注塑成型过程中粘合脱模力的测定

除了能源成本之外，注塑件的制造成本仍主要由周期时间和材料成本决定。作为注塑成型周期的最后一步，脱模在这方面起着关键作用，因为如果脱模力过大可能会导致注塑件损坏，其后果可能是明显的顶出痕迹或零件变形。它也可能造成其他问题，例如：零件质量下降、模具过度磨损和生产停机（如：由于顶针断裂或零件卡住）。

标题图：用于测量拉伸方向上的粘合脱模力的注塑模具© IKFF

如果脱模力大，零件的稳定性必须提高，因为这通常需要通过更长的冷却时间来实现。此外，在零件设计过程中也必须考虑到脱模力，这反过来又意味着对零件设计的限制。因此，低脱模力能够提高零件设计的灵活性并缩短冷却时间，从而减少周期时间。

脱模力的影响因素极其复杂，主要包含以下几个：
◆ 因塑性收缩而产生的热收缩力；
◆ 摩擦力；
◆ 附着力。
因素的数量和权重根据模具设计和零件结构而变化。
多种表面处理和涂层方法早已被引入生产以对脱模力进行控制。但是，脱模过程中产生的影响尚未完全明晰。为了确定涂层的效果和作用，专家们已经开发了各种测量工具。然而，这些测量工具主要用于测量产生的摩擦力以及粘合剪切力。但是，如果考虑到零件在拉伸方向上的光滑表面上的释放行为，那么这一切到现在都不可能实现。

粘接的可重复特征值

为了得到塑料部件粘接的可重复特性，需要确保待测量的接触表面在实际测量之前完好无损。由于机器和模具的运动，这一点在实际条件下尤其具有挑战性。为了满足这些条件，IKFF开发了一种新的测量工具，它能够利用多种装置来确保接触表面尽可能完好，从而确定粘接的可重复特征值。

图1：借助可快速替换的坯件能够对不同的模具涂层进行研究© IKFF

其基本测量原理在于将平坦的模具表面从新制的试模中垂直拉出。为了对不同的模具表面进行快速研究，试验选用可替换的坯件，因为它容易制造并且能够适当涂覆（图1）。坯件直径为27mm，对应待研究的接触表面。圆形试模被模制在坯件上并有多个突起部分，其主要目的是最大限度地减少因收缩和翘曲而引起的接触表面脱离。试模总直径为45 mm，成型件厚度为2 mm。

图2：新测量工具的建造。当带有整个测试包（蓝色）的测试板向后移动远离测试块时，坯件从试模中被拉出© IKFF

脱模力的实际测量

因为被设计为三板模，整体模具的建造也可以最大程度地减少接触表面的不良早期脱离（图2）。滚轮拉杆使中间板能够按需进行移动。塑料熔体凝固后，模具打开。首先，将中间板从安装板上升起（模腔最初还是封闭的）。这减少了打开期间接触表面的负载。直到下一步，顶出侧边才与中间板分离并打开模腔。试模仍留在顶出侧边上。

图3：拉力测量过程中的力分布由压电式力传感器记录。采样率高到能够捕获力峰值（来源：IKFF；图：© Hanser）

此时，模具已经打开，集成摄像头可用于观察接触表面。如果是透明塑料，则可光学识别润湿情况，从而确保测量表面在测量之前保持完好。接着，开始实际测量，但与实际弹出分开：在两个电机的驱动下，带有整个测试包的测试板（图2所示的蓝色处）向后移动远离测试块，然后坯件从试模中被拉出。必要的力由压电式力传感器记录，该传感器可以接收高达3kN的力。9000Hz的采样率确保了峰值力的可靠记录（图3）。

然后测试板回到起始位置。只有在该工序完成后，试模才会被顶针顶出。为了获得有意义的结果，一旦模具达到热平衡，就进行15次连续测量，并取峰值力的均值。

模具涂层的影响

目前，使用测量工具已能轻松地确定各种因素的影响，例如：工艺参数、塑料类型和表面在脱模过程中对粘合力的影响。这表明了单独涂层的巨大潜力。例如，与未涂层的1.2343热作钢坯件相比，在模具温度为60°C时使用CrN涂层可使PET的脱模力降低98%以上（图4）。

图4：与未涂层的坯件相比（模具温度：60°C），CrN涂层显著降低了PET零件的脱模力（来源：IKFF；图：© Hanser）

早期的研究已经揭示了剪切加载情况下脱模过程中粗糙度的影响。为了对因CrN涂层造成的略微粗糙的表面（Sq = 33.3 nm）进行比较，除了高度抛光的坯件（Sq = 2.7 nm）之外，具有可比粗糙度（Sq = 29.7 nm）的坯件也被选用。但是，表面粗糙度对脱模力的影响明显低于拉伸试验中使用的涂层。

脱模温度的影响

必要脱模力很大程度上取决于脱模温度。因此对涂层在不同温度条件下的影响进行研究极有必要。根据模具温度的不同，涂料可能取得不同的结果。例如，在特定温度范围内的拉伸力的研究中使用rPET牌号展示了不同涂层的优点（图5）。但是，在使用未涂层和DLC涂层坯件的情况下，测得的脱模力随着模具温度的升高而显著增加，而温度对CrN和XLC涂层的影响则明显更小，即使力水平整体较低。

图5：在使用CrN和XLC涂层的情况下，模具温度对rPET零件脱模力的影响明显较小（来源：IKFF；图：© Hanser）

此外，使用TiN涂层时可以看到，模具温度对脱模的影响更加多变。这表明底层粘附力不仅受温度的影响，而且还取决于两种接触材料的化学亲和力以及各自的热性能。在特定条件下，这还会带来能够显著增加脱模力的沉积物。

图6：PMMA零件脱模力的比较。在较高温度条件下，未涂层以及XLC和TiN涂层边缘呈现出了理想结果（来源：IKFF；图：© Hanser

塑料扮演的角色

涂层是否具有脱模优势主要取决于待加工的塑料。因此，加工PMMA零件时会出现与rPET完全不同的图像（图6）。在加工PMMA时使用的最高为50°C的低模具温度条件下，所研究的表面均未表现出脱模力。但是，在70°C的温度条件下，测量结果显示涂层之间存在明显差异。事实证明，未涂层的坯件以及XLC和TiN涂层的坯件更具优势。此外，对于PMMA而言，DLC涂层和CrN涂层（对rPET有利）都显著增加了所需的脱模力。

结语

IKFF开发的模具可用于研究粘合脱模力。通过可重复的测量，它能够揭示涂层在注塑模具中的应用潜力。不同的表面以及工艺参数的影响都能够进行快速研究。这一新方法扩展了现有的测量工具，能够单纯根据拉伸载荷来对脱模力进行研究。

本文翻译自PLASTICS INSIGHTS杂志
作者：Dipl.-Ing. Maximilian Schönherr，Prof. Dr.-Ing. Bernd Gundelsweiler

来源：荣格-《国际塑料商情》

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