浅谈薄壁注塑的应用

浅谈薄壁注塑的应用壁注塑要求注塑机、模具和塑胶，均进行适当的调整配合。本文将会探讨薄壁的特性、经济效益，以及薄壁注塑设备的设计。何谓薄壁？最简单而基本的角度，「薄壁」指壁厚小于1mm时。全面而言，「薄壁」的定义与流程/壁厚比、塑胶粘度，以及传热系数等三项因素有关。首先流程/壁厚比方面，假设：从模具的主流道成品最远一点的流程=L、成品壁厚=t，即：流程/壁厚比L/t。若L/t﹥150，这类加工便称之为薄壁注塑。如流程厚薄不一致，可分段计算，详见图1。图1：流程/壁厚L/t=L1/t1+L2/t2+L3/t3+L4/t4（流程厚薄不一致）L/t的定义必须考虑塑胶的粘度因数及传热因数。若（流程/壁厚比）x粘度因数﹥150，这类加工亦可定义为薄壁注塑。以聚丙烯（PP）即弃饭盒为例，PP粘度因数=1、流程、135mm、壁厚0.45mm，所以流程/壁厚比x粘度因数=300；另外，生产聚酸酯（PC）手机电池外壳，PC粘度因数=2，流程=38mm、壁厚=0.25mm，所以流程/壁厚比x粘度因数=152x2=304，与饭盒的相若。一般塑胶的导热性能不良。为增加散热效果或达到电磁波兼容性，部分外壳回采用高导热性白胶。当然，金属粉末亦属于高导热性。图2是计算注塑成批冷却时间表（tc）的公式中：t=壁厚、Tm=熔融温度、Tw、模壁温度T=脱模温度、α=塑胶传热系数。图2：冷却时间公式故定义（流程/壁厚比）x粘度因数x传热因数﹥150为薄壁注塑。而传热因数=α/αo·αo=PP传热系数。tc=ln〔〕t22Лα4（Tm－Tw）Л（T－Tw）为何要薄壁注塑？塑胶成本通常都占制品成本的一大部分，大约50%至80%。应用薄壁部件，就有助降低塑胶在制品成本中所占的比例。另一方面，由于消费性电子设备如手机、MP3播放机、数码相机、掌上电脑越趋小型和轻巧，所以有关的塑件设计亦越来越薄，需要薄壁注塑。薄壁充填的本质模壁是冷的，在熔融充填模腔时，模壁会形成固化层，因而降低可流动通道的厚度。（见图3）壁厚越薄，这情况越严重，例如：若壁厚1mm图3：充填过程出现0.2mm厚的固化层，剩下的流动通道厚度为0.6mm；但壁厚0.5mm同样会出现0.2mm厚的固化层，剩下的流动通道厚度便只有0.1mm。若充填尚未完成，但流动通道却因固化层过厚而小时，成品便未能填满。高速充填因此，薄壁注塑要求注塑机进行高速注射，在固化层不太厚时填满模腔。薄壁注塑不需要高注射压力，因为那只是弥补注射速度的不足，强行将熔融注入未填满的模腔。如此一来，不但增加所需的锁模力，亦会在成品里形成高内应力，导致脱模后成品出现变形。通用注塑机的注射速度一般在100mm/s左右，不能应付薄壁注塑。要增加注射速度，可加大油泵或采用双泵注射，分别将注射速度提高25%和70%。部分厂家采用再生注射，以注射压力换取注射速度。若初段注射不需要高注射压力，这方法相当适用，能有效将注射速度提高100%以上。至于既正规，而又能大幅提高注射速度的方法，是利用氮气瓶将油泵的能量以压力的形式储存起，并在注射时释放。以下将注射速度分为四类：低速：200至300mm/s；中速：300至600mm/s;高速：600至1000mm/s；超高速：1000至2000mm/s。据了解，内地厂商可生产中速注塑机。氮气瓶氮气瓶又称储能器。高压氮气瓶的橡胶囊内，而剩余的空间则充以高压压力油。注射时，会将压力油释放，是个基本上恒压的瞬间大流量动力源。虽然氮气瓶只能提供瞬间（如0.5秒）的大流量，但已足够进行高速的薄壁注射。氮气瓶越大，压力越恒定，所储存的压力油越多。低惯性注射单靠高速注射，并不可满足薄壁注射的所有要求，而需要考虑高加速率和减速率。注射开始时，螺杆是静止的。从静止到全速（如400mm/s），螺杆要加速。