張杰 胡友才 汪海濤 黃裝 邵景昌 章朝紅 龔光輝 申會(huì)員

（寧波公牛電器有限公司）

0 引言

現(xiàn)代消費(fèi)產(chǎn)品款式千變?nèi)f化，既要外型美觀、設(shè)計(jì)精巧，也要迅速適應(yīng)市場需求。隨著人們生活質(zhì)量的不斷提高，愈發(fā)注重對(duì)產(chǎn)品的第一眼感覺，使得雙色產(chǎn)品在越來越多的應(yīng)用領(lǐng)域備受青睞。小至各種電子產(chǎn)品、可穿戴醫(yī)療設(shè)備、玩具；大至大型家電、汽車零部件等，都越來越多的采用雙色產(chǎn)品。雙色產(chǎn)品設(shè)計(jì)因不同的用途，在不同的部位上，采用不同的物料，以應(yīng)付特定環(huán)境的需要，達(dá)到延長產(chǎn)品壽命、增加美觀及實(shí)用性目的。與此同時(shí)，雙色產(chǎn)品在應(yīng)用過程中的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、材料、模具、設(shè)備、加工工藝、產(chǎn)品缺陷分析等既是市場關(guān)注的熱點(diǎn)，更是越來越多新產(chǎn)品開發(fā)與制造人員面對(duì)的巨大挑戰(zhàn)。

當(dāng)前實(shí)現(xiàn)雙色產(chǎn)品的主要工藝有：雙色注塑成型、嵌件注塑成型、單色注塑成型+超聲波焊接，我們分別對(duì)三種不同工藝進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明雙色注塑成型工藝在產(chǎn)品質(zhì)量把控上具有明顯優(yōu)勢，但是另外兩種工藝在滿足特定的條件下也是不錯(cuò)的選擇，這對(duì)于墻壁開關(guān)、插座產(chǎn)品雙色塑膠制品開發(fā)具有十分重要的意義。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

產(chǎn)品基本結(jié)構(gòu)：外層透明件，內(nèi)層有色件，中間鉆石紋理，見圖1。

圖1 產(chǎn)品基本結(jié)構(gòu)示意圖

2 雙色注塑成型工藝

2.1 工藝簡介

雙色注塑成型：將兩種不同色澤的塑料注入同一套模具的成型方法，以提高塑件的實(shí)用性和美觀性。

（1）雙色注塑成型原理，見圖2

圖2 雙射注塑成型原理示意圖

（2）雙色注塑成型機(jī)，見圖3

圖3 雙射注塑成型機(jī)示意圖

（3）雙色注塑模具，見圖4

圖4 雙射注塑模具示意圖

2.2 方案制定

（1）CAE模流分析

使用CAE軟件模擬雙射注塑過程，預(yù)測塑料熔體注入模具型腔時(shí)的流動(dòng)情況，從而判斷熔體流動(dòng)給注塑件質(zhì)量帶來的影響，并對(duì)塑料制品的設(shè)計(jì)和注塑模具的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改善，選擇最佳注塑設(shè)計(jì)方案，見圖5。

圖5 模流分析部分結(jié)果示意圖

（2）成型順序

將外層透明件作為一射，內(nèi)層有色件作為二射，減輕二射澆口沖刷痕跡。

（3）材料選擇

材料的選擇不僅要滿足電工產(chǎn)品行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（灼熱絲測試滿足670℃以上，球壓測試滿足70℃以上等），還必須滿足雙色注塑工藝的特性以及產(chǎn)品的特殊要求。一射選用透明PC材料，二射選用改性PC+ABS合金材料，二射材料較一射材料熔點(diǎn)低20℃。

（4）模具布局：一出二，進(jìn)澆方案，見圖6

圖6 進(jìn)膠方案示意圖

（5）主要驗(yàn)證項(xiàng)目

一射/二射材料的相容性；鉆石紋理效果；二射澆口位置沖刷痕跡；產(chǎn)品翹曲變形。

2.3 方案實(shí)施/改善

（1）生產(chǎn)過程不穩(wěn)定，易出現(xiàn)色差，見圖7

圖7 實(shí)物色差對(duì)比示意圖

原因分析：內(nèi)層PC+ABS 材料耐熱性差，加工工藝范圍窄，對(duì)注塑過程中烘料時(shí)間的長短、螺桿溫度高低和熱滯留時(shí)間的長短等因素敏感，受熱黃變產(chǎn)生色差，珍珠白和薄荷綠顏色尤其突出。材料配方中影響耐熱性的主要成分是ABS基料和色粉分散劑。

