超聲波注塑成型技術(shù)：無(wú)需螺桿

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，專門從事大功率超聲波行業(yè)解決方案的開發(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)過放大并通過特殊的探頭（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)上展開了第一次USM試驗(yàn)。但是，從一開始就可以看出，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)開始計(jì)算。隨后，聚合物固化，部件在開模時(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)。

沒有螺桿，沒有氣缸，沒有加熱，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)出了助聽器的PP部件（部件原本通過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?；蝾愃撇牧?。

這些黑色塑料和助聽器外殼均由Sonorus 1G制造

開發(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。