“网红”货也有薄壁注塑的功劳

塑料原料的成本通常约占塑料制品成本的五至八成，这一比例不可谓不高。薄壁成型制造有助于降低这一比例，特别是消费性餐盒、一次性医疗用品、电子产品包装管等塑件的设计也变得越来越薄了。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，而受到市场的追捧，已成为近十年来中国塑料成型行业的研发热点之一。本文探讨的是应用最为广泛的薄壁注塑技术(Thin-Wall Injection Molding，TWIM)。

何谓薄壁注塑？
顾名思义，与传统注塑相比，薄壁注塑在制品的壁厚上薄了很多，但更为核心或者专业的区别是在于流长比的差异。通常把从模具的主流道到成品最远一点的距离称为流程L，产品的厚度为t，L/t称之为流程/壁厚比（流长比），当 L/t>150时，可以称为薄壁注塑。以一次性快餐盒和手机电池外壳两种薄壁产品为例，一次性快餐盒的流程135mm，壁厚0.45mm，流程/壁厚比=300；手机电池外壳的流程38mm，t=0.25mm，流程/壁厚比=152。如流程的厚薄不一致，可分段计算流程/壁厚比。

薄壁技术五大要点分析
薄壁注塑由于外形特征独特，其原材料的选用、产品设计、机器选择、模具制造以及成型工艺等方面都有不同的要求，五个要点环环相扣，每个步骤都将影响最终的制品质量。

一、选用高流动性材料
物料的选择对产品的成型有着很关键的重要性，随着壁厚降低，需要使用具有更好物理性能的塑料来维持制品强度。薄壁注塑的材料必须具备以下特点：流动性能好，抗冲击强度高，热变形温度高，尺寸稳定性好，耐热性高，阻燃性好，机械装配性较高，外观质量效果佳等。而流动性尤为重要，一旦原材料流动性不好，只能从设备上进行改进，如提高料温，高速高压，用油温机或热流道效果来提高原材料的流动性，以生产合格产品。
目前，薄壁注塑主要用到聚烯烃材料，如PP、PE，另外PET、PS、PA、ABS、PC等也适用。

消费及工业电子产品的重要趋势是更多的数据传输，和更小的设计空间，要将更小更薄的零件融入到更紧凑的设计中，节省组装空间，并适应于更高功率和更快的数据传输速度。因此对所用材料的要求也越来越高，特别是在耐高温和材料性能稳定性方面。巴斯夫（BASF）公司推出了Ultramid® Advanced 高流动规格PPA材料，具有超过260℃以上的热变形温度，在高流动性、韧性和阻燃性之间取得了理想的平衡，因此可以助力高功率和高数据传输的电子连接器，并实现薄壁小型化设计，以提高计算机、笔记本电脑、服务器、智能手机以及智能家用电器和可穿戴设备等消费类电子产品中的电源和数据连接器的耐用性、性能和可靠性。

二、产品设计
薄壁制品的设计思想和方法较为复杂，并进一步受到成型局限及材料选择的影响。设计过程中要重点考虑制品的刚性、抗冲击性和可制造性。

薄壁注塑的产品设计要特别注意进胶口的排布，尽量让进胶能够平衡，整个产品的填充能够均衡。另外在排气的设计上也要特别考虑，对于一些产品比较宽，壁厚又比较薄的产品可以采用排气片的方式进行排气。注意排气片的排布尽量垂直于最终汇合结合线，这样可以最有效的增加排气效率。比如手机电池壳，因为手机的厚度越来越薄，对于电池壳也是希望能够将厚度做得尽可能的薄。所以在电池壳的背面通常会做排气片，在填充困气时可以将气体有效地排出模具。

三、薄壁产品与注塑机的关系
薄壁注塑的机器需要选择高速机，单位时间产量比较大，产品结构简单，并能有效降低产品成本，最为人所熟悉的就是一次性薄壁餐盒、航空杯、IML盒子等产品。为满足快速充填的要求，薄壁注塑机应具备以下条件：
◆ 注射压力要高，为200MPa以上（一般注塑机压力在200MPa以下）；
◆ 注射速度要快，达200mm/s以上（通用注塑速度为100-150mm/s）。可以选择带有增速机构的机器，另外一些氮气增速、油缸增速等设备也可作为薄壁注塑机器的选择；
◆ 锁模力要大，合模机构在每平方英寸制品投影面积上提供的锁模力为5-8吨（常规是3-5吨）；
◆ 电液组合驱动：利用液压驱动提供更大的注射压力和速度，电动方式驱动合模机构的快速响应和精确运动。

四、对模具的要求
由于薄壁注塑是高压、高速注塑过程，薄壁制品的模具从结构、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：
◆ 材质和结构：为承受成型时的高压，薄壁成型模具的刚度要大、强度要高，能抗冲击，通常需要采用洛式硬度（HRC）在55度以上的钢材，同时需要对材料进行热处理，这样可以有效防止模具的磨损。模具表面的抛光也非常重要，能够抛光的位置尽量做抛光，这样可以减少流动阻力，防止塑料填充时的摩擦力；
◆ 浇注系统：成型薄壁制品要使用大浇口，而且浇口应该大于壁厚。为此，薄壁制品模具的浇注系统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，让材料可以有效地填充；
◆ 冷却系统：传统壁厚件可以承受因传热不均而产生的较大的残余应力，但薄壁制品做不到。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，型腔内可用导热性更好的金属做成嵌件，确保冷却均衡；
◆ 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，注塑速度高，尤其是模具中流动前沿聚集区的充分排气非常重要，以防困气引燃。
◆ 脱模系统：因为薄壁制品的壁和筋都很薄，在顶出过程中很容易造成变形或破坏，通常采用比常规模具更大、更多的顶针设计，来保证制品不被破坏。

