薄壁注塑成型技術(shù)的研究進(jìn)展

1、薄壁注塑成型技術(shù)的研究進(jìn)展摘要：由于3C產(chǎn)品向輕、薄、短、小方向發(fā)展得越來越快，所以薄壁注塑成型技術(shù)也受到人們的高度重視，而薄壁注塑成型數(shù)值模擬技術(shù)是薄壁注塑成型技術(shù)得以應(yīng)用的重要保證。本文介紹了薄壁注塑成型技術(shù)產(chǎn)生的背景和科學(xué)意義，綜述了薄壁注塑成型中的制品設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、注塑機(jī)和材料選用以及薄壁注塑成型數(shù)值模擬技術(shù)的研究與應(yīng)用概況，探討了薄壁注塑成型數(shù)值模擬技術(shù)發(fā)展中所面臨的一些關(guān)鍵問題，指出了薄壁注塑成型數(shù)值模擬技術(shù)的研究發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：薄壁注塑成型；模具設(shè)計(jì)；數(shù)值模擬；流長厚度比；冷凝層。 近年來，筆記本電腦和移動(dòng)電話等3C（Computer, Communication and C

2、onsumer）產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度非?？?，這類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)理念正朝著“輕、薄、短、小”方向發(fā)展，同時(shí)人們對(duì)這些產(chǎn)品的需求也在快速增長，于是在常規(guī)注塑成型（Conventional Injection Molding, CIM）技術(shù)的基礎(chǔ)上，薄壁注塑成型（Thin-Wall Injection Molding , TWIM）技術(shù)迅速發(fā)展起來。薄壁化因具有減小產(chǎn)品重量及外形尺寸、便于集成設(shè)計(jì)及裝配、縮短生產(chǎn)周期、節(jié)約材料和降低成本等優(yōu)點(diǎn)成為塑料消費(fèi)行業(yè)追求的目標(biāo)，已成為塑料成型行業(yè)中新的研究熱點(diǎn)。 薄壁注塑成型技術(shù)是一種僅有十幾年發(fā)展歷史的新興技術(shù)，其理論體系尚未形成，缺少系統(tǒng)性的研究，而薄壁注塑成

3、型數(shù)值模擬研究也只是近幾年才提出的，還有許多理論上和實(shí)踐中的問題尚待解決。薄壁注塑成型技術(shù)的概念 目前關(guān)于薄壁注塑成型還沒有統(tǒng)一的定義，Mahishi和Maloney把其定義為流長厚度比L/T（L：Length，流動(dòng)長度；T：Thickness，塑件厚度；L/T也簡(jiǎn)稱為流長比）在100或者150以上的注塑為薄壁注塑；而Whetten和Fasset是這樣定義薄壁注塑成型的：所成型塑件的厚度小于1mm，同時(shí)塑件的投影面積在50cm2以上的注塑成型。由此可見要給出一個(gè)統(tǒng)一的定義還是比較困難的；同時(shí)隨著技術(shù)的發(fā)展，薄壁注塑成型定義的臨界值也將發(fā)生變化，它應(yīng)該是一個(gè)相對(duì)的概念。 常規(guī)注塑成型工藝已為人們

4、所熟悉，但薄壁注塑成型則不然，因?yàn)殡S著壁厚的減薄，聚合物熔體在型腔中的冷卻速度加劇，在很短的時(shí)間內(nèi)就會(huì)固化，這使得成型過程變得復(fù)雜，成型難度加大，常規(guī)的注塑成型工藝條件已不能滿足需要。常規(guī)注塑成型的一個(gè)不足就是填充過程和冷卻過程往往是交織在一起的，但由于常規(guī)塑件的尺寸比較大，所以對(duì)成型過程影響不大，但在薄壁注塑成型中這個(gè)不足就成為致命的問題。所以，不能把常規(guī)注塑成型中的理論和操作簡(jiǎn)單地照搬到薄壁注塑成型中去。薄壁注塑成型中的制品設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、注塑機(jī)及材料選用 薄壁制品的設(shè)計(jì)思想和方法更為復(fù)雜，并進(jìn)一步受到成型局限及材料選擇的影響。薄壁制品要求應(yīng)該具有高的沖擊強(qiáng)度、良好的外觀質(zhì)量和尺寸穩(wěn)定性，

5、并能承受大的靜態(tài)載荷，成型材料的流動(dòng)性要好。設(shè)計(jì)過程中要重點(diǎn)考慮制品的剛性、抗沖擊性和可制造性。 成型薄壁制品時(shí)一般需要專門設(shè)計(jì)的薄壁制品專用模具。與常規(guī)制品的標(biāo)準(zhǔn)化模具相比，薄壁制品的模具從模具結(jié)構(gòu)、澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)和脫模系統(tǒng)等都發(fā)生了重大變化。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： （1）模具結(jié)構(gòu)：為承受成型時(shí)的高壓，薄壁成型模具的剛度要大、強(qiáng)度要高。因此模具的動(dòng)、定模板及其支承板重量較大，厚度通常比傳統(tǒng)模具的模板要厚。支撐柱要多，模具內(nèi)可能要多設(shè)置內(nèi)鎖，以保證精確定位和良好的側(cè)支撐，防止彎曲和偏移。另外，高速射出速度增加了模具的磨損，因此模具要采用較高硬度的工具鋼，高磨損、高沖蝕區(qū)（如澆口

