快速熱循環(huán)成型技術(shù)研究進展

李嘉杰，胡錦瀾，張鵬，張彥飛

(中北大學材料科學與工程學院，太原 030051)

二十一世紀以來，塑料制品在工藝產(chǎn)品應用上不斷創(chuàng)新，向著更高的質(zhì)量，更好的外觀逐步發(fā)展，在各種加工方法中注射成型扮演著重要的角色，隨著近些年來3C(Computer，Communication，Consumer Electronics)產(chǎn)品迅速發(fā)展，對塑料制品的產(chǎn)能、成本、外觀及質(zhì)量有了更高的追求，傳統(tǒng)注塑成型(CIM)技術(shù)的弊端不斷體現(xiàn)出來，如產(chǎn)品外觀不良、表面浮纖、表面熔接痕、產(chǎn)品內(nèi)應力大等問題需要解決[1-5]。在此基礎(chǔ)上，有學者便提出快速熱循環(huán)成型技術(shù)(RHCM)來改善以上問題，快速熱循環(huán)成型技術(shù)又可稱為高光無痕注塑成型技術(shù)，不同于CIM成型技術(shù)，它采用的是動態(tài)模溫控制系統(tǒng)，并且可以在工藝中采用高光澤度的模具，實現(xiàn)免噴涂技術(shù)[6-7]，圖1為采用RHCM成型技術(shù)所獲得的制品，可以看出制品表面具有更高的光澤度，更加綠色環(huán)保。

圖1 采用RHCM成型技術(shù)的制品

隨后衍生出許多種類RHCM成型技術(shù)，根據(jù)不同的加熱方式，可分為蒸汽加熱RHCM、電加熱RHCM、感應加熱RHCM和輻射加熱RHCM[4]，他們有各自的優(yōu)缺點，且都較明顯，也是在工業(yè)生產(chǎn)上可應用的最理想加熱方式，比如蒸汽加熱RHCM投資小、設(shè)備簡單，但是加熱速度較緩慢，最受最高溫度的限制，而電加熱RHCM，最高溫度可達350 ℃，但是能耗偏高，因此近些年來誕生出感應加熱RHCM，加熱速度快、能耗低且在理論上可將模具加熱至更高的溫度，但缺點是設(shè)備復雜且投資大。因此，具體采用何種加熱方式，需要針對模具、產(chǎn)品、產(chǎn)能及預算進行相應的評估。

1 快速熱循環(huán)成型技術(shù)原理

如圖2所示，快速熱循環(huán)成型技術(shù)采用動態(tài)模溫控制技術(shù)，在整個注塑周期過程中，模具溫度往往發(fā)生快速的變化，形成一個周期。圖3為快速熱循環(huán)成型技術(shù)熔體填充示意圖，在熔體開始填充時，模具表面溫度已經(jīng)被加熱至較高溫度，該溫度一般被認定為高于熔體玻璃化轉(zhuǎn)變溫度或者熔點，以保證熔體在型腔內(nèi)流動時不會過早形成冷凝層，CIM技術(shù)由于模具溫度遠低于塑料的熔融溫度，所以當熔體進入模具型腔與低溫型腔壁接觸時，熔體將快速冷卻而凝固，形成一層冷凝層，隨著冷凝層厚度增大，熔體流動截面逐漸減小，流動阻力不斷增大，而RHCM工藝則克服這一缺點，如圖3所示，熔體流動阻力減小，因此可改消除熔接痕，減小殘余應力，改善表面光澤度，制品品質(zhì)得到提升[4]。

