文/iMFLUX公司GENE ALTONEN

本文介紹了一種“打破常規(guī)”的新注塑工藝，該工藝通過使用低的恒定壓力實(shí)現(xiàn)了更短的周期并獲得了更優(yōu)質(zhì)的部件。

寶潔公司（Procter＆Gamble）是一家廣為人知的消費(fèi)品公司，但人們對于該公司在塑料加工技術(shù)方面的研發(fā)可能知之甚少。寶潔公司本身就是注塑部件的主要消費(fèi)者，這些部件被用于包裝、女性護(hù)理產(chǎn)品、牙刷、剃須刀組件和其他產(chǎn)品中。

該公司從訂制成型商處購買大量的零部件，同時(shí)也會自己生產(chǎn)，以為Oral B牙刷業(yè)務(wù)和吉列刀片及剃須刀業(yè)務(wù)提供支持。寶潔公司在這一領(lǐng)域不斷創(chuàng)新，尋求速度、成本和設(shè)計(jì)上的進(jìn)步。

幾年前，寶潔公司認(rèn)識到需要減少開發(fā)新塑料零部件的成本和時(shí)間，并為此集全公司之力開展了一項(xiàng)研究工作，其注塑技術(shù)專家都參與其中，目標(biāo)是重新全面地思考注塑成型部件的方法，以便在速度、成本和質(zhì)量上實(shí)現(xiàn)突破。經(jīng)過深入而細(xì)致的研究、測試和中試，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種采用低的恒定注射壓力的突破性技術(shù)。這種新工藝允許采用與以往不同的方法來思考如何設(shè)計(jì)零部件和模具。在這一新研發(fā)成果的基礎(chǔ)上，寶潔公司決定成立一個(gè)獨(dú)立的全資子公司——iMFLUX公司。

這項(xiàng)新開發(fā)的iMFLUX注塑工藝包含了一款專用控制器，它能在較低的、定義好的熔體壓力曲線下充模，且充模速率可變，以自動適應(yīng)部件的幾何形狀。該工藝可提高零部件的質(zhì)量、新部件和模具設(shè)計(jì)的可能性以及改進(jìn)的可持續(xù)性，還能減少資本支出。不過，這項(xiàng)技術(shù)最大的突破在于能以緩慢的充模實(shí)現(xiàn)更短的周期時(shí)間，這是意料之外的。

解決常見的成型問題

iMFLUX工藝解決了使用流變曲線來建立最佳充模速度的傳統(tǒng)加工理念所帶來的一些挑戰(zhàn)。這種傳統(tǒng)的理念通常會進(jìn)行非?？焖俚某淠?，以利用聚合物的剪切變稀特性。然而，這種方法常會產(chǎn)生非常高的成型壓力，從而導(dǎo)致一些缺點(diǎn)。不僅如此，這種方法的充模速度是受控的，所以在成型部件的不同區(qū)域上，熔體壓力存在很大的差異，而固有的這些壓差會產(chǎn)生很多問題，包括差異收縮（或翹曲）、尺寸變化、溢料以及無法適應(yīng)壁厚過渡和部件形狀。圖1顯示了在以常規(guī)方式注塑而成的典型部件中壓力是如何變化的。

而iMFLUX工藝通過采用低且恒定的充模壓力解決了這些問題，使得在成型部件中產(chǎn)生的壓力非常均勻。這其中的關(guān)鍵是，并非使用恒定的注射速度充模，而是允許速度變化以保持恒定的塑料壓力。圖2顯示了在整個(gè)iMFLUX工藝過程中充模速度的變化情況。

