薄壁注塑全面解析

最新 05-23

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、經濟效益及設備的設計。

何謂薄壁?

簡單的看法，當壁厚小於1mm時稱為薄壁。更全面地，薄壁的定義與流程/壁厚比、塑料的粘度及傳熱係數均有關係。

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L/t>150時，稱之為薄壁。如流程的厚薄不一致，可分段計算如圖1示。

PP的粘度因數是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。乘上粘度因數是304，與飯盒的相若。

一般塑料的導熱不良。為了增加散熱效果或達到電磁波兼容性，一些外殼會採用高導熱性的塑料。金屬粉末亦屬於高導熱性的。

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=塑料傳熱係數。L/t的定義要包括粘度因數及傳熱因數在內。

為何要薄壁注塑?

塑料的成本通常佔了成品成本的一個大比數，如50-80%。薄壁有助降低這個比數。由於消費性電子設備如手機、MP3播放機、數碼相機、掌上計算機的小型化及輕便化，有關的塑件設計便越來越薄。

薄壁充填的本質

模壁是冷的，在熔融充填模腔時，模壁會成立固化層，因而降低可流動通道的厚度。這個情況在壁厚越薄時越嚴重。1mm壁厚有0.2mm厚的固化層，流動道通剩下0.6mm厚。0.5mm壁厚有0.2mm厚的固化層，流動道通剩下0.1mm厚。當充填未完成，流動通道因固化層過厚而消失的話，成品便填不滿。

高速充填

薄壁注塑因此要求注塑機高速注射，在固化層不太厚時填滿模腔。高的注射壓力是不需要的。他只是彌補註射速度的不足，硬將熔融注入未填滿的模腔。這不但增加了所需鎖模力，高的內應力因此在成品里形成，在脫模後成品便變形。通用注塑機的注射速度在100mm/s左右，不能應付薄壁注塑。加大油泵能將注射速度提高25%。雙泵注射則提高70%。

有廠家採用再生注射，以注射壓力換取注射速度。當初段注射不需要高的注射壓力時合用。注射速度能提高100%以上。

氮氣瓶能將油泵的能量以壓力的形式儲存起來，在注射時釋放，是正規的大幅提高注射速度的方法。以下將注射速度分為四類：低速200-300mm/s;中速300-600mm/s;高速600-1000mm/s;超高速1000-2000mm/s。國產注塑機能達到中速檔次。

氮氣瓶又稱儲能器。高壓氮氣儲在橡膠囊內，而氮氣瓶的剩餘空間則充以高壓的壓力油。在注射時，壓力油釋放出來。氮氣瓶是個基本上恆壓的瞬間大流量動力源。氮氣瓶只能提供瞬間的大流量，如0.5秒之譜，但對高速的薄壁注射是足夠的。氮氣瓶越大，壓力則越恆定，儲存的壓力油越多。

低慣性注射

只是高速注射不能滿足薄壁注射的所有要求。還要考慮的是高的加速及高的減速。注射開始時，螺桿是靜止的。從靜止到全速，如400mm/s，螺桿要加速。如整個注射時間只有0.5s，希望能在0.05s便達到全速，加速率超過8G。相反，如加速時間需要0.3s，是不合適的。原因是平均速度被低的加速拉低了。

忽略熔融粘度阻力的話，a=F/m。a是加速率，F是推力，m是質量。故薄壁注射還需要大的推力及小的質量。

時下的油壓注塑機以雙注射缸設計為主。注射時，注射后座及油馬達亦往前走，質量不算低。順帶一提，常見的全電注塑機設計，在注射時，負責螺桿轉動的電機亦是往前走的。單注射缸的設計，油馬達在注射時不動，只有螺桿及注射缸的活塞及活塞桿往前，質量便下降了許多。

高剛性油路

壓力油是有彈性的，在講究0.05s加速時是要考慮的。大的油缸活塞面積、短的行程、短的油管均能降低彈性的影響。能用硬管取代軟管時，油路的剛性亦會提高。

伺服閥

伺服閥的反應比一般比例閥要快。它能在充填滿模腔後轉保壓時發揮最大效用。反應不及時便會溢料，成品產生毛邊。

全閉環控制

伺服閥的採用，一般配合全閉環控制，可以做到注射速度、保壓壓力及背壓壓力的控制。全閉環控制監察有關的變數(速度或壓力)，與設置量有偏差時通知伺服閥更正。簡單地說，全閉環控制提高了注塑的穩定性(重複性)，降低廢品率。

控制器

控制器，俗稱電腦，要在模腔填滿的瞬間發出注射完畢，轉為保壓的命令。當注射速度是400mm/s而允許電子尺偏差是0.1mm時，控制器只能有0.25ms的偏差。要求控制器對注射電子尺每0.1ms掃描一次。

如控制器採用「實時」控制，則不採用掃描，而在電子尺測出保壓點已到時，產生中斷，由控制器「即時」處理，亦能達到高穩定性的要求。

短注塑周期

邊開模邊頂出可以節省約一秒的周期時間。

機械結構

要達到四秒的周期，模板的開合要快及穩定(不產生震動)。採用比例閥開合模有制動的功能。高剛性的機架亦有幫助。模板的變型直接影響模腔的厚度。當壁厚是0.5mm時，模板變型要控制在0.05mm以下。故模板的剛性要高(適合的加強筋，適當的模板厚度)，四柱空間不宜過大。

塑化能力

在四秒的周期內要做好塑化，要將螺桿的塑化能力提高或採用氣動封咀來延長塑化時間。雙螺紋設計能提高塑化能力。長的螺桿，長徑比24-25，能增加吸熱面積，亦有效增加塑化。特高的螺桿轉速將螺桿表面速度提升到1m/s以上，對常用的PP料是沒有負面的影響。氣動封咀容許開合模時繼續塑化，但注塑機要有兩個動力源，如兩個油泵才能達到。

模具

如注塑機的模板一樣，模具的模板要厚，降低變型。高速注塑要做好排氣。足夠的排氣槽、採用透氣模具鋼及抽真空都是方法。模具的加工精度要求很高，才能達到圓周或四壁的厚薄均勻。多腔模具的要求更高。模具都設有頂出及吹風裝置，使脫模後的成品加速墜落，馬上合模。

塑料

要採用高流動性的塑料。PP塑料的熔融指數(MI)有高達60(g/10min)的，如Basell的Moplen RP1086。很多成品採用PS/ABS的原因是要求PC的韌性及ABS的流動性，在薄壁注塑時亦宜採用。