從敏感功能薄膜到三維成型部件 ——低壓工藝的集成解決方案

功能薄膜可用于將附加功能集成到塑料部件中。例如，電致變色器件（ECD）可用于使透明表面變暗。但是，由于成本高昂且制造兼容性不佳，ECD尚未在市場上站穩腳跟。在此背景下，卡塞爾大學材料工程研究所（IfW）的研究人員開發了一套用于功能薄膜雙面注塑壓縮包覆的自動化生產單元，可實現短周期的規模化生產。

標題圖：圖為處于亮態的雙面注塑壓縮包覆電致變色多層系統，適用于透明應用場景。調暗功能所需的直流電壓可通過兩側的銅觸點施加 ©卡塞爾大學IfW研究所

ECD層被涂覆在柔性聚碳酸酯（PC）薄膜上。這使其具備三維可成型性，對于某些應用而言極具價值，例如一鍵變暗頭盔面罩或眼鏡鏡片。

為了將該涂層系統集成到用于透光應用的三維部件中，ECD雙面均用PC進行注塑包覆。這種封裝方式可保護敏感的ECD免受環境影響。

FIM生產單元的自動化工藝步驟

為了在PC薄膜上加工ECD，塑料工程師使用了一套與Polar-Form Werkzeugbau GmbH公司合作開發的注塑壓縮模具（圖1）并通過一臺雙組分注塑機（型號：Allrounder 470 S；制造商：阿博格）進行薄膜嵌件注塑成型（FIM）。為此，他們特意選用了一種特殊的注塑成型方式——注塑壓縮成型。該工藝的特點是，在熔體注入時，模具型腔的尺寸大于最終部件。這意味著保壓壓力并非通過澆口施加，而是通過模具的壓縮功能均勻地分布在部件表面。

IfW這項方案的一個顯著特點是其自動化程度。集成于生產單元的六軸機器人手臂（型號：KR 16；制造商：庫卡）通過一個夾持器逐一拾取功能薄膜，隨后將其送入多個外圍設備以清除灰塵和其他雜質，最后將薄膜嵌入1+1結構的注塑壓縮模具中。薄膜嵌件通過四個角上的固定夾和集成的真空吸附孔固定在準確位置。

EDC第一面PC的注塑在下方工位的型腔中完成。隨后，半成品轉上方工位，在此處由進行另一面（同樣為PC）的注塑，對其進行完全包覆封裝，最后由機器人將成品部件脫模取出。壓力和溫度傳感器在此過程中用于監測薄膜嵌件所承受的載荷，位移傳感器則用于記錄成型間隙的變化。

圖1：模具的可動側（左側）配備轉盤式分度板、成型框架和彈簧組件，固定側（右側）則裝有壓力和溫度傳感器以及薄膜夾持裝置 ©卡塞爾大學IfW研究所

圖2：成型框架的注塑壓縮模具示意圖展示了成型間隙閉合時的成型步驟 （來源：卡塞爾大學IfW研究所；制圖：© Hanser）

可動模具上的成型框架

該注塑壓縮模具設有浸包邊并配備成型框架，該框架通過彈簧組件與動模的其余部分連接（圖2）。當動模與定模合模時，即可達到最大合模行程。在周期開始時，動模被推向定模。所施加的力與彈簧組件的預緊力相結合可形成所需的成型間隙。例如，100kN的合模力對應1mm的成型間隙，而150kN的合模力則對應0.5mm的成型間隙。

在壓縮注塑過程中，合模力在熔體注入后持續增加，直至間隙完全閉合。壓縮的啟動時間取決于螺桿何時到達預設的行程。這種方式有利于調整啟動時間并研究各工藝參數對光學元件質量以及功能薄膜所受熱力和機械應力的影響。

為實現ECD兩個電極層的電氣連接，其銅觸點區域必須被引出至模具之外。因此，無法采用無成型框架的浸包邊設計。

圖3：注塑成型和注塑壓縮成型的對比（工藝參數相同）表明，壓縮成型的型腔壓力顯著更低 （來源：卡塞爾大學IfW研究所；制圖：© Hanser）

高光學質量需要低殘余應力

在其他參數相同的前提下對比注塑成型和注塑壓縮成型可見：型腔壓力曲線清晰地表明，壓縮成型對電致變色多層系統的作用更為溫和（圖3）。同時，其最高加工溫度也低于注塑成型。這兩大優勢對于功能薄膜的加工而言至關重要，因為許多功能層對溫度和壓力極為敏感。

