11 基于生態(tài)環(huán)境保護(hù)原則的注塑工程七個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的“新常態(tài)”創(chuàng)新驅(qū)動

生態(tài)環(huán)境保護(hù)成為全社會的共識，綠色注塑工程成為基于生態(tài)環(huán)境保護(hù)原則注塑工程發(fā)展的方向。掌握基于生態(tài)環(huán)境保護(hù)原則的綠色注塑工程發(fā)展領(lǐng)域，才能研發(fā)全套解決方案，實(shí)現(xiàn)基于生態(tài)環(huán)境保護(hù)原則的注塑機(jī)設(shè)計(jì)的科學(xué)發(fā)展。

塑機(jī)制造企業(yè)今后不但能提供用戶需要的單機(jī)，而且能提供塑料原材料的配方及配混工藝、成型模具、成型工藝、后處理設(shè)備及工藝等配套設(shè)備和配套軟件等在線成套設(shè)備的硬件和軟件。整套設(shè)備進(jìn)行工廠驗(yàn)收測試（FAT）或現(xiàn)場驗(yàn)收測試（SAT），為客戶提供完善的一站式服務(wù)。

11.1 生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的注塑工程新常態(tài)創(chuàng)新驅(qū)動

醫(yī)用塑料是生物工程復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)化發(fā)展最快的領(lǐng)城之一，醫(yī)療器械行業(yè)具有典型的正值型正周期特征，這個(gè)特征決定了國際醫(yī)療器械行業(yè)具有很大的發(fā)展?jié)摿?，而塑料以其?yōu)良的性質(zhì)、可靠的性能、方便的成型工藝在醫(yī)療領(lǐng)域獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。高分子材料已逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)無機(jī)材料如金屬(或合金)、玻璃、陶瓷、磷灰石等用于制備醫(yī)療器械，尤其在廣譜類醫(yī)療耗材(輸液器、輸血器、注射器等)、呼吸麻醉(氣管插管、呼吸面罩等)、神經(jīng)外科(顱骨修補(bǔ)片、引流裝置等)、透析、心血管(心臟支架、封堵器等)等方面，都已有成熟和廣泛的應(yīng)用。

重點(diǎn)研發(fā)生產(chǎn)各種醫(yī)用人體塑料器官的注塑工程技術(shù)。國內(nèi)生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的綠色注塑工程的研究及應(yīng)用技術(shù)，顯得十分薄弱、每年花費(fèi)大量外匯進(jìn)口人體塑料器官。

隨著人口老化和越來越多的年輕人需要進(jìn)行髖關(guān)節(jié)置換，人工全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)將會越來越重要。鑒于巨大的市場需求及豐厚的利潤，近年來在塑料新材料領(lǐng)域，人工關(guān)節(jié)一直是熱門研究課題。但目前這一市場大多為歐美企業(yè)占據(jù)。因?yàn)槿斯りP(guān)節(jié)制造不僅需要性能更優(yōu)良的金屬及塑料材料，還需要擁有先進(jìn)的合金加工技術(shù)、塑料精密加工技術(shù)，而歐美公司技術(shù)研發(fā)具有優(yōu)勢，因此在市場上具有很強(qiáng)的競爭力。目前，歐美企業(yè)在全世界人工關(guān)節(jié)市場占有率已達(dá)80％以上，世界前六大生產(chǎn)廠商都為歐美公司。

國產(chǎn)人工關(guān)節(jié)附加值大多較低，高端產(chǎn)品還需要依靠進(jìn)口。國產(chǎn)企業(yè)應(yīng)在人工關(guān)節(jié)材料、表面抗磨壽命周期的處理、3D成型加工技術(shù)工藝上進(jìn)行創(chuàng)新，從而實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)人工關(guān)節(jié)的高端化。

醫(yī)療塑料人體關(guān)節(jié)、人工骨等人體器官的特殊功能及性能，注塑成型設(shè)備企業(yè)是不能了解的，只有針對性的開發(fā)設(shè)備才能達(dá)到要求。這就要求醫(yī)療、原料、模具、主機(jī)等有關(guān)研究及制造單位聯(lián)合起來，取長補(bǔ)短，發(fā)揮各自優(yōu)勢，共同開發(fā)設(shè)備。塑機(jī)制造企業(yè)今后發(fā)展的方向，不但能提供用戶需要的單機(jī)，而且能提供塑料原材料的配方及配混工藝、成型模具、成型工藝、后處理設(shè)備及工藝等配套設(shè)備和配套軟件等在線成套設(shè)備的硬件和軟件。

美國東北大學(xué)的研究人員開發(fā)出了一種新的方法可以為早產(chǎn)的嬰兒或其它重要的醫(yī)療設(shè)備3D打印定制導(dǎo)管。這種3D打印技術(shù)使用一種混合了塑料和陶瓷的復(fù)合材料，并借助磁場來幫助產(chǎn)品成型。所打印的導(dǎo)管以及其他醫(yī)療設(shè)備，與傳統(tǒng)的同類產(chǎn)品相比，強(qiáng)度更高、重量更輕，而且能夠量身定制，更利于幫助病人康復(fù)。

