汽车塑化提速:透明光学塑料部件来袭

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新型塑料原料和成型工艺的快速革新发展,使得塑料在汽车上的应用以惊人的速度在替换金属、玻璃等材料,不仅仅在内饰件,在结构件和光学部件上也在快速被塑化。

汽车透明光学塑件——发展现状

汽车的光学原件或部件应用包括:汽车内饰照明、外部功能性照明、外饰照明、汽车车窗、以及一些需要用透明和半透应用的场所,包括表盘或无照明的玻璃感装饰件。

在日本,LED的内饰照明应用普及速度是最快的,当人员进入车内,多彩科幻的科技感便油然而生,从仪表盘、贵宾指引系统、内饰多方位辅助照明到LED阅读灯,每个细节都在努力迎合着人的感官需求,现在,这一技术在西方也同样被设计师用到极致,如宝马的概念车Vision的内外饰中均应用了科技感十足的导光装饰系统。

1898年,首个汽车车灯诞生,经过100多年的发展,车灯已经不仅仅满足照明需求,更多趋向於美观时尚、节能环保、价廉易制方向发展。汽车车灯的注塑成型化趋势使得汽车的灯具被设计成各种各样的形状和配色,与车身的风格协调一致,已经成为汽车美观和功能最重要的构成要素之一,而塑化的趋势和大功率冷光源的应用,使得设计可以变得更加灵活多样。

在大灯上做文章,可以说是从2005年的全新宝马3系推出“天使眼”大灯开始,无数人为之情迷。2007年奥迪R8的推出,使得LED日间行车灯这个概念得到认可和普及,R8“泪眼”LED灯超越声名显赫的“天使眼”,成为潮流的引导者。之後越来越多的厂家投入到日行灯的设计研发中,使其普及。

BMW Vision 前灯

BMW Vision 前灯

自1998年,Smart(精灵)微型汽车的问世使得塑料第一次成为规模量产的汽车车窗材料。从此,塑料开始逐渐把玻璃挤出之前由玻璃独占的车窗材质领域。在该领域有三类产品发展较快:固定式侧窗、透明天窗、後窗组件(如奔驰双门运动跑车),以及一些玻璃质感的配件。

众所周知,塑料代替玻璃用於车窗制造的最初动机是通过减轻车体重量来降低油耗,但如今,其他的一些因素的重要性正在超越这一原始需求成为更主要的原因。汽车风阻系数的改进使得减轻车窗的重量对於汽车的影响不再那么明显。相关研究表明:“每辆车通过使用塑料而减轻30至40公斤重量所产生的作用还不如降低整车重心和优化前後轴负重分配所产生的效果。”这样就提供了探求汽车最佳的动力学表现新的方向,并对於在改善安全性的同时提高驾驶乐趣这一方面起到了实质性的作用。

另外,塑料的可塑性是玻璃无法比拟的,有些外形漂亮的几何形状,对於玻璃来说近几年要想达到可以连续规模生产是几乎不可能的。而且由於塑料本身的一些特性,尽管硬度低,在耐磨性能方面不如玻璃,但是,塑料能被设计成刚性更好的几何形态,并通过表面涂层提高硬度,因此在安全性方面优於玻璃。在物理碰撞中,塑料结构能因其较好的韧性而减少碎片数量。尽可能维持残存外壳的完整性对於在事故中的安全性同样显得十分重要。

当然,轻量化的优势也并没有因为上述的优点而被亮月掩星,在随动转向技术中,玻璃组件的重量是考验转向机构寿命并影响结构设计灵活性的最大障碍。反射式配光庞大的体积和重量,尤其是行使中的震动惯量使得随动机械结构面临困境,而在大功率LED照明和塑件化後,不需要反射杯以及塑料的优异可塑性,各种远近灯光等可以被整合在一个较小的结构内,使得随动转向变得轻巧灵活。另外,在一些国际公司推出的1升经济型车中,塑化程度依然是轻量化和减少装配件数量最重要的因素。

车用光学塑料——成型工艺

由于塑料的特性及几何要求的复杂性,一般多采用注射成型的方式来制造。由於注射工艺可以快速批量成型,并且注塑模具设计灵活,设计的产品不但可以做成各种各样的形状,也可以在制造过程中大大减少零件的数量,将更多的结构融合到一个或少量的零件中,从而减少装配的成本。

