CN103042651B - 一种基于激光塑化和冲击技术的微注塑方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种基于激光塑化和冲击技术的微注塑方法和装置，涉及塑料微成型领域，特指基于激光塑化和冲击作用的塑料微注塑，适用于塑料微注塑成型加工。其装置主要包括：塑料塑化系统，由激光器和激光束控制器、塑化筒、阀门、加热和温控器等组成；冲击推进注射系统，由激光发生器、约束层、激光吸收剂、冲击注射推杆、加热和温控器等组成；模具；计算机控制系统，其控制塑化系统、冲击推进注射系统以及阀门和温度控制等工作。本发明提供了新的微注塑成型方法及装置，解决现有微注塑的塑料塑化和熔体注射推进方式中存在的问题，实现节能环保、高效的微注塑成型。

Description

一种基于激光塑化和冲击技术的微注塑方法及装置

技术领域

本发明涉及微注塑成型领域，特指基于激光塑化和激光冲击技术的微注塑方法和装置，适用于微小型塑料制件的注塑成型加工。

背景技术

众所周知，随着微、纳米科学技术的进步，微机电系统产品不断向微型化方向发展，以特征尺度为毫克级的微注射成型技术受到了人们的高度重视，与传统的注塑成型技术相比，微注塑对成型工艺及成型设备方面提出了更高要求，微注射成型技术的特殊要求主要表现在以下几方面：

(1)注射速率。由于微注射成型零件的质量和体积微小，成型时要求注射速率很高。根据聚合物熔体的剪切变稀原理，提高注射速率可以降低熔体的粘度，使其顺利充填微尺度模具型腔。通常微注射成型工艺要求聚合物熔体的注射速率达到800mm/s以上，而传统的液压驱动式注塑机的注射速率只能达到200mm/s，电气伺服马达驱动式注塑机的注射速率也仅达到600mm/s。

(2)塑化和注射方式。目前，各类专用微注射成型机按塑化方式和注射单元的机构设计分类，可分为螺杆式、柱塞式、螺杆柱塞混合式及其他特殊形式。螺杆式微注射成型机，其塑化、计量和注射均由一组螺杆完成，结构简单，易于控制，其不足之处在于由于螺杆前端的止逆环结构，并且螺杆加工难度大和强度要求高，螺杆直径一般不能低于14mm，使得设备对一次注射量的控制精度和成型质量的稳定性较差。柱塞式微注射成型机，虽然其柱塞直径可取小至5mm甚至更小，注射量的控制精度较螺杆式高，但是其塑化混料性能差，材料由加热进行热量转递完成塑化，塑化时间较长，塑化品质较螺杆式差。螺杆柱塞混合式微注射成型机，则综合了柱塞式和螺杆式的优点，以螺杆作为塑化单元，柱塞作为计量和注射单元，使微注射成型的控制精度和零件的成型品质均有提高，但是通常其结构较为复杂，控制和维护难度较大。

(3)驱动方式。微注塑机一般采用高频高扭矩伺服电机和高精度机械传动装置，实现精密计量和高速高压注射，但是，机械传动装置存在传动间隙误差和机构累计变形误差,影响了设备的精密控制和快速反应。美国的MedicalMurray公司和日本的FANUC公司采用了直线电机驱动方式，但存在推力较小和成本较高的问题。所以，有待于研究新的微注塑成型设备，满足微量塑化、高速度和高推力注射、高效低成本的微注塑成型需要。

目前，在应用耦合能量场的聚合物塑化技术方面主要有超声波塑化、微波塑化、振动塑化及激光塑化等。专利CN96108387.5是一种电磁式聚合物动态注射成型方法及装置，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，将机械振动引入到聚合物注塑塑化成型加工的全过程，但是其电磁机构的振动部件体积较大、惯性大，因而只适合应用在宏观尺度的聚合物注塑。专利CN200810031054.9公开了一种利用超声频振动实现聚合物熔融塑化的测试装置，其原理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，其缺点是塑化量在几十克，塑化时间在数分钟以上，没有实现微尺度的毫克级和秒级微量化塑化。专利CN200520031507.X提供的一种微波能加热阻燃输送带生产装置，是利用微波对塑化材料整体快速加热，但微波能量场的精确定域控制较为困难，因而难以用于微注射的塑化成型。