11.2 微納精密注塑領(lǐng)域的注塑工程新常態(tài)創(chuàng)新驅(qū)動

微型化代表了塑料加工業(yè)從設(shè)備到成型工藝最先進(jìn)技術(shù)的集成，微納精密注射成型制品光電通訊、影像傳輸、醫(yī)療機(jī)械、信息存儲、電子產(chǎn)品、生物醫(yī)藥、精密機(jī)械、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)存儲、影像傳輸、生化醫(yī)療、生物技術(shù)、傳感器和傳動裝置、微光學(xué)等領(lǐng)域中呈現(xiàn)快速增長的需求。典型例子包括：加速和距離傳感器，硬盤和光盤驅(qū)動器讀寫頭，醫(yī)療傳感器及微型機(jī)器人，微型泵，小線軸，高精度齒輪、滑輪和螺旋管，光纖開關(guān)和接插件，微電機(jī)，等等。

微納注射成型技術(shù)以容易實(shí)現(xiàn)低成本大規(guī)模生產(chǎn)具有精密微細(xì)異形結(jié)構(gòu)零件的優(yōu)點(diǎn)成為世界先進(jìn)制造技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一。成品質(zhì)量幾微克到幾分之一克，成品幾何尺寸以微米為度量單位，長寬比在1到100之間，設(shè)備運(yùn)行的行程精度要達(dá)到微米級。微納注射成型技術(shù)同傳統(tǒng)的、常規(guī)的注射成型技術(shù)相比，其對成型材料、成型工藝、控制技術(shù)、周邊設(shè)備、成型環(huán)境及成型設(shè)備等方面都提出了特殊要求。許多現(xiàn)有的、成熟的注射成型技術(shù)和理論并不適用于微納注射成型技術(shù)，必須在理論和實(shí)踐上對微納注射成型工藝的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)和徹底的研究與探討。

  Engel公司的膨脹注塑是一種非傳統(tǒng)的微納注射成型技術(shù)，膨脹注塑則是基于利用存儲在螺桿前部的高壓溶膠，注塑就是簡單的打開針閥，使溶膠爆發(fā)充滿模穴，不需要其它產(chǎn)生高壓的方法。膨脹注塑用于傳統(tǒng)注塑機(jī)的極限領(lǐng)域，代表性的短射范圍從20克一直降低到0.1克；壁厚或段厚從1毫米到0.1毫米。預(yù)塑：關(guān)閉噴嘴。壓縮：預(yù)塑完成后，當(dāng)然這時(shí)候射嘴還是關(guān)閉的，螺桿用做活塞來壓縮螺桿前部的熔融料，根據(jù)產(chǎn)品應(yīng)用和原料，壓縮壓力范圍從2000 bar到2500 bar，熔融容積被壓縮大約10%，為保證溶膠溫度一致，壓縮狀態(tài)維持很短的時(shí)間。充模：打開針閥開關(guān)，溶膠突然爆發(fā)在不到一秒的時(shí)間充滿模穴，剩余壓力用于保壓以補(bǔ)償收縮。充模過程，螺桿保持位置不變，保證極好的重復(fù)性。這套系統(tǒng)的先決條件是塑化螺桿的位置可以精確控制，與ENGEL全電動機(jī)一樣。

威猛巴頓菲爾公司MicroPower 注塑機(jī)以極高的精密性和成本效益為特色，其中最值得關(guān)注的首先是創(chuàng)新的兩階式螺桿- 活塞注射單元，注射量為（0.05 ～ 4 ）cm3。憑借該注射單元，均勻加熱的熔體被注射成型為一流質(zhì)量的部件，最大程度地提高了生產(chǎn)穩(wěn)定性并縮短了循環(huán)時(shí)間。與標(biāo)準(zhǔn)注塑機(jī)相比，MicroPower 可節(jié)能(30～ 50)%。

Babyplast公司的全液壓微型注塑機(jī)Babyplast6/10P。其獨(dú)特的金屬球塑化系統(tǒng)和活塞式注射系統(tǒng)設(shè)計(jì)，確保了微型注塑的高精度，也避免了螺桿式塑化系統(tǒng)對纖維等填充材料的剪切破壞和熔體熱降解；利用機(jī)器的模板充當(dāng)碼模夾，大大減少了模具尺寸和模具制造成本，并可實(shí)現(xiàn)快速換模。

11.3 軌道交通領(lǐng)域的注塑工程新常態(tài)創(chuàng)新驅(qū)動

隨中國軌道交通行業(yè)的快速發(fā)展，高性能塑料在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用也陸續(xù)增加。一輛高速列車所消耗的能源相當(dāng)于一架飛機(jī)，所以節(jié)約能源才會成為重中之重。許多鐵路車輛制造商已開始借鑒國外經(jīng)驗(yàn)利用高性能工程塑料替代金屬，向小型化、輕質(zhì)化的方向發(fā)展。復(fù)合材料如玻纖復(fù)合材料在鐵路市場領(lǐng)域?qū)⒗^續(xù)如過去五年中保持兩位數(shù)的增長。全球列車車廂制造商龐巴迪公司就從中看到了塑料新材料在節(jié)約能源、減少震動和噪音方面的龐大市場。由于目前在航空領(lǐng)域所采用的新型復(fù)合材料已經(jīng)取代金屬材料，因此，龐巴迪公司在設(shè)計(jì)高速軌道列車車廂時(shí)吸收及參考航空領(lǐng)域所采用的新型復(fù)合材料已經(jīng)取代金屬材料的實(shí)際而開發(fā)。英國對高鐵的發(fā)展明確提出，擴(kuò)大對高分子復(fù)合材料的應(yīng)用，推動綠色高鐵的發(fā)展?？梢灶A(yù)見，高性能塑料在中國軌道交通上的成功應(yīng)用領(lǐng)域也將越來越深入和廣闊。

