專利名稱：一種無螺桿超聲波熔融塑化聚合物微量注射成型裝置及成型方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無螺桿超聲波熔融塑化聚合物微量注射成型裝置及方法，屬于微注射成型領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展以及微小元器件的大規(guī)模應(yīng)用，微注射成型技術(shù)在近年來被越來越多的關(guān)注。微量聚合物注射成型的注射量小(一般僅為幾毫克)，成型過程中流道淺、型腔小，微量熔體在充填過程中冷卻快，流動(dòng)阻力大，充填困難，易出現(xiàn)充填不足等缺陷。人們采用提高模具溫度、注射速度和注射壓力等調(diào)節(jié)生產(chǎn)工藝的手段，試圖改善這些缺陷，然而這些方法同時(shí)也帶來成型周期加長、設(shè)備成本高、能耗大、產(chǎn)品質(zhì)量不良等問題，大大降低了產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)性。國內(nèi)外部分專利采取了在常規(guī)注塑機(jī)上輔助超聲振動(dòng)的方式，將超聲波引入注射過程，比如將超聲波加在模具[1 7]、流道[8 1(1]、塑化腔[11]等處，這些方式雖然同樣達(dá)到了降低粘度的效果，但由于其采用螺桿熔融塑化，存在小螺桿的制造困難、螺桿過小導(dǎo)致難以塑化聚合物顆粒、主流道廢料嚴(yán)重等問題，不適于微量聚合物的熔融塑化，不利于微制件成型和成本的降低。申請(qǐng)人對(duì)聚合物超聲塑化過程進(jìn)行了研究，并申請(qǐng)了超聲塑化流變裝置，但是該裝置僅具有超聲塑化大量聚合物的功能，并無利用超聲塑化微量聚合物并注射成型的功能，與本專利所涉及裝置的功能和方法不同。Jos6 Fernando BAS FERRER0等[13]申請(qǐng)了超聲振動(dòng)成型裝置，但是結(jié)構(gòu)太過復(fù)雜，不利于裝置成本的降低和整機(jī)集成。本專利提及的裝置和方法與這些專利涉及的方法相比，具有適于微量聚合物塑化和注射成型、低成本、控制難度降低等優(yōu)點(diǎn)。參考文獻(xiàn)[I]3M Innovative Properties Company.Ultrasonic injection molding on aweb:EP,2444225A3[P].2012-8-19 ；[2]于同敏，祝思龍，包成，黃曉超，羅壽萍.基于超聲外場(chǎng)作用的控制精密注塑制品成型收縮的裝置及方法:中國，CN102615797A[P].2012-08-01 ；[3]Tetsuya Iida, Noriyoshi Shida, Keiji Suga, Kenichi Ishiguro, YasunobuHigashika, Atsushi Sato, Kunitoshi Katagir1.Ultrasonic injection mold for anoptical disk:US, 6464485.2000-06-03;[4] Toshihiro Furusawa, Atsushi Satoh, Takashi Nakajima, NoriakiMatsugish1.Method for injection molding into a resonatingmold:EP, 0351800A2[P], 1990-1-24[5]Kazuo INOUE, Hiroyoshi Minooka, Kiyohiro SAIT0, Atsushi Sat0.Moldingmethod and molding device utilizing ultrasonic vibration and optical lens:EP, I621315A1[P], 2003-04-25;