申请号201110239755.3公开的一种基于Nd:YAG固体激光器的塑料塑化方法和装置，申请号201110239189.6是一种基于CO₂激光器的塑料塑化方法和装置，两者均是利用激光能量场和聚合物相互作用的热效应,实现塑料由固态到液态的快速塑化转变过程。在利用激光冲击技术进行材料加工方面，江苏大学已取得了一系列专利和研究成果，如金属板料的冲击成形，专利有ZL02264630.2、CN1931467A、CN101518852A等，激光冲击成形是利用高能激光诱导的高幅冲击波压力的力效应,而非热效应实现金属板料的塑性成形加工，但是，没有涉及快速高效的基于激光加工的微注塑。

发明内容

本发明提出了一种基于激光塑化和冲击技术的微注塑方法和装置，可以克服现有微注塑成型设备的缺点，实现微量塑化、高速度和高推力注射、高效低成本的微注塑成型加工过程。其原理是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，并且控制塑料的温度在热分解温度以下，实现由固态到液态的快速塑化过程；利用激光冲击技术，由激光诱导产生高压冲击波，冲击波推动注射单元的注射推杆，完成塑料熔体的高速注射成型，达到高效塑化和高速注射的微注塑成型目的。

本发明按照下述技术方案实现：

本发明的微注塑成型装置，包含了激光塑化和激光冲击两组单元，具体来说，其装置包括：激光塑化系统，由激光器和激光束控制器、塑化筒、塑化杆、阀门、加热和温控器等组成；冲击推进注射系统，由激光发生器、约束层、激光吸收剂、注射筒、注射推杆、加热和温度控器组成；注塑模具；计算机控制系统，控制激光塑化系统、激光冲击注射系统、阀门以及加热和温控器的工作。

激光塑化系统的激光器产生低功率连续激光，由激光束调节器调整激光束的光路和光斑大小，通过设定激光辐照方式，使得塑料整体获得同步定位加热或扫描加热，光斑直径在0.5～10mm，选择和调整合适的激光参数：波长1.06～10.6微米，激光功率密度1～10W,激光辐照方式为连续单次或多次重复扫描，辐照时间0.1～10s。

激光冲击注射系统，由高功率脉冲激光器产生500mJ以上的脉冲激光，透过约束层，照射激光吸收剂，产生高压等离子冲击波，冲击波爆轰高压推动注射推杆，在极短时间内，注射推杆获得大于800mm/s以上的高速，推动塑料熔体充填模具型腔。

塑料的准备，可以用塑料粉末、固体颗粒或板料冲切获得，用精密计量器具称取塑料塑化用量，也是每次的注射量，塑料质量5～1000mg。

控制系统控制加热和温控器，调节塑化装置及注射装置的温度在设定范围内，一般控制在接近塑料熔化温度值。

塑化杆由杆体、反射镜和玻璃体组成，反射镜反射激光束到达塑料表面上，塑化杆推动塑化后的熔体注入注射单元。

阀门控制塑化单元的塑料熔体进入注射单元，阀门上有T型孔，通过阀门旋转，控制塑化单元和注射单元的通道关闭。

本发明的实施过程：

1.激光吸收剂的准备与添加，激光吸收剂可以是黑漆或其他材料，喷涂在注射推杆的后端面上或约束层表面。

2.根据每次注射的塑料熔体重量和注射推杆，计算所需的注射速度和推力，确定激光冲击注射系统的脉冲激光能量，脉冲频率和脉冲宽度。

3.根据注塑制件的材料、尺寸大小和浇注系统，计算每次注塑量的重量，塑料经过干燥及预热处理后，精密称重计量，填入预热好的的塑化筒。

4.根据注塑制件的材料、尺寸大小和固体形态，调整激光塑化系统的激光器，输出低功率连续激光，以一定的辐照方式辐照塑料，将激光能量转换为塑料融化所需的热能。

5.塑料融化后，阀门处于工作状态1如图3所示，即激光塑化单元的塑化腔和激光冲击单元的注射腔通道打开，将激光融化的熔体即为单次注塑量，由塑化杆推动，经过阀门注入注射腔。

