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蒸汽加熱模具變溫技術作為一種高光澤表面加工的高效率低能耗生產技術,近年來得到越來越廣泛的應用。本文在介紹蒸汽加熱原理與實現的同時,並對蒸汽加熱與過熱水加熱技術進行了分析比較。
Steam heating mold can achieve grossing product surface with low energy consumption. Its high efficiency has earned a wide scope of applications. This article introduces the theory of steam heating mold and analyzes the pros and cons of using steam and hot water for heating.

在採用傳統恆溫模注塑成型外觀零件時,往往存在可見熔接痕、流痕、玻纖外露、皮紋復制不完全造成的外觀表面光澤不一致等缺陷。為解決這些問題,模具變溫技術的出現提供了一種解決方案。在模具變溫技術中,由於採用飽和蒸汽作為加熱介質而冷卻水作為冷卻介質這種工藝方式易於實施,且能實現低能耗和高效率生產,蒸汽加熱模具變溫技術越來越廣泛地作為一種基礎節能環保技術進行應用。

基本原理

模具變溫技術的工藝過程基本包括以下幾個步驟:1)在向模具型腔內射膠之前,向成型外觀表面的模具型腔或芯腔部分中的加熱/冷卻通道中通入飽和蒸汽,將模具該部分的表面加熱到熱塑性樹脂的軟化點溫度之上0-50℃;2)射膠和/或保壓;3)在射膠完畢或保壓完畢後,向該模具部分的加熱/冷卻通道中通入冷卻水,使模具的溫度降低到一個可脫模溫度,其中還可包括用壓縮空氣將冷卻水吹出的輔助工序;4)開模取件;5)再次通入飽和蒸汽加熱該模具部分,如此循環往復,實現自動生產。

在應用模具變溫技術時,模具變溫部分中的加熱/冷卻通道設置與傳統注塑成型的水道設置有兩個主要區別:加熱/冷卻通道與型腔或芯腔表面距離短,常見在3-10 mm範圍;各加熱/冷卻通道與型腔或芯腔表面的距離盡可能一致。這兩點明顯區別是為了實現型腔或芯腔表面快速升溫和快速降溫,即模具非對稱加熱和冷卻,減少能耗和縮短成型週期。

為什麼採用飽和蒸汽作為加熱介質,而不用過熱水?

在模具變溫技術開始出現時也有採用過熱水作為加熱介質用於製造小製品,其主要原因是,高溫過熱水可以採用已有的過熱水模溫機在現場獲得。但隨著模具變溫技術的應用拓展和集成式蒸汽加熱模具變溫系統的開發成功,相對於高溫過熱水,採用飽和蒸汽作為加熱介質的技術特點和優勢越來越明顯。

首先,從相同溫度下的飽和水蒸汽和過熱水的熱焓來比較,假設兩種介質的溫度均為180℃,1 kg蒸汽的熱焓值為2777kJ,而1 kg過熱水的熱焓值則為762kJ,即1 kg蒸汽至相同溫度的過熱水的相變就可釋放出2015kJ熱量來加熱模具。而這部分熱量如果由高溫過熱水降溫5℃來提供,就需要近100 kg的高溫過熱水通過並實現完全換熱;而事實上很難達到完全熱交換,即需要通過更多的高溫過熱水才能實現。在採用飽和蒸汽加熱模具時,可直接通過向模具的加熱/冷卻通道中補充飽和蒸汽維持蒸汽壓力來補充加熱模具所需的熱量,即利用相變熱加熱;而採用高溫過熱水加熱模具時,熱量傳遞後必然造成過熱水溫度降低,因此只能通過持續向模具的加熱/冷卻通道中供應相同溫度的過熱水,並使過熱水通過模具的加熱/冷卻通道才能補充加熱模具所需的熱量。採用高溫過熱水加熱模具,不僅需要較長的時間來實現加熱所需熱量的輸送,而且需要消耗額外的能量來實現高溫過熱水的輸送或循環。

