一种基于超声塑化的微注射压缩成型装置及方法

1.本发明涉及注射成型技术领域，特别是涉及一种基于超声塑化的微注射压缩成型装置及方法。


背景技术：

2.热塑性聚合物微注射成型具有生产周期短、规模大、尺寸精度好、对复杂形状和细节的限制少等优势被广泛应用于微型零件的生产。但是由于工艺和材料特性的限制，当微成型零件包含跨尺度特征或突破一定的体积/尺寸边界时，微注射成型技术在复制保真度、材料利用率和能源消耗方面可能非常具有挑战性。
3.于是，功率超声波被引入到注射成型工艺中以增强成型能力。目前主要以下两种工艺：
4.超声压印工艺，该工艺需要在板状或片状预制件的基础上进行二次加工。通常，预制件需要通过聚合物注射成型或按尺寸规格进行裁剪来制备，因此超声压印工艺属于二次加工工艺，无法实现从原材料到产品的一次性成型，且自动化程度低、工艺周期长。
5.超声塑化微注射成型工艺，该工艺在聚合物塑化质量稳定性、熔体温度控制、提高注射速度以及提高成型能力等方面面临挑战。因此在超声塑化微注射成型过程中，聚合物熔体冷凝过快，进而限制了微结构的充填能力。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种基于超声塑化的微注射压缩成型装置及方法，可以有效提高微注射成型产品质量。
7.为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：
8.一种基于超声塑化的微注射压缩成型装置，包括：
9.超声发生装置，所述超声发生装置包括超声发生器、超声换能器和超声工具头；
10.模具组件，所述模具组件包括模具座、内模芯、外模芯、复位弹簧、顶针、顶针基板、储料筒，所述超声工具头的一端面与所述外模芯的内腔和所述内模芯的第一端面围成型腔，所述顶针的第一端连接在所述顶针基板上，所述顶针的第二端滑动连接在所述内模芯内，且所述顶针的第二端的端面与所述内模芯的第一端面平齐，所述顶针基板通过所述复位弹簧与所述外模芯连接，所述顶针基板中部设有供所述储料筒穿过的通孔，所述内模芯中部设有注射孔，所述储料筒通过所述注射孔与所述型腔连通；
11.驱动装置，所述驱动装置用于驱动所述模具组件朝向或背离所述超声工具头的方向移动；
12.顶出装置，所述顶出装置用于所述驱动装置驱动所述模具背离所述超声工具头的方向移动时，与所述顶针基板抵触，以使所述顶针将所述型腔内的成型件顶出；
13.支架，所述超声发生装置安装在所述支架的一端，所述驱动装置安装在所述支架的另一端，所述模具组件和所述顶出装置位于所述支架内。
14.优选地，所述模具座内设有梯形槽，所述外模芯外侧设有轴肩，所述外模芯在所述模具座内移动时，通过所述轴肩和所述梯形槽端面接触而进行限位。
15.优选地，所述支架包括左面板、右面板和导柱，所述导柱的两端分别与所述左面板和所述右面板固定连接，所述左面板用于安装所述超声工具头，所述驱动装置设置在所述右面板上，所述导柱上滑动连接有动模固定板，所述模具组件固定在所述动模固定板上，所述驱动装置用于驱动所述动模固定板在所述导柱上轴向移动。
16.优选地，所述顶出装置包括顶出板和设置在顶出板上的顶杆，所述顶出板固定在所述导柱，所述动模固定板滑动连接在顶杆上，所述顶出板用于与所述顶针基板抵触而顶出成型件。
17.优选地，所述驱动装置包括丝杠、旋转丝母、动力部，所述丝杠与所述动模固定板连接，所述旋转丝母转动连接在所述右面板上，所述动力部用于控制所述旋转丝母转动，进而控制所述丝杠轴向移动。
18.优选地，所述动力部包括伺服电机、减速器和传送带，所述伺服电机用于通过所述减速器和所述传送带带动所述旋转丝母转动。
