薄壁注塑成型技术的研究进展

薄壁注塑成型技术的研究进展

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的高度重视，而薄壁注塑成型数值模拟技术是薄壁注塑成型技术得以应用的重要保证。本文介绍了薄壁注塑成型技术产生的背景和科学意义，综述了薄壁注塑成型中的制品设计、模具设计、注塑机和材料选用以及薄壁注塑成型数值模拟技术的研究与应用概况，探讨了薄壁注塑成型数值模拟技术发展中所面临的一些关键问题，指出了薄壁注塑成型数值模拟技术的研究发展方向。关键词：薄壁注塑成型；模具设计；数值模拟；流长厚度比；冷凝层。近年来，笔记本电脑和移动电话等3C（Computer, Communication and Consumer）产品更新换代的速度非常快，这类产品的设计理念正朝着“轻、薄、短、小”方向发展，同时人们对这些产品的需求也在快速增长，于是在常规注塑成型（Conventional Injection Molding, CIM）技术的基础上，薄壁注塑成型（Thin-Wall Injection Molding , TWIM）技术迅速发展起来。薄壁化因具有减小产品重量及外形尺寸、便于集成设计及装配、缩短生产周期、节约材料和降低成本等优点成为塑料消费行业追求的目标，已成为塑料成型行业中新的研究热点。薄壁注塑成型技术是一种仅有十几年发展历史的新兴技术，其理论体系尚未形成，缺少系统性的研究，而薄壁注塑成型数值模拟研究也只是近几年才提出的，还有许多理论上和实践中的问题尚待解决。薄壁注塑成型技术的概念目前关于薄壁注塑成型还没有统一的定义，Mahishi 和Maloney把其定义为流长厚度比L/T（L：Length，流动长度；T：Thickness，塑件厚度；L/T也简称为流长比）在100或者150以上的注塑为薄壁注塑；而Whetten和Fasset是这样定义薄壁注塑成型的：所成型塑件的厚度小于1mm，同时塑件的投影面积在50cm2以上的注塑成型。由此可见要给出一个统一的定义还是比较困难的；同时随着技术的发展，薄壁注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。常规注塑成型工艺已为人们所熟悉，但薄壁注塑成型则不然，因为随着壁厚的减薄，聚合物熔体在型腔中的冷却速度加剧，在很短的时间内就会固化，这使得成型过程变得复杂，成型难度加大，常规的注塑成型工艺条件已不能满足需要。常规注塑成型的一个不足就是填充过程和冷却过程往往是交织在一起的，但由于常规塑件的尺寸比较大，所以对成型过程影响不大，但在薄壁注塑成型中这个不足就成为致命的问题。所以，不能把常规注塑成型中的理论和操作简单地照搬到薄壁注塑成型中去。薄壁注塑成型中的制品设计、模具设计、注塑机及材料选用薄壁制品的设计思想和方法更为复杂，并进一步受到成型局限及材料选择的影响。薄壁制品要求应该具有高的冲击强度、良好的外观质量和尺寸稳定性，并能承受大的静态载荷，成型材料的流动性要好。设计过程中要重点考虑制品的刚性、抗冲击性和可制造性。成型薄壁制品时一般需要专门设计的薄壁制品专用模具。与常规制品的标准化模具相比，薄壁制品的模具从模具结构、浇注系统、冷却系统、排气系统和脱模系统等都发生了重大变化。主要表现在以下几个方面：（1）模具结构：为承受成型时的高压，薄壁成型模具的刚度要大、强度要高。因此模具的动、定模板及其支承板重量较大，厚度通常比传统模具的模板要厚。支撑柱要多，模具内可能要多设置内锁，以保证精确定位和良好的侧支撑，防止弯曲和偏移。另外，高速射出速度增加了模具的磨损，因此模具要采用较高硬度的工具钢，高磨损、高冲蚀区（如浇口处）硬度应大于HRC55。（2）浇注系统：成型薄壁制品，特别是制品厚度非常小时，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，减少制品去除浇口时的损坏。为保证有足够的压力充填薄的模腔，流道系统中应尽可能减少压力降。为此，流道设计要比传统的大一些，同时要限制熔体的驻留时间，以防止树脂降解劣化。当是一模多腔时，浇注系统的平衡性要求远高于常规模具的要求。值得注意的是薄壁制品模具的浇注系统中还引入了两项先进技术，即热流道技术和顺序阀式浇口（SVG）技术。（3）冷却系统：薄壁制品不像传统壁厚件那样可以承受较大的因传

