亞克力數控加工 | 材料、製程、應用

丙烯酸樹脂或聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）是一種用途廣泛的熱塑性聚合物，因其高光學透明度、表面硬度和耐候性而被廣泛應用於工業製造，並常被用作玻璃的輕質、防碎替代品。要實現丙烯酸樹脂零件的精密加工，需要對其性能及其與不同加工和成型過程的相互作用有深入的了解。本文概述了丙烯酸樹脂塑膠及其在生產中常用的加工方法。

什麼是丙烯酸？

聚甲基丙烯酸甲酯（俗稱丙烯酸酯）是透過甲基丙烯酸甲酯單體的加成聚合反應，打開C=C雙鍵而形成的。其分子式為( _C₅H₈O₂ ) _{ₙ ，}其中_n代表聚合度，通常分子量在10,000至12,000之間。它的密度為1.18–1.19 g/cm³ ，^折射率約為1.49，透光率為92%，霧度不超過2%。它是一種透明的有機材料。

亞克力的種類

根據生產流程的不同，壓克力板材可分為澆鑄板材和擠出板材。

壓鑄丙烯酸

這些板材具有高分子量，因此具有優異的剛度、強度和耐化學腐蝕性。儘管軟化過程需要稍長的時間，但它們更適合處理大型標牌和銘牌。這些板材的特點是可小批量生產，在色彩系統和表面紋理方面具有無與倫比的靈活性，並提供適用於各種特殊用途的完整產品規格。

壓克力板

與澆鑄壓克力板相比，擠出壓克力板的分子量較低，機械性能略弱，但柔韌性更高。然而，這項特性有利於彎曲和熱成型工藝，使其軟化時間更短。在處理大尺寸板材時，擠出壓克力板便於進行各種快速真空吸塑成型製程。同時，擠出壓克力板的厚度公差小於澆鑄壓克力板。由於擠出壓克力板採用大量自動化生產，調整顏色和規格較為不便，導致產品種類有一定的限制。

亞克力的特性

1. 物理特性： 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）具有優異的光學性能，透光率高達92%，比無機玻璃高10%。它無色無味，幾乎不吸收可見光，可透過270奈米的紫外光，且著色性良好。即使在高溫下，它幾乎不會變色或褪色。其折射率為1.49，表面反射率不超過4%，且具有很高的表面光澤。 PMMA的相對密度較小（1.17-1.20），約為無機玻璃的一半。
2. 機械性能 PMMA在室溫下具有較高的機械強度，且受溫度影響較小。然而，其強度在接近軟化點和玻璃化轉變溫度時會急劇下降。 PMMA表面硬度和耐刮性較差，衝擊韌性也較低，通常需要進行橡膠改質。此外，PMMA吸水率高，且尺寸收縮率較大。
3. 熱性能： PMMA的熱膨脹係數很大，溫度變化會導致其尺寸顯著變化。
4. 電氣特性： 在較寬的頻率範圍內，PMMA的功率因數隨頻率的增加而降低，使其適用於長期戶外使用的電器設備。它具有良好的抗電弧性能、抗漏電性能、高表面電阻和優異的電絕緣性能。
5. 耐化學性： PMMA 能耐受強酸、強鹼、無機鹽類、油類和脂肪烴。
6. 耐老化性： PMMA具有優異的耐候性。即使長期暴露在戶外，其透明度和光澤度幾乎不變。

CNC亞克力加工

PMMA塑膠可以進行機械加工，包括鋸切、銑削、鑽孔和鉸孔。

CNC加工亞克力範例

下圖所示為一種中空薄壁結構的壓克力部件。此零件需要極高的尺寸精度，且加工後必須保持材料原有的透光率，以滿足測量範圍的要求。

此零件可使用CNC車床加工，但如果製程參數和加工順序選擇不當，容易產生裂紋，導致報廢。如果表面處理方法選擇錯誤，表面會出現撕裂狀，失去PMMA原有的透明度，無法滿足使用要求。

切割熱對亞克力加工的影響

PMMA的導熱係數非常低，僅為一般金屬材料的1/450至1/175。切削過程中產生的熱量無法快速擴散，會在刀具與工件的接觸點積聚，導致刀具磨損加劇。同時，PMMA的熱膨脹係數是普通金屬的1.5至2倍，玻璃化轉變溫度約100℃。過多的切削熱會導致體積變化和玻璃化轉變，降低加工精度。體積膨脹也會加劇刀具與工件之間的摩擦，形成熱量上升的惡性循環。

