产品设计师的基本认知---塑料注塑成型

产品设计师的基本认知---塑料注塑成型

注塑成型

     这是制造塑料产品的领先工艺之一，是大批量生产相同产品的理想选择。传统注塑成型的变体包括气体辅助注塑成型多色注塑成型和模内装饰。

加工成本：单位成本很高，但具体取决于型腔的复杂程度和数量。

典型应用：汽车、家电、工业及家居用品。

适用性：大批量生产。

加工质量：表面粗稳度小、可重复工艺。

相关工艺：反应注射成型、注塑成型、真空铸造。

加工周期：注塑周期一般介于30到60分钟之间。

工艺简介

    注塑成型是一种广泛应用和发展良好的工艺，十分适合快速生产对于公差要求严格的零件。该工艺用于制造多样化的日常塑料产品。在生产过程中，为了实现较小的表面粗糙度，再现细节，精确设计的模具和高注射压力是必不可少的。因此，这种工艺只适用于大批量生产。

     注塑成型技术有许多种，主流的包括气体辅助注塑成型、多色注塑成型、和模内装饰。

典型应用

     在市场中很容易找到注塑件，特有别是在汽车工业和家用产品中。它们包括购物篮、文具、花园家具、按键、消费电子产品的外壳、塑料炊具手柄和按钮。

相关工艺  

     相关工艺的相对适用性取决于诸如零件尺寸和配置、所用材料、功能和美学要求、预算等因素。由于其重复性和加工周期，注塑成型通常是最理想的工艺，但对于某些板材几何形状来说，热成型、是一种合适的替代方案，而且对于生产连续型材来说，挤压的方式更具成本效益。最终将通过注塑成型的零件可以通过真空铸造和反应注射成型进行原型制造和小批量生产。这些工艺用于形成聚氨酯(PUR)。这是一种热固性塑料，具有一系列的等级、颜色和硬度。它可以是固体或发泡反应材料。注塑成型工艺应用范围广泛，包括用于装饰家具和汽车座椅的泡沫模塑，以及汽车保险杠和仪表板的小批量生产。

加工质量

      注塑过程中使用的高压确保了较小的表面粗糙度、精细的细节复制，以及最重要的，良好的可重复性。高压的缺点是再固化的聚合物具有收缩和翘曲的倾向。这些缺陷可以通过使用肋条细节和仔细分析流量来避免。

     表面缺陷可能包括凹痕、焊缝和颜色条纹。凹痕出现在与肋条细节相对的表面上，焊缝出现在材料被迫流经障碍物(如洞和下凹处)的地方。

设计机遇

       注塑成型能否应用取决于其经济性。在使用简单的分体模具时，这种工艺非常便宜，然而在加工形状复杂的产品零件的时候，则非常昂贵。不过，此加工工艺从大型汽车保险杠到最小的零件，可以实现各种大小零件的加工。通过凸轮或液压系统的控制，还可以进行非常复杂的加工，而这种情况下不会增加太多成本，由此可见，加工成本取决于加工零件的复杂程度。

      模内和嵌入式薄膜装饰经常被集成到加工过程中。因此，省去了修整工序。还可以采用一系列颜料来产生金属、珠 光、热敏变色和自动颜色变深等色彩效果，此外还可采用鲜艳的荧光和普通色系。镶件和卡扣被放入产品中以配合组装。

     多色注塑成型可以将多达6种材料注入一种产品。组合的可能性包括密度、刚性、颜色、纹理和不同程度的透明度。设计注意事项面对复杂的注塑成型设计，只有设计师、材料专家、工程师、模具制造商和注塑工人相互协调，才可以获得最好的结果。

      注塑成型在高温下进行，在高压下将塑化材料注入模具型腔。这意味着由于收缩和应力集中会出现很多技术说明在确保干燥的前提下，将聚合物颗粒送入料斗。加入色母，稀释比例为0.5%~5%。

      将材料加入料筒中，同时通过蜗杆的旋转推送动作推入加热，混合物料并向模具顶端移动。将熔融的聚合物保持一定的压力并注入模腔内，在确定的压力条件下，一定时间内依据不同的零件的尺寸而完成聚合物的固化反应，一般持续30~60秒。

      而后，保持注射后夹紧压力，保压过程是为了防止零件弹出后的翘曲和收缩。为了弹出零件，模具分开，芯体收缩并且由顶杆施加作用力以将零件与模具表面分离。该零件被自动化手臂分配到传送带或放置在容器上。模具和模芯一般用铝或工具钢加工而成。这些模具是注塑工艺中所需要的最为复杂的零件。一般的模具由的水冷通道(用于控制温度)、注射点(浇口) 流道系统(连接零件)及连续监测温度的电子测量设备组成。在模具内设置良好的散热零件，这是确保熔融聚合物稳定流过模腔的关键。因此，一些型芯由铜加工而成，其导热性比铝或钢要好得多。

