滾塑成型又稱為旋轉(zhuǎn)成型(Rotational Moulding),它是將定量的粉狀樹脂裝入冷態(tài)的模具中,由滾塑機帶動模具繞兩根互相垂直的轉(zhuǎn)軸進(jìn)行緩慢的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn),同時用外加熱源加熱模具,從而使樹脂粉末熔融并借助自身的重力均勻地涂布于整個模具內(nèi)腔表面,后經(jīng)冷卻脫模后得到中空制品的方法^［1］.

　　滾塑成型起源于20世紀(jì)40年代,與傳統(tǒng)的中空塑料制品成型方法(如注塑、吹塑、熱成型等)相比,滾塑成型在成本、裝備制造周期及工藝靈活性等方面的優(yōu)勢是其它成型方法所無法比擬的(見表1)^［2,3］.因而在國外滾塑成型早已形成工業(yè)化生產(chǎn),近年來更是以10～15％的年增長率持續(xù)遞增^［4］,成為小批量生產(chǎn)中、大型或超大型全封閉與半封閉的空心無縫容器的理想、經(jīng)濟、有效的方法..

表1　滾塑成型與其它成型方法的比較

Tab.1　Comparison between rotational moulding and other forming methods

1　滾塑模具設(shè)計概要
　　模具是滾塑成型中不可缺少的重要裝備.合理設(shè)計滾塑模具結(jié)構(gòu)和正確選用模具材料是獲取表面光潔無氣泡、壁厚均勻無應(yīng)力的制品的首要保證.
1.1　滾塑模具結(jié)構(gòu)設(shè)計
　　滾塑模具是一個內(nèi)腔形狀與塑料制品外形相符的薄壁殼體.為方便脫模,在制品的大截面處設(shè)有一個或多個分模面,并在分模處設(shè)置有C形夾頭等快速裝夾的卡具,以保證成型過程中不溢料,成型結(jié)束后又能快速取出制品和重新加料.同時,為了將加熱過程中模內(nèi)受熱膨脹的空氣以及熔融物料內(nèi)低分子化合物分解產(chǎn)生的大量氣體排出模腔,滾塑模具必須在模具上蓋或有孔的地方設(shè)置排氣管,以免模具受壓或制品表面起泡.排氣管一般采用薄壁的金屬氟塑料管,管子直徑由制品尺寸和物料性能決定(一般薄壁制品按每立方米模具體積10～12 mm孔徑設(shè)定^［5］),管子長度應(yīng)保證其末端伸入到模腔中心.為避免在旋轉(zhuǎn)時樹脂粉末從排氣口溢出,內(nèi)管口要用玻璃絲、鋼絲絨、石墨粉等充填.

　　筆者所面對的滾塑制品是直徑為750 mm、壁厚為10 mm的聚乙烯塑料彎管、三通管以及圓球體、橢球體、立方體、多面體等,各個制品都有全封閉的、敞口的以及局部開口的多種變化形式.為降低生產(chǎn)成本,模具設(shè)計時盡量做到一模多用,即在模具大結(jié)構(gòu)不變的情況下,通過局部零件的拆換生產(chǎn)出不同樣式的制品.如在圖2所示的模具中,采用氟塑料(F4)或石棉板做成絕緣隔熱蓋(小孔用堵頭)襯在模具內(nèi)的相應(yīng)位置上,使熔融物料無法粘模,冷卻脫模后就可得到敞口或局部開口的塑料制件;而將此隔熱蓋換成金屬蓋,則可獲得全封閉制件.
1.2　模具材料選擇和壁厚設(shè)計
　　滾塑成型對模具材質(zhì)強度要求不高,但必須具有良好的熱傳導(dǎo)性,并能抵擋頻繁加熱與冷卻過程中的應(yīng)力交替.顯然低碳鋼、鋁、不銹鋼等都是理想的制模材料.模具殼體的壁厚設(shè)計按常壓容器的設(shè)計規(guī)范進(jìn)行,即從剛度計算出發(fā),結(jié)合制品厚度、加熱方式及制模方法等綜合考慮.
　　針對前述滾塑制品的特征,為了保證過渡曲面的成形質(zhì)量,同時盡可能地降低模具成本,我們在設(shè)計時對具有復(fù)雜曲面的管道、球體等采用了5～8 mm厚度的鑄造鋁合金(ZL111)模具,而對形狀相對簡單的立方體、多面體等采用了3～5 mm的不銹鋼板經(jīng)板金加工后焊接而成的模具,在實際生產(chǎn)中取得了良好的效果.

