免噴涂金屬質(zhì)感改性塑料模具與制件結(jié)構(gòu)優(yōu)化

吳摞，余俊寶，范保林，楊亞娣

(會(huì)通新材料股份有限公司，合肥 231202)

隨著人們生活節(jié)奏的不斷加快、生活方式日新月異、國(guó)內(nèi)外消費(fèi)市場(chǎng)逐漸升級(jí)，追求體驗(yàn)式、情感化的高品質(zhì)生活越來(lái)越受人追捧，其中對(duì)于日常用品的情感需求與日俱增。因此，優(yōu)秀的產(chǎn)品設(shè)計(jì)除了要滿足產(chǎn)品必備的功能性外，追求更高的審美需求和情感體驗(yàn)變得尤為重要[1]。免噴涂金屬質(zhì)感改性塑料就是其中一款非常具有發(fā)展前景的外觀美學(xué)材料[2-4]。

免噴涂金屬質(zhì)感改性塑料實(shí)現(xiàn)了金屬質(zhì)感和塑料的完美結(jié)合，讓塑料實(shí)現(xiàn)外觀美學(xué)的同時(shí)，兼顧了一次成型免噴涂，解除了生產(chǎn)過程的限制，為設(shè)計(jì)師帶來(lái)高度的設(shè)計(jì)自由，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)很多噴涂無(wú)法實(shí)現(xiàn)的視覺效果。與噴涂、電鍍、水轉(zhuǎn)印等傳統(tǒng)工藝出現(xiàn)的工序復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，產(chǎn)品容易出現(xiàn)掉漆露底，環(huán)境、健康危害大等[5-8]問題相較，免噴涂金屬質(zhì)感改性塑料真正實(shí)現(xiàn)了美學(xué)-環(huán)保-低成本的完美整合。目前免噴涂金屬質(zhì)感改性塑料已成功應(yīng)用在家電(空調(diào)、洗衣機(jī)、小家電、黑電等)，汽車，交通運(yùn)輸，化妝品等行業(yè)。

現(xiàn)有免噴涂金屬質(zhì)感改性塑料制件替代金屬或噴涂制件的最大問題在于注塑過程中由于料流匯合或紊流導(dǎo)致的流痕和熔接線等外觀缺陷[6，9-13]，嚴(yán)重影響塑件的外觀質(zhì)量及力學(xué)性能[14-15]。筆者已經(jīng)對(duì)流痕及熔接線形成機(jī)理進(jìn)行過論述，同時(shí)也從成型工藝方面闡述了如何解決這些缺陷[16]。但是另一方面，模具結(jié)構(gòu)和制件結(jié)構(gòu)對(duì)這些缺陷的影響也不可忽視。徐東東[17]以Moldflow軟件為平臺(tái)，研究了免噴涂塑料在電水壺外殼模具上的應(yīng)用可行性。設(shè)置了合理的澆口位置和進(jìn)澆方式，通過模流分析，對(duì)免噴涂塑料的流動(dòng)過程、前沿溫度、熔接線、困氣點(diǎn)等進(jìn)行了系統(tǒng)分析，經(jīng)實(shí)際試模驗(yàn)證，模流分析的結(jié)果是準(zhǔn)確可靠的。江毅等[18]從塑件材料、制品結(jié)構(gòu)、模具設(shè)計(jì)等各環(huán)節(jié)入手，分析了影響熔接線形成的各種條件，建立了熔接線形成的數(shù)學(xué)模型，并提出了控制熔接線產(chǎn)生的措施。M. Zhai等[19]通過優(yōu)化澆口位置和模具流道尺寸改變?nèi)垠w流動(dòng)方式，從而使熔接線產(chǎn)生在對(duì)制件性能影響較小的位置。Chen Meiyung等[20]利用模糊理論和CAE軟件成功預(yù)測(cè)和控制了熔接線在塑件表面的生成位置，與傳統(tǒng)的“試錯(cuò)法”和常規(guī)的有限元模擬相比，節(jié)省了大量的時(shí)間，提高了分析的效率，為模具優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要的理論基礎(chǔ)。上述研究成果雖然闡述了注塑件中熔接痕等缺陷形成的原因及模具結(jié)構(gòu)改善方法，但是往往局限于常規(guī)非金屬質(zhì)感改性塑料或是只針對(duì)澆口排布和順序控制進(jìn)膠等方面的改善，缺乏普適性及全面的模具和制件結(jié)構(gòu)方面的實(shí)例驗(yàn)證。為此，筆者重點(diǎn)通過從模具結(jié)構(gòu)和制件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面研究了如何消除免噴涂金屬質(zhì)感改性塑料在注塑過程中的相關(guān)缺陷，為改善免噴涂金屬質(zhì)感改性塑料制件的外觀質(zhì)量提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1．1 主要原材料