改善對(duì)策：將ABS更改為耐熱性更高的牌號(hào)，將ABS載體色粉分散劑更改為耐熱更好的PC材質(zhì)色粉分散劑。

改善效果：改善前后不同干燥時(shí)間及不同螺桿滯留時(shí)間對(duì)顏色的影響見下表，從表1數(shù)據(jù)來看改善后干燥24h 色差ΔE=0.42，螺桿滯留15min 色差ΔE=0.41，均小于0.5，受熱黃變得到了明顯改善，批量生產(chǎn)驗(yàn)證連續(xù)穩(wěn)定無明顯色差出現(xiàn)。

表 色差實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

（2）內(nèi)層澆口位置附近流痕，見圖8

圖8 實(shí)物澆口位置流痕示意圖

原因分析：材料流動(dòng)性不良，較大注射壓力時(shí)熔體沿內(nèi)層澆口方向流速快，沖刷外層紋理產(chǎn)生沖痕；較小注射壓力時(shí)膠料在內(nèi)層澆口附近堆積。添加的珠光粉流動(dòng)性差，流動(dòng)過程中滯后于熔體，不均勻聚集產(chǎn)生流痕。

改善對(duì)策：珠光粉由密度較大金屬鋁粉更改為輕質(zhì)云母粉，減少珠光粉在流動(dòng)中的聚集沉降；增加流動(dòng)改善助劑的含量，將熔融指數(shù)MI（260℃，2.16kg）由23g/10min提高到45g/10min，顯著提高材料流動(dòng)性。

改善效果：提高內(nèi)層PC+ABS流動(dòng)性，更改珠光粉后通過注塑工藝的平衡調(diào)整注塑驗(yàn)證可以實(shí)現(xiàn)較好的注塑件外觀，無明顯的流痕。

（3）鉆石紋理效果改善

鉆石紋理輪廓不清晰，主要原因是模具零件使用EDM加工，由于EDM加工特性及電極損耗導(dǎo)致鉆石紋面清角不足。通過改變模具零件紋理制作工藝，EDM改用CNC單向小步距投影加工，改善效果明顯，滿足產(chǎn)品要求。

（4）翹曲變形改善

不同的成型工藝狀態(tài)下，產(chǎn)品的翹曲變形波動(dòng)范圍較大，影響產(chǎn)品功能實(shí)現(xiàn)。通過調(diào)整并固化保壓壓力及保壓時(shí)間固可將翹曲變形控制在0.3mm以內(nèi)，滿足產(chǎn)品要求。

2.4 小結(jié)

雙色注塑工藝可滿足產(chǎn)品的各項(xiàng)技術(shù)要求，注塑周期約45秒，良率大概在93%左右。雙色注塑工藝材料的選擇至關(guān)重要，需考慮材料的相容性，且二射材料的熔融溫度應(yīng)至少比一射材料低20℃；一般選透明件做為一射，可有效減輕二射澆口沖刷痕跡；雙色注塑模具較普通模具結(jié)構(gòu)稍顯復(fù)雜，模具制作精度要求高于普通模具，且需配備專用的雙色注塑機(jī)。

3 嵌件注塑成型工藝

嵌件成型（insert molding）：指在注塑件模具內(nèi)裝入預(yù)先準(zhǔn)備的異材質(zhì)嵌件后注入樹脂，熔融的材料與嵌件接合固化，制成一體化產(chǎn)品的成型工法。

3.1 工藝簡介

工藝簡介見圖9。

圖9 嵌件注塑成型工藝路線示意圖

3.2 方案制定

（1）成型順序

先注塑成型外層透明件，再將外層透明件置入第二副模具中注塑成型內(nèi)層有色件。

（2）材料選擇材料的選用同雙射注塑成型工藝。（3）模具布局

模具布局同雙射注塑成型工藝。

（4）主要驗(yàn)證項(xiàng)目

外層透明件置入模具中的定位及穩(wěn)定性；外觀質(zhì)量：透明件的頂出痕跡；模內(nèi)放置透明件掛傷、壓傷問題；鉆石紋理效果；產(chǎn)品翹曲變形及尺寸的穩(wěn)定性。

