在本指南中，您將找到您需要了解的有關(guān)注塑成型的所有信息。掌握技術(shù)的基本原理并快速學(xué)習(xí)可操作的設(shè)計技巧，這將節(jié)省您的時間并降低成本。
第1部分基礎(chǔ)知識
什么是注塑成型？它是如何工作的，它的用途是什么？
在本節(jié)中，我們將回答這些問題并向您展示注塑件的常見示例，以幫助您熟悉該技術(shù)的基本原理和應(yīng)用。
什么是注塑成型？
注塑成型是一種用于批量生產(chǎn)具有良好公差的相同塑料零件的制造技術(shù)。在注塑成型中，聚合物顆粒首先熔化，然后在壓力下注入模具中，液態(tài)塑料在模具中冷卻并固化。注塑成型中使用的材料是熱塑性聚合物，可以著色或填充其他添加劑。您周圍的幾乎所有塑料部件都是使用注塑成型制造的：從汽車部件到電子外殼，再到廚房用具。注塑成型之所以如此受歡迎，是因為在大批量生產(chǎn)時每單位成本極低。注塑成型提供了高重復(fù)性和良好的設(shè)計靈活性。注塑成型的主要限制通常歸結(jié)為經(jīng)濟性，因為需要對模具進行高額初始投資。此外，從設(shè)計到生產(chǎn)的周轉(zhuǎn)時間很慢（至少 4 周）。
注塑成型工藝
注塑成型如今廣泛用于消費品和工程應(yīng)用。您周圍的幾乎所有塑料制品都是使用注塑成型制造的。這是因為該技術(shù)可以以非常低的每件成本（通常為每件 1-5 美元）以非常高的產(chǎn)量（通常為 1,000 到 100,000 多個單位）生產(chǎn)相同的零件。
但與其他技術(shù)相比，注塑成型的啟動成本相對較高，主要是需要定制模具。模具的成本可能在 3,000 美元到 100,000 美元以上，具體取決于其復(fù)雜性、材料（鋁或鋼）和精度（原型、試運行或全面生產(chǎn)模具）。
所有熱塑性材料都可以注塑成型。某些類型的有機硅和其他熱固性樹脂也與注塑工藝兼容。注塑成型中最常用的材料有：
- 聚丙烯 (PP)：約占全球產(chǎn)量的 38%
- ABS：約占全球產(chǎn)量的 27%
- 聚乙烯 (PE)：約占全球產(chǎn)量的 15%
- 聚苯乙烯 (PS)：約占全球產(chǎn)量的 8%
即使我們考慮所有其他可能的制造技術(shù)，僅這四種材料的注塑成型就占全球每年生產(chǎn)的所有塑料零件的40%以上！
注塑機：它們是如何工作的？
注塑機由 3 個主要部分組成：注塑單元、模具– 整個過程的核心 – 以及鎖模/頂出單元。
在本節(jié)中，我們將檢查每個系統(tǒng)的用途以及它們的基本操作機制如何影響注塑成型過程的最終結(jié)果。
注射單元的目的是熔化原料塑料并將其引導(dǎo)到模具中。它由料斗、機筒和往復(fù)螺桿組成。
以下是注塑成型工藝的工作原理：
- 首先將聚合物顆粒干燥并放入料斗中，在那里它們與著色顏料或其他增強添加劑混合。
- 顆粒被送入機筒，同時被加熱、混合并通過可變螺距螺桿向模具移動。螺桿和機筒的幾何形狀經(jīng)過優(yōu)化，有助于將壓力提高到正確的水平并熔化材料。
- 然后柱塞向前移動，熔化的塑料通過流道系統(tǒng)注入模具，填充整個型腔。隨著材料冷卻下來，它會重新凝固并形成模具的形狀。
- 最后，模具打開，現(xiàn)在實心的零件被頂針推出。然后模具關(guān)閉并重復(fù)該過程。
整個過程可以非常快速地重復(fù)：周期大約需要30 到 90 秒，具體取決于零件的大小。
零件彈出后，將分配到傳送帶上或存放容器中。通常，注塑件可以立即使用，幾乎不需要后處理。
制造模具
模具就像照片的底片：它的幾何形狀和表面紋理直接轉(zhuǎn)移到注塑件上。
它通常占注塑成型啟動成本的最大部分：對于簡單的幾何形狀和相對較小的生產(chǎn)運行（1,000 到 10,000 件），典型模具的成本約為 2,000-5,000 美元，最高可達 100,000 美元適用于為全面生產(chǎn)（100,000 件或更多）而優(yōu)化的模具。
這是由于設(shè)計和制造可以精確生產(chǎn)數(shù)千（或數(shù)十萬）個零件的高質(zhì)量模具所需的高水平專業(yè)知識。
