CN103317647B - 微小型塑料件激光融化挤压成型方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种微小型塑料件激光融化挤压成型方法和装置，涉及高精密塑料微小型件成型加工领域，特指基于红外激光融化和模具挤压成型的塑料微小型件成形方法和装置，传统的高精密塑料微小型件注塑成型加工成本高，注塑件质量不易控制，塑料原材料和能源浪费严重，本发明是针对高精密热塑性塑料微小型件，采用红外激光快速加热融化以及成型模具挤压成型加工工艺，本发明的塑料微小型件激光融化挤压成型方法和装置，具有成形精度高、成型质量好和高效低成本的优点，适用于高精密塑料微小型件的大批量自动化成型加工，具有较高的应用价值。

Description

微小型塑料件激光融化挤压成型方法及装置

技术领域

本发明涉及一种微小型塑料件的加工成形技术，尤其是一种利用激光融化技术进行成型的技术，具体地说是一种适用于高精密微小型塑料制件如微型齿轮、小型壳类零件的成型加工的基于红外激光融化和模具挤压成型的高精密微小型塑料件激光融化挤压成型方法及装置。

背景技术

 目前，塑料微小型件是指外形尺寸为数毫米或毫米以内的高精密塑料件，其尺寸精度达微米，广泛应用在航空航天、电子信息、生物化学、精密仪器等领域，但是，传统的高精密塑料微小型件成型加工成本高，注塑件质量不易控制，塑料原材料和能源浪费严重，随着塑料微小型件的市场需求量迅猛增加，对塑料微小型件的加工工艺、加工方法提出了更高要求。

目前，高精密塑料微小型件的加工方法一般为常规注塑或微注塑成型。通常注塑成型需要高速高压的注塑工艺，但由于注塑成型过程中的微尺度效应，常规注塑或微注塑成型容易产生微小型件充填成形不足或成型精度差等问题；对于常规注塑，为减少注塑压力损失，通常采用较大的浇注系统，浇注系统尺寸一般大于塑料微小型件外形尺寸，因而，塑料材料利用率低，原材料和能源浪费严重；微注塑成型虽然可以节约原材料和能源，但是，微注塑模具结构复杂，需要抽真空和交变温度控制等辅助设置，需要更高的注塑速度和注塑压力，所以，微注塑模具及其微注塑机制造难度更大、注塑工艺更复杂、生产成本高。

目前，高精密塑料微小型件的注塑成型还存在着一些不易解决的注塑质量问题，特别是在塑料熔体充填模具型腔过程中，流体的冷凝峰面汇合时会产生熔接线，熔接线不仅影响注塑件外观质量，而且降低注塑件的机械强度，如何降低或消除注塑件的熔接线，一直是人们关注的重点，如中国专利ZL200910302206.9、ZL200720041512.8提出的“注塑模热流道阀式振动型喷嘴装置”和“一种注塑模热流道阀式喷嘴装置”，它们是在注塑过程中采用振动机构和阀杆装置，通过对塑料熔体充填模式的动态控制，实现降低或消除注塑件的熔接线，但这些装置是在复杂的注塑模热流道浇注系统基础上建立的，成型设备机构复杂、操作难度大，塑料熔体充填模具型腔过程中的熔接线问题并不容易彻底消除。

除注塑件的熔接线问题外，塑料熔体的热分解问题也一直是传统注塑成型不易解决的问题之一。高精密塑料微小型件的常规注塑或微注塑成型和普通注塑一样，均采用电加热或螺杆剪切的塑料塑化机构，塑料塑化时间长，一般塑化时间长达数十分钟，塑料熔体在塑化机构中滞留时间过长，就容易热分解；另外，由于塑化机构或模具浇注系统的通道结构复杂，塑料熔体容易滞留在塑化机构或通道中的死角位置，从而产生热分解，影响注塑质量。专利申请号：201110239189.6和申请号：201110239755.3，分别提出了“一种基于CO₂激光器的塑料塑化方法和装置”和“一种基于Nd:YAG固体激光器的塑料塑化方法和装置”的塑料塑化方法，这是利用激光能量可控特性，以及CO₂激光和Nd:YAG激光对聚合物的热作用效应，能够实现塑料在塑化腔中快速微量融化，但是，这些专利仍然采用塑料在塑化腔中的塑化方式，塑料塑化后，塑料熔体通过流道注入模具，在此过程中，塑料熔体仍然会有滞留在塑化腔和流道死角位置情况，从而产生热分解问题，而且，随后进行的塑料熔体充填模具成型，对于熔接线问题不能够解决。

