光盤注塑技術縱橫談

隨著國際互聯網的發展，IT數碼產品大量地進入到我們生活中。據統計，DVD-R在2005年的全球市場總容量為17億片，2006年預計將達到35億片，將來還將以2.5～3倍的速度繼續增長。就我國來看，市場消費潛力十分巨大。近年來VCD、DVD、PC機等相關設備大量進入市場，也帶動了光盤的市場需求。相對于歐美等地區市場，我國的潛在需求還是相當巨大的。

光盤又稱為光存儲器。其母盤是由耐高溫的高強度聚碳酸酯為材料，用鏡面精度在20～30納米的超精密模具在超精密注塑機上加工制造出來的。在母盤上，分布有無數信號記錄凹槽，這些凹槽都是模具在注塑機強大的合模力作用下壓制出來的，凹槽根據盤片格式的不同也有所不同，其中CD、VCD信號記錄凹槽寬度為0.56微米，深度為0.11微米，行距為1.5微米；DVD的信號記錄凹槽寬度為0.28微米，深度為0.11微米，行距為0.75微米。在CDR（一次性刻錄只讀光盤）的預制凹槽上涂上有機塑料，經過刻錄激光頭激光信號的燒蝕，便將信號永久保留在光盤上了，經讀取則可拾取信號。CDRW（可多次擦寫刻錄光盤）的信號凹槽相對較淺只有40～50納米，里面噴鍍沉積有記憶合金Ag、In、Sb、Te等，利用合金在晶態與無定型態對激光的反射率的差別，來擦寫記錄和讀取信號。

正是因為光盤的信號凹槽的深度在納米級別，對于模具的精度要求，對于注塑成型設備的要求，也就特別的高。在國際市場上，光盤生產線的注塑機主要集中由德國克勞斯瑪菲（Krauss-Maffei）、瑞士耐馳特（NEtSTAL）、日本住友、瑞典TOOLEX幾個公司生產，尤其是瑞士NEtSTAL和日本住友公司最負盛名，代表著注塑機的最高水平。

技術難題

光盤注塑機由鎖模裝置、注射裝置、冷卻系統、液壓系統和電腦控制系統等組成。光盤母盤外徑分為80毫米和120毫米兩種，而厚度卻小于1.2毫米，這意味著母盤材料的熔融料在模腔中的流程、流道比（流程深度與流道厚度之比）很大。因此塑料熔體在充模過程中制品質量不易均勻。而且母盤是圓形盤片，主澆道設在盤的中心，注入的塑料熔體進入模腔以后，必須沿著圓周360度的方向快速均勻的推進，沿著徑向有序的流向圓周邊沿。如果在流程中出現局部流速過快，竄流或者輔流等都會導致局部熔料分子取向并形成內應力；如果母盤在冷卻過程中速度不均勻，也將形成局部殘余應力；如果鎖模模板不平行，不但會使母盤質量不穩定，更嚴重的是可能會損壞模具。因此針對光盤制品要求精度高、穩定性能好、生產效率高、潔凈度高、光學性能好等特點，對注塑機的要求主要有以下幾點：

◆ 系統整體運行穩定可靠，開合模快速平穩，模板起停定位精度高，模板平行度誤差小，鎖模力準確穩定。
◆ 塑化系統效率高、速度快、質量好、計量準確。
◆ 注射壓力高、注射速度快，多級可調。保壓轉換點準確，保壓壓力穩定，并且多級可調。
◆ 溫控準確。
◆ 整機噪音低、潔凈、無油污。

解決方案對比分析

從九月初在上海結束的中國國際光存儲設備展覽會及學術交流會的信息來看，目前國際上的光盤生產線多采用全液壓式或全電動式注塑機，近年來電動－液壓復合式注塑機也有所應用。

