薄壳注塑成型技术的研究

1、薄壳注塑成型技术的研究摘要：薄壳注塑成型技术是一种近些年发展的新兴技术，理论体系尚未形成，缺少系统性的研究，还有许多理论上和实践中的问题尚待解决。可是现代生活中，电子、电器产品广泛应用， 产品正朝着“小型、轻薄”的设计理念方向发展，同时人们对这些产品的需求也在快速增长，于是在常规注塑成型技术的基础上，薄壁注塑成型技术得到快速发展。现在对薄壳注塑成型的产品缺陷、模具设计、计算机辅助工程（cae）(moldflow)技术应用展开研究。关键词：薄壳注塑成型技术、产品缺陷、模具设计、cae技术、流长厚度比、冷凝层一、薄壳注塑成型技术的概念关于薄壳注塑成型还没有定确的概念，一般定义为：流动长度/塑件厚度

2、的比（l/t）。l/t在100：1或者150：1以上的注塑为薄壳注塑；另有定义为：所成型塑件的厚度小于1.2mm，塑件的投影面积在50cm2以上的注塑成型。因此要给出一个定确的定义还是比较困难的；随着成型设备及模具制造技术的发展，薄壳注塑成型定义也在发生变化。二、薄壳注塑件常见缺陷分析项次缺陷名称缺陷成因模具修正成型改善1缺料成品的细小部位、角落处无法完全成型, 因模具加工不到位或是排气不畅, 成型上由于注射剂量或压力不够等原因, 设计缺陷(肉厚不足)修正缺料处模具，采取或改良排气措施, 加肉厚, 浇口改善(加大浇口, 增加浇口)加大注射剂量增加注射压力等2缩水常发生于成形品壁厚或肉厚不均处,

3、 因热熔塑料冷却或固化收缩不同而致, 如肋的背面、有侧壁的边缘、boss柱的背面偷肉, 但至少保留2/3的肉厚；加粗鎏道、加大浇口; 加排气升高料温加大注射压力延长保压时间等3表面影像常发生于经过偷肉的boss柱、或筋的背面, 或是由于型芯、顶针设计过高造成应力痕降低火山口；修正型芯、顶针; 母模面喷砂处理, 降低模面亮度降低注射速度减小注射压力等4气纹发生于进浇口处, 多由于模温不高, 注射速度、压力过高, 进浇口设置不当, 进浇时塑料碰到扰流结构变更进浇口, 流道打光, 流道冷料区加大, 进浇口加大, 表面加咬花（通过调机或修模赶结合线亦可)升高模温降低注射速度减小注射压力等5结合线发生于

4、两股料流汇合处, 如两个进浇口的料流交合, 绕过型芯的料流交合, 由于料温下降、排气不良所致变更进浇口, 加冷料井 , 开排气槽或公模面咬花等升高料温；升高模温等6毛边常发生公母模的结合处, 由于合模不良所致, 或是模面边角加工不当, 成型上常由于锁模力不够, 料温、压力过高等修正模具重新合模增加锁模力(check射出机台吨位是否足够)降低料温减小注射压力减少保压时间 降低保压压力等7变形细长件、面积大的薄壁件、或是结构不对称的较大成品由于成型时冷却应力不均或顶出受力不一所致修正顶针；设置起张紧作用的拉料销等; 必要时公模加咬花调节变形调整公母模模温降低保压等(小件变形的调节主要靠压力大小及时

5、间大件变形的调节一般靠模温)8表面不洁模具表面粗糙, 对于pc料, 有时由于模温过高, 模面有残胶, 油渍清理模面, 打光处理降低模温等9拉白易发生于成形品薄壁转角处或是薄壁rib根部, 由于脱模时受力不良造成, 顶针设置不当或是拔模斜度不够。加大转角处r角；增大脱模角度；增加顶针或是加大其截面积；模面打光; 顶针或斜销打光降低射速减小注射压力降低保压及时间等10拉模表现为脱模不良或模伤、拉花, 主要由于拔模斜度不够或模面粗糙, 成型条件也有影响增大拔模角度；模面打光；粘母模面时可以增加/变更拉料销, 牛角进料时注意牛角径, 公模加咬花减小注射压力降低保压及时间等11气孔透明成品pc料成形时容

6、易出现, 由于注塑过程中气体未排尽, 模具设计不当或是成型条件不当都有影响增加排气变更浇口(进浇口增大), pc料流道必须打光严格烘料条件增加注射压力降低注射速度等12断差发生于公母模块/滑块/斜销等的接合处, 表现为结合面的层次不齐等, 由于合模不当或是模具本身的问题修正模具重新合模13其它如顶针顶黑、烧焦、流痕、银条等缺限也会发生14尺寸超公差模具本身的问题, 或是成型条件不当造成成型收缩率不合适通常改变保压时间、注射压力(第二段）对尺寸的影响最大, 例如提高射压、提高保压补缩作用可明显加大尺寸, 降低模温亦可, 加大进浇口或增加进浇口可以改善调节效果三.薄壳注塑成型制品的模具设计分析常规