成型过程对注塑机的速度稳定性、压力精度、螺杆位置控制精度提出了更高的要求。通常的双缸注射系统对於超低速注射工艺就显得不太适合,液压油流体的微小的可压缩性将因为双油缸的微小机械摩擦力的不平衡而产生微小的波动注射,而这不易觉察的状态在成型中可能导致致命的缺陷。模具的加工抛光和温度或压力控制同样是需要保证的基础条件之一。

设计复杂的零部件也对成型工艺提出了比普通塑件成型更高的要求。在汽车光学零件中,耐热性、耐老化、抗冲击、耐环境应力开裂及光学性能是需要更进一步提高的指标。德国拜耳光学级PC、日本帝人光学级PC、沙伯基础创新塑料光学级PC、日本出光光学级PC、日本三菱工程光学级PC、韩国LG光学级PC等都具备了非常优异的性能指标,在影响最终产品的性能的影响因素中,消除零件的表面注塑缺陷、降低残余应力、控制好分子取向是主要的工作重点,而这取决於材料、设计和工艺技术的组合状态。通过塑料顺序成型、多组分、模内装饰等注射成型工艺,可以减少装配中的步骤,从而提高生产效率和降低装配成本。

满足精密需求——注模和机械工艺

车灯,由於新的应用光源出现,大功率LED的冷光源照明,将完全颠覆传统的车灯照明设计概念。不仅仅是一些指示灯可以被设计成各种复杂的特殊异形外观,更可以把远光近光等照明融合到一起成为一个整体的照明零件。由於LED的超低发热特点,配光系统可以抛弃传统的反射式配光系统,并且使得塑料光学原件不再面临高温烧烤的煎熬,空间设计达到前所未有的灵活性,配光原件如异形导光条、非球面异形透镜将会更加广泛的应用。

这也对注射模具、注塑机、成型工艺提出了相当苛刻的要求。为了制造光学上高质量的表面,需要精密的模具表面抛光并且在制模过程中不能够有沉积物。如抛光时,工作人员在模具边上聊天时口中溅出的微小水星落到完成的抛光面上都可能引起模具的成型失败。对於车窗来说,浇口通常设置成在长边的薄型超宽浇口,充足的尺寸能确保过程稳定和高质量。而在降温冷却过程中还需要一些特殊的工艺来对那些需要尺寸精确的产品作低模内残余应力控制。

通常,对於一些形状相对规则和简单的产品,当传统的精密注塑依然不能达到要求的时候,会采用新的成型工艺,以应对收缩痕或冷却过程中持续的冷却补料动作造成过大而且不均的残余应力。目前各个公司在这方面都各有所长。对於流长比较高的大面积部件,目前以采用射出压缩技术为主,可以有效降低填满腔体所需的注射压力。充填压力和速度的降低使得熔融物的抗剪应力降低了,这样可以达到分子取向减弱的效果。而最小的分子取向是非常重要的,因为分子取向会使这种材质产生不需要的光学效果——显着的双折射。没有模内残余应力在光学部件中也是需要的,尤其是表面应力,这将降低表面涂层的粘附性,这一点非常必要。同样,所有机械制造者也都信赖双模仁转轴技术。这样通过多组分或覆盖注塑工艺能使制程达到最大的经济性。

目前基本上有多种不同的光学注塑工艺在应用。其中最传统的注塑压缩工艺是长行程压缩技术,它适用於夹具中相对规则的薄壁部件。我们通常也使用这种工艺成型信息光盘,如CD/DVD等。在这种工艺中,注塑之前,模具并不完全闭合,根据制品形状和大小预留一些距离,注射时采用较低的压力充填模腔,随後,模具在一定力的作用下闭合,将合模力作用於熔融物上,以消除内部压力不均匀的现象。在车窗的制程中,奥地利的ENGEL向市场推出包含取制品及车窗边缘包裹於一体的注塑成型系统,包括二板式的液压注塑机和自动取件的机械手。