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)：121H，LG化學(xué)公司；

抗氧劑1010，168：天津利安隆新材料股份有限公司；

光穩(wěn)定劑：UV-P，天津利安隆新材料股份有限公司；

潤(rùn)滑劑：乙撐雙硬脂酰胺(EBS)，蘇州聯(lián)勝化學(xué)有限公司；

金屬質(zhì)感粉體：TH-718，合肥旭陽(yáng)鋁顏料有限公司。

1．2 主要儀器和設(shè)備

平行雙螺桿擠出機(jī)：KY-lab型，科亞裝備集團(tuán)；

注塑機(jī)：MJ55型，震德集團(tuán)公司；

缺陷驗(yàn)證板模具：Orinko-QX型，會(huì)通新材料股份有限公司；

飯煲面蓋模具：會(huì)通新材料股份有限公司客戶制件模具。

1．3 缺陷驗(yàn)證板模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

缺陷驗(yàn)證板模具為熔接線/流痕驗(yàn)證模具，由其成型的制件各特征如圖1所示，其尺寸為200 mm× 147 mm×20 mm，壁厚2.5 mm。模具正面有三種表面：澆口左側(cè)區(qū)域做拉絲皮紋設(shè)計(jì)，澆口右側(cè)區(qū)域做網(wǎng)格皮紋設(shè)計(jì)，其它區(qū)域做高光平面設(shè)計(jì)；模具反面有三種結(jié)構(gòu)：四個(gè)壁厚和走向可調(diào)的筋位結(jié)構(gòu)，兩個(gè)壁厚可調(diào)的doghouse結(jié)構(gòu)，一個(gè)壁厚比可調(diào)的盲孔結(jié)構(gòu)；模具中間是一個(gè)可以更換不同進(jìn)膠方式的澆口結(jié)構(gòu)。

圖1 免噴涂金屬質(zhì)感改性塑料注塑缺陷驗(yàn)證板各特征示意圖

1．4 改性加工及成型驗(yàn)證

材料的改性加工及成型驗(yàn)證過程見文獻(xiàn)[16]。

2 結(jié)果與討論

2．1 澆口驗(yàn)證

在實(shí)際的模具開發(fā)過程中，為了減少人工去除澆口工序或是使制件澆口處更加美觀，制件澆口一般設(shè)計(jì)得比較小，從而實(shí)現(xiàn)開模自動(dòng)去除澆口程序或者減少人工去除澆口的困難。然而這種澆口在注射速度高、剪切速率大、剪切應(yīng)力大等條件下，會(huì)發(fā)生熔體破裂、熔體流動(dòng)不穩(wěn)、塑料降解等現(xiàn)象，宏觀表現(xiàn)為霧斑、水花、銀紋、黃化、褐線、噴流痕等外觀缺陷。對(duì)于免噴涂金屬質(zhì)感改性塑料，由于色粉中和片狀金屬粉體的取向會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大這些缺陷，所以免噴涂金屬質(zhì)感改性塑料注塑模具澆口的設(shè)計(jì)非常重要。

