塑料成型工藝與CMF設計

注射成型技術

注射成型就是把塑料流體注射到模具中，可以說是塑料加工工藝中最重要的一種，也是大批量生產相同產品工藝的理想之選，備受各大廠商青睞。而且注射成型的原料理論上講也不局限于塑料，包括金屬、熔巖、水泥等流體均能進行注射成型。本文主要介紹塑料的注射成型。

注塑技術有幾種不同的工藝，包括一般注塑成型、氣體輔助注塑成型、多射注塑成型、模內裝飾工藝等。一般注塑的工藝流程很基礎，但是隨著技術的不斷發展，各類圍繞注塑的高級工藝也被開發出來，比如氣體輔助注塑，多射注塑成型和模內裝飾等。

氣體輔助注塑成型技術在1985年首次用于大規模生產。最初，它被開發以克服收縮導致的凹痕問題。在注射期間吹入一定量的氣體，在聚合物于模具打開之前的冷卻階段施加內部壓力。通過非常精確的計算機控制，現在可以對修長而復雜的模制品進行充氣。每個生產時間將略有不同，因為計算機對材料性質和流量的輕微變化進行調整（見圖1）。

圖1 該工藝使用改進的注塑設備

階段1將塑料注入模腔中，但不完全填充。

階段2 注入氣體，其在熔融塑料中形成氣泡并迫使其貼合模具。塑料和氣體同時注入，產生更均勻的壁厚度，因為隨著更多的塑料被注入，在空氣壓力的推動下，它更加貼合模具。

階段3 隨著塑料冷卻和固化，保持氣體壓力，這樣，收縮率可以最小化，最終脫模取出產品。

多射注塑成型工藝是將兩種或更多種塑料一起注塑成型。表1是多射注塑成型與其他一些類似工藝的區別。

這里我們主要介紹一種典型的多射注塑成型工藝（見圖2）。

圖2多射注塑成型工藝步驟

階段1 同時將聚合物A和B注入到不同的模腔中，其中聚合物A注入下模腔中，同時，將聚合物B注入在上部空腔中的預先已經模制好的聚合物A上。在壓力下，熔融聚合物形成牢固的粘合。

階段2 模具分離，并且從模制的聚合物A中移除澆道。同時，完成的成品從上模腔排出。旋轉臺板旋轉以使模制好的的聚合物A與上模腔對準。

階段3 模具再次閉合，并且重復操作順序。

簡單的說，模內裝飾工藝用于在注射成型期間，可以將印刷物添加到塑料產品中，從而減少諸如印刷和噴涂等二次操作。模內裝飾工藝的注塑時間會略有增加。該工藝可以用于生產幾乎所有需要藝術化美觀的注塑產品（見圖3）。

圖3 模內裝飾工藝步驟

階段1 在注塑之前將印刷的PC膜裝載到模腔中。打印面向內放置，以便在注塑時，打印件將被保護在PC的薄膜背后。

階段2 當熱塑料注入模腔中時，其與PC膜結合（這類似于多射注射成型）。

階段3 膜與注射成型塑料成為一體并且具有帶有印刷表面的無縫整體。當注射熱塑料時，它在30-17,000N/cm2之間的壓力下被壓靠在模具表面上，如果模具的表面有紋理，則PC膜會因為熱成型以精確配合模具。壓力大小由材料的類型和需要的表面光潔度決定。

設計師的思考

●注塑設計是一項多元配合的技術，涉及設計師、聚合物專家、工程師、模具制造商等。與不同領域的專家全面合作將有助于實現產品的生產。

●使用簡單的分體模具時，該方法是最便宜的，而造型越復雜，成本越高。最便宜的注塑模具由兩個半體組成，稱為陽模和陰模。但是工程師和模具制造商不斷地使用更復雜的模具，比如可伸縮的芯，多澆口和多次注射來對比產品成型效果，有時需要更多的嘗試去推動工藝的發展。