圖2 快速熱循環(huán)成型技術(shù)模具溫度動態(tài)圖

圖3 熔體填充示意圖

一般來講，在整個快速熱循環(huán)成型過程中包括注塑、保壓、開模、取件和合模五個過程，動態(tài)模溫控制系統(tǒng)包括加熱、高溫保持、冷卻、低溫保持等操作[8-10]，因此為了達到模具溫度快速變化的要求，動態(tài)模溫控制系統(tǒng)一般要達到三個技術(shù)指標：第一，能夠?qū)⒛＞咝颓槐砻婕訜嶂了芰系牟ＡЩD(zhuǎn)變溫度或熔點以上，并在高模溫下維持一定的時間，使得熔體在高模溫下完全充滿型腔；第二，必須具備足夠快的模具加熱或者冷卻速率，使RHCM工藝的注塑周期控制在合理的范圍內(nèi)；第三，能夠?qū)崿F(xiàn)模具的閉環(huán)控制，在模具內(nèi)部安裝溫度傳感裝置，實現(xiàn)模具溫度的實時監(jiān)控[7]。模具溫度控制系統(tǒng)如果具備以上功能便可稱之為快速熱循環(huán)成型技術(shù)，目前模具加熱方式種類繁多，模具冷卻方式卻較為單一，即設(shè)計合理的水路控制。近些年來隨著模具加工技術(shù)的不斷改良，高效的加熱方式配合極佳的3D水路加工方法，使得RHCM工藝具有極高的市場應用潛力。

2 常見快速熱循環(huán)成型技術(shù)分類

2.1 蒸汽加熱RHCM成型技術(shù)

蒸汽加熱快速熱循環(huán)成型技術(shù)是模具內(nèi)部對流加熱的一種形式，模具對流加熱指的是利用高溫流體、氣體或者液體與模具之間形成熱交換，高溫流體可通過模具內(nèi)部加熱管道流入模具型腔內(nèi)部加熱模具表面，屬于一種內(nèi)部加熱方法。常見的高溫流體有熱油和高溫蒸汽，但是由于油的熱導率不高，熱交換能力不強，因此高溫蒸汽便是最理想的加熱介質(zhì)[11-15]。Satoh[16]開發(fā)出一種蒸汽加熱的動態(tài)模溫控制方法，在模具設(shè)計和制造中需要重點考慮型腔塊的熱膨脹和熱疲勞所帶來的問題。除了內(nèi)部蒸汽加熱外，還有學者開發(fā)出模具表面加熱法，該方法僅加熱模具型腔表面，Minh等[17]使用熱蒸汽加熱模具型腔表面，研究結(jié)果表明，加熱20 s后型腔表面溫度可達到196 ℃，最高溫度出現(xiàn)在模具表面中心，此外模仁厚度對加熱速度和加熱均勻性有很大的影響，模仁較厚時，加熱速率較慢。Chang等[18]建立了用于模具表面溫度控制的氣體輔助加熱系統(tǒng)，研究了氣體通道的兩種間隙尺寸控制模式(A和B)以及型腔和型芯兩側(cè)的加熱結(jié)果，結(jié)果表明，在B模式5 mm間隙尺寸下，型芯和型腔表面進氣口的模具溫差可以從39.8 ℃降低到1.4 ℃。最后以雙面0.4 mm薄壁板微注塑成型為例，在模具溫度150 ℃時，復制精度達到90%以上。這比在90 ℃的常規(guī)模具溫度下的注塑成型提高了25.3%。Nhan等[19]研究了氣體溫度變化范圍為200 ℃至400 ℃的外部氣體輔助模具溫度控制應用于熔體厚度為0.2～0.6 mm的薄壁注塑成型。通過將該系統(tǒng)應用于薄壁模具中來評估熔體流動長度。結(jié)果表明，加熱過程在最初的20 s內(nèi)效率較高，最大加熱速率為6.4 ℃/s。在這種情況下，模具表面達到158.4 ℃。通過將Ex-GMTC應用于0.2 mm的流動厚度，聚丙烯(PP)材料的流動長度從37.85 mm增加到41.32 mm，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)的流動長度從14.54 mm增加到15.8 mm。Uyen等[20]在此基礎(chǔ)上利用Ex-GMTC系統(tǒng)進一步研究了不同氣體溫度對成型制品熔接痕的影響，研究結(jié)果表明：當型腔溫度預熱至150 ℃時熔接痕得到了顯著的改善，制品拉伸強度得到增強，對于較薄的成型制品效果更為明顯。

2.2 電加熱RHCM成型技術(shù)