6.阀门处于工作状态2如图4所示，激光塑化系统的塑化腔和激光冲击单元的注射腔通道关闭，注射腔与喷嘴相通，激光塑化单元开始下一次的塑料塑化过程，同时，激光冲击注射系统进入工作状态。

7.激光冲击注射系统输出脉冲激光，激光透过约束层照射到激光吸收剂上，吸收剂吸收激光能量后汽化和电离，瞬时产生高压冲击波，高压冲击波的高强度压力直接推动注射推杆，注射推杆获得高速度冲量，推动塑料熔体经过喷嘴注入微注塑模具，完成注塑成型。

8.根据注塑过程要求，由控制系统控制以上各项工序过程，控制阀门的转向，控制注塑装置的温度，直至完成注塑。

本发明的优点：

1.由于激光参数精确可控，利用本方法进行激光塑化，容易实现高效微量塑化，并且塑化范围较宽5mg～1000mg,特别适合于微注塑和微小型注塑，如数毫克的微注塑件和一克以下的微小注塑件。

2.由于激光塑化时间短、熔体塑化均匀、塑化效率高，微注塑成型工作周期时间较其他微注塑短，注塑质量也较高。

3.冲击爆炸技术已发展成熟，利用激光诱导的冲击技术，产生高压高速冲击波，容易达到远高于800mm/s以上的速度，通过推动注射推杆，高速推动塑料熔体充填模具型腔，使得微注塑成型较易实现。

4.本装置和其他微注塑机相比，可以解决目前微注塑成型中塑料塑化和熔体注射推进技术存在的难题，并且，结构简单、调节方便、能耗低，适合大多数热塑性塑料的大批量微注塑生产。

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，进一步对本发明详细说明。

图1是一种基于激光塑化和激光冲击技术的微注塑成型装置示意图。

图2是塑化筒中的塑化杆示意图。

图3是阀门处于工作状态1。

图4是阀门处于工作状态2。

图中，1.塑化筒2.塑化杆3.反射镜4.加热和温控器A 5.试样6.成型模具7.喷嘴8.注塑机机体9.塑料熔体10.阀门11.加热和温控器B 12.注射推杆13.约束层14.连续波激光器15.激光16.光路反射镜组17.透光玻璃18.激光吸收剂19.脉冲激光20.脉冲波激光器21.注射筒。

具体实施方式

以下是结合图1和图2说明本发明提出的具体装置的细节和工作情况。

图1是一种基于激光塑化和冲击技术的微注塑装置，装置包括激光塑化系统、激光冲击注射系统、注塑模具和控制系统等部分组成。其特征在于：塑化筒(1)安装在注塑机机体(8)上，塑化筒(1)底部有孔连通注塑机机体(8)和注射筒(21)，塑化筒(1)筒外四周设置加热和温控器A(4)，塑化筒(1)筒中的塑化室连接塑化杆(2)，塑化杆(2)连接反射镜(3)和透光玻璃(17)成为一组合整体，透光玻璃(17)底端连接试样(5)，试样(5)融化后成为塑料熔体(9)，塑化筒(1)上有通光孔，通光孔正对光路反射镜组(16)的出光口，反射镜组(16)连接连续波激光器(14)；注射筒(21)安装在注塑机机体(8)内，注射筒(21)的注射通孔和塑化筒(1)的通道孔连接注塑机机体(8)内的阀门(10)，阀门(10)和喷嘴(7)的喷嘴孔连接，喷嘴(7)外连接成型模具(6)；注射推杆(12)连接在注射筒(21)内，注射推杆(12)的左端面和塑料熔体(9)连接，注射推杆(12)的左端面和注射筒(21)的塑料熔体(9)通道孔构成注射室，激光吸收剂(18)附在注射推杆(12)的右端面，约束层(13)覆盖吸收剂(18)并连接注射筒(21)和注塑机机体(8)，注射推杆(12)的右端和约束层(13)及注射筒(21)筒室形成激光爆炸冲击室；注射推杆(12)右端面正对脉冲波激光器(20)的出光口，脉冲波激光器(20)、连续波激光器(14)和注塑机机体(8)通过连接附件和控制系统连接，注塑机机体(8)内设有加热和温控器B(11)。

