CN103180119A - 泡沫树脂注射成型装置及方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种注射成型装置以及方法。该方法包括耦接到树脂注射装置的模具型腔，树脂注射装置在压力下将熔融树脂连同气体注入以使树脂在模具型腔内发泡。电加热器接触第一型腔面，冷却介质冷却模具。树脂可以包括金属薄片。

Description

泡沫树脂注射成型装置及方法
技术领域
本发明总体上涉及注射成型，尤其涉及泡沫树脂注射成型装置以及用发泡树脂成型零件的方法。
背景技术
泡沫树脂注射成型技术通常采用注入模具型腔的含溶解气体的熔融树脂，使得树脂在模具型腔中发泡。通常通过使用在压力下供给到树脂中的气体产生树脂的泡沫，树脂被注射到模具型腔中，这样，压力的下降引起气泡成核和发泡。在发泡成型时，含有超临界状态气体的树脂的注射通常在热塑性聚合物中产生微米尺寸的孔隙，因此也被称为微孔注射成型（microcellular injection molding）。常规的微孔注射技术经常由于气体扩散产生具有表面缺陷，例如漩涡、银纹、皱痕、以及流线，的成型件。因此，常规的技术通常有限制地应用于没有外形美观要求的零件。
因此，需要提供一种生产具有优美外观的成型件的微孔注射成型装置及方法，该成型件实质上不含不可接受的表面缺陷。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种注射成型装置。该装置包括具有第一型腔面的第一模具部分以及具有第二型腔面的第二模具部分，其中，第一和第二型腔面限定型腔。该装置还包括用于将熔融树脂和气体注入型腔以使树脂发泡的树脂注射源。该装置进一步包括安置在第二模具部分以加热第二型腔面的电加热器以及用于冷却型腔的冷却装置。
根据本发明的另一方面，提供一种注射成型装置，其包括具有第一型腔面的第一模具部分以及具有第二型腔面的第二模具部分，其中，第一和第二型腔面限定型腔。该装置还包括耦接到型腔并且用于将熔融树脂和气体注入型腔以使树脂发泡的树脂注射源，其中，树脂包含金属薄片。该装置进一步包括与第二型腔热接触以加热型腔的加热器以及用于冷却型腔的冷却装置。
根据本发明的另一方面，提供一种用于注射成型零件的方法。该方法包括提供模具型腔的步骤，该模具型腔包括具有第一型腔面的第一模具部分以及具有第二型腔面的第二模具部分，其中，第一和第二型腔面限定模具型腔。该方法还包括向熔融状态的树脂中供给气体的步骤。该方法还包括用电加热器将第二模具部分加热到大于100°C的温度以及在高压下将熔融状态的树脂和气体注入型腔的步骤。该方法进一步包括冷却模具型腔以及将固化的零件从模具型腔中喷出的步骤。
根据本发明的另一方面，提供一种用于注射成型零件的方法。该方法包括提供模具型腔的步骤，该模具型腔包括具有第一型腔面的第一模具部分和具有第二型腔面的第二模具部分，其中，第一和第二型腔面限定模具型腔。该方法还包含提供具有金属薄片的熔融树脂的步骤，以及向包含金属薄片的熔融树脂中提供气体的步骤。该方法进一步包含加热第二模具部分的步骤、冷却模具型腔的步骤、以及将固化的零件从模具型腔中喷出的步骤。
通过研究以下的说明书、权利要求书、和附图，本领域技术人员将理解并且领会本发明的这些以及其他方面、目的以及特征。
附图说明
图1是根据一个实施例的泡沫树脂注射成型装置的分解透视图；
图2A是通过图1的线II-II取得的注射成型装置的截面图，其成型装置闭合并且实施冷却；
图2B是通过图1的线II-II取得的注射成型装置的截面图，其成型装置打开并且成型件喷出；
图3是根据一个实施例的用于将泡沫树脂注入模具型腔的树脂注射源的放大截面图；
图4是根据一个实施例的具有多个加热元件的电加热器的透视图，加热元件位于下部的模具部分；
图5是根据一个实施例的用于下部冷却板的冷却管道的装配图；
图6是根据一个实施例的用于上部模具部分的冷却管道的装配图；
图7是根据一个示例的用注射成型装置模制的成型件的透视图；