3.3 方案實(shí)施/改善

主要問題：產(chǎn)品嚴(yán)重翹曲變形，見圖10。

圖10 產(chǎn)品翹曲變形示意圖

原因分析：翹曲變形的成因見圖11，CAE模流分析結(jié)果顯示冷卻及分子配向影響很小，主要原因在于產(chǎn)品的不均勻收縮，收縮本身并不重要，重要的是收縮上的差異。單獨(dú)成型一射產(chǎn)品，翹曲變形在0.2mm以內(nèi)；一射產(chǎn)品置入模具成型完二射后，產(chǎn)品嚴(yán)重翹曲變形至1.0mm左右，說明產(chǎn)品的翹曲變形主要是二射產(chǎn)品收縮引起的。一射冷卻定型后嵌件二射模具成型二射，將導(dǎo)致一射、二射收縮不同步，這是引起產(chǎn)品翹曲變形的關(guān)鍵所在。

圖11 翹曲變形成因示意圖

改善對(duì)策：注塑工藝優(yōu)化，使用CAE模流分析軟件進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析（DOE），科學(xué)的分析各因素對(duì)產(chǎn)品翹曲變形的影響，找出最佳成型工藝參數(shù)，分析結(jié)果顯示，對(duì)翹曲變形影響最大的兩個(gè)因數(shù)是保壓時(shí)間和保壓壓力，保壓時(shí)間增加，變形減小，保壓壓力越大，變形越小，見圖12；模具預(yù)變形，根據(jù)實(shí)際注塑產(chǎn)品翹曲變形狀況做模具預(yù)變形。

圖12 DOE分析原理及結(jié)果示意圖

改善效果：注塑工藝優(yōu)化，使用CAE模流分析軟件優(yōu)化保壓，見圖13，實(shí)際注塑V/P轉(zhuǎn)換壓力顯示68.16Mpa，優(yōu)化保壓設(shè)置0～4s 80Mpa；4～8s 50Mpa，產(chǎn)品翹曲變形0.5～0.7mm，有明顯改善但還是不能滿足產(chǎn)品要求，需進(jìn)一步改善；模具預(yù)變形測試結(jié)果顯示產(chǎn)品翹曲變形在-0.2～0.2mm之間，有效的改善了翹曲變形，但模具預(yù)變形量太大，產(chǎn)品關(guān)鍵尺寸較難控制。

圖13 注塑壓力XY示意圖

3.4 小結(jié)

嵌件注塑成型工藝由于需要將一射產(chǎn)品置入到模具中注塑成型二射，效率和質(zhì)量明顯低于相比雙射注塑成型工藝。量產(chǎn)需配套無塵車間以及機(jī)械手自動(dòng)放置嵌件，以保證嵌件注塑成型的質(zhì)量及效率。

嵌件注塑成型工藝特性：一射產(chǎn)品已經(jīng)完成結(jié)晶、收縮定型后置入模具內(nèi)注塑成型第二射，二射成型過程是樹脂從高溫液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌毓虘B(tài)的過程，也是樹脂冷卻收縮定型的過程。如一射產(chǎn)品的強(qiáng)度不足以抵抗二射產(chǎn)品的收縮，一射、二射產(chǎn)品的收縮不同步，將會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品嚴(yán)重翹曲變形。所以嵌件注塑成型工藝需特別注意：保證一射產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有足夠強(qiáng)度，以抵抗因二射收縮引起的翹曲變形；或者二射產(chǎn)品使用收縮率小的材料，否則嵌件注塑成型產(chǎn)品的翹曲變形將很難解決。

4 超聲波焊接工藝

利用高頻振動(dòng)波傳遞到兩個(gè)需焊接的物體表面，在加壓的情況下，使兩個(gè)物體表面相互摩擦而形成分子層之間的熔合。

4.1 工藝簡介

工藝簡介見圖14。

圖14 超聲波焊接工藝路線示意圖

4.2 方案制定

（1）成型順序

單獨(dú)注塑成型外層透明件和內(nèi)層有色件，再通過超聲波將內(nèi)、外層焊接在一起。

（2）材料選擇

材料的選用同雙射注塑成型工藝。

（3）模具布局：注塑模具布局同雙射注塑成型工藝，焊頭及治具設(shè)計(jì)符合超聲波焊接原則。

（4）主要驗(yàn)證項(xiàng)目

焊接線設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證；焊接強(qiáng)度（剝離實(shí)驗(yàn)：200N保持1min不脫離）；外觀質(zhì)量：鉆石紋面重影、熔接線是否均勻、焊傷、溢膠；尺寸穩(wěn)定性。

