)法正常發(fā)揮作用。

Sonorus超聲波注塑機(jī)通過(guò)高效、簡(jiǎn)單環(huán)保的工藝制造非常小的部件

Ultrasion在配備氣缸的樣機(jī)上展開(kāi)了第一次USM試驗(yàn)。但是，從一開(kāi)始就可以看出，該工藝明顯需要全新的方案來(lái)精確控制壓力和超聲波單元的位移，因?yàn)闅鈩?dòng)裝置無(wú)法滿足這些需求。為了使驅(qū)動(dòng)技術(shù)向伺服電機(jī)和精密滾珠絲杠轉(zhuǎn)換，控制策略必須經(jīng)過(guò)重新設(shè)計(jì)以獲得更高的重復(fù)精度和工藝穩(wěn)定性并提供更高品質(zhì)的注塑成型部件。

新開(kāi)發(fā)的控制系統(tǒng)（B&R, Berecker+Rainer IndustrieElektronik GmbH，位于奧地利埃格爾斯貝格）是成功的關(guān)鍵要素之一；另一要素是不同微機(jī)電系統(tǒng)和機(jī)器的集成—首先是進(jìn)料系統(tǒng)，它為每個(gè)周期提供了所需的精確粒料數(shù)量。

3 冷卻時(shí)間始于超聲波關(guān)閉之時(shí)

在每個(gè)周期過(guò)程中，定量的塑料顆粒（標(biāo)準(zhǔn)顆?；蛭⑿皖w粒）進(jìn)入模內(nèi)的小型塑化室。隨后，連接聲學(xué)單元的柱塞對(duì)顆粒進(jìn)行研磨并傳輸熱塑性聚合物分子熔化和流動(dòng)所需的能量。熔體經(jīng)過(guò)狹窄的澆口進(jìn)入型腔。

機(jī)器的最大注射壓力是300巴；注射量約為1立方厘米。注射速度與此無(wú)關(guān)，只要超聲波開(kāi)啟，材料始終是液態(tài)形式。冷卻時(shí)間從超聲波關(guān)閉之時(shí)開(kāi)始計(jì)算。隨后，聚合物固化，部件在開(kāi)模時(shí)立即移走。澆道本身比傳統(tǒng)注塑機(jī)的澆道小，這也是能源和材料節(jié)省的另一個(gè)原因。在首次應(yīng)用過(guò)程中，機(jī)器的周期時(shí)間與傳統(tǒng)的成型時(shí)間大致相當(dāng)。

沒(méi)有螺桿，沒(méi)有氣缸，沒(méi)有加熱，塑料的塑化以超聲波為主要能量來(lái)源

機(jī)器的設(shè)計(jì)和控制與我們所熟知的工藝變化不大，它適用于最高30千牛的鎖模力并且不經(jīng)加熱即可啟用。某些我們不太熟悉的術(shù)語(yǔ)，諸如振幅和頻率，在該工藝控制過(guò)程中發(fā)揮著核心作用。此外，機(jī)器和工藝的控制只需少數(shù)幾個(gè)參數(shù)，這幾個(gè)參數(shù)隨著不同的材料和應(yīng)用而變化，從而使操作更為簡(jiǎn)單。

通過(guò)對(duì)機(jī)器參數(shù)進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，Ultrasion已經(jīng)對(duì)半結(jié)晶和非晶材料展開(kāi)了廣泛的試驗(yàn)，其結(jié)果非常良好。例如，2014年1月，在瑞士盧塞恩塑料展覽會(huì)上，帶兩腔模具的機(jī)器在15秒的周期時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)出了助聽(tīng)器的PP部件（部件原本通過(guò)PEEK加工成型）。人們?cè)谠囼?yàn)中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)材料可輕松地進(jìn)行加工；標(biāo)準(zhǔn)聚合物通常不需要模具冷卻。但是，材料必須是現(xiàn)成可用的粒料，并且不能加入母粒或類似材料。

這些黑色塑料和助聽(tīng)器外殼均由Sonorus 1G制造

開(kāi)發(fā)商發(fā)現(xiàn)，該機(jī)器尤其適用于那些傳統(tǒng)方式無(wú)法注塑成型的應(yīng)用，例如流道較長(zhǎng)的薄壁部件。在試驗(yàn)基地里，15毫米長(zhǎng)的部件加工完成后壁厚僅為0.075毫米。只要超聲波開(kāi)啟，模具不會(huì)產(chǎn)生任何溫度變化，熔體也能保持良好的流動(dòng)性能。

澆道較大的細(xì)小部件通常用于注塑成型（左）和USM的小型澆道（右）

4 展望

相較于傳統(tǒng)注塑成型技術(shù)，USM技術(shù)具有眾多優(yōu)勢(shì)，包括低應(yīng)力熔融、低材料消耗和高達(dá)90%的能源節(jié)約。Sonorus首個(gè)版本專為小型和微型部件生產(chǎn)而設(shè)計(jì)。目前正在研究該機(jī)器是否適用于注射量較大的應(yīng)用。盡管如此，制造商仍認(rèn)為其具有新的應(yīng)用可能性和較高的商業(yè)潛力。