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發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的第一個(gè)技術(shù)問題是提供一種設(shè)備成本低、注射成型質(zhì)量高、生產(chǎn)成本低的無螺桿超聲波熔融塑化聚合物微量注射成型裝置。本發(fā)明所要解決的第二個(gè)技術(shù)問題是提供該無螺桿超聲波熔融塑化聚合物微量注射成型裝置的成型方法。為了解決上述第一個(gè)技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的無螺桿超聲波熔融塑化聚合物微量注射成型裝置，包括注射部分、超聲振動(dòng)系統(tǒng)、注射模具、進(jìn)料系統(tǒng)和合模頂出系統(tǒng)，所述的注射部分包括注射電機(jī)、電機(jī)固定板、滾珠絲杠、注射推板、振子安裝板、連桿和導(dǎo)桿；所述的超聲振動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械部分包括換能器、變幅桿和工具頭，所述的注射模具的塑化襯套開設(shè)有塑化孔，內(nèi)部開設(shè)分流道及型腔；所述的進(jìn)料系統(tǒng)包括料斗和支架；所述的合模頂出系統(tǒng)包括合模液壓缸、頂出液壓缸、上模固定板、下模固定板和頂出桿，機(jī)身上設(shè)有所述的下模固定板、合模液壓缸和頂出液壓缸，所述的注射模具的下模固定安裝在所述的下模固定板上；所述的合模液壓缸的活塞桿與上模固定板相連，所述的頂出液壓缸的活塞桿兼作所述的頂出桿與所述的注射模具對(duì)接，所述的注射模具的上模固定安裝在所述的上模固定板上；所述的料斗通過所述的支架安裝在所述的上模固定板上，所述的上模固定板上設(shè)有所述的導(dǎo)桿，所述的注射推板和所述的振子安裝板中滑動(dòng)套裝在所述的導(dǎo)桿上，所述的注射推板與所述的振子安裝板之間連接有所述的連桿，所述的導(dǎo)桿上端固定有所述的電機(jī)安裝板，所述的電機(jī)安裝板上固定安裝有所述的注射電機(jī)，所述的注射電機(jī)的主軸連接所述的滾珠絲杠，所述的滾珠絲杠與所述的注射推板傳動(dòng)連接，所述的超聲振動(dòng)系統(tǒng)安裝在所述的振子安裝板上，所述的工具頭為圓柱形且插入所述的注射模具的塑化孔內(nèi)。所述的注射推板和振子安裝板中安裝有導(dǎo)套，所述的導(dǎo)套滑動(dòng)套裝在所述的導(dǎo)桿上，所述的導(dǎo)桿與所述的導(dǎo)套之間為間隙配合。所述的注射模具的塑化襯套與所述的工具頭之間為間隙配合。為了解決上述第二個(gè)技術(shù)問題，本提供的使用無螺桿超聲波熔融塑化聚合物微量注射成型裝置的成型方法，包括以下步驟:第一步，開啟合模頂出系統(tǒng)使注射模具閉合；第二步，通過進(jìn)料系統(tǒng)將聚合物物料加入注射模具的上模塑化孔之中；第三步，開啟注射 電機(jī)推動(dòng)振子安裝板下移，開啟超聲振動(dòng)系統(tǒng)，利用超聲波振動(dòng)熔融塑化聚合物；第四步，成型后待聚合物制件冷卻；第五步，利用合模頂出系統(tǒng)完成模具開模和制件頂出。所述的超聲振動(dòng)系統(tǒng)的超聲波發(fā)生器工作頻率為15 40KHz，功率為O 1000W，所述的工具頭振幅為10 100 μ m。采用上述技術(shù)方案的無螺桿超聲波熔融塑化聚合物微量注射成型裝置及成型方法，能夠降低聚合物充填過程中的粘度，使聚合物更易充滿微型腔，而且能耗與現(xiàn)有的微注射成型相比大大降低，具有良好的市場(chǎng)前景?？朔司酆衔镂⒆⑸涑尚椭挟a(chǎn)品易出現(xiàn)短射、充填困難以及現(xiàn)有微注射成型機(jī)高能耗、設(shè)備經(jīng)濟(jì)性不高等缺陷。本發(fā)明有以下優(yōu)點(diǎn):1、采用由超聲波發(fā)生器驅(qū)動(dòng)的工具頭，通過其高頻振動(dòng)熔融塑化聚合物，替代螺桿塑化聚合物的方式。由于不存在加工復(fù)雜的螺桿，降低了設(shè)備成本。2、利用超聲波提高聚合物分子活化能、降低充填過程中粘度的特性，改善了加工過程中的短射或充填不足現(xiàn)象，能夠很好地進(jìn)行微小塑料器件的注射成型。3、由于充填難度降低，加工時(shí)的模具溫度、注射速率、注射壓力都大大降低，降低了能耗和工藝的控制難度，提高了設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性，生產(chǎn)成本降低。綜上所述，本發(fā)明是一種設(shè)備成本低、注射成型質(zhì)量高、生產(chǎn)成本低的無螺桿超聲波熔融塑化聚合物微量注射成型裝置及成型方法。


