圖1 雙片材成型件（從左至右）汽車擾流板、育苗缽、空氣導(dǎo)管（圖片由Illig提供）
 

雙片材熱成型工藝可用于三維中空部件制造（圖1）。在采用這一工藝時，兩個熱塑性半成品（有時候厚度或顏色不同）同時被加熱，在不同模具中成型，并通過對模具施壓、利用余熱連接在一起。這一工藝是伴隨著壓模完成的，其前提是需要將半成品部件焊接在一起。還有其它可選工藝，如在加工出各個半成品件后采用粘合或焊接等傳統(tǒng)方法將兩個成型件連接起來。雙片材熱成型工藝的優(yōu)勢在于，它可以防止連接過程中產(chǎn)生偏差，因?yàn)槌尚团c焊接是在加工設(shè)備內(nèi)部的同一模具中通過一次性操作完成的，此后，無需對兩半片材進(jìn)行粘合或焊接。

然而，它也存在不利的一面，即無法利用柱塞助壓對半成品件進(jìn)行預(yù)拉伸。因此，成型件的壁厚分布可能達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)熱成型工藝能實(shí)現(xiàn)的水平。此外，以眾多合同制造商使用的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器為例，只能對半成品件進(jìn)行單邊加熱，這意味著需要較長的加熱時間。這些機(jī)器通常很難甚至無法采用氣冷，導(dǎo)致冷卻時間過長。也可能必須施加高鎖模力，具體視對焊縫線的要求而定。

圖2 雙片材主要成型部件：上/下模具（1，9），加熱單元（2，8），鎖模框（3，7），半成品（4，6），中間鎖?？颍?），真空連接件上/下（10），以及將空氣從環(huán)境中引入，以形成真空的部件（11）。左、底部：雙片材成型部件，未修邊（圖片由Illig提供）。

表1列舉出了一步式雙片材熱成型工藝與多階段工藝（如先成型后焊接）之間的重要區(qū)別。圖2描述了雙片材熱成型工藝的原理，而圖3則顯示了一臺機(jī)器在手工操作時的工藝過程。該工藝所需的標(biāo)準(zhǔn)配備（除模具外）包括上、下鎖?？?，在大多數(shù)情況下還需要一個中層鎖?？?。中層雙片材鎖?？蛐枰欢臻g，這就是為什么上部加熱單元的高度必須可調(diào)，以及鎖模框?yàn)槭裁葱枰鋫渲苯域?qū)動的原因。此外，上、下臺面還需要真空及溫度控制連接器。

圖3 配有雙片材成型機(jī)構(gòu)的人工操作設(shè)備工作流程：插入兩塊模板、施加鎖模力、（加熱后）成型、（冷卻后）脫模、打開鎖?？?、（從左至右）取出成型部件（圖片由Illig提供）。


雙片材熱成型工藝的總體特性

幾乎所有的熱塑性塑料都能焊接，因而這類材料也極適用于雙片材熱成型工藝。成型件兩半部分的壁厚分布分別對應(yīng)于未利用柱塞助壓進(jìn)行預(yù)拉伸的單個部件。因此，在高拉伸率的情況下，壁厚分布欠佳。
熱成型站能對兩個片材進(jìn)行單側(cè)加熱：上半部分從頂部加熱，下半部分則從底部加熱。根據(jù)半成品件自身類型與厚度、加熱時間以及輻射強(qiáng)度的不同，兩半部分表面可能存在相當(dāng)大的溫差。未直接加熱的較冷一側(cè)的當(dāng)前溫度必須足以完成兩半部分的焊接。這就是為什么加熱時間是雙面加熱的兩到三倍。更重要的是，單側(cè)加熱塑料意味著材料必須承受更高的熱負(fù)荷。