第二,採用蒸汽作為加熱介質,飽和蒸汽的壓力與蒸汽的溫度有明確的對應關係,蒸汽壓力有明顯的均衡傳導特性,更重要的是蒸汽加熱的熱源是相變釋放的熱量,因此在通入蒸汽的所有加熱/冷卻通道中蒸汽的溫度能夠保持均勻一致,使需要加熱的模具部分獲得一致的溫升。採用過熱水進行加熱,雖然在加熱/冷卻通道中高溫過熱水的壓力具有傳導性,但是加熱模具需要的熱源是過熱水中的蓄熱,很難保證過熱水的溫度從進口到出口的一致性,需要加熱的模具部分無法在短時間內獲得一致的溫升。

由於飽和蒸汽和高溫過熱水的不同特性,決定了採用飽和蒸汽的加熱速率和效率大大好於採用過熱水。根據實驗數據,同等條件下,採用過熱水加熱模具的溫升速率大約在1.5℃/秒,而採用飽和蒸汽的加熱速率可達到或超過3℃/秒。

第三,與模具加熱速率相對應的是:加熱速率越大,升溫過程中向無效部位傳遞的熱量越少;冷卻時需要從模具中帶走的熱量也相應減少,使模具的降溫速率越大。根據實驗數據,同等條件下,採用高溫過熱水加熱時,模具冷卻的速率只有約1.8℃/秒;而採用飽和蒸汽加熱時,模具冷卻的速率可達到或超過2.5℃/秒;

第四,蒸汽加熱容易獲得更高的模具表面溫度和/或更快的冷卻速度,製品外觀面表面質量會更好,如更高光澤或更好的皮紋複製效果。

綜合採用飽和蒸汽加熱模具在加熱溫升過程以及隨之在冷卻過程中所帶來的優勢,蒸汽加熱模具變溫技術相對高溫過熱水加熱模具變溫技術具有明顯的經濟優勢,如加熱同樣的模具到相同的溫度,採用飽和蒸汽作為加熱介質的成型週期是採用高溫過熱水作為加熱介質的成型週期的50-70%之間,採用飽和蒸汽加熱所需的能耗也是採用過熱水的25-50%之間。

兩種主要實施形式

對於不願投資中央蒸汽鍋爐系統的用戶,採用集成式模具變溫控制系統是很好的選擇,如北京中拓的JMJR系列。這種系統包括電加熱蒸汽發生器、冷卻水管理單元、工藝控制器、以及餘熱回收單元等,與注塑機和注塑模具連接後可直接使用,可用於大至70" 甚至更大規格的LCD/LED電視面板的製造。

對於願意投資中央蒸汽鍋爐的用戶,可將中央蒸汽鍋爐的蒸汽通過保溫管網輸送到注塑機附近,然後通過模具變溫控制器,向模具按程序輸送飽和蒸汽、壓縮空氣、冷卻水,實現大規模生產。

應用領域拓展

蒸汽加熱模具變溫技術在國內最早的商業化應用是LCD、LED電視前殼和底座。應用這項技術,不需噴塗處理就獲得了表面無瑕疵的零件。目前,這一技術的應用不僅限於改善表面質量和消除噴塗處理,已擴展到新功能設計方面。如在家電、消費電子領域,已利用這項技術製造由亞光皮紋和高光裝飾相結合具有特殊裝飾效果的外殼、控制面板等;在汽車零部件方面,已作為一種輕量化技術手段製造更薄更輕的零件;在光學製品領域,採用這項技術來消除雙折射缺陷、提高透光率、或獲得微納表面。

蒸汽加熱模具變溫技術在一些特殊加工領域的應用也在開發之中,如在注塑成型電鍍件基體時通過採用蒸汽加熱模具變溫技術提高熔接部位強度和減少應力梯度來提高電鍍成品率;在發泡注塑成型和EPP/EPE模壓成型時在成型模具上應用這項技術,可消除發泡痕或珠粒之間的熔接線。

總之,作為輕量化和環保技術,蒸汽加熱模具變溫技術將逐步成為一項注塑成型加工的基礎技術手段。
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