城市中現(xiàn)在的混凝土及瀝青黑色路面的熱島效應(yīng)是造成“高溫化”的主要根源，大約要占全球碳排放的2%；瀝青黑色路面有損于生態(tài)環(huán)境。荷蘭Volker Wesseles建筑公司研發(fā)回收利用廢塑料成型的類似塑料托盤型式組合的拼接路面。塑料路面較之傳統(tǒng)路面使用壽命高三倍以上，并可在-400C~800C環(huán)境下使用，鋪設(shè)及維修方便且成本低，不同顏色可豐富交通標(biāo)識內(nèi)容及降低城市熱島效應(yīng)，健康高分子材料保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

11.4 航空工業(yè)領(lǐng)域的注塑工程新常態(tài)創(chuàng)新驅(qū)動

在航空工業(yè)市場，圍繞“更安全、更經(jīng)濟(jì)、更舒適、更環(huán)保”和“減重、減阻、減排”的目標(biāo)綠塑創(chuàng)新發(fā)展，離不開復(fù)合材料的支持。目前復(fù)合材料在航空材料中只占相對較小的一部分，但在未來，復(fù)合材料成為航空工業(yè)一種整體性更好的零部件材料的潛力巨大，在未來十年期間，在商業(yè)飛機(jī)、支線飛機(jī)、軍用飛機(jī)、民用飛機(jī)、直升機(jī)和其他航空航天領(lǐng)域，對復(fù)合材料的總需求預(yù)計(jì)價(jià)值358億美元。

盡管目前鋁合金仍是整個(gè)航空工業(yè)的主流材料，但飛機(jī)制造商對復(fù)合材料的興趣在與日俱增，因?yàn)樗鼈兿Ｍ圃斐鋈加托矢?、耐腐蝕性更好的飛機(jī)。大型客機(jī)在設(shè)計(jì)中大量運(yùn)用高度綜合復(fù)雜系統(tǒng)，復(fù)合材料應(yīng)用范圍更加廣泛，波音787的復(fù)合材料達(dá)到50%，降低了20%的重量；空客A350的復(fù)合材料達(dá)到52.5%。中國首款具有自主知識產(chǎn)權(quán)的全復(fù)合材料的渦槳公務(wù)機(jī)“領(lǐng)世(Leadair)AG300”飛機(jī)的機(jī)體全部采用了先進(jìn)的碳纖維復(fù)合材料制造技術(shù)，結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、速度快、安全舒適、經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)，世界同類單引擎渦槳飛機(jī)中飛得最快的機(jī)型。 洛克希德馬丁X-55A復(fù)合材料運(yùn)輸機(jī)，應(yīng)用先進(jìn)復(fù)合材料，盡管X-55A比328JET機(jī)身長69.7英尺、翼展寬68.8英尺、機(jī)身高26.4英尺，但是其機(jī)身相對于328JET的3000個(gè)零部件減少到了300個(gè)左右，其機(jī)械緊固件的總數(shù)也從30000多個(gè)降低到了4000個(gè)左右。

知名3D打印公司stratasys聯(lián)合航空公司AuroraFlightSciences在2015迪拜航空展上發(fā)布了世界首架3D打印的噴氣動力無人飛機(jī)，這架無人機(jī)翼展長3米，而重量只有15千克，時(shí)速可達(dá)241.4千米。無人機(jī)的機(jī)身由尼龍材料3D打印的，而發(fā)動機(jī)排氣管道由金屬打印而成。

11.5 汽車工業(yè)領(lǐng)域的注塑工程新常態(tài)創(chuàng)新驅(qū)動

實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)是汽車制造業(yè)今后的發(fā)展趨勢所在，汽車制品注塑機(jī)的設(shè)計(jì)必須充分認(rèn)識到這一點(diǎn)。

塑料件成型技術(shù)與汽車塑料化無縫結(jié)合起來，創(chuàng)新創(chuàng)造成型技術(shù)，推動汽車塑料件綠色化進(jìn)程。成型加工技術(shù)由通用化轉(zhuǎn)移到功能化、專業(yè)化，由粗獷式轉(zhuǎn)移到低能耗、低污染、低排放、清潔化、潔凈化、高速高效化、資源節(jié)約化、控制智能化等綠色技術(shù)。開發(fā)科學(xué)的注塑成型加工技術(shù)達(dá)到最佳的性能、最低的成本、最高的效率的新技術(shù)，滿足汽車塑料件綠色化的發(fā)展。