热不均而产生的残余应力。为保证制品的尺寸稳定性，把收缩和翘曲控制在可以接受的范围内，就必须加强模具的冷却，确保冷却均衡。较好的冷却措施有在型芯及模腔模块内采用不闭合冷却线，加大冷却长度，均可增强冷却效果，必要的地方加入高传导率金属镶块，以加快热传导。（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。气体通常通过型芯、顶杆、加强筋、螺柱及分型面等处排出。流道的末端也要充分排气。日本Sumitomo公司用多孔工具钢做小嵌件来解决小件制品的排气问题。（5）脱模系统：因为薄壁制品的壁和筋都很薄，非常容易损坏，而且沿厚度方向收缩很小，使得加强筋和其他小结构很容易粘合，同时高保压压力使收缩更小。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、尺寸更大的顶出销。常规的注塑机很难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时间很短，很多填充时间不足0.5s，在这样短的时间不可能遵循速度曲线或截断压力，因此必须使用高解析度的微处理器来控制注塑机；在薄壁制品的整个注塑成型过程中，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度控制，保压阶段再转为压力控制的方法已不适用。所以机械设备制造商与研究机构共同合作努力，研制出了专用的注射设备。如台湾台中精机公司的VS-100薄壁注塑机、德国Dr．Boy公司开发的Boy型系列注塑机以及Battenfeld、Arburg和JSW等著名注塑机生产厂商开发的专用注塑机。薄壁注塑成型材料流动性要好，必须拥有大的流动长度。还有具有高的冲击强度，高热变形温度，良好的尺寸稳定性。另外，还要考察材料的耐热性、阻燃性、机械装配性及外观质量等等。目前，薄壁注塑成型广为应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。薄壁注塑成型数值模拟技术在注塑成型中，对填充过程进行数值模拟可以预测实际注射过程中可能出现的缺陷、优化模具结构设计、调整工艺参数和有针对性地制订解决方案，从而达到减少材料浪费，降低生产成本，提高产品质量和市场竞争力的目的。目前，对于常规模具的数值模拟已经成为模具设计中不可缺少的一环；在薄壁注塑成型技术越来越引起关注的今天，出于同样的目的，人们希望对薄壁注塑模具的充填情况事先进行数值模拟。20世纪70年代在世界范围内开始了注塑成型数值模拟技术的研究。到目前为止，成熟的商业注塑成型数值模拟软件较多，澳大利亚MOLDFLOW公司的Moldflow软件和美国AC-Tech公司(2000年2月，被MOLDFLOW公司合并)的C-Mold软件是其中的优秀代表。但针对薄壁注塑成型条件下的数值模拟还没有专用的软件，所以人们都还是使用现有的商业注塑成型数值模拟软件。不过从下文所介绍的研究表明，现有的商业化注塑成型数值模拟软件可以用来分析薄壁塑件的填充行为，以及薄壁塑件注塑中工艺参数的选择，但不能充分描述在薄壁注塑成型中所有的影响因素，实验结果与模拟结果之间几乎都存在差异。对于薄壁注塑成型，起初人们普遍认为需要高注射压力、高注射速度和高熔体温度等工艺条件，但是随着研究的进行，研究者发现并不完全像先前所认为的那样。每个研究者的结论也不尽相同，至今还没有比较系统、权威的结论。奥克兰大学机械工程系的姚东刚等对不同厚度的矩形薄壁塑件成型行为进行了研究。使用C-mold软件来模拟其填充行为，所用材料为聚碳酸脂（PC），模具温度一种是室温，另一种是265℃（即聚合物熔体的温度），塑件壁厚分别为：0.25、0.5、1和2mm，注射速度为100和1000sec-1。在室温下的模拟研究表明：当壁厚减小时，要填充相同的L/T值注射压力急剧上升；在低注射速度下要填充相同的L/T值，所需的注射压力也要比高注射速度下高很多。在265℃下的模拟研究表明：要填充相同的L/T值所需的注射压力比在室温下时要低很多；在高速注射时，当壁厚减小时，注射压力升高并不明显；当低速注射时，注射压力几乎没有变化，同时所需压力还比在高速注射时要低。模拟结果表明模具温度在薄壁注塑成型中起重要作用；在低速、高模具温度下注塑时，L/T值可以很大，且注射压力也不是很高，这和当前认为在成型薄壁塑件时要采用高速、高压的工艺参数相反。