另一个以低模内残余应力制造窗户的注塑压力制模的变体是膨胀压缩技术,由日本发明,在汽车行业成熟应用的有Krauss-Maffei(克劳斯玛菲)、Beston(巴斯顿)等。注塑前模具是完全闭合的。这种方法的优势是:解决了需要在边缘留溢料口的问题,而且可以提高闭模方向的尺寸精度。当腔体填充完全以後,部件厚度在较高的注射压力的控制下随腔体变大而增加,加量填充来预先提供冷却收缩所需要的体积。一旦达到所需的补缩体积时,关闭浇口,不使用传统工艺的保压功能,在逐渐降温冷却过程中,内部压力逐渐降低,体积逐渐缩小,在开模时获得低应力高精度制品。这一技术目前已经成熟应用在生产汽车的侧窗和天窗中,这种工艺要求注塑机提供极高的注射压力并具备射嘴或模具流道关闭功能。

对於流程比超长的成型工艺,Battenfeld公司曾经在美国行业展会上展出IMP-more工艺。成型的原理是通过楔形机械机构扩大充填腔来实现低压力充填。在注射开始後通过机械斜楔形结构进行闭合,使得腔体以非常低的压力灌满型腔。缺点是需要额外的机械结构来保证开模力的稳定和均匀。宝马公司的工程师自行研发了这个概念的三压板模具并应用於汽车侧板的成型,在模具中产生了相当於3200吨锁模力所达到的效果。

在一些简单的结构中,有时候也采用一些局部压缩工艺来提高成型质量,如在厚壁或者高要求部位的背面。采用活动或弹性机械结构,在充填时会受压而後退,冷却时可以在外机械力的作用下回压,使得冷却补缩需要的物料不需要从浇口补充,从而获得低应力和高表面质量的制品。

而对於异形复杂的车灯,在结构允许的情况下,通常采用长行程射出压缩法成型,但由於未来车灯的LED光源的应用,车灯零件的设计更具整合性,一种新型顺序变温控制技术正在被快速的应用到复杂光学零件的制程中,这种工艺最早由Beston(巴斯顿)提出,并在中国也进行了专利注册,该注塑机曾在2009年的广州CHINAPLAS中国国际橡塑展中展出,根据产品的形状和制程特点,利用分组控温技术,在注射前,模具完全闭合,模具的模腔表面根据需要对不同的部位进行分组加热温度控制,在低速低压的情况下完成充填。因为在需要较高微观表面质量的位置有独立的温度控制,可以获得非常高的微观复制性,并且可以消除熔接痕。与传统的急冷急热技术不同,其加热和冷却降温过程是由电脑程序控制分组独立进行,在制品的不同部位可以区分优先满足高要求部位来设定优化成型工艺,并可以根据需要的冷却速度来进行冷却速度控制。收缩补料也得以在可控的状况下进行低压补料,从而获得复杂的高质量表面以及低残余应力的光学制品,这种工艺可以广泛应用到各种高要求的注射成型。

在成型工艺中,较好的熔融质量是注塑成功的基础,在熔融过程中,特别要注意避免黑点黑斑和发黄。螺杆的材料、参数和恰当的单过胶组件结构非常关键。因为PC有粘附螺杆表面并腐蚀的倾向,对螺杆的材质选择要加以特别重视。镀铬、镀钛或全硬特殊合金材料或一些表面涂层螺杆在各注塑机厂商中被成功地应用。由於材料和制造工艺的不同,这类螺杆的价格也差异极大,後续的保养更换也需要更多的成本,Beston新推出的一种新型合金螺杆No.37,其经济性甚至可用於普通民用PC的生产。

在光学零件的后续处理上,我们还会对表面进行一些加硬防刮、防腐蚀以及一些抗紫外线涂层。在一些特殊情况下甚至加入电子屏蔽涂层,以减少电磁辐射穿透,研发各种涂层技术用以保护涂层下的塑料可以更耐用,适应各种恶劣环境或者实现更多的功能。Battenfeld,Ticona和Wahloptoparts,材料科学部门,塑料工艺学院(RWTH大学),已经投资进行了不同表面涂层的新研究以应用於制塑部件,旨在创造一种适用於任何塑料树脂的最稳定的涂层系统。

