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      中空吹塑成型工藝詳解

      2021-05-12
      這里主要指吹塑 ( 又稱吹塑模塑 ) 是借助于氣體壓力使閉合在模具中的熱熔型坯吹脹構成中空制品的辦法,是第三種最常用的塑料加工辦法,同時也是開展較快的一種塑料成型辦法。吹塑用的模具只要陰模 ( 凹模 ) ,與注塑成型相比,設備造價較低,順應性較強,可成型性能好 ( 如低應力 ) 、可成型具有復雜起伏曲線 ( 外形 ) 的制品。

      吹塑成型來源于 19 世紀 30 年代。直到 1979 年以后,吹塑成型才進入普遍應用的階段。這一階段,吹塑級的塑料包括:聚烯烴、工程塑料與彈性體;吹塑制品的應用觸及到汽車、辦公設備、家用電器、醫療等方面;每小時可消費 6 萬個瓶子也能制造大型吹塑件 ( 件重達 180kg) ,多層吹塑技術得到了較大的開展;吹塑設備已采用微機、固態電子的閉環控制系統,計算機 CAE/CAM 技術也日益成熟;且吹塑機械更專業化、更具特征。

      1 吹塑成型辦法

      1.1 成型辦法

      不同吹塑辦法,由于原料、加工請求、產量及其本錢的差別,在加工不同產品中具有不同的優勢。細致的吹塑成型過程可參考文獻。這里從宏觀角度引見吹塑的特性。

      中空制品的吹塑包括三個主要辦法:擠出吹塑:主要用于未被支撐的型坯加工;注射吹塑:主要用于由金屬型芯支撐的型坯加工;拉伸吹塑:包括擠出一拉伸一吹塑、注射一拉伸一吹塑兩種辦法,可加工雙軸取向的制品,極大地降低消費本錢和改良制品性能。

      此外,還有多層吹塑、壓制吹塑、蘸涂吹塑、發泡吹塑、三維吹塑等。但吹塑制品的 75 %用擠出吹塑成型, 24 %用注射吹塑成型, 1 %用其它吹塑成型;在一切的吹塑產品中, 75 %屬于雙向拉伸產品。擠出吹塑的優點是消費效率高,設備本錢低,模具和機械的選擇范圍廣,缺陷是廢品率較高,廢料的回收、應用差,制品的厚度控制、原料的分散性受限制,成型后必需停止修邊操作。注射吹塑的優點是加工過程中沒有廢料產生,能很好地控制制品的壁厚和物料的分散,細頸產品成型精度高,產品外表光亮,能經濟地停止小批量消費。缺陷是成型設備本錢高,而且在一定水平上僅合適于小的吹塑制品。 中空吹塑的工藝條件,請求吹脹模具中型坯的緊縮空氣必需潔凈。注射吹塑空氣壓力為 0.55 ~ 1MPa ;擠出吹塑壓力為 0.2l ~ 0.62MPa ,而拉伸吹塑壓力經常需求高達 4MPa 。在塑料凝固中,低壓使制品產生的內應力低,應力分散較平均,且低應力可改良制品的拉伸、沖擊、彎曲等性能。

      1.2 制種類類

      吹塑制品有容器、工業制件兩類。

      其中容器包括:包裝容器,大容積儲桶 / 儲罐,以及可折疊容器。但隨著吹塑工藝的成熟,工業制件的吹塑制品越來越多,應用范圍也日益普遍。目前,容器約占 80 %的市場份額,每年增長 4 %左右;而工業及構造用制品占總量的 20 %,每年增長速度為 12 %。容器耗費量的增長在于可旋扭塑料容器的應用范圍不時擴展,工業用制品的耗費量增長主要是由新型加工技術的改良所致,如多層型坯擠出、雙軸擠出、非軸對稱吹塑等。

      1.3 吹塑成型停頓

      (1) 原資料聚合物在成型過程中,首先經過口模時受高剪切力作用,然后物料呈現擠出收縮及垂縮現象,在構成下垂的型坯時,其收縮率接近為零。接著型坯被吹脹緊貼在模具上,這時呈現低的收縮率。過度的口模收縮會產生廢品。過度的垂縮招致制件的頂端到底部壁厚厚度不平均,嚴重的以至不能成型。因而,在選擇合適吹塑的聚合物時,必需弄清其剪切及收縮的粘彈特性。

      HDPE 由于熱穩定性好,又有多種改性產品,因此成為吹塑成型中應用最普遍的塑料。經過共聚和共混作用,對吹塑成型用原資料的研討在連續擠出吹塑級樹脂方面也獲得了一些停頓,如 PA6 、 PP 和 PET 。間歇式型坯吹塑成型,理論上適用于構造板材和大型制件的二次加工,請求運用工程塑料,如阻燃型 ABS 、加強 pvc 、改性 PPO 和 PC 等,而這類擠出型塑料的耐高溫性能普通較差,僅有少數樹脂可在常規設備上吹塑成型大型制件。在聚萘二甲酸乙二酯 (PEN)/PET 共混料吹塑成型時,需將防氧浸透和防水氣浸透的樹脂如 ( 乙烯 / 乙酸乙烯醇 ) 共聚物 (EVOH) 和 HDPE 與 PET 構成復合層,并產生錨聯層,以改善 PEN/PET 料的浸透性和熱穩定性。目前正研討將 HDPE 與 PA6 采用多層吹塑成型,消費燃油油箱。

