滚塑成型工艺与设备及其研究进展

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滚塑成型工艺与设备及其研究进展

* i8 S: b/ X7 O1 滚塑成型工艺及其优势
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滚塑是中空塑料制品成型的一种工艺方法，又称旋转成型、旋转模塑或回转成型。滚塑过程是将塑料粉末加入模具中，然后加热模具并使之沿相互垂直的两根轴连续旋转，模具内树脂在重力和热量的作用下逐渐均匀地涂布、熔融黏附于模具内表面上，从而形成所需要的形状，然后冷却模具，脱模得到制品。

滚塑成型起源于20世纪40年代的英国，50年代在欧洲得到很大发展，之后传人美国、日本等地，随着聚乙烯粉末化技术的成熟，日益成为粉末塑料成型工艺中极有竞争力的成型方法。近年来，滚塑工业以10～15％的年增长率持续发展，成为小批量生产中、大型或超大型全封闭与半封闭的空心无缝容器最好的成型加工方法。目前，全球旋转模塑用树脂消耗量已占到树脂总产量的8％～9％。
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0 J, [: L. _! o' L; n; Z* G滚塑成型工艺与传统的中空塑料制品成型方法(如注塑、吹塑、热成型等)相比，其最显著的特点就是树脂加热、成型和冷却过程都在无压的模具内进行。这样的特点使之表现出一系列的优点。

6 l/ W. E, [2 f. ]模具简单、成本低廉，适合成型大型塑料制品。
& e. K8 H+ K% I2 E适合多品种、小批量塑料制品的生产。
7 I5 |$ h4 d5 C9 `0 y/ D, l& T! {适合成型形状复杂的制品以及复合制品。
- z1 S: R4 O2 A2 V节约原材料。
制品壁厚均匀、无接缝。
3 B2 s1 ]% s, k3 y' [9 I8 K  C1 b制品无残余力，不易发生变形。
) v# ~7 T4 u6 g, P- L换色容易，当要改变制品颜色时，只需清洗成型模具即可。
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2 滚塑成型机
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2．1 几种典型的滚塑机

& T- v6 N' v2 g5 U4 g: X摇摆式滚塑机：具有能经济地生产体积大、形状简单制品的优点，不利因素在于系统自动化程度不高，造成效率低下和操作繁重。

- g3 K- {4 @# ^+ M8 B! j穿梭式滚塑机：拥有两个梭机，能经济地生产大型储存罐、容器及小型制品。操作简单，维护费用低，属于入门级滚塑设备。

蛤壳式滚塑机：初始费用低，占地面积小，手工劳动少和制品质量好。该机滚塑过程中双轴旋转由主、副轴变速齿轮电机提供。转臂可直也可曲，能处理小型或大型模具。

' }' m- l1 A/ ]/ k. m9 s% S垂直式滚塑机：三臂式和六臂式，其转臂操作起来在同一个平面内，有分开的加热、冷却或装／卸工位，最大的模具摆幅通常限于 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、球类和汽车部件等。

固定转臂式滚塑机：该设备可以从小型的 1000mm摆幅到大型的3800mm摆幅，有加热、冷却或装／卸三个工位，设备效率高、容易维护，在滚塑领域中占统治地位。通常加热是整个周期的关键因素，因此它成了设备运转的控制因素。
8 p# b& [6 L5 e8 Q独立转臂式滚塑机：是滚塑工业常用设备类型，具有空气循环加热室和空气／水冷却室，提供五个工位，包含一台自动车架来控制每台转臂绕中心台转动，而每台转臂和车架之间是独立的，提供更自动化和更完善的加工手段，充分体现了独立转臂滚塑机的灵活性。

4 y8 T9 u" ], F8 {! H4 u/ K蚌式滚塑机：该机为加拿大FSP公司的独家产品。该机的热箱也可作冷箱，结构分上下两部分，上部可开启和关闭，形状及开启方式如蚌。模具回转直径从1．2～3．6m。
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2．2 国内外旋转模塑设备的发展状况
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9 \+ e+ m& `$ ~# G从滚塑的加热方式来看，目前较常用的为直火加热式和热箱加热式。生产大型制品一般采用直火加热式，而生产小型的制品国外先进的旋转模塑厂家较多采用热室加热三臂四工位和四臂五工位双轴旋转独立转臂设备。