新型塑料原料和成型工艺的快速革新发展,使得塑料在汽车上的应用以惊人的速度在替换金属、玻璃等材料,不仅仅在内饰件,在结构件和光学部件上也在快速被塑化。

汽车透明光学塑件——发展现状

汽车的光学原件或部件应用包括:汽车内饰照明、外部功能性照明、外饰照明、汽车车窗、以及一些需要用透明和半透应用的场所,包括表盘或无照明的玻璃感装饰件。

在日本,LED的内饰照明应用普及速度是最快的,当人员进入车内,多彩科幻的科技感便油然而生,从仪表盘、贵宾指引系统、内饰多方位辅助照明到LED阅读灯,每个细节都在努力迎合着人的感官需求,现在,这一技术在西方也同样被设计师用到极致,如宝马的概念车Vision的内外饰中均应用了科技感十足的导光装饰系统。

1898年,首个汽车车灯诞生,经过100多年的发展,车灯已经不仅仅满足照明需求,更多趋向於美观时尚、节能环保、价廉易制方向发展。汽车车灯的注塑成型化趋势使得汽车的灯具被设计成各种各样的形状和配色,与车身的风格协调一致,已经成为汽车美观和功能最重要的构成要素之一,而塑化的趋势和大功率冷光源的应用,使得设计可以变得更加灵活多样。

在大灯上做文章,可以说是从2005年的全新宝马3系推出“天使眼”大灯开始,无数人为之情迷。2007年奥迪R8的推出,使得LED日间行车灯这个概念得到认可和普及,R8“泪眼”LED灯超越声名显赫的“天使眼”,成为潮流的引导者。之後越来越多的厂家投入到日行灯的设计研发中,使其普及。

BMW Vision 前灯

BMW Vision 前灯

自1998年,Smart(精灵)微型汽车的问世使得塑料第一次成为规模量产的汽车车窗材料。从此,塑料开始逐渐把玻璃挤出之前由玻璃独占的车窗材质领域。在该领域有三类产品发展较快:固定式侧窗、透明天窗、後窗组件(如奔驰双门运动跑车),以及一些玻璃质感的配件。

众所周知,塑料代替玻璃用於车窗制造的最初动机是通过减轻车体重量来降低油耗,但如今,其他的一些因素的重要性正在超越这一原始需求成为更主要的原因。汽车风阻系数的改进使得减轻车窗的重量对於汽车的影响不再那么明显。相关研究表明:“每辆车通过使用塑料而减轻30至40公斤重量所产生的作用还不如降低整车重心和优化前後轴负重分配所产生的效果。”这样就提供了探求汽车最佳的动力学表现新的方向,并对於在改善安全性的同时提高驾驶乐趣这一方面起到了实质性的作用。

另外,塑料的可塑性是玻璃无法比拟的,有些外形漂亮的几何形状,对於玻璃来说近几年要想达到可以连续规模生产是几乎不可能的。而且由於塑料本身的一些特性,尽管硬度低,在耐磨性能方面不如玻璃,但是,塑料能被设计成刚性更好的几何形态,并通过表面涂层提高硬度,因此在安全性方面优於玻璃。在物理碰撞中,塑料结构能因其较好的韧性而减少碎片数量。尽可能维持残存外壳的完整性对於在事故中的安全性同样显得十分重要。

当然,轻量化的优势也并没有因为上述的优点而被亮月掩星,在随动转向技术中,玻璃组件的重量是考验转向机构寿命并影响结构设计灵活性的最大障碍。反射式配光庞大的体积和重量,尤其是行使中的震动惯量使得随动机械结构面临困境,而在大功率LED照明和塑件化後,不需要反射杯以及塑料的优异可塑性,各种远近灯光等可以被整合在一个较小的结构内,使得随动转向变得轻巧灵活。另外,在一些国际公司推出的1升经济型车中,塑化程度依然是轻量化和减少装配件数量最重要的因素。

车用光学塑料——成型工艺

由于塑料的特性及几何要求的复杂性,一般多采用注射成型的方式来制造。由於注射工艺可以快速批量成型,并且注塑模具设计灵活,设计的产品不但可以做成各种各样的形状,也可以在制造过程中大大减少零件的数量,将更多的结构融合到一个或少量的零件中,从而减少装配的成本。

