耐用導電軌塑料組件的直接注射成型

IMKS工藝汽車尾燈LED支架展示了這一應用的潛力（?歐司朗）

除了傳統的沖壓或彎折導電部件包覆成型工藝，以及后來的注射成型部件金屬化，金屬塑料復合注射成型（IMKS）代表了一種新的，在電氣應用中實現金屬塑料混合部件經濟型生產的替代方案。由亞琛IKV開發的IMKS工藝，結合了塑料注射成型與低熔點錫合金壓鑄（圖1）。為了實現工藝上的結合，一臺標準的注塑機添加了一個特別的壓鑄單元，直接用法蘭連接到模具，并將熔融金屬傳送至模腔。

圖1：類似于利用轉移成型技術進行多組分注射成型，采用IMKS工藝生產整體式導電軌塑料部件（?IKV）

這一工藝類似于多組分注塑成型。在第一個步驟中，先加工出帶有凹槽的塑料載體，用于形成合金導電軌。然后該載體則變成了第二個成型腔，完成金屬導電軌的注射成型。載體以及金屬的注射成型可以同時進行。根據具體的成型技術，可以通過機械手或使用模具上的轉盤轉移預成型件。

IMKS在設計塑料電子組件方面擁有諸多優勢。連接器、傳感器、電阻和LED等電子組件均可以插入到模具中，并與金屬熔體直接接觸，無需后續步驟。這種工藝可以靈活設計組件上導電路徑的大小、形狀和位置，以適應電氣方面的需求。因此，制造低壓應用、照明應用上的傳感器外殼和開關或動力電子設備上的電路板端子均成為可能。

電子設備應具有高水平的運行可靠性，而無論是由于超載還是由于使用壽命耗盡引起的設備故障，往往都必須付出相當高的代價。對于IMKS組件制造，這意味著因填充不足或材料老化產生的導電軌缺陷，會降低其電氣性能并導致其過早失效。此外，對于承受不同電氣、機械或氣候負荷條件的各類應用，要求的使用壽命也不盡相同。為了生產滿足各種技術、經濟要求的組件，必須制定出有關IMKS電路板制造的設計準則。展開研究的目的，在于生產出理想的導電軌，不帶有可能引起導電性下降的缺陷，并能在實際應用中滿足耐久性和壽命的要求。

為此，研究人員對導體形狀、導體截面的形狀和大小等幾何邊界條件以及兩種材料的影響均進行了調查。調查過程中有關壓鑄單元的工藝參數設置，如進樣體積流動速率、熔體溫度和模具溫度等，可能會對導電軌的研發產生影響。

帶集成金屬導電軌的塑料載體

本研究配備了可更換嵌件的基本模具，以便適應不同形狀、大小和流量的導電軌的塑料載體的生產（圖2）。注射成型測試是在一臺液壓型德馬格歐冠（Demag Ergotech） 80/420 - 310系統（制造商：住友（SHI）德馬格）上進行的。金屬注射則采用了Krallmann集團提供的輔助壓鑄單元，通過法蘭側向連接于注塑機，并由注塑機上的抽芯控制裝置控制。為了避免過早氧化，融化坩堝中充入了氮氣。先前的研究已經表明，導電路徑的形成取決于工藝參數。因此，在填充測試中，加工單元的注射速度、模具溫度和鎖模力并非固定不變。

圖2：模塊化模具技術被用于生產具有不同幾何形狀導電軌的載體板（?IKV）

使用的材料如下：

◆30%（重量比）玻纖增強型聚酰胺（Durethan BKV 30 h2）

◆55%（重量比）玻纖增強型聚丁烯與聚對苯二甲酸乙二醇酯混合物（Pocan T3150 XF，制造商：朗盛）

◆錫基電子焊料（ISO-Tin Sn95Ag+，Felder GmbH Loettechnik）。

這兩類塑料有著類似于合金的低熱膨脹系數，粘結性能特別適合初步測試。電子焊料在217 ℃下熔化，銀含量約3.8%，不僅有利于潤濕特性還盡可能降低了氧化傾向。

生產的板狀塑料載體體積為125 x 105 x 3 mm3。導電軌長137 mm，截面積分別為1 mm2、2.25 mm2或4 mm2的正方形，視測試點而定。為分析導電軌形態并測定缺陷，還準備了導電軌光顯微圖像，并利用圖像處理軟件ImageJ（美國國立衛生研究所）對不同截面的相對缺陷數量進行了分析。為評估其電氣性能，還測定了電導率、電流負載能力以及電負荷電阻。

排氣十分重要

試驗證明，導電軌內的氣泡是缺陷形成的主要原因（圖3）。與塑料熔體形成對照的是，熔融焊料的粘度很低，在加工溫度下（217 - 320 ℃）僅為4至6 mPa?s（可參照水：約1 mPa?s），并具有牛頓流體特性。注射期間，在導電槽中形成湍流（Re = 81,616注道式澆口）。凹槽內的空氣被包圍并被熔體封閉。如果封閉在流道末端的氣體無法從正在固化的導電軌中排出，便會被困于其中。

圖3：壓鑄參數設置對于相對缺陷數量的影響：采用較低的鎖模力和注射速度，可以避免產生缺陷（見右下的氣泡）（?IKV）

最有效的對策是減少鎖模力（圖3），這樣多余氣體便可通過分型面排出。降低注射速度也可以減少缺陷的數量。假設在較低的流速情況下，射流的擾動減少，從而減少與空氣的混雜。此外，封閉空氣也會有更多的時間逸出。然而，提高模具溫度，同時延長金屬熔體的固化時間，對于缺陷數量似乎并無任何影響。

