1.前言
随着通讯产业的兴起，由于产品的轻量、薄型、小型化的方向发展趋势。近年来，笔记本电脑和移动电话等产品更新换代的速度非常快，许多产品的厚度逐渐变小，对于电子产品除减轻重量外，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，使功能更加完备。不仅可以节省材料，缩短成型时间，更能提高生产率。在薄壁件发展同时薄壁注塑成型技术受到人们的高度重视, 推动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发展。
2.薄壁注塑成型技术的概念
2.1薄壁件
所谓的薄壁件【1】是壁厚小于1mm且最小流动长度与厚度比(L/T)为100:1以上的注塑为薄壁注塑，或是壁厚小于1mm且零件的最小表面积在50cm2以上。
2.2薄壁件成型技术
薄壁件的成型主要在于充填速度，而充填速度又与塑料的黏度相关，而不同的塑料原料其成型参数也大不相同。以往对流动性好的塑料如：PP、PE、PS薄壁件的成型有较多了解，而对高黏度工程塑料如：PC、PMMA、PC+ABS等的薄壁件成型技术了解具有局限性。
2.3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如(图1)。1mm壁厚有0.2mm厚的固化层，流动道通剩下0.6mm厚。0.5mm壁厚有0.2mm厚的固化层，流动道通剩下0.1mm厚。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。
3. 薄壁注塑成型中的制品设计、模具设计、注塑机及材料选用
3.1制品设计
薄壁制品的设计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。
3.2模具设计
为承受成型时的高压，薄壁成型模具的刚度要大、强度要高。高射胶压力使模具弯曲，造成塑件成品壁厚不一致，所以模具内要多设置内锁，以保证精确定位和良好的侧支撑，防止弯曲和偏移。因高黏度塑料流动率造成模壁的腐蚀，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，所以模具钢性需比普通模具的较高。
3.3注塑机设计
因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。高射速需搭配高射胶压力(250~350MPa)、比标准注塑机具有更小的射胶量，即需更小直径的料管、螺杆与射胶单元。如此可降低熔融塑料的停滞时间，因为熔融塑料停滞时间过长会降低塑料的机械性质。合理的螺杆结构设计是成功加工薄壁件的关键。螺杆长径比(L/D)通常为20：1～22：1，压缩比为2.0：1～2.5：1，螺杆需具有较高要求的表面光洁度，表面镀硬铬抛光。因高射胶压力容易造成模板变形，所以模板需要作加厚处理，铰链机构需加强以免损坏。
3.4材料选用
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。非结晶塑料如意流动的PC、ABS、PC/ABS是最常用于薄壁件成型原料，当选择薄壁件成型材料时须注意塑料的黏度与剪切率的曲线表【2】，一般适合薄壁件射出的塑料其剪切率需高于104s-1且在这些剪切率下其黏度应选低者如(图2)。
由于所有塑料的熔体为非牛顿流体，即熔融状态的塑料粘度是随熔体温度的提高和所受剪切速率的增加而降低的，因此利用塑料这一流变特性，在尽可能高的熔胶筒温度、射胶压力、射胶速度下，将熔胶射入模穴内，不仅能够提高塑料的流动性，而且还能缩短熔胶充满模穴时间，从而确保在浇口封闭时熔融塑料已完全射足并压实型腔。
4.模穴的充填时间
4.1射胶压力与射胶时间
薄壁件成型成功的关键因子在于射胶时间，对任何薄壁件制品的几何都有其对应的最佳射出时间，最佳射出时间可由射胶压力与射胶时间所产生的U型曲线而得【2】，在U型曲线的最低点即最佳射胶时间如(图3)。在短射胶时间内增加所需的射压代表在高射速时增加体积流率，因为推动熔胶高速运动需高射压才能达成。
对某种程度肉厚的薄件而言，流动长度并不会使最佳射胶时间产生很大的改变，随着流动长度的增加射胶速度与相对应的压力亦随之增加，但最佳射胶时间并无显著变化。
4.2薄壁件的熔胶充填冷却时间
对某种厚度的薄壁件而言其最佳射胶时间主要由熔胶从浇口向模穴射入时，计算熔胶在模具内冷却至某个温度所需的时间，可用巴尔曼方程式【3】
进行计算结果分析，方程式为：
式中： tk－－－－－－冷却时间(秒)
s－－－－－－－－-成型品厚度(mm)
α－－－－－－-熔体的热扩散率=k/ρCP