19.优选地，所述导柱上还滑动连接有伺服电缸底板，所述动模固定板通过长螺栓与所述伺服电缸底板连接，所述丝杠与所述伺服电缸底板固定连接，所述伺服电缸底板上设有伺服电缸，所述伺服电缸通过注射压力传感器与柱塞杆连接，所述柱塞杆与所述储料筒滑动连接，所述伺服电缸用于驱动所述柱塞杆移动，以实现物料进给和聚合物熔体注射动作。
20.优选地，还包括控制系统，所述控制系统与所述超声发生装置、所述驱动装置和所述伺服电缸连接，所述控制系统用于依据预设的成型工艺控制所述超声发生装置、所述驱动装置和所述伺服电缸工作。
21.一种基于超声塑化的微注射压缩成型方法，包括以下步骤：
22.将超声工具头与模具组件围成可压缩型腔；
23.开启超声发生装置，以使所述超声工具头提供超声能场准备塑化聚合物；
24.使聚合物原材料与所述超声工具头接触，所述聚合物原材料被超声能场塑化至熔融状态；
25.熔融聚合物被注射入所述可压缩型腔内，充填成型；
26.控制所述模具组件向所述超声工具头移动，进一步压缩所述可压缩型腔，以压缩成型；
27.将冷却后的成型件从所述可压缩型腔内顶出。
28.优选地，所述熔融聚合物被注射入所述可压缩型腔内，充填成型之后，还包括两条并列的工艺路线：
29.工艺路线一：
30.改变超声频率与振幅；
31.所述超声工具头与内模芯之间的所述可压缩型腔逐渐被压缩，同时超声振动降低熔融聚合物的熔体粘度；
32.关闭超声发生装置，冷却成型；
33.工艺路线二：
34.所述超声发生装置持续工作，通过所述超声工具头使熔融聚合物保持熔融状态，同时降低熔融聚合物的熔体粘度；
35.关闭超声发生装置，此时所述超声工具头不提供超声能场只与所述模具围成可压缩型腔；
36.压缩所述可压缩型腔，并冷却成型。
37.与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：
38.本发明所提供的一种基于超声塑化的微注射压缩成型装置，包括：超声发生装置、模具组件、驱动装置、顶出装置和支架，超声工具头的一端面与外模芯的内腔和内模芯的第一端面围成型腔，驱动装置可以驱动模具组件朝向或背离超声工具头的方向移动；顶出装置可以使顶针将型腔内的成型件顶出。本发明所提供的一种基于超声塑化的微注射压缩成型方法，包括：将超声工具头与模具组件围成可压缩型腔；开启超声发生装置；使聚合物原材料与超声工具头接触，聚合物原材料被超声能场塑化至熔融状态；熔融聚合物被注射入可压缩型腔内，充填成型；控制模具组件向超声工具头移动，进一步压缩所述可压缩型腔，以压缩成型；将冷却后的成型件顶出。由于超声工具头除了提供塑化聚合物的能量外，还作为模具组件的重要组成部分；而且超声工具头在微结构充填过程中可以提供额外的超声能场提高微结构充填能力。因此，具有更显著的微结构成型能力，尤其是表面微结构，所以可以有效提高成型件的质量。
附图说明
39.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
40.图1为本发明一种具体实施方式所提供的一种基于超声塑化的微注射压缩成型装置的结构示意图；
41.图2为超声工具头和模具的结构示意图；
42.图3为模具组件的工作过程示意图；
43.图4为支架和驱动装置的结构示意图；
44.图5为本发明一种具体实施方式所提供的一种基于超声塑化的微注射压缩成型方法的流程示意图。
45.附图标记如下：
46.100为超声发生装置，101为超声换能器，102为超声变幅器，103为超声工具头；
47.200为模具组件，201为模具座，202为外模芯，203为内模芯，204为复位弹簧，205为顶针，206为顶针基板，207为储料筒；
48.300为顶出装置，301为顶出板，302为顶杆；
49.400为支架，401为超声变幅器固定套，402为左面板，403为导柱，404为动模固定板，405为右面板，406为型材底板；
