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。

t c = ln 〔 〕 t 2 2Лα 4（ T m －T w ） Л（ T －T w ）
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
速度(mm/s) 时间
速度(mm/s) 时间
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Moplen RP1086。

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TME110 ACC及ME150 ACC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。