Ta－－－－－－-熔体温度
Tw－－－－－－-模具温度
Tb－－－－－－-脱模温度
k－－－－－－－－-塑料的热传导系数(w/m.K)
Cp－－－－－－-塑料的比热(J/Kg.K)
ρ－－－－-密度(Kg/cm3)
此计算公式不仅对无定形聚合物有效，在实践中对于半结晶聚合物也同样能得到好的结果，因此这一方程式公式对所有热塑性塑料都适用。
5.注射压力和锁模力
确定注塑机是否适合成型薄件，了解模具所需要的锁模力是非常重要的，只有足够的锁模力才能防止产生飞边，成形合格的制品。对于不同的塑料和几何形状尺寸塑件在成型条件下其塑料熔体在模具型腔中的压力值是不同的。在计算锁模力同时需要分析模具型腔内压力值△P熔体压降△Pin。
5.1模具型腔压力△P：
当熔料以一定的速度和压力注入模腔前，需克服流经喷嘴、流道、浇口等处的阻力，会损失一部分注射压力。但熔料在充模时还具有相当高的压力，此时在型腔中形成的压力△P【4】,可由下式计算：
Δp=Δpin·CF形状·CF树脂
式中：Δp－－－－－－－－－－－－－－型腔压力Pa
Δpin－－－－－－－－－－－－熔体压降Pa
CF形状 －－－－－－-修正系数，取1.1～1.3
CF树脂 －－－－－－-修正系数(查表1)
树脂CF树脂
PE，PP，PS1.0
PMMA，PPO1.5
PA，SB1.2
PC,PVC1.7
ABS，SAN，CA1.3
5.2熔体压降△Pin：
Δpin为牛顿流体等温时的熔体流动在金属模具的压降，在(图4)中，将Δpin绘作不同长厚比L/H时H的函数【4】。也可由下式计算：
式中：L－－－－-流动长度mm
H－－－－-注塑件厚度mm
μ－－－－-注射速率mm/s
η－－－－-熔体黏度Pa·s
5.3锁模力F计算:
锁模力【5】(又称合模力)是注塑机的重要参数，即注塑机施加于模具的夹紧力。锁模力与注射量一样，在一定程度上反映了机器加工制品的能力的大小，经常用来作为表示机器规格的大小的主要参数。
式中：F－－－－－－-锁模力KN
Δp－－－－－－型腔压力Pa
A－－－－－－-注塑件投影面积cm2
6.案例分析：
一般情况下，注塑机的锁模力和注射重量是注塑机最主要的技术参数。如果我们能正确地计算出生产制品所需要的锁模力和注射重量，那我们就能基本确定所需注塑机的规格型号。但对成型薄壁塑胶件产品时必须了解熔胶充填冷却时间tk，并且薄壁塑胶件产品实际注射时间必须小于熔胶充填时间tk方能满足成型要求。因此正确选定注塑机规格型号要将熔胶充填时间tk作为参考指标。
下面通过对一款手机保护外壳塑件产品进行熔胶充填冷却时间tk和锁模力F计算，并选择三款注塑机技术参数作对比分析，通过实际产品的生产结果可直观了解注塑机选型的方法依据。
由上述表3中参数比较可知，三款注塑机的锁模力和理论注射容积均可满足成型需要，但依据表4中计算结果分析可知，MP90机注射时间T超过冷却时间tk，故成型结果如(图5)。MP130机注射时间T接近冷却时间tk，故成型结果如(图6)。FTN90机注射时间T小于冷却时间tk，故能成型薄壁产品。
7.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，合理正确选择注塑机对薄壁注塑成型起到事半功倍作用。目前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的发展运用，通过CAE模拟技术加以分析，实现低成本，省材料，短周期高效率的优质薄壁注塑成型。
参考文献：
[1]陈进都.工程塑料的薄件成型介绍[J].中国百科网http://www.chinabaike.com/z/jichuang/605585.html
[2]“Thin wall molding of engineering plastics-a literature survey”，Journal of injection molding technology[J].December 2000, Vol. 4, No. 4
[3] [日]加腾清正 编著,吴琴 沈剑行李明译.射出成型现场实用技术手册[M].中华塑胶协会出版社 2003: 206
[4] [德]N.拉奥.[美]K.奥布赖恩 编著，邢涛，王苏平等译.塑料工程师设计数据手册[M].北京:化学工业出版社2003:229-233
[5]王加龙.戴伟民.热塑性塑料注塑生产技术[M].北京:化学工业出版社2004：46
[作者简介]袁卫明，男，生于1971年，浙江省杭州市人，汉族，本科，工程师，技术部副主任，现从事塑料注射成型机设计研制开发工作。地址：310038杭州市西湖区转塘村口208号。邮编：310038