薄壁注塑成型技术

1、薄壁注塑成型技术颜克辉( 沈阳化工学院,辽宁沈阳110021)摘要:由于3C产品向“轻、薄、短、小”方向发展得越来越快,所以薄壁注塑成型技术也受到人们高度重视。介绍了薄壁注塑成型技术产生的背景及其优点,分析了薄壁注塑成型的定义,综述了薄壁注塑成型中的注塑机、模具设计、制品设计和材料选用,探讨了薄壁注塑成型中所面临的主要问题。关键词:薄壁注塑成型;流长厚度比;模具设计;短射收稿日期: 2006211206作者简介:颜克辉( 1978) ,男,博士研究生,研究方向为高分子材料。近年来,笔记本电脑、移动电话和个人数字助理等3C产品更新换代的速度非常快。产品的设计理念正朝着“轻、薄、短、小”方向发展,

2、同时人们对这些产品的需求也正在快速增长是,薄壁注塑成型技术迅速发展。薄壁注塑成型技术已引起人们的高度重视,以美、德和日本等国为首的发达国家纷纷投资大力开发研究该技术。它已成为塑料成型行业中新的研究热点,是一项具有深远意义和重要作用的未来技术。1 薄壁注塑成型技术1. 1 薄壁注塑成型技术的定义薄壁注塑成型( thin2wall injection molding,TW IM )技术也称为薄壁塑件注塑成型技术。目前关于薄壁注塑成型还没有统一的定义。Mah2ishi和Maloney 1 把其定义为流长厚度比L / T,即从熔体进入模具到熔体必须充填的型腔最远点的流动长度L 和相应平均壁厚T之比在1

3、00或者150以上的注塑为薄壁注塑; 而W hetten 和Fas2set 1 定义为:所成型塑件的厚度小于1 mm ,同时塑件的投影面积在50 cm2以上的注塑成型;还有学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,塑件直径d,针对圆盘型塑件)在0. 05 4 以下的注塑成型定义为薄壁注塑成型。由此可看出,要给出一个适合所有塑料原料和塑件形状的薄壁注塑成型定义还是比较困难的; 同时随着技术的发展,薄壁注塑成型定义的临界值也将发生变化,它应该是一个相对的概念。1. 2 薄壁注塑成型注塑机常规的注塑机很难在薄壁注塑成型中有用武之地。如薄壁注塑成型的

4、填充时间很短,在很短的时间内不可能遵循速度曲线,因此,必须使用高解析度的微处理器来控制注塑机。在整个薄壁注塑成型过程中,应同时各自独立地控制压力和速度,常规注塑机的充填阶段用速度控制,保压阶段再转为压力控制的方法已不适用。薄壁注塑成型注塑机一般需要小的料筒,而传统注塑机的料筒都比较大。由于塑件壁厚比较小,所以每次需要射出的量就较少。如果使用过大的料筒,容易引起塑料原料因停留时间过长而裂解。因此,在注塑机的选用上宜以每次射出量是机器最大射出量的35% 75%为佳。所以需要机械设备制造商与研究机构共同合作研制专用的注塑设备。1. 3 薄壁注塑成型模具的设计技术薄壁注塑成型时模具设计是至关重要的一环

5、,成型薄壁制品时一般需要专用模具。与常规制品的标准化模具相比,薄壁制品模具从模具结构、浇注系统、冷却系统、排气系统和脱模系统等都有可能发生重大变化。它主要表现在以下几个方面 122, 5 :(1) 模具结构为承受成型时的高压,薄壁注塑成型模具的刚度要大,强度要高。因此,模具的动、定模板及其支承板厚度通常比常规模具的模板要厚,支撑柱要多,模具内可能要多设置内锁紧定位机构,以保证精确定位和良好的侧支撑,防止弯曲和偏移。(2) 浇注系统成型薄壁塑件,特别是塑件厚度非常小时,要使用大浇口,而且浇口应该大于壁厚。如是直浇口应设置冷料井,以减少浇口应力, 协助填充, 减少塑件去除浇口时的损坏。为保证有足够

6、的压力充填薄的型腔,流道系统中应尽可能减少压力降,流道压降最好不要超过注塑机提供压力的15%。为此,流道截面设计要比传统的大一些,同时要限制熔体的驻留时间,以防止塑料降解裂化。有一些薄壁塑件模具的浇注系统中引入了热流道技术和顺序阀式浇口( SVG)技术。热流道技术能够使熔体经过较长的流动路径后还能在浇口处提供尽可能高的压力。然而,热流道却使熔体在高温下停留的时间过长,容易使塑料降解裂化,所以必须限制驻留时间。SVG技术是美国GE公司在薄壁塑件成型中开发的一种新型级式控制热流道技术,是一种减小大型塑件流长的高级技术。SVG能有效地避免熔接线,降低成型压力,在诸如笔记本电脑外壳等较大型薄壁塑件的生

