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粉末注塑的材料特性

作者： 2013年07月16日 來源： 瀏覽量：
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粉末注塑（PIM）由幾個工藝步驟所組成（圖1）。金屬或陶瓷粉末與粘結(jié)組分是混合在連續(xù)式或非連續(xù)式設(shè)備的原料的基礎(chǔ)成分。粉末組分的份額占到了體積含量的60%左右。通常用于注塑的原料呈粒狀。 圖1.在

 


 
        粉末注塑（PIM）由幾個工藝步驟所組成（圖1）。金屬或陶瓷粉末與粘結(jié)組分是混合在連續(xù)式或非連續(xù)式設(shè)備的原料的基礎(chǔ)成分。粉末組分的份額占到了體積含量的60%左右。通常用于注塑的原料呈粒狀。

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圖1. 在原料被加工后，原始物件被脫粘而變成了
成熟物件，然后再被燒結(jié)而成為最終產(chǎn)品

缺陷探測和消除

加工金屬或陶瓷原料的機器不同于傳統(tǒng)注塑機，主要是在于它們的塑化裝置。溫度會將粘結(jié)劑熔融。粉末組分在熔體里保持固態(tài)，并且要歸功于盡可能均勻的分布。不僅是粉末的裝載、顆粒的大小和粘結(jié)劑的組成，而且混合物的均勻度嚴格影響著加工性能。

隨后大多數(shù)粘結(jié)組分從原始注塑件中被抽取出來。這樣獲得的所謂棕色部件然后被傳遞至爐中做最后燒結(jié)（圖2）。由PIM制成的金屬和陶瓷物件被應(yīng)用在許多的行業(yè)領(lǐng)域，例如醫(yī)療技術(shù)和汽車業(yè)。

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圖2. 注塑后的不銹鋼材料成型物件，左為原始態(tài)，
右為燒結(jié)之后的。由燒結(jié)引起的皺縮被清晰地表現(xiàn)出來

原料的生成和加工是要求嚴格的作業(yè)，在許多步驟中可能出現(xiàn)失誤，這常常會導致物件質(zhì)量不良。通過在工藝周期中進行簡單的調(diào)整，這樣的缺陷多數(shù)可以避免。為了獲得良好的結(jié)果，絕對有必要將組分的形狀適應(yīng)于工藝，為實際的溫度控制和各成分的良好混合作準備。所以為了認識到混合物有多均勻，通常原料的粘度被確定下來。

混合物的流變性能

混合原料在流變儀中描繪出來，從而決定著流動性能。最為普通的方法是在一個點上通過熔體流動指數(shù)測試裝置進行的測量。比較混合原料的流變性能提供了均勻度方面的一些信息。對于同樣的混合組成，不均勻混合的流動性能比不含塊狀料的流動性能較差。然而，流變數(shù)據(jù)不僅可用于原料的品質(zhì)控制，而且還可用作注塑模擬程序的輸入?yún)?shù)。手頭除了針對塑料以外用于原料的材料數(shù)據(jù)很少。所以模具設(shè)計領(lǐng)域的加工者如想要應(yīng)用模擬，必須設(shè)計自己獨有的數(shù)據(jù)。

現(xiàn)在有RheoNoz(流變測量管，制造商是Battenfeld塑料機器有限公司)作為易于使用的儀器，可提供原料的全面流變性能。它能在注塑機中直接進行測量。這種方法帶來的主要好處是原料的熱學和機械性能在被加工時保持相同。對于由硬質(zhì)金屬組成原始物件的注塑，流變管之前已經(jīng)被測試過。

當使用傳統(tǒng)毛細管流變儀時，原料只是被加入的熱量所熔化。但是，在實際測量前并沒應(yīng)用剪切。塑化螺桿內(nèi)的流動過程應(yīng)當提高均質(zhì)化，通常產(chǎn)生較低的粘度。或者相對的效果可能是：如果在塑化裝置內(nèi)的停滯時間太長或者溫度太高，那么粘結(jié)劑會溶化，粘度逐步提高。這表明由傳統(tǒng)測量方法獲得的數(shù)據(jù)可能描述真正的狀況。當把在注塑機上直接測得的粘度數(shù)據(jù)用于模擬時，新方法更適合于描述填模過程和確定所需的壓力和鎖模力。

對于所進行的試驗，利用了粉末粘結(jié)劑混合物的標準配方，但混合率改變了。不銹鋼原料的粘結(jié)劑含量要比普通混合物高出5%.然后原料的流變性被表現(xiàn)出來。粘度進程表明粘結(jié)成分的含量只是影響粘度值。在塑料加工中，流動曲線通常是利用普通近似值方法來進行描述的。原料可以被看作是高度填充的系統(tǒng)。這些材料易于在模壁上滑動。這意味著熔體在模壁上的流動速度偏離零值。流變機器可以量化這種現(xiàn)象。

MFQ: 原料質(zhì)量的監(jiān)控

當注塑機上的流變測量管用于在一個廣泛的剪切速度范圍內(nèi)確定粘度曲線時，MFQ（原料質(zhì)量監(jiān)控）產(chǎn)生出一個描述原料的數(shù)值。作為在線過程的儀器，MFQ非常適合于發(fā)現(xiàn)混合品質(zhì)的變化。不同于監(jiān)測注射部分過程的傳統(tǒng)方法，MFQ值不是在注射而是在計量時得到確定的。

塑化裝置內(nèi)的流動狀態(tài)會產(chǎn)生剪切力，這反過來又會影響螺桿扭矩（圖3）。

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圖3. 塑化螺桿熔化填充段的流動過程

然而MFQ值描述了在塑化過程中所應(yīng)用的能量。當注塑機的計量裝置是靠伺服電動進行驅(qū)動時，螺桿扭矩只能由電動機的電子件上讀出來，并傳遞至機器控制裝置中（圖4）。MFQ值在那里被進一步計算。

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圖4. HM40/130型油電復(fù)合注塑機，具有節(jié)能的伺服
電動計量驅(qū)動裝置和Unilog B4控制裝置

當模具溫度提高時，注塑壓力必須更低。這降低了注塑整體性。但是，MFQ值不受模具內(nèi)狀態(tài)或注射參數(shù)所影響。因為原料質(zhì)量保持穩(wěn)定，它只要經(jīng)受螺桿扭矩和機筒溫度。而且，當剪切速度和壓力不高時，它描述出了原料的粘度性能。在這樣的條件下，原料對影響粘度的因素的反應(yīng)非常敏感。同樣，在這樣的情況下，粉末混合均勻度和粘結(jié)劑的修正對流動性起著作用。所以，建議由MFQ值來描述原料。

以上所介紹的方法也適合于監(jiān)測木塑復(fù)合物（WPC）的原料性能。木塑復(fù)合物是可以象純熱塑性塑料那樣進行加工的復(fù)合材料。木材或其它植物原料被加入其中用作填料或增強材料。為了確保熱塑性材料和有機填料之間的相容性，找到合適的混合比率是必不可少的。

在粉末注塑中，粉末顆粒和粘結(jié)劑的均勻混合對于注塑件的品質(zhì)是至關(guān)重要的。所介紹兩種方法的開始事實是混合組成的變化會最終改變?nèi)垠w的流動性。不同于傳統(tǒng)方法，流變管在注塑機直接確定粘度，從而形成理想的數(shù)據(jù)。

MFQ（原料質(zhì)量監(jiān)控）能夠在線監(jiān)控原材料的品質(zhì)。在這里要檢查計量過程。由電動機的電子件讀出螺桿扭矩，并傳遞至機器上來計算MFQ值。它描述了塑化過程中所引入的熱量。
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