電加熱RHCM成型技術(shù)又叫電阻加熱RHCM成型技術(shù)，圖4為采用電加熱棒加熱模具的RHCM系統(tǒng)示意圖，利用電流流過導體的焦耳效應產(chǎn)生熱源，對物體進行加熱，該加熱方法通常僅用于加熱模具局部位置，或者微小型腔的模具。常見的加熱裝置有電阻絲、熱敏電阻、電熱膜等。首先使電流通過加熱元件，元件自身發(fā)熱，以熱傳導的方式間接加熱模具表面，因此在整個加熱過程中，熱量是向模具四周擴散，較難實現(xiàn)熱量的集中，需在模具內(nèi)部安裝隔熱層，以減少模具熱量向四周傳遞。Addeo等[21]設(shè)計出一種低熱慣性的注塑模具，并在其中安裝了隔熱層，以實現(xiàn)模具表面較高的升溫速率。上述方法為模具間接加熱法，除此之外有學者提出模具的直接加熱法，該方法與間接加熱法最大的不同在于讓電流直接通過目標物體進行加熱，結(jié)構(gòu)如圖4所示，該結(jié)構(gòu)需要在模具表面涂覆導電材料作為電阻發(fā)熱材料。

圖4 電加熱RHCM系統(tǒng)示意圖

Zhao等[22]詳細研究了一種新的電加熱和冷卻液冷卻的RHCM技術(shù)。針對大型液晶電視面板提出并設(shè)計了兩種不同的RHCM模具結(jié)構(gòu)。采用數(shù)值模擬方法分析模具型腔表面在加熱階段的溫度響應和樹脂熔體在冷卻階段的溫度響應。對所提出的電加熱RHCM系統(tǒng)的加熱/冷卻效率進行了評估。結(jié)果表明，帶有獨立冷卻板的電熱模具可以有效提高加熱效率。通過增加型腔和型腔保持板之間的緩和間隙，可以減少型腔表面的熱膨脹。進而可以提高電熱模具的使用壽命。Xiao等[23]建立多目標優(yōu)化模型，以模具型腔表面到加熱元件中心的距離和加熱元件的數(shù)量和功率密度為設(shè)計變量，提出了一種由實驗設(shè)計、有限元分析、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)和響應曲面法(RSM)模型和基于Pareto的遺傳算法組成的優(yōu)化策略來求解多目標優(yōu)化模型。結(jié)果表明，優(yōu)化設(shè)計參數(shù)后，吹塑模具型腔表面溫度分布均勻性明顯改善，加熱效率得到提高。Santis和Liparoti等[24-25]開發(fā)了一種有電阻薄元件和一個絕緣層組成的加熱系統(tǒng)，可以在一秒鐘左右的時間內(nèi)將模具表面溫度提高幾十攝氏度。該系統(tǒng)具有足夠的通用性。然后使用該系統(tǒng)對PP和200 mm厚的腔體進行注塑測試，發(fā)現(xiàn)型腔溫度能夠控制相關(guān)形態(tài)特征的分布，從而控制樣品厚度。通過X射線實驗分析了層狀厚度、結(jié)晶度分布和取向，最后使用原子力顯微鏡采集來表征形態(tài)和彈性模量。結(jié)果表明結(jié)晶度隨著型腔溫度的增加而略有增加，當型腔表面溫度較高時，會導致彈性模量增加。

2.3 感應加熱RHCM成型技術(shù)

