本发明专利技术公开了一种基于CO2激光器的塑料塑化方法和装置，涉及激光塑化成型加工领域。本发明专利技术是根据激光与聚合物相互作用的光热效应，对于CO2激光器产生的光能，绝大多数塑料几乎完全吸收。通过精确控制激光参数：波长、光斑尺寸、能量、辐照方式，控制激光辐照塑料的温度升值范围，对塑料固体进行激光加热塑化，实现聚合物由玻璃态—高弹态—粘流态的塑化过程，最终完成聚合物成型加工。本发明专利技术具有塑料熔化时间短、塑化均匀和塑化稳定性好的优点，克服了传统塑料塑化过程中塑化效率低和塑化不均匀等难题，适用于塑料微成型加工，具有较高的应用价值。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及激光微成型领域，特指一种基于(X)2激光器的塑料塑化方法和装置，适用于微小型塑料制件的塑化微成型加工。
技术介绍
塑料的塑化是聚合物由玻璃态一高弹态一粘流态形态转变的过程，其塑化方式很多，包括加热和螺杆剪切塑化、超声波塑化、微波塑化及振动塑化等，塑化后的塑料熔体用于进行注塑、挤塑和压铸成型等。例如，在微注塑成型领域，加热和螺杆剪切塑化是最常用的，由于螺杆加工难度大和强度要求高，螺杆直径一般不能低于14mm，使得设备对一次注射量的控制精度和成型质量的稳定性较差，德国的Battenfeld公司推出的Mcirosystem系列微型注塑机MciorsystemSO，是专门为成形精密微型塑件设计的一种全电子驱动的注塑机，其最小塑化量为25mg到lOOmg，代表了商业化的微型注塑成型技术的最高水平。目前，利用激光能量场和聚合物相互作用的热效应原理，激光的热效应在激光塑料焊接、烧结成型、切割、微成型等领域，已经有了广泛研究与应用。例如，激光焊接塑料的应用研究开始于1970年，起初应用(X)2激光，由于大部分塑料材料在这个波长范围内都显示出很强的吸收性，使高速激光焊接加工成为可能，但是由于CO2激光波长较长，不能透过塑料材料，从而使工程塑料的搭接焊受到了限制；近几年，采用近红外Nd :YAG激光(λ = 1 .06 μ m)光源，利用透过激光塑料和吸收激光塑料的特性，激光束穿过透过激光塑料而到达吸收激光塑料的表面，吸收激光塑料的表面被加热而软化、熔融，与此同时，由于热传导作用，透过激光塑料侧面也被加热而软化、熔融，当熔融的尺寸达到规定要求时，在一定压力的继续作用下，实现热塑性塑料的焊接，但是，一般焊接熔融区域厚度在几十微米左右，不能实现稳定的微量塑化效果。利用激光的热效应进行塑料微塑化的研究与应用，目前，尚未见文献资料报道。然而，利用塑料对波长10. 6μπι的CO2激光能量吸收好的特性，只要精确控制激光参数和工艺过程，通过激光能量场和聚合物相互作用的热效应，可以实现塑料的塑化及成型加工，并且，特别适合于微量塑化。
技术实现思路
本专利技术提出了一种适用于塑料微小件成型的激光塑化方法，特别是适用于需要微量塑化的塑料成型加工。本专利技术是利用激光能量场和聚合物相互作用的热效应，塑料在能量密度较高的CO2激光器的激光辐照下，直接吸收光能，快速升温达到熔化温度，并且控制塑料在热分解温度以下，实现塑料由固态到液态的整体塑化转变过程，最后塑料熔体用于充填模具型腔，完成成型加工。本专利技术按照下述技术方案实现本专利技术提出的一种基于(X)2激光器的塑料塑化方法和装置。本专利技术的方法Α.首先制备塑料试样，并经过烘箱干燥和预热处理。B.控制系统设置温控数值，加热温控器开始工作，加热塑化装置并保温。C.打开CO2激光器，激光参数调整。D.塑料试样装入塑化筒内，加盖约束层，约束层是K9玻璃。E.调整好激光束在加工起始位置，同时光能输出，工作台开始作预设的轨迹线运动，直至塑料全部熔化。F.塑料熔化后由约束层推动，经塑化筒的流道孔注入模具型腔，充填成型工件。塑料试样的准备，用塑料固体颗粒，塑料固体颗粒直径2 — 3mm厚度1 一2mm，或板料冲切获得，板料试样直径5— IOmm与塑化腔尺寸一致，厚度0.5— 2mm。塑料试样质量 5-IOOOmg,塑料试样经过干燥及预热处理备用。控制系统控制塑化装置的温度。塑化前塑化装置的温度控制在塑料融化温度范围内，确保融化的塑料处于熔体状态。本专利技术的装置包括激光系统、塑化成型装置和激光扫描工作系统；激光系统由CO2 激光器和激光束调节器组成；塑化成型装置由约束层、塑化筒、加热温控器和成型模具组成；激光扫描工作系统由工作台、控制系统组成。选择激光塑料塑化的激光器，是选择远红外激光光源，利用低功率(X)2激光器产生的光能及其激光参数波长10. 6微米，能量密度1一50mJ，光斑直径尺寸0. 8— 2mm。CO2激光器产生的光能被绝大多数塑料完全吸收，CO2激光器产生的波长为10. 6微米的光能，对塑料高分子的运动有较好促进作用，输出的激光电磁波和塑料高分子的振动、转动能级及弛豫周期相近，可以和塑料高分子运动产生共振作用，直接提高塑料高分子运动能级，在短暂时间内快速改变塑料物理形态。