4.3 方案實(shí)施/改善

主要問題：超聲波焊接強(qiáng)度不合格，剝離實(shí)驗(yàn)施加拉力80N時(shí)，產(chǎn)品脫離，見圖15。

圖15 剝離實(shí)驗(yàn)示意圖

原因分析：超聲波焊接參數(shù)設(shè)置，影響焊接強(qiáng)度的主要參數(shù)是延遲時(shí)間、熔接時(shí)間和保壓時(shí)間等；焊接面積，考慮到焊接線的大小直接影響到產(chǎn)品外觀效果，焊接線初始設(shè)計(jì)寬度僅0.8mm，焊接面積不夠可能導(dǎo)致焊接強(qiáng)度不合格，見圖16；材料，一射材料PC熔點(diǎn)270℃，二射材料PC+ABS熔點(diǎn)250℃，熔點(diǎn)相差20℃，兩款不同的材料相熔性較差，影響焊接強(qiáng)度；塑料中的添加劑：阻燃劑、珠光粉等影響焊接強(qiáng)度。

圖16 焊接線設(shè)計(jì)示意圖

改善對(duì)策：調(diào)整超聲波焊接參數(shù)：延遲時(shí)間、熔接時(shí)間和保壓時(shí)間；增大焊接面積；更改塑膠材料，二射產(chǎn)品選用與一射產(chǎn)品相同PC材料。

改善效果：測試結(jié)果顯示影響超聲波焊接強(qiáng)度的關(guān)鍵參數(shù)是熔接時(shí)間，優(yōu)化熔接時(shí)間后，焊接強(qiáng)度剝離測試140N脫離，有改善但剝離強(qiáng)度仍然不合格；增大焊接面積可有效提高超聲波焊接強(qiáng)度，當(dāng)焊接線寬度增加到1.2mm時(shí)，剝離強(qiáng)度合格率40%，但產(chǎn)品焊接線非常明顯，嚴(yán)重影響外觀，見圖17；二射材料變更為PC后超聲波焊接強(qiáng)度有明顯提升，剝離強(qiáng)度合格率100%。

圖17 不同焊接線寬度的實(shí)物對(duì)比示意圖

4.4 小結(jié)

超聲波焊接工藝：一射與二射產(chǎn)品間的鉆石紋面整面無縫接觸，面積大，對(duì)于超聲波焊接而言具有非常大的挑戰(zhàn)性，焊接不足會(huì)導(dǎo)致一射與二射產(chǎn)品紋面重影、焊接強(qiáng)度不合格等問題；焊接過度會(huì)導(dǎo)致溢膠、焊傷等問題。由于產(chǎn)品外觀為透明件，焊接線的設(shè)計(jì)嚴(yán)重影響了產(chǎn)品外觀效果，超聲波焊接工藝不能滿足產(chǎn)品的外觀要求。

材料的選擇對(duì)于超聲波焊接工藝非常重要：非結(jié)晶性塑料的焊接性能比結(jié)晶性的好；硬質(zhì)塑料的焊接性能比柔性的好；相同熔點(diǎn)的塑料材質(zhì)熔接強(qiáng)度越強(qiáng)；塑膠材料的熔點(diǎn)差距越大，熔接強(qiáng)度越差，一般熔點(diǎn)差不超過20℃；塑膠材料的熔點(diǎn)大于350℃時(shí)，不適合用于超聲波焊接。

5 結(jié)束語

雙色注塑成型工藝由于簡化了成品后制程，一次成型省去了嵌件或包膠成型放置工序，在產(chǎn)品質(zhì)量和效率把控上具有明顯優(yōu)勢，但雙色注塑模具較普通模具結(jié)構(gòu)稍顯復(fù)雜，模具制作精度要求高于普通模具，且需配備專用的雙色注塑機(jī)。嵌件注塑成型和超聲波焊接兩種工藝在滿足特定的條件下也是不錯(cuò)的選擇，通常用于小批量生產(chǎn)或缺乏雙射注塑機(jī)資源等情況。