    大型復(fù)雜注塑件在汽車塑料件中的比例越來越大，熱流道技術(shù)在汽車研發(fā)及生產(chǎn)工程中的作用越來越凸顯，專用化和功能化成為汽車塑料件注塑成型技術(shù)的發(fā)展方向。

    開拓復(fù)合注射成型加工新工藝。成型材料的天然纖維增強(qiáng)復(fù)合化、裝飾件的多層復(fù)合化、結(jié)構(gòu)薄壁件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化等汽車塑料件的綠色技術(shù)的發(fā)展，給注塑成型帶來了新課題，同時(shí)也為創(chuàng)新創(chuàng)造注塑新技術(shù)和新設(shè)備提供了發(fā)展平臺。

   碳纖維被國際上稱之為“第三代材料”，碳纖維復(fù)合材料具有極高的強(qiáng)度，車身重量于鋼相比可減輕50%，能量吸收要高上12倍，對提高汽車安全和燃油效率都極為有利，汽車應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料是第三次工業(yè)革命在汽車上的體現(xiàn)。 碳纖維復(fù)合材料件可節(jié)約大量的不可再生的煉鋼原料及材料，是汽車結(jié)構(gòu)受力件輕量化最佳的復(fù)合材料。碳纖維復(fù)合材料可以用于注塑，典型產(chǎn)品是碳纖維+PPS。碳纖維二次加工比較困難，比如在成型產(chǎn)品上鉆孔，普通的鉆頭，鉆幾個(gè)孔，鉆頭就磨損了。所以在注塑件設(shè)計(jì)時(shí)要避免二次機(jī)加工。此外，與塑料中加玻纖一樣，加碳纖維后注塑機(jī)螺桿磨損增大，螺桿壽命有所減短。剪切不要太強(qiáng)，防止破壞碳纖維的長度影響材料性能。碳纖維成型時(shí)模具中使用的脫模劑，會使注塑時(shí)碳纖與塑料不能粘接，改良碳纖維成型的工藝，在碳纖維成型過程中，不使用脫模劑，使碳纖維復(fù)合塑料構(gòu)件表面成型后無脫模劑殘留。碳纖維復(fù)合塑料的流動性下降，在注塑時(shí)須相應(yīng)提高注射溫度。

水輔助注射成型技術(shù)是將碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料納入寶馬新7系轎車的一大利器。水輔助技術(shù)由德國Maximator GmbH開發(fā)，該公司向?qū)汃R在德國蘭茨胡特的工廠提供了設(shè)備，該設(shè)備包括水處理單元和壓力單位，為寶馬量身定做。特殊水射器具有多種集成的單片閥門，比噴射通常使用水輔注塑產(chǎn)生更強(qiáng)大水壓；設(shè)備采用高溫、純凈的軟化水，加上特定的金屬合金，確保不會發(fā)生腐蝕；熱水把固化過程和生產(chǎn)循環(huán)時(shí)間最小化，可進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)；閥和壓力單元的近距離是成功的關(guān)鍵。用來生產(chǎn)CFRP車頂結(jié)構(gòu)件的曲型部分。在開發(fā)過程中，設(shè)備制造商、模具制造商和環(huán)氧樹脂的供應(yīng)商進(jìn)行了密切合作。

11.6 塑料包裝領(lǐng)域的注塑工程新常態(tài)創(chuàng)新驅(qū)動[18]

社會對塑料包裝成型機(jī)械在生產(chǎn)、制造、使用等過程包裝行業(yè)是塑料的主要消費(fèi)領(lǐng)域之一，80%的塑料原料用于塑料包裝。包裝中所引致的環(huán)保、節(jié)能等綠色技術(shù)問題也越來越關(guān)注。

塑料包裝成型加工是量大低利潤率，有的產(chǎn)品季節(jié)性很強(qiáng)，高速節(jié)能化為用戶獲取更大的利潤及提高適應(yīng)市場的應(yīng)變能力，成為用戶選取設(shè)備的首要技術(shù)參數(shù)。塑料注射包裝成型機(jī)械在綠色塑料包裝工程產(chǎn)業(yè)鏈中，利用低成本技術(shù)使塑料包裝材料性能提升，為減量化提供可能。首要性能是高速化，首要功能是高效化，沒有這兩個(gè)特性，設(shè)備就不能適應(yīng)市場的需要。

塑料注射包裝成型機(jī)械成型加工的綠色化技術(shù)主要體現(xiàn)在提高能源和其他資源的利用效率、降低成型加工成本、減少對環(huán)境的污染、提高清潔度、實(shí)現(xiàn)和提高塑料包裝制品綠色化技術(shù)性能及功能等方面。抓好包裝廢棄物處理和資源的回收再利用工作，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展要求。

塑料注射包裝成型機(jī)械朝著功能化專用化成型加工技術(shù)發(fā)展，在能源技術(shù)、動力技術(shù)、材料技術(shù)、控制技術(shù)、成型加工技術(shù)、環(huán)?？茖W(xué)、清潔技術(shù)等諸方面的綠色化技術(shù)的創(chuàng)新創(chuàng)造，以適應(yīng)塑料包裝綠色化的發(fā)展。