五、成型工艺应控制压力和速度
随着壁厚的减薄，塑料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，常规的注塑工艺条件已不能满足需要。普通注塑的一个不足之外就是填充过程和冷却过程往往是交织在一起的，但由于普通注塑件的尺寸比较大，所以对成型过程影响不大，但在薄壁注塑中这个不足就会成为致命的问题。所以，不能把普通注塑中的理论和操作简单地照搬到薄壁注塑中来。

薄壁制品要求更高的压力和速度、更短的冷却时间、改变制件顶出和浇口排列。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。压力可根据产品的大小选择适当的压力，一般在65-100MPa之间一般产品稍厚的温度可控制在260℃左右，遇到太薄的产品温度可控制在280-300℃之间，提高温度主要是用来增强物料的流动性，但280-300℃时物料在料管停留时间不易过长，以免塑化。

薄壁注塑设备发展动态
紧跟包装薄壁化的潮流，不少注塑机及周边设备的品牌陆续对薄壁包装的注塑成型解决方案进行创新升级。
在包装行业中，随着节能节材、可持续发展理念的不断深入，薄壁制品需求与日俱增。薄壁类塑料包装制品种类繁多，量大面广，成型过程中离不开注射速度快、生产效率高的高速注塑机。针对这一趋势，海天塑机公司推出了注塑速度高达1000mm/s的伺服液压超高速解决方案MA/K系列，并于四月深圳举行的Chinaplas 2021展会上做全球首秀，一经亮相便成为现场炙手可热的“明星”机型。MA/K开辟出伺服液压包装解决方案的新维度，其最高射速可达1000ｍｍ/s，为超薄壁包装制品成型而量身定制。采用了业内独创型的“闪压”式直驱注射结构设计，配备直驱式电预塑单元和定制化塑化组件，塑化能力出众高效。石英超导加热系统可实现温控精准与低能耗，优化设计的锁模装置采用创新型Ｖ型曲肘机构，模具形变小，使用寿命长。标配开合模比例方向阀使定位更精准。MA/K配置了功能强大的控制系统和人性化的人机界面（HMI），搭配高性能伺服动力系统，可实现18ms以内的超快速响应。海天MA5500K/1300注塑机在展会现场演示生产１出４的超薄壁医疗包装器皿，制品重量192g，成型周期约8.2秒。这款机器的面世将极大地推动中国薄壁包装行业的发展。

大容量薄壁包装产品如何在成本控制下提高有效产出？伊之密PACPro薄壁包装产品成型提供了系统解决方案，PAC420KP高速注塑机搭载4+4叠层模具，适应高腔数、高产能的大容量薄壁包装容器的高速生产，在去年吴江工厂举办的伊之密云开放周活动，展示了1000ml医疗圆碗解决方案。区别于一次性餐具产品，容量较大的医疗圆碗需要注塑设备更大的锁模力，对表面光洁度、注点整洁度、无飞边、无缺料等要求更高，而且产品需保持较高的柔韧性，这也增加了模具的制造难度。伊之密高速包装系统在薄壁包装产品成型和高腔数包装模具方面具有丰富的经验，针对大容量薄壁包装产品成型需求，PAC420KP高速注塑机升级设备动力、射速、精度控制和能耗控制，稳定性进一步提升，搭载4+4叠层模具，可实现8秒内成型8腔医疗圆碗，比传统生产方案（一出4腔）实现效率翻番，以及对比市场上其他应用方案，以更低投入成本提高有效产出，让客户更具市场竞争力。

在Chinaplas 2021上，力劲集团展示了LK工业4.0餐盒生产单元。LENA LA300直压式注塑机是力劲集团自主研发的新一代包装专用机。直压式锁模结构，哥林柱和模板无接触，模板运动采用线性导轨，单缸射胶系统，氮气射胶辅助装置，射速最高可达500mm/s。可用于餐盒等薄壁产品生产。

包装领域通常采用模内贴标（IML）工艺，在注塑之前，快速在型腔内精准放置标签，同时把成型好的制品取出来，这需要配合高效率的机械手动作，要求开合模动作精准、快速响应和运动平稳。思为客公司研发团队针对薄壁产品注塑周期短、时效要求高的特点，对机械手的结构及电控系统进行了大量优化，并推出新一代7系高速三轴伺服机械手，其中SW7112DS这一款适用于150－450吨锁模力注塑机，干循环周期仅为3.3秒，负载可达5公斤，是快餐盒等薄壁注塑的理想机械手。面对后疫情时代的快餐盒需求一直保持高位，它将成为薄壁注塑的增产利器，助力加工企业实现新的发展。
 
应用前景
包装领域是目前薄壁注塑最主要的应用领域，比如网红奶茶用杯子的生产也有薄壁注塑的功劳。特别是在新冠病毒肺炎疫情期间，生鲜食品、自热食品、即食食品、外卖等成为了老百姓的热门选择，这些食品的的包装很大一部分都采用了薄壁注塑工艺加工而成。除了包装领域之外，电子、家电、汽车、医疗等领域也在不断地尝试薄壁注塑应用，导光板、电池壳、手机壳等薄壁注塑产品都发展成熟。对于大的汽车零部件来说，“薄壁”可能就是2mm的概念了。未来，薄壁注塑在追求更薄厚度、更高效率、更高精度、更低成本方面将不断突破极限！

来源：荣格-《国际塑料商情》


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