感應加熱是基于電磁感應原理的一種非接觸式加熱方法，根據(jù)感應線圈的位置可分為模內(nèi)感應加熱和模外感應加熱。模內(nèi)感應加熱指的是線圈預先在模具內(nèi)部鑲嵌好，模具加熱可在合模狀態(tài)下完成，模外加熱指的是將感應線圈在開模狀態(tài)下靠近型腔表面，加熱完畢后，線圈離開模具。兩者具有各自的優(yōu)缺點，模內(nèi)感應加熱需要更為復雜的模具設(shè)計，設(shè)計制造難度大、適應性差，但是由于加熱可在合模狀態(tài)下完成，加熱效果較好。模外感應加熱對設(shè)備要求簡單，但是操作具有一定的復雜性且開模狀態(tài)下模具表面熱量散失較為嚴重[26-27]。1982年，Wada等[28]首次提出在注塑成型中使用電磁感應原理加熱模具型腔，并且研究了不同頻率、功率、模具材料參數(shù)對加熱速率的影響如圖5a所示。Lin等[29]通過應用不同的線圈設(shè)計和模具間隙，評估了外繞線圈感應加熱的效果。結(jié)果表明，當串聯(lián)線圈用作電感器時，加熱速率達到8.0 ℃/s。從初始模具溫度40 ℃，加熱15 s后，模具表面溫度達到159.9 ℃。并聯(lián)線圈顯示出更好的加熱均勻性，但其加熱速率遠低于串聯(lián)線圈。Menotti等[30]提出并驗證了一種新的嵌入式感應加熱系統(tǒng)，并對兩種不同的線圈設(shè)置進行了測試和比較。最后針對不同縱橫比的小結(jié)構(gòu)的樣品進行了實驗研究。Thuan等[31]通過模擬和實驗，預估了升溫過程中溫度分布和升溫速率。在模擬中，模具溫度在9 s內(nèi)從30 ℃增加到180 ℃，加熱速率高于 16 ℃/s。Guerrier等[32]為了準確分析感應加熱注塑模具的加熱和冷卻階段，在感應加熱模擬中考慮與溫度相關(guān)的磁特性，即非線性BH曲線。作者開發(fā)了一個有限元模型，包括由擬合磁飽和曲線的三參數(shù)修正Fr?hlich方程描述的非線性溫度相關(guān)磁數(shù)據(jù)。上述研究都是依據(jù)電磁感應趨膚效應(也稱集膚效應)所展開的，所謂趨膚效應指的是當線圈電流頻率較大時，感應電流主要集中在模具表面，深度一般較小，這使得焦耳熱較為集中，模具表面升溫速度較快。除此之外，一些學者利用電磁感應鄰近效應開發(fā)出新型感應加熱器，其原理如圖5b所示，Nian等[33-34]基于電磁感應鄰近效應開發(fā)的新型磁屏蔽感應加熱方法，通過使用鐵氧體材料分離由鄰近效應引起的沖突磁場，提高了加熱效率和溫度均勻性。作者提供了三種典型的單層線圈，包括往復式單層線圈、單層螺旋線圈和矩形框架線圈，成功地消除了鄰近效應，提高了加熱速率，并改善了溫度均勻性。但是這種模具需要將模板接入高頻電路中，模具相對較為復雜且存在一定的安全隱患，只適用于一些型腔較為簡單的模具，很難保證復雜型腔的模具溫度均勻性[35]。

圖5 電磁感應原理圖

感應加熱RHCM發(fā)展至今，多采用的還是常規(guī)形狀的螺旋形感應加熱線圈，雖然加熱效率較高，但是在螺旋中心模具溫度偏低，模具表面溫度均勻性較差，因此法國Roctool公司開發(fā)出一種新型模內(nèi)感應加熱線圈，并對該線圈對模具升溫特性及模具溫度均勻性進行了研究該線圈形狀在模具內(nèi)部進行穿插，如圖6俯視圖所示，其所需的感應線圈為柔性線圈，提升了線圈的隨形性，方便在模具內(nèi)部進行纏繞。結(jié)果顯示，穿插式內(nèi)部感應加熱線圈可顯著提高模具溫度均勻性，升溫速率可達到25 ℃/s。目前，感應加熱在注塑成型中應用比較有限，主要應用在小型模具或者型腔局部加熱，這也是感應加熱RHCM后續(xù)發(fā)展的一個方向。

圖6 穿插式感應線圈模具結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 輻射加熱RHCM成型技術(shù)