更慢的充模，更短的周期

不同于根據(jù)體積流速（也稱為“速度充模”）進(jìn)行充模的傳統(tǒng)方法，iMFLUX工藝是通過塑料壓力控制成型過程，這使得熔體通過熔體輸送系統(tǒng)和型腔時(shí)，不會失速或滯流。無波動的恒定壓力在每個(gè)點(diǎn)連續(xù)地推動流鋒，即使遇到肋線、凸臺或其他特征也是如此。

iMFLUX工藝依靠模具中熔體的冷卻來產(chǎn)生流動阻力，這反過來使得壓力穩(wěn)定，并在流徑內(nèi)部和流鋒處保持恒定。由于模具充模過程非常緩慢，因此聚合物能在充模時(shí)不斷冷卻、壓實(shí)，可以說部件實(shí)際上是在充模時(shí)保壓的。

圖3是采用iMFLUX工藝和傳統(tǒng)注塑工藝進(jìn)行的欠注射。從圖中可以看出，采用iMFLUX工藝，無論流鋒停在哪里，欠注射的部件都被完全保壓，而傳統(tǒng)的部件沒有保壓，繼續(xù)在流鋒后壓實(shí)。

為何iMFLUX工藝能以較慢的充模速度實(shí)現(xiàn)更短的成型周期？幾個(gè)關(guān)鍵因素發(fā)揮了作用：

1.較低的充模速率使得剪切熱減少，需要的冷卻時(shí)間也得以縮短。

2.充模速度慢使得模具能夠“在充模時(shí)被保壓”，因此材料可以連續(xù)地與模具壁接觸，從而實(shí)現(xiàn)有效的冷卻。

3.當(dāng)模具完全充滿時(shí)，零部件已經(jīng)被保壓，這基本上取消了保壓階段并縮短了一個(gè)循環(huán)周期中的冷卻時(shí)間。

這些效果疊加在一起，使得更短的周期時(shí)間成為可能，如圖4所示。

圖1 （上）、圖2（下）顯示了傳統(tǒng)注塑成型與采用了可變速度的iMFLUX工藝的對比

如何實(shí)施這一新工藝

iMFLUX這項(xiàng)專利技術(shù)由位于美國俄亥俄州的iMFLUX公司（成立于2013年）獨(dú)家提供，可以通過許可證授權(quán)獲得。該技術(shù)已經(jīng)在數(shù)百種商業(yè)應(yīng)用中以全面生產(chǎn)的規(guī)模經(jīng)過了驗(yàn)證。

用于iMFLUX工藝的注塑機(jī)需要一種專門的控制器，以使工藝能夠通過塑料壓力進(jìn)行控制，而并非通過速度和保壓壓力。另外，設(shè)備注嘴中要增加壓力傳感器，以提供進(jìn)入材料輸送系統(tǒng)的塑料壓力的實(shí)時(shí)測量值。同時(shí)模具也要增加傳感器，以顯示模具中的壓力和流鋒進(jìn)展。

模具傳感器的反饋對于確保模具中擁有理想的壓力，以及對材料、模具或工藝變化導(dǎo)致的注射壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整是至關(guān)重要的。一個(gè)用戶界面可以用于輸入過程參數(shù)并監(jiān)視工藝過程。圖5顯示了專有控制系統(tǒng)的元件。

大多數(shù)類型的注塑機(jī)都可以采用iMFLUX工藝，包括液壓、全電動和混合動力注塑機(jī)。有幾家主要的設(shè)備制造商能為用于該技術(shù)的新設(shè)備提供OEM套件，從而幫助加工企業(yè)實(shí)現(xiàn)快速簡單的整合。不僅如此，iMFLUX工藝也可以與現(xiàn)有的機(jī)器整合。

目前，這一技術(shù)已在很多領(lǐng)域中得到應(yīng)用，如汽車、醫(yī)療、包裝和消費(fèi)品。由于采用了一種閉環(huán)、恒定低壓的控制手段，因此大多數(shù)聚合物采用iMFLUX工藝進(jìn)行加工都會獲得比采用高剪切的傳統(tǒng)工藝更好的效果。

