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滾塑成型工藝與滾塑設(shè)備的研究進(jìn)展
1 滾塑成型工藝及其優(yōu)勢
滾塑是中空塑料制品成型的一種工藝方法，又稱旋轉(zhuǎn)成型、旋轉(zhuǎn)模塑或回轉(zhuǎn)成型。滾塑過程是將塑料粉末加入模具中，然后加熱模具并使之沿相互垂直的兩根軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)，模具內(nèi)樹脂在重力和熱量的作用下逐漸均勻地涂布、熔融黏附于模具內(nèi)表面上，從而形成所需要的形狀，然后冷卻模具，脫模得到制品。
滾塑成型起源于20世紀(jì)40年代的英國，50年代在歐洲得到很大發(fā)展，之后傳人美國、日本等地，隨著聚乙烯粉末化技術(shù)的成熟，日益成為粉末塑料成型工藝中極有競爭力的成型方法。近年來，滾塑工業(yè)以10～15％的年增長率持續(xù)發(fā)展，成為小批量生產(chǎn)中、大型或超大型全封閉與半封閉的空心無縫容器最好的成型加工方法。目前，全球旋轉(zhuǎn)模塑用樹脂消耗量已占到樹脂總產(chǎn)量的8％～9％。
滾塑成型工藝與傳統(tǒng)的中空塑料制品成型方法(如注塑、吹塑、熱成型等)相比，其最顯著的特點(diǎn)就是樹脂加熱、成型和冷卻過程都在無壓的模具內(nèi)進(jìn)行。這樣的特點(diǎn)使之表現(xiàn)出一系列的優(yōu)點(diǎn)。
模具簡單、成本低廉，適合成型大型塑料制品。
適合多品種、小批量塑料制品的生產(chǎn)。
適合成型形狀復(fù)雜的制品以及復(fù)合制品。
節(jié)約原材料。
制品壁厚均勻、無接縫。
制品無殘余力，不易發(fā)生變形。
換色容易，當(dāng)要改變制品顏色時(shí)，只需清洗成型模具即可。
2 滾塑成型機(jī)
2．1 幾種典型的滾塑機(jī)
搖擺式滾塑機(jī)：具有能經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)體積大、形狀簡單制品的優(yōu)點(diǎn)，不利因素在于系統(tǒng)自動(dòng)化程度不高，造成效率低下和操作繁重。
穿梭式滾塑機(jī)：擁有兩個(gè)梭機(jī)，能經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)大型儲存罐、容器及小型制品。操作簡單，維護(hù)費(fèi)用低，屬于入門級滾塑設(shè)備。
蛤殼式滾塑機(jī)：初始費(fèi)用低，占地面積小，手工勞動(dòng)少和制品質(zhì)量好。該機(jī)滾塑過程中雙軸旋轉(zhuǎn)由主、副軸變速齒輪電機(jī)提供。轉(zhuǎn)臂可直也可曲，能處理小型或大型模具。
垂直式滾塑機(jī)：三臂式和六臂式，其轉(zhuǎn)臂操作起來在同一個(gè)平面內(nèi)，有分開的加熱、冷卻或裝／卸工位，最大的模具擺幅通常限于 900～1200mm，使制品的大小受到局限。主要用于制作玩具娃娃部件、玩具、球類和汽車部件等。
固定轉(zhuǎn)臂式滾塑機(jī)：該設(shè)備可以從小型的 1000mm擺幅到大型的3800mm擺幅，有加熱、冷卻或裝／卸三個(gè)工位，設(shè)備效率高、容易維護(hù)，在滾塑領(lǐng)域中占統(tǒng)治地位。通常加熱是整個(gè)周期的關(guān)鍵因素，因此它成了設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的控制因素。
獨(dú)立轉(zhuǎn)臂式滾塑機(jī)：是滾塑工業(yè)常用設(shè)備類型，具有空氣循環(huán)加熱室和空氣／水冷卻室，提供五個(gè)工位，包含一臺自動(dòng)車架來控制每臺轉(zhuǎn)臂繞中心臺轉(zhuǎn)動(dòng)，而每臺轉(zhuǎn)臂和車架之間是獨(dú)立的，提供更自動(dòng)化和更完善的加工手段，充分體現(xiàn)了獨(dú)立轉(zhuǎn)臂滾塑機(jī)的靈活性。