50.500为壳体；
51.600为控制系统；
52.700为驱动装置，701为伺服电机，702为减速器，703为传送带，704为旋转丝母，705为丝杠，706为伺服电缸底板，707为伺服电缸，708为注射压力传感器，709为柱塞杆。
具体实施方式
53.为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
54.在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。
55.请参考图1～图4，图1为本发明一种具体实施方式所提供的一种基于超声塑化的微注射压缩成型装置的结构示意图；图2为超声工具头和模具的结构示意图；图3为模具的工作过程示意图；图4为支架和驱动装置的结构示意图。
56.本发明的一种具体实施方式提供了一种基于超声塑化的微注射压缩成型装置，包括：超声发生装置100、模具组件200、驱动装置700、顶出装置300、支架400，超声发生装置100安装在支架400的一端，驱动装置700安装在支架400的另一端，模具组件200和顶出装置300位于支架400内，其中超声发生装置100用于提供一定范围的频率和振幅的超声能场，具体包括超声换能器101、超声变幅器102和超声工具头103；模具组件200包括模具座201、内模芯203、外模芯202、复位弹簧204、顶针205、顶针基板206、储料筒207，超声工具头103的一端面与外模芯202的内腔和内模芯203的第一端面围成型腔，顶针205的第一端连接在顶针基板206基板上，顶针205的第二端滑动连接在内模芯203内，且顶针205的第二端的端面与内模芯203的第一端面平齐，顶针基板206通过复位弹簧204与外模芯202连接，顶针基板206中部设有供储料筒207穿过的通孔，内模芯203中部设有注射孔，储料筒207通过注射孔与型腔连通，储料筒207内的物料可通过柱塞杆709推入型腔内。
57.模具组件200的具体工作原理如下：首先驱动装置700驱动模具组件200朝向超声工具头103的方向移动，以使模具座201移动到和超声工具头103合模的位置，超声工具头103的端面和外模芯202上表面相接触，此时超声工具头103和内模芯203、外模芯202组成型腔；超声塑化微注射压缩成型时，超声工具头103在模具座201内继续深入到达超声塑化注射成型位，其端面与外模芯202上表面之间通过复位弹簧204产生的作用力相互接触，起到密封作用；开启超声振动后，聚合物材料在柱塞杆709的推动下与超声工具头103端面相接触，逐渐被塑化至熔融状态并被注射到型腔内；在超声振动的持续作用下，熔融状态的聚合物继续吸收超声能量不会过早凝固并被充填到微型腔内；注射成型结束后，超声工具头103停止振动并继续向模具座201内压缩深入直至压缩成型位；型腔内熔体在压力的作用下继续充填微结构并逐渐冷却成型；冷却成型后，超声工具头103与外模芯202表面分离，外模芯202在复位弹簧204的作用下复位至合模位；最后驱动装置700驱动模具背离超声工具头103的方向移动，以使顶针基板206与顶出装置300抵触，顶针基板206在顶出装置300的反作用力下带动顶针205顶出成型件，并在复位弹簧204的作用下复位至合模位，等待下一个注射压缩成型循环。
58.本发明所提供的一种基于超声塑化的微注射压缩成型装置，与传统超声塑化微注射成型具有以下优点：由于超声工具头103除了提供塑化聚合物的能量外，还作为模具组件
200的重要组成部分；而且超声工具头103在微结构充填过程中可以提供额外的超声能场提高微结构充填能力。超声工具头103与模具组件200构成可压缩型腔，压缩成型过程提高了表面微结构复制能力。因此，具有更显著的微结构成型能力，尤其是表面微结构，所以可以有效提高成型件的质量。