輻射加熱類似于感應加熱都是針對模具表面非接觸式加熱，加熱效率高。它是利用高溫熱源釋放的輻射能以電磁波的形式傳輸?shù)奖患訜岬奈矬w表面上，現(xiàn)如今較為常見的便是紅外輻射加熱。Saito等[36]設(shè)計了一種紅外線可穿過透明窗口直接加熱聚合物的模具結(jié)構(gòu)，可避免熔體冷凝過早的問題。Berlin等[37-38]研究了400～1 200 w不同紅外發(fā)射器功率下輻射能量對金屬模具的加熱效率。Beuscher等[39]通過熱交換的數(shù)學和物理模型，證明了通過紅外輻射進行模具加熱的優(yōu)勢。最后，通過實驗研究了紅外線和接觸冷卻對熱傳遞的影響。Gao等[40]采用紅外加熱方式快速提高模具溫度，并且開發(fā)了一種高效率的紅外加熱系統(tǒng)，并將其用于已開發(fā)的紅外加熱輔助系統(tǒng)。進行了一系列驗證實驗，驗證了所開發(fā)系統(tǒng)的可行性和加熱效果。Wissmann等[41]開發(fā)一種低成本的激光成型工藝，該方法依靠高功率二極管的激光輻射。Hopmann和Schongart[42]研究了二極管的激光參數(shù)、加熱時間、能量密度和光斑直徑對模具溫度響應特性的影響。

紅外輻射加熱相較于高頻電磁感應加熱而言，不存在電磁干擾，但是加熱均勻性遠不如感應加熱，且紅外輻射加熱需要紅外燈管，其隨形性不如柔性電磁線圈，因此目前紅外輻射加熱也僅僅是加熱模具表面局部位置，或者型腔面較為規(guī)整的微小模具，由于上述問題的存在，導致紅外輻射加熱很難實現(xiàn)大面積的推廣使用。

3 RHCM成型技術(shù)數(shù)值模擬仿真現(xiàn)狀

隨著計算機技術(shù)的普及提高。RHCM成型的主要過程均可通過相應數(shù)值模擬軟件進行前瞻性模擬實驗，不乏有學者對成型參數(shù)進行研究。Hammami等[43]通過模擬軟件對模具中的熱現(xiàn)象進行了預測，研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的注射成型相比，快速熱循環(huán)成型工藝可以迅速獲得穩(wěn)定的循環(huán)，最后建立了數(shù)學模型，探討了控制溫度系統(tǒng)特性對型腔表面溫度均勻性和熱響應效率的影響。此外，Hammami和Kria[44]開發(fā)了一個三維模型來研究快速熱循環(huán)成型過程中的熱響應。該程序使用有限體積法來獲得聚合物和模具的升溫情況，直到達到規(guī)則的循環(huán)狀態(tài)。研究了四個參數(shù)分別是加熱和冷卻溫度、冷卻階段的傳熱系數(shù)以及通道的抗污能力對快速熱循環(huán)成型工藝的影響。Kitayama等[45-47]利用數(shù)值模擬軟件分別研究了模具鎖模力、模具溫度曲線對制品熔接痕的影響，并且對工藝參數(shù)進行了多目標設(shè)計優(yōu)化。Li等[48]提出了一種預測方法來預測RHCM工藝成型制品的翹曲情況，作者建立了一種多層模型來預測翹曲結(jié)果，并將預測結(jié)果與實驗結(jié)果進行比較，結(jié)果表明預測翹曲與平均實驗翹曲的平均誤差分別為7.0%，3.5%。Shih等[49]針對汽車擾流板這一特定產(chǎn)品，并且將磁屏蔽材料安裝到各種形狀不同的線圈上，進行三維穩(wěn)態(tài)有限元分析，仿真結(jié)果與實驗結(jié)果的比較表明，感應線圈相對于加工工件的位置對溫度分布和加熱效率有顯著影響。特別是通過在線圈設(shè)計中引入磁屏蔽材料，可以改善導致沿工件壁加熱不均勻的鄰近效應。Guerrier等[50]將三個熱電偶和壓力傳感器安裝在注塑模具上，將注塑成型結(jié)果與模擬實驗進行比較，研究注射螺桿的加速度和噴嘴的幾何形狀對填充時間和注射壓力的影響，研究表明，兩個因素對結(jié)果具有很大的影響。Tosello等[51]開發(fā)出集成的多匝感應加熱線圈并將其組裝到帶有玻璃窗的注塑模具中，對型腔的升溫特性和填充的效果進行了比較，并通過數(shù)值仿真進行了驗證。作者用非線性電磁模型建立有效線性磁導率，然后計算了模具型腔的三維瞬態(tài)溫度場，并與實驗進行了比較。事實證明，在具有集成感應線圈的模具中，快速熱循環(huán)是可行的。Hao等[52]采用響應面法對注塑模具電加熱系統(tǒng)加熱棒的功率進行了優(yōu)化，將所提出的優(yōu)化結(jié)果應用于汽車零件，與初始設(shè)計相比，模具溫度均勻性顯著提高了79%?；趦?yōu)化和注塑成型數(shù)值模擬結(jié)果，設(shè)計出了減輕熔接線對質(zhì)量影響的成型工藝，并成功生產(chǎn)出實用的注塑件。

