CN102320088B - 一种基于Nd:YAG 固体激光器的塑料塑化方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于Nd:YAG固体激光器的塑料塑化方法和装置，涉及激光微成型领域，适用于微量塑化的微型塑料塑化成型加工，如微小型齿轮、接插件和芯片等。本发明利用激光能量场和聚合物相互作用的热效应,塑料在能量密度较高的激光辐照下，吸收光能，快速升温达到熔化温度，完成微成型加工。本发明的装置包括Nd:YAG激光器、激光束调节器、约束层、塑化筒、成型模具、工作台、控制器。本方法应用于塑料塑化成型，其特点是塑料的塑化效率高、品质好和节能环保，并且简单易行，加工柔性好，可以实现高效环保的塑料微成型加工。

Description

一种基于Nd:YAG 固体激光器的塑料塑化方法和装置
技术领域
本发明涉及激光微成型领域，特指一种基于Nd:YAG 固体激光器的塑料塑化方法和装置，适用于微小型塑料制件的塑化成型加工，如微小型齿轮、接插件和芯片的微铸型、微注塑等。
背景技术
塑料的塑化是聚合物由玻璃态—高弹态—粘流态物理形态转变的过程，其加工方式很多，包括加热和螺杆剪切塑化、超声波塑化、微波塑化及机械振动塑化等。在微注塑成型领域，加热和螺杆剪切塑化是最常用的，如德国的Battenfeld公司推出的Mcirosystem系列微型注塑机Mciorsystem50, 是专门为成形精密微型塑件设计的一种全电子驱动的注塑机，其最小塑化量为25mg到100mg，代表了商业化的微型注塑成型技术的最高水平,但是，由于微注塑机的螺杆加工难度大和强度要求高，螺杆直径一般不能低于14mm，使得微注塑设备对一次注射量的控制精度和成型质量的稳定性较差，其最小塑化量受到限制，目前，欧美国家一些研究机构通过实验研究，对于微量塑化达到了5mg,但是还没有方法实现5mg以下的塑料塑化。超声波塑化是在聚合物塑化的过程中不断地提供声能，由声能转化为机械能和热能，从而使聚合物的熔融塑化量增加，但是超声波塑化本质上是由超声能量通过机械振动实现能量传递，其缺点是塑化尺度上还是宏观的，没有实现真正意义上的微尺度塑化，并且塑化速度较慢。瞿金平等实现了将机械振动引入到普通聚合物注塑塑化成型加工的全过程，设计的电磁式动态注塑成型装置，均是利用回转式电磁机构，使得注塑螺杆在塑化及注塑时获得机械振动力场，但是其电磁机构的振动部件体积较大、惯性大，因而只适合应用在普通宏观尺度的聚合物注塑塑化，不适于微观尺度的塑化。微波塑化可以对塑化材料整体快速加热，但微波场的作用范围和方向不能精确控制，也不适用于微观尺度的塑化。目前，利用激光能量场和聚合物相互作用的热效应原理，激光的热效应在激光塑料焊接、烧结成型、切割、微成型等领域，已经有了广泛研究与应用。例如，激光焊接塑料的应用研究开始于1970年，起初应用CO2激光，由于大部分塑料材料在这个波长范围内都显示出很强的吸收性，使高速激光焊接加工成为可能，但是由于CO2激光波长较长，不能透过塑料材料，从而使工程塑料的搭接焊受到了限制；近几年，采用近红外Nd：YAG激光（λ＝1．06μm）光源，利用透过激光塑料和吸收激光塑料的特性，激光束穿过透过激光塑料而到达吸收激光塑料的表面，吸收激光塑料的表面被加热而软化、熔融，与此同时，由于热传导作用，透过激光塑料侧面也被加热而软化、熔融，当熔融的尺寸达到规定要求时，在一定压力的继续作用下，实现热塑性塑料的焊接, 但是，一般焊接熔融区域厚度在几十微米左右，不能实现稳定的微量塑化效果。利用激光的热效应进行塑料微塑化的研究与应用，目前，尚未见文献资料报道。然而，利用塑料对波长10.6μm的 CO2激光能量吸收好的特性，只要精确控制激光参数和工艺过程，通过激光能量场和聚合物相互作用的热效应，可以实现塑料的塑化及成型加工，并且，特别适合于微量塑化。
发明内容
本发明提出了一种适用于塑料微成型的激光塑化方法，特别是适用于5mg以下的微量塑化的塑料成型加工。
本发明按照下述技术方案实现：利用激光能量场和聚合物相互作用的热效应, 塑料在能量密度较高的激光辐照下，吸收光能，快速升温达到熔化温度，并且通过精确控制激光参数，使得塑料受热在热分解温度以下，确保塑料由固态到液态的塑化转变过程，最后完成微成型加工。
