浅谈双色成形工艺在墙壁开关插座产品中的应用

张杰 胡友才 汪海涛 黄装 邵景昌 章朝红 龚光辉 申会员

（宁波公牛电器有限公司）

0 引言

现代消费产品款式千变万化，既要外型美观、设计精巧，也要迅速适应市场需求。随着人们生活质量的不断提高，愈发注重对产品的第一眼感觉，使得双色产品在越来越多的应用领域备受青睐。小至各种电子产品、可穿戴医疗设备、玩具；大至大型家电、汽车零部件等，都越来越多的采用双色产品。双色产品设计因不同的用途，在不同的部位上，采用不同的物料，以应付特定环境的需要，达到延长产品寿命、增加美观及实用性目的。与此同时，双色产品在应用过程中的产品设计、材料、模具、设备、加工工艺、产品缺陷分析等既是市场关注的热点，更是越来越多新产品开发与制造人员面对的巨大挑战。

当前实现双色产品的主要工艺有：双色注塑成型、嵌件注塑成型、单色注塑成型+超声波焊接，我们分别对三种不同工艺进行了验证，结果表明双色注塑成型工艺在产品质量把控上具有明显优势，但是另外两种工艺在满足特定的条件下也是不错的选择，这对于墙壁开关、插座产品双色塑胶制品开发具有十分重要的意义。

1 产品结构

产品基本结构：外层透明件，内层有色件，中间钻石纹理，见图1。

图1 产品基本结构示意图

2 双色注塑成型工艺

2.1 工艺简介

双色注塑成型：将两种不同色泽的塑料注入同一套模具的成型方法，以提高塑件的实用性和美观性。

（1）双色注塑成型原理，见图2

图2 双射注塑成型原理示意图

（2）双色注塑成型机，见图3

图3 双射注塑成型机示意图

（3）双色注塑模具，见图4

图4 双射注塑模具示意图

2.2 方案制定

（1）CAE模流分析

使用CAE软件模拟双射注塑过程，预测塑料熔体注入模具型腔时的流动情况，从而判断熔体流动给注塑件质量带来的影响，并对塑料制品的设计和注塑模具的设计方案进行改善，选择最佳注塑设计方案，见图5。

图5 模流分析部分结果示意图

（2）成型顺序

将外层透明件作为一射，内层有色件作为二射，减轻二射浇口冲刷痕迹。

（3）材料选择

材料的选择不仅要满足电工产品行业标准（灼热丝测试满足670℃以上，球压测试满足70℃以上等），还必须满足双色注塑工艺的特性以及产品的特殊要求。一射选用透明PC材料，二射选用改性PC+ABS合金材料，二射材料较一射材料熔点低20℃。

（4）模具布局：一出二，进浇方案，见图6

图6 进胶方案示意图

（5）主要验证项目

一射/二射材料的相容性；钻石纹理效果；二射浇口位置冲刷痕迹；产品翘曲变形。

2.3 方案实施/改善

（1）生产过程不稳定，易出现色差，见图7

图7 实物色差对比示意图

原因分析：内层PC+ABS 材料耐热性差，加工工艺范围窄，对注塑过程中烘料时间的长短、螺杆温度高低和热滞留时间的长短等因素敏感，受热黄变产生色差，珍珠白和薄荷绿颜色尤其突出。材料配方中影响耐热性的主要成分是ABS基料和色粉分散剂。

改善对策：将ABS更改为耐热性更高的牌号，将ABS载体色粉分散剂更改为耐热更好的PC材质色粉分散剂。

改善效果：改善前后不同干燥时间及不同螺杆滞留时间对颜色的影响见下表，从表1数据来看改善后干燥24h 色差ΔE=0.42，螺杆滞留15min 色差ΔE=0.41，均小于0.5，受热黄变得到了明显改善，批量生产验证连续稳定无明显色差出现。

表 色差实验数据

（2）内层浇口位置附近流痕，见图8

图8 实物浇口位置流痕示意图

原因分析：材料流动性不良，较大注射压力时熔体沿内层浇口方向流速快，冲刷外层纹理产生冲痕；较小注射压力时胶料在内层浇口附近堆积。添加的珠光粉流动性差，流动过程中滞后于熔体，不均匀聚集产生流痕。