目前，常用的一些數(shù)值模擬軟件例如日本東芝公司和臺灣科盛公司開發(fā)出兩款軟件分別是3D Timon和Moldex 3D，美國Autodesk收購Moldflow公司開發(fā)出Autodesk Mold‐flow，這三款軟件均是商業(yè)注塑分析軟件，均支持熔體與模具之間的瞬態(tài)耦合傳熱分析，實現(xiàn)快速熱循環(huán)注塑工藝填充、保壓和冷卻的變模溫模擬分析。但是針對感應加熱RHCM，涉及到電磁熱多物理場耦合分析，其中電磁場分析基于麥克斯韋在十九世紀總結(jié)出的麥克斯韋方程組，包括高斯定律、高斯電磁感應定律、法拉第電磁感應定律和安培環(huán)路定律。在感應加熱中發(fā)生的傳熱現(xiàn)象是導體內(nèi)的熱傳導，通過用于所有模擬的瞬態(tài)熱傳導方程來表示[53]。目前大多數(shù)用ANSYS軟件進行耦合模擬，除此之外COMSOL軟件擁有強大的電磁熱多物理場耦合功能，也可進行相應數(shù)值模擬分析[54-55]，其在5.6版本中更新聚合物流動模塊后也可進行聚合物流體的流固耦合分析。

4 結(jié)語

快速熱循環(huán)成型技術(shù)已在國內(nèi)外多個領(lǐng)域得到廣泛應用，但仍存在一些問題，可以歸納為以下幾點：

(1) 產(chǎn)品設(shè)計、模具設(shè)計和工藝設(shè)計沒有相對完整的快速熱循環(huán)成型設(shè)計原理體系，增加了新技術(shù)的推廣難度。

(2) 模具在加熱和冷卻的快速重復交替過程中，承載了更多的負荷和沖擊，大大降低了模具的使用壽命，熱變形也會降低模具強度和精度。

(3) RHCM的作用機理及RHCM對產(chǎn)品質(zhì)量影響的機理還不是很清楚，產(chǎn)品質(zhì)量難以提高。

(4) 模內(nèi)加熱時會對整個模具進行加熱，以達到加熱型腔表面的效果，熱量損失較大。

因此，RHCM成型工藝在未來呈現(xiàn)出以下趨勢：

(1) 由于較高的表面質(zhì)量，無需二次加工，RHCM應用范圍拓展到電視機、冰箱、汽車、玩具等高光產(chǎn)品。

(2) 需要對RHCM研發(fā)配套設(shè)備和制定相關(guān)行業(yè)標準，為其推廣打下堅實的行業(yè)基礎(chǔ)。

(3) 為降低成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量提供理論依據(jù)，需要開展RHCM的基礎(chǔ)研究，如提高表面質(zhì)量的機理、設(shè)計參數(shù)的影響研究等。

(4) 在研究和應用的基礎(chǔ)上，總結(jié)產(chǎn)品、模具和工藝的設(shè)計原理，建立一體化設(shè)計體系。

(5) 應將現(xiàn)代設(shè)計方法引入RHCM，以提高設(shè)計效率，同時提高產(chǎn)品質(zhì)量且降低成本。

(6) 降低RHCM能耗，實現(xiàn)綠色制造，需要改進加熱方式，優(yōu)化加熱系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，精確控制工藝參數(shù)。