      (2) 設備與工藝技術停頓 吹塑機械設備已有很大的改良。

      較新的成果有: ①采用改良型紅外加熱技術停止再吹塑成型; ②十分高速的旋轉擠塑壓力,主要應用在牛奶瓶的消費上; ③模具附設在梭式壓機上以補償噴流現象; ④多層連續擠出吹塑成型防浸透性容器; ⑤經過對取向結晶和熱結晶、預成型坯和模溫、吹氣壓力,以及型坯在模腔內停留時間的嚴厲控制,停止連續性熱定形 PET 瓶的消費。

      由于市場對復雜、迂回的保送管材制件的需求,推進了偏軸擠出吹塑技術的開發,這種技術籠統稱為 3D 或 3 維吹塑成型。 理論上,該工序非常簡單,型坯擠出后,被部分吹脹并貼在一邊模具上,接著擠出機頭或模具轉動,按已編的 2 軸或 3 軸程序轉動。難點在于請求具有十分大的慣性量的大型吹塑機械在高速合模時誤差要低于 10 %。多層吹塑成型工藝常用于加工防浸透性容器,其改良工藝是增設一個閥門系統,在連續擠出過程中可改換塑料原料,因此可交替消費出硬質和軟質制品。消費大型制件如燃油箱或汽車外構造板材時,在冷卻過程中需降低模腔內壓力以調整加工循環周期。處理辦法是先將熔料貯存在擠出螺桿前端的熔槽中,再在相當高速下擠出型坯,以最大限度減少型坯壁厚的變化,從而確保消弭垂縮和擠出收縮現象。 儲料缸式機頭改良,使之能擠出熱敏性塑料如 ABS — R 、改性PPD 和 PVC 。而且,重新設計的機頭,在消費中可快速裝拆以便當清算塑料,同時,對塑料的流變特性剖析及計算機流道剖析可設計流線型流道,以便于熱敏性塑料的成型。

      (3) 控制程序及吹塑模仿型坯的程序控制已有數十年的經歷。 主要問題是型坯可拉坯變薄的最薄水平 ( 如瓶頸部位 ) ,增厚的型坯拉坯的最大水平 ( 如容器瓶體或邊角部位 ) ,以及設計一個壁厚度變化部位,例如凹邊和瓶肩等。其工作重點應集中在所運用塑料的粘彈性特性上。對試管狀的預成型坯壁厚的預測,也就是設計具有防浸透作用的型坯最佳壁厚厚度的選擇根據。這是由預成型坯的結晶水平,所運用塑料與溫度相關的應力一應變彈性特性,以及由注塑加工構成的凍結應力水平和散布等狀況來決議的。

      1980 年, GE 公司就為熱成型和吹塑成型開發了: PITA 程序設計。 型坯吹塑成型的控制軟件必需綜合思索如下要素:不平均的型坯壁厚;型坯截坯口和環繞型吹塑管材截口;在合模前預先吹脹型坯;吹脹過程控制和截坯口開設的部位;以及構造件吹塑成型中對型坯邊緣的裁切定位等。

      目前,商業化的吹塑成型模仿軟件主要有原美國的 ACTech 公司的 C — PITA 、比利時的 POLYFLOw 等。數值模仿的難度在于:大應變、非線性資料行為、接觸問題以及收縮過程中一些物理非穩定性,而這些復雜性將招致產生一系列需求迭代求解的非線性方程。其中,資料、吹塑成型機理的研討不斷是研討的難點、熱點,如拉伸吹塑被普遍應用,但對該過程的模仿所需求的應力誘導結晶的數學描繪,到目前為止尚無適宜的辦法。而擠出吹塑的型坯,是聚合物熔體流經環形模頭時構成的,環形管道的幾何外形和資料的粘彈性質將直接影響型胚收縮,現有的粘彈性學問還無法描繪這個過程。 與相對成熟的注塑 CAE 技術相比,吹塑成型軟件目前正處于開展的初期階段。

      1.4 吹塑成型的開展趨向

      吹塑將隨著市場對其制品的需求,在資料、機械、輔助設備、控制系統、軟件等方面有如下開展趨向。

      (1) 原資料為滿足吹塑制品的功用、性能 ( 醫藥、食品包裝 ) 請求,吹塑級的原料將愈加豐厚,加工性能更好。如 PEN 類資料,不只強度高、耐熱性好、氣體阻隔性強、透明、耐紫外線映照,可適用于吹制各種塑料瓶體,并且填充溫度高,對二氧化碳氣體、氧氣阻隔性能優秀,且耐化學藥品。