圖4：偏振光下的注塑壓縮薄膜：左側為注塑成型后（型腔壓力峰值301bar），右側則為注塑壓縮成型后（型腔壓力峰值88bar） ©卡塞爾大學IfW研究所

圖5：經注塑壓縮成型加工用于透光應用的ECD在亮態（1V電壓下透光率為62%）和暗態（-2.5V電壓下透光率為46%）下的效果。該ECD的有效面積為145cm² ©卡塞爾大學IfW研究所

注塑成型部件的光學質量同樣不佳。部件在澆口附近存在一個光折射更強的區域。在偏振光下觀察時（圖4），該光學缺陷區域與著色區域重合，表明上述區域存在殘余應力或強烈的分子取向。對于透光應用中的光學部件而言，核心在于最大限度地降低冷卻后的殘余應力以確保視野清晰。該區域在注塑成型過程中更為顯著，主要歸因于保壓壓力的影響。注塑壓縮成型工藝則不包含保壓階段。此時，壓縮成型工藝能夠均勻且持續地將這一功能施加到整個功能表面，從而實現了源自澆口的殘余應力最小化。

具有不同導電層的ECD的雙面注塑包覆

在對功能薄膜進行注塑包覆的過程中，功能薄膜承受著較高的機械和熱載荷。若載荷超出單層的承載極限，將導致透光率下降和變色時間延長。為了降低功能層在加工過程中所受的應力，IfW團隊不僅優化了工藝參數，還調整了層結構，使其滿足注塑壓縮成型工藝的要求。研究證實，各層間的粘附力和導電電極層的電阻對于注塑包覆后的變色性能至關重要。

首款類電池層結構ECD變體采用氧化銦錫（ITO）作為導電電極層。該材料兼具高導電性和高透光率，因此常被用于ECD。但是，ITO脆性極高。當應用于柔性塑料薄膜時，如果裂紋萌生應變超過閾值，ITO層便會產生裂紋。這些裂紋會顯著降低其導電性，從而削弱亮態和暗態之間的透光率差異。裂紋萌生應變很大程度上取決于層厚。當ITO層厚為280µm時，由于PC薄膜和ITO層的熱膨脹系數不同，在35°C條件下作用于ITO層的應變也足以引發微裂紋網絡。

此外，易開裂的ITO層被一種導電性更高的有機材料PEDOT：PSS變體所取代。該導電聚合物以聚3,4-乙烯二氧噻吩（PEDOT）和聚苯乙烯磺酸鹽（PSS）的水性分散體形式涂覆于PC上。新型PEDOT：PSS層的導電性和透光率均低于ITO，因此變色時間和變色行程更短。另一方面，PEDOT：PSS層能夠承受注塑壓縮成型工藝中的高熱機械要求。這些涂層即使經過后續加工仍能保持功能穩定且無裂紋產生。采用這種改良的有機涂層體系后，于注塑機上加工后的變色質量可與未受力狀態下的性能相媲美（圖5）。ECD呈現的藍色源于電致變色材料PEDOT：PSS。基材上印刷可見標識表明，經注塑包覆后的產品無論在亮態或暗態下均可實現透光應用。

展望

通過在成型階段對整個型腔表面施壓，注塑壓縮成型工藝特別適用于薄壁透明應用。同時，由于其對嵌件的應力較低，該工藝也適合加工敏感的功能薄膜。除ECD外，此工藝還可用于其他功能部件，如顯示器、電容傳感器、LED、OLED、PCB導線和壓電傳感器等。當電子元件被用作嵌件時，該工藝即稱為模內電子（IME）。最關鍵的因素在于基板和功能層之間的熱膨脹差異以及由部件結構引起的彎曲應變必須保持在最易開裂層的裂紋萌生應變閾值以下。

除了高昂的制造成本，ECD隨使用時間增加而出現的切換性能下降是其尚未得到廣泛應用的另一原因。這主要源于水分、氧氣和紫外線輻射等因素所引發的降解和氧化過程。目前，IfW正參與一項德國研究基金會（DFG）的研究項目，致力于研究通過注塑壓縮成型對ECD進行雙面包覆封裝將對其產生何種影響。

本文由榮格獨家翻譯自Plastics Insights雜志
作者：Miriam Meyer, M.Sc.，Dr.-Ing. Michael Hartung，Prof. Dr.-Ing. Hans-Peter Heim

來源：榮格-《國際塑料商情》

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