6、處）硬度應(yīng)大于HRC55。 （2）澆注系統(tǒng)：成型薄壁制品，特別是制品厚度非常小時(shí)，要使用大澆口，而且澆口應(yīng)該大于壁厚。如是直澆口應(yīng)設(shè)置冷料井，以減少澆口應(yīng)力，協(xié)助填充，減少制品去除澆口時(shí)的損壞。為保證有足夠的壓力充填薄的模腔，流道系統(tǒng)中應(yīng)盡可能減少壓力降。為此，流道設(shè)計(jì)要比傳統(tǒng)的大一些，同時(shí)要限制熔體的駐留時(shí)間，以防止樹脂降解劣化。當(dāng)是一模多腔時(shí)，澆注系統(tǒng)的平衡性要求遠(yuǎn)高于常規(guī)模具的要求。值得注意的是薄壁制品模具的澆注系統(tǒng)中還引入了兩項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，即熱流道技術(shù)和順序閥式澆口（SVG）技術(shù)。 （3）冷卻系統(tǒng)：薄壁制品不像傳統(tǒng)壁厚件那樣可以承受較大的因傳熱不均而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。為保證制品的尺寸穩(wěn)定性

7、，把收縮和翹曲控制在可以接受的范圍內(nèi)，就必須加強(qiáng)模具的冷卻，確保冷卻均衡。較好的冷卻措施有在型芯及模腔模塊內(nèi)采用不閉合冷卻線，加大冷卻長度，均可增強(qiáng)冷卻效果，必要的地方加入高傳導(dǎo)率金屬鑲塊，以加快熱傳導(dǎo)。 （4）排氣系統(tǒng)：薄壁注塑成型模具一般需要有良好的排氣性，最好可以進(jìn)行抽真空操作。由于填充時(shí)間短，注射速度高，模具的充分排氣尤其是流動(dòng)前沿聚集區(qū)的充分排氣非常重要，以防困氣引燃。氣體通常通過型芯、頂桿、加強(qiáng)筋、螺柱及分型面等處排出。流道的末端也要充分排氣。日本Sumitomo公司用多孔工具鋼做小嵌件來解決小件制品的排氣問題。 （5）脫模系統(tǒng)：因?yàn)楸”谥破返谋诤徒疃己鼙。浅Ｈ菀讚p壞，而且沿厚度

8、方向收縮很小，使得加強(qiáng)筋和其他小結(jié)構(gòu)很容易粘合，同時(shí)高保壓壓力使收縮更小。為避免頂穿和粘模，薄壁注塑成型應(yīng)使用比常規(guī)注塑成型數(shù)量更多、尺寸更大的頂出銷。 常規(guī)的注塑機(jī)很難在薄壁塑件注塑成型中有用武之地。比如薄壁注塑成型的填充時(shí)間很短，很多填充時(shí)間不足0.5s，在這樣短的時(shí)間不可能遵循速度曲線或截?cái)鄩毫?，因此必須使用高解析度的微處理器來控制注塑機(jī)；在薄壁制品的整個(gè)注塑成型過程中，應(yīng)同時(shí)各自獨(dú)立地控制壓力和速度，常規(guī)注塑機(jī)的充填階段用速度控制，保壓階段再轉(zhuǎn)為壓力控制的方法已不適用。所以機(jī)械設(shè)備制造商與研究機(jī)構(gòu)共同合作努力，研制出了專用的注射設(shè)備。如臺(tái)灣臺(tái)中精機(jī)公司的VS-100薄壁注塑機(jī)、德國Dr

9、Boy公司開發(fā)的Boy型系列注塑機(jī)以及Battenfeld、Arburg和JSW等著名注塑機(jī)生產(chǎn)廠商開發(fā)的專用注塑機(jī)。 薄壁注塑成型材料流動(dòng)性要好，必須擁有大的流動(dòng)長度。還有具有高的沖擊強(qiáng)度，高熱變形溫度，良好的尺寸穩(wěn)定性。另外，還要考察材料的耐熱性、阻燃性、機(jī)械裝配性及外觀質(zhì)量等等。目前，薄壁注塑成型廣為應(yīng)用的材料有聚碳酸酯（PC）、丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）及PC/ABS共混物等。薄壁注塑成型數(shù)值模擬技術(shù) 在注塑成型中，對(duì)填充過程進(jìn)行數(shù)值模擬可以預(yù)測(cè)實(shí)際注射過程中可能出現(xiàn)的缺陷、優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、調(diào)整工藝參數(shù)和有針對(duì)性地制訂解決方案，從而達(dá)到減少材料浪費(fèi)，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量和市場(chǎng)