高速成型的創(chuàng)新驅(qū)動。何謂高速，如何實(shí)現(xiàn)高速，較多企業(yè)及技術(shù)人員對此兩個(gè)概念的認(rèn)識基本上含糊不清，講不出實(shí)質(zhì)的含義。一些單位的技術(shù)人員自動控制理論都未接觸過，如何能開發(fā)出高性能動態(tài)反映的動力驅(qū)動系統(tǒng)？ 

11.7 數(shù)碼領(lǐng)域的納米注塑工程新常態(tài)創(chuàng)新驅(qū)動

納米注射成型技術(shù)（NMT，即Nano Molding Technology)，是金屬與塑料以納米技術(shù)結(jié)合的工法，通過T處理技術(shù)在金屬表面形成納米級的凹坑，使用能與胺（T劑）反應(yīng)造成錨栓效應(yīng)的工程塑料（PPS、PBT、PA6、PA66、PPA），通過注塑進(jìn)入納米級的凹坑，達(dá)到塑料與金屬完滿聯(lián)接為一體，實(shí)現(xiàn)了異種材質(zhì)一體化結(jié)合的人類夢想。

NMT綠色環(huán)境特性：簡化產(chǎn)品機(jī)構(gòu)件設(shè)計(jì)，更具成本效益；簡化并縮短了制造工藝； 減少了不必要的表面處理工藝；解決了外殼需要以金屬表現(xiàn)、內(nèi)部有微小的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的薄壁產(chǎn)品；塑料和金屬的無污染一體化物理結(jié)合，實(shí)現(xiàn)綠色的生態(tài)聯(lián)結(jié)。

日本大成普拉斯株式會社擁有多項(xiàng)NMT專利。

NMT在手機(jī)行業(yè)中應(yīng)用。中興設(shè)計(jì)精品手機(jī)Grand S Ext機(jī)身，全球首次采用 NMT 納米成型技術(shù)（Nano Molding Technology）打造，機(jī)身采用 NMT 納米成型技術(shù)，機(jī)身在模具內(nèi)部就已經(jīng)完成組裝，組裝成本可以大幅度的降低，即便是打造全金屬機(jī)身，通過該技術(shù)不僅不會失去金屬高端的質(zhì)感，而且還能降低制造成本。東莞成銘電子以 NMT技術(shù)成功量產(chǎn)世界第一支智能手機(jī)的不銹鋼背蓋。

NMT在筆記本行業(yè)中應(yīng)用。筆記本的外殼在逐步使用鎂合金材料來代替塑料，使用鎂合金材料時(shí)的加工方法是條件極為繁雜的鎂材的注射成型方法。采用NMT，可容易地實(shí)現(xiàn) 3 維結(jié)構(gòu)加工。只要把T劑處理的金屬基材薄板放進(jìn)模具，通過注射，幾乎所有的 3 維形狀都可以實(shí)現(xiàn)。以前的類似成型被稱為是金屬嵌件成型，而NMT已經(jīng)導(dǎo)入了組裝的設(shè)計(jì)概念。

NMT在平板電視行業(yè)中應(yīng)用。大型液晶顯示屏的支撐背面板采用鋁材的擠出成型品作為顯示屏的支撐框架，四個(gè)塑料連接角采用NMT注射成型，既實(shí)現(xiàn)了框架的輕量化，同時(shí)也降低了制作成本。而且，對于前部面板的支撐框架的加工也同樣如此，不需要一體化的成型加工，就像切割鋁板一樣，將其切成一定尺寸條形件，然后再用注射成型法將四個(gè)角聯(lián)接起來。因此不需要大型的注射成型機(jī)械，組合使用小型的注射成型機(jī)即可，因此具有節(jié)省空間和大幅度降低制造成本的優(yōu)點(diǎn)。

納米注塑工程是系統(tǒng)化的全套解決方案。包括金屬基材的成型及表面T處理、專業(yè)注射塑料、精密注塑裝備、監(jiān)測技術(shù)等等新技術(shù)、新材料、新裝備的研發(fā)。

12 注射成型技術(shù)的創(chuàng)新拓展及應(yīng)用

塑注射技術(shù)是一個(gè)應(yīng)用范圍很廣的綠色成型技術(shù)，不斷創(chuàng)新開拓成型空間。

12.1 鎂合金半固態(tài)觸變注射成形技術(shù)

半固態(tài)觸變注射成形法將塑料的注塑成形原理與半固態(tài)金屬觸變成形工藝相結(jié)合，源于美國Dow化學(xué)公司，由Thixomat公司將其商業(yè)化，目前應(yīng)用最成功的是AZ91D。

近年來，隨著對環(huán)保等方面要求的提高，鎂合金以其質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、比剛度高、減震性好、耐電磁屏蔽和易回收等特點(diǎn)而從眾多金屬材料中脫穎而出，被認(rèn)為是“21世紀(jì)的綠色工程材料”，廣泛應(yīng)用于航空、航天、電子和汽車等行業(yè)。