目前，对于高精密塑料微小型件成型加工的新工艺、新方法，除注塑成型外，主要集中在利用激光加工技术，如专利ZL200720037573.7 提出了“一种基于激光加工的微型塑料件成形装置”，是利用激光冲击产生的压力和激光辐照塑料产生热量获得微型塑料件冲压成形所需条件，该激光微冲压成形方法具体实施较为复杂，且成形塑料件尺度为数十至数百微米，并不适合于毫米尺度的微小型塑料件成形加工；专利申请号201210536346.4是“一种基于激光塑化和冲击技术的微注塑方法及装置”，是利用激光塑化和冲击技术，满足微注塑的高速高压注塑要求，是属于微注塑加工设备领域；专利申请号201210491845.6是“一种基于激光加热的塑料微结构件成形方法和装置”，是利用激光加热塑料基体材料表面，并用表面具有微结构特征的透光玻璃热压成型塑料微结构，这是一种利用激光加热的塑料件表面微结构热压加工方法，属于塑料微结构成型范畴。

综上所述，对于外形复杂，尺寸精度要求高和成型质量要求高的微小型塑料制件如微型齿轮、小型壳类零件，为了降低生产成本，提高成型效率和塑料制件质量，特别是解决注塑件熔接线问题和塑料熔体热分解问题，有必要进一步探索新的成型加工工艺和方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有的微小型塑料件成型过程中普遍存在会产生熔接线的问题，发明一种基于红外激光融化和模具挤压成型的高精密微小型塑料件激光融化挤压成型方法及装置。

本发明的技术方案之一是：

一种微小型塑料件激光融化挤压成型方法，其特征是它包括以下步骤：

首先，根据微小型塑料件的体积和质量，定制预加工塑料坯料，塑料坯料可以粉末或固体颗粒；计算和确定成型过程所需的挤压推力、挤压时间、开模合模时间；

其次，计算并确定激光参数，使得红外激光器输出的激光功率、辐照时间、光斑直径、焦距、光斑能量分布及光斑形状符合加工要求；温度加热控制器开始加热动模板，加热温度至塑料坯料的玻璃化转变温度以下5～20度；

第三，挤压模具打开，伺服电机控制动模板向下移动，同时动型芯在定型芯内向下移动，取塑料坯料加入模具型腔；

第四．在加料完毕后，使伺服电机驱动动模板向上移动，动模板和定模板闭合；动型芯由气动机构推动下，在定型芯内向上移动，塑料坯料在设定的挤压力作用下预紧压，挤压力为1～10千克；

第五，红外激光器开始工作，输出的激光透过红外玻璃，定位辐照模具型腔中的塑料坯料，直至塑料材料全部融化，控制激光辐照时间在0.1～10s；同时，使动型芯产生挤压力，使塑料坯料在融化过程中完成挤压成型；

第六，红外激光器停止输出激光，使挤压成型的塑料件冷却定型，冷却时间为10～60s;

最后，打开挤压模具, 使动型芯工作并顶出塑料件，取走塑料件即可。

所述的红外激光器的输出波长为1.064~10.64微米，激光器参数为：激光功率为0~10W、激光光斑直径1~10mm、焦距50~200mm，红外激光器连接光路整形机构调节，光路整形机构调节红外激光器输出的光斑直径、焦距、光斑能量分布及光斑形状。

本发明的技术方案之二是：

一种微小型塑料件激光融化挤压成型装置，其特征它包括激光工作系统、挤压模具、机床和控制系统，所述的激光工作系统由红外激光器及其连接的光路整形机构14组成，红外激光器与机床上方的能调节其上下高度的数控装置13相连，红外激光器位于挤压模具的定模板1的上方，光路整形机构14的激光输出窗口正对定模板1上镶嵌的红外玻璃2；挤压模具放在机床工作台12上，挤压模具由定模板1、红外玻璃2、动模板9、定型芯6、动型芯5、顶杆7、气动机构8、伺服电机10、模座11和导向柱3组成，四个导向柱3的上下两端分别固定连接定模板1和定模座11，动模板9与导向柱3通过滑动配合上下移动；伺服电机10固定在模座11上，伺服电机10的上下运动机构和动模板9连接；定型芯6镶嵌在动模板9上，动型芯5安装在定型芯6中中，并能在定型芯6中上下移动；动型芯5下端连接顶杆7，顶杆7穿过定型芯6与设置在动模板9的气动机构8连接，气动机构8用于控制塑料熔体挤压成型的压力并控制动型芯5的升降运动；在合模时，动模板9上升和定模板1闭合，定型芯6、动型芯5以及定模板1中安装的红外玻璃2共同构成模具型腔，塑料4添加在所述的模具型腔内；动模板9内设置有温度加热和控制器15；控制系统连接激光器、挤压模具及机床，控制塑料微小型件激光融化挤压成型加工过程。