成型过程对注塑机的速度稳定性、压力精度、螺杆位置控制精度提出了更高的要求。通常的双缸注射系统对於超低速注射工艺就显得不太适合,液压油流体的微小的可压缩性将因为双油缸的微小机械摩擦力的不平衡而产生微小的波动注射,而这不易觉察的状态在成型中可能导致致命的缺陷。模具的加工抛光和温度或压力控制同样是需要保证的基础条件之一。

设计复杂的零部件也对成型工艺提出了比普通塑件成型更高的要求。在汽车光学零件中,耐热性、耐老化、抗冲击、耐环境应力开裂及光学性能是需要更进一步提高的指标。德国拜耳光学级PC、日本帝人光学级PC、沙伯基础创新塑料光学级PC、日本出光光学级PC、日本三菱工程光学级PC、韩国LG光学级PC等都具备了非常优异的性能指标,在影响最终产品的性能的影响因素中,消除零件的表面注塑缺陷、降低残余应力、控制好分子取向是主要的工作重点,而这取决於材料、设计和工艺技术的组合状态。通过塑料顺序成型、多组分、模内装饰等注射成型工艺,可以减少装配中的步骤,从而提高生产效率和降低装配成本。

满足精密需求——注模和机械工艺

车灯,由於新的应用光源出现,大功率LED的冷光源照明,将完全颠覆传统的车灯照明设计概念。不仅仅是一些指示灯可以被设计成各种复杂的特殊异形外观,更可以把远光近光等照明融合到一起成为一个整体的照明零件。由於LED的超低发热特点,配光系统可以抛弃传统的反射式配光系统,并且使得塑料光学原件不再面临高温烧烤的煎熬,空间设计达到前所未有的灵活性,配光原件如异形导光条、非球面异形透镜将会更加广泛的应用。

这也对注射模具、注塑机、成型工艺提出了相当苛刻的要求。为了制造光学上高质量的表面,需要精密的模具表面抛光并且在制模过程中不能够有沉积物。如抛光时,工作人员在模具边上聊天时口中溅出的微小水星落到完成的抛光面上都可能引起模具的成型失败。对於车窗来说,浇口通常设置成在长边的薄型超宽浇口,充足的尺寸能确保过程稳定和高质量。而在降温冷却过程中还需要一些特殊的工艺来对那些需要尺寸精确的产品作低模内残余应力控制。

通常,对於一些形状相对规则和简单的产品,当传统的精密注塑依然不能达到要求的时候,会采用新的成型工艺,以应对收缩痕或冷却过程中持续的冷却补料动作造成过大而且不均的残余应力。目前各个公司在这方面都各有所长。对於流长比较高的大面积部件,目前以采用射出压缩技术为主,可以有效降低填满腔体所需的注射压力。充填压力和速度的降低使得熔融物的抗剪应力降低了,这样可以达到分子取向减弱的效果。而最小的分子取向是非常重要的,因为分子取向会使这种材质产生不需要的光学效果——显着的双折射。没有模内残余应力在光学部件中也是需要的,尤其是表面应力,这将降低表面涂层的粘附性,这一点非常必要。同样,所有机械制造者也都信赖双模仁转轴技术。这样通过多组分或覆盖注塑工艺能使制程达到最大的经济性。

目前基本上有多种不同的光学注塑工艺在应用。其中最传统的注塑压缩工艺是长行程压缩技术,它适用於夹具中相对规则的薄壁部件。我们通常也使用这种工艺成型信息光盘,如CD/DVD等。在这种工艺中,注塑之前,模具并不完全闭合,根据制品形状和大小预留一些距离,注射时采用较低的压力充填模腔,随後,模具在一定力的作用下闭合,将合模力作用於熔融物上,以消除内部压力不均匀的现象。在车窗的制程中,奥地利的ENGEL向市场推出包含取制品及车窗边缘包裹於一体的注塑成型系统,包括二板式的液压注塑机和自动取件的机械手。