模具通常是CNC加工的由鋁或工具鋼制成，然后按要求的標準完成。除了零件的負片外，它們還具有其他功能，例如有助于材料流入模具的流道系統(tǒng)，以及有助于和加速零件冷卻的內(nèi)部水冷通道。
3D 打印材料的最新進展使得能夠以一小部分成本制造適用于小批量注塑成型（100 個零件或更少）的模具。由于傳統(tǒng)模具制造的成本非常高，這種小批量在過去在經(jīng)濟上是不可行的。
最簡單的模具是直拉模具。它由兩部分組成：腔體（正面）和芯體（背面）。
在大多數(shù)情況下，首選直拉模具，因為它們設(shè)計和制造簡單，總成本相對較低。但是有一些設(shè)計限制：零件的每一側(cè)必須有 2.D 幾何形狀并且沒有懸垂（即下方不支持的區(qū)域）。
如果需要更復(fù)雜的幾何形狀，則需要可伸縮的側(cè)向芯或其他插件。
側(cè)向型芯是從頂部或底部進入模具的移動元件，用于制造帶有懸垂部分的零件（例如，型腔或孔）。不過，應(yīng)謹慎使用副作用，因為成本會迅速增加。有趣的事實：大約 50% 的典型注塑周期專門用于冷卻和固化。最小化設(shè)計的厚度是加快這一步驟并降低成本的關(guān)鍵。
模具的2面：A面和B面
注塑件有兩個側(cè)面：A 面，面向型腔（模具的前半部分）和 B 面，面向型芯（模具的后半部分）。這兩個方面通常用于不同的目的：
A面通常具有更好的視覺外觀，通常被稱為美容面。根據(jù)您的設(shè)計規(guī)范，A 側(cè)的面將是光滑的或具有紋理。
B 面通常包含零件的隱藏（但非常重要）的結(jié)構(gòu)元素（凸臺、肋、卡扣等）。出于這個原因，它被稱為功能方面。B 面通常會有較粗糙的光潔度，并且頂針上有明顯的痕跡。
將材料注入模具：流道系統(tǒng)
流道系統(tǒng)是引導(dǎo)熔融塑料進入模具型腔的通道。它控制液體塑料注入型腔的流量和壓力，并在彈出后將其移除（它會折斷）。流道系統(tǒng)通常由 3 個主要部分組成：
- 澆口是所有熔化的塑料在進入模具時最初流經(jīng)的主要通道。
- 流道將熔化的塑料沿著模具兩半相交的面鋪開，并將支線連接到澆口。可能有一個或多個流道，將材料導(dǎo)向一個或多個零件。流道系統(tǒng)在頂出后與零件斷開。這是注塑成型中唯一的材料浪費，其中15-30%可以回收再利用。
- 澆口（是材料進入模具型腔的入口點。它的幾何形狀和位置很重要，因為它決定了塑料的流動。
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不同的澆口類型適用于不同的應(yīng)用。注塑成型中使用的澆口有 4 種類型：
- 邊澆口在模具兩半的分型線上注入材料，是最常見的澆口類型。流道系統(tǒng)必須稍后手動拆除，在注射點留下一個小缺陷。
- 隧道澆口在分型線下方注入材料。當(dāng)零件從模具中彈出時，流道系統(tǒng)會折斷，無需手動移除。這使得這種類型的門非常適合非常大的體積。
- 后澆口從型腔的背面注入材料，隱藏了因破壞其他澆口類型而留下的小缺陷。這些澆口用于需要出色視覺外觀的零件。
- 熱尖端直接連接到支線并從零件的頂部注入塑料。這種流道系統(tǒng)不會浪費任何材料，使其成為大規(guī)模生產(chǎn)的理想選擇，但在注射點會看到一個凹坑。
遺跡
在流道系統(tǒng)與零件連接的點上，通常可以看到一個小的缺陷，稱為痕跡。
如果出于審美目的不希望出現(xiàn)痕跡，那么也可以“隱藏”在零件的功
夾緊和頂出系統(tǒng)
注塑機的另一端是鎖模系統(tǒng)。鎖模系統(tǒng)有雙重用途：在注射過程中保持模具的兩個部分緊密閉合，并在打開后將部分推出模具。
零件彈出后，它會落到傳送帶或存儲桶上，然后重新開始循環(huán)。
然而，模具不同運動部件的對齊從來都不是完美的。這會導(dǎo)致產(chǎn)生 2 個常見缺陷，這些缺陷幾乎在每個注塑成型部件上都可見：
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- 在模具兩半相交的零件側(cè)面可見的分型線。它們是由微小的錯位和模具略微圓潤的邊緣引起的。
