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什么是薄壁注塑？ 薄壁注塑對注塑機、模具、塑料均有要求。文章探討薄壁的特性、經(jīng)濟效益及設(shè)備的設(shè)計。

    何謂薄壁？

    簡單的看法，當(dāng)壁厚小于1mm時稱為薄壁。更全面地，薄壁的定義與流程/壁厚比、塑料的粘度及傳熱系數(shù)均有關(guān)系。

    從模具的主流道到成品最遠一點的流程L，除以成品的壁厚t，稱為流程/壁厚比。當(dāng)L/t＞150時，稱之為薄壁。如流程的厚薄不一致，可分段計算。

    流程/壁厚比 PP的粘度因數(shù)是1。一次即棄飯盒的流程135mm，壁厚0.45mm，流程/壁厚比=300。PC的粘度因數(shù)是2。手機電池外殼的流程38mm，t=0.25mm，流程/壁厚比=152。乘上粘度因數(shù)是304，與飯盒的相若。

    一般塑料的導(dǎo)熱不良。為了增加散熱效果或達到電磁波兼容性，一些外殼會采用高導(dǎo)熱性的塑料。金屬粉末亦屬于高導(dǎo)熱性的。 上式是注塑成品的冷卻時間公式，其中t=壁厚，Tm=溶融溫度，TW=模壁溫度，T=脫模溫度，α=塑料傳熱系數(shù)。L/t的定義要包括粘度因數(shù)及傳熱因數(shù)在內(nèi)。

    我來完善一下，什么是薄壁注塑？

    簡述首先為何要薄壁注塑？

    塑料原料的成本通常占制品成本的一個大比數(shù)，如50-80%。薄壁有助降低這個比數(shù)。由于消費性電子設(shè)備如手機、MP3播放機、數(shù)碼相機、掌上計算機的小型化及輕便化，有關(guān)的塑件設(shè)計便越來越薄。

    薄壁化因具有減小產(chǎn)品重量及外形尺寸、便于集成設(shè)計及裝配、縮短生產(chǎn)周期、節(jié)約材料和降低成本等優(yōu)點成為塑料消費行業(yè)追求的目標(biāo)，已成為塑料成型行業(yè)中新的研究熱點。

    工藝薄壁制品的設(shè)計思想和方法更為復(fù)雜，并進一步受到成型局限及材料選擇的影響。薄壁制品要求應(yīng)該具有高的沖擊強度、良好的外觀質(zhì)量和尺寸穩(wěn)定性，并能承受大的靜態(tài)載荷，成型材料的流動性要好。設(shè)計過程中要重點考慮制品的剛性、抗沖擊性和可制造性。

    成型薄壁制品時一般需要專門設(shè)計的薄壁制品專用模具。與常規(guī)制品的標(biāo)準(zhǔn)化模具相比，薄壁制品的模具從模具結(jié)構(gòu)、澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)和脫模系統(tǒng)等都發(fā)生了重大變化。主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

    （1）模具結(jié)構(gòu)：為承受成型時的高壓，薄壁成型模具的剛度要大、強度要高。因此模具的動、定模板及其支承板重量較大，厚度通常比傳統(tǒng)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，以保證精確定位和良好的側(cè)支撐，防止彎曲和偏移。另外，高速射出速度增加了模具的磨損，因此模具要采用較高硬度的工具鋼，高磨損、高沖蝕區(qū)（如澆口處）硬度應(yīng)大于HRC55。

    （2）澆注系統(tǒng)：成型薄壁制品，特別是制品厚度非常小時，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，減少制品去除澆口時的損壞。為保證有足夠的壓力充填薄的模腔，流道系統(tǒng)中應(yīng)盡可能減少壓力降。為此，流道設(shè)計要比傳統(tǒng)的大一些，同時要限制熔體的駐留時間，以防止樹脂降解劣化。當(dāng)是一模多腔時，澆注系統(tǒng)的平衡性要求遠高于常規(guī)模具的要求。值得注意的是薄壁制品模具的澆注系統(tǒng)中還引入了兩項先進技術(shù)，即熱流道技術(shù)和順序閥式澆口（SVG）技術(shù)。

    （3）冷卻系統(tǒng)：薄壁制品不像傳統(tǒng)壁厚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。為保證制品的尺寸穩(wěn)定性，把收縮和翹曲控制在可以接受的范圍內(nèi)，就必須加強模具的冷卻，確保冷卻均衡。較好的冷卻措施有在型芯及模腔模塊內(nèi)采用不閉合冷卻線，加大冷卻長度，均可增強冷卻效果，必要的地方加入高傳導(dǎo)率金屬鑲塊，以加快熱傳導(dǎo)。