图8是根据第一实施例的示出使用注射成型装置制成成型件的步骤的流程图；
图9是根据一个实施例的示出多个通气孔位置的型腔板的放大前视图；以及
图10是根据第二实施例的示出制成成型件的工序的流程图。
具体实施方式
为说明本发明的目的，术语“上”、“下”、“右”、“左”、“后”、“前”、“垂直”、“水平”及其衍生词应当与图1和2A-2B中所示方位的注射成型装置关联。然而，应当理解，本发明可以采取各种替代方向，除非另有与此相反的明确说明。还应当理解，在附图中示出的以及在以下说明中阐明的具体装置和过程是权利要求中所限定的发明构思的简单示例性实施例。因此，与本发明所公开的实施例有关的具体尺寸和其他物理特征不应被认为是限制，除非权利要求另有明确规定。
现在参照图1-3，其示出了根据一个实施例的发泡树脂注射成型装置或加工设备10。装置10包括具有第一型腔面22的第一模具部分12和具有第二型腔面24的第二模具部分14。第一和第二型腔面22、24可以配对接合为闭合位置以限定模具型腔18，在注射成型过程中，在该型腔18中制成成型的产品或零件20。装置10还包括耦接到型腔18并且用于将泡沫树脂50注入模具型腔18的树脂注射源40。如本发明所述，树脂50处于熔融状态，向其中供给气体46，并且树脂50处于压力下并被加热。装置10还包括具有安置在第二模具部分14的电加热元件的电加热器30，电加热元件热耦接到产生成型件20的美观表面的第二型腔面24，该美观表面也称为成型件20的A面。该装置进一步包括耦接到型腔18并且用于冷却成型装置、特别是模具型腔的冷却装置16。随着发泡树脂注入，电加热器30和冷却装置16循环运行以形成成型件。
如图2A-2B中所见，第一或上部模具部分12显示为可以移动到与第二或下部模具部分14接合以及分离，以容许在图2A中所示的闭合型腔位置制成成型件20，并容许在图2B所示的开放位置喷出成型件。在图2A中，注射成型装置10包括闭合支靠于下部第二模具部分14以形成闭合的模具型腔18的上部第一模具部分12。在成型过程中，开启电加热器30以将下部型腔面24加热到大于100℃的温度，根据一个实施例，更优选为加热到至少120℃的温度，根据进一步的实施例，加热到至少130℃的温度。在一个实施例中，下部型腔面24的温度不大于230℃。然后关闭电加热器30，之后将树脂注入模具型腔18以填充型腔，并且使树脂发泡。随着型腔18被发泡树脂填充，通过将如图2A中所示的将冷却板16移动到接触下部模具部分14来启动冷却。下部模具部分14包括导热材料，例如，根据一个实施例为不锈钢，这样来自冷却板16的冷却效应迅速冷却下部型腔面24以及模具型腔18内的成型部件。根据一个实施例，冷却板16包括多个冷却管路，该冷却管路可以是用于传递经过其中的冷却液、例如冷水的流体管道70。此外应当理解，冷却装置16还可以包括一个或者多个位于上部模具部分12并且用于冷却第一型腔面22的冷却管道。向冷却板16提供15°C到45°C范围内的冷却介质以加快零件固化。为了通过加热和冷却确保受控温度，成型装置10包括多个温度传感器，根据一个实施例温度传感器为热电偶的形式，用以感测模具型腔18周围不同位置的温度。可以通过控制电路，例如微处理器，控制注射成型过程以达到所需的温度。
一旦成型件20充分冷却，第一模具部分12和第二模具部分14相对于彼此移动分离到如图2B所示的开放位置，以暴露模具型腔18并容许成型件20喷出。应当理解，可以应用液压驱动的喷射器推动成型件20的喷出。一旦成型件20喷出，第一和第二成型部分12、14可以相对于彼此闭合，并且重复注射成型过程。应当理解，可以循环地进行注射成型过程，以在快速的生产速度下生产一个或者多个零件20。