-在零件隱藏的 B 側(cè)可見的噴射器（或見證）標記。它們的產(chǎn)生是因為頂針在模具表面上方略微突出或在模具表面下方縮進。
下圖顯示了用于制造遙控器外殼兩側(cè)的模具。快速測驗：嘗試在此模具上定位型芯（A 側(cè)）、型腔（B 側(cè)）、流道系統(tǒng)、頂針、側(cè)動型芯和排氣孔。
注塑成型的好處
塑料的大批量生產(chǎn)注塑成型是制造大量相同塑料零件的最具成本競爭力的技術(shù)。一旦創(chuàng)建了模具并設(shè)置了機器，就可以非常快速地以非常低的成本制造額外的零件。
注塑成型的建議最小生產(chǎn)量為 500 件。此時，規(guī)模經(jīng)濟開始發(fā)揮作用，相對較高的模具初始成本對單價的影響不那么顯著。
材料范圍廣幾乎所有熱塑性材料（以及一些熱固性塑料和有機硅）都可以注塑成型。這為設(shè)計提供了非常廣泛的具有不同物理特性的可用材料。
用注塑成型生產(chǎn)的零件具有非常好的物理性能。它們的性能可以通過使用添加劑（例如，玻璃纖維）或通過將不同的顆粒（例如，PC/ABS 混合物）混合在一起來實現(xiàn)所需的強度、剛度或抗沖擊性水平。
非常高的生產(chǎn)力典型的注塑成型周期持續(xù) 15 到 60 秒，具體取決于零件的尺寸和模具的復(fù)雜程度。相比之下，CNC 加工或 3D 打印可能需要幾分鐘到幾小時才能產(chǎn)生相同的幾何形狀。此外，一個模具可以容納多個零件，進一步提高了該制造工藝的生產(chǎn)能力。
這意味著每小時可以生產(chǎn)數(shù)百個（甚至數(shù)千個）相同的零件。
良好的重復(fù)性和公差注塑成型工藝具有高度可重復(fù)性，生產(chǎn)的部件基本相同。當(dāng)然，隨著時間的推移，模??具會出現(xiàn)一些磨損，但典型的試運行鋁模具將持續(xù) 5,000 到 10,000 個循環(huán)，而由工具鋼制成的全面生產(chǎn)模具可以承受 100,000 多個循環(huán)。
通常，注塑成型將生產(chǎn)公差為 ± 0.500 mm (0.020”) 的零件。在某些情況下，更嚴格的公差低至 ± 0.125 mm (0.005”) 也是可行的。這種精度水平足以滿足大多數(shù)應(yīng)用的需要，并且可以與 CNC 加工和 3D 打印相媲美。
出色的視覺外觀注塑成型的一個關(guān)鍵優(yōu)勢在于它可以生產(chǎn)幾乎不需要額外精加工的成品。模具的表面可以拋光到非常高的程度，以創(chuàng)建像鏡子一樣的零件。或者可以對它們進行噴砂處理以形成紋理表面。SPI 標準規(guī)定了可以達到的精加工水平。
注塑成型的局限性
工具的高啟動成本注塑成型的主要經(jīng)濟制約因素是模具的高成本。由于必須為每個幾何形狀制作定制模具，因此啟動成本非常高。這些主要與模具的設(shè)計和制造有關(guān)，通常成本在 5,000 美元到 100,000 美元之間。出于這個原因，注塑成型僅適用于 500 臺以上的生產(chǎn)在經(jīng)濟上可行。
設(shè)計變更成本高昂模具制造出來后，修改起來非常昂貴。設(shè)計更改通常需要從頭開始創(chuàng)建新模具。因此，正確設(shè)計用于注塑成型的零件非常重要。
在第 2 部分中，我們列出了在設(shè)計注塑成型時要牢記的最重要的設(shè)計注意事項。在第 5 部分中，我們還將了解如何通過創(chuàng)建零件的物理原型來降低風(fēng)險。
比其他技術(shù)更長的交貨時間注塑成型的典型周轉(zhuǎn)時間在 6-10 周之間。制造模具需要 4-6 周，另外還有 2-4 周用于生產(chǎn)和運輸。如果需要更改設(shè)計（這很常見），則周轉(zhuǎn)時間會相應(yīng)增加。
相比之下，桌面 3D 打印機制造的零件可以在一夜之間交付，而工業(yè) 3D 打印系統(tǒng)的交貨時間通常為 3-5 天。CNC 加工零件通常在 10 天內(nèi)或最快 5 天內(nèi)交付。