    （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，最好可以進行抽真空操作。由于填充時間短，注射速度高，模具的充分排氣尤其是流動前沿聚集區(qū)的充分排氣非常重要，以防困氣引燃。氣體通常通過型芯、頂桿、加強筋、螺柱及分型面等處排出。流道的末端也要充分排氣。日本Sumitomo公司用多孔工具鋼做小嵌件來解決小件制品的排氣問題。

    （5）脫模系統(tǒng)：因為薄壁制品的壁和筋都很薄，非常容易損壞，而且沿厚度方向收縮很小，使得加強筋和其他小結(jié)構(gòu)很容易粘合，同時高保壓壓力使收縮更小。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、尺寸更大的頂出銷。

    常規(guī)的注塑機很難在薄壁塑件注塑成型中有用武之地。比如薄壁注塑成型的填充時間很短，很多填充時間不足0.5s，在這樣短的時間不可能遵循速度曲線或截斷壓力，因此必須使用高解析度的微處理器來控制注塑機；在薄壁制品的整個注塑成型過程中，應(yīng)同時各自獨立地控制壓力和速度，常規(guī)注塑機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。所以機械設(shè)備制造商與研究機構(gòu)共同合作努力，研制出了專用的注射設(shè)備。如臺灣中精機公司的VS-100薄壁注塑機、德國Dr．Boy公司開發(fā)的Boy型系列注塑機以及Battenfeld、Arburg和JSW等著名注塑機生產(chǎn)廠商開發(fā)的專用注塑機。

    薄壁注塑成型材料流動性要好，必須擁有大的流動長度。還有具有高的沖擊強度，高熱變形溫度，良好的尺寸穩(wěn)定性。另外，還要考察材料的耐熱性、阻燃性、機械裝配性及外觀質(zhì)量等等。目前，薄壁注塑成型廣為應(yīng)用的材料有聚碳酸酯（PC）、丙烯腈—丁二烯—苯乙烯（ABS）及PC/ABS共混物等。

    技術(shù)常規(guī)注塑的填充過程和冷卻過程是交織在一起的，當(dāng)聚合物熔體流動時，熔體前沿遇到相對溫度較低的型芯表面或型腔壁，就會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，冷凝層厚度對聚合物的流動有著顯著地影響。

    需要對薄壁注塑成型中的冷凝層的性質(zhì)進行更深入、更全面的研究。因此有關(guān)薄壁注塑成型的數(shù)值模擬還需在以下幾方面做很多工作。

    （1）更深入全面研究薄壁注塑成型理論，尤其是冷凝層的性質(zhì)，以便提出更加合理的假設(shè)條件和邊界條件。由上述分析可知，在薄壁注塑成型過程中，其很多條件和常規(guī)注塑成型有很大不同。模擬時，熔體流動數(shù)學(xué)模型的許多假設(shè)和邊界條件在薄壁注塑成型中需要進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

    （2）確定在薄壁注塑成型中增加的因素，并正確地考慮這些因素。一些在常規(guī)注塑中可以忽略的因素，往往會對薄壁成型熔體流動產(chǎn)生較大的影響。比如，在薄壁注塑中粘度對壓力有明顯的依賴性，而在常規(guī)注塑成型中卻沒有；熔接線強度對塑件性能影響很大，尤其是薄壁塑件，熔接線強度與溫度和壓力有關(guān)，但常規(guī)數(shù)值模擬時沒有考慮壓力的影響；材料的比熱、傳熱系數(shù)和壓力損失等。現(xiàn)有的商品化數(shù)值模擬軟件由于忽略了這些影響因素，因而在預(yù)測薄壁注塑成型填充時會出現(xiàn)不一致的現(xiàn)象。

    （3）應(yīng)用真正的三維數(shù)值模擬。現(xiàn)有商品化的數(shù)值模擬軟件都是使用二維、二維半要素代表三維幾何圖形的簡化模型，沒有考慮物理量在厚度方向上的變化。三維流動區(qū)域即拐角處流動、厚度變化區(qū)域、熔體前端噴泉效應(yīng)在現(xiàn)有的數(shù)值模擬軟件中還不能表示，而它們在薄壁注塑成型中起重要作用。

    （4）注塑成型全過程模擬。目前的模擬軟件主要包括填充、流動、保壓、冷卻、和翹曲分析等模塊，各模塊的開發(fā)是基于各自獨立的數(shù)學(xué)模型，忽略了相互之間的影響。但是，從注塑成型工藝過程來看，塑料熔體的充模流動、保壓和冷卻等是交織在一起并相互影響的，這在薄壁注塑成型中尤為明顯。因此，充模流動、保壓與冷卻分析和翹曲模塊必須有機地結(jié)合起來，進行耦合分析，才能綜合反映實際的注塑成型。