薄壁注塑成型技術(shù)

1、薄壁注塑成型技術(shù)顏克輝( 沈陽(yáng)化工學(xué)院,遼寧沈陽(yáng)110021)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)也受到人們高度重視。介紹了薄壁注塑成型技術(shù)產(chǎn)生的背景及其優(yōu)點(diǎn),分析了薄壁注塑成型的定義,綜述了薄壁注塑成型中的注塑機(jī)、模具設(shè)計(jì)、制品設(shè)計(jì)和材料選用,探討了薄壁注塑成型中所面臨的主要問題。關(guān)鍵詞:薄壁注塑成型;流長(zhǎng)厚度比;模具設(shè)計(jì);短射收稿日期: 2006211206作者簡(jiǎn)介:顏克輝( 1978) ,男,博士研究生,研究方向?yàn)楦叻肿硬牧?。近年?筆記本電腦、移動(dòng)電話和個(gè)人數(shù)字助理等3C產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度非?？?。產(chǎn)品的設(shè)計(jì)理念正朝著“輕、薄、短、小”方向發(fā)展,

2、同時(shí)人們對(duì)這些產(chǎn)品的需求也正在快速增長(zhǎng)是,薄壁注塑成型技術(shù)迅速發(fā)展。薄壁注塑成型技術(shù)已引起人們的高度重視,以美、德和日本等國(guó)為首的發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛投資大力開發(fā)研究該技術(shù)。它已成為塑料成型行業(yè)中新的研究熱點(diǎn),是一項(xiàng)具有深遠(yuǎn)意義和重要作用的未來技術(shù)。1 薄壁注塑成型技術(shù)1. 1 薄壁注塑成型技術(shù)的定義薄壁注塑成型( thin2wall injection molding,TW IM )技術(shù)也稱為薄壁塑件注塑成型技術(shù)。目前關(guān)于薄壁注塑成型還沒有統(tǒng)一的定義。Mah2ishi和Maloney 1 把其定義為流長(zhǎng)厚度比L / T,即從熔體進(jìn)入模具到熔體必須充填的型腔最遠(yuǎn)點(diǎn)的流動(dòng)長(zhǎng)度L 和相應(yīng)平均壁厚T之比在1

3、00或者150以上的注塑為薄壁注塑; 而W hetten 和Fas2set 1 定義為:所成型塑件的厚度小于1 mm ,同時(shí)塑件的投影面積在50 cm2以上的注塑成型;還有學(xué)者把所成型塑件的壁厚小于1 mm 2 (或1.5mm 3 )或者是t/ d ( 塑件厚度t,塑件直徑d,針對(duì)圓盤型塑件)在0. 05 4 以下的注塑成型定義為薄壁注塑成型。由此可看出,要給出一個(gè)適合所有塑料原料和塑件形狀的薄壁注塑成型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。1. 2 薄壁注塑成型注塑機(jī)常規(guī)的注塑機(jī)很難在薄壁注塑成型中有用武之地。如薄壁注塑成型的

4、填充時(shí)間很短,在很短的時(shí)間內(nèi)不可能遵循速度曲線,因此,必須使用高解析度的微處理器來控制注塑機(jī)。在整個(gè)薄壁注塑成型過程中,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。薄壁注塑成型注塑機(jī)一般需要小的料筒,而傳統(tǒng)注塑機(jī)的料筒都比較大。由于塑件壁厚比較小,所以每次需要射出的量就較少。如果使用過大的料筒,容易引起塑料原料因停留時(shí)間過長(zhǎng)而裂解。因此,在注塑機(jī)的選用上宜以每次射出量是機(jī)器最大射出量的35% 75%為佳。所以需要機(jī)械設(shè)備制造商與研究機(jī)構(gòu)共同合作研制專用的注塑設(shè)備。1. 3 薄壁注塑成型模具的設(shè)計(jì)技術(shù)薄壁注塑成型時(shí)模具設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的一環(huán)

