回顾K 2022： 这些注塑成型领域的工程技术值得细品

LWB Steinl公司通过多工位概念在自己的展台上展示了一种与众不同的弹性体加工工艺。其创新之处在于，注塑成型周期被分为单独的加热、脱模和二次精加工流程，它们在注塑机旁边的独立工位上同时进行。LWB Automation公司的销售经理多米尼克•鲍尔阐述了其优势：“通过使用可更换模具，我们可以在模具完成注射后立即通过工业机器人将其依次转移至外部加热工位和脱模工位，我们不会将注塑机当作烘箱，因为它们在非生产时间还可用于额外的注射周期。”

标题图：发泡注塑成型车门饰板的B面露出了天然纤维毡后面的加强肋和底部的模压地图箱 © Frimo

并行取代序列

就其主要特点而言，该概念使人想起了Zahoransky公司于2009年提出的用于热塑性加工的“穿梭成型”，其中模具嵌件也在注塑机与冷却工位和脱模工位之间快速穿梭。鲍尔表示，除了缩短周期时间外，该概念还能够为产量的提升释放额外空间，因为个别可更换模具组可退出循环并将空余产能用于生产类似的零件。

LWB展台上有一个由一台注塑机（LWB）、四个可更换模具、一个六轴机器人（Fanuc）和辅助设备组成的装置——多个机器人和机器可以适当地组合在一个工厂中。其工艺步骤有些复杂：如果机器人在弹性体注射完成后将模具从机器上取下（图1），则夹爪无需用力。夹臂在位于模具两侧的两个楔形块之间移动；在机器中解锁之后，它会被内部的膨胀力压在夹爪上。机械臂将模具移动到支架状加热工位上，然后将其推入其中一个隔室。加热工位也像注塑机一样具有较短的行程和匹配的锁模力。由于压紧力的作用，模具稍有压缩，因此夹爪再次松开。

图1：六轴机器人在模具完成注射后将其从立式机器上取下并放置在加热工位（图
中未展示）上以便同时进行非生产性二次加工 © Hanser / C. Doriat

当橡胶件（本例为两个带凹槽的不同尺寸的EPDM圆柱形部件）在加热工位中硫化时，另一个模具正从加热工位转移到脱模工位。由于部件被烘烤之后将不再有任何膨胀力，因此可以轻松地移除。随后空模被移至注塑机前并等待下一周期开始。为了使转移过程高效进行，机械臂有两个臂端工具，如果一个工具已经装满，另一个可以通过旋转180°来接收零件。

消除纤维增强部件的熔合线

对于特定的部件几何结构而言，它在注塑成型过程中不可避免地会形成熔合线。在这些区域中，两个流动前沿在模具填充过程中相遇，部件的机械性能被削弱。其原因是两个流动前沿之间未熔合并且存在多余的夹杂物和多孔结构，尤其是在使用纤维增强塑料的情况下。这是因为，由于熔体流相遇时产生旋转运动，纤维无法自行定向并在流动方向上相互交织。

图2：GAPP技术消除了焊缝并显著提高了机械部件的性能。在压缩阶段，氮气被用于推动熔体前沿穿过连接线的接合点（来源：Sirmax；图：© Hanser）

K展上的Smart Mold公司提出了这个问题的解决方案。这家新成立的公司是意大利帕多瓦大学的衍生公司，意大利化合物制造商Sirmax拥有其50%的股份。在Sirmax的展位上，Smart Mold创始人乔凡尼•卢切塔教授对创新的GAPP专利技术（气体辅助推拉）做出了解释。该技术据说能够防止含有芯层或多浇口的几何结构在注塑成型过程中形成熔合线（图2）。

纤维含量越大，两个熔体流的合并通常越困难，因为纤维大大降低了大分子的流动性并且其取向通常垂直于流动方向。卢切塔表示，连接处填充50%纤维的熔合线强度是未增强塑料所能达到的20%以下。只有在保压阶段在两个相遇的流动前沿之间引入压力梯度才能迫使流动前沿相互渗透并改善熔合线处的局部形态。