参照图3，树脂注射源40显示为与模具型腔18流体连通，用以将泡沫树脂注入模具型腔18。泡沫树脂50在高压以及高温下注射，这样树脂和气体混合物处于熔融单相状态。可以从树脂贮器或料斗42供给树脂50，并且树脂50可以包括热塑性聚合物，例如熔融聚碳酸酯（PC）。根据一个实施例，热塑性聚合物可以包括PC/ABS（聚碳酸酯/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物），根据其他实施例，热塑性聚合物可以包括熔融PC/PBT（聚碳酸酯/聚对苯二甲酸丁二酯）、PC/PMMA（聚碳酸酯/聚甲基丙烯酸甲酯）、或ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物）。应当理解，其他可成型热塑性材料也可以用作树脂50。根据一个实施例，将树脂50加热到一定温度以转变为其熔融状态，并且注入以及与气体混合，以形成单相聚合物-气体溶体。根据一个实施例，气体可以包括氮气，或者根据另一实施例，气体可以包括二氧化碳。根据一个实施例，树脂注射装置40显示为采用往复螺杆44，其从树脂贮器42中抽取树脂并且产生约80到200巴（bar）范围内的吸入压力。往复螺杆44将树脂与来自气体供给46的气体混合，对混合的气体和树脂加压，并且将混合的气体和树脂注入树脂端口54，该树脂端口54通向进入模具型腔18的模口端口52。在这种情况下，当离开树脂注射源40的注射喷口时，树脂经历急速的压力下降，这在发泡树脂进入模具型腔18时引起气泡成核或者发泡。在注射成型周期中，处在超临界状态下的气体的受控使用在由热塑性聚合物制成的本来应处于固态的树脂材料中产生微米尺寸的孔隙。成型件20中心的成型热塑性材料显示出微米尺寸的孔隙，而邻近第二模具面24的外表面具有平滑的A级表面，该A级表面实质上不含例如皱痕、拱起、旋涡等缺陷。
发泡树脂注射成型装置10具有树脂注射源，该树脂注射源将熔融树脂和气体注入型腔以使树脂在型腔中发泡。根据第一实施例，气体可以加入或者注入树脂中。根据第二实施例，可以采用化学发泡过程以实现化学发泡，其中将化学发泡剂作为聚合物添加剂加入树脂以产生气体，这进而会引起树脂发泡。化学发泡剂可以在加工过程中分解，以将气体释放并捕获在树脂内。根据一个实施例，化学发泡剂可以包括偶氮二甲酰胺，或者根据其他实施例，化学发泡剂可以包括其他已知化学发泡剂例如4,4'-氧代双苯磺酰肼（OBSH）、对甲苯磺酰肼（TSH）、5-苯基四氮唑（5-PT）、对甲苯磺酰氨基脲（PTSS）、二亚硝基五次甲基四胺（DNPT）、碳酸氢钠（SBC）、以及碳酸锌（ZnCO3）。
参照图4，其中示出了具有加热元件结构的电加热器30的一个示例，其用于制成成型件20，例如图7所示的零件20。在此实施例中，加热器30显示为在三个正交方向延伸，并且位于下部模具部分14，以向靠近将要成型的成型件20下表面的下部模具型腔面24提供加热。加热元件30位于嵌入到导热材料、例如不锈钢的第二模具部分14，用以加热制成成型件22下表面的下部型腔面，该下表面简称A面，其需要具有美观表面。电加热器30可以包括柔性和/或刚性电阻加热元件。电加热器30耦接到供电电源，并且通过电源和控制电路60控制，电源和控制电路60可以包括微处理器或者其他控制电路。加热器30开启或者关闭以在下部第二型腔面24实现所需的温度，并且可以根据一个或者多个温度传感器感测到的温度控制加热器30。
参照图5和6，其示出了根据一个实施例的冷却装置70。在示出的实施例中，冷却装置70采用多个管道形式的流体（例如液体）冷却管路，该管道在图5中显示为位于成型件20下方的冷却板内，以及在图6中位于成型件20上方的上部第一模具内。根据一个实施例，流体冷却管道70仅位于冷却板16内。根据另一个实施例，冷却装置可以采用位于冷却板16以及上部模具部分12二者内部的冷却管道70。冷却管道70在导热的冷却板介质、例如铝材内提供充足的冷却面积，以便快速传递热能以冷却模具型腔和成型件。应当理解，流体管道70传递冷却剂供给，例如冷水，并且可以响应于感测到的温度采用由控制器60所控制的管道连接器32和阀达到所需的冷却。
