识别和测试创新的注塑模具表面性能已成为近期比较热门的话题。
LIPSS的SEM显微照片沿两个不同方向对齐。图片来源：马萨诸塞州洛厄尔大学的塑料工程系和帕多瓦大学的工业工程系。
塑料工程师协会（SPE）的模具技术部（MTD）多年来一直在ANTEC会议上组织技术讲座。在今年年初，MTD董事会兴奋地前往圣安东尼奥市，举办了一次会议，并与工业界和学术界人士进行了模具技术讨论。但是，COVID-19大流行迫使SPE重新审查该计划，并将该会议转换为线上会议。
该SPE的ANTEC 2020：线上会议举办于在三月至五月，时长为六个星期。MTD通过Zoom会议在线主持了技术讲座，从而为问答环节和虚拟互动提供了更多时间。MTD董事会对听取演讲的参与者人数增加以及后续问答和讨论的有效性表示非常满意。同时，与会者指出了面对面交流的重要性，表明面对面对话的效率更高。
讨论的重点是不同的功能化技术，包括超快激光纹理化，涂层表面改性和使用等离子体的表面活化。
不同的团队介绍了他们在美国，意大利和德国等不同国家的不同大学开展的研究项目。高质量的演讲由年轻的研究生提供，他们都对模具技术创新和模具制造表现出了极大的热情。此外，讲座的技术内容突出了人们对模具表面性能和功能的关注。
尽管每个项目都是独特的，但是却出现了一个主题，即它们共同致力于识别和测试注塑模具表面的创新性能。讨论的重点是不同的功能化技术，包括超快激光纹理化，涂层表面改性和使用等离子体的表面活化。他们这些先进技术带来的可观收益将为模具制造行业带来令人兴奋的机遇。
塑料产品的表面性能已通过注塑成功地用于多种应用和细分市场。纹理化可以创建多种尺度的表面特征，从毫米范围到纳米范围。通常，模具表面具有一定的纹理，可以在注塑产品上复制特定的表面功能。已经实现了不同的功能，例如抗微生物，光学，美学，摩擦等等。
考虑模具表面功能化时，可用信息有限。通常，模具功能化有两种主要方法：表面生成或纹理化和表面改性。模具表面的纹理可以通过蚀刻，微加工，光刻，激光烧蚀等方法实现。大多数技术需要专用的设备和熟练的技术人员来保证在微米或亚微米级别的准确性和精确性。模具制造商通常从专门的合作伙伴那里获取这些资源，这些合作伙伴只专注于表面纹理设计和制造。
另一方面，涂层可以通过沉积一薄层陶瓷材料来改变机械和化学表面性能。这种方法通过解决磨损问题来帮助延长工具寿命，当使用高粘度或填充树脂时，磨损问题可能会加剧。然而，聚合物/涂层的界面相互作用并不直接，因此，界面化学和加工热力学起着重要作用。
尽管每个项目都是独特的，但它们都专注于识别和测试注塑模具表面的创新性能，引发了有关模具制造行业新机遇的讨论。
模具表面处理
要了解特定模具表面处理对注塑成型过程的影响，就需要研究不容易监控的界面现象。这些研究人员使用传感器，机器接线和数据分析来评估模具表面对注塑成型过程的影响。提出了三个主要发现：（1）表面性能对聚合物填充的影响；（2）脱模；（3）多材料注射成型的活化。
1.对填充的影响：使用飞秒激光对注塑模具进行亚微米变形
麻省洛厄尔大学塑料工程系的研究人员介绍了与意大利帕多瓦大学工业工程系合作的结果。该小组分析了表面纹理对聚合物填充流动的影响，并报告了注射压力的有益降低。飞秒激光用于产生尺寸小于一微米（或0.04千分之一英寸）的波纹。纹理化过程利用了传递到模具表面的每单位面积的高能量（累积通量），从而控制了微结构和纳米结构的尺寸和规则性。
至关重要的是要注意激光不会直接烧蚀钢。但是，它在扫描时仍保留其“指纹”。产生的亚微米结构是激光诱导的周期性表面结构（LIPSS），并且它们在塑料注射成型中的应用正在增长。
通过控制激光束的偏振方向，使纹理以与聚合物流不同的方向排列。他们使用先进的计量设备（例如扫描电子显微镜和原子力显微镜）检查了纹理的质量。然后，使用实验性注塑成型装置测量它们对注射压力的影响，其中在模具底座中更换不同的模具嵌件。