案例

1.聚碳酸酯（PC）醫(yī)用零部件的生產(chǎn)：一家客戶采用一副帶有閥式澆口熱流道的16腔模具生產(chǎn)PC醫(yī)用零部件。由于充模不平衡，導(dǎo)致了高廢品率和間歇性欠注射。而iMFLUX工藝的采用通過改善部件之間的充模平衡，將廢品率從10%以上降低至不到0.2%。這主要受益于iMFLUX工藝的恒壓充模。如此一來，每個(gè)零部件都經(jīng)歷相同的壓力，部件的幾何形狀告訴設(shè)備如何連續(xù)分布速度，從而形成穩(wěn)定的保壓條件。除了消除欠注射并改善了型腔之間的平衡，周期時(shí)間也縮短了30%。該案例中采用的設(shè)備是加工商現(xiàn)有的全電動注塑機(jī)，改裝后用于運(yùn)行iMFLUX系統(tǒng)。

2.一種聚丙烯（PP）家用清潔工具的生產(chǎn)：在這個(gè)案例中，iMFLUX系統(tǒng)是在新模具和新設(shè)備的設(shè)計(jì)階段中即被引入。之前，該部件采用一臺500 t伺服液壓設(shè)備生產(chǎn)，搭載8腔模具，周期時(shí)間為52 s。而新的iMFLUX模具和系統(tǒng)使得可以采用傳統(tǒng)的400 t液壓設(shè)備，并將型腔數(shù)增至12個(gè)，將周期時(shí)間縮短了21%。總之，最終產(chǎn)量提高了91%。盡管增加了4個(gè)型腔并縮短了周期時(shí)間，但總的峰值注射壓力比傳統(tǒng)工藝低30%。這個(gè)案例說明，雖然iMFLUX系統(tǒng)在使用現(xiàn)有模具的改裝機(jī)器上也非常有效，但專門為iMFLUX工藝設(shè)計(jì)新模具會有很多好處。

圖3 欠注射對比：采用傳統(tǒng)的注塑成型工藝（右），充模停止時(shí)，形成的是高度扭曲的部件表面；而iMFLUX工藝(左)在充模時(shí)保壓，因此部件在充模期間的任何位置上都擁有完全成型的表面

圖4 iMFLUX工藝基本上取消了傳統(tǒng)注塑成型的保壓階段，并縮短了冷卻時(shí)間，因?yàn)樗鼤诔淠r(shí)保壓

圖5 幾乎任何類型的注塑機(jī)都可以采用iMFLUX工藝，有配套元件可用于新機(jī)器或改裝現(xiàn)有的設(shè)備。關(guān)鍵的元件包括：一個(gè)注嘴壓力傳感器、型腔壓力傳感器和帶有用戶界面屏幕的專有控制軟件

3.一種聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）包裝組件的生產(chǎn)：在改造的液壓注塑機(jī)上采用iMFLUX技術(shù)搭載4腔模具加工這款部件，使得產(chǎn)量提高了16%。不僅如此，iMFLUX工藝還將型腔的不平衡從6%減少到0.8%，幾乎是充模零部件所需壓力的一半（從107.9 MPa減至62.2 MPa），并在保證所有部件尺寸規(guī)格的情況下，將平均部件的重量減少了0.48%。與高速充模后保壓的傳統(tǒng)工藝相比，在充模時(shí)保壓的iMFLUX工藝消除了不必要的材料，減輕了部件重量，并將周期時(shí)間縮短了13%。

4.一種PP汽車零部件的生產(chǎn)：該部件最初采用一臺550 t液壓設(shè)備搭載8腔模具進(jìn)行生產(chǎn)，周期時(shí)間50 s。在iMFLUX工藝整合到設(shè)備中后，周期時(shí)間縮短了8 s，從而使產(chǎn)量提高了20%。如案例3中所述，同時(shí)保壓和充模使得壓力降低了14%，并使部件重量減輕了1%。此外，iMFLUX動態(tài)吸收黏度變化的能力將廢品率從18%降低至0.2%。