所述的控制系统由计算机、工控系统、输入输出接口、监控单元和驱动机构组成。

所述的红外玻璃为能高效透过红外光的硫化物玻璃或氟化物玻璃。

本发明的有益效果：

1.              本发明的激光参数精确可控，激光能量集中，塑料对红外激光能量吸收高，塑料融化所需热量少，塑料融化时间短，采用本方法进行激光融化挤压成型塑料件，省掉了传统注塑成型设备中的复杂的塑化机构和熔体充填浇注系统，避免了传统注塑过程中塑料塑化的热量散失，能源利用率高，而且解决了传统注塑过程中塑料熔体长时间受高温的热分解问题。

2.              采用本发明的方法和装置进行激光融化挤压成型塑料件，适合塑料件质量范围为0.1mg～1000mg, 特别是适合外形复杂的精密微小型塑料件如齿轮、轴类、壳类等，因而，激光融化挤压成型的应用范围较广。

3.              与常规注塑或微注塑成型工艺相比，采用本发明的方法和装置进行激光融化挤压成型塑料件，不需要浇注流道，避免了塑料原材料浪费；塑料是在模具型腔中直接融化挤压成型，避免了熔体充填模具过程中，由于微尺度效应影响，而导致的充填成形不足和加工精度差问题，并且，消除了塑料件的熔接线；不需要高速高压的成型条件，可以节省能源消耗；成型周期较短，加工效率高。

4.              与常规注塑或微注塑成型设备及其模具相比，本发明不需要抽真空和交变温度控制等辅助设置，激光融化挤压成型装置结构简单，制造容易，成本低，操作方便。

5.              本发明易于在控制系统控制下实现高效自动化生产。

附图说明

图1 是本发明的成型装置结构示意图。

图2是本发明的微小型塑料件激光融化挤压成型过程示意图。

图2.1为开模放料状态示意图，图2.2为融化挤压成型状态示意图，图2.3为开模取件状态示意图。

图3 是利用本发明的方法和装置加工的小型壳类零件示意图。

图中：1.定模板，2. 红外玻璃，3.导柱，4.塑料，5.动型芯，6.定型芯，7.顶杆，8.气动机构，9.动模板，10.伺服电机，11.模座，12.机床工作台，13.数控装置，14.光路整型机构，15.温度加热控制器，16.激光，17.塑料件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

    如图1、2所示。

图1是一种微小型塑料件激光融化挤压成型装置，它包括激光器、挤压成型模具、机床和控制系统等几部分。红外激光器连接机床上方的数控装置13，红外激光器位于挤压模具的定模板1上方，激光输出窗口正对定模板上1镶嵌的红外玻璃2；挤压模具放在机床工作台12上，挤压模具由定模板1、红外玻璃2、动模板9、定型芯6、动型芯5、顶杆7、气动机构8、伺服电机10、模座11和导向柱3等零部件组成。导向柱设置为四个，其上下两端固定连接模座11和定模板1，动模板9与导向柱3通过滑动配合上下移动；伺服电机10固定在模座11上，并和动模板9连接；动模板9上镶嵌定型芯6，定型芯6和动型芯5经过精密加工，确保模具型腔尺寸精度，动型芯5可以在定型芯6内上下移动；在合模时，动模板9和定模板1闭合，定型芯6、动型芯5以及定模板1上的红外玻璃2共同构成模具型腔；在准备工作时，动模板9和定模板1开模，动型芯5下降，塑料4添加到模具型腔内；工作结束时，动型芯5上升顶出加工好的塑料件17，塑料件17由机械手装置或气吸装置取出模具；动型芯下端连接顶杆7，顶杆7连接气动机构8，气动机构8设置在动模板内9，气动机构8控制塑料熔体挤压成型的压力，以及控制动型芯5的升降运动；动模板内设置温度加热和控制器15，控制模具型腔温度在工作范围内。控制系统连接激光器、挤压成型模具及机床，控制塑料微小型件激光融化挤压成型加工过程。