設(shè)計(jì)了搭底澆口、潛伏式澆口和輪輻式澆口三種澆口形式，由此成型的缺陷驗(yàn)證板特征如圖2所示。從圖2可以看到，三種澆口中輪輻式澆口對(duì)應(yīng)的缺陷驗(yàn)證板外觀最好，不僅澆口邊緣無(wú)流痕，且同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生熔接線，其次為潛伏式澆口，搭底澆口方案下的流痕最為嚴(yán)重。潛伏式澆口的優(yōu)勢(shì)來(lái)源于澆口到制件之間的扁平嵌片冷流道，此冷流道起到對(duì)高注射速度的緩沖作用，保證熔體進(jìn)入模腔時(shí)更加柔和，從而減少了流痕出現(xiàn)的幾率。輪輻式澆口對(duì)于流痕和熔接線的解決效果最好，但其結(jié)構(gòu)導(dǎo)致后續(xù)澆口的修整非常困難，這是注塑廠商非常難以接受的，最好的解決辦法是配合模內(nèi)切澆口進(jìn)行應(yīng)用，這樣在解決流痕及熔接線缺陷的同時(shí)，可以完成澆口的去除，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化連續(xù)生產(chǎn)。另外對(duì)于流痕嚴(yán)重的搭底澆口設(shè)計(jì)，也可以通過降低注射速度來(lái)進(jìn)行改善，當(dāng)注射速度從30%降低至5%時(shí)澆口處流痕已經(jīng)非常輕微，如圖3所示。需要說明的是，在調(diào)整注射速度的同時(shí)應(yīng)適度提高注塑溫度，否則雖然澆口處的缺陷得到解決，但整個(gè)制件會(huì)出現(xiàn)欠注的現(xiàn)象。

2．2 筋位結(jié)構(gòu)驗(yàn)證

在實(shí)際制件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，考慮強(qiáng)度、變形等作用，制件往往需要設(shè)計(jì)補(bǔ)強(qiáng)筋位結(jié)構(gòu)，但這種結(jié)構(gòu)在免噴涂金屬質(zhì)感塑料成型過程中非常易出現(xiàn)缺陷，特別是流痕缺陷。對(duì)筋位的走向及壁厚進(jìn)行了驗(yàn)證研究，結(jié)果如圖4所示(筋位的壁厚和設(shè)計(jì)壁厚有輕微出入，圖4中標(biāo)注的是實(shí)際測(cè)量的壁厚)。從圖4缺陷驗(yàn)證板的驗(yàn)證來(lái)看，可以得出以下結(jié)論。

圖2 不同澆口設(shè)計(jì)方案的示意圖及缺陷驗(yàn)證板特征照片

圖3 不同注射速度下搭底澆口設(shè)計(jì)缺陷照片

圖4 不同壁厚筋位結(jié)構(gòu)下缺陷驗(yàn)證板缺陷照片

(1)流痕的強(qiáng)弱與筋位的厚薄及筋位走向息息相關(guān)。

(2)筋位壁厚越大，越易產(chǎn)生流痕，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看當(dāng)筋位壁厚小于1 mm時(shí)，正面流痕缺陷已基本完全消除。由此可以推斷，筋位流痕的消除條件為筋位壁厚/制件壁厚＜0.4，而且在實(shí)際的大型制件生產(chǎn)中，由于注塑壓力和制件尺寸一般都比較大，這個(gè)值可能還要進(jìn)一步減小。

(3)筋位走向與熔體流動(dòng)方向垂直(即垂直走向)時(shí)，不易產(chǎn)生流痕缺陷，見圖5；當(dāng)筋位走向與熔體流動(dòng)方向平行(即平行走向)時(shí)，流痕缺陷非常明顯，見圖4a，圖4b。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是在充填的過程中，平行走向的筋位與垂直走向的筋位中氣體排放方式不相同。平行走向的筋位在料流充填筋位過程中，其中的氣體部分通過筋位中嵌件縫隙排出，這部分氣體對(duì)流痕不起作用，部分氣體通過主外觀面排出(相同氣壓情況下此處排氣比嵌件縫隙排氣更加容易)，這部分氣體會(huì)造成此處片狀金屬粉體的排序紊亂，形成明顯的流痕缺陷。而垂直走向的筋位在充填的過程中，筋位中的氣體只會(huì)通過筋位中嵌件縫隙排出，所以不會(huì)在正面形成流痕缺陷，分析示意圖如圖6所示。