2　鑄鋁模的快速精密鑄造
　　用傳統(tǒng)的砂型鑄造生產(chǎn)的鑄件精度低、制模周期長,鑄件表面質(zhì)量更無法達(dá)到滾塑模的要求,鑄后還需人工打磨拋光.因此,生產(chǎn)滾塑用鑄鋁模就必須采用精密鑄造方法,同時引入快速制模技術(shù),縮短模具的制造周期.只有這樣,滾塑成型少、見效快的優(yōu)勢才能得以充分顯示.
2.1　模殼精密鑄造方法
　　現(xiàn)代精密鑄造的工藝方法多種多樣,對于像滾塑模具這樣尺寸較大且形狀復(fù)雜的單件鑄件采用石膏型或陶瓷型鑄造是非常經(jīng)濟的.
　　石膏型或陶瓷型鑄造是采用糊狀的石膏或陶瓷漿料代替型砂制造鑄型的方法,其鑄型表面的光潔程度遠(yuǎn)超出普通砂型,所獲得的滾塑模內(nèi)壁表面粗糙度可達(dá)Ra 0.8～1.6 μm,不需要再加工即可滿足成形的要求.特別是采用石膏型或陶瓷型后,再配合采用熱模差壓澆注法,使鑄鋁合金的流動性大大提高,進(jìn)一步減小了滾塑模體的壁厚,對加快滾塑成型中的熱量傳導(dǎo)、縮短成型周期是十分有利的.
2.2　快速制模技術(shù)
　　快速制模技術(shù)即運用快速造型技術(shù)RPM(Rapid Prototyping Moulding)制得的原型直接或間接地加工各種金屬模具的方法,是集CAD/CAM、化工、材料和精密機械等新成就于一身的高新技術(shù).
　　目前發(fā)展比較成熟的快速造型方法有激光造型法SLA、薄板層積法LOM、熔絲沉積法FDM和選擇性激光燒結(jié)法SLS等^［6］.在滾塑模制造中,用經(jīng)過表面覆膜處理的LOM原型代替木模直接制造石膏型、陶瓷型(大件)或由原型經(jīng)硅橡膠模過渡轉(zhuǎn)換得到石膏型、陶瓷型(小件),再用石膏型、陶瓷型澆注出金屬模具的方法,實現(xiàn)鑄鋁模的精密鑄造將是十分有利的.
　　LOM(Laminated Object Manufacturing)即薄板層積法,其基本原理首先采用CAD軟件進(jìn)行零件的三維立體造型并轉(zhuǎn)換成STL數(shù)據(jù)格式,隨后根據(jù)工藝要求,按照一定的厚度對CAD模型進(jìn)行分層,生成二維截面信息,再與加工參數(shù)相結(jié)合生成零件的層面加工信息,用此信息來控制激光束對涂有熱融膠的薄片材料(紙、塑料薄膜或復(fù)合材料等)進(jìn)行逐層切割和粘結(jié),終層層堆積生成三維實體原型^［7］.

　　但是,由薄層材料堆積而成的原型,表面不夠光潔,特別是曲面部分實際上呈階梯形,若用此原型代替木模直接制造石膏型或陶瓷型將增加起模阻力;而且在灌注石膏或陶瓷漿料后,原型吸附了漿料中的水分,起模更加困難,甚至可能破壞原型.因此需對LOM原型表面進(jìn)行覆膜處理(即在原型表面覆蓋一層高分子薄膜)后再用于制造石膏或陶瓷型,不僅可使起模輕松便利,也延長了原型的使用壽命.

3　滾塑加工的計算機模擬與控制技術(shù)
　　滾塑加工時的各項工藝條件對制件質(zhì)量起著舉足輕重的作用.長期以來生產(chǎn)中靠經(jīng)驗來確定塑料粉末顆粒的大小與形狀、模具旋轉(zhuǎn)速度、加熱溫度與時間及冷卻時間等工藝參數(shù),帶有一定的盲目性和偶然性,需在實際的成型過程中不斷地嘗試與修正,既耗時又費力.
　　進(jìn)入90年代以后,各國紛紛開始了滾塑成型的計算機模擬與控制技術(shù)的研究,主要著眼于PE(聚乙烯)磨粉工藝控制、成型工藝控制及粉料和熔體的流動與熱傳導(dǎo)模擬等,目前比較成熟的軟件有ROTOLOG 、ROHEAT等.其基本思想是在滾塑模內(nèi)不同位置上設(shè)置一系列長短不一的熱電偶,適時測量模腔內(nèi)部各點的實際溫度,由計算機自動繪制模內(nèi)塑料熔體的溫度曲線,并且比照依據(jù)流變理論所建立的熔體理想成型曲線,自動地調(diào)整不同樹脂、不同模具壁厚狀況下的爐留期、冷卻期和成型周期^［8］等工藝參數(shù),從而為實施滾塑成型的在線控制打下了基礎(chǔ).

4　結(jié) 束 語
　　滾塑成型是生產(chǎn)大型中空塑料制品經(jīng)濟而有效的方法.要在國內(nèi)推廣應(yīng)用滾塑成型,就必須吸收國外的先進(jìn)技術(shù),開發(fā)更多更好的滾塑原料,提高滾塑設(shè)備的自動化水平,縮短模具設(shè)計與制造周期.本文所提出的用LOM原型覆膜技術(shù)實現(xiàn)滾塑用鑄鋁模的快速精密鑄造的方法只是簡化模具制造過程、縮短模具制造周期的一項措施.相信隨著現(xiàn)代材料工業(yè)和機械制造與自動化技術(shù)的不斷進(jìn)步,滾塑成型技術(shù)在我國也會得到飛速的發(fā)展.