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中空吹塑塑料模具和塑料工藝解說
中空吹塑 ( 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形成中空制品的方法，是第三種最常用的塑料加工方法，同時也是發(fā)展較快的一種塑料成型方法。吹塑用的模具只有陰模 ( 凹模 ) ，與注塑成型相比，設備造價較低，適應性較強，可成型性能好 ( 如低應力 ) 、可成型具有復雜起伏曲線 ( 形狀 ) 的制品。吹塑成型起源于 19 世紀 30 年代。直到 1979 年以后，吹塑成型才進入廣泛應用的階段。這一階段，吹塑級的塑料包括：聚烯烴、工程塑料與彈性體；吹塑制品的應用涉及到汽車、辦公設備、家用電器、醫(yī)療等方面；每小時可生產(chǎn) 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發(fā)展； 吹塑設備已采用微機、固態(tài)電子的閉環(huán)控制系統(tǒng)，計算機 CAE/CAM 技術也日益成熟；且吹塑機械更專業(yè)化、更具特色。，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形成中空制品的方法，是第三種最常用的塑料加工方法，同時也是發(fā)展較快的一種塑料成型方法。吹塑用的模具只有陰模 ( 凹模 ) ，與注塑成型相比，設備造價較低，適應性較強，可成型性能好 ( 如低應力 ) 、可成型具有復雜起伏曲線 ( 形狀 ) 的制品。
吹塑成型起源于 19 世紀 30 年代。直到 1979 年以后，吹塑成型才進入廣泛應用的階段。這一階段，吹塑級的塑膠原料包括：聚烯烴、工程塑料與彈性體；吹塑制品的應用涉及到汽車、辦公設備、家用電器、醫(yī)療等方面；每小時可生產(chǎn) 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發(fā)展；吹塑設備已采用微機、固態(tài)電子的閉環(huán)控制系統(tǒng)，計算機 CAE/CAM 技術也日益成熟；且吹塑機械更專業(yè)化、更具特色。
1 吹塑成型方法
1.1 成型方法
不同吹塑方法，由于原料、加工要求、產(chǎn)量及其成本的差異，在加工不同產(chǎn)品中具有不同的優(yōu)勢。詳細的吹塑成型過程可參考文獻。這里從宏觀角度介紹吹塑的特點。
中空制品的吹塑包括三個主要方法：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方法，可加工雙軸取向的制品，極大地降低生產(chǎn)成本和改進制品性能。
此外，還有多層吹塑、壓制吹塑、蘸涂吹塑、發(fā)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；在所有的吹塑產(chǎn)品中，75 ％屬于雙向拉伸產(chǎn)品。擠出吹塑的優(yōu)點是生產(chǎn)效率高，設備成本低，模具和機械的選擇范圍廣，缺點是廢品率較高，廢料的回收、利用差，制品的厚度控制、原料的分散性受限制，成型后必須進行修邊操作。注射吹塑的優(yōu)點是加工過程中沒有廢料產(chǎn)生，能很好地控制制品的壁厚和物料的分散，細頸產(chǎn)品成型精度高，產(chǎn)品表面光潔，能經(jīng)濟地進行小批量生產(chǎn)。缺點是成型設備成本高，而且在一定程度上僅適合于小的吹塑制品。 中空吹塑的工藝條件，要求吹脹模具中型坯的壓縮空氣必須干凈。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(jīng)常需要高達 4MPa 。在塑料凝固中，低壓使制品產(chǎn)生的內應力低，應力分散較均勻，且低應力可改進制品的拉伸、沖擊、彎曲等性能。
1.2 制品種類
吹塑制品有容器、工業(yè)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(yè)制件的吹塑制品越來越多，應用范圍也日益廣泛。目前，容器約占 80 ％的市場份額，每年增長 4 ％左右；而工業(yè)及結構用制品占總量的 20 ％，每年增長速度為 12 ％。容器消耗量的增長在于可旋扭塑料容器的應用范圍不斷擴大，工業(yè)用制品的消耗量增長主要是由新型加工技術的改進所致，如多層型坯擠出、雙軸擠出、非軸對稱吹塑等。
1.3 吹塑成型進展
(1) 原材料聚合物在成型過程中，首先通過口模時受高剪切力作用，然后物料呈現(xiàn)擠出膨脹及垂縮現(xiàn)象，在形成下垂的型坯時，其膨脹率接近為零。接著型坯被吹脹緊貼在模具上，這時呈現(xiàn)低的膨脹率。過度的口模膨脹會產(chǎn)生廢品。過度的垂縮導致制件的頂端到底部壁厚厚度不均勻，嚴重的甚至不能成型。因此，在選擇適合吹塑的聚合物時，必須弄清其剪切及膨脹的粘彈特性。