蚌式滾塑機(jī)：該機(jī)為加拿大FSP公司的獨(dú)家產(chǎn)品。該機(jī)的熱箱也可作冷箱，結(jié)構(gòu)分上下兩部分，上部可開啟和關(guān)閉，形狀及開啟方式如蚌。模具回轉(zhuǎn)直徑從1．2～3．6m。
2．2 國內(nèi)外旋轉(zhuǎn)模塑設(shè)備的發(fā)展?fàn)顩r
從滾塑的加熱方式來看，目前較常用的為直火加熱式和熱箱加熱式。生產(chǎn)大型制品一般采用直火加熱式，而生產(chǎn)小型的制品國外先進(jìn)的旋轉(zhuǎn)模塑廠家較多采用熱室加熱三臂四工位和四臂五工位雙軸旋轉(zhuǎn)獨(dú)立轉(zhuǎn)臂設(shè)備。
發(fā)達(dá)國家除了對滾塑設(shè)備構(gòu)型不斷改進(jìn)外，還大力提高設(shè)備的自動(dòng)化控制水平。如英國開發(fā)的Rotalog旋轉(zhuǎn)模塑控制系統(tǒng)包括測溫和控制顯示兩大部分。測溫部分密封安裝在模具架上的一絕緣盒內(nèi)，通過無線電信號把熱電偶測的模具內(nèi)溫度實(shí)時(shí)發(fā)送到加熱室外的監(jiān)控計(jì)算機(jī)上，計(jì)算機(jī)顯示模具內(nèi)溫度／時(shí)間圖。該圖與加熱室溫度／時(shí)間圖對比，可直觀的顯示滾塑設(shè)備中模具及其中物料受熱、傳熱情況。操作者可以利用Rotalog控制系統(tǒng)減少和優(yōu)化加熱，冷卻周期，改進(jìn)和保證制品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，還能準(zhǔn)確評估模具和新材料。
國外滾塑廠一般擁有多臺不同的滾塑設(shè)備。如美國spincast公司有7臺滾塑機(jī)，模具最大回轉(zhuǎn)直徑4m，Dimond公司有9臺滾塑機(jī)，模具最大回轉(zhuǎn)直徑為4．3m，Amerikart公司有10臺滾塑機(jī)，模具最大回轉(zhuǎn)直徑為3．3m。
我國的滾塑設(shè)備制造和輔助技術(shù)與國外的先進(jìn)水平相比還比較落后，目前還沒有專業(yè)性較強(qiáng)的滾塑設(shè)備制造廠。就國內(nèi)的滾塑設(shè)備使用情況，有以下幾個(gè)特點(diǎn)。
(1)所使用的滾塑機(jī)以直火加熱為主，還有少量的熱室加熱三臂四位獨(dú)立轉(zhuǎn)臂滾塑機(jī)，其他的滾機(jī)很少。
(2)熱箱加熱獨(dú)立轉(zhuǎn)臂設(shè)備幾乎全是國外進(jìn)口，主要是美國、意大利、德國和日本產(chǎn)品，幾乎沒國產(chǎn)品。而進(jìn)口直火加熱搖擺機(jī)很少，所使用的直火加熱搖擺機(jī)絕大多數(shù)是國內(nèi)廠家的仿制品。
(3)國內(nèi)滾塑廠滾塑設(shè)備數(shù)量很少，滾塑廠規(guī)模較小。
3 滾塑成型模具
3．1 概述
模具是滾塑成型中不可缺少的重要裝備。
滾塑模具簡單，為無壓成型模具，因此壁薄，輕質(zhì)。滾塑模具由上下兩半模組成，并用夾板固定。為了排出模腔內(nèi)形成的氣體，防止制品變形，模具上開設(shè)排氣孔。
在滾塑工藝工業(yè)中，模具的制作有三種常用方法：鋼板焊接、鋁合金鑄造和電鍍成型。滾塑成型對模具材質(zhì)強(qiáng)度要求不高，但必須具有良好的熱傳導(dǎo)性，并能抵擋頻繁加熱與冷卻過程中的應(yīng)力交替。顯然低碳鋼、鋁、不銹鋼等都是理想的制模材料。選擇模具制作方法時(shí)通常要考慮以下三個(gè)方面：構(gòu)造的復(fù)雜程度，模具的數(shù)量和制品表面質(zhì)量要求。而在這三個(gè)要求中，制品的形狀和尺寸占主導(dǎo)地位。我們可根據(jù)不同的情況選用不同的制作方法。同時(shí)，在制造模具時(shí)，成本是另外的一個(gè)重要因素。模具制作成本包括了制模材料、模具厚度、分型面的位置、模具數(shù)量和表面處理情況等等。合理設(shè)計(jì)滾塑模具結(jié)構(gòu)和正確選用模具材料是獲取表面光潔無氣泡、壁厚均勻無應(yīng)力的優(yōu)質(zhì)制品的首要保證。