現就全液壓式注塑機與全電動式注塑機分類進行優劣對比。

一、合模部分

光盤注塑對合模動作要求快速、平穩且壓力轉換快速精準，模板平行度以及起停位置精度要求都很高。

盡管全液壓式注塑機存在液壓油的可壓縮性問題，但是液壓在靜止的時候壓力處處相等，所以模板和模具受力都相當均勻。

全電動式注塑機一般用伺服電機取代了原來的油缸推動肘桿作開合模運動。所以原來肘桿式結構所存在的問題繼續存在，如加工精度要求高、易磨損、調模困難等。由于使用伺服電機，可以使肘桿在不同的角度停下來，有利于鎖模力的改變，并可以進行壓縮成型。并且，由于沒有油壓慣性的影響，所以噪音比較低，控制精度高。但是這一切都是以肘桿和滾珠絲桿沒有磨損、制造和裝配精度高并且模具安裝平面平行為前提的。而一般全電動注塑機在使用一年時間左右，便都會出現肘桿和滾珠絲桿磨損所帶來的麻煩。此時不但機器的精密度降低，而且滾珠絲桿上會出現一個附加的徑向力，從而加速磨損使精密度進一步快速下降，并帶來效率降低、噪音增大等問題。此外，如果肘桿在未完全撐直就開始注射，高壓的熔融塑料對模具強大的漲模力會作用在滾珠絲桿以及伺服電機的主軸之上，此力足夠大的時候便可能導致滾珠絲桿和伺服電機的損壞！

二、注射部分

光盤屬于薄壁制品，光盤上的信息凹槽深度在納米級精度。為了保證復制信號的準確性，要求注射過程在高速高壓的條件下進行，并且注射、保壓過程的速度、壓力多段可調，保壓轉換點準確。否則，盤片制造出來之后可能會出現信號丟失、信號不完整以及盤片翹曲、銀紋等缺陷。同時，為了保證整機循環周期盡量短，因此機筒螺桿的塑化速度要求非常高，而且要求塑化量非常準確，塑化的速度、背壓也是多級可調，以滿足在高速的情況下依然有很好的塑化效果。因此采用專用的螺桿，這也有利于保證在成型過程中不會出現氣泡、黑點和雜質等缺陷。

目前，全液壓式注塑機在注射部分的結構一般分為雙缸注射與單缸注射兩種。雙缸注射裝置具有軸向長度短，注射油缸、螺桿、油馬達三者之間的連接關系比較簡單等優點。但是這種結構注射負載大，難以精密控制。單缸一線式注射裝置則有利于精密控制，不過結構比較復雜，制造精度要求也比較高。

在全電動注塑機中注射系統一般有兩種結構，一種是帶傳動結構，一種是電機直接驅動。顯然，加入帶傳動之后精度會受到一定的影響，而不用皮帶傳動雖然結構比較簡單，但是要求電機轉速較低、轉矩較大，且其過載保護能力較弱。不過，塑化的時候采用伺服電機控制螺桿旋轉，塑化計量的精度會比較高，轉速也較穩定，且可以無級調速。在注射的時候，伺服電機帶動滾珠絲桿驅動螺桿進行注射，控制的精度也很高，反應也很靈敏，有利于多級注射調節。但是，由于滾珠絲桿的高負載高轉速并且頻繁啟停，所以磨損也比較大。伺服電機在注射時啟動速度比一般的液壓式快，但是如果液壓系統加裝蓄能器，將比伺服電機啟動更快，同樣的如果將蓄能器用于快速注射，其速度也可以快過伺服電機的注射速度。當然，用伺服電機對于注射壓力和速度的控制都是比較準確的，但是進入保壓時，由于伺服電機不能夠在停轉的狀態下提供大的扭矩，所以只能間斷的轉動，靠測量螺桿前面物料的壓力進行補壓。這樣，一方面滾珠絲桿不斷啟停承受沖擊力將加速磨損，另一方面電機頻繁啟停將導致發熱，能耗也變大，壓力也不易穩定。



總的來講，全電動式注塑機與全液壓式注塑機都各自具有自己的優勢與劣勢，將兩者相結合制造出來的注塑機也不盡人意。所以，國際上高精密注塑機依然在朝全電動式和全液壓式兩個方向上發展。下面將從10個方面進行對比討論：