由於PMMA的熔點較低（僅為160–200°C），它是一種熱塑性材料。高切削熱容易導致加工表面熔化。尤其是在加工內孔時，散熱不良會導致表面出現“擦傷”，形成細小的撕裂狀裂紋。這通常被誤認為是材料脆性或內部缺陷。然而，透明度或漏水檢查並未發現滲漏；而是零件的透明度不符合技術要求，表面渾濁，缺乏材料本身的紋理。

加工參數的影響

在室溫下，PMMA是一種硬而脆的材料。對於薄壁結構，切削參數選擇不當會導致切削力不穩定，從而造成零件開裂甚至破碎。

表面粗糙度

由於PMMA硬度較低，加工後的表面粗糙度通常較差。為確保滿足技術要求，加工後必須採用特殊的拋光材料和工藝。

亞克力數控加工解決方案

為確保尺寸精度、表面粗糙度和技術要求，同時提高成品率，內孔應在加工端面和端面止擋槽後再進行加工。為避免材料回彈，鑽孔進給量控制在0.05～0.08 mm。同時，控制切削液的流量和輸送量，以確保鑽孔過程中溫度的穩定性。內孔加工完成後，使用止擋定位輔助夾具。利用尾座中心抵靠夾具的輔助中心孔，以確保外徑加工過程中的軸向限位。首先利用偏置刀具的間隙加工50 mm外徑，然後一次加工20 mm外徑，完成切削過程。

其他丙烯酸加工技術

丙烯酸樹脂成型的其他技術包括澆鑄、射出成型、擠出成型和熱成型。

選角

澆鑄法是利用本體聚合方法生產PMMA板材、棒材和其他型材的製程。澆鑄後的產品需進行後處理；典型的後處理條件為60℃下處理2小時，或120℃下處理2小時。

注射成型

注塑成型採用懸浮聚合法生產的顆粒狀材料。此工藝在標準的柱塞式或螺桿式註塑機上進行。

擠壓

聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）也可以採用擠出成型工藝。懸浮聚合所得的顆粒狀材料可用於製備片材、棒材、管材及帶材。然而，由於聚合物分子量較低，此方法製備的型材，尤其是片材，與澆鑄型材相比，其機械性能、耐熱性和耐溶劑性較差。其優點是生產效率高，尤其適用於難以用澆鑄模具製造的管材和其他型材。擠出成型可採用單級或雙級排氣擠出機，螺桿長徑比通常在20到25之間。

熱成型

熱成型是將PMMA片材或條帶加工成各種尺寸和形狀產品的製程。首先將坯料切割成所需尺寸，夾緊在模架上，加熱使其軟化，然後加壓使其貼合模具表面，從而獲得所需的形狀。冷卻定型後，修整邊緣即可得到成品。加壓方式可以是真空拉伸或使用陽模直接加壓。使用快速真空低拉伸成型時，建議採用接近下限的溫度；對於複雜的深拉伸產品，則應採用接近上限的溫度。通常情況下，熱成型採用的是常規溫度。

熱處理和表面處理

丙烯酸製品在機械加工或熱成型等二次加工過程中容易產生內應力。如果不加以處理，這些應力在受熱、溶劑或環境應力作用時會導致微裂紋甚至結構失效。為了緩解這種情況，丙烯酸製品需要進行稱為退火的後加工熱處理。