如整个注射时间只有0.5s，拟在0.05s达到全速，加速率便超过0.8G（见图4）；相反，如加速时间需要0.3s，便不合适，因为平均注射速度都随着慢加速率而减低（见图5）。图4：拟在0.05s达到全速的图5：如加速时间需要0.3s，400mm/s，加速率便超过0.8G会减低平均注射速度假设：α=加速率、F=推力、m=质量，若忽略熔融粘度阻力，即：α=F/m。从公式可知，薄壁注射需要大推力及小质量。现时的油压注塑机，以双注射缸设计为主。注射时，注射后座及油马达亦往前走，质量不算低。顺带一提，常见的全电注塑机设计，在注射时负责螺杆转动的电机亦是往前走的。单注射缸的设计，油马达在注射时不动，只有螺杆及注射缸的活塞杆往前，质量便大幅下降。高刚性油路压力油具有弹性，而在讲求0.05s加速时，就必须考虑这一点。大的油缸活塞面积、短的行程的油管，都有助降低弹性的影响。另外，若硬管可取代软管，油路的刚性亦可以高。伺服阀伺服阀的反应，比一般比例阀快，能在充填满腔后、转至保压阶段时，发挥最大效用。若阀门反应不及便会溢料，以致成品产生毛边。全闭环控制伺服阀一般配合全闭环控制，实行对注射速度保压压力及背压压力的控制。若全闭环控制监督有关的变量（速度或压力）与设置量出现偏差，便会通知伺服阀作出更正。简而言之，全闭环控制可提高注塑的稳定性（或重复性）、降低废率。控制器注塑机的控制器要在模腔填满的瞬间，发出注射完毕、转至保压的命令。当注射速度是400mm/s，并容许电子尺偏差0.1mm时，控制器只能容许0.25ms的偏差。控制器必须在每0.1ms，扫描注射电子尺一次。如控制器采用「实时」控制，则不用扫描，而在电子尺感应到已达保压点时，产生中断，控制器「即时」处理，亦能达到高稳定性的要求。短注塑周期即弃饭盒、杯子、瓶盖等用量相当大，售价低，故此厂商还要顾及生产效率。四秒周期是一个参考指标，而一边开模、一边顶出的功能，亦可接生少于一秒的周期时间。机械结构0.50.05400速度(mm/s)时间(s)400速度(mm/s)0.50.3时间(s)要达到四秒的周期，模板的开合必须快而稳定（不生产震动）。采用比例阀进行开合模，可发挥制动功能；另外，高刚性的机架亦对制动有帮助。模板变形会直接影响模腔厚度。若成品壁厚为0.5mm，模板变形就要控制在0.05mm以下，所以模板要高刚性（采用适合的加强筋和适当的模板厚度），四柱空间不宜过大。塑化能力要在四秒的周期内进行塑化，应提高螺杆的塑化能力，或采用气动封咀来延长塑化时间。提高螺杆塑化能力的方法包括：1、采用双螺纹设计；2、采用长径比介乎24至25的长螺杆，从而增加吸热面积；3、采用特高的螺杆转速，将螺杆表面速度提升至1m/s以上，而对常用的PP不会有负面影响。气动封咀容许开合模时继续塑化，但注塑机就需要两个动力源，如两个油泵。模具如注塑机的模板一样，模具要用厚模板，以减少变形。高速注塑要注意排气，设置足够的排气槽、采用透气模具钢及抽真空等，艘是可行的方法。模具的加工精度要求很高，才达至圆周或四壁的厚薄均匀，而多腔模具的要求则很高。模具体都设有顶出及吹风装置，使脱模后的成品加速坠落，然后马上合模。塑胶建议采用高流动性的塑胶。PP的熔融指数（MI）有高达60(g/10min)的，如巴塞而（Basell）的MoplenRP1086。熔融指数越高、粘度因数越低。许多外壳注塑件都采用PC/ABS的原因，是要求PC的韧性及ABS的流动性，故PC/ABS迎合薄壁注塑。ACC机达明科技有限公司最近推出的TME110ACC及ME150ACC机，采用氮气瓶注射，注射速度达400mm/s，另外又采用博世（Bosch）的伺服阀、欧美进口控制器，以及长径比24.3的双螺纹螺杆。该两款新机械能够一边开模、一边顶出，生产0.45mm壁厚的单腔饭盒盖，注塑周期只需四秒。