专利号为7,740,473的美国专利中公开了常规注射成型机械中采用的加热和冷却装置的示例，其公开内容在此通过参考引用的方式并入本发明。应当理解，根据一个实施例，注射成型装置10可以采用与专利号为7,740,473的美国专利所公开类似的冷却和加热装置。
参照图7，其示出了根据与第一实施例相关的发泡树脂注射成型过程生产的成型件20。成型件20设置成由模具型腔18所限定的形状，并且包括图7中示出的实质上无缺陷的美观上部表面。发泡树脂注射成型过程有益地生产成型件20，该成型件20具有良好的表面质量并且实质上无不可接受的表面缺陷，例如漩涡、银纹、皱痕、以及流线。
根据一个实施例，通过零件的发泡树脂注射成型方法100阐明了用于注射成型过程的加热和冷却循环，该方法使用图8中示出的这一成型过程。在此实施例中，方法100在步骤102开始，并且继续进行到步骤104开启电加热器，以将下部模具面加热到至少约120℃的温度。模具在步骤105闭合，并且可以在加热器开启的同时或者之前闭合。然后，在步骤106关闭加热器并起动冷却，使得冷却剂流经冷却剂管道并且冷却剂板与下部模具部分14接触，以利用温度在15℃-45℃范围内、例如30°C-40°C的冷却剂冷却模具型腔以固化树脂。然后，在步骤108将熔融树脂和气体注入模具型腔，以使树脂发泡。这样一来，温度在冷却过程中从120°C下降到45°C或以下。一旦成型件固化，方法100继续进行到步骤112开启模具以露出成型件，并且在步骤114喷出零件。方法100随后在步骤118返回以重复该过程，以制成后继的成型件。开启模具的步骤112和开启加热器的步骤104可以同时发生，并且一旦模具完全打开，可将零件喷出。
根据第二实施例，泡沫树脂注射成型装置10配置为将包含金属薄片的树脂注入模具型腔18。树脂注射成型装置10包括具有第一型腔面22的第一模具部分12以及具有第二型腔面24的第二模具部分14。第一和第二型腔面22、24限定型腔18。装置还包括耦接到型腔18的树脂注射源40，其用于将树脂和气体注入型腔18，其中树脂50包含金属薄片。金属薄片连同气体一起供给到树脂中，其随后一起注入到模具型腔18中，以使树脂在注入成型过程中发泡。装置进一步包括与第二型腔面热接触的加热器以及耦接到第二型腔的冷却装置，该加热器用于将第二型腔面加热到高于120℃的温度，该冷却器用于冷却型腔。
金属薄片给予成型件20金属外观，对于不同行业的许多商品，例如汽车内饰和外饰组件、家电、体育用品、以及消费电子产品，由于审美视觉上的吸引力，这种金属外观是需要的。根据一个实施例，金属薄片可以由金属制成，例如铝。薄片在熔融的聚碳酸酯树脂中可以保持固态。因此，可以在聚合物注射成型件上容易地获得金属外观，例如镀铬外观。金属薄片可以具有10到80微米的尺寸，薄片的量可以包括树脂重量的约0.5%到1.0%。树脂可以包括ABS或者聚碳酸酯，例如关于第一实施例论述的类型。
通过在注射成型过程中将金属薄片加入可成型热塑性树脂，不必对成型件喷漆以给予表面金属外观，因此消除了喷漆的需要。通过采用发泡树脂结合金属薄片，可以消除可能本来会由金属薄片的排列方向所致的树脂流动前沿的皱纹的形成。根据此实施例，通过使用提高的工具型腔温度和发泡树脂注射成型实现无喷漆的金属外观。将成型装置加热到大于100℃的温度，更优选为大于120℃的温度，在一些实施例中为150°C到170°C的范围内的温度。冷却成型装置的注射成型工具的型腔侧，这样，出自溶体的超临界流体所形成的小室和孔隙扰动金属薄片并使其方向无序化以避免流痕和皱痕。升高的工具型腔温度容许树脂沿着工具面流动和增长，避免零件表面上的白色流痕、皱痕和漩涡。
参照图9，其示出上部模具部分12的上部型腔面22具有多个位于模具型腔18外周并沿着树脂在注射过程中会合的流动前沿位置的工具通气孔80，其位于气体可能被困住的区域，以用于在注射成型过程中排出流体，例如空气。应当理解，多个工具通气孔80可以围绕工具外周以提供所需的外观同时消除白痕和尘雾。此外，注射成型装置10在远离成型件可见区域，尤其是远离A级表面的位置采用采用门控。门控可以包括多个远离外观表面的模口。通过将模口设于远离A级表面，由模口的起始聚合物导致的表面缺陷就不那么明显。