GAPP技术基于经验性的知识，旨在实现这样一个动态保压阶段。位于熔合线两侧的微型气体喷射器和相关溢料腔使模腔中的熔体可被用于解决熔合线的问题。卢切塔教授着重强调了其中一个优势：“气体喷射器体积很小，因此该技术同样适用于现有模具，并且无需对模具做出高成本的改动。”其首次应用获得了成功，不仅消除了PP-GF35部件芯层的熔合线，而且原有缺陷范围内的拉伸强度和刚度也分别提高了240%和21.5%，几乎达到了复合材料的特性值。

在联网的制造单元中选择单独的产品

以多个自动化、个性化和部分数字化的生产为例，Boy展示了近年来公司如何从装配线上的小型注塑机生产商成长为整个制造系统的供应商。它通过其中一个展品展示了其注塑机在复杂的工业4.0应用中日益增强的连通性。Boy 60 E VV立式注塑机演示了可密封聚丙烯（PP）容器的制造。通过显示屏上的输入栏，观众可以在若干小礼品中进行选择。这些小礼品存放在位于后机台上方的自动化单元内的储物箱中（制造商：Gosewehr Robot Automation）。然后，安装在自动化单元中的六轴机器人（Stäubli）将他们所选的礼物装在新注塑成型的盒子里（图3）。

图3：机器人将展会观众之前在显示屏上挑选
的小礼物装在新制成的蓝色盒子里 © Dr. Boy

在周期开始时，将 IML薄膜（模内贴标）插入模具并在容器的盖子侧背模成型。注塑成型完成后，线性机器人将礼品盒从模具中取出并传送至六轴机器人。盒子旋转并以特定的方式移动，开口朝上。在六轴机器人根据客户的选择从储物箱中取出物品之前，物品的位置和方向通过具有图像评估功能的摄像系统确定并在需要时通过振动板进行校正。将选定的物品放入礼物盒后，机器人合上盖子并通过滑槽将物品递给观众。

注塑机、三轴搬运单元、六轴机器人和数字输入单元以及在装箱过程中用于识别零件的摄像系统都通过控制技术相连。Boy公司的执行合伙人阿尔弗雷德•希弗补充道：“我们希望通过这个应用来证明我们的注塑机不仅可用于生产各种精密且耐用的塑料部件，而且还能完全集成到自动化生产线和复杂的制造工作流程中。”

其中一些礼品是用旁边的其他系统生产的。例如，Boy XS E被用于生产由SMMA共聚物（苯乙烯甲基丙烯酸甲酯，型号：NAS 30；制造商：Ineos Styrolution）制成的宝红色蛋杯。这款新品首次在K展亮相。它与前代型号Boy XS的主要区别在于节能伺服电机泵驱动装置。此外，具有醒酒功能的倒酒器——这个由透明NAS 30和黑色TPE制成的双组分部件通过配备机电注射装置的Boy 100 E混合注塑机制造，这款机器配备了一个额外的注射装置（型号：2C S）。

通过另一个同样复杂的制造单元，Boy 35 E VV通用刀夹与玻璃纤维增强聚酰胺包覆成型形成了一个轻巧的手柄。Boy自主开发的LR 5线性搬运装置将手柄从模具中取出并放置在冷却工位中。然后，机器人将短暂冷却的T型手柄转移到自动贴片机上，机器将四个刀头插入手柄的六角形开口中。此时，观众也可以在输入终端上单独选择刀头。

无需额外能源投入即可获得高质量表面

考虑到其优势，尽管有易于使用的附加设备，热塑性发泡注塑成型（TFIM）的应用仍不太广。众所周知，与非发泡注塑成型相比，该工艺不仅减少了材料消耗，而且减少了对能源和锁模力的需求，因为溶解在熔体中的发泡剂增加了其流动性。此外，非局部发泡压力使其能够成型更厚的肋材。这些优势可用于减少壁厚，从而缩短冷却时间以及周期时间。

