蒸汽模技术在平板电视面框中的应用

李小龙,张 洋,薛 新

(广州毅昌科技股份有限公司,广东广州510663)

随着家电、通讯、电子、汽车内饰件等产业的发展,消费者对塑料制品提出了壁厚更薄、结构更复杂、表面更美观、强度更高的要求[1]。传统的注塑成形技术采用的是模具恒温控制策略,由于受到成形周期的限制,模具温度相对较低,生产薄壁、高光的大型塑料制件时,往往难以避免地出现熔接痕、银丝纹等缺陷,塑料制件的表面光泽度不高,不能满足人们对产品力学性能和外观等方面的要求。企业只能通过后续的喷涂等二次加工将这些缺陷遮盖住,不仅增加产品的制造成本,而且油漆的使用造成环境污染,影响操作人员的身体健康,不符合国家倡导的环保要求,不适应社会发展的要求。

蒸汽模技术根据各工艺阶段的特点,随时调整模具温度。按模具温度在一个成形周期的变化历程,可将蒸汽模技术划分为加热、保温、冷却、吹气及延迟4个工艺阶段(图1)。在射胶之前,通入高温蒸汽将模具型腔温度加热至工艺要求的温度值,然后开始注射;在树脂充模流动过程中,模具温度始终保持在一个相对较高的水平上;随后在保压阶段的后期,在水道中快速充入冷凝水,快速冷却已定型的树脂制品。由于整个注塑过程始终保持快速加热快速冷却,因此蒸汽模技术又称速热速冷注塑技术。与传统注塑工艺相比,蒸汽模技术采用速热速冷控制策略,改善了树脂流动性,提高了保压的压实补缩作用,从而显著地提高了注塑制件的复原性和外观质量。近两年,日本富士、韩国三星和LG、荷兰飞利浦、美国GE等公司相继研究并使用蒸汽模技术[1～2],我国对该技术的研究和应用较少。目前,国内的广州毅昌科技股份有限公司自主研发该技术,开发出蒸汽模具和温度控制系统,并成功地大规模应用于平板电视面框的生产,实现了平板电视面框的免喷涂,获得了高光无熔接痕的外观质量,消除了环境污染,取得良好的经济和社会效益。

图1 蒸汽模技术注塑工艺过程

1 蒸汽模技术温度控制策略

与传统成形工艺相比,蒸汽模技术可将模具的温度迅速上升到100～150℃,还可将模具温度迅速冷却到20～40℃。因此蒸汽模技术温度控制系统的设计主要体现在如何迅速使模具速热速冷。

蒸汽模技术温度控制系统根据模具温度的调节原理设计。主要包括5个部分:注塑机、蒸汽模具、蒸汽锅炉、冷却塔、阀门控制单元。图2为蒸汽模技术温度控制系统结构原理图。图3所示为蒸汽模技术温度控制系统内各单元之间的相互关系。由图2和图3可知,与传统注塑成形系统相比,蒸汽模技术温度控制系统利用蒸汽锅炉、冷却塔和阀门控制单元代替了传统成形工艺中模温机的功能。

图2 蒸汽模技术温度控制系统结构原理图

蒸汽模技术的温度控制系统在速热速冷过程中,主要实现以下几个过程:

(1)制造所需工艺温度的蒸汽

高温蒸汽是蒸汽模加热的热源,蒸汽的温度可由简易锅炉的压力来控制,当压力达到3 MPa时,蒸汽的温度可达到250℃的高温;而水的温度最高只能达到100℃,油的最高温度能达到240℃。另外,蒸汽在压力作用下的流动速度比水或油的流动速度快,因此蒸汽的加热速度比热水或热油的加热速度快。

(2)输送高温蒸汽、冷却水和气体

高温蒸汽和冷却水的输送主要通过调节相应的阀门来完成。阀门的开启关闭动作由阀门控制器控制。

图3 蒸汽模技术温度控制系统各单元的相互关系图

(3)快速冷却

蒸汽模的冷却过程与传统注塑成形工艺的冷却过程是一样的,但是蒸汽模的冷却速度却远快于传统工艺,这是因为蒸汽的散热比水散热好的缘故。蒸汽模冷却时,先通入气体快速地将蒸汽模内的蒸汽吹出,快速地除去热源,保证了蒸汽模快速冷却的效果。