HDPE 由于熱穩(wěn)定性好，又有多種改性產(chǎn)品，因而成為吹塑成型中應用最廣泛的塑料。通過共聚和共混作用，對吹塑成型用原材料的研究在連續(xù)擠出吹塑級樹脂方面也取得了一些進展，如 PA6 、 PP 和 PET 。間歇式型坯吹塑成型，理論上適用于結構板材和大型制件的二次加工，要求使用工程塑料，如阻燃型 ABS 、增強 PVC 、改性 PPO 和 PC 等，而這類擠出型塑料的耐高溫性能一般較差，僅有少數(shù)樹脂可在常規(guī)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，需將防氧滲透和防水氣滲透的樹脂如 ( 乙烯 / 乙酸乙烯醇 ) 共聚物 (EVOH) 和 HDPE 與 PET 形成復合層，并產(chǎn)生錨聯(lián)層，以改善 PEN/PET 料的滲透性和熱穩(wěn)定性。目前正研究將 HDPE 與 PA6 采用多層吹塑成型，生產(chǎn)燃油油箱。
(2) 設備與工藝技術進展 吹塑機械設備已有很大的改進。
較新的成果有： ①采用改進型紅外加熱技術進行再吹塑成型； ②非常高速的旋轉擠塑壓力，主要應用在牛奶瓶的生產(chǎn)上； ③模具附設在梭式壓機上以補償噴流現(xiàn)象； ④多層連續(xù)擠出吹塑成型防滲透性容器； ⑤通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格控制，進行連續(xù)性熱定形 PET 瓶的生產(chǎn)。
由于市場對復雜、曲折的輸送管材制件的需求，推動了偏軸擠出吹塑技術的開發(fā)，這種技術籠統(tǒng)稱為 3D 或 3 維吹塑成型。 理論上，該工序十分簡單，型坯擠出后，被局部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。難點在于要求具有非常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滲透性容器，其改進工藝是增設一個閥門系統(tǒng)，在連續(xù)擠出過程中可更換塑料原料，因而可交替生產(chǎn)出硬質和軟質制品。生產(chǎn)大型制件如燃油箱或汽車外結構板材時，在冷卻過程中需降低模腔內壓力以調整加工循環(huán)周期。解決方法是先將熔料儲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，從而確保消除垂縮和擠出膨脹現(xiàn)象。 儲料缸式機頭改進，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，在生產(chǎn)中可快速裝拆以方便清理塑料，同時，對塑料的流變特性分析及計算機流道分析可設計流線型流道，以便于熱敏性塑料的成型。
(3) 控制程序及吹塑模擬型坯的程序控制已有數(shù)十年的經(jīng)驗。 主要問題是型坯可拉坯變薄的最薄程度 ( 如瓶頸部位 ) ，增厚的型坯拉坯的最大程度 ( 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使用塑料的粘彈性特性上。對試管狀的預成型坯壁厚的預測，也就是設計具有防滲透作用的型坯最佳壁厚厚度的選擇依據(jù)。這是由預成型坯的結晶程度，所使用塑料與溫度相關的應力一應變彈性特性，以及由注塑加工形成的凍結應力程度和分布等情況來決定的。
1980 年， GE 公司就為熱成型和吹塑成型開發(fā)了： PITA 程序設計。 型坯吹塑成型的控制軟件必須綜合考慮如下因素：不均勻的型坯壁厚；型坯截坯口和環(huán)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；以及結構件吹塑成型中對型坯邊緣的裁切定位等。
目前，商業(yè)化的吹塑成型模擬軟件主要有原美國的 ACTech 公司的 C — PITA 、比利時的 POLYFLOw 等。數(shù)值模擬的難度在于：大應變、非線性材料行為、接觸問題以及膨脹過程中一些物理非穩(wěn)定性，而這些復雜性將導致產(chǎn)生一系列需要迭代求解的非線性方程。其中，材料、吹塑成型機理的研究一直是研究的難點、熱點，如拉伸吹塑被廣泛應用，但對該過程的模擬所需要的應力誘導結晶的數(shù)學描述，到目前為止尚無合適的方法。而擠出吹塑的型坯，是聚合物熔體流經(jīng)環(huán)形模頭時形成的，環(huán)形管道的幾何形狀和材料的粘彈性質將直接影響型胚膨脹，現(xiàn)有的粘彈性知識還無法描述這個過程。 與相對成熟的注塑 CAE 技術相比，吹塑成型軟件目前正處于發(fā)展的初期階段。
1.4 吹塑成型的發(fā)展趨勢
吹塑將隨著市場對其制品的需求，在材料、機械、輔助設備、控制系統(tǒng)、軟件等方面有如下發(fā)展趨勢。
(1) 原材料為滿足吹塑制品的功能、性能 ( 醫(yī)藥、食品包裝 ) 要求，吹塑級的原料將更加豐富，加工性能更好。如 PEN 類材料，不僅強度高、耐熱性好、氣體阻隔性強、透明、耐紫外線照射，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(yōu)良，且耐化學藥品。
(2) 制品包裝容器、工業(yè)制品將有較大增長，而且注射吹塑、多層吹塑會有快速的發(fā)展。