阻碍其得到更广泛应用的可能是大众所知的与工艺相关的表面缺陷，例如：银纹。它们只能通过一些额外的手段来避免，例如：动态（variotherm）变温控制。恩格尔（Engel）和汽车供应商佛吉亚（Faurecia）在展会上推出了一项创新技术——由Faurecia Interiors公司和Eschmann Textures International公司联合开发的MicroJect Advanced工艺可用于生产具有高质量A级表面的发泡可见部件而无需额外能源投入。

为了展示这项技术的潜力，他们在配备了Trexel公司的MuCell装置的Engel duo 1000注塑机上生产了具有复杂表面结构的大面积样品部件。在展会之前公布的车门模块模具临时无法使用，但佛吉亚生产的零件在现场进行了展示。从中可见，传统的泡沫条纹、熔合线、虎纹和光泽差异都只能在零件的背面看到；可见的一面具有精细的各种纹理和设计表面，它们直接通过注塑模具生产（图4）。

图4：塑料、颜色和重制的陶瓷涂层模具一起产生了部分纺织品外观（右）。不同的纹理可以集
成在一个部件中（上），只有背面（左）出现了发泡表面缺陷 © Hanser / C. Doriat

佛吉亚注塑团队主管亚历山大•罗奇博士对这一技术的工作原理进行了解释：“模腔涂覆了技术陶瓷，在注塑成型过程中充当着短期屏障。通过这一方式，腔壁上的熔体保持着塑性状态，直至模腔压力累积得足够高来使表面变得光滑。”这也可以被称为一种被动变温工艺。“在陶瓷涂覆过程中，可以通过激光引入比钢表面更复杂精细的纹理。因此，该工艺为塑料部件的表面提供了全新的设计可能性。”罗奇博士继续说道。

针对在多个生产单元上通过物理发泡注塑成型同时生产零件的塑料加工商，恩格尔还推出了一种新的工厂技术。过去每台注塑机都需要有自己的气体供应装置，但恩格尔现在推出了能够为多台机器提供高压缩氮气的集中式装置（型号：e-foam XL multi）。只有计量和控制技术仍分散在各个机器上。通过这一概念，恩格尔降低了发泡注塑成型的投资成本以及每个零件的单位成本。

利用替代材料和专有技术减轻重量

最后一个展品也是物理发泡的一种形式，它同样在一台大型机器上展出，此次是威猛巴顿菲尔（Wittmann Battenfeld）公司的MacroPower 1100/12800注塑机。该机器配备一个可调速节能伺服电机和一个定量泵。

在通过Frimo公司的单腔模具制造车门饰板（标题图）时，它们具有双重轻量化设计的效果。首先，车门饰板仅由轻质天然纤维毡制成，上面模压着地图箱和轻薄的支撑结构。其次，所用的15%矿物增强PP材料（型号：Borcycle EE1300SY，Borealis）的PCR（消费后回收）含量达30%，通过Cellmould专利工艺发泡制得。

“这样的制造工艺其实是在立式机上进行的。我们首次通过卧式标准注塑机加工被用作支撑结构的天然纤维毡并在模具中进行饰面。”Frimo成型与饰面业务开发事业部负责人赖纳•贾诺塔说道。在此次应用中，Wittmann Robot WX152从缓冲区中拾取按尺寸切割的天然纤维毡并将它们挂在红外加热工位中。加热的毡子被引入带有组合夹爪的注塑模具的固定半模，另一半模则用于零件移除，然后在模具关闭后进行成型、冲孔和背模成型。最后，机器人将成品部件和毡子的边角料从模具中取出，而夹爪上经过预热的天然纤维毡则等待下一周期开始。零件到达堆织位置，边角料则落入垃圾箱。

车门饰板的下部经过高光处理，上部带有经OEM层压的纤维毡。”贾诺塔解释道。“毡子由25%的亚麻和洋麻以及50%的原生PP制成。材料较低的密度部分减轻了产品的重量。此外，地图箱和肋材中的细孔泡沫结构使总重量又减少了11%。”另外，考虑到可持续性的重要性，该部件100%可回收。这一点在沃尔沃对类似部件的研究中得到了证明。

本文翻译自KUNSTSTOFFE INTERNATIONAL杂志
作者：Dr. Clemens Doriat

来源：荣格-《国际塑料商情》

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