鎂合金觸變注射成形技術(shù)集半固態(tài)金屬漿料的制備、輸送和成形過程于一體，解決了半同態(tài)漿料的保存輸送和成形控制等問題，成型溫度比壓鑄法低50~70℃，使制品獲得更高的耐蝕性和機(jī)械強(qiáng)度，成為唯一用于鎂合金工業(yè)化生產(chǎn)的半固態(tài)成形技術(shù)，適合形狀復(fù)雜、致密度高的零件生產(chǎn)，具有巨大的應(yīng)用潛力。半固態(tài)注射成形方法比壓鑄成形溫度低，可延長模具壽命，降低生產(chǎn)能耗，提高產(chǎn)品精度，被稱為“21世紀(jì)最有前途的材料成形加工方法”。

12.1.1 鎂合金半固態(tài)觸變注射成形工藝原理

鎂合金半固態(tài)注射成形設(shè)備與塑料注射成形機(jī)工藝原理相近，由普通鑄錠利用專用的裝置以機(jī)械的方式切成3～6mm 的粒狀，屑狀鎂合金材料在室溫下通過料斗送入料筒，螺桿對材料進(jìn)行輸送，在料筒外部加熱和螺桿的剪切作用下，材料從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樾纬?60～630℃的含固相率在60％以上的近乎于球形狀的適合注射的半固態(tài)漿料，通過噴嘴高速射入模腔，再經(jīng)注射進(jìn)入型腔，冷卻凝固脫模后形成制品。

12.1.2 鎂合金半固態(tài)觸變注射設(shè)備主要特點(diǎn)

    鎂合金材料的成形溫度和熱傳導(dǎo)特性與塑料存在明顯差異，對注射成形設(shè)備產(chǎn)生了多種不同的技術(shù)要求。

加料裝置。鎂合金材料的加料方法有飽和式加料法和定量式加料法兩種，飽和式加料法與塑料注射成形機(jī)器的常規(guī)加料方法一樣，采用自動加料機(jī)實(shí)現(xiàn)自動送料，保證料斗內(nèi)的原料不低于光電開關(guān)檢測的料位高度。定量式加料法需采用帶計(jì)量裝置的自動加料系統(tǒng) 邊轉(zhuǎn)動螺桿，邊進(jìn)行加料。通過螺桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)，采用飽和式加料法更為方便，系統(tǒng)成本低。機(jī)器進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)，需要在料斗落料區(qū)域使鎂合金原料與空氣隔離，避免高溫條件下鎂合金材料的氧化和危險(xiǎn)狀態(tài)發(fā)生。

溫度加熱裝置。鎂合金半固態(tài)注射成形過程的溫度控制主要包括料筒組件溫度控制和模具溫度控制，機(jī)器需采用耐高溫的溫度傳感器和電加熱元件，能夠連續(xù)工作在650℃的工藝條件下，特殊條件下應(yīng)能加熱到800℃，溫度控制精度應(yīng)達(dá)到±5℃以內(nèi)。其中噴嘴區(qū)的溫度控制穩(wěn)定性特別重要，噴嘴區(qū)的溫度應(yīng)能保證每一個(gè)成形周期原料輸送過程中噴嘴處形成冷料塞，熔融料不會從噴嘴溢出，才能保證穩(wěn)定連續(xù)生產(chǎn)。固相率由料筒及噴嘴的溫度控制。

    螺桿輸送裝置。螺桿剪切的主要作用是提供鎂合金切屑熔化所需要的熱量、混合漿料，并且細(xì)化固相。鎂合金材料與合金鋼料筒螺桿的摩擦因數(shù)較小，單一的螺桿轉(zhuǎn)動剪切對材料的輸送能力較弱，需增加邊轉(zhuǎn)動邊松退螺桿的同步動作控制，并且采用獨(dú)立的速度壓力控制回路，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)同步動作工藝參數(shù)獨(dú)立可調(diào)。螺桿轉(zhuǎn)速為9O～ 120r／min，螺桿松退速度為10～20mm/s。

注射裝置。鎂合金半固態(tài)注射成形的注射速度要求介于鎂合金壓鑄機(jī)的高速壓射速度和塑料注射成形機(jī)的高速注射速度之間，要達(dá)到對注射速度的高速高響應(yīng)精確控制為保證各種制品的成形工藝要求，設(shè)備需具備0～5 m／s的注射速度調(diào)整控制范圍。為實(shí)現(xiàn)對注射速度的精確控制，注射液壓系統(tǒng)采用高精度壓力傳感器和位置傳感器在線監(jiān)測注射速度，實(shí)時(shí)雙閉環(huán)伺服控制，注射移動部件采用高剛度高強(qiáng)度的輕質(zhì)材料，密封件采用低摩擦高新能結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對注射速度的精確閉環(huán)的靈敏控制。鎂合金半固態(tài)注射成形額定注射壓力120MPa。

12.1.3 鎂合金半固態(tài)觸變注射技術(shù)的發(fā)展

美國、歐洲和日本是半固態(tài)成形技術(shù)研究和應(yīng)用的主要國家和地區(qū)。目前，已研究開發(fā)出多種半固態(tài)金屬漿料或坯料的制備方法，主要有機(jī)械攪拌法、電磁攪拌法、應(yīng)變誘導(dǎo)熔化激活法、等溫處理法、近液相線法、紊流效應(yīng)法、超聲振動方法、化學(xué)晶粒細(xì)化等。鎂合金半固態(tài)成形技術(shù)的研究主要集中在兩個(gè)方向，一是是通過實(shí)驗(yàn)研究，二是通過數(shù)值模擬研究。