5、,成型薄壁制品時(shí)一般需要專用模具。與常規(guī)制品的標(biāo)準(zhǔn)化模具相比,薄壁制品模具從模具結(jié)構(gòu)、澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)和脫模系統(tǒng)等都有可能發(fā)生重大變化。它主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面 122, 5 :(1) 模具結(jié)構(gòu)為承受成型時(shí)的高壓,薄壁注塑成型模具的剛度要大,強(qiáng)度要高。因此,模具的動(dòng)、定模板及其支承板厚度通常比常規(guī)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)鎖緊定位機(jī)構(gòu),以保證精確定位和良好的側(cè)支撐,防止彎曲和偏移。(2) 澆注系統(tǒng)成型薄壁塑件,特別是塑件厚度非常小時(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, 減少塑件去除澆口時(shí)的損壞。為保證有足夠

6、的壓力充填薄的型腔,流道系統(tǒng)中應(yīng)盡可能減少壓力降,流道壓降最好不要超過注塑機(jī)提供壓力的15%。為此,流道截面設(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,以防止塑料降解裂化。有一些薄壁塑件模具的澆注系統(tǒng)中引入了熱流道技術(shù)和順序閥式澆口( SVG)技術(shù)。熱流道技術(shù)能夠使熔體經(jīng)過較長(zhǎng)的流動(dòng)路徑后還能在澆口處提供盡可能高的壓力。然而,熱流道卻使熔體在高溫下停留的時(shí)間過長(zhǎng),容易使塑料降解裂化,所以必須限制駐留時(shí)間。SVG技術(shù)是美國(guó)GE公司在薄壁塑件成型中開發(fā)的一種新型級(jí)式控制熱流道技術(shù),是一種減小大型塑件流長(zhǎng)的高級(jí)技術(shù)。SVG能有效地避免熔接線,降低成型壓力,在諸如筆記本電腦外殼等較大型薄壁塑件的生

7、產(chǎn)中發(fā)揮了巨大的作用。(3) 冷卻系統(tǒng)薄壁塑件不像常規(guī)塑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。為保證塑件的尺寸穩(wěn)定性,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。(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。(5) 脫模系統(tǒng)因?yàn)楸”谒芗谋诤徒疃己鼙?非常容易損壞,而且沿厚度方向收縮很小,同時(shí)高保壓壓力使收縮更小,使得加強(qiáng)筋和其他小結(jié)構(gòu)很容易粘合。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、尺寸更大的頂桿。1.

8、 4 薄壁注塑成型制品的設(shè)計(jì)技術(shù)薄壁制品的設(shè)計(jì)原則與常規(guī)厚壁制品的也有很大不同,而且還受到成型局限性和塑料原料選擇的影響。薄壁制品要求具有高的沖擊強(qiáng)度、良好的外觀質(zhì)量和尺寸穩(wěn)定性以及精密的尺寸公差,并能承受大的靜態(tài)載荷。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等。1. 5 薄壁注塑成型塑料原料的選擇薄壁注塑成型所使用的塑料原料的流動(dòng)性要好,需要擁有大的流動(dòng)長(zhǎng)度、高的沖擊強(qiáng)度、高的熱變形溫度、高的熱穩(wěn)定性、低的方向性以及良好的尺寸穩(wěn)定性。另外,還要考慮塑料原料的低溫沖擊剛性、阻燃性、機(jī)械裝配性以及外觀質(zhì)量等。目前薄壁注塑成型應(yīng)用較多的塑料原料有聚碳酸酯( PC ) 、丙烯睛2丁二烯2苯

9、乙烯(ABS) 、PC /ABS共混物和PA6 等。這可能是由隨著壁厚降低,需要使用具有更好物理性能的塑料來維持制品強(qiáng)度。1. 6 薄壁注塑成型中存在的主要問題雖然塑件薄壁化有很多優(yōu)點(diǎn),但卻降低了塑件的可成型性,以至于用常規(guī)的注塑成型方法無法成型這些薄壁塑件。在進(jìn)行薄壁塑件的成型時(shí),存在三個(gè)常見問題: 短射、翹曲變形和熔接線。(1) 短射短射( short shots)是指由于模具型腔填充不完全造成塑件不完整的質(zhì)量缺陷,即熔體在完成填充之前就已經(jīng)凝結(jié)。如果某塑件填充不完整,則無需考慮其他質(zhì)量缺陷就可判定為不合格產(chǎn)品。常規(guī)注塑成型的填充過程和冷卻過程是交織在一起的。當(dāng)聚合物熔體流動(dòng)時(shí),熔體前沿遇