实验使用快速热响应（Rapid Thermal Response, RTR）模具来进行验证，但在注射压力方面与数值模拟出现了较大的差异，分析可能是模具的浇口和流道没有加热的原因。Losch通过实验发现厚度愈薄的制品需要更高的注射压力与注射速度才能将塑件完全充填。Maloney 以一个1mm厚，半径15.4mm的1/4圆盘状塑件以PC和ABS两种材料用MoldFlow软件来做模拟，结论表明高的注射速度可以提高剪应变率并且提高剪切热以增加材料的流长比。高速注射成型方法的熔体填充速度较传统的快10 ～100倍，使熔体在模腔内产生高剪切的流动，粘度下降，充模速度快，塑料表面硬化减慢，因而可提高薄壁制品的成型厚度极限，抑制过度的成型压力，同时由于模内低压流动，制品的内应力降低。Tanktakom以厚度1mm、面积为50cm的塑件用ABS和PC材料来做实验模拟，研究表明成型材料主要受模具温度与熔体温度影响，而提高熔体温度到接近临界温度可以增加熔体流动的长度，提高模具温度也可以改善熔体流动的长度与成品的延伸强度。Mahishi[8]使用C-mold软件模拟了薄壁圆盘件的填充情况，研究表明在整个注塑过程中需要高注射速度和高注射压。台湾龙华大学机械工程系的沈永康等使用在注塑数值模拟中公认的Hele-Shaw流动模型来描述非牛顿流体，使用的是Moldflow软件，塑件是一笔记本电脑外壳，其厚度分别为0.9和1.0mm，材料是加入不同比例玻璃纤维的聚丙烯（PP）。模拟中采用正交实验表来安排填充时间、注射压力、熔体温度和模具温度等工艺参数。模拟结果表明在薄壁注塑中模具温度是最重要的工艺参数，如果模具温度过低就会发生欠注射；薄壁注塑中的注射压力、模具温度和熔体温度均高于常规注塑中的取值。台湾的Ming-Chih Huang等对1mm厚塑件的翘曲进行了数值模拟。模拟时采用正交实验方法来分析填充时间、模具温度、浇口尺寸、熔体温度、保压时间和保压压力等参数对其翘曲的影响。研究表明模具温度和熔体温度的交互作用影响最大，保压压力、模具温度、熔体温度和保压时间的影响依次递减，而浇口尺寸和填充时间的影响很小。宋满仓等通过实验和Moldflow软件对一圆形塑件和一个矩形塑件（壁厚为0.1和0.2mm）进行了研究，研究表明：注射量及注射速度对薄壁塑件注塑成型的填充过程起主导作用，适当用量范围的注射量及高的注射速度能大幅度地提高填充率；熔体温度和注射压力相对于注射量和注射速度只起次要作用；由于实验条件所限没有研究模具温度的影响。美国LANL 的国家实验室在研究中发现，在诸多影响模拟精度的因素中，粘度的压力依赖性排在前列，如不考虑压力对粘度的影响，随着压力的增加，模拟误差将增大。同时还发现，熔体的密度变化、由压缩功转化的粘性热甚至熔体的粘弹性本身都可能会影响薄壁注塑成型的模拟精度。Ainoya和Amono[1]发现PVT数据会影响填充时间和型腔压力，他们还发现传热系数对压力的预测有很大的影响。Sridhar和Narh[1]发现比热和热传导对型腔压力几乎没有影响，但会影响冷却时间和塑件的收缩和翘曲。综上所述，从研究的手段来看，由于在模拟和实验中要考虑的参数比较多（注射速度、注射压力、注射量、模具温度、熔体温度和冷却时间等），且每个参数又有很多不同水平，还要考虑交互影响，所以多倾向于使用正交实验方法安排模拟条件和实验条件，这样不但可以减少实验次数，节省时间和费用，而且又能得到好的效果。薄壁注塑成型模拟技术的关键问题及发展方向常规注塑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，冷凝层厚度对聚合物的流动有着显著地影响。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的影响还不是很大。但在薄壁注塑成型中，由于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加，所以此时这个影响就很大，特别是二者的尺寸可以相互比较时。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大，所以需要对薄壁注塑成型中的冷凝层的性质进行更深入、更全面的研究。因此有关薄壁注塑成型的数值模拟还需在以下几方面做很多工作。（1）深入全面研究薄壁注塑成型理论，尤其是冷凝层的性质，以便提出更加合理的假设条件和边界条

件。由上述分析可知，在薄壁注塑成型过程中，其很多条件和常规注塑成型有很大不同。模拟时，熔体流动数学模型的许多假设和边界条件在薄壁注塑成型中需要进行适当的调整。（2）确定在薄壁注塑成型中增加的因素，并正确地考虑这些因素。一些在常规注塑中可以忽略的因素，往往会对薄壁成型熔体流动产生较大的影响。比如，在薄壁注塑中粘度对压力有明显的依赖性，而在常规注塑成型中却没有；熔接线强度对塑件性能影响很大，尤其是薄壁塑件，熔接线强度与温度和压力有关，但常规数值模拟时没有考虑压力的影响；材料的比热、传热系数和压力损失等。现有的商品化数值模拟软件由于忽略了这些影响因素，因而在预测薄壁注塑成型填充时会出现不一致的现象。（3）应用真正的三维数值模拟。现有商品化的数值模拟软件都是使用二维、二维半要素代表三维几何图形的简化模型，没有考虑物理量在厚度方向上的变化。三维流动区域即拐角处流动、厚度变化区域、熔体前端喷泉效应在现有的数值模拟软件中还不能表示，而它们在薄壁注塑成型中起重要作用。（4）注塑成型全过程模拟。目前的模拟软件主要包括填充、流动、保压、冷却、和翘曲分析等模块，各模块的开发是基于各自独立的数学模型，忽略了相互之间的影响。但是，从注塑成型工艺过程来看，塑料熔体的充模流动、保压和冷却等是交织在一起并相互影响的，这在薄壁注塑成型中尤为明显。因此，充模流动、保压与冷却分析和翘曲模块必须有机地结合起来，进行耦合分析，才能综合反映实际的注塑成型。

结束语

随着3C产品应用的越来越广泛，它们向短、小、轻、薄方向的发展必将会更深入，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。薄壁注塑成型技术的新颖性和复杂性决定了其数值模拟技术是其应用的重要环节，也是该技术研究的热点，是确保该技术顺利应用的关键。