與標(biāo)準(zhǔn)熱成型相比，雙片材成型的冷卻時間是其2.5-4倍。采取特別措施可減少這部分時間，例如利用壓縮空氣吹掃部件內(nèi)腔。

影響焊縫質(zhì)量的主要因素包括焊接溫度、焊接壓力以及接縫設(shè)計（表1）。這就是必須檢查每個雙片材成型部件所需的鎖模力以及機(jī)器可提供的鎖模力的原因，這一點(diǎn)至關(guān)重要。

表1 一步法成型（單獨(dú)焊接）與雙片材工藝的比較：在加工由兩半部件組成的產(chǎn)品時的差異對比（圖片由Illig提供）。        

實(shí)際應(yīng)用案例：PE泡沫空氣導(dǎo)管

以用于車內(nèi)加熱或降溫的空氣導(dǎo)管為例，傳統(tǒng)上這種產(chǎn)品采用PP擠吹而成。最近又出現(xiàn)了另一種生產(chǎn)技術(shù)，即化學(xué)交聯(lián)PE泡沫薄膜的雙片材熱成型。質(zhì)地柔軟、韌性好的PE泡沫管優(yōu)于壁厚約1毫米的剛性PP管。除重量較輕外，PE泡沫薄膜的雙片材熱成型還有更多優(yōu)勢：與硬質(zhì)吹塑管相比，泡沫結(jié)構(gòu)帶來了更低的導(dǎo)熱系數(shù)，且降噪性能更佳。此外，因?yàn)镻E泡沫管質(zhì)地柔韌，它更便于安裝在難以接近的區(qū)域。

柔性泡沫管可以在配有過程控制的Illig UAR 155g片材熱成型機(jī)上生產(chǎn)，這款機(jī)器可用于雙片材技術(shù)，采用伺服電機(jī)驅(qū)動以完成精確的、可重現(xiàn)的快速動作（圖4）。即便是重達(dá)1噸的模具重量，仍可實(shí)現(xiàn)高達(dá)500 mm/s的移動速度。工藝的所有環(huán)節(jié)均為全自動運(yùn)行。

圖4 PE發(fā)泡膜復(fù)雜的3D 幾何形狀。車用空氣導(dǎo)管重量非常輕且柔韌度高，采用UAR 155g熱成型設(shè)備經(jīng)雙片材 (雙模板)加工而成（圖片由Illig提供）。
 

兩個傳輸單元采取上下配置，其距離可調(diào)，從兩個卷膜單元向機(jī)器供應(yīng)3-4 mm厚的PE膜。成型站配有加熱單元，上下臺面分別接收模具兩半部分，成型臺可以調(diào)整高度從單側(cè)加熱兩部分膜結(jié)構(gòu)，表面溫度最高可達(dá)200°C。加熱完成后，兩個加熱單元迅速移出熱成型站，用時不到3秒，使得成型開始時膜的冷卻程度最低。

發(fā)泡膜加熱時會延展開來，除非半成品件在加熱階段可以擴(kuò)展和延伸，否則還會發(fā)生下垂。因此，在加熱時，必須防止兩部分膜結(jié)構(gòu)相互接觸，這點(diǎn)十分重要。相應(yīng)調(diào)整兩個鎖模層的間距可以避免下垂。對于半成品的小范圍輕微下垂，50mm的間距通常就可以了。如果下垂范圍較大且更明顯，間距必須顯著加大至約200mm。