10、到相對(duì)溫度較低的型芯表面或型腔壁,就會(huì)在其表面形成一層冷凝層。熔體在冷凝層內(nèi)繼續(xù)向前流動(dòng),隨著冷凝層厚度的增加,實(shí)際型腔流道變窄,冷凝層厚度對(duì)聚合物的流動(dòng)有著顯著的影響。因?yàn)槌Ｒ?guī)注塑成型時(shí)塑件的厚度較厚,所以此時(shí)冷凝層對(duì)注塑成型的影響還不是很大。但在薄壁注塑成型中,當(dāng)冷凝層的厚度與塑件厚度之比隨著塑件厚度的變薄逐漸增加時(shí),這個(gè)影響就很大。特別是二者的尺寸可以相互比較時(shí)更為突出。研究表明,當(dāng)塑件的厚度減小時(shí),冷凝層對(duì)流動(dòng)的影響將會(huì)以指數(shù)形式增加,這也更說明了冷凝層在薄壁注塑成型中的影響之大。如果僅從注塑成型( 圖1)考慮,則需要注塑機(jī)有高的注射速率,使塑料熔體填充型腔的速率超過冷凝層成長(zhǎng)的速率(

11、 或者使冷凝層的成長(zhǎng)速率變慢) ,這樣才可在流動(dòng)截面封閉前完成填充動(dòng)作,進(jìn)行薄壁塑件的注塑成型。圖1注塑成型時(shí)型腔內(nèi)流動(dòng)情況Fasset 6 指出,當(dāng)流動(dòng)長(zhǎng)度為300 mm ,塑件壁厚為3. 0 mm 時(shí),此時(shí)L / T為100,用常規(guī)注塑成型技術(shù)就很容易達(dá)到;但當(dāng)塑件壁厚下降至1. 0mm 以下時(shí),這個(gè)曾經(jīng)很容易達(dá)到的流長(zhǎng)厚度比(100)就變得非常難達(dá)到。(2) 翹曲變形翹曲變形(warpage)是不均勻的內(nèi)部應(yīng)力導(dǎo)致的塑件缺陷。翹曲變形產(chǎn)生的原因是收縮不均勻、取向不均勻和冷卻不均勻。翹曲變形值超過一定數(shù)值后塑件將被視為不合格,而且薄壁塑件對(duì)翹曲的要求更為嚴(yán)格?？梢酝ㄟ^平衡冷卻系統(tǒng)、調(diào)節(jié)冷卻

12、時(shí)間、保壓壓力以及保壓時(shí)間等措施來改善塑件的翹曲變形缺陷。(3) 熔接線熔接線(weldline)是型腔內(nèi)兩個(gè)或多個(gè)熔體流動(dòng)前沿熔合時(shí)形成的界線。熔接線不但影響塑件的外觀質(zhì)量,而且在熔接線處易產(chǎn)生應(yīng)力集中,削弱塑件的機(jī)械強(qiáng)度,對(duì)塑件特別是薄壁塑件的機(jī)械性能尤為不利,受外力后塑件非常容易在熔接線處開裂。在設(shè)計(jì)時(shí)可以通過減少澆口數(shù)目或改變澆口位置來減少或改變?nèi)劢泳€的位置,來滿足塑件的設(shè)計(jì)要求。隨著3C 產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬, 產(chǎn)品向“短、小、輕、薄”方向的深入發(fā)展,薄壁注塑成型技術(shù)將會(huì)成為一種不可缺少的注塑成型技術(shù)。我國(guó)的薄壁注塑成型技術(shù)與國(guó)外相比還有很大差距,我們一定要加快這一高新技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)

13、用,為我國(guó)塑料加工業(yè)開創(chuàng)新局面作出貢獻(xiàn)。參考文獻(xiàn): 1 Xu GJ. Study of Thin2W all Injection Molding: (Doctor D isser2 tation) M . Ohio: The Ohio State University, 2004. 2 Huang M ing2chih , Tai Ching2chih . The Effective Factors in the W arpage Problem of an Injection2Molded Part with a Thin Shell Feature J . Materials Processing Technology, 2001, 110( 1) : 129. 3 L iao S J , Chang D Y, Chen H J, et al. Op timal Process Con2 ditions of Shrinkage and Warpage of Thin2W all Parts J . Pol2 ymer Engineering and Science, 2004, 44 ( 5) : 9172