圖5 改變筋位走向下缺陷驗(yàn)證板缺陷照片

圖6 不同筋位走向下填充過程中排氣示意圖

2．3 doghouse結(jié)構(gòu)驗(yàn)證

在實(shí)際制件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會(huì)采用doghouse的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其或者單獨(dú)使用，或者作為卡扣槽、支撐筋位、螺釘柱等結(jié)構(gòu)的支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)用，所以對(duì)其進(jìn)行缺陷研究也十分必要。在缺陷驗(yàn)證板結(jié)構(gòu)中，設(shè)計(jì)了兩個(gè)doghouse結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行了缺陷驗(yàn)證，結(jié)果如圖7所示(doghouse的壁厚和設(shè)計(jì)壁厚有輕微出入，圖7中標(biāo)注的是實(shí)際測(cè)量的壁厚)。根據(jù)圖7有以下結(jié)論：doghouse結(jié)構(gòu)壁厚對(duì)流痕影響很大，壁厚越大，流痕缺陷越明顯。doghouse結(jié)構(gòu)對(duì)流痕缺陷的影響，可以拆分成三個(gè)筋位分別進(jìn)行分析：平行于流動(dòng)方向的兩條筋位流痕缺陷明顯，垂直于流動(dòng)方向的筋位基本無(wú)流痕缺陷。這和之前對(duì)筋位結(jié)構(gòu)的分析非常吻合。但需要注意一點(diǎn)的是，同厚度doghouse結(jié)構(gòu)的兩條平行筋位比單獨(dú)筋位所產(chǎn)生的流痕要更明顯。圖4c、圖4d中，對(duì)于厚度為1 mm的筋位，其正面無(wú)流痕，而對(duì)于圖7e、圖7d，可以看到，1 mm厚度的doghouse結(jié)構(gòu)中兩條平行筋位在正面可以形成清楚可見的缺陷。這種現(xiàn)象的形成應(yīng)該和上述對(duì)筋位排氣的分析相吻合，在doghouse結(jié)構(gòu)中，垂直筋位邊與兩條平行筋位邊是連通的，在填充過程中，垂直筋位中的排氣會(huì)經(jīng)過平行筋位進(jìn)行排出，導(dǎo)致平行筋位的排氣量大大增加，使得相同壁厚情況下，doghouse結(jié)構(gòu)的平行筋位處的流痕更加嚴(yán)重。

圖7 不同壁厚doghouse結(jié)構(gòu)下缺陷驗(yàn)證板缺陷照片

2．4 盲孔結(jié)構(gòu)驗(yàn)證

在實(shí)際制件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，螺釘柱、孔洞、臺(tái)階等結(jié)構(gòu)會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)，免噴涂金屬質(zhì)感塑料熔體在成型這些結(jié)構(gòu)過程中常常會(huì)出現(xiàn)流痕或是熔接線缺陷，所以在缺陷驗(yàn)證板結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)了三種壁厚的盲孔結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行缺陷模擬與優(yōu)化，具體結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同壁厚盲孔結(jié)構(gòu)下缺陷驗(yàn)證板缺陷照片

根據(jù)圖8有以下結(jié)論：

(1)隨著盲孔壁厚的增加，相應(yīng)流痕缺陷會(huì)慢慢變短變淡。

(2)在盲孔壁厚/制件壁厚=0.9的情況下，盲孔處缺陷依然清晰可見，這種缺陷的大小可能和結(jié)構(gòu)的面積相關(guān)。

(3)通過調(diào)整注塑工藝參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)盲孔處缺陷的減弱甚至消除，并且可以看到，和之前驗(yàn)證結(jié)果相比較，盲孔壁厚增加后，消除缺陷的工藝會(huì)變寬。例如，文獻(xiàn)[16]中盲孔壁厚/制件壁厚=0.7條件下，注射速度調(diào)整到90%后依然無(wú)法實(shí)現(xiàn)缺陷的完全消失，而針對(duì)圖8b中的缺陷驗(yàn)證板，當(dāng)盲孔壁厚/制件壁厚=0.8時(shí)，注射速度調(diào)整到70%就可基本消除缺陷，如圖9所示。

缺陷驗(yàn)證板缺陷照片

2．5 皮紋結(jié)構(gòu)驗(yàn)證

在實(shí)際制件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，由于制件本身特征要求或是結(jié)構(gòu)的需要，上述通孔、筋位、doghouse、盲孔等結(jié)構(gòu)可能無(wú)法避免，表面就會(huì)很容易產(chǎn)生缺陷。這時(shí)如果將表面做成紋理結(jié)構(gòu)，可能會(huì)對(duì)缺陷產(chǎn)生“遮蓋”作用，實(shí)現(xiàn)可接受的外觀或是更有質(zhì)感的外觀。在缺陷驗(yàn)證板上進(jìn)行表面紋理設(shè)計(jì)，來(lái)驗(yàn)證其對(duì)缺陷的影響，結(jié)果如圖10所示。