59.进一步地，模具座201内设有梯形槽，外模芯202外侧设有轴肩，外模芯202通过轴肩和梯形槽端面接触而进行限位，以保证外模芯202和模具座201相对位置的准确性。
60.在本发明的一个实施例中，还包括用于容纳支架400的壳体500，其中支架400包括左面板402、右面板405和导柱403，导柱403的两端分别与左面板402和右面板405固定连接，例如导柱403可以与左面板402和右面板405进行螺纹连接，导柱403的根数为多根，左面板402和右面板405的底部固定在型材底板406上，其中左面板402用于安装超声变幅器102和超声工具头103，具体地左面板402上设有超声变幅器固定套401，超声工具头103位于左面板402的内侧，超声换能器101和超声变幅器102位于左面板402的左侧，驱动装置700设置在右面板405上，导柱403上滑动连接有动模固定板404，模具组件200固定在动模固定板404上，驱动装置700可以驱动动模固定板404在导柱403上轴向移动。
61.具体地，顶出装置300包括顶出板301和设置在顶出板301上的顶杆302，顶出板301固定在导柱403上，动模固定板404位于左面板402和顶出板301之间，动模固定板404还与顶杆302滑动连接，其中动模固定板404上设有供顶杆302穿出的导向孔，当顶针基板206移动至与顶杆302抵触时，顶针基板206受到反作用力，而使顶针基板206上的顶针205将成型件从型腔内顶出。
62.在本发明的一个实施例中，驱动装置700包括丝杠705、旋转丝母704、动力部，动力部包括伺服电机701、减速器702和传送带703，伺服电机701可以通过减速器702带动传送带703转动，进而带动旋转丝母704转动，此外也可通过直驱的方式带动旋转丝母704转动。其中丝杠705与动模固定板404连接，旋转丝母704转动连接在右面板405上，动力部可以控制旋转丝母704转动，进而控制丝杠705轴向移动。
63.需要说明的是，上述的丝杠705和旋转丝母704式传动结构只是优选，也可采用其它方式控制动模固定板404轴向移动，例如通过丝杆与动模固定板404螺纹连接，通过控制丝杆转动来控制动模固定板404在导柱403上轴向移动；或者通过直驱的方式来带动动模固定板404移动，具体选择何种驱动装置700，可根据实际情况而定。
64.在本发明的一个实施例中，导柱403上还滑动连接有伺服电缸底板706，动模固定板404通过长螺栓与伺服电缸底板706连接，以形成伺服电缸进给结构，丝杠705与伺服电缸底板706固定连接，伺服电缸707安装在伺服电缸底板706上，伺服电缸707通过注射压力传感器708与柱塞杆709连接，柱塞杆709与储料筒207滑动连接，相应地顶出板301和动模固定板404上设有供柱塞杆709穿出的孔位，其中伺服电缸707可以驱动柱塞杆709移动，以实现物料进给和聚合物熔体注射动作。
65.进一步地，还包括控制系统600，控制系统600与超声发生装置100、驱动装置700和伺服电缸707连接，控制系统600设置在壳体500上，控制系统600可以依据预设的成型工艺控制超声发生装置100、驱动装置700和伺服电缸707工作。
66.综上所述，本发明所提供的一种基于超声塑化的微注射压缩成型装置的工作原理如下：
67.超声塑化微注射压缩成型之前，首先需要在控制系统600中预先储存一条成型工艺路线。然后将模具组件200安装在动模固定板404上，并在储料筒207中加入棒状或颗粒聚合物。最后，根据成型工艺，在控制系统600内分别设定注射速度、注射压力、压缩阶段、各压缩阶段压力、冷却时间、合模位、零点位、顶出位、超声波频率、振幅数据以及超声作用时间等工艺参数。