(3) 吹塑機械及設備吹塑機械的精密高效化；輔助生產(chǎn) ( 操作 ) 設備的自動化。“精密高效”不僅指機械設備在生產(chǎn)成型過程中具有較高的速度和較高的壓力，而且要求所生產(chǎn)的產(chǎn)品在外觀尺寸波動和件重波動方面均能達到較高的穩(wěn)定性，也就是說生產(chǎn)制品各個部位的尺寸和外形幾何形狀精度高，變形及收縮小，制品的外觀及內在質量和生產(chǎn)效率等指標均要達到較高的水準。輔助操作包括去飛邊、切割、稱重、鉆孔、檢漏等，其過程自動化是發(fā)展的趨勢之一。
(4) 吹塑成型模擬吹塑機理的研究更加深入，吹塑模擬的數(shù)學模型的合理構建，數(shù)值算法的快速、準確是模擬的關鍵，吹塑成型模擬將會在制品質量預測、控制中發(fā)揮越來越重要的作用。
2 影響吹塑制品質量的因素及常見缺陷的排除
2.1 吹塑成型的影響因素 下面從吹塑成型過程分析各個階段的成型參數(shù)。
吹塑成型過程可分為四個階段：
(1) 型坯形成階段聚合物在擠出機中的輸送、熔融、混煉、泵出成型為型坯的形成階段；在這一階段，影響壁厚分布的主要工藝參數(shù)有： ①材料的分子量分布、平均分子量； ②吹塑機的溫度控制系統(tǒng)和螺桿轉速，其中溫度控制系統(tǒng)包括料斗溫度，料筒 1 區(qū)、 2 區(qū)、 3 區(qū)、 4 區(qū)溫度，法蘭溫度，以及儲料模頭 1 區(qū)、 2 區(qū)、 3 區(qū)、 4 區(qū)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，型坯離模膨脹和型坯垂伸這兩種現(xiàn)象影響型坯成型。影響壁厚分布的主要工藝參數(shù)是吹塑機的模頭直徑和壁厚控制系統(tǒng)，其中控制系統(tǒng)包括軸向壁厚控制系統(tǒng)和周向壁厚控制系統(tǒng)，以調整模唇與模芯的間隙。
(3) 型坯預吹階段為避免型坯內表面的接觸、粘附，改善制品壁厚的均勻性，要對型坯進行預吹脹。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，影響壁厚分布的主要工藝參數(shù)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，實現(xiàn)產(chǎn)品塑性成型階段。該階段，影響產(chǎn)品成型的是型坯受高壓吹脹變形、型坯與模腔接觸變形。而影響壁厚分布的主要工藝參數(shù)有：材料的收縮率；吹氣壓力、時間；模具材料、結構、模具排氣系統(tǒng)以及模具冷卻系統(tǒng)，如冷卻水道分布、冷卻水進水溫度等。盡管影響吹塑制品質量的因素較多，但當生產(chǎn)條件、制品要求確定后，調整吹塑工藝參數(shù)能有效改善制品質量。優(yōu)化的工藝參數(shù)可以提高生產(chǎn)效率，降低原材料消耗，優(yōu)化產(chǎn)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(chǎn)品最小壁厚要求的基礎上，產(chǎn)品壁厚盡可能均勻，產(chǎn)品件重盡可能小 ( 減少材料消耗 ) 。工藝參數(shù)設定的合理方法是，將經(jīng)驗與數(shù)值分析技術結合。基本過程為：
①利用已建立的計算機模型，模擬吹塑模具、下料型坯、夾料板等狀態(tài)；
②輸入各階段對型坯壁厚分布影響的參數(shù)；
③對得到的模擬結果進行分析，通過計算機模擬顯示哪些部位壁厚達不到要求，而哪些部位壁厚超厚；
④利用人工經(jīng)驗，調整輸入的參數(shù)，重復①～③的過程，保證產(chǎn)品各部位在達到最小壁厚的前提下，盡可能減小產(chǎn)品各部位壁厚。
⑤對多個工藝方案的結果分析、比較，最終確定優(yōu)化的工藝參數(shù)。拉伸吹塑又稱雙軸取向吹塑，是在聚合物的高彈狀態(tài)下通過機械方法軸向拉伸型坯、用壓縮空氣徑向吹脹 ( 拉伸 ) 型坯以成型包裝容器的方法。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進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(chǎn)生的原因及解決辦法。
(1) 擠出吹塑擠出吹塑是擠出成型最主要的成型方法。有連續(xù)擠出和不連續(xù)擠出兩種方法。
(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。注射吹塑可對制品進行精確的控制，能生產(chǎn)無刮痕、精度高、表面光滑的制品，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(yè)、機械制造等多種技術的進步而不斷發(fā)展的，在吹塑產(chǎn)品的設計、生產(chǎn)過程中，不斷融人現(xiàn)代設計思想、設計工具，工程技術人員應充分利用先進的設計理念，結合人工經(jīng)驗，使制品設計、制造各個環(huán)節(jié)的效率提高，從而提高吹塑制品的質量及市場競爭能力。