另一个以低模内残余应力制造窗户的注塑压力制模的变体是膨胀压缩技术,由日本发明,在汽车行业成熟应用的有Krauss-Maffei(克劳斯玛菲)、Beston(巴斯顿)等。注塑前模具是完全闭合的。这种方法的优势是:解决了需要在边缘留溢料口的问题,而且可以提高闭模方向的尺寸精度。当腔体填充完全以後,部件厚度在较高的注射压力的控制下随腔体变大而增加,加量填充来预先提供冷却收缩所需要的体积。一旦达到所需的补缩体积时,关闭浇口,不使用传统工艺的保压功能,在逐渐降温冷却过程中,内部压力逐渐降低,体积逐渐缩小,在开模时获得低应力高精度制品。这一技术目前已经成熟应用在生产汽车的侧窗和天窗中,这种工艺要求注塑机提供极高的注射压力并具备射嘴或模具流道关闭功能。

对於流程比超长的成型工艺,Battenfeld公司曾经在美国行业展会上展出IMP-more工艺。成型的原理是通过楔形机械机构扩大充填腔来实现低压力充填。在注射开始後通过机械斜楔形结构进行闭合,使得腔体以非常低的压力灌满型腔。缺点是需要额外的机械结构来保证开模力的稳定和均匀。宝马公司的工程师自行研发了这个概念的三压板模具并应用於汽车侧板的成型,在模具中产生了相当於3200吨锁模力所达到的效果。

在一些简单的结构中,有时候也采用一些局部压缩工艺来提高成型质量,如在厚壁或者高要求部位的背面。采用活动或弹性机械结构,在充填时会受压而後退,冷却时可以在外机械力的作用下回压,使得冷却补缩需要的物料不需要从浇口补充,从而获得低应力和高表面质量的制品。

而对於异形复杂的车灯,在结构允许的情况下,通常采用长行程射出压缩法成型,但由於未来车灯的LED光源的应用,车灯零件的设计更具整合性,一种新型顺序变温控制技术正在被快速的应用到复杂光学零件的制程中,这种工艺最早由Beston(巴斯顿)提出,并在中国也进行了专利注册,该注塑机曾在2009年的广州CHINAPLAS中国国际橡塑展中展出,根据产品的形状和制程特点,利用分组控温技术,在注射前,模具完全闭合,模具的模腔表面根据需要对不同的部位进行分组加热温度控制,在低速低压的情况下完成充填。因为在需要较高微观表面质量的位置有独立的温度控制,可以获得非常高的微观复制性,并且可以消除熔接痕。与传统的急冷急热技术不同,其加热和冷却降温过程是由电脑程序控制分组独立进行,在制品的不同部位可以区分优先满足高要求部位来设定优化成型工艺,并可以根据需要的冷却速度来进行冷却速度控制。收缩补料也得以在可控的状况下进行低压补料,从而获得复杂的高质量表面以及低残余应力的光学制品,这种工艺可以广泛应用到各种高要求的注射成型。

在成型工艺中,较好的熔融质量是注塑成功的基础,在熔融过程中,特别要注意避免黑点黑斑和发黄。螺杆的材料、参数和恰当的单过胶组件结构非常关键。因为PC有粘附螺杆表面并腐蚀的倾向,对螺杆的材质选择要加以特别重视。镀铬、镀钛或全硬特殊合金材料或一些表面涂层螺杆在各注塑机厂商中被成功地应用。由於材料和制造工艺的不同,这类螺杆的价格也差异极大,後续的保养更换也需要更多的成本,Beston新推出的一种新型合金螺杆No.37,其经济性甚至可用於普通民用PC的生产。

在光学零件的后续处理上,我们还会对表面进行一些加硬防刮、防腐蚀以及一些抗紫外线涂层。在一些特殊情况下甚至加入电子屏蔽涂层,以减少电磁辐射穿透,研发各种涂层技术用以保护涂层下的塑料可以更耐用,适应各种恶劣环境或者实现更多的功能。Battenfeld,Ticona和Wahloptoparts,材料科学部门,塑料工艺学院(RWTH大学),已经投资进行了不同表面涂层的新研究以应用於制塑部件,旨在创造一种适用於任何塑料树脂的最稳定的涂层系统。

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