圖1是超聲波熔融塑化聚合物注射成型裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是超聲波熔融塑化聚合物注射成型裝置的側(cè)向視圖。圖3是模具結(jié)構(gòu)圖。圖4是超聲振動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械部分結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合說明書附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。參見圖1，包括注射部分、超聲振動(dòng)系統(tǒng)、注射模具、進(jìn)料系統(tǒng)和合模頂出系統(tǒng)，注射部分包括注射電機(jī)1、電機(jī)固定板8、滾珠絲杠2、注射推板9、振子安裝板11、連桿14和導(dǎo)桿3 ;超聲振動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械部分由風(fēng)扇22、外殼26、換能器19、變幅桿23和工具頭21組成，注射模具的塑化襯套17開設(shè)有塑化孔15，內(nèi)部開設(shè)分流道16及型腔18 ;進(jìn)料系統(tǒng)包括料斗4和支架5 ;合模頂出系統(tǒng)包括合模液壓缸7、頂出液壓缸25、上模固定板11、下模固定板12和頂出桿13,機(jī)身6上設(shè)有下模固定板12、合模液壓缸7和頂出液壓缸25,注射模具的下模固定安裝在下模固定板12上；合模液壓缸7的活塞桿與上模固定板11相連，頂出液壓缸25的活塞桿兼作頂出桿13與注射模具對(duì)接，注射模具的上模固定安裝在上模固定板11上；料斗4通過支架5安裝在上模固定板11上，上模固定板11上設(shè)有導(dǎo)桿3，注射推板9和振子安裝板10中安裝有導(dǎo)套24，導(dǎo)套24滑動(dòng)套裝在導(dǎo)桿3上，導(dǎo)桿3與導(dǎo)套24之間為間隙配合，注射推板9與振子安裝板10之間連接有連桿14，導(dǎo)桿3上端固定有電機(jī)安裝板8，電機(jī)安裝板8上固定安裝有注射電機(jī)1，注射電機(jī)I的主軸連接滾珠絲杠2，滾珠絲杠2與注射推板9傳動(dòng)連接，超聲振動(dòng)系統(tǒng)安裝在振子安裝板10上，工具頭21為圓柱形且插入注射模具的塑化孔15內(nèi)與模具的塑化孔15配合，在塑化孔15中運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)聚合物的塑化和注射，工具頭21與塑化襯套17之間為間隙配合。本發(fā)明利用無螺桿超聲波熔融塑化聚合物微量注射成型方法，其原理是利用超聲波頻率高、能量集中的特點(diǎn)，通過超聲振動(dòng)施加于聚合物顆粒過程中的摩擦生熱和粘彈性生熱作用，將固態(tài)的聚合物熔融為液態(tài)，同時(shí)超聲波在聚合物液體中的空化作用降低了表觀粘度，提高了聚合物大分子的活化能并誘導(dǎo)大分子解纏，降低了充填難度，實(shí)現(xiàn)了在一定的注射速度和注射壓力下聚合物的注射成型。圖1為超聲波熔融塑化聚合物注射成型裝置結(jié)構(gòu)示意圖。聚合物顆粒原料置于料斗4之中，料斗4中有控制進(jìn)料的裝置，從而控制聚合物顆粒的進(jìn)料，料斗4與支架5固定，支架5與上模固定板11固定。超聲波發(fā)生器工作在一定頻率(15 40KHz)下，驅(qū)動(dòng)換能器19，使換能器產(chǎn)生高頻振動(dòng)，振動(dòng)經(jīng)變幅桿23和工具頭21放大，達(dá)到能夠進(jìn)行加工的量級(jí)(10 100 μ m)后，通過工具頭21端面作用于 聚合物顆粒，進(jìn)而將聚合物由固態(tài)融化為液態(tài)。注射電機(jī)I使?jié)L珠絲杠2轉(zhuǎn)動(dòng)，滾珠絲杠2將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，使注射推板9在豎直方向運(yùn)動(dòng)，注射推板9通過連桿14與振子安裝板10連接,使振子安裝板10在豎直方向運(yùn)動(dòng)。