摘要：采用一種全新的塑料加工技術(shù)，可以有效減小計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備和汽車用電連接器、插孔、引線框等元件的制造成本。
關(guān)鍵詞：MuCell注塑模工藝;連接器;成本;模塊
1 引言
MuCell注塑模工藝正在被各大電子連接器制造商用來(lái)降低經(jīng)營(yíng)成本和資金成本，提高生產(chǎn)能力，并加快其產(chǎn)品的開發(fā)和上市進(jìn)度。與傳統(tǒng)的工藝相比，MuCell是一種熱塑性注塑模工藝，它可以使電連接器、插孔和絕緣安裝板塑模引線框架等元件在極高的環(huán)境和焊接溫度下獲得較高的尺寸穩(wěn)定性，同時(shí)保持較低的殘存應(yīng)力。
MuCell工藝采用惰性氣體(氮?dú)饣蚨趸?的超臨界液體(SCF)以便在整個(gè)元件中產(chǎn)生一種均勻的、在顯微鏡下近似于細(xì)胞并具有固體壁的結(jié)構(gòu)。MuCell工藝加強(qiáng)了薄壁式連接器的設(shè)計(jì)，提高了加工效率并可以將其產(chǎn)品成本平均降低12%~20%。
目前，MuCell工藝正廣泛地應(yīng)用于連接系統(tǒng)中，包括線束連接器、電子控制模塊H、絕緣安裝板塑模引線框架、IC插孔(如DIMM、RIMM和背板連接器)以及 LGA和BGA 插孔。MuCell工藝作為一種降低成本的戰(zhàn)略性技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車、辦公設(shè)備、工業(yè)以及電氣/電子市場(chǎng)。
2 MuCell 注塑模工藝介紹
MuCell即Microcellular,微發(fā)泡成型技術(shù)最早是由美國(guó)麻省理工學(xué)院首先提出來(lái)的。該技術(shù)的專利持有者是美國(guó)Trexel公司。該技術(shù)的基本原理是在較低而平均的壓力下,依靠氣泡的膨脹來(lái)填充產(chǎn)品。MuCell技術(shù)的使用先從美國(guó)、歐洲開始，隨后延伸到日本及東南亞等地區(qū)。
采用玻璃纖維增強(qiáng)型工程塑料如PBT、尼龍66和高溫尼龍(HTN)，MuCell的電連接器元件具有三個(gè)重要特點(diǎn)：降低循環(huán)時(shí)間，加快產(chǎn)品的開發(fā)以及可用低成本材料替代。與傳統(tǒng)的注塑模技術(shù)相比，MuCell工藝由于減少了P-H階段的工序過(guò)程，并且減少了冷卻時(shí)間，可以將其循環(huán)時(shí)間平均降低20% ~ 30%，見圖1所示。
傳統(tǒng)注塑工藝：開始注射 → 保壓 → 冷卻;
MuCell工藝：開始注射 →保壓(由4s降為0.5s)→冷卻
圖1 由于采用MuCell工藝大幅減少了保壓時(shí)間和冷卻時(shí)間，其循環(huán)時(shí)間平均減少20%~30%
對(duì)于連接器制造商來(lái)說(shuō)，MuCell循環(huán)時(shí)間減少的經(jīng)濟(jì)重要性包括降低經(jīng)營(yíng)成本，避免生產(chǎn)能力的閑置，從而降低資金成本。采用MuCell工藝后，采用玻璃增強(qiáng)型PBT加工汽車電子控制模塊插孔(H)絕緣子的循環(huán)時(shí)間從傳統(tǒng)工藝的32秒鐘降低到現(xiàn)在的24秒鐘。
采用MuCell工藝技術(shù)，改進(jìn)它與模具的尺寸符合度，消除殘存應(yīng)力可以在較短的時(shí)間內(nèi)得到合格的元件尺寸。更為一致和可預(yù)測(cè)的零件尺寸可以加快part-to-steel的速度，減少工模具迭代的次數(shù)，從而能夠在更短的時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)新的連接器研發(fā)程序。使用MuCell工藝和消除殘余應(yīng)力，在玻璃填充尼龍中模制的插入式模制汽車連接器殼體的長(zhǎng)度上的平面度變化從傳統(tǒng)模制中的0.06“減小到0.008”。