1）節能方面

全電動式注塑機在節能上比全液壓式有一定的優勢，但絕不是像一些廠家宣傳的節能效率那么高。因為注塑機能耗最大的是在加熱過程、注射過程以及塑化過程，液壓式注塑機的動作是循序進行，而電動式注塑機則必須頻繁啟動；況且，生產不同產品其節能效果是有很大差別的，若用全電動式生產薄壁制品可能節能就沒有那么多。而且許多廠家的節能是與單缸液壓式相比較的，如果與其它結構的全液壓式或肘桿式相比，節能效果就不是那么明顯了。同時，如果全液壓式注塑機采用多泵、變量泵液壓系統，應用變頻器控制電機轉速，采用負載反應型注射系統等方案，其節能效果也能與全電動式的不相上下。

2）降噪方面

全電動式注塑機的一個宣傳口號就是寧靜，對于這一點，如果其中的肘桿以及滾珠絲桿均沒有磨損且裝配精度較高時確實是如此的。但是一旦產生磨損或者裝配精度不高，那么在注射以及開模過程中均會產生很大的震動和噪音，而且一旦發生，這一切都將加速其進一步惡化。

3）精度方面

盡管全液壓式存在液壓油的可壓縮性等問題，但是由于液壓在靜止的時候壓力是處處相等的，所以采用兩板式液壓合模機構的精度很高。如果在注射以及塑化系統采用伺服閥控制，其控制精度也將是非常高的，全電動式合模裝置由于還存在肘桿和滾珠絲桿的磨損問題，所以機械精度以及磨損必然將影響制品質量，因此其鎖模精度還是沒有全液壓式的高。這方面在加工光盤方面也得到了驗證，全電動式只能生產DVD5與VCD、CD等，DVD9以上及CD-R、DVD-R、DVD-RW等均難以應用電動式注塑機加工。不但如此，全電動式的精度還會隨著使用時間的增加而不斷加速下降。

4）價格成本方面

全電動式的價格比全液壓式一般要高30％以上，在綜合性能沒有比全液壓式的特別高的情況下，如此高的價格，市場是否接受也是值得思考的。

5）使用壽命問題

全電動式主要是剛才所講的肘桿及滾珠絲桿的磨損問題，這種問題一旦出現必將加速惡化。而全液壓式的主要問題則是液壓密封件的老化問題。

6）維修費用問題

伺服電機的質量應該是可信的，維修率較低，但是如果出現故障，維修成本將會很高，而且滾珠絲桿及肘桿的維修也是一件十分困難的事情。

7）使用費用方面

全電動式不必用液壓油，也不用冷卻器，這方面不但節省成本，而且也減少污染，當然也有例外。因為隨著使用時間的增加，一些因為磨損所帶來的一系列問題便會接踵而至，暴露無遺。

8）功能擴展方面

由于全電動式對于增加抽芯或者鉸牙沒有液壓式的方便，用戶購機時也很難選擇。如果機器出廠時不配備這些功能，那么以后要增加這些裝置將特別困難。

9）過載保護功能方面

全電動式完全依靠機械傳動，這既是它的優點，也是它的缺點。優點在于精度高，缺點是機器一旦出現故障，如螺桿被卡死，伺服電機可能會因為堵轉而發熱燒壞。而這方面全液壓式的就要好得多，因為全液壓式的注塑機都配備了泄流保護裝置，一旦系統因為故障油壓高到設定值使得可能出現危險的時候，保護裝置自動泄流使系統壓力不至于再升高，以保證不會損壞設備。

10）環境適應能力方面

由于全電動式注塑機對于環境的要求較高，如環境中有較多灰塵會加速伺服電機及滾珠絲桿的磨損。當然全液壓式注塑機在這方面也有較高的要求，因為空氣中的灰塵、水蒸氣等都可能影響液壓油和潤滑裝置的使用效果和質量。