图10中示出了用于成型具有金属外观的聚合物零件的方法200，其采用根据第二实施例的使用金属薄片的泡沫树脂注射成型装置。方法200在步骤202开始，并且继续进行到步骤204开启电加热器以将下部模具面加热到大于100℃的温度。模具在步骤205闭合，这可以在开启加热器的同时或者之前发生。一旦下部模具面达到所需的至少大于100℃的温度，在步骤206关闭加热器并起动冷却板和其他冷却管道，以将模具型腔冷却到所需的低温，例如45℃或以下。这可以包括应用与下部模具部分热接触的冷却板以及对上部模具部分应用冷却剂。然后，在步骤208将包含金属薄片的熔融树脂注入模具型腔以使树脂发泡。进入型腔时，含有金属薄片的熔融树脂/气体混合物发泡，并且当其在整个模具型腔内散布时将金属薄片无序化。一旦模具型腔充分冷却，在步骤212打开模具型腔，并且在步骤214喷出成型件。方法200在步骤218返回，并且重复以循环生产具有金属外观的成型件。
根据优选实施例，注射成型装置10可以根据零件的几何形状使用不同的温度区域制造零件20。在这种情况下，注射成型装置10可以根据每个区域的几何形状选择性地加热模具型腔的多个区域中的每一个。因此，可以在不同温度下制成每个区域。
因此，发泡树脂注射成型装置10以及方法有益地提供了具有良好表面外观的使用发泡树脂的成型件，避免或者最小化了由于气体扩散导致的表面缺陷，例如漩涡、银纹、皱痕、以及流线。此外，装置和方法有益地容许生产金属外观成型件，其控制金属薄片的方向以避免或者最小化零件上形成的夹纹。
应当理解，上述结构可以做出各种变化和修改而不脱离本发明的构思，进一步应当理解，这种构思应被权利要求覆盖，除非权利要求通过文字另有明确说明。

Claims (32)

1.一种注射成型装置，其特征在于，包含：
包含第一型腔面的第一模具部分；
包含第二型腔面的第二模具部分，其中，第一和第二型腔面限定型腔；
用于将熔融树脂和气体注入型腔以使树脂发泡的树脂注射源；
安置在第二模具部分以加热第二型腔面的电加热器；以及
冷却型腔的冷却装置。
2.根据权利要求1所述的成型装置，其特征在于，随着发泡树脂的注射，电加热器和冷却装置循环地运行以制成成型件。
3.根据权利要求1所述的成型装置，其特征在于，气体包含氮气和二氧化碳中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的成型装置，其特征在于，电加热器包含将第二型腔加热到大于100℃的温度的多个加热元件。
5.根据权利要求1所述的成型装置，其特征在于，电加热器将第二型腔面的不同区域加热到不同温度。
6.根据权利要求1所述的成型装置，其特征在于，冷却装置将第二型腔冷却到低于45℃或者更低的温度。
7.根据权利要求1所述的成型装置，其特征在于，所述树脂进一步包含金属薄片。
8.根据权利要求7所述的成型装置，其特征在于，出自溶体的气体扰动树脂中的金属薄片，并且使金属薄片的方向无序化。
9.根据权利要求1所述的成型装置，其特征在于，冷却介质包含液体冷却管。
10.根据权利要求1所述的成型装置，其特征在于，型腔包含外周通气孔以及位于树脂流动前沿的通气孔，其用于在注射成型过程中排出流体。
11.根据权利要求1所述的成型装置，其特征在于，装置包含一个或多个远离成型件可见部分的模口。
12.一种注射成型装置，其特征在于，包含：
包含第一型腔面的第一模具部分；
包含第二型腔面的第二模具部分，其中，第一和第二型腔面限定型腔；
用于将熔融树脂和气体注入型腔以使树脂发泡的树脂注射源，其中树脂包含金属薄片；
与第二型腔面热接触以加热第二型腔面的加热器；以及
用于冷却型腔的冷却装置。
13.根据权利要求12所述的成型装置，其特征在于，随着树脂的注射，加热器和冷却介质循环地运行以制成成型件。
14.根据权利要求12所述的成型装置，其特征在于，加热器包含电加热器，该电加热器包含多个安置在第二模具中的电加热元件。