激光器14产生的激光15经过光路反射镜组16传输投射到塑化杆2上的反射镜3，再透过玻璃17照射到塑料固体试样5上。固体塑料熔化后，在塑化杆2推动下通过阀门10输入注射单元。

在注塑时，激光冲击注射系统的脉冲波激光器20产生的脉冲激光19透过约束层13，激光诱导激光吸收剂18产生等离子高压冲击波，高压冲击波推动注射推杆12，由此，塑料熔体被高速推动经过喷嘴7注入模具6的型腔，完成微注塑成型。

工作周期内，在注塑机机体(8)中的加热和温控器B(11)控制下，喷嘴(7)和阀门(10)以及激光冲击注射系统注塑腔中的塑料一直保持为熔体；阀门(10)为球形或圆柱体，具有“T”型孔，其连接激光塑化系统和激光冲击注射系统的通道，在控制系统控制下起到塑料熔体流动与阻断的作用。

实例1，以典型的热塑性塑料PMMA为例，塑料PMMA的熔化温度范围在250～370度，CO₂激光器作为塑化用激光，产生的激光波长10.6微米，塑料PMMA对CO₂激光吸收很好。阀门处于工作状态2，经干燥处理后的塑料PMMA颗粒，直径2mm，高度2mm，质量6.5mg，放入预热温度在105～220度的塑化筒内，塑化杆顶压在PMMA颗粒上，激光器开始工作，输出光斑直径5mm、功率2W的连续波低功率激光，定位点射辐照，辐照时间0.05～0.1s。塑料PMMA塑化后，阀门转动到工作状态1,塑化杆推动塑料熔体注入注射单元，塑料熔体注入注射单元后,阀门再回转到工作状态2，由激光冲击注射系统的脉冲波激光器产生高能量脉冲激光，脉冲激光的能量2J、光斑直径5mm、脉宽20ns，吸收剂吸收激光能量被高温电离，产生高压冲击波，高压冲击波推动注射推杆以800mm/s以上的高速完成注塑过程，从塑化到注塑成型仅3～5s，实现了快速高效的微注塑。

实例2，以典型的热塑性塑料聚氨酯TPU为例，塑料TPU的熔化温度范围一般是170-205度之间，CO₂激光器产生的激光波长10.6微米，塑料TPU吸收很好。塑料TPU颗粒直径2mm，厚度2mm，经干燥处理后，用精密天平称取50mg，放入预热温度在140～170度的塑化筒内，CO₂激光器开始工作，输出光斑直径3mm、功率3W的连续波低功率激光，连续扫描辐照塑料TPU，连续辐照时间5s。塑料TPU塑化后注入注射单元，由激光冲击注射系统的脉冲波激光器产生高能量脉冲激光，脉冲激光的能量5J、光斑直径5mm、脉宽20ns，吸收剂吸收激光能量被高温电离，产生高压冲击波，高压冲击波推动注射推杆以800mm/s以上的高速，完成注塑过程，从塑化到注塑成型仅8～10s，实现了快速高效的微注塑。

Claims (3)