发达国家除了对滚塑设备构型不断改进外，还大力提高设备的自动化控制水平。如英国开发的Rotalog旋转模塑控制系统包括测温和控制显示两大部分。测温部分密封安装在模具架上的一绝缘盒内，通过无线电信号把热电偶测的模具内温度实时发送到加热室外的监控计算机上，计算机显示模具内温度／时间图。该图与加热室温度／时间图对比，可直观的显示滚塑设备中模具及其中物料受热、传热情况。操作者可以利用Rotalog控制系统减少和优化加热，冷却周期，改进和保证制品质量，降低生产成本，还能准确评估模具和新材料。
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3 H+ S4 j# I# z/ a- o$ n) E5 K$ v1 M国外滚塑厂一般拥有多台不同的滚塑设备。如美国spincast公司有7台滚塑机，模具最大回转直径4m，Dimond公司有9台滚塑机，模具最大回转直径为4．3m，Amerikart公司有10台滚塑机，模具最大回转直径为3．3m。
4 `$ q: ~7 y* R+ }我国的滚塑设备制造和辅助技术与国外的先进水平相比还比较落后，目前还没有专业性较强的滚塑设备制造厂。就国内的滚塑设备使用情况，有以下几个特点。
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(1)所使用的滚塑机以直火加热为主，还有少量的热室加热三臂四位独立转臂滚塑机，其他的滚机很少。
(2)热箱加热独立转臂设备几乎全是国外进口，主要是美国、意大利、德国和日本产品，几乎没国产品。而进口直火加热摇摆机很少，所使用的直火加热摇摆机绝大多数是国内厂家的仿制品。
(3)国内滚塑厂滚塑设备数量很少，滚塑厂规模较小。
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3 滚塑成型模具
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3．1 概述

模具是滚塑成型中不可缺少的重要装备。
3 \% q9 l5 p" m* q滚塑模具简单，为无压成型模具，因此壁薄，轻质。滚塑模具由上下两半模组成，并用夹板固定。为了排出模腔内形成的气体，防止制品变形，模具上开设排气孔。

. Y8 z; H, ?+ T. J" z# I在滚塑工业中，模具的制作有三种常用方法：钢板焊接、铝合金铸造和电镀成型。滚塑成型对模具材质强度要求不高，但必须具有良好的热传导性，并能抵挡频繁加热与冷却过程中的应力交替。显然低碳钢、铝、不锈钢等都是理想的制模材料。选择模具制作方法时通常要考虑以下三个方面：构造的复杂程度，模具的数量和制品表面质量要求。而在这三个要求中，制品的形状和尺寸占主导地位。我们可根据不同的情况选用不同的制作方法。同时，在制造模具时，成本是另外的一个重要因素。模具制作成本包括了制模材料、模具厚度、分型面的位置、模具数量和表面处理情况等等。合理设计滚塑模具结构和正确选用模具材料是获取表面光洁无气泡、壁厚均匀无应力的优质制品的首要保证。
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模具壳体的壁厚设计按常压容器的设计规范进行，即从刚度计算出发，结合制品厚度、加热方式及制模方法等综合考虑。一般较大型的模具采用钢板，其厚度为2—4mm，模具内壁要抛光。另外模具厚度取决于旋转方向和加热方式，用于热液体传导加热的模具，壁较厚些，一般为7．9～12．7mm，以保证传热均匀，不发生热点；而热风循环加热的模具，壁较薄些，一般为5～7mm。

0 M- x  ^6 u- j5 o5 i2 o3．2 铸铝模具
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用传统的砂型铸造生产的铸件精度低、制模周期长，铸件表面质量更无法达到滚塑模的要求，铸后还需人工打磨抛光。因此，生产滚塑用铸铝模就必须采用精密铸造方法，同时引入快速制模技术，缩短模具的制造周期。只有这样，滚塑成型投资少、见效快的优势才能得以充分显示。现代精密铸造的工艺方法多种多样，对于像滚塑模具这样尺寸较大且形状复杂的单件铸件采用石膏型或陶瓷型铸造是非常经济的。如再配合采用热模差压浇注法，使铸铝合金的流动性大大提高，进一步减小了滚塑模体的壁厚，对加快滚塑成型中的热量传导、缩短成型周期是十分有利的。
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3．3 快速制模技术
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' ]( h9 P( n( v' g  u9 v快速制模技术即运用快速造型技术RPM (Rapid Prototyping Moulding)制得的原型直接或间接地加工各种金属模具的方法，是集CAD／CAM、化工、材料和精密机械等最新成就于一身的高新技术。目前发展比较成熟的快速造型方法有激光造型法SLA、薄板层积法LOM、熔丝沉积法FDM和选择性激光烧结法SLS等。在滚塑模制造中，用经过表面覆膜处理的LOM原型代替木模直接制造石膏型、陶瓷型(大件)或由原型经硅橡胶模过渡转换得到石膏型、陶瓷型(小件)，再用石膏型、陶瓷型浇注出金属模具的方法，实现铸铝模的精密铸造将是十分有利的。
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4 滚塑成型制品质量控制