本发明的方法为：
A．制备塑料颗粒，经过烘箱干燥处理，装入塑化筒，加盖约束层，约束层是K9玻璃。
B．打开Nd:YAG固体激光器，激光参数调整，调整激光束光斑大小。
C．激光能量以定位点射辐照塑化筒内塑料，点射以脉冲方式， 辐照时间为塑化时间，完成塑料的塑化过程。
D．塑料塑化后由约束层推动，经塑化筒的流道孔注入模具型腔，完成充填成型工件。
本发明的装置包括激光系统和塑化成型装置；激光系统由Nd:YAG 固体激光器和激光束调节器组成；塑化成型装置由约束层、塑化筒、加热温控器和成型模具组成；所述激光器固定在装置机体上，激光束调节器处于激光器下方并联接在工作台基座上，激光束调节器上下移动；所述工作台搭载塑化成型装置；所述塑化筒上面覆盖约束层，塑化筒下面联接成型模具，塑化筒的流道通孔和模具型腔相通，成型模具安装在工作台上；所述激光器及激光束调节器的工作由控制器控制，同时控制器控制塑化筒内的塑料塑化过程及塑化后的模具成型加工；所述约束层为透光性材料，并起到推动塑料熔体通过塑化腔的流道进入成型模具作用。
Nd:YAG固体激光器输出的激光波长为800—1064nm，其能量级别和频率周期的范围与极性高分子的电偶极性变化周期相吻合，激光辐照塑料后即被塑料高分子吸收，激光能量通过和极性高分子的电偶极性变化振荡起到共振作用，激光能量直接转化为塑料高分子的活动能级，因而能够在短暂时间内提高极性高分子塑料的内能,增强塑料高分子的微观运动；对于非极性高分子塑料，如聚乙烯，固体激光器输出的激光波长为800—1064nm，在这范围的激光能量不能被聚乙烯高分子直接吸收，而是利用固体激光器输出的激光能量被其他极性材料快速吸收的特点，如碳黑粉末，将碳黑粉末均匀分布在塑料中，碳黑粉末吸收激光能量后温度快速升高，高温碳黑粉末作为热源对塑料进行整体加热，当碳黑粉末在塑料中的比例为0.7—1%时，加热效果理想，除碳黑粉末外，极性材料作为吸收激光能量的材料，也可以是其他敏化剂等吸光性能好的极性材料。
固体激光器固定在工作台基座上，激光束调节器处于激光器下方并联接在工作台基座上，激光束调节器可以上下移动,用于调节激光束光斑的大小，塑化筒上面覆盖约束层，塑化筒下面联接成型模具，塑化筒的流道通孔和模具型腔相通，成型模具安装在工作台上。固体激光器及激光束调节器的工作由控制器控制，同时控制器控制塑化筒内的塑料塑化过程及塑化后的模具成型加工。
固体激光器发出的激光束通过激光束调节器调节光斑大小，激光束经过激光束调节器，再透过塑化筒上面的约束层照射到塑化筒中的塑料表面，塑料吸收激光能量后快速完成由固态到粘流态的塑化转变过程，最后熔化的塑料进入模具型腔充填成型。
通过控制激光束调节器，调整激光的光斑直径大于或等于塑料直径，使得塑料整体获得同步加热，光斑大小和塑料直径在1—5mm，塑料厚度0.5—2 mm, 塑料质量0.5—5mg。对应于不同类型的塑料，通过选择和调整合适的激光参数：波长、能量、辐照方式，波长在800—1064nm，激光能量密度50—500mJ, 激光辐照方式为定位点射，辐照时间1ms—300ms, 对聚合物固体进行快速高效加热，完成塑化过程。
本发明的优点：利用本方法进行激光塑化，实现了微量塑化，特别是解决了5mg以下的微量塑化技术难关，塑化量可达0.5—5mg。不同于机械能量转化和热传递的塑化,以及其他塑化方法，激光塑化是直接由光能转化为高分子运动能量，能量转换时间在10-12~14s之间，是在短暂瞬间提高塑料温度，快速促使塑料固态转变为熔体，塑化时间极短。塑化质量好、塑化效率高。由于塑化时间短,只需几十至数百微秒，避免了机械式塑化和其他塑化的熔体受热时间长达几十秒至数百分钟，而容易导致热分解。并且，熔体均匀程度高，解决了其他塑化方式的熔体中硬质点问题。本发明装置结构简单、激光参数精确可控，调节方便，能耗低，适合绝大多数热塑性塑料的微塑化需要的优点。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明进一步详细的说明。
图1是一种基于Nd:YAG 固体激光器的塑料塑化装置示意图。
图2是塑化筒中的塑料定位点射塑化示意图。