●注塑過程中需要使用高壓來確保良好的表面光潔度以及精細的細節，最重要的是，高壓后具有優異的重復生產性。但高壓的缺點是再凝聚的聚合物具有收縮和彎曲的趨勢，這些缺陷可以使用結構設計的筋骨細節和精準的流動分析來避免。

●表面缺陷包括凹痕、焊縫和顏料條紋。一般在與筋部細節相對的表面上會出現凹痕，并且在材料受力的地方出現焊縫線。

●幾乎所有的熱塑性材料都可以注塑成型。也可以在聚合物基體中加入某些熱固性塑料和金屬粉末來獲得需要的性能。

吹塑成型技術

吹塑成型技術通常用于大規模生產中空包裝容器的生產，是一個迅速生產大量薄壁零件的方法。吹塑成型技術分為三種不同方法：擠出吹塑(EBM)，注射吹塑(IBM)和注射拉伸吹塑(ISBM)。每個流程都有其特定的工藝，適用于不同的行業。

擠出吹塑(EBM)在大多數應用實例中適用，且備受歡迎，因為其設備和運行成本較低。它是一種萬能的工藝，可用于生產各種形狀的產品，材料的選擇也很廣泛。其容器可以做整體處理，并且實現多個分層效果。一般有三個工藝步驟（見圖4）。

圖4 擠出吹塑(EBM)的工藝步驟

階段1 生產的過程中，傳統的擠壓裝配會將塑料聚合物加熱后擠壓到容器。聚合物被擠壓裝置擠壓在芯棒中成為圓管狀，稱為擠壓半成品，其擠壓的過程是連續的。

階段2 一旦半成品已達到足夠長度，兩邊模具會順勢關閉，圓管狀的半成品被模具的底部邊緣修剪密封，形成瓶底。隨后，半成品頂部被型坯切刀裁剪，橫向轉移到第二個設備，那里的空氣吹針會將氣體吹入設備，把聚合物撐大，迫使半成品在模具內貼合內壁，形成需要的形狀。隨后熱聚合物會因為接觸到冰冷的模具內壁而凝固。

圖5 注射吹塑適用于醫療和化妝品包裝容器等要求更高的工業應用

階段3 冷卻，將模具內半成品充分冷卻后打開模具，就可以得到需要的產品。取出之后，由工人將容器進行修整，就得到了最后的成品。

注射吹塑(IBM)是一種相對于擠出吹塑EBM更為精確的工藝，適用于要求更高的工業應用，如醫療和化妝品包裝容器?？梢杂糜谏a產品尺寸要求非常準確的容器。主要的工藝步驟如圖5所示。

注射吹塑IBM的加工過程核心是基于一個旋轉裝置。

第一階段 預成型加工模塊將加熱后的聚合物原料注入芯棒，完成頂端細節加工后，芯棒和預成型模塊會旋轉120°。

第二階段 空氣吹到預成型加工模塊中，迫使半成品形成模具的形狀。

第三階段 充分冷卻后，模塊旋轉120°，剝離芯棒，完成注塑。剝離之后，會進行修整，形成需要的產品。

注射拉伸吹塑(ISBM)通常用于生產高質量的透明質感等，要求明確的容器，如PET材料的水杯。循環注入方法可以確保產品的精確度，循環拉伸方法可以提供優越的力學性能。ISBM尤其適用于飲料、農藥和個人護理產品包裝，主要的工藝步驟見圖6。

圖6 注射拉伸吹塑的工藝步驟

第一階段 ISBM過程使用和IBM相同的技術，其中預成型過程形式是和注射成型一樣，將聚合物注射到芯棒進行加工。

第二階段 ISBM芯棒拉伸桿被移除和替換。預成型模塊插入到吹制模，夾緊并關閉。

第三階段 通過拉伸桿定位模具縱向，并向模具中吹入空氣，將聚合物吹到模具邊緣。

第四階段 冷卻后模具打開，從拉伸桿部分剝離，從而得到產品。

圖7 真空成型示意圖

設計師的思考

●以上三種吹塑技術最大的區別就是每個技術之間容納的能力不同。IBM通常生產的容器空間為3毫升到1升(0.005 到1.760品脫)，而ISBM可以生產50毫升和5升(0.088 到8.799品脫)的容器。EBM可以創建最大的容積，可以介于3毫升和220升(0.005到387品脫)。