數控加工零件的退火

對於採用數控加工製程製造的壓克力零件，將其置於室溫烘箱中，並以大約每小時 15°C 的速率升溫。一旦達到目標溫度 90°C，保溫時間應與材料厚度成正比：

• 3毫米厚的板材：1小時
• 6毫米厚的板材：2小時
• 12毫米厚的板材：4小時
• 20毫米厚的板材：6小時

浸泡結束後，將零件冷卻至室溫。冷卻速率應嚴格控制在每小時約10℃，以防止因快速熱收縮而產生新的應力。

熱成型零件的退火

對於經過熱彎或真空成型的壓克力製品，退火溫度略低於數控加工零件，通常在 70°C 至 85°C 之間。保溫時間要求與上述加工板材的要求相同。

注塑件退火

注塑成型零件的參數主要取決於特定的零件設計和壁厚。保溫溫度通常在 60°C 至 80°C 之間。保溫時間控制在 2 至 4 小時之間。

表面處理

為了增強特定性能，例如提高耐磨性或增加表面光澤度，PMMA產品可以進行各種二次加工。這些加工處理包括拋光、噴漆或雷射蝕刻，可滿足不同工作環境的特定需求。

可透過流塗（適用於大尺寸、無孔板材）、噴塗（適用於複雜或不規則形狀）或浸塗（適用於小型零件）等方式對壓克力部件進行保護塗層處理。這些化學處理可在壓克力表面形成緻密的保護膜，以滿足高硬度和耐磨性的要求。

流塗是最經濟有效的方法；可以先對板材進行硬化處理，然後再進行切割等二次加工。

物理氣相沉積 (PVD) 可用於表面沉積超硬薄膜。此製程可最大限度地減少生產過程中雜質的干擾，從而獲得優異的塗層密度和均勻性。雖然 PVD ​​能顯著提高表面硬度和耐磨性，但其成本較高。此外，它對材料厚度有特定要求，通常更適用於薄片材料。

丙烯酸的應用

由於其優異的光學性能，PMMA被廣泛應用於各個行業。通用型PMMA主要用於廣告燈箱、標誌、照明燈具、浴缸、儀器儀表、消費品和家具。高階PMMA則對液晶顯示器、防輻射PMMA、光纖、太陽能光伏電池、汽車鏡頭蓋、防彈玻璃、飛機駕駛艙蓋以及生物醫用聚合物材料等應用至關重要。

生物醫學

PMMA微球具有良好的生物相容性和低毒性，使其成為藥物載體、組織工程支架和細胞標記的理想材料。透過表面修飾，微球可以攜帶藥物分子進行標靶釋放，從而延長藥物的半衰期。作為骨修復材料，其機械強度和可塑性有助於骨折癒合。在細胞培養中，微球可提供三維支撐結構，促進細胞增生。粒徑100nm的微球容易被細胞吞噬，因此適用於腫瘤治療及疫苗傳遞。

顯示導光板

LCD背光模組主要由光源、導光板和光學薄膜組成。導光板用於將光源發出的光線均勻地引導到顯示表面；其主要材料為PMMA。

LED照明

在照明領域，LED照明是一種新型綠色光源。與傳統光源相比，它節能、環保、壽命長、體積小巧。它廣泛應用於指示燈、顯示器、裝飾、背光、一般照明和城市夜景等領域。

LED面板燈利用導光板將LED點光源或線光源轉換為面光源，使光線從正面均勻發出。由於PMMA導光板具有較高的透光率，因此LED面板燈主要採用PMMA導光板作為原料。

PMMA光纖材料

由PMMA製成的塑膠光纖是短距離資料傳輸的理想介質，被認為是光纖到戶（FTTH）「最後一公里」的最佳解決方案。除了通訊之外，PMMA光纖還用於景觀照明，例如2012年倫敦奧運會開幕式和閉幕式的景觀項目。

汽車輕量化材料

隨著新能源汽車補貼政策的實施，提高續航里程成為一項重大挑戰。輕量化技術是提升續航里程的有效方法；車輛重量每減輕10%，能耗就能降低6%～8%。

PMMA因其優異的光學性能、輕質特性和耐候性，被廣泛應用於車輛的各個位置：

• 燈光： 需具備良好透光性、抗衝擊性和耐老化性的材料。 PMMA廣泛用於新能源汽車的尾燈罩。
• 窗戶玻璃： 使用低密度、輕質材料製造車窗是關鍵的減重策略。 PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）滿足透光性、抗衝擊性和低碎裂性的要求，同時也能提供紫外線防護。許多歐洲製造商將其用於側窗和後窗，與傳統玻璃相比，可減輕40%至50%的重量。
• 儀表板： PMMA具有優異的韌性和高衝擊強度，在振動或壓力測試下不會開裂，並且具有很高的光學透明度。
• 保險槓： PMMA 和 ABS 複合材料可用於製造保險槓，它結合了 PMMA 的耐刮擦性和環保性以及 ABS 的抗衝擊性和耐熱性，而且成本比鎂鋁合金低。

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