圖10不同皮紋對(duì)熔接線“遮蓋”作用的照片

根據(jù)圖10有以下結(jié)論：

(1)皮紋對(duì)孔洞熔接線具有“遮蓋”作用。

(2)針對(duì)熔接線而言，拉絲皮紋結(jié)構(gòu)比網(wǎng)格皮紋結(jié)構(gòu)的遮蓋作用更好。

(3)制件表面由高光變?yōu)槠ぜy結(jié)構(gòu)后，表面光澤度有所下降，但金屬質(zhì)感更強(qiáng)，特別對(duì)于拉絲紋理結(jié)構(gòu)來(lái)說。

表面皮紋的設(shè)計(jì)為后續(xù)規(guī)避流痕或是熔接線缺陷提供了一種非常有效的改善措施。

2．6 實(shí)例驗(yàn)證

圖11為免噴涂金屬銀飯煲面蓋應(yīng)用實(shí)例(制件壁厚2 mm)，改善前制件在澆口、卡扣筋位處出現(xiàn)流痕，在孔洞處出現(xiàn)熔接線，通過注塑工藝調(diào)整無(wú)法消除。

圖11 免噴涂金屬銀飯煲面蓋表觀缺陷改善前后制件圖片

根據(jù)上述研究的一些結(jié)論，提供的模具和直徑結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案如下所示：

(1)加大澆口尺寸。冷流道制件由6 mm增至8 mm，搭底澆口1 mm×6 mm改為大扇形側(cè)澆口1.5 mm×10 mm。

(2)卡扣鏤空。卡扣中間做鏤空處里，只保留兩邊支撐腳。

(3)加大皮紋深度。皮紋深度翻倍，由0.15 mm增加至0.3 mm。

經(jīng)過改進(jìn)后，注塑的制件表面外觀良好(見圖11中改善后制件照片)，得到客戶的認(rèn)可。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)制件結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)通孔、筋位、doghouse、盲孔等結(jié)構(gòu)時(shí)，免噴涂金屬質(zhì)感改性塑料在注塑過程中其流痕及熔接線缺陷很容易出現(xiàn)。

(2)在三種澆口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，輪輻式澆口對(duì)應(yīng)的制件外觀最好，其次是潛伏式澆口，最差的是搭底澆口。另外，在澆口確定的情況下，調(diào)整注射速度可以在一定程度上改善澆口處缺陷的產(chǎn)生，需具體情況具體對(duì)待。

(3)在筋位結(jié)構(gòu)中，筋位處流痕的產(chǎn)生與筋位厚度和走向息息相關(guān)。筋位厚度越薄，越不易產(chǎn)生流痕缺陷，筋位走向垂直流動(dòng)方向，也不易產(chǎn)生流痕缺陷，當(dāng)筋位厚度/制件壁厚＜0.4時(shí)，無(wú)論筋位走向如何，流痕缺陷都會(huì)基本消除。

(4)在doghouse結(jié)構(gòu)中，該結(jié)構(gòu)對(duì)流痕缺陷的影響，可以拆分成三個(gè)筋位分別進(jìn)行分析，筋位壁厚及走向?qū)α骱鄣挠绊懲瑯舆m用，只是相同的條件下，由于三條筋位邊是連通的，在填充過程中，doghouse結(jié)構(gòu)筋位產(chǎn)生的流痕更加嚴(yán)重。

(5)在盲孔結(jié)構(gòu)中，隨著盲孔壁厚的增加，相應(yīng)流痕缺陷會(huì)慢慢變短變淡。通過配合工藝參數(shù)的調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)盲孔處缺陷的減弱甚至消除。

(6)在皮紋結(jié)構(gòu)中，皮紋結(jié)構(gòu)對(duì)熔接線缺陷具有一定的遮蓋作用，相對(duì)于網(wǎng)格皮紋，拉絲皮紋對(duì)于熔接線的遮蓋作用更好。