隨著電連接器的小型化發(fā)展趨勢(shì)，MuCell工藝通過(guò)減小熔融粘度和壓力來(lái)產(chǎn)生較寬的加工窗，以達(dá)到完全填充薄壁部分和柔性部位，而不會(huì)產(chǎn)生壓應(yīng)力。采取MuCell工藝擴(kuò)展了原來(lái)僅適用于特定應(yīng)用領(lǐng)域的低廉材料的選擇范圍。在某種情況下，可以采用MuCell塑模成型的HTN來(lái)代替用傳統(tǒng)方法塑模成型的液晶聚合物(LCP) ，采用MuCell技術(shù)可以使HTN改進(jìn)流量，并可以提高其尺寸穩(wěn)定性。眾所周知，液晶聚合物是唯一一種不適合采用MuCell注塑模技術(shù)的熱塑性材料。不過(guò)，LCP與其它高溫?zé)崴苄圆牧系幕旌衔镎诔晒Φ剡\(yùn)用MuCell技術(shù)進(jìn)行加工。
3 MuCell工藝基本原理
這種工藝方法首先是在螺桿松退過(guò)程中將超臨界流體(SCF)的氮?dú)饣蚨趸季_地注入機(jī)筒。然后，經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)的MuCell螺桿將SCF分散到聚合物熔體中，形成一種單相融體(液體)。SCF用作臨時(shí)聚合物增塑劑，可將樹脂的粘度降低35%，改善了薄壁部分和柔性構(gòu)件的注入。
(Shut Off Nozzle：截流射嘴;Front Check Ring：前止回環(huán);Gas Injector：氣體注射器;Hopper：料斗;Single phase solution：?jiǎn)蜗嗳芤?Special wiping & mixing section：專用擦拭和混合部分;Middle Check Ring：中間止回環(huán))
圖2 SCF氮?dú)饣蚨趸甲⑸錂C(jī)筒示意圖
需要注意的是，使用Mucell工藝時(shí)必須在注塑機(jī)上裝上特別的螺桿和機(jī)筒：
1. 螺桿具有特殊的螺紋設(shè)計(jì)——超臨界流體(SCF)被射入攪拌區(qū)后需要特別的螺紋來(lái)切碎超臨界流體使之與熱熔膠充分溶解從而形成單相融體;
2. 單相融體必須保持在一定的高壓下才不會(huì)離析, Trexel機(jī)筒有單向止逆閥和開關(guān)式(截流)射嘴設(shè)計(jì)，從而在機(jī)筒前端的射出段形成了一個(gè)密閉高壓的區(qū)間。當(dāng)注射時(shí)，開關(guān)式射嘴打開,單相融體瞬間注入模具型腔，開始發(fā)泡。
在注射和冷卻過(guò)程中，模腔內(nèi)便產(chǎn)生了微泡，由此產(chǎn)生了完全填充零件所需的內(nèi)壓，因此省去了構(gòu)成生產(chǎn)周期的填充和保壓階段，這一階段也是傳統(tǒng)模塑工藝中模塑件應(yīng)力的常見來(lái)源。據(jù)分析，其模腔峰值壓力降幅最高可達(dá)65%，并且由于體積減小以及采用較低的模具溫度，其冷卻時(shí)間一般可以大大縮短。結(jié)果，制作出來(lái)的低應(yīng)力零件尺寸穩(wěn)定性增強(qiáng)，大幅度減少了翹曲變形，泡孔成長(zhǎng)也消除了縮痕，而且在聚合物中不會(huì)留下任何化學(xué)殘留物。
采用MuCell技術(shù)可以大大節(jié)省傳統(tǒng)制程的保壓時(shí)間而減少了制程周期，同時(shí)也解決了傳統(tǒng)射出產(chǎn)品不均勻收縮與翹曲變形等問(wèn)題，從而大幅度提升了產(chǎn)品的尺寸精度。據(jù)測(cè)算，采用這一工藝技術(shù)可以將產(chǎn)品的機(jī)械尺寸最多減少50%，并通過(guò)降低每小時(shí)機(jī)器折舊費(fèi)率有效降低了產(chǎn)品的運(yùn)營(yíng)成本。
用MuCell微發(fā)泡成型工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)注塑成型工藝的填充-保壓制程可以大大改進(jìn)位于薄流道末端的厚壁部分的注射效果。在傳統(tǒng)注塑工藝中，最佳零件設(shè)計(jì)含有澆口，這樣薄壁部分的填充就必須安排在最后，而有了這一澆口位置就難以完全填滿常見的電子連接器零件幾何結(jié)構(gòu)，如薄的撓性構(gòu)件;而MuCell工藝的微發(fā)胞可以完全填充那些壁厚的構(gòu)件，從而形成一個(gè)細(xì)部更清晰且無(wú)殘余應(yīng)力的零件。
圖3 通過(guò)MuCell模板的升級(jí)幾乎可以為任何注塑機(jī)增加模塑能力