圖8 壓力成形示意圖

●在應用場景方面：EBM主要用于醫療、化工、消費品行業容器，如藥片瓶和藥水瓶瓶，快消品包裝。IBM主要用于精確度更高的快消品包裝和醫療包裝。ISBM主要在個人護理產品包裝，農用化學品包裝，一般化學品包裝，食品和飲料及醫藥行業生產的瓶子，產品油容器、農用化學品容器、健康衛生產品，化妝品產品，和其他一些食品容器。

●在設計吹塑工藝時，還有許多因素需要考慮，包括用戶(人體工程學)，產品(內容，物料，感光性)，灌裝(頸部、內容和填充線)、包裝和表現(例如標簽使用和打印)。

●成本方面：EBM是最便宜的，IBM的模具通常比EBM貴兩倍，而ISBM是最昂貴的。單件生產周期均非常迅速，單套模具生產一批零件只需要1 - 2分鐘。實現生產自動化后，勞動力成本可以降到很低。投產和換模具的成本會比較高，所以機器往往專注于單一產品。

圖9 柱塞輔助成型示意圖

熱成型技術

熱成型的核心原理很簡單，即將熱塑性塑料片材加熱至軟化，在壓力環境下，采用適當的模具或夾具進行加工，而使其成為制品的一種成型方法。

熱成型進料方式有兩種：片材進料和輥式進料。片材通常被切割成適當尺寸以便手工裝載，一般用于重型產品應用，例如托盤、浴缸、淋浴盤和行李。而在輥式進料中，型材由來自輥軸的成卷材料提供，它有時被稱為“in-line”過程，因為它是在連續操作中進行熱成型、修整和堆疊等一系列操作。

以上兩種進料方式被廣泛用于生產各類包裝，從一次性食品包裝，到重型可回收運輸包裝都可以用熱成型進行生產。一些典型的例子包括透明塑料包裝、殼式包裝、化妝品包裝、飲料杯和箱包等。熱成型也可以用來生產照明設備、浴缸和淋浴設備、花盆、標志、自動售貨機、小型和大型儲罐、摩托車整流罩、汽車內飾、飛機和火車相關設備、消費電子產品外殼和頭盔等。

熱成型的工藝有四種：真空成型、壓力成型、柱塞輔助成型和雙片材熱成型。

真空成型是一個簡單的過程，是其它成型技術的基礎。也是這些片材成型方法中最簡單和最便宜的。將一片熱塑料吹入氣室中，然后吸到工具的表面上。它是一個單面工具，所以只有塑料的一面將受到其表面的影響。在壓力過程成形中，熱的軟化片材被壓入模具中。更高的壓力意味著可以模制更復雜的細節，包括表面紋理。對于相對體積小的物件，該過程能夠生產類似于注塑的效果。

圖10 雙片材熱成型示意圖

首先將一片材料加熱至其軟化點。但要注意的是每種材料的軟化溫度是不同的，例如，聚苯乙烯（PS）的軟化點為127-182℃，PP為143-165℃。某些材料，如HIPS具有較大的操作窗口（即它們可成形的溫度范圍），這使得它們更容易熱成型。將軟化的塑料片材吹進氣室，使其以均勻的方式拉伸，然后氣流反向，將材料在大約14磅/平方英寸的壓力下，通過真空吸到模具表面上。為了有助于空氣的流動，氣流通道一般設計模具中，它們位于凹槽附近，以盡可能有效地利用空氣。