7、注塑成型是填充过程和冷却过程往往是交织在一起的，塑件的尺寸比较大，成型过程影响不大 而薄壳注塑成型随着壁厚的减薄，聚合物熔体在型腔中的冷却速度加剧，在很短的时间内就会固化，这使得成型过程变得复杂，成型难度加大;成为薄壁注塑成型中的致命问题。所以需要专用薄壳制品模具。与常规制品的标准化模具相比，薄壁制品的模具从模具结构、浇注系统、冷却系统、排气系统和脱模系统等都发生了重大变化。作下几个方面分析：(1)模具结构：高速射出的塑料增加模具损耗，并承受成型时的高压，薄壁成型模具的刚度要大、强度要高。因此模具的动、定模板及其支承板重量较大，厚度通常比传统模具的范本要厚(2倍)。支撑柱要多，在近浇道中心和型

8、腔处应预负荷0.1mm.模具内可能要多设置内锁，以保证精确定位和良好的侧支撑，防止弯曲和偏移。因此模具要采用较高硬度的工具钢，高磨损、高冲蚀区（如浇口处）硬度应大于hrc55（如h13和d2）。h13钢的屈服强度较nak55或p20高15%到25%,值得选用。(2)浇注系统：成型薄壳制品，特别是制品厚度非常小时，要使用大浇口，而且浇口应该大于壁厚。如：直浇口应设置冷料井，以减少浇口应力，协助填充，减少制品去除浇口时的损坏。为保证有足够的压力充填薄的模腔，流道系统中应尽可能减少压力降。为此，流道设计要比传统的大一些，同时要限制熔体的驻留时间，以防止树脂降解劣化。当是一模多腔时，浇注系统的平衡性要

9、求远高于常规模具的要求。值得注意的是薄壁制品模具的浇注系统中还引入了两项先进技术，即热流道技术和顺序阀式浇口技术。(3)冷却系统：薄壳制品不像传统壁厚件那样可以承受较大的因传热不均而产生的残余应力。为保证制品的尺寸稳定性，把收缩和翘曲控制在可以接受的范围内，就必须加强模具的冷却，确保冷却均衡。较好的冷却措施有在型芯及模腔模块内采用不闭合冷却线，加大冷却长度，均可增强冷却效果，必要的地方加入高传导率金属镶块，以加快热传导。(4)排气系统：薄壳注塑成型模具一般需要有良好的排气性，最好可以进行抽真空操作。由于填充时间短，注射速度高，模具的充分排气尤其是流动前沿聚集区的充分排气非常重要，以防困气引燃。

10、气体通常通过型芯、顶杆、加强筋、螺柱及分型面等处排出。流道的末端也要充分排气。日本sumitomo公司用多孔工具钢做小嵌件来解决小件制品的排气问题。(5)脱模系统：因为薄壳制品的壁和筋都很薄，非常容易损坏，而且沿厚度方向收缩很小，使得加强筋和其它小结构很容易粘合，同时高保压压力使收缩更小。为避免顶穿和粘模，薄壁注塑成型应使用比常规注塑成型数量更多、尺寸更大的顶出销。四cae技术在薄壳注塑成型制品中的应用及反思（一）薄壳注塑成型中cae技术在制品设计、模具设计和注塑成型三个方面的应用。(1). 制品设计 制品设计者能用流动分析解决下列问题。 1制品能否全部注满这一古老的问题仍为许多制品设计人员所

11、注目，尤其薄壳制品的转角、边角、加强筋等。 2获取制件实际最小壁厚仅量使用薄壳制件，就能大大降低制件的材料成本。减小壁厚还可大大降低制件的循环时间，从而提高生产效率，降低塑件成本。 3浇口位置是否合适采用cae分析可使产品设计者在设计时具有充分的选择浇口位置的余地，确保设计的审美特性。 (2). 模具设计 cae分析可在以下诸方面辅助设计者和制造者，以得到良好的模具设计。 1良好的充填形式对薄壳注塑成型来说，最重要的是控制充填的方式，以使塑件的成型可靠、经济。单向充填是一种好的注塑方式，它可以提高塑件内部分子单向和稳定的取向性。这种填充形式有助于避免因不同的分子取向所导致的翘曲变形。 2最佳浇

12、口位置与浇口数量为了对充填方式进行控制，模具设计者必须选择能够实现这种控制的浇口位置和数量，cae分析可使设计者有多种浇口位置的选择方案并对其影响作出评价。 3流道系统的优化设计实际的模具设计往往要反复权衡各种因素，尽量使设计方案尽善尽美。通过流动分析，可以帮助设计者设计出压力平衡、温度平衡或者压力、温度均平衡的流道系统，还可对流道内剪切速率和摩擦热进行评估，如此，便可避免材料的降解和型腔内过高的熔体温度。 4冷却系统的优化设计通过分析冷却系统对流动过程的影响，优化冷却管路的布局和工作条件，从而产生均匀的冷却，并由此缩短成型周期，减少产品成型后的内应力。 5减小反修成本提高模具一次试模成功的可