表2 雙片材成型件焊縫線類型：焊接線設(shè)計和修邊差異（圖片由Illig提供）

這臺機(jī)器沒有鎖?？蚧蛑袑涌?。當(dāng)模具的兩半部分接觸到預(yù)熱過的膜結(jié)構(gòu)時，對膜進(jìn)行機(jī)械式預(yù)拉伸，封閉住模具兩半部分的外邊緣。然后，中空體的兩半部分依靠真空成型，并沿成型件的外緣焊接在一起。在這一階段，確保兩部分膜結(jié)構(gòu)表面不提前（比如說在成型開始前）相互粘連，是至關(guān)重要的。使兩個臺面之一受控延遲，可以防止這一現(xiàn)象，因?yàn)樵谶@種情況下，一個半模會先于另一半接觸并吸住膜結(jié)構(gòu)。
為在中空部件內(nèi)形成真空，兩部分膜結(jié)構(gòu)必須在焊接前最終成型，或者在成型過程中讓空氣從外部流入中空部件內(nèi)部。這一要求可通過在模具焊縫中置入通道型縫隙實(shí)現(xiàn)。通道型縫隙還有利于部件冷卻，從而縮短周期時間，盡可能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化。除了通過模具兩半部分的溫度控制以實(shí)現(xiàn)冷卻，中空部件內(nèi)的空氣流動也有助于其降溫。冷卻空氣通過模具中配置的針口進(jìn)入雙片材成型部件，吹入中空部件后，經(jīng)通氣管流出。冷卻后，成型部件即從模具中移出，它們?nèi)酝ㄟ^連接橋固定（部件與廢棄料之間的細(xì)小連接），以防止從成型站中掉落。

熱成形泡沫塑料中空部件不可修整成無框的形狀，因?yàn)樗鼈兛偸谴嬖谕獠亢缚p線。針對空氣導(dǎo)管設(shè)計的PE發(fā)泡膜在150°C的表面溫度、約0.4 MPa（4 kg/cm2）的壓力下很容易焊接在一起。然而，由于泡沫密度低、彈性高，即使在壓力極高的情況下，雙片材部件內(nèi)也不會形成焊道。不推薦采用高壓力，因?yàn)檫@將消耗掉更多泡沫的熱量，從而降低焊縫線的強(qiáng)度。PE泡沫空氣導(dǎo)管的外部焊縫約為 3至4mm寬。

總結(jié)

在歐洲，雙片材部件大多是在改良的標(biāo)準(zhǔn)熱成型機(jī)上生產(chǎn)的，它們所要求的焊縫類型與整體焊接表面對機(jī)器的鎖模力具有決定性的影響。只有少數(shù)熱成形部件具有輕度拉伸，因此，即使在無柱塞助壓的情況下也易于生產(chǎn)。在通常的雙片材工藝中，無法利用柱塞的機(jī)械預(yù)拉伸改善壁厚分布，在不利的情況下，必須采用較厚的半成品來加以糾正。由于邊緣部位的拉伸，雙片材技術(shù)需要比標(biāo)準(zhǔn)熱成型工藝更大的成型區(qū)域。如同在某些機(jī)器上一樣，由于對半成品采用單側(cè)加熱，冷卻條件不利，雙片材成型所需的周期時間總是高于標(biāo)準(zhǔn)熱成型。

少量雙碗成型部件通常采用粘合連接方式。對于數(shù)量較大的情況（約5000件起），雙片材成型的材料用量高于標(biāo)準(zhǔn)熱成型。對于產(chǎn)量較大的部件，半成品部分分別成型然后再焊接的成本更低。

最終，在批量生產(chǎn)中是否采用雙片材熱成型工藝并非總是根據(jù)成本來決定的。在很多情況下，焊縫的微小偏差是決定性因素。如果要求部件兩半部分實(shí)現(xiàn)無偏差連接，雙片材工藝就展現(xiàn)出超出其它技術(shù)的優(yōu)勢，因?yàn)楹笝C(jī)可能產(chǎn)生的偏差要大得多。而對于PE泡沫空氣導(dǎo)管來說，雙片材工藝還有另一項(xiàng)優(yōu)勢，即由于模具的表面積較大（UAR 155g單元的成型區(qū)域達(dá)1450mm x 1200mm），可在同一步驟中同時成型大小、幾何形狀不同的數(shù)個部件，而且每個部件造成的廢料更少，單個空氣導(dǎo)管的生產(chǎn)時間也更短。相應(yīng)地，發(fā)泡膜空氣導(dǎo)管在成本上可與剛性PP擠吹管競爭，兩者單位生產(chǎn)成本大致相似。