1.一种基于激光塑化和冲击技术的微注塑装置，是由激光塑化系统、激光冲击注射系统、注塑模具和控制系统组成，其特征在于，激光塑化系统由连续波激光器(14)、激光(15)、光路反射镜组(16)、塑化筒(1)、塑化杆(2)、阀门(10)、加热和温控器A(4)组成；激光冲击注射系统，由注射推杆(12)、约束层(13)、激光吸收剂(18)、脉冲波激光器(20)、注射筒(21)、喷嘴(7)、阀门(10)、注塑机机体(8)、加热和温控器B(11)组成；控制系统控制激光塑化系统、激光冲击注射系统以及阀门和温度控制工作；塑化杆(2)是由杆体、反射镜(3)和透光玻璃(17)组成；塑化筒(1)安装在注塑机机体(8)上，塑化筒(1)底部有孔连通注塑机机体(8)和注射筒(21)，塑化筒(1)筒外四周设置加热和温控器A(4)，塑化筒(1)筒中的塑化室连接塑化杆(2)，塑化杆(2)连接反射镜(3)和透光玻璃(17)成为一个组合整体，透光玻璃(17)底端连接试样(5)，试样(5)融化后成为塑料熔体(9)，塑化筒(1)上有通光孔，通光孔正对光路反射镜组(16)的出光口，反射镜组(16)连接连续波激光器(14)；注射筒(21)安装在注塑机机体(8)内，注射筒(21)的注射通孔和塑化筒(1)的通道孔连接注塑机机体(8)内的阀门(10)，阀门(10)和喷嘴(7)的喷嘴孔连接，喷嘴(7)外连接成型模具(6)；注射推杆(12)连接在注射筒(21)内，注射推杆(12)的左端面和塑料熔体(9)连接，注射推杆(12)的左端面和注射筒(21)的塑料熔体(9)通道孔构成注射室，激光吸收剂(18)附在注射推杆(12)的右端面，约束层(13)覆盖吸收剂(18)并连接注射筒(21)和注塑机机体(8)，注射推杆(12)的右端和约束层(13)及注射筒(21)构成激光爆炸冲击室；注射推杆(12)右端面正对脉冲波激光器(20)的出光口，脉冲波激光器(20)、连续波激光器(14)和注塑机机体(8)通过连接附件和控制系统连接，注塑机机体(8)内设有加热和温控器B(11)；在塑化时，连续波激光器(14)产生的激光(15)经过光路反射镜组(16)传输投射到塑化杆(2)上的反射镜(3)，再透过透光玻璃(17)照射到塑料固体试样(5)上，固体塑料熔化后，在塑化杆(2)推动下通过阀门(10)输入注射单元的注射室；在注塑时，脉冲波激光器(20)产生的脉冲激光(19)透过约束层(13)，诱导激光吸收剂(18)产生等离子高压冲击波，在激光爆炸冲击室，高压冲击波推动注射推杆(12)，高速推动塑料熔体经过喷嘴(7)注入模具(6)的型腔，完成微注塑成型；工作周期内，在注塑机机体(8)中的加热和温控器B(11)控制下，喷嘴(7)和阀门(10)以及激光冲击注射系统注射腔中的塑料一直保持为熔体；阀门(10)为球形或圆柱体，具有“T”型孔，其连接激光塑化系统和激光冲击注射系统的通道，在控制系统控制下起到塑料熔体流动与阻断的作用。

2.实施权利要求1所述的一种基于激光塑化和冲击技术的微注塑装置的方法，其特征在于：

A.激光吸收剂的准备与添加，激光吸收剂可以是黑漆或其他材料，喷涂在注射推杆的后端面上或约束层表面；

B.根据每次注射的塑料熔体重量和注射推杆，计算所需的注射速度和推力，确定激光冲击注射系统的脉冲激光能量，脉冲频率和脉冲宽度；

C.根据注塑制件的材料、尺寸大小和浇注系统，计算每次注塑量的重量，塑料经过干燥及预热处理后，精密称重计量，填入预热好的的塑化筒；

D.根据注塑制件的材料、尺寸大小和固体形态，调整激光塑化系统的激光器，输出低功率连续激光，辐照塑料，将激光能量转换为塑料融化所需的热能；

E.融化后的塑料熔体，由塑化杆推动经过阀门注入注射单元，即激光冲击注射系统；

F.激光冲击注射系统输出脉冲激光，激光透过约束层照射到激光吸收剂上，吸收剂吸收激光能量后汽化和电离，瞬时产生冲击波，高压冲击波的压力直接推动注射推杆，注射推杆获得冲量推动塑料熔体注入微注塑模具，完成注塑成型。

3.根据权利要求2所述的一种基于激光塑化和冲击技术的微注塑装置的方法，其特征在于，根据注塑过程要求，由控制系统控制以上各项工序过程，以及控制阀门的转向，控制注塑装置的温度，完成注塑工作。