改善对策：珠光粉由密度较大金属铝粉更改为轻质云母粉，减少珠光粉在流动中的聚集沉降；增加流动改善助剂的含量，将熔融指数MI（260℃，2.16kg）由23g/10min提高到45g/10min，显著提高材料流动性。

改善效果：提高内层PC+ABS流动性，更改珠光粉后通过注塑工艺的平衡调整注塑验证可以实现较好的注塑件外观，无明显的流痕。

（3）钻石纹理效果改善

钻石纹理轮廓不清晰，主要原因是模具零件使用EDM加工，由于EDM加工特性及电极损耗导致钻石纹面清角不足。通过改变模具零件纹理制作工艺，EDM改用CNC单向小步距投影加工，改善效果明显，满足产品要求。

（4）翘曲变形改善

不同的成型工艺状态下，产品的翘曲变形波动范围较大，影响产品功能实现。通过调整并固化保压压力及保压时间固可将翘曲变形控制在0.3mm以内，满足产品要求。

2.4 小结

双色注塑工艺可满足产品的各项技术要求，注塑周期约45秒，良率大概在93%左右。双色注塑工艺材料的选择至关重要，需考虑材料的相容性，且二射材料的熔融温度应至少比一射材料低20℃；一般选透明件做为一射，可有效减轻二射浇口冲刷痕迹；双色注塑模具较普通模具结构稍显复杂，模具制作精度要求高于普通模具，且需配备专用的双色注塑机。

3 嵌件注塑成型工艺

嵌件成型（insert molding）：指在注塑件模具内装入预先准备的异材质嵌件后注入树脂，熔融的材料与嵌件接合固化，制成一体化产品的成型工法。

3.1 工艺简介

工艺简介见图9。

图9 嵌件注塑成型工艺路线示意图

3.2 方案制定

（1）成型顺序

先注塑成型外层透明件，再将外层透明件置入第二副模具中注塑成型内层有色件。

（2）材料选择材料的选用同双射注塑成型工艺。（3）模具布局

模具布局同双射注塑成型工艺。

（4）主要验证项目

外层透明件置入模具中的定位及稳定性；外观质量：透明件的顶出痕迹；模内放置透明件挂伤、压伤问题；钻石纹理效果；产品翘曲变形及尺寸的稳定性。

3.3 方案实施/改善

主要问题：产品严重翘曲变形，见图10。

图10 产品翘曲变形示意图

原因分析：翘曲变形的成因见图11，CAE模流分析结果显示冷却及分子配向影响很小，主要原因在于产品的不均匀收缩，收缩本身并不重要，重要的是收缩上的差异。单独成型一射产品，翘曲变形在0.2mm以内；一射产品置入模具成型完二射后，产品严重翘曲变形至1.0mm左右，说明产品的翘曲变形主要是二射产品收缩引起的。一射冷却定型后嵌件二射模具成型二射，将导致一射、二射收缩不同步，这是引起产品翘曲变形的关键所在。

图11 翘曲变形成因示意图

改善对策：注塑工艺优化，使用CAE模流分析软件进行试验设计分析（DOE），科学的分析各因素对产品翘曲变形的影响，找出最佳成型工艺参数，分析结果显示，对翘曲变形影响最大的两个因数是保压时间和保压压力，保压时间增加，变形减小，保压压力越大，变形越小，见图12；模具预变形，根据实际注塑产品翘曲变形状况做模具预变形。

图12 DOE分析原理及结果示意图

改善效果：注塑工艺优化，使用CAE模流分析软件优化保压，见图13，实际注塑V/P转换压力显示68.16Mpa，优化保压设置0～4s 80Mpa；4～8s 50Mpa，产品翘曲变形0.5～0.7mm，有明显改善但还是不能满足产品要求，需进一步改善；模具预变形测试结果显示产品翘曲变形在-0.2～0.2mm之间，有效的改善了翘曲变形，但模具预变形量太大，产品关键尺寸较难控制。

图13 注塑压力XY示意图

3.4 小结

嵌件注塑成型工艺由于需要将一射产品置入到模具中注塑成型二射，效率和质量明显低于相比双射注塑成型工艺。量产需配套无尘车间以及机械手自动放置嵌件，以保证嵌件注塑成型的质量及效率。