7、产中发挥了巨大的作用。(3) 冷却系统薄壁塑件不像常规塑件那样可以承受较大的因传热不均而产生的残余应力。为保证塑件的尺寸稳定性,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。(4) 排气系统薄壁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。(5) 脱模系统因为薄壁塑件的壁和筋都很薄,非常容易损坏,而且沿厚度方向收缩很小,同时高保压压力使收缩更小,使得加强筋和其他小结构很容易粘合。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、尺寸更大的顶杆。1.

8、 4 薄壁注塑成型制品的设计技术薄壁制品的设计原则与常规厚壁制品的也有很大不同,而且还受到成型局限性和塑料原料选择的影响。薄壁制品要求具有高的冲击强度、良好的外观质量和尺寸稳定性以及精密的尺寸公差,并能承受大的静态载荷。设计过程中要重点考虑制品的刚性、抗冲击性和可制造性等。1. 5 薄壁注塑成型塑料原料的选择薄壁注塑成型所使用的塑料原料的流动性要好,需要拥有大的流动长度、高的冲击强度、高的热变形温度、高的热稳定性、低的方向性以及良好的尺寸稳定性。另外,还要考虑塑料原料的低温冲击刚性、阻燃性、机械装配性以及外观质量等。目前薄壁注塑成型应用较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。这可能是由随着壁厚降低,需要使用具有更好物理性能的塑料来维持制品强度。1. 6 薄壁注塑成型中存在的主要问题虽然塑件薄壁化有很多优点,但却降低了塑件的可成型性,以至于用常规的注塑成型方法无法成型这些薄壁塑件。在进行薄壁塑件的成型时,存在三个常见问题: 短射、翘曲变形和熔接线。(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质量缺陷,即熔体在完成填充之前就已经凝结。如果某塑件填充不完整,则无需考虑其他质量缺陷就可判定为不合格产品。常规注塑成型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

10、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向前流动,随着冷凝层厚度的增加,实际型腔流道变窄,冷凝层厚度对聚合物的流动有着显著的影响。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成型的影响还不是很大。但在薄壁注塑成型中,当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时,这个影响就很大。特别是二者的尺寸可以相互比较时更为突出。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。如果仅从注塑成型( 图1)考虑,则需要注塑机有高的注射速率,使塑料熔体填充型腔的速率超过冷凝层成长的速率(

11、 或者使冷凝层的成长速率变慢) ,这样才可在流动截面封闭前完成填充动作,进行薄壁塑件的注塑成型。图1注塑成型时型腔内流动情况Fasset 6 指出,当流动长度为300 mm ,塑件壁厚为3. 0 mm 时,此时L / T为100,用常规注塑成型技术就很容易达到;但当塑件壁厚下降至1. 0mm 以下时,这个曾经很容易达到的流长厚度比(100)就变得非常难达到。(2) 翘曲变形翘曲变形(warpage)是不均匀的内部应力导致的塑件缺陷。翘曲变形产生的原因是收缩不均匀、取向不均匀和冷却不均匀。翘曲变形值超过一定数值后塑件将被视为不合格,而且薄壁塑件对翘曲的要求更为严格。可以通过平衡冷却系统、调节冷却

12、时间、保压压力以及保压时间等措施来改善塑件的翘曲变形缺陷。(3) 熔接线熔接线(weldline)是型腔内两个或多个熔体流动前沿熔合时形成的界线。熔接线不但影响塑件的外观质量,而且在熔接线处易产生应力集中,削弱塑件的机械强度,对塑件特别是薄壁塑件的机械性能尤为不利,受外力后塑件非常容易在熔接线处开裂。在设计时可以通过减少浇口数目或改变浇口位置来减少或改变熔接线的位置,来满足塑件的设计要求。随着3C 产品应用领域不断拓宽, 产品向“短、小、轻、薄”方向的深入发展,薄壁注塑成型技术将会成为一种不可缺少的注塑成型技术。我国的薄壁注塑成型技术与国外相比还有很大差距,我们一定要加快这一高新技术的开发与应

13、用,为我国塑料加工业开创新局面作出贡献。参考文献: 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