(X)2激光塑料塑化就是通过精确控制激光辐照时间和扫描方式，控制塑料升温幅度在塑料熔点附近，实现塑料固体的塑化过程。激光器位置固定在装置机体上，激光束调节器处于激光器下方并联接在工作台基座上，激光束调节器可以上下移动，用于调节激光束光斑的大小，塑化筒上面覆盖约束层， 塑化筒下面联接成型模具，塑化筒的流道通孔和模具型腔相通，成型模具安装在工作台上。 激光器及激光束调节器的工作由控制器控制，同时控制器控制塑化筒内的塑料塑化过程及塑化后的模具成型加工。工作台搭载塑化装置，由控制系统控制工作台上的伺服系统作X、 Y轴向运动，即使激光器与塑化装置作相对平面运动，实现控制系统精确控制激光辐照时间和扫描方式；激光以3 — 10mm/S速度连续扫描，扫描间距为1/2—1光斑直径，对塑料固体作单次或多次扫描，完成扫描塑化时间为1_^。约束层为透光性材料，并起到推动塑料熔体通过塑化腔的流道孔进入成型模具作用。本专利技术的优点利用本方法的激光塑化与其他塑化方法相比，具有容易实现微量塑化，塑化范围较大，塑化量在5—lOOOmg。CO2激光器输出的激光波长较长，其电磁波特征和塑料高分子的振动、转动能级及弛豫周期相近，和塑料高分子运动产生共振作用，并不改变塑料的化学键，塑料吸收激光能量后，直接提高塑料高分子运动能量，在短暂时间内快速改变塑料物理形态。所以，塑化时间短、塑化效率高，塑化稳定性好。激光各参数精确可控，装置结构简单、调节方便、能耗低，适合绝大多数热塑性塑料的高效节能微量塑化成型加工。附图说明为了使本专利技术的内容更容易被清楚的理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本专利技术进一步详细的说明。图1是一种激光塑料塑化方法和装置示意图。图2是塑化筒中的塑料塑化扫描工作方式示意图。图3是激光扫描轨迹的路径示意图。1.激光器；2.激光束调节器；3.控制器；4.约束层；5.塑化筒；6.成型模具；7.工作台；8.试样；9.激光束；10.流道孔；11.加热温控器；12.扫描轨迹线；13.伺服系统。具体实施例方式本专利技术提出的激光塑料塑化方法和装置如图1所示，由13个部分组成。具体实施过程如下。实施1 以直径为6mm，厚度为1mm，质量约为30mg的尼龙PA12试样塑化为例。首先制备塑料试样，直径为6mm，厚度为1mm，通过板料冲切而成，并经过烘箱干燥和预热处理。控制系统设置温控数值，加热温控器11开始工作，加热塑化装置并保持温度在215— 235摄氏度的尼龙PA12熔点附近。激光参数调整。打开(X)2激光器，输出波长为10. 6微米的光能，调节激光束调节器，调整激光束光斑直径至1mm，控制器控制激光器输出激光能量为5mJ。塑料试样装入温度在215— 235摄氏度的塑化筒内，加盖约束层，约束层是K9玻^^ ο调整好激光束在加工起始位置如图2，塑料试样装入塑化筒内，加盖约束层，同时光能输出，工作台开始作预设的轨迹线运动如图3 速度3mm /s直线连续扫描，扫描间距为 1mm，来本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种基于ＣＯ２激光器的塑料塑化方法，其特征在于，利用激光能量场和聚合物相互作用的热效应， 塑料在能量密度高的ＣＯ２激光器的激光辐照下，直接吸收光能，快速升温达到熔化温度，并且控制塑料在热分解温度以下，实现塑料由固态到液态的整体塑化转变过程，最后塑料熔体用于充填模具型腔，完成成型加工。
【技术特征摘要】
1.一种基于CO2激光器的塑料塑化方法，其特征在于，利用激光能量场和聚合物相互作用的热效应，塑料在能量密度高的CO2激光器的激光辐照下，直接吸收光能，快速升温达到熔化温度，并且控制塑料在热分解温度以下，实现塑料由固态到液态的整体塑化转变过程， 最后塑料熔体用于充填模具型腔，完成成型加工。2.根据权利要求1所述的一种基于(X)2激光器的塑料塑化方法，其特征在于，具体步骤如下A.首先制备塑料试样，并经过烘箱干燥和预热处理；B.控制系统设置温控数值，加热温控器开始工作，加热塑化装置并保温；C.打开CO2激光器，激光参数调整；D.塑料试样装入塑化筒内，加盖约束层，约束层是K9玻璃；E.调整好激光束在加工起始位置，同时光能输出，工作台开始作预设的轨迹线运动， 直至塑料全部熔化；F.塑料熔化后由约束层推动，经塑化筒的流道孔注入模具型腔，充填成型工件。3.根据权利要求1或2所述的一种基于(X)2激光器的塑料塑化方法，其特征在于，所述低功率(X)2激光器产生的光能，激光参数为波长10. 6微米、能量密度1一50mJ、光斑直径尺寸 0. 8—2mmο4.根据权利要求1或2所述的一种基于(X)2激光器的塑料塑化方法，其特征在于，...
【专利技术属性】
技术研发人员：周建忠，谭文胜，黄舒，杨晶，戴亚春，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：32
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