伊之密精密機(jī)械股份有限公司2009年開始半固態(tài)成注射成型技術(shù)的研發(fā)及原理樣機(jī)的制造， 2014年主導(dǎo)制定了《半固態(tài)鎂合金注射成型機(jī)》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。歷時(shí)六年創(chuàng)新開發(fā)的第二代半固態(tài)鎂合金注射成型機(jī)UN650MGII，融合國際最先進(jìn)技術(shù)水平，通過系統(tǒng)地研究鎂合金半固態(tài)注射成型的工藝技術(shù)，經(jīng)過多次的技術(shù)改進(jìn)及試驗(yàn)，在掌握了能夠滿足鎂合金制備漿料的溫度成型要求的原理后，最后完成了樣機(jī)的試制。該機(jī)可以成型復(fù)雜的鎂合金制品，具有成型制品精度高、表面質(zhì)量好的特點(diǎn)，其最高注射速度已經(jīng)達(dá)到5m/s，同時(shí)從零加速到5m/s僅需要12ms，不需要SF6 保護(hù)氣體(SF6 是溫室效應(yīng)氣體，它對溫室效應(yīng)的影響相當(dāng)于CO2 的約25000 倍)，在高速注射閉環(huán)控制技術(shù)、料管組件、高速開合?？刂萍夹g(shù)等關(guān)鍵部件取得了重大突破。

華中科技大學(xué)研制了集半固態(tài)漿料制備、輸送和注射成形于一體的半固態(tài)鎂合金流變注射成形機(jī)。

12.2  在線配混的擠注壓復(fù)合成型技術(shù)

在線配混的擠注壓復(fù)合成型就是把在線配混的擠注技術(shù)和壓縮技術(shù)兩者結(jié)合為一體的復(fù)合成型技術(shù)。

    在線配混復(fù)合材料的擠注復(fù)合塑化注射系統(tǒng)就是把常規(guī)的配混擠出造粒及制品的注射成形在兩臺設(shè)備上進(jìn)行合為在同一設(shè)備上進(jìn)行，不受到常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)原料及供應(yīng)數(shù)量的限制，可靈活開發(fā)具有特種性能和功能的復(fù)合材料的注射制品，特殊的塑化型式達(dá)到大大降低了填充玻纖或碳纖的剪斷率，達(dá)到提高了制品的強(qiáng)度和剛度。把擠出配混塑化和柱塞射出兩者組合起來的一種新型的塑化注射系統(tǒng)，發(fā)揮和挖掘兩者各自的功能及性能，創(chuàng)新并提升了常規(guī)的螺桿往復(fù)式的塑化注射的性能和功能。擠出配混玻璃纖維、塑料及添加劑后直接塑化后柱塞注射，取消了傳統(tǒng)工藝中擠出、熔融冷卻、造粒、烘干等過程及設(shè)備，避免物料再次加熱熔融以及分子量再次下降，節(jié)省了一次加熱、塑化和冷卻過程需要的能耗，制造具備超高粘度或超高強(qiáng)度的復(fù)合材料注射成型制品。Engel公司以模塊化方式把鎖模力10,000kN的Duo 7050/1000二模板大型注塑機(jī)與德國Leistritz的長徑比為36的直徑50mm的螺桿同向混煉平行雙螺桿擠出機(jī)組合成一套異軸在線配混的擠注復(fù)合系統(tǒng)，而且，每個(gè)組件的標(biāo)準(zhǔn)功能都保持完整無缺，如果有必要，每一個(gè)組件都能獨(dú)立于其它組件而運(yùn)轉(zhuǎn)。

壓縮技術(shù)達(dá)到降低模腔壓力，從而降低設(shè)備的鎖模力，達(dá)到降低設(shè)備的鋼材用量，實(shí)現(xiàn)鎖模機(jī)構(gòu)的綠色化。特別對于超大型復(fù)合材料注射成型制品實(shí)現(xiàn)綠色成型具有更顯著的生態(tài)環(huán)境保護(hù)的作用。注射壓縮成型不是依靠螺桿向型腔傳遞壓力，而是通過壓縮行為來壓實(shí)制品，低壓注射，使得制品表面具有均勻的壓力分布，制品內(nèi)部分子取向分布均勻，保證了成型制品的尺寸精度高且穩(wěn)定。壓縮成型降低了模腔壓力，從而降低了鎖模力，例如，采用普通成型注射工藝需30000kN鎖模力才能成型的制件，采用注射壓縮成型工藝僅需10000kN鎖模力就能成型，注射壓力僅為普通注射成型的二分之一，能耗僅為普通注射成型的二分之一。從制造方面來講，10000kN的合模機(jī)構(gòu)與30000kN的合模機(jī)構(gòu)，兩者的制造成本是無法比較的，大幅度降低了社會物質(zhì)資源，降低了社會能耗。二板機(jī)上開發(fā)注射壓縮成型技術(shù)，發(fā)揮液壓合模的優(yōu)勢，達(dá)到節(jié)能和成型兩方面的雙贏。模內(nèi)修飾注射—壓縮成形加工用于成形所謂的“蟲眼”結(jié)構(gòu)，以便在減少邊界面反射條件下增加物質(zhì)的傳輸。例如對于液晶顯示器覆蓋板來說，應(yīng)用這種技術(shù)可以增加光的傳輸量4%。即可以從原來的最大傳輸量92%，提高到96%。