13、能性是cae分析的一大优点。反复地试模、修模要耗损大量的时间和金钱。此外，未经反复修模的模具，其寿命也较长。 (3)注塑成型 注塑者可望在制件成本、质量和可加工性方面得到cae技术的帮助。 1 由于薄壳制件成型经验的局限性，工程技术人员很难精确地设置制品最合理的加工参数，选择合适的塑料材料和确定最优的工艺方案。moldflow软件可以帮助工程技术人员确定的注射压力、锁模力、模具温度、熔体温度、注射时间、保压压力和保压时间、冷却时间等，比如cmold射出成型模拟采用crosswlf黏度模式如下:此一模式可以在宽广的成型条件范围内实切的描述黏度,能较好的处理黏度对温度和压力的敏感性(注：黏度对压力

14、的敏感性随温度降低而增加)。在crosswlf黏度模式中，压力对黏度的影响以d3显示。在传统的成型条件下，压力对黏度的影响不明显，d3可设为0。在高压下，压力对黏度的影响变得重要，d3必须确定，使得模拟的结果可以捕捉压力的效应。要获得d3的合理值。特殊的黏度测试程序以及数据分析是必要的。如果没有考虑压力对黏度的影响，当系统压力增加时，预测压力的误差会愈来愈大。如冰箱蔬果盘模具为例，说明非零的压力对黏度的影响项d3可以改进充填和后充填模具的压力预测。冰箱蔬果盘采用聚碳酸酯（pc）材料，平均壁厚是1mm，流长是170mm。压力对黏度的影响项d3并入计算后，预测的压力明显提高，并和实测压力相当吻合。

15、2减小塑薄壳件应力和翘曲选择最好的加工参数使塑件残余应力最小。残余应力通常使塑件在成型后出现翘曲变形，甚至发生失效。 3省料和减少过量充模流道和型腔的设计采用平衡流动，有助于减少材料的使用和消除因局部过量注射所造成的翘曲变形。 4.最小的流道尺寸和回用料成本流动分析有助于选定最佳的流道尺寸。以减少浇道部分塑料的冷却时间，从而缩短整个注射成型的时间，以及减少变成回收料或者废料的浇道部分塑料的体积。（二）cae技术在薄壳注塑成型制品中的应用反思 常规注塑的填充过程和冷却过程是交织在一起的，当聚合物熔体流动时，熔体前沿遇到相对温度较低的型芯表面或型腔壁，就会在其表面形成一层冷凝层，熔体在冷凝层内继续

16、向前流动，冷凝层厚度对聚合物的流动有着显著地影响。因为常规注塑成型时塑件的厚度较厚，所以此时冷凝层对注塑的影响还不是很大。但在薄壁注塑成型中，由于冷凝层的厚度与塑件厚度之比随着塑件厚度的变薄逐渐增加，所以此时这个影响就很大，特别是二者的尺寸可以相互比较时。研究表明当塑件的厚度减小时，冷凝层对流动的影响将会以指数形式增加，这也更说明了冷凝层在薄壁注塑成型中的影响之大，所以需要对薄壁注塑成型中的冷凝层的性质进行更深入、更全面的研究。因此有关薄壁注塑成型的数值模拟还需在以下几方面做很多工作。（1）充分考虑薄壁注塑成型中增加的因素。一些在常规注塑中可以忽略的因素，往往会对薄壁成型熔体流动产生较大的影响

17、。比如，熔接线强度对塑件性能影响很大，尤其是薄壁塑件，熔接线强度与温度和压力有关，但常规数值模拟时没有考虑压力的影响；材料的比热、传热系数和压力损失等。现有的商品化数值模拟软件由于忽略了这些影响因素，因而在预测薄壁注塑成型填充时会出现不一致的现象。（2）加深薄壳注塑成型理论研究。尤其是冷凝层的性质，以便提出更加合理的假设条件和边界条件。由上述分析可知，在薄壳注塑成型过程中，其很多条件和常规注塑成型有很大不同。模拟时，熔体流动数学模型的许多假设和边界条件在薄壳注塑成型中需要进行适当的调整。（3）注塑成型全过程模拟。目前的模拟软件主要包括填充、流动、保压、冷却、和翘曲分析等模块，各模块的开发是基于各自独立的数学模型，忽略了相互之间的影响。但是，从注塑成型工艺过程来看，塑料熔体的充模流动、保压和冷却等是交织在一起并相互影响的，这在薄壳注塑成型中尤为明显。因此，充模流动、保压与冷却分析和翘曲模块必须有机地结合起来，进行耦合分析，才能综合反映实际的注塑成型。现代生活中，电子、电器产品应用越来越广泛，它们向薄、小、轻方向的发展必将会更加深入，薄壳注塑成型技术将会