1.激光器  2.激光束调节器  3.控制器  4.约束层  5.塑化筒  6.成型模具  7.工作台
8.工件   9.激光束  10.流道孔。
具体实施方式
   本发明提出的基于激光热作用的塑料微成型塑化装置如图1所示，由9个部分组成。具体实施过程如下。
实施例1：
以直径为2mm,厚度为1mm，质量约为3.5mg的极性分子PS(聚苯乙烯)颗粒塑化为例。
 首先制备塑料颗粒，直径为2mm,厚度为1mm，通过造粒机或板料冲切而成，并经过烘箱干燥处理，装入塑化筒，加盖约束层，约束层是K9玻璃，起到透光和隔绝空气作用，以免塑料熔化时被空气中氧气氧化。
激光参数调整。打开Nd:YAG SP2000型固体激光器，激光器输出1064nm波长的激光，输出激光能量为200mJ；控制器控制激光束调节器，调整激光束光斑大小，使得辐照到塑料表面的直径至2mm。
各项参数调整好后，激光能量以定位点射辐照塑化筒内塑料，点射以脉冲方式，脉宽7ns, 频率10Hz, 辐照时间0.1s即为塑化时间，完成塑料的塑化过程。
塑料塑化后由约束层推动，经塑化筒的流道孔注入模具型腔，完成充填成型工件。
实施例2：
以直径为2mm,厚度为2mm，质量约为7mg的非极性分子PE(聚乙烯)颗粒塑化为例。
首先制备塑料颗粒，聚乙烯颗粒为添加0.7%碳粉的塑料母粒，直径为2mm,厚度为2mm，或通过板料冲切而成，经过烘箱干燥处理，装入塑化筒，加盖约束层，约束层是K9玻璃。
激光参数调整。打开Nd:YAG SP2000型固体激光器，激光器输出808nm波长的激光，输出激光能量为300mJ；控制器控制激光束调节器，调整激光束光斑大小，使得辐照到塑料表面的直径至2mm。
各项参数调整好后，激光能量以定位点射辐照塑化筒内塑料，点射以脉冲方式，脉宽10ns, 频率5Hz, 辐照时间0.2s，即可完成塑料的塑化过程。
塑料塑化后由约束层推动，经塑化筒的流道孔注入模具型腔，完成充填成型工件。

Claims (3)

1.一种基于Nd:YAG 固体激光器的塑料塑化方法，其特征在于，利用激光能量场和聚合物相互作用的热效应, 塑料在能量密度较高的激光辐照下，吸收光能，快速升温达到熔化温度，并且通过精确控制激光参数，使得塑料受热在热分解温度以下，确保塑料由固态到液态的塑化转变过程，最后完成微成型加工具体步骤如下：
A．制备塑料颗粒，经过烘箱干燥处理，装入塑化筒，加盖约束层，约束层是K9玻璃，所述塑料颗粒的原料为：固体圆柱形，直径1—5mm，厚度0.5—2 mm,质量0.5—5mg；塑料颗粒是具有电偶极性高分子材料或有添加激光吸收剂的非电偶极性高分子材料，实现塑化量在0.5—5mg范围的微量塑化；
B．打开Nd:YAG固体激光器，激光参数调整，调整激光束光斑大小；
C．激光能量以定位点射辐照塑化筒内塑料，点射以脉冲方式， 辐照时间为塑化时间，完成塑料的塑化过程；
D．塑料塑化后由约束层推动，经塑化筒的流道孔注入模具型腔，完成充填成型工件。
2.根据权利要求1所述的一种基于Nd:YAG 固体激光器的塑料塑化方法，其特征在于，所述Nd:YAG 固体激光器，其波长为800—1064nm，光斑直径1—5mm，激光能量密度200—1000mJ,脉冲宽度7—20ns；激光辐照方式为定位点射，辐照时间1ms—300ms。
3.实施权利要求1所述的一种基于Nd:YAG 固体激光器的塑料塑化方法的装置，其特征在于，包括激光系统和塑化成型装置；激光系统由Nd:YAG 固体激光器和激光束调节器组成；塑化成型装置由约束层、塑化筒、加热温控器和成型模具组成；所述激光器位置固定在装置机体上，激光束调节器处于激光器下方并联接在工作台基座上，激光束调节器上下移动；所述工作台搭载塑化成型装置；所述塑化筒上面覆盖约束层，塑化筒下面联接成型模具，塑化筒的流道通孔和模具型腔相通，成型模具安装在工作台上；所述激光器及激光束调节器的工作由控制器控制，同时控制器控制塑化筒内的塑料塑化过程及塑化后的模具成型加工；所述约束层为透光性材料，并起到推动塑料熔体通过塑化腔的流道进入成型模具作用。
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