振子安裝板10上固定有超聲振動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械部分，因此工具頭21相對(duì)塑化孔15在豎直方向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)聚合物流體的塑化和注射過程。上模固定板11與合模液壓缸7的活塞桿連接，通過活塞桿的豎直運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)開合模動(dòng)作。上模固定板11上開設(shè)有多個(gè)螺紋孔和通孔，與模具壓板連接，從而固定上模。下模固定板12上開設(shè)有多個(gè)螺紋孔和通孔，與模具壓板連接，從而固定下模。本發(fā)明用于無螺桿超聲波熔融塑化聚合物微量注射成型裝置的注射模具，與用于一般注射成型模具結(jié)構(gòu)類似，不同之處在于塑化襯套17與工具頭21之間為間隙配合。塑化襯套17中的塑化孔15用于容納聚合物顆粒，同時(shí)作為塑化、注射過程的主要工作空間。塑化孔15與分流道16連接，分流道16末端為適當(dāng)?shù)臐部诤托颓?8。使用無螺桿超聲波熔融塑化聚合物微量注射成型裝置的成型方法，包括以下步驟:第一步，開啟合模頂出系統(tǒng)的合模液壓缸7使注射模具閉合；
第二步，通過進(jìn)料系統(tǒng)將聚合物物料加入注射模具的上模塑化孔之中；第三步，開啟注射電機(jī)I推動(dòng)振子安裝板10下移，開啟超聲振動(dòng)系統(tǒng)，超聲振動(dòng)系統(tǒng)的超聲波發(fā)生器工作頻率為15 40KHz，功率為O 1000W，工具頭21振幅為10 100 μ m，利用超聲波振動(dòng)熔融塑化聚合物；第四步，成型后待聚合物制件冷卻；第五步，利用合模頂出系統(tǒng)的頂出液壓缸25完成模具開模和制件頂出。實(shí)施例1開啟合模液壓缸使注射模具閉合，將Abs加入進(jìn)料孔，開啟注射電機(jī)使超聲工具頭下移，超聲振動(dòng)系統(tǒng)頻率為20Khz，超聲波發(fā)生器工作功率為500W，工具頭振幅為20 μ m，待聚合物塑化成型后，開啟頂出液壓缸，完成制件頂出。實(shí)施例2開啟合模液壓缸使注射模具閉合，將PC加入進(jìn)料孔，開啟注射電機(jī)使超聲工具頭下移，超聲振動(dòng)系統(tǒng)頻率為20Khz，超聲波發(fā)生器工作功率為750W，工具頭振幅為50μπι，待聚合物塑化成型后，開啟頂出液壓缸，完成制件頂出。

實(shí)施例3開啟合模液壓缸使注射模具閉合，將PMMA加入進(jìn)料孔，開啟注射電機(jī)使超聲工具頭下移，超聲振動(dòng)系統(tǒng)頻率為30Khz，超聲波發(fā)生器工作功率為750W，工具頭振幅為50 μ m，待聚合物塑化成型后，開啟頂出液壓缸，完成制件頂出。以上描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征及優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解。本發(fā)明不受上述施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
權(quán)利要求
1.一種無螺桿超聲波熔融塑化聚合物微量注射成型裝置，包括注射部分、超聲振動(dòng)系統(tǒng)、注射模具、進(jìn)料系統(tǒng)和合模頂出系統(tǒng)，所述的注射部分包括注射電機(jī)(I)、電機(jī)固定板(8)、滾珠絲杠(2)、注射推板(9)、振子安裝板(11)、連桿(14)和導(dǎo)桿(3);所述的超聲振動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械部分包括換能器(19)、變幅桿(23)和工具頭(21)，所述的注射模具的塑化襯套 (17)開設(shè)有塑化孔(15)，內(nèi)部開設(shè)分流道(16)及型腔(18);所述的進(jìn)料系統(tǒng)包括料斗(4)和支架(5);所述的合模頂出系統(tǒng)包括合模液壓缸(7)、頂出液壓缸(25)、上模固定板(11)、下模固定板(12)和頂出桿(13)，其特征是:機(jī)身(6)上設(shè)有所述的下模固定板(12)、合模液壓缸(7)和頂出液壓缸(25)，所述的注射模具的下模固定安裝在所述的下模固定板(12)上；所述的合模液壓缸(7)的活塞桿與上模固定板(11)相連，所述的頂出液壓缸(25)的活塞桿兼作所述的頂出桿(13)與所述的注射模具對(duì)接，所述的注射模具的上模固定安裝在所述的上模固定板(11)上；所述的料斗(4)通過所述的支架(5)安裝在所述的上模固定板(11)上，所述的上模固定板(11)上設(shè)有所述的導(dǎo)桿(3)，所述的注射推板(9)和所述的振子安裝板(10)中滑動(dòng)套裝在所述的導(dǎo)桿(3)上，所述的注射推板(9)與所述的振子安裝板(10)之間連接有所述的連桿(14)，所述的導(dǎo)桿(3)上端固定有所述的電機(jī)安裝板(8)，所述的電機(jī)安裝板(8)上固定安裝有所述的注射電機(jī)(1)，所述的注射電機(jī)(I)的主軸連接所述的滾珠絲杠(2)，所述的滾珠絲杠(2)與所述的注射推板(9)傳動(dòng)連接，所述的超聲振動(dòng)系統(tǒng)安裝在所述的振子安裝板(10)上，所述的工具頭(21)為圓柱形且插入所述的注射模具的塑化孔(15)內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無螺桿超聲波熔融塑化聚合物微量注射成型裝置，其特征在于:所述的注射推板(9)和振子安裝板(10)中安裝有導(dǎo)套(24)，所述的導(dǎo)套(24)滑動(dòng)套裝在所述的導(dǎo)桿(3)上，所述的導(dǎo)桿(3)與所述的導(dǎo)套(24)之間為間隙配合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的無螺桿超聲波熔融塑化聚合物微量注射成型裝置，其特征在于:所述的注射模具的塑化襯套(17)與所述的工具頭(21)之間為間隙配合。
4.使用權(quán)利要求1所述的無螺桿超聲波熔融塑化聚合物微量注射成型裝置的成型方法，其特征在于:包括以下步驟: 第一步，開啟合模頂出系統(tǒng)的合模液壓缸使注射模具閉合； 第二步，通過進(jìn)料系統(tǒng)將聚合物物料加入注射模具的上模塑化孔之中； 第三步，開啟注射電機(jī)推動(dòng)振子安裝板下移，開啟超聲振動(dòng)系統(tǒng)，利用超聲波振動(dòng)熔融塑化聚合物； 第四步，成型后待聚合物制件冷卻； 第五步，利用合模頂出系統(tǒng)的頂出液壓缸完成模具開模和制件頂出。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的使用無螺桿超聲波熔融塑化聚合物微量注射成型裝置的成型方法，其特征在于:所述的超聲振動(dòng)系統(tǒng)的超聲波發(fā)生器工作頻率為15 40KHz，功率為O 1000W，工具頭振幅為10 100 μ m。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無螺桿超聲波熔融塑化聚合物微量注射成型裝置及成型方法，注射部分包括注射電機(jī)、絲杠、注射推板和連桿；超聲振動(dòng)系統(tǒng)包括超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿和工具頭；注射模具開設(shè)有塑化孔、分流道及型腔；進(jìn)料系統(tǒng)包括料斗和支架；合模頂出系統(tǒng)包括合模液壓缸、頂出液壓缸、上模固定板、下模固定板和頂桿。本發(fā)明通過超聲振動(dòng)施加于聚合物顆粒過程中的摩擦生熱和粘彈性生熱作用，將固態(tài)的聚合物熔融為液態(tài)，同時(shí)超聲波在聚合物液體中的空化作用降低了表觀粘度，改善了加工過程中的短射或充填不足現(xiàn)象，能夠很好地進(jìn)行微小塑料器件的注射成型，降低了能耗和工藝的控制難度，提高了設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性，生產(chǎn)成本降低。
文檔編號(hào)B29C45/46GK103213257SQ201310121160
公開日2013年7月24日 申請(qǐng)日期2013年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月9日
發(fā)明者蔣炳炎, 劉小超, 彭華建, 張勝, 李林, 胡偉平 申請(qǐng)人:中南大學(xué)