当与聚合物流对齐时，结构的效果是注射压力降低了7％。在演示中，研究人员考虑了空腔中聚合物熔体的流变行为，解释了这种效应。亚微米质地有利于聚合物熔体在与模具表面的界面处滑动。结果可能有助于设计更薄的塑料，从而为减少塑料消耗创造机会。同样，纹理可以用于改善高粘度树脂的加工，例如工程级或消费后级。
注射模具设置用于研究填充阶段的纹理化效果。图片来源：马萨诸塞州洛厄尔大学的塑料工程系和帕多瓦大学的工业工程系。
研究人员团队最近已对该技术申请了专利（意大利专利N.102018000001348，国际PCT / EP2019 / 050818），并将继续研究聚合物/模具界面相互作用的基本方面。
2.对喷射的影响：通过表面改性降低脱模力
由GemeinnützigeKIMW-Forschungs-GmbH（德国Luedenscheid）和Kunststoff-InstitutFürdiemittelständischeWirtschaft NRW GmbH（德国Luedenscheid）的研究人员共同研究的是模具表面涂层对喷射力的影响。在工具模具上评估的顶出力着眼于模制塑料和涂层模具插件之间的摩擦扭矩。
他们使用实验装置研究了模具表面性能对注塑参数和树脂性能的影响。他们使用TiN，CrN和化学Ni + BN涂层对型腔表面进行了改性。他们还考虑了不同的模具纹理，例如喷砂，镜面抛光，EDM，化学蚀刻和其他不同抛光的表面。
注射模具用于表征涂层对顶出力的影响。图片来源：GemeinnützigeKIMW-Forschungs-GmbH和Kunststoff-InstitutfürdiemittelständischeWirtschaft NRW GmbH。
结果表明，不同的树脂在弹出时会导致非常不同的静摩擦和动摩擦行为，并且某些聚合物（例如，POM）表现出非常稳定的行为，而对于其他聚合物（例如，PC / ABS），反复弹出力之间的标准偏差测量值要高得多。
与未涂层的刀片相比，该涂层可有效减少静摩擦和动摩擦。但是，值得注意的是，用不同的树脂处理会产生各种效果，这表明需要研究喷射过程中，聚合物/模具相互作用。较高的表面粗糙度，是由于较高的附着力而增加了喷射力。
使用仪器化的模具针对不同模具表面测量的顶出参数。图片来源：GemeinnützigeKIMW-Forschungs-GmbH和Kunststoff-InstitutfürdiemittelständischeWirtschaft NRW GmbH。
3.对粘接的影响：多注塑成型中的在线表面活化
来自帕德博恩大学（德国）的帕德博恩艺术学院的研究人员进行了一项研究，他们使用等离子体活化技术将两种聚合物的表面粘合在注塑模具内。使用InMould-Plasma技术可以在多材料注塑过程中粘合不相容的树脂。
用等离子体（部分或全部离子化的气体）进行表面活化，是一种广泛使用的键合技术。但是，通常在模具外部进行后处理。在他们的工作中，研究人员研究了模具内部技术的集成，从而消除了额外的加工步骤。
配备InMould-Plasma表面活化和粘合系统的注塑模具。图片来源：帕德博恩大学的帕德博恩艺术学院。
实验是使用InMould-Plasma技术进行的，该技术集成到一个模块化的三工位两组分包覆成型工具中。模具使用软质和硬质聚合物生产剥离试样。在第一个注射成型工位（蓝色模具板）中，在固定模具侧模制一块正方形板。第二个工位（绿色模具板）是等离子工位，它在先前注入的板前滑动。表面活化遵循等离子体在其中流动的弯曲通道的图案。最后，将第二种聚合物注入到第三工位（棕红色模板）的功能化表面上。
测量通常不相容的聚合物（例如聚丙烯和聚氨酯）的剥离强度（PP / TPU）证明了等离子体表面活化的效率。结果表明，大大增加了材料的相容性，并提高了剥离强度（即高于12.5 N / mm）。