憑借明確的工藝參數，就有可能實現完美導電軌的重復性生產。如果要用同一模具在同一注射周期內生產出塑料載體和導電軌，可將鎖模力降低到100 kN，然而，這在避免較大型組件的缺陷方面成效不大。要么必須將金屬凹槽與其余部分脫離并單獨封閉，要么必須特意將燒結金屬襯套這類排氣部件引入流道，以實現可靠的排氣。

高度的耐電氣性并適合于連續工作

要實現完美導電軌的生產，先決條件是確保IMKS組件在連續工作條件下保持耐電氣性。為此，本研究項目還對電導率、電流負載能力以及電負荷電阻進行了測定。生產出的組件在所有截面上測出的電導率σ介于6.1與8.2×106 S/m（可參照純錫：8.7×106 S/m）。因此，盡管添加了導電性較高的銀，在加工過程中電導性仍略有下降，很可能是由于在凹槽中接觸了氧氣。

圖4：不同電流強度下的溫度比較：小型導電軌也可以傳輸強電流（?IKV）

為了測定電流負載能力，在25 ℃的環境溫度下，分別將導電軌接通10、15和20A的電流，并通過溫度記錄法記錄塑料載體上導電軌的發熱情況。在溫度水平達到一個穩定值后，就可以據此確定導電軌的溫度（圖4）。正如預期的那樣，導電軌的溫度會隨著電流的加大而上升。盡管預計PBT+PET混合物因導熱系數較高會造成其較低的最高溫度，但事實上所使用的塑料載體對可能達到的溫度并無明確影響。正如所料，較大的橫截面能承受更高的電流而不會發生過熱，而截面積為 1 mm2 時在20 A的電流強度下就會導致導電軌失效。不過，試驗并未檢測到在不同負荷下塑料載體的熱降解。

作為初步結論，可以指出IMKS工藝電子塑料部件同樣適合在連續工作條件下承受較高電流。當截面積為 2.25 mm2 和4 mm2 時，甚至可以承受VDE 0298-4/2013-06所規定的PVC絕緣銅芯電纜的最大允許額定電流（可參照：σCu=56×106 S/m）。因此，IMKS組件可適用于預計在能源技術或未來的電動車中使用的電流。除了恒定電負荷的大小，強電流交替通斷所產生的電負荷的變化，也會對導電軌預期壽命產生重大影響。

為測試電負載電阻，在截面積為2.25 mm2 的導電路徑上加載了40 A 的電流，導電軌被加熱到T=30 K，低于塑料載體的變形溫度（PA6 GF30：200 ℃，PBT+PET GF55：210 ℃）。重啟循環之前，導電軌處于斷電狀態直至溫度降到25 ℃。每個測試循環所施加的電壓均被記錄在案（圖5）。

圖5：超過1000次負載循環的電壓測量值比較：即使經過1000次循環后仍未產生壓降（?IKV）

經過五個循環的短暫穩定階段后，PA6載體上的電壓在0.237與0.211 V之間波動（波動幅度為11.6%），而PBT載體上的電壓測量值在0.201至0.201 V（波動幅度為5.8%）之間。因此，PBT載體動力下降幅度較小，而傳輸更穩定。然而，對于兩種載體可得出的結論是，超過1000次循環不會檢測到電壓下降，所以就電氣性能而言，IMKS工藝導電軌具有較很長的使用壽命。

是否值得作出變化？

從綜合評價的角度看，這種工藝尚未與其它現有工藝，如金屬沖壓或彎折部件的包覆成型進行經濟性方面的比較。IMKS工藝整體式導電軌生產的優勢之一是省去了額外的工藝步驟，例如焊接。下面將用三種幾何形狀部件進行靜態成本比較。計算中考慮了材料成本、模具和注塑機的折舊及處理費用、所有設備的運營成本、焊接成本以及人工成本。

工藝越復雜，越體現經濟性

所述三種組件的成本差異按每年10,000到355,000的數量進行評估（圖6）。對于部件1中的平直IMKS工藝導電軌，與嵌件包覆成型相比較，成本優勢最高約折合62,000個部件/年。對于帶多個接觸單元的部件（部件2），盈虧平衡點約為80,000個部件/年。這可以解釋為低熔點合金的材料成本較高（約10到30歐元 /kg，視合金品種而定）（表1）。部件3的導電軌結構較為復雜，在每年355,000的數量水平上（IMKS的最大負載數量）顯示出了約0.10歐元/部件的成本優勢。在這種情況下，由于沖壓或彎折插件浪費部分的增加，將會帶來顯著的成本增加。

圖6：靜態成本比較法：對于具有復雜三維形狀的導電軌，采用IMKS制造業最為經濟（?IKV）

這一結果表明，IMKS工藝不僅能提供技術優勢，還能在復雜導電軌應用領域帶來經濟優勢。同樣，接觸單元數量大會進一步提高成本效益，因為采用低熔點合金作為接觸單元不會產生額外費用。

表1：100,000數量水平上的部件成本（歐元）（?IKV）

結論

在金屬塑料復合注射工藝中，通過針對性的工藝參數設定，能夠可重現地消除氣泡等缺陷。電氣性能研究表明，IMKS工藝組件能滿足使用壽命和疲勞特性方面的較高要求，而且在某些情況下甚至超越這些要求。而在經濟方面，當需要生產復雜三維形狀導電軌，或盡可能多的附加單元可采用合金直接接觸時，IMKS工藝將更能充分發揮其優勢。