本发明可通过控制激光光斑直径、激光功率密度、辐照时间等激光参数，将低功率的红外激光透过成型模具的透光玻璃，直接定位辐照模具型腔中的塑料坯料，提供塑料融化所需吸收的激光能量，并确保塑料熔体温度低于塑料热分解温度，塑料为经过精确计量体积或重量的预加工坯料，可以是粉末、颗粒或定制的板料；利用具有精密型腔结构的挤压模具，将融化的塑料在模具型腔中直接高精度挤压，完成对塑料微小型件的成型加工。 具体实施时，所述的红外激光器输出的激光波长可在1.064~10.64微米之间，激光器参数可为：激光功率为0~10W、激光光斑直径1~10mm、焦距50~200mm，激光辐照时间为0.1~10s。红外激光器连接机床数控装置，数控装置驱动红外激光器作上下运动，激光器输出的光斑直径、焦距、光斑能量分布及光斑形状由光路整形机构控制，激光参数根据具体情况确定，光斑面积大于或等于模具型腔投影面积，光斑焦距为激光透镜窗口至塑料表面距离，激光辐照时间和激光输出功率根据理论计算的激光参数阈值得到；红外激光器位于挤压模具上方，激光输出窗口正对挤压模具的红外玻璃，红外玻璃为可以高效透过红外光的硫化物玻璃或氟化物玻璃。定型芯6和动型芯5可采用模具钢制造，根据塑料件尺寸及精度，精密加工定型芯和动型芯，达到精密级的配合要求，满足型腔尺寸及精度，并且，动型芯5可以在定型芯6内上下移动，动型芯5起到挤压成型及顶出塑料件17的作用。激光器、挤压模具及机床均由控制系统控制，控制系统由计算机、控制软件、工控系统、输入输出接口、监控单元和驱动机构等组成，通过控制程序自动控制塑料微小型件激光融化挤压成型加工过程。

实施例二，

如图2所示。

一种微小型塑料件激光融化挤压成型装置，它包括以下步骤：

a.  根据塑料件的体积和重量，定制预加工塑料坯料，塑料坯料可以为粉末、固体颗粒等；计算和确定成型过程所需的挤压力、挤压时间、开模合模时间等；设定控制系统的控制程序和操作命令。

b.  工作准备，精确计算并确定激光参数，使得红外激光器输出的激光功率、辐照时间、光斑直径、焦距、光斑能量分布及光斑形状符合加工要求；温度加热控制器开始加热动模板，加热温度至塑料材料的玻璃化转变温度以下5～20度；

c.  工作开始，挤压模具打开，伺服电机控制动模板向下移动，同时动型芯在定型芯内向下移动，取塑料材料加入模具型腔；

d.  加料完毕，伺服电机控制动模板向上移动，动模板和定模板闭合；动型芯由气动机构推动下，在定型芯内向上移动，塑料材料在设定的挤压力作用下预紧压，挤压力为1～10千克；

e.  红外激光器开始工作，输出的激光透过红外玻璃，定位辐照模具型腔中的塑料材料，直至塑料材料全部融化，激光辐照时间0.1～10s；同时，在动型芯挤压力作用下，塑料材料在融化过程中完成挤压成型；

f.  红外激光器停止输出激光，挤压成型塑料件冷却定型，冷却时间为10～60s;