68.超声塑化微注射压缩成型开始时，控制系统600首先通过伺服电机701控制伺服电缸进给机构向左移动到达合模位置，完成合模动作并将该点坐标记为合模零点位置，向右移动到达成型件顶出位置，完成顶出动作并将该点坐标记为顶出位置。然后根据设定的成型工艺，继续控制伺服电缸进给机构向左移动到达超声塑化微注射压缩成型位。控制系统600首先控制超声波系统产生超声振动，然后通过设定的注射速度控制伺服电缸707推动柱塞杆709，进而推动聚合物材料与超声工具头103端面接触，并将被塑化熔融的聚合物熔体注射到型腔内，完成注射成型动作。接下来，控制系统600根据设定的工艺模式按照设定的压缩阶段、压力、时间、超声能场参数等工艺参数，控制伺服电缸进给机构继续向左移动到达压缩成型位，完成超声塑化微注射压缩成型动作。最后，根据冷却时间，控制伺服电缸进给机构向右移动完成开模动作后继续移动到达顶出位置。此时，当伺服电缸进给机构向右移动时，模具跟随动模固定板404向右移动，直到模具中的顶针基板206基板与顶出板301上的顶杆302相接触；顶出板301通过顶杆302提供反作用力，推动顶针基板206基板以及顶针基板206完成注塑压缩成型件的顶出动作。完成注塑压缩件顶出后，由伺服电机701完成伺服电缸进给机构向左移动到达零点位完成复位动作。与此同时，顶针基板206和顶针基板206基板通过复位弹簧204提供的反作用力完成复位动作。
69.本发明实施例还提供了一种基于超声塑化的微注射压缩成型方法，请参考图5，包括以下步骤：
70.步骤1：将超声工具头103与模具围成可压缩型腔。即超声工具头103除了提供塑化聚合物的能量外还作为模具的重要组成部分。
71.步骤2：开启超声发生装置100，以使超声工具头103提供超声能场准备塑化聚合物。
72.步骤3：使聚合物原材料与超声工具头103接触，聚合物原材料被超声能场塑化至熔融状态。
73.步骤4：熔融聚合物被注射入可压缩型腔内，充填成型。通过对可压缩型腔进行压缩，可以提高成型件的质量。
74.步骤5：控制模具组件向超声工具头移动，进一步压缩所述可压缩型腔，以压缩成型。
75.步骤6：将冷却后的成型件从可压缩型腔内顶出。
76.进一步地，熔融聚合物被注射入可压缩型腔内，充填成型之后，还包括两条并列的工艺路线：
77.工艺路线一包括：
78.步骤411：改变超声频率与振幅，使之更适合超声辅助压缩成型。
79.步骤412：超声工具头103与内模芯203之间的可压缩型腔逐渐被压缩，同时超声振动降低熔融聚合物的熔体粘度，以改善熔体的流动性能，进一步提高产品的微结构充填成
型。
80.步骤413：关闭超声发生装置100，冷却成型。
81.工艺路线二包括：
82.步骤421：超声发生装置100持续工作，通过超声工具头103使熔融聚合物保持熔融状态，同时降低熔融聚合物的熔体粘度。而且超声工具头103通过超声能场不仅可以提供额外的能力防止聚合物过早冷凝，还可以降低聚合物熔体粘度，以进一步提高充填成型能力。
83.步骤422：关闭超声发生装置100，此时超声工具头103不提供超声能场只与模具围成可压缩型腔。
84.步骤423：压缩可压缩型腔，并冷却成型。
85.本发明提供的一种基于超声塑化的微注射压缩成型方法，包括超声塑化、注射、超声辅助、压缩成型，然而传统的工艺为超声塑化、注射成型，相比而言，本发明所提供的方法具有更显著的微结构成型能力，尤其是表面微结构，而且还可以减少产品内应力，降低透明产品彩虹纹，实现不等厚注塑成型，且成型尺寸稳定，产品表面质量较高。
86.还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
87.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。