模具殼體的壁厚設(shè)計(jì)按常壓容器的設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行，即從剛度計(jì)算出發(fā)，結(jié)合制品厚度、加熱方式及制模方法等綜合考慮。一般較大型的模具采用鋼板，其厚度為2?4mm，模具內(nèi)壁要拋光。另外模具厚度取決于旋轉(zhuǎn)方向和加熱方式，用于熱液體傳導(dǎo)加熱的模具，壁較厚些，一般為7．9～12．7mm，以保證傳熱均勻，不發(fā)生熱點(diǎn)；而熱風(fēng)循環(huán)加熱的模具，壁較薄些，一般為5～7mm。
3．2 鑄鋁模具
用傳統(tǒng)的砂型鑄造生產(chǎn)的鑄件精度低、制模周期長，鑄件表面質(zhì)量更無法達(dá)到滾塑模的要求，鑄后還需人工打磨拋光。因此，生產(chǎn)滾塑用鑄鋁模就必須采用精密鑄造方法，同時(shí)引入快速制模技術(shù)，縮短模具的制造周期。只有這樣，滾塑成型投資少、見效快的優(yōu)勢才能得以充分顯示?，F(xiàn)代精密鑄造的工藝方法多種多樣，對于像滾塑模具這樣尺寸較大且形狀復(fù)雜的單件鑄件采用石膏型或陶瓷型鑄造是非常經(jīng)濟(jì)的。如再配合采用熱模差壓澆注法，使鑄鋁合金的流動(dòng)性大大提高，進(jìn)一步減小了滾塑模體的壁厚，對加快滾塑成型中的熱量傳導(dǎo)、縮短成型周期是十分有利的。
3．3 快速制模技術(shù)
快速制模技術(shù)即運(yùn)用快速造型技術(shù)RPM (Rapid Prototyping Moulding)制得的原型直接或間接地加工各種金屬模具的方法，是集CAD／CAM、化工、材料和精密機(jī)械等最新成就于一身的高新技術(shù)。目前發(fā)展比較成熟的快速造型方法有激光造型法SLA、薄板層積法LOM、熔絲沉積法FDM和選擇性激光燒結(jié)法SLS等。在滾塑模制造中，用經(jīng)過表面覆膜處理的LOM原型代替木模直接制造石膏型、陶瓷型(大件)或由原型經(jīng)硅橡膠模過渡轉(zhuǎn)換得到石膏型、陶瓷型(小件)，再用石膏型、陶瓷型澆注出金屬模具的方法，實(shí)現(xiàn)鑄鋁模的精密鑄造將是十分有利的。
4 滾塑成型制品質(zhì)量控制
4．1 常見質(zhì)量問題
簡單而實(shí)用是滾塑成型的一大優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也給該技術(shù)帶來了一些先天不足的缺陷。比如，制品內(nèi)部易產(chǎn)生氣泡，而表面則易出現(xiàn)空洞；制品易出現(xiàn)彎曲、收縮、變色等。這些現(xiàn)象不但影響了制品的外觀形象，而且更重要的是嚴(yán)重?fù)p害了制品的力學(xué)性能。因此，研究氣泡的形成與消失，彎曲、收縮現(xiàn)象的形成與消失以及制品的沖擊強(qiáng)度對提高成型制品的質(zhì)量具有十分重要的意義。
4．2 氣泡與孔眼
氣泡的形成是因?yàn)楫?dāng)粉末粒子熔化并粘結(jié)在一起的時(shí)候，其間夾帶了空氣。在工業(yè)生產(chǎn)中，常采用提高加熱溫度的方法來減少或消除制品中的氣泡。因?yàn)楫?dāng)提高加熱溫度、延長或消除制品中的氣泡時(shí)，物料粘度減小，氣泡擴(kuò)散容易。同時(shí)因?yàn)橛懈嗟臅r(shí)間使氣泡擴(kuò)散更徹底。這種方法對消除制品中的氣泡雖然有效，但是也有副作用。比如增加熔融溫度將導(dǎo)致成型周期延長，降低生產(chǎn)效率；高溫下物料被氧化，致使制品的力學(xué)性能降低，特別是沖擊強(qiáng)度尤為明顯。
4．3 沖擊強(qiáng)度