國內(nèi)在線配混的擠注壓復(fù)合成型技術(shù)的進(jìn)展。擠注復(fù)合成型技術(shù)應(yīng)用于大型管件成型，已取得一定成效。在線配混的擠注復(fù)合成型技術(shù)，還沒有還沒有放到議事日程上。壓縮技術(shù)應(yīng)用于擠注復(fù)合成型技術(shù)，還未有報(bào)道。

根據(jù)在線配混的要求，配混的擠出機(jī)可用單螺桿、雙螺桿、三螺桿，模塊化積木組合式擠出配混結(jié)構(gòu)適應(yīng)配混的要求。擠出儲料缸的設(shè)置形式根據(jù)具體情況設(shè)計(jì)。

南非LOMOLDTM集團(tuán)采用長纖維增強(qiáng)熱塑性塑料的擠注壓復(fù)合成型技術(shù)，以較低的剪切力和鎖模壓力，快速地生產(chǎn)出具有多種復(fù)雜設(shè)計(jì)特性的大型塑料部件，生產(chǎn)出壁厚更薄、重量更輕、力學(xué)性能優(yōu)良的制品，提高了制品抗蠕變疲勞性，從而使得成型后的纖維長度能夠保持在只有采用模壓成型方法才能達(dá)到的水平，有助于降低生產(chǎn)成本。

13 結(jié)語

基于生態(tài)環(huán)境保護(hù)原則的注塑機(jī)的新常態(tài)創(chuàng)新驅(qū)給制造企業(yè)帶來機(jī)遇與挑戰(zhàn)，突出個(gè)性化、多樣化、智能化、專業(yè)化、差異化的創(chuàng)新驅(qū)動，適應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式從規(guī)模速度型粗放增長轉(zhuǎn)向質(zhì)量效率型集約增長，經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)從增量擴(kuò)能為主轉(zhuǎn)向調(diào)整存量、做優(yōu)增量并存的深度調(diào)整，經(jīng)濟(jì)發(fā)展動力從傳統(tǒng)增長點(diǎn)轉(zhuǎn)向新的增長點(diǎn)的新常態(tài)。

提高企業(yè)內(nèi)部整體系統(tǒng)解決方案的全面的專業(yè)實(shí)力，不斷地創(chuàng)新、合作，整合高端技術(shù)和強(qiáng)化銷售與服務(wù)網(wǎng)絡(luò)為客戶創(chuàng)造更高效率、提供滿足顧客要求的最佳解決方案。努力開創(chuàng)智能生產(chǎn)單元、智能生產(chǎn)線、智能車間、智能工廠以及智能制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟推進(jìn)“中國制造2025”，實(shí)現(xiàn)信息化與自動化技術(shù)的高度集成，提高生產(chǎn)效率、降低成本并實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn)。

基于生態(tài)環(huán)境保護(hù)原則的注塑機(jī)新常態(tài)創(chuàng)新驅(qū)動首先解決影響范圍廣的直接有損生態(tài)環(huán)境的課題，其次逐步解決涉及面大的間接有損生態(tài)環(huán)境的課題。新常態(tài)綠色注塑工程中任何一個(gè)環(huán)節(jié)不能達(dá)到生態(tài)環(huán)境保護(hù)的要求，整個(gè)注塑工程就不能實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的要求。

基于生態(tài)環(huán)境保護(hù)原則，研究注塑機(jī)發(fā)展的新常態(tài)創(chuàng)新驅(qū)動，觀念上要適應(yīng)，認(rèn)識上要到位，方法上要對路，工作上要得力。

堅(jiān)持基于生態(tài)環(huán)境保護(hù)原則的創(chuàng)新驅(qū)動，構(gòu)建新常態(tài)的智能轉(zhuǎn)型、強(qiáng)化基礎(chǔ)、綠色發(fā)展，堅(jiān)持“功能化、輕量化、生態(tài)化、微型化”技術(shù)方向，持續(xù)“高端化、個(gè)性化、差異化、小批量”的布場導(dǎo)向，協(xié)調(diào)資源、區(qū)域優(yōu)勢，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)區(qū)域布局。

我國的注塑機(jī)行業(yè)應(yīng)深刻反思三十年來的制造歷程，為什么總是處在低端狀態(tài)，還應(yīng)老老實(shí)實(shí)做學(xué)生，才能在技術(shù)方面有所突破和創(chuàng)新，逐步實(shí)現(xiàn)引領(lǐng)注塑工程的發(fā)展。注塑機(jī)制造的未來屬于有基于生態(tài)環(huán)境保護(hù)原則的創(chuàng)造力、創(chuàng)新力、新點(diǎn)子的不斷創(chuàng)新創(chuàng)造中前進(jìn)的新常態(tài)創(chuàng)新驅(qū)動的企業(yè)。

參 考 文 獻(xiàn)

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