10、競(jìng)爭(zhēng)力的目的。目前，對(duì)于常規(guī)模具的數(shù)值模擬已經(jīng)成為模具設(shè)計(jì)中不可缺少的一環(huán)；在薄壁注塑成型技術(shù)越來越引起關(guān)注的今天，出于同樣的目的，人們希望對(duì)薄壁注塑模具的充填情況事先進(jìn)行數(shù)值模擬。 20世紀(jì)70年代在世界范圍內(nèi)開始了注塑成型數(shù)值模擬技術(shù)的研究。到目前為止，成熟的商業(yè)注塑成型數(shù)值模擬軟件較多，澳大利亞MOLDFLOW公司的Moldflow軟件和美國AC-Tech公司(2000年2月，被MOLDFLOW公司合并)的C-Mold軟件是其中的優(yōu)秀代表。但針對(duì)薄壁注塑成型條件下的數(shù)值模擬還沒有專用的軟件，所以人們都還是使用現(xiàn)有的商業(yè)注塑成型數(shù)值模擬軟件。不過從下文所介紹的研究表明，現(xiàn)有的商業(yè)化注塑成型

11、數(shù)值模擬軟件可以用來分析薄壁塑件的填充行為，以及薄壁塑件注塑中工藝參數(shù)的選擇，但不能充分描述在薄壁注塑成型中所有的影響因素，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果之間幾乎都存在差異。 對(duì)于薄壁注塑成型，起初人們普遍認(rèn)為需要高注射壓力、高注射速度和高熔體溫度等工藝條件，但是隨著研究的進(jìn)行，研究者發(fā)現(xiàn)并不完全像先前所認(rèn)為的那樣。每個(gè)研究者的結(jié)論也不盡相同，至今還沒有比較系統(tǒng)、權(quán)威的結(jié)論。 奧克蘭大學(xué)機(jī)械工程系的姚東剛等對(duì)不同厚度的矩形薄壁塑件成型行為進(jìn)行了研究。使用C-mold軟件來模擬其填充行為，所用材料為聚碳酸脂（PC），模具溫度一種是室溫，另一種是265（即聚合物熔體的溫度），塑件壁厚分別為：0.25、0.5、

12、1和2mm，注射速度為100和1000sec-1。在室溫下的模擬研究表明：當(dāng)壁厚減小時(shí)，要填充相同的L/T值注射壓力急劇上升；在低注射速度下要填充相同的L/T值，所需的注射壓力也要比高注射速度下高很多。在265下的模擬研究表明：要填充相同的L/T值所需的注射壓力比在室溫下時(shí)要低很多；在高速注射時(shí)，當(dāng)壁厚減小時(shí)，注射壓力升高并不明顯；當(dāng)?shù)退僮⑸鋾r(shí)，注射壓力幾乎沒有變化，同時(shí)所需壓力還比在高速注射時(shí)要低。模擬結(jié)果表明模具溫度在薄壁注塑成型中起重要作用；在低速、高模具溫度下注塑時(shí)，L/T值可以很大，且注射壓力也不是很高，這和當(dāng)前認(rèn)為在成型薄壁塑件時(shí)要采用高速、高壓的工藝參數(shù)相反。件。由上述分析可知，

13、在薄壁注塑成型過程中，其很多條件和常規(guī)注塑成型有很大不同。模擬時(shí)，熔體流動(dòng)數(shù)學(xué)模型的許多假設(shè)和邊界條件在薄壁注塑成型中需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。（2）確定在薄壁注塑成型中增加的因素，并正確地考慮這些因素。一些在常規(guī)注塑中可以忽略的因素，往往會(huì)對(duì)薄壁成型熔體流動(dòng)產(chǎn)生較大的影響。比如，在薄壁注塑中粘度對(duì)壓力有明顯的依賴性，而在常規(guī)注塑成型中卻沒有；熔接線強(qiáng)度對(duì)塑件性能影響很大，尤其是薄壁塑件，熔接線強(qiáng)度與溫度和壓力有關(guān)，但常規(guī)數(shù)值模擬時(shí)沒有考慮壓力的影響；材料的比熱、傳熱系數(shù)和壓力損失等。現(xiàn)有的商品化數(shù)值模擬軟件由于忽略了這些影響因素，因而在預(yù)測(cè)薄壁注塑成型填充時(shí)會(huì)出現(xiàn)不一致的現(xiàn)象。 （3）應(yīng)用真正的三維數(shù)值模擬。現(xiàn)有商品化的數(shù)值模擬軟件都是使用二維、二維半要素代表三維幾何圖形的簡(jiǎn)化模型，沒有考慮物理量在厚度方向上的變化。三維流動(dòng)區(qū)域即拐角處流動(dòng)、厚度變化區(qū)域、熔體前端噴泉效應(yīng)在現(xiàn)有的數(shù)值模擬軟件中還不能表示，而它們?cè)诒”谧⑺艹尚椭衅鹬匾饔谩?（4）注塑成型全過程模擬。目前的模擬軟件主要包括填充、流動(dòng)、保壓、冷卻、和翹曲分析等模塊，各模塊的開發(fā)是基于各自獨(dú)立的數(shù)學(xué)模型，忽略了相互之間的影響。但是，從注塑成型工藝過程來看，塑料熔體的