嵌件注塑成型工艺特性：一射产品已经完成结晶、收缩定型后置入模具内注塑成型第二射，二射成型过程是树脂从高温液态转变为常温固态的过程，也是树脂冷却收缩定型的过程。如一射产品的强度不足以抵抗二射产品的收缩，一射、二射产品的收缩不同步，将会导致产品严重翘曲变形。所以嵌件注塑成型工艺需特别注意：保证一射产品结构有足够强度，以抵抗因二射收缩引起的翘曲变形；或者二射产品使用收缩率小的材料，否则嵌件注塑成型产品的翘曲变形将很难解决。

4 超声波焊接工艺

利用高频振动波传递到两个需焊接的物体表面，在加压的情况下，使两个物体表面相互摩擦而形成分子层之间的熔合。

4.1 工艺简介

工艺简介见图14。

图14 超声波焊接工艺路线示意图

4.2 方案制定

（1）成型顺序

单独注塑成型外层透明件和内层有色件，再通过超声波将内、外层焊接在一起。

（2）材料选择

材料的选用同双射注塑成型工艺。

（3）模具布局：注塑模具布局同双射注塑成型工艺，焊头及治具设计符合超声波焊接原则。

（4）主要验证项目

焊接线设计方案验证；焊接强度（剥离实验：200N保持1min不脱离）；外观质量：钻石纹面重影、熔接线是否均匀、焊伤、溢胶；尺寸稳定性。

4.3 方案实施/改善

主要问题：超声波焊接强度不合格，剥离实验施加拉力80N时，产品脱离，见图15。

图15 剥离实验示意图

原因分析：超声波焊接参数设置，影响焊接强度的主要参数是延迟时间、熔接时间和保压时间等；焊接面积，考虑到焊接线的大小直接影响到产品外观效果，焊接线初始设计宽度仅0.8mm，焊接面积不够可能导致焊接强度不合格，见图16；材料，一射材料PC熔点270℃，二射材料PC+ABS熔点250℃，熔点相差20℃，两款不同的材料相熔性较差，影响焊接强度；塑料中的添加剂：阻燃剂、珠光粉等影响焊接强度。

图16 焊接线设计示意图

改善对策：调整超声波焊接参数：延迟时间、熔接时间和保压时间；增大焊接面积；更改塑胶材料，二射产品选用与一射产品相同PC材料。

改善效果：测试结果显示影响超声波焊接强度的关键参数是熔接时间，优化熔接时间后，焊接强度剥离测试140N脱离，有改善但剥离强度仍然不合格；增大焊接面积可有效提高超声波焊接强度，当焊接线宽度增加到1.2mm时，剥离强度合格率40%，但产品焊接线非常明显，严重影响外观，见图17；二射材料变更为PC后超声波焊接强度有明显提升，剥离强度合格率100%。

图17 不同焊接线宽度的实物对比示意图

4.4 小结

超声波焊接工艺：一射与二射产品间的钻石纹面整面无缝接触，面积大，对于超声波焊接而言具有非常大的挑战性，焊接不足会导致一射与二射产品纹面重影、焊接强度不合格等问题；焊接过度会导致溢胶、焊伤等问题。由于产品外观为透明件，焊接线的设计严重影响了产品外观效果，超声波焊接工艺不能满足产品的外观要求。

材料的选择对于超声波焊接工艺非常重要：非结晶性塑料的焊接性能比结晶性的好；硬质塑料的焊接性能比柔性的好；相同熔点的塑料材质熔接强度越强；塑胶材料的熔点差距越大，熔接强度越差，一般熔点差不超过20℃；塑胶材料的熔点大于350℃时，不适合用于超声波焊接。

5 结束语

双色注塑成型工艺由于简化了成品后制程，一次成型省去了嵌件或包胶成型放置工序，在产品质量和效率把控上具有明显优势，但双色注塑模具较普通模具结构稍显复杂，模具制作精度要求高于普通模具，且需配备专用的双色注塑机。嵌件注塑成型和超声波焊接两种工艺在满足特定的条件下也是不错的选择，通常用于小批量生产或缺乏双射注塑机资源等情况。