薄壁注塑成型技术.pdf

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

2、 题 。关 键 词 :薄 壁 注 塑 成 型 ;流 长 厚 度 比 ;模 具 设 计 ;短 射中 图 分 类 号 : TQ 320166 + 3 文 献 标 识 码 : A 文 章 编 号 : 100925993 (2007) 0220035203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

3、、 短 、 小 ” 方 向 发 展 ,同 时人 们 对 这 些 产 品 的 需 求 也 正 在 快 速 增 长 。 于 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

4、 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 100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

5、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

6、 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 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

7、 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

8、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 ,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53薄 壁 注 塑 成 型 技 术 上 海 塑 料 2007年 第 2期 (总 第 1

9、38期 ) 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/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

10、 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 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

11、 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

12、 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 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

13、 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

14、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. 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

15、 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

16、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 乙 烯(ABS)、 PC /ABS共 混 物 和 PA6等 。 这 可 能 是 由于 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

17、 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 遇到 相 对

18、 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

19、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 。63薄 壁 注 塑 成 型 技 术 上 海 塑 料 2007年 第 2期 (总 第 138期 ) 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/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

20、 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 (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

21、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

22、 统 、 调 节 冷 却 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

23、 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 应用 ,为 我 国 塑 料 加 工 业 开 创 新 局 面 作

24、 出 贡 献 。参 考 文 献 : 1 Xu GJ. Study of Thin2W all Injection Molding: (Doctor D isser2tation) M . Ohio: The Ohio State University, 2004. 2 Huang M ing2chih , Tai Ching2chih . The Effective Factors inthe W arpage Problem of an Injection2Molded Part with a ThinShell Feature J . Materials Processing Techno

25、logy, 2001, 110(1) : 129. 3 L iao S J , Chang D Y, Chen H J, et al. Op timal Process Con2ditions of Shrinkage and W arpage of Thin2W all Parts J . Pol2ymer Engineering and Science, 2004, 44 (5) : 9172928. 4 黄 虹 . 塑 料 成 型 加 工 与 模 具 M . 北 京 :化 学 工 业 出 版社 , 2003. 5 谷 诤 巍 ,付 沛 福 . 薄 壳 成 型 技 术 J . 合 成 树

26、脂 及 塑 料 ,2001, 18 (5) : 57260. 6 Jim F. Thin W all Molding D ifferences in Processing overStandard Injection Molding. SPE ANTEC C . 1995, 41:4302433.Th in 2W a ll In je c tio n M o ld in g Te ch n o lo g yYAN Ke2hui( Shenyang Chem ical Technology Institute, Shenyang 110021, China)Ab s trac t: The th

27、in2wall injection molding technology iswidely concerned because of the rap id development of the3C (Computer, Communication and Consumer) p roducts, which become more and more thin, light, short andsmall. The background and significance of the thin2wall injection molding technology is introduced. Th

28、e defini2tion of the thin2wall injection molding technology is analyged . The injection machine, mold design, part designand material in thin2wall injection molding are summarized . And the key p roblem s of the thin2wall injectionmolding are discussed.Key wo rd s: thin2wall injection molding; ratio of flow length to thickness; mold design; short shots73薄 壁 注 塑 成 型 技 术 上 海 塑 料 2007年 第 2期 (总 第 138期 ) 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/