g.  挤压模具打开, 动型芯顶出塑料件，由机械手或气吸装置取走塑料件；

h. 由此完成一个工作周期,以上过程在控制系统控制下实行自动化操作。

实例1。

微型塑料齿轮的激光融化挤压成型，微型塑料齿轮材料为PA12，齿顶圆直径1.2mm,齿根圆直径1mm, 齿数24，齿厚0.8mm。PA12物理性参数：密度1.02g/cm³、热变形温度68~150°C、 熔化温度186~190°C。首先，计算出每个齿轮的重量约0.78mg；激光参数选择为光斑直径2mm、激光功率1W、焦距100mm、辐照时间0.5s；设定动模板加热温度范围为：60~65°C。模具制造要满足要求，特别是，定型芯的模具型腔按塑料齿轮零件外形尺寸精密加工，动型芯与定型芯精密配作，确保动型芯在定型芯内可以滑动配合活动。工作开始，挤压模具打开，伺服电机控制动模板向下移动，同时动型芯由气动机构带动，在定型芯内向下移动；取塑料PA12粉末材料0.78mg加入模具型腔；加料完毕，伺服电机控制动模板向上移动，直至动模板和定模板闭合；动型芯在气动机构推动下，在定型芯内向上移动，并使得塑料材料在模具型腔内按照设定的挤压力紧压，挤压力为1千克；红外激光器开始工作，输出的激光透过红外玻璃，定位辐照模具型腔中的塑料材料，激光辐照时间0.5s，直至塑料材料全部融化和成型；激光器停止输出激光，等待挤压成型的齿轮冷却，冷却时间为10s；挤压模具打开, 动型芯顶出，由机械手或气吸装置取走微型塑料齿轮；由此完成一个工作周期,以上加工过程在控制系统控制下完成。

实例2。

小型壳类塑料零件的激光融化挤压成型，小型壳类塑料零件如图3所示，外圆直径4.7mm, 壁厚0.2mm,高度0.8mm,材料为PC, PC物理性参数：密度1.19g/cm³、热变形温度120~200°C、 熔化温度240~290°C。首先，计算出每个塑料件的重量约2.7mg；激光参数选择为光斑直径5mm、激光功率5W、焦距100mm、辐照时间0.2s；设定动模板加热温度范围为：105~115°C。工作开始，挤压模具打开，伺服电机控制动模板向下移动，同时动型芯在定型芯内向下移动，取塑料PC粉末材料2.7mg加入模具型腔；加料完毕，伺服电机控制动模板向上移动，直至动模板和定模板闭合；动型芯在气动机构推动下，在定型芯内向上移动，并使得塑料材料在设定的挤压力作用下紧压，挤压力为10千克；红外激光器开始工作，输出的激光透过红外玻璃，定位辐照模具型腔中的塑料材料，激光辐照时间0.2s，直至塑料材料全部融化和成型；激光器停止输出激光，等待挤压成型的塑料零件冷却，冷却时间为10s;挤压模具打开, 动型芯顶出，由机械手或气吸装置取走微型塑料零件；由此完成一个工作周期,以上加工过程在控制系统控制下完成。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (3)

1.一种微小型塑料件激光融化挤压成型装置，其特征是它包括激光工作系统、挤压模具、机床和控制系统，所述的激光工作系统由红外激光器及其连接的光路整形机构（14）组成，红外激光器与机床上方的能调节其上下高度的数控装置（13）相连，红外激光器位于挤压模具的定模板（1）的上方，光路整形机构（14）的激光输出窗口正对定模板（1）上镶嵌的红外玻璃（2）；挤压模具放在机床工作台（12）上，挤压模具由定模板（1）、红外玻璃（2）、动模板（9）、定型芯（6）、动型芯（5）、顶杆（7）、气动机构（8）、伺服电机（10）、模座（11）和导向柱（3）组成，四个导向柱（3）的上下两端分别固定连接定模板（1）和定模座（11），动模板（9）与导向柱（3）通过滑动配合上下移动；伺服电机（10）固定在模座（11）上，伺服电机（10）的上下运动机构和动模板（9）连接；定型芯（6）镶嵌在动模板（9）上，动型芯（5）安装在定型芯（6）中，并能在定型芯（6）中上下移动；动型芯(5)下端连接顶杆(7)，顶杆(7)穿过定型芯（6）与设置在动模板(9)的气动机构(8)连接，气动机构(8)用于控制塑料熔体挤压成型的压力并控制动型芯(5)的升降运动；在合模时，动模板(9)上升和定模板（1）闭合，定型芯(6)、动型芯(5)以及定模板(1)中安装的红外玻璃(2)共同构成模具型腔，塑料（4）添加在所述的模具型腔内；动模板（9）内设置有温度加热和控制器(15)；控制系统连接激光器、挤压模具及机床，控制塑料微小型件激光融化挤压成型加工过程。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征是所述的控制系统由计算机、工控系统、输入输出接口、监控单元和驱动机构组成。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征是所述的红外玻璃为能高效透过红外光的硫化物玻璃或氟化物玻璃。