工程塑料的薄件成型介绍

一、前言：

所谓的薄成型件有著壁厚小于1mm且最小流动长度厚度比(L/T ratio)为100:1，抑或是壁厚小于1mm且零件的最小表面积在50 以上，可携式电子产品如：笔记型计算机、手机等的计算机与通讯产业的兴起后，轻薄短小的使用特性，使薄件的需求大增，薄件的成型主要在于充填速度，而充填速度又与塑料的黏度(Viscosity)有关，连带的不同塑料成型参数也大不相同。在数年前已有薄件的成型，只是成型的塑料都局限于易流动性塑料如：PP、PE、与某些PS，最近则开始有高黏度的薄件成型技术发展。由于产品的轻量、薄型、小型化的趋势，许多产品的肉厚渐渐变小，对于电子产品除减轻重量外也可多容纳一些元件，使功能更加完备，另外还可以节省材料，成型时间也缩短，降低成本，也因成型时间缩短，所以生产率提高。

典型的薄件成型较具代表性的材料是PC/ABS的混合料。 

二、薄件成型技术

在射出成型时，模具充填过程中，塑料的接触到冷模壁的时固化层厚度约0.25mm，这代表充填的流道会变小，导致充填变为困难，流动长度缩减，为预防塑料过早冷却则需提高充填射速，所以厚度0.75mm充填时间约0.5秒，则厚度0.5mm充填时间则缩为0.1秒，所以充填速度相当于500~1000mm/s。为因应如此之高射速则需以下的配合：

A、机台设计：

为因应高速机台需搭配高解析控制器与闭回路(Closed loop)油压控制系统并加装蓄压器(Accumulator)及进行高速位置控制的伺服阀(Servo valve)以准确的切换保压点，高射速也需搭配高射压(250~350MPa)、较一般射出机更小的射出量，即需更小的料管、螺杆与射胶单元，如此是为了降低熔胶的停滞时间(Residence time)，因为过长的停滞时间会降低熔胶的机械性质。良好的螺杆设计和结构是成功加工薄件的关键。螺杆的长径比(L/D)通常为20：1～24：1，其加料段、压缩比为2.0：1～2.5：1，螺杆端部呈圆锥形并装有止回环，各部件无需氮化处理。一般建议每次射胶行程最少需占料管行程的40%到80%之间。高射压也造成模板随模具变形，所以锁模单元需加强以免提前损坏。

B、模具设计：

高射压将使模具弯曲，这会造成成品肉厚变厚，也会缩短模具寿命，所以模具需加厚与加强。薄件模具也需要较大或较多的浇口(gate)以使充填容易，一般薄件的浇口直径约为肉厚的5倍。另外建议搭配热浇道(Hot runner)，但热浇道所造成的压力降需小于射压的10~15%，这也代表熔浇的流道直径需比一般标准模具大25~40%。热浇道阀门的顺序控制有助于降低薄件成品的压力，多浇口的逐步充填(stepwise filling)将降低高射速的需求但却增加了缝合线的数量，影响成品的强度和外观质量，所以在可能条件下，尽量采用单一浇口。薄件成品通常容易衍生顶出的问题，如：顶出伤痕、顶出应力或变形，顶出销需2倍大、2倍多，模仁与肋需磨光以减少黏模的机率。另外，因射出时间的缩短使得排气更为重要，沿分模面的排气可由模仁与顶针孔的排气补足，以免排气不良，另外可考虑真空排气，可避免烧焦痕及强化缝合线的强度。因高塑料流动率造成模壁的腐蚀，特别是添加或玻纤强化材料需特别注意，所以模壁可采用硬化的工具钢。增加肋可大大增加薄件的刚性，在以高射压生产薄件时可降低模具的收缩，保持薄件肉厚尺寸的均一性，在远离浇口处的压力低很多，所以一般的肋厚设计及可满足需求。

C、材料：

成型薄件的塑料须具备高刚性、高冲击强度、流动性良好，非结晶塑料如意流动的PC、ABS、PC/ABS最常用于薄件成型，现在成型的塑料更多样化，如：PA6、LCP、PPS(加或不加纤)及其混合物PPE/SB、PC/PBT、PC/LCP等。当选择薄件成型材料时须注意塑料的黏度与剪切率(Shear rate)的曲线表，一般适合薄件射出的塑料其剪切率需高于 且在这些剪切率下其黏度应选低者(如图1)。

图1 黏度与剪切率曲线图

薄壁塑料件所选用的塑料均有吸湿的倾向。含水的塑料在高温熔胶筒内挥发成气体或者引起塑料水解等原因，致使塑料件外观质量及力学强度显著下降。为此，必须在射出成型之前将塑料进行干燥至低于所要求的水分含量。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溶融塑料已完全射足并压实。

三、模穴的充填时间：

薄件成型成功的关键因子在于射胶时间(Injection time)，对任何薄件成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，在U型曲线的最低点即最佳射胶时间(如图2)。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。

图2 射胶压力与射胶时间曲线图

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，随著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。

最佳射胶时间对种程度肉厚的薄件而言，可用简单的封闭式方程序评估以熔胶在模具内冷却至某个温度所花的时间，对一个匀称的板状几何，假设冷却由板子上方到底部表面以传导为主要热传方式则方程序为

其中

t_c：冷却时间(秒)
h：模具厚度(m)
α：热扩散率
T_m：熔胶温度
T_w：模具温度
T_e：成品中立面最后温度
k：塑料的热传导系数(W/m·K)
C_p：塑料的比热(J/kg·K)
ρ：密度(kg/m³)，

各种普通塑料的热扩散率在各种模温下的值已经量测出来了，上式的假设是熔胶温度在进入模穴内时是均匀的(忽略黏热效应(viscous heating effect))，且两侧冷却是一致的，模具冷却系统能将所有由熔胶而来的热传都带走，实际上这不是如此，并且模具表面很可能被稍微加热。

可能需定义两个射胶时间：目标射胶时间(塑料中立面由中间范围的建议模温冷却到最低建议模温所需的时间)与最大射胶时间(塑料中立面由中间范围的建议模温冷却到固化温度所需的时间)，一旦到达这个温度，则不可能再推入任何塑料进入模穴中，即发生短射现象，目标射胶时间可以用来初始评估射胶时间，避免成型接近最大射胶时间，因为这将造成在凝固前填满成品时产生问题。类似的方程序可用来评估薄件的圆盘浇口(circular gate)的最小直径或是侧面浇口(edge gated)的高度，将最大剪切率在没有降低的情况下纳入考虑，尽管简化在这个计算中是本来就有的，他们仍然可以用来当个起点，更严苛的分析则需计算机模拟。

四、结论：

如薄件成型已进步到0.1mm左右的肉厚，主要应用于SD卡外壳、电池盒、滤网等产品上，另外还有微结构、高深宽比(high aspect ratio)的微射出成型挑战更大，这也是目前许多学术机关积极投入研究的题目之一，当然薄件成型有一大部分技术在于模具精微加工的方法，这些加工法大多属于非传统加工的范畴，因此薄件射出与微射出仍有很大的进步空间。