5 a" ~( H% `) B* ]( T+ j% {* R4．1 常见质量问题

5 j3 c% L( C1 [1 x简单而实用是滚塑成型的一大优点，但同时也给该技术带来了一些先天不足的缺陷。比如，制品内部易产生气泡，而表面则易出现空洞；制品易出现弯曲、收缩、变色等。这些现象不但影响了制品的外观形象，而且更重要的是严重损害了制品的力学性能。因此，研究气泡的形成与消失，弯曲、收缩现象的形成与消失以及制品的冲击强度对提高成型制品的质量具有十分重要的意义。

4．2 气泡与孔眼

气泡的形成是因为当粉末粒子熔化并粘结在一起的时候，其间夹带了空气。在工业生产中，常采用提高加热温度的方法来减少或消除制品中的气泡。因为当提高加热温度、延长或消除制品中的气泡时，物料粘度减小，气泡扩散容易。同时因为有更多的时间使气泡扩散更彻底。这种方法对消除制品中的气泡虽然有效，但是也有副作用。比如增加熔融温度将导致成型周期延长，降低生产效率；高温下物料被氧化，致使制品的力学性能降低，特别是冲击强度尤为明显。
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. _; \7 C. p% M; U7 z6 z% W4．3 冲击强度

, p% k. i9 @4 Z. ]影响制品冲击强度的因素较多，比如加热温度、加热时间、冷却速度、粒子尺寸、模具材料等，其中加热温度和加热时间是影响冲击强度的主要因素。温度过低，材料熔融不够，导致制品冲击强度降低；温度过高则会引起塑料产生降解，同样降低了制品的冲击强度。熔体流动数率MFI与其冲击强度有直接的关联， MFI随着冲击强度的下降而下降。因而MFI可以作为制品冲击强度的指征。

4．4 收缩与变形

收缩、变形也是塑料滚塑成型制品的另一大缺陷。收缩、变形一般是由冷却时形成的残余应力引起的，试验证明通过不同的冷却方式交替进行冷却可以减少制品的残余应力，或者在冷却期间向模具内充人压缩空气，即通过压缩空气使已固化塑料紧紧贴在模具的内壁，阻止它脱离模壁或变形，一直到塑料完全冷却为止，这样便起到了冷却定型的作用。并且由于此法对于已固化塑料的内表面同时冷却，改变了冷却机理，从而减小了残余应力，抑制了制品的收缩和变形。试验证明，大部分塑料冷却时通入0．11MPa的压缩空气即基本上消除收缩、变形现象。

0 G2 `5 T. A# n' `& |2 X5 滚塑成型研究进展

" q1 P, W- S) A从国内外情况看，滚塑成型技术已经取得了很大的进步。研究工作者们为完善滚塑成型工艺和提高制品质量，近年来在加工过程的实验研究及模拟仿真、滚塑成型专用树脂、加工设备和模具的优化设计、工艺条件的精确控制等方面开展了大量研究。这些研究大多数是围绕解决滚塑成型的两个关键问题：1)滚塑成型对专用料要求苛刻；2)滚塑成型加工时间长、耗能高。
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滚塑成型中，人们希望聚合物能象石膏浆那样具有良好的塑化涂模性能。在现行加热方式下，通过模具传导给热不足以使聚合物材料达到良好的塑化流动涂布效果，而只能依靠粉料自身在重力作用下的运动来实现沿模腔内壁均匀涂布，并一层层熔融成型。由于旋转速度慢，这里离心力作用基本可以忽略(和金属离心浇铸存在较大差别)。粉料在模腔内运动受热熔融并涂布在模腔内壁的过程十分复杂并且直接影响到制品的质量。下面一些研究动向值得关注。

* c' }1 e  @# o, j7 S①国外学者比较深人地研究了滚塑成型中粉体流动规律及其对成型效果的影响。研究结果表明，粉料在模腔内的运动可归结为三种类型：稳态环流、雪崩流和滑动流。滚塑成型中最好的是稳态环流，其次是雪崩流，而滑动流则难以得到合格制品。决定这些粉体流动形式的因素主要是粉料与模腔内壁间的摩擦系数和粒子本身由团聚力和几何形状等决定的流动性能。因此，滚塑成型专用料除了要求耐热时间长以外，还对粉末粒子的形状和摩擦系数有严格要求。

. K& D. q5 P$ K; d/ X8 u$ `②在滚塑成型中，本质上都是通过外部热源把模具加热到塑料熔融温度以上，然后由热模具再将热量传导给内部的粉料。由于塑料导热性差，要使全部物料充分熔融塑化需要很长时间，而且也无法使用挤出和注射成型加工中常用的粒料。滚塑成型中聚合物熔融凝结，是影响加工时间和制品质量的重要因素。

③为了进行工艺和设备优化以及提高制品质量，人们还利用滚塑加工过程的模型化和计算机仿真模拟等方面的研究，深入了解滚塑成型主要工艺参数对成型周期的影响。