      (2) 制品包裝容器、工業制品將有較大增長,而且注射吹塑、多層吹塑會有快速的開展。

      (3) 吹塑機械及設備吹塑機械的精細高效化;輔助消費 ( 操作 ) 設備的自動化?!熬毟咝А辈恢恢笝C械設備在消費成型過程中具有較高的速度和較高的壓力,而且請求所消費的產品在外觀尺寸動搖和件重動搖方面均能到達較高的穩定性,也就是說消費制品各個部位的尺寸和外形幾何外形精度高,變形及收減少,制品的外觀及內在質量和消費效率等指標均要到達較高的水準。輔助操作包括去飛邊、切割、稱重、鉆孔、檢漏等,其過程自動化是開展的趨向之一。

      (4) 吹塑成型模仿吹塑機理的研討愈加深化,吹塑模仿的數學模型的合理構建,數值算法的快速、精確是模仿的關鍵,吹塑成型模仿將會在制質量量預測、控制中發揮越來越重要的作用。

      2 影響吹塑制質量量的要素及常見缺陷的掃除

      2.1 吹塑成型的影響要素 下面從吹塑成型過程剖析各個階段的成型參數。

      吹塑成型過程可分為四個階段:

      (1) 型坯構成階段聚合物在擠出機中的保送、熔融、混煉、泵出成型為型坯的構成階段;在這一階段,影響壁厚散布的主要工藝參數有: ①資料的分子量散布、均勻分子量; ②吹塑機的溫度控制系統和螺桿轉速,其中溫度控制系統包括料斗溫度,料筒 1 區、 2 區、 3 區、 4 區溫度,法蘭溫度,以及儲料模頭 1 區、 2 區、 3 區、 4 區溫度。

      (2) 型坯下料階段型坯從模唇與模芯的間隙中擠出為下料階段。此時,型坯離模收縮和型坯垂伸這兩種現象影響型坯成型。影響壁厚散布的主要工藝參數是吹塑機的模頭直徑和壁厚控制系統,其中控制系統包括軸向壁厚控制系統和周向壁厚控制系統,以調整模唇與模芯的間隙。

      (3) 型坯預吹階段為防止型坯內外表的接觸、粘附,改善制品壁厚的平均性,要對型坯停止預吹脹。在型坯預吹階段,從型坯下方往型坯內噴氣,以護持型坯,減小其垂伸。在這一階段,影響壁厚散布的主要工藝參數有:預吹壓力、預吹時間。

      (4) 型坯高壓吹階段高壓吹脹型坯,使之貼緊模具型腔,完成產品塑性成型階段。該階段,影響產品成型的是型坯受高壓吹脹變形、型坯與模腔接觸變形。而影響壁厚散布的主要工藝參數有:資料的收縮率;吹氣壓力、時間;模具資料、構造、模具排氣系統以及模具冷卻系統,如冷卻水道散布、冷卻水進水溫度等。雖然影響吹塑制質量量的要素較多,但當消費條件、制品請求肯定后,調整吹塑工藝參數能有效改善制質量量。優化的工藝參數能夠進步消費效率,降低原資料耗費,優化產品的綜合性能。

      2.2 吹塑成型工藝條件的設定

      工藝條件調整的目的是,在滿足產品最小壁厚請求的根底上,產品壁厚盡可能平均,產品件重盡可能小 ( 減少資料耗費 ) 。工藝參數設定的合理辦法是,將經歷與數值剖析技術分離。根本過程為:

      ①應用已樹立的計算機模型,模仿吹塑模具、下料型坯、夾料板等狀態;

      ②輸入各階段對型坯壁厚散布影響的參數;

      ③對得到的模仿結果停止剖析,經過計算機模仿顯現哪些部位壁厚達不到請求,而哪些部位壁厚超厚;

      ④應用人工經歷,調整輸入的參數,反復①~③的過程,保證產品各部位在到達最小壁厚的前提下,盡可能減小產品各部位壁厚。

      ⑤對多個工藝計劃的結果剖析、比擬,最終肯定優化的工藝參數。拉伸吹塑又稱雙軸取向吹塑,是在聚合物的高彈狀態下經過機械辦法軸向拉伸型坯、用緊縮空氣徑向吹脹 ( 拉伸 ) 型坯以成型包裝容器的辦法。拉伸吹塑有一步法、二步法。

      2.3 吹塑成型常見的制品缺陷及其改良這里給出擠出吹塑成型、注射吹塑成型、拉伸吹塑成型常見的問題、產生的緣由及處理方法。

      (1) 擠出吹塑擠出吹塑是擠出成型最主要的成型辦法。有連續擠出和不連續擠出兩種辦法。

      (2) 注射吹塑注射吹塑是先用注射法制成有底型坯,再將它吹移至吹塑模具中成型中空制品。注射吹塑可對制品停止準確的控制,能消費無刮痕、精度高、外表潤滑的制品,無需二次加工;其中制品的件重可控制在± 0 . 1g ,螺紋的精度可為± 100 μ m 。

      (3) 拉伸吹塑

      3 結語 吹塑成型技術是隨著塑料工業、機械制造等多種技術的進步而不時開展的,在吹塑產品的設計、消費過程中,不時融人現代設計思想、設計工具,姚升塑料的工程技術人員應充沛應用先進的設計理念,分離人工經歷,使制品設計、制造各個環節的效率進步,從而進步吹塑制品的質量及市場競爭才能。
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