15.根据权利要求12所述的成型装置，其特征在于，出自溶体的气体扰动树脂中的金属薄片，并且使金属薄片的方向无序化。
16.根据权利要求12所述的成型装置，其特征在于，型腔包含周边通气孔以及位于树脂流动前沿的通气孔，其用于在注射成型过程中排出成型件周围的流体。
17.根据权利要求12所述的成型装置，其特征在于，装置包含一个或多个远离成型件实体部分的模口。
18.根据权利要求12所述的成型装置，其特征在于，气体包含氮气和二氧化碳中的至少一种。
19.根据权利要求12所述的成型装置，其特征在于，加热器将第二型腔面加热到至少100℃的温度。
20.一种注射成型零件的方法，其特征在于，包含以下步骤：
提供模具型腔，该模具型腔包括具有第一型腔面的第一模具部分以及具有第二型腔面的第二模具部分，其中，第一和第二型腔面限定模具型腔；
将气体供入熔融状态的树脂；
用电加热器将第二模具部分加热到大于100℃的温度；
将熔融状态的树脂和气体在高压下注入型腔；
冷却型腔；并且
将冷却的零件从模具型腔中喷出。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，将气体供入树脂的步骤包含将氮气和二氧化碳中的至少一种作为气体注入树脂。
22.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，电加热器将第二型腔面的不同区域加热到不同温度。
23.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，进一步包含将金属薄片供入树脂的步骤，这样出自溶体的气体扰动树脂中的金属薄片并且使金属薄片的方向无序化。
24.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，进一步包含在注射成型过程中从模具型腔外周位置的腔以及树脂的流动前沿排出流体的步骤。
25.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，进一步包含提供一个或多个远离成型件可见部分的模口的步骤。
26.一种注射成型零件的方法，其特征在于，包含以下步骤：
提供模具型腔，该模具型腔具有包含第一型腔面的第一模具部分以及包含第二型腔面的第二模具部分，其中，第一和第二型腔面限定模具型腔；
提供具有金属薄片的熔融树脂；
将气体供入包含金属薄片的熔融树脂；
将第二模具加热到大于100℃的温度；
冷却模具型腔；并且
将冷却的零件从模具型腔中喷出。
27.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，随着树脂的注射，循环地运行加热和冷却以制成成型件。
28.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，出自溶体的气体扰动树脂中的金属薄片并且使金属薄片的方向无序化。
29.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，进一步包含在注射成型过程中从成型件外周以及树脂的流动前沿排出流体的步骤。
30.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，进一步包含在远离成型件实体部分的多个模口注射树脂的步骤。
31.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，供给气体的步骤包含将氮气和二氧化碳中的至少一种注入树脂。
32.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，进一步包含，加热第二模具的步骤包含将第二模具加热到至少150℃的温度。
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