       最经济的注塑成型模具由两个半模组成，即阳模和阴模，但工程师和模具制造者逐步提高现代模具的工艺水平，采用了可伸缩型芯和多重浇口及多种材料在内的各种工艺革新，逐步发展出多色注塑工艺等。

设计注意事项

     面对复杂的注塑成型设计，只有设计师、材料专家、工程师、模具制造商和注塑工人相互协调，才可以获得最好的结果。注塑成型在高温下进行，在高压下将塑化材料注入模具型腔。这意味着由于收缩和应力集中会出现很多问题。收缩将导致零件产生翻曲变形、开裂等情况。应力很可能集中尤其在尖角处或起槿鱼度过小的区域。因此，需要注意的是起模角度至少应为0.5，以避免零件在此过程中由于受到过大压力而从模县中弹出。

     注入的熔融塑料在进入模腔时将遵循阻力最小路径原则，因此必师将材料送入零件壁最厚的部分，并在壁最薄的区域内完成整个注塑过程。为了获得最佳效果，最好壁摩均匀，或限制在小于10%以内。不均匀的壁会产生不同的冷却加工周期，从而导致零件翘曲。确定最佳壁厚主要从成本与功能要求等因素进行考虑。在零件设计中，加强筋或肋起着双重作用:首先，在增加零件强度的同时减小了壁厚:其次，在成型过程中有助于材料的流动。肋不应超过壁厚高度的5倍。因此，建议使用浅肋而不是深肋。

      肋在设计中应该与零件壁结合，这样可以有效减少空鼓和可能产生的应力集中的点，孔洞和凹陷常常被放入零件设计中整体考虑，从而避免使生产成本增高的二次作业。

     注塑件常常采用蚀纹及涂饰来掩盖表面缺陷，一般而言，高光的表面由于更容易出现瑕疵，制造成本比亚光表面的制造成本更高。

适用材料

      几乎所有的热塑性材料都可以应用注塑成型的加工工艺。当然，某些热固性塑料和金属粉末也可以采用

类似工艺。

加工成本

    该工艺的模具成本比较高，取决于型腔和型芯的数量，以及零件结构设计的复杂程度。

     运用注塑工艺可以非常迅速地生产小的零件，特别是可以使用多腔模具来提高生产率。加工时间在30到60秒之间，多腔模具也是如此。较大的零件的加工，其加工周期较长，尤其是那些因为聚合物需要较长时间才能重新固化且冷却时需要固定在模具中的零件加工。

     该工艺的劳动力成本相对较低。然而，模具制备和脱模等人工操作过程则会显著增加成本。

环境影响

     热塑性废料可以回收利用。在医疗和食品包装中需要高质量的原始材料，不过类似花园用具等则可以使用包括50%的原始材料的回收材料制造，一般而言，原始材料具有较好的结构完整性，比较干净，且有较强的着色能力。

      注塑成型的塑料通常与大量生产的短期产品(如一次性产品)相关联。其产品结构简单且易于拆卸，这对于维护和回收都是有利的。在使用不同类型的材料时，采用的是卡扣和其他机械紧固件，这样设计便于拆卸，而且对环境影响最小。

模流分析

在制造之前，使用模流分析软件进行分析，使设计效率最大化。模流分析软件适用于所有类型的塑料注塑和金属压铸。软件汇集了零件设计、材料选择、模具设计和加工条件等功能，从而确定零件的可制造性。采用这种软件进行模拟可以避免许多不可预见的制造问题，可以节约成本和缩短生产周期，并可以最大限度地提高生产效率，进而显著节省材料消耗。

在计算机辅助设计(CAD)或计算机辅助工程(CAE)软件中生成所需零件的三维模型。模流分析软件是一种预测分析工具，采用三维模型模拟生产中的过程，例如填充、保压和冷却。

下面的例子展示了流动、翘曲、纤维取向、冷却和应力分析过程。

MPI/Flow

MPI/Flow模拟成型过程中的填充过程，通过模拟可以预测材料流经模腔时的状态。可用于优化浇口的位置、平衡浇道系统和预测潜在的风险。一般情况下，不同的版本用来模拟不同的塑料和金属成型技术。

在这里展示了3种产品的MPLIFlow。模拟Abtec零件的两个阶段来证明填充过程的可信度，以色标来表示，MPI/Flow 用来模拟各种浇口位置和浇道系统配置。通过改变PolyOne的汽车轮毂盖上的浇口位置(图3)，可以减小压力并确保在关键区域没有空鼓。色标表示体积应力。

Resinex和Gaertner &Lang制造的汽车内饰产品的色标(图4)表示以秒为单位的填充时间。外观是非常重要的，可以使用流动分析软件来消除关键区域的焊缝和颜色变化。这是通过改变浇口的位置和浇道系统的温度来实现的。