在壓力成型中，受熱軟化的塑料片被壓入模具中。高強度的壓力意味著可以塑造更復雜的表面和細節，包括表面紋理。與注塑相似，其產能比較低。壓力成形與真空成型相反，在大約100psi的空氣壓力下，將板材模制在模具的表面上，這意味著可以實現更高水平的細節表現。模具上的表面細節將以比真空成型精確得多，表面光潔度也可以更精確地控制，因此功能性是很獨特的。

上述兩個熱成型方法可以在表面形成比較淺的幾何形狀。而對于加工表面要求凹凸較深的型材時，就要用到柱塞輔助成型，其塞子的作用是將軟化的材料推入凹槽，使其均勻拉伸。塞輔助成形不僅具有陽模成型的好處，即軟化的片材可以吹入氣室中使其均勻地延伸，同時能將片材覆蓋到陰模中產生局部拉伸。液壓塞在板材成形之前會均勻推拉板材，對于深型材可以確保具有足夠的壁厚進行加工。否則，材料在抽出氣體貼合模具時將撕裂。當空氣被抽出時，片材貼合模具輪廓，此時液壓塞縮回。

雙片材熱成型將上面這些工藝的特性與中空部件的生產相結合。實質上就是兩片材同時熱成型，并在它們在仍有溫度時粘合在一起。這種復雜的工藝比常規的熱成型更昂貴。

在雙片材熱成型中，兩個熱成型板材會被夾緊，形成封閉的薄壁產品。該產品的兩面都能進行熱成型加工，不像之前單面的加工工藝。首先夾具將片材轉移到加熱室中，升高到軟化溫度，然后上下模具閉合，吸出空氣讓板材熱成型。其中，兩個片材是單獨熱成型的，一旦產品完全形成，它們就被模具夾緊。來自熱成型的余熱和長時間接觸使得他們緊密粘合。這種粘合具有與母體材料類似的強度。

較典型雙片材熱成型有吸塑包裝（氣泡包裝），就是很多朋友拿到手上就想捏爆的氣泡墊，它也是通過熱成型制成。材料在真空成型機的輥上連續生產，并且機器將材料層壓，以將空氣密封到單個泡罩中，為包裝物品提供保護性緩沖。

設計師的思考

●熱成型最理想的產品是表面淺層紋理且壁薄的產品，深度超過直徑的設計通常不實用。

●如果采用插塞輔助成形的方法可以使材料在模具表面上更均勻地拉伸。

●有時模具的表面必須設計出紋理，用來協助空氣流動，避免氣穴形成。這些紋理稱為“開放紋理”。

●片材進料成型中，用于加工的板材一般是5毫米至12毫米。

●輥式進料成型中，材料厚度是有限的，大致為o.1毫米至2.5毫米。

●熱成型過程中，材料會先受熱膨脹，再冷卻收縮，收縮率最高高達2%。不同的材料有不同程度的收縮率：例如，ABS將收縮0.6%，而HDPE則為2%。所以設計時通常推薦2°的吃水角。

●材料延伸時溫度會很高，高溫將造成材料成型后，更加起伏和不規則的表面。因此，設計時必須注意避免尖銳的角和三面角。不然將導致邊角太薄從而成為受力薄弱點。

●幾乎所有的熱塑性材料都可以用熱成型加工，最常見的是ABS、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）（包括PETG，是PET改性乙二醇）、聚丙烯（PP）、聚碳酸酯（PC）、高抗沖聚苯乙烯（HIPS）和高密度聚乙烯（HDPE）。

●成本方面，模具成本不定，主要取決于零件的尺寸、復雜度和數量。而壓力成型的模具比真空成型貴百分之三十到五十，但總體仍要比注塑模具便宜。

●熱成型另外一個考慮的成本是所選擇的工藝和材料厚度。片材進料成型過程通常每分鐘能生產1-8件。而輥式進料成型更快，在多腔工具中，每分鐘可以生產數百個產品。因為輥式進料成型是自動化的，而片材進料成型一般都是手工去裝配的，所以片材進料成型還增加了勞動力成本。