MuCell模升級(jí)版(MMU)代表了MuCell技術(shù)的重大成果，因?yàn)榭梢栽趲缀跛械默F(xiàn)行電動(dòng)或液壓注塑機(jī)(見圖3)直接增強(qiáng)MuCell工藝能力。MMU可允許更換現(xiàn)有的螺桿和螺筒，而無(wú)須采用復(fù)雜而高昂的機(jī)械配置。
圖4 傳統(tǒng)技術(shù)塑壓的PBT GF 30 DSC曲線(上圖)與采用MuCell工藝的PBT GF30 DSC曲線(下圖)對(duì)照情況
圖4表示通過(guò)傳統(tǒng)工藝技術(shù)塑壓的PBT GF 30(80℃模具)DSC曲線與采用MuCell工藝的PBT GF 30 (80℃模具)DSC曲線對(duì)照情況。從圖4中可以看出，兩條曲線是相同的。由此可見，采用MuCell工藝不僅可以將其模具溫度降低了60%，而且還保持了其最大的結(jié)晶度。
材料制造商認(rèn)為，對(duì)于具有較低模塑溫度的大多數(shù)半晶體熱塑性材料(包括PBT、 SPS/PA、PA 66和HTN)可以采用MuCell工藝，而不會(huì)影響其結(jié)晶度，詳見圖4所示。這就為采用MuCell工藝來(lái)大幅度地降低冷卻時(shí)間提供可能性，參見圖5。
圖5 采用傳統(tǒng)的注塑成型方法(上圖)無(wú)法在風(fēng)道端注入的用強(qiáng)化玻璃纖維PBT注塑成型的元件通過(guò)MuCell工藝方法(下圖)完全可在相同的熔化和注模溫度下完成
根據(jù)汽車電連接器系統(tǒng)的SAE/USCAR性能標(biāo)準(zhǔn)，MuCell汽車連接器(包括密封在發(fā)動(dòng)機(jī)罩下的連接器)已經(jīng)通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)鑒定。對(duì)于計(jì)算機(jī)、消費(fèi)類和通信電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，采用MuCell工藝加工的所有UL認(rèn)證的塑料元件也得到了UL認(rèn)可，而其強(qiáng)度降低了5%。
通過(guò)在260℃波焊所測(cè)得的在MuCell工藝技術(shù)中端子保持力與傳統(tǒng)塑模電子控制模塊的端子保持力對(duì)比可以看出，采用MuCell技術(shù)可以得到較高的平均和最小端子保持力值。MuCell技術(shù)中端子保持力與傳統(tǒng)塑模電子控制模塊的平均和最小端子保持力分別是28.3 N、41.4 N 和25.5 N、31.6 N。在這種情況下，MuCell工藝所采用的較高的端子保持力施加于較低的殘存應(yīng)力上，這樣一來(lái)就可以在圍繞針孔四周的薄壁上產(chǎn)生極好的尺寸穩(wěn)定性。
帶有0.64mm 和1.50mm 端子的MuCell汽車線束連接器的端子保持力值(無(wú)TPA)大大地超過(guò)了USCAR/SAE-2 性能標(biāo)準(zhǔn)。MuCell最小端子保持力值76 N 也大大高于USCAR/SAE-2 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的30 N。對(duì)于1.5mm的端子來(lái)說(shuō)，MuCell的最小端子保持力值134 N也大大高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的50 N。這些特性結(jié)果值在玻璃纖維增強(qiáng)型尼龍、HTN、SPS/PA和 PBT塑模成型的MuCell汽車連接器中屬于典型特性。
4 結(jié)語(yǔ)
采用MuCell工藝可以降低電子連接系統(tǒng)的成本結(jié)構(gòu)，節(jié)約開發(fā)和推出新產(chǎn)品的時(shí)間及其費(fèi)用。通過(guò)經(jīng)營(yíng)成本、材料成本和資金成本的節(jié)約，電子連接系統(tǒng)MuCell技術(shù)的投資可以將其平均投資回收期降低到18個(gè)月以下。
從板連接器到汽車線束連接器的一系列電連接器中，MuCell工藝可以使得制造商壓塑出尺寸穩(wěn)定的無(wú)應(yīng)力元件，同時(shí)可以大大降低其經(jīng)營(yíng)成本和資金成本。
另外，MuCell制程較一般射出制程具有較短的生產(chǎn)周期，其產(chǎn)品因使用氣體作為發(fā)泡劑而兼具制程環(huán)保、產(chǎn)品輕量化的優(yōu)點(diǎn)且產(chǎn)品塑料可回收。 |
