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薄 壁 注 塑

浏览次数: 日期:2011年12月23日 11:11

薄 壁 注 塑

达明科技有限公司

2004年12月

  薄壁注塑对注塑机、模具、塑料均有要求。文章探讨薄壁的特性、经济效益及设备的设计。

何谓薄壁?

  简单的看法,当壁厚小于1 mm时称为薄壁。更全面地,薄壁的定义与流程/壁厚比、塑料的粘度及传热系数均有关系。

  从模具的主流道到成品最远一点的流程L,除以成品的壁厚t ,称为流程/壁厚比。当L/t>150时,称之为薄壁。如流程的厚薄不一致,可分段计算如图1示。

图1 流程/壁厚比

  PP的粘度因数是1。一次即弃饭盒的流程135mm,壁厚0.45 mm,流程/壁厚比=300。


图2饭盒

 

  PC的粘度因数是2。手机电池外壳的流程38 mm,t=0.25 mm,流程/壁厚比=152。乘上粘度因数是304,与饭盒的相若。

  一般塑料的导热不良。为了增加散热效果或达到电磁波兼容性,一些外壳会采用高导热性的塑料。金属粉末亦属于高导热性的。

  图3是注塑成品的冷却时间公式,其中t=壁厚,Tm=溶融温度,Tw=模壁温度,T=脱模温度,

  α=塑料传热系数。

图3冷却公式

  L/t的定义要包括粘度因数及传热因数在内。

为何要薄壁注塑?

  塑料的成本通常占了成品成本的一个大比数,如50-80%。薄壁有助降低这个比数。

  由于消费性电子设备如手机、MP3播放机、数码相机、掌上计算机的小型化及轻便化,有关的塑件设计便越来越薄。

薄壁充填的本质

  模壁是冷的,在熔融充填模腔时,模壁会成立固化层,因而降低可流动通道的厚度。这个情况在壁厚越薄时越严重。

  1 mm壁厚有0.2 mm厚的固化层,流动道通剩下0.6 mm厚。

  0.5 mm壁厚有0.2 mm厚的固化层,流动道通剩下0.1 mm厚。

图4充填过程

  当充填未完成,流动通道因固化层过厚而消失的话,成品便填不满。

高速充填

  薄壁注塑因此要求注塑机高速注射,在固化层不太厚时填满模腔。

  高的注射压力是不需要的。他只是弥补注射速度的不足,硬将熔融注入未填满的模腔。这不但增加了所需锁模力,高的内应力因此在成品里形成,在脱模后成品便变形。

  通用注塑机的注射速度在100 mm/s左右,不能应付薄壁注塑。

  加大油泵能将注射速度提高25%。双泵注射则提高70%。

  有厂家采用再生注射,以注射压力换取注射速度。当初段注射不需要高的注射压力时合用。注射速度能提高100%以上。

  氮气瓶能将油泵的能量以压力的形式储存起来,在注射时释放,是正规的大幅提高注射速度的方法。以下将注射速度分为四类:

  低速200-300 mm/s

  中速300-600 mm/s

  高速600-1000 mm/s

  超高速1000-2000 mm/s

  国产注塑机能达到中速档次。

氮气瓶

  氮气瓶又称储能器。高压氮气储在橡胶囊内,而氮气瓶的剩余空间则充以高压的压力油。在注射时,压力油释放出来。氮气瓶是个基本上恒压的瞬间大流量动力源。氮气瓶只能提供瞬间的大流量,如0.5秒之谱,但对高速的薄壁注射是足够的。

  氮气瓶越大,压力则越恒定,储存的压力油越多。

 

图5氮气瓶

低惯性注射

  只是高速注射不能满足薄壁注射的所有要求。还要考虑的是高的加速及高的减速。

  注射开始时,螺杆是静止的。从静止到全速,如400 mm/s,螺杆要加速。如整个注射时间只有0.5 s,希望能在0.05 s便达到全速,加速率超过8 G。相反,如加速时间需要0.3 s,是不合适的。原因是平均速度被低的加速拉低了。

 

  忽略熔融粘度阻力的话,a=F/m 。a是加速率,F是推力,m是质量。故薄壁注射还需 要大的推力及小的质量。

  时下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及活塞杆往前,质量便下降了许多。

高刚性油路

  压力油是有弹性的,在讲究0.05 s加速时是要考虑的。大的油缸活塞面积、短的行程、短的油管均能降低弹性的影响。

  能用硬管取代软管时,油路的刚性亦会提高。

伺服阀

  伺服阀的反应比一般比例阀要快。它能在充填满模腔后转保压时发挥最大效用。反应不及时便会溢料,成品产生毛边。

图6伺服阀

全闭环控制

  伺服阀的采用,一般配合全闭环控制,可以做到注射速度、保压压力及背压压力的控制。全闭环控制监察有关的变量(速度或压力),与设置量有偏差时通知伺服阀更正。简单地说,全闭环控制提高了注塑的稳定性(重复性),降低废品率。

控制器

  控制器,俗称电脑,要在模腔填满的瞬间发出注射完毕,转为保压的命令。当注射速度是400 mm/s而允许电子尺偏差是0.1 mm时,控制器只能有0.25 ms的偏差。要求控制器对注射电子尺每0.1 ms扫描一次。

  如控制器采用“实时”控制,则不采用扫描,而在电子尺测出保压点已到时,产生中断,由控制器“即时”处理,亦能达到高稳定性的要求。

短注塑周期

  一次性的饭盒、杯子、瓶盖等成品的量很大,售价很低,故还要兼顾生产效率。在此,四秒周期是一个有用的参考。

  边开模边顶出可以节省约一秒的周期时间。

机械结构

  要达到四秒的周期,模板的开合要快及稳定(不产生震动)。采用比例阀开合模有制动的功能。高刚性的机架亦有帮助。

  模板的变型直接影响模腔的厚度。当壁厚是0.5 mm时,模板变型要控制在0.05 mm以下。故模板的刚性要高(适合的加强筋,适当的模板厚度),四柱空间不宜过大。

塑化能力

  在四秒的周期内要做好塑化,要将螺杆的塑化能力提高或采用气动封咀来延长塑化时间。

  双螺纹设计能提高塑化能力。

  长的螺杆,长径比24-25,能增加吸热面积,亦有效增加塑化。

  特高的螺杆转速将螺杆表面速度提升到1 m/s以上,对常用的PP料是没有负面的影响。

  气动封咀容许开合模时继续塑化,但注塑机要有两个动力源,如两个油泵才能达到。

模具

  如注塑机的模板一样,模具的模板要厚,降低变型。

  高速注塑要做好排气。足够的排气槽、采用透气模具钢及抽真空都是方法。

  模具的加工精度要求很高,才能达到圆周或四壁的厚薄均匀。多腔模具的要求更高。

  模具都设有顶出及吹风装置,使脱模后的成品加速坠落,马上合模。

塑料

  要采用高流动性的塑料。PP塑料的熔融指数(MI)有高达60(g/10min)的 ,如Basell的Moplen RP1086。

  很多成品采用PS/ABS的原因是要求PC的韧性及ABS的流动性,在薄壁注塑时亦宜采用。

Acc机

  达明近期推出的TME110 Acc及ME150 Acc机采用氮气瓶注射,注射速度达400 mm/s。采用博世(Bosch)的伺服阀,欧美的控制器,长径比24.3的双螺纹螺杆,能边开模边顶出,在注塑0.45 mm壁厚的单腔饭盒及双腔饭盒盖时,周期只用4秒。

 

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