(4)根据蒸汽模的反馈温度调节阀门

蒸汽模上装有温度传感器,当蒸汽模加热到最佳成形温度时,温度传感器及时传送回阀门关闭指令给阀门控制器,阀门控制器立即关闭相应的阀门来完成蒸汽的加热过程。

由图1和图2的系统原理图可知蒸汽模技术温度控制系统的工作过程:蒸汽锅炉产生高温蒸汽,通过控制器控制打开加热阀门,高温蒸汽进入注塑模进行快速加热;同时,温度传感器测量蒸汽模内壁的温度,并把测量数据传送回温度调节控制器;控制器调节蒸汽锅炉的压力和蒸汽的温度,从而间接调节模具的温度。如在生产中模具的温度超过控制器的设定值,控制器就会打开阀门接通冷却水管,引入冷却水到模具内,直到模具的温度回到设定值;如模具温度低于设定值,控制器就会打开相应的阀门引入高温蒸汽来加热模具,直至模具达到控制器的设定温度。注塑成形完成后,关闭加热阀门,注塑模先通入高压气体将高温蒸汽快速吹出,然后打开冷却阀门通入冷却水进行快速冷却;取出塑件后,再次通入高压气体将冷却水吹出,然后通入高温蒸汽快速加热,进行下一次注塑过程。

2 蒸汽模技术在平板电视面框制造上的应用

由于蒸汽模技术具有结构相对简单、生产效率高、热源充足稳定、可操作性强等优势,特别适合平板电视面框的制造。2007年,广州毅昌科技股份有限公司成功地将具有自主知识产权的蒸汽模技术应用于平板电视面框的生产制造,图4所示为蒸汽模技术的生产设备。采用蒸汽模技术生产的平板电视面框(如图5),消除了熔接痕和银丝痕等缺陷,达到高光镜面的效果,无需后续的二次喷涂工序,取得了良好的经济效益和社会效益。

2.1 消除熔接痕

图6所示为传统注塑成形和蒸汽模技术成形塑件的对比。由对比图可清晰看到,采用蒸汽模技术生产的平板电视面框,不存在熔接痕等明显缺陷,大大提高了产品的表面质量。

2.2 消除银丝纹

图7所示为传统注塑成形技术和蒸汽模技术成形塑件的对比。蒸汽模技术使模具温度速热速冷,树脂在流动过程中会发生气泡,但由于模具表面温度仍高于树脂热变形的温度,因此树脂在接触模具表面后未固化,气泡不固定,而树脂压力压缩气泡,消除表面部分的气泡,进而消除制件表面的银丝纹,其原理如图8所示。

2.3 改善表面光泽度

蒸汽模技术使模具温度上升,从而加强树脂的流动性。树脂射出成形时,在保压过程中,模具温度保持在树脂热变形温度以上,因此加强了模具表面和树脂的密贴性,改善了注塑成品的表面光泽度。图9所示为传统注塑成形技术与蒸汽模技术生产的塑件质量对比,可以很明显地看出蒸汽模技术的应用,大大提高了塑件的表面光泽度。通过测量,蒸汽模技术生产的塑件表面光泽值达到95°,完全符合高光的要求。

图9 传统注塑成形和蒸汽模技术制件表面质量对比

3 结论

本文研究了蒸汽模技术的工艺,自主开发出基于蒸汽模技术工艺原理的温度控制系统,实现了速热速冷的温度控制方法。成功地将该技术应用于平板电视面框生产制造,获得了高光无熔接痕的外观质量,实现了平板电视面框的免喷涂,消除了环境污染。蒸汽模技术具有很好的模具表面复原能力,在注塑生产领域具有广阔的应用前景,对于提升我国相关产业加工制造能力和产品竞争力、实现绿色制造等将发挥重要作用。

[1]赵国群,王桂龙,李辉平,等.快速热循环注塑技术的研究与应用[J].塑性工程学报,2009(2):190-195.

[2]冼燃,吴春明.电加热高光注塑模技术在平板电视面框成形中的应用[J].机电工程技术,2009(8):103-105.