影響制品沖擊強(qiáng)度的因素較多，比如加熱溫度、加熱時(shí)間、冷卻速度、粒子尺寸、模具材料等，其中加熱溫度和加熱時(shí)間是影響沖擊強(qiáng)度的主要因素。溫度過低，材料熔融不夠，導(dǎo)致制品沖擊強(qiáng)度降低；溫度過高則會引起塑料產(chǎn)生降解，同樣降低了制品的沖擊強(qiáng)度。熔體流動(dòng)數(shù)率MFI與其沖擊強(qiáng)度有直接的關(guān)聯(lián)， MFI隨著沖擊強(qiáng)度的下降而下降。因而MFI可以作為制品沖擊強(qiáng)度的指征。
4．4 收縮與變形
收縮、變形也是塑料滾塑成型制品的另一大缺陷。收縮、變形一般是由冷卻時(shí)形成的殘余應(yīng)力引起的，試驗(yàn)證明通過不同的冷卻方式交替進(jìn)行冷卻可以減少制品的殘余應(yīng)力，或者在冷卻期間向模具內(nèi)充人壓縮空氣，即通過壓縮空氣使已固化塑料緊緊貼在模具的內(nèi)壁，阻止它脫離模壁或變形，一直到塑料完全冷卻為止，這樣便起到了冷卻定型的作用。并且由于此法對于已固化塑料的內(nèi)表面同時(shí)冷卻，改變了冷卻機(jī)理，從而減小了殘余應(yīng)力，抑制了制品的收縮和變形。試驗(yàn)證明，大部分塑料冷卻時(shí)通入0．11MPa的壓縮空氣即基本上消除收縮、變形現(xiàn)象。
5 滾塑成型研究進(jìn)展
從國內(nèi)外情況看，滾塑成型技術(shù)已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步。研究工作者們?yōu)橥晟茲L塑成型工藝和提高制品質(zhì)量，近年來在加工過程的實(shí)驗(yàn)研究及模擬仿真、滾塑成型專用樹脂、加工設(shè)備和模具的優(yōu)化設(shè)計(jì)、工藝條件的精確控制等方面開展了大量研究。這些研究大多數(shù)是圍繞解決滾塑成型的兩個(gè)關(guān)鍵問題：1)滾塑成型對專用料要求苛刻；2)滾塑成型加工時(shí)間長、耗能高。
滾塑成型中，人們希望聚合物能象石膏漿那樣具有良好的塑化涂模性能。在現(xiàn)行加熱方式下，通過模具傳導(dǎo)給熱不足以使聚合物材料達(dá)到良好的塑化流動(dòng)涂布效果，而只能依靠粉料自身在重力作用下的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)沿模腔內(nèi)壁均勻涂布，并一層層熔融成型。由于旋轉(zhuǎn)速度慢，這里離心力作用基本可以忽略(和金屬離心澆鑄存在較大差別)。粉料在模腔內(nèi)運(yùn)動(dòng)受熱熔融并涂布在模腔內(nèi)壁的過程十分復(fù)雜并且直接影響到制品的質(zhì)量。下面一些研究動(dòng)向值得關(guān)注。
①國外學(xué)者比較深人地研究了滾塑成型中粉體流動(dòng)規(guī)律及其對成型效果的影響。研究結(jié)果表明，粉料在模腔內(nèi)的運(yùn)動(dòng)可歸結(jié)為三種類型：穩(wěn)態(tài)環(huán)流、雪崩流和滑動(dòng)流。滾塑成型中最好的是穩(wěn)態(tài)環(huán)流，其次是雪崩流，而滑動(dòng)流則難以得到合格制品。決定這些粉體流動(dòng)形式的因素主要是粉料與模腔內(nèi)壁間的摩擦系數(shù)和粒子本身由團(tuán)聚力和幾何形狀等決定的流動(dòng)性能。因此，滾塑成型專用料除了要求耐熱時(shí)間長以外，還對粉末粒子的形狀和摩擦系數(shù)有嚴(yán)格要求。
②在滾塑成型中，本質(zhì)上都是通過外部熱源把模具加熱到塑料熔融溫度以上，然后由熱模具再將熱量傳導(dǎo)給內(nèi)部的粉料。由于塑料導(dǎo)熱性差，要使全部物料充分熔融塑化需要很長時(shí)間，而且也無法使用擠出和注射成型加工中常用的粒料。滾塑成型中聚合物熔融凝結(jié)，是影響加工時(shí)間和制品質(zhì)量的重要因素。
③為了進(jìn)行工藝和設(shè)備優(yōu)化以及提高制品質(zhì)量，人們還利用滾塑加工過程的模型化和計(jì)算機(jī)仿真模擬等方面的研究，深入了解滾塑成型主要工藝參數(shù)對成型周期的影響。
