注射

注塑成型 (注塑成型 在美國）是一種通過將材料注入模具來生產零件的製造工藝。 注塑成型可以使用多種材料進行，包括金屬（該過程稱為壓鑄）、玻璃、彈性體、糖果以及最常見的熱塑性和熱固性聚合物。 零件的材料被送入加熱的桶中，混合，然後壓入模具型腔，在那裡冷卻並硬化至型腔的配置。 產品設計完成後，通常由工業設計師或 工程師，模具由模具製造商（或工具製造商）用金屬（通常是鋼或鋁）製成，並經過精密加工以形成所需零件的特徵。 注塑成型廣泛用於製造各種零件，從最小的部件到汽車的整個車身面板。 3D打印技術的進步，使用在一些較低溫度熱塑性塑料的注塑過程中不熔化的光聚合物，可用於一些簡單的注塑模具。

注塑成型的零件必須經過精心設計，以促進成型過程； 零件所用的材料、零件所需的形狀和特徵、模具的材料以及成型機的性能都必須考慮在內。 這種廣泛的設計考慮和可能性促進了注塑成型的多功能性。

應用

注塑成型用於製造許多東西，例如線軸， 包裝、瓶蓋、汽車零部件、遊戲機、袖珍梳子、一些樂器（及其零件）、一體式椅子和小桌子、存儲容器、機械零件（包括齒輪）以及當今可用的大多數其他塑料產品。 注塑成型是製造塑料零件最常見的現代方法； 它是生產大量同一物體的理想選擇。

工藝特點

注射成型使用柱塞或螺桿式柱塞強制熔融 塑料 材料進入模具型腔； 它凝固成與模具輪廓相符的形狀。 它最常用於加工熱塑性和熱固性聚合物，前者的用量要高得多。 熱塑性塑料之所以流行，是因為它們具有非常適合注塑成型的特性，例如易於回收、多功能性使其能夠用於多種應用， 以及它們在加熱時軟化和流動的能力。 與熱固性塑料相比，熱塑性塑料還具有安全性。 如果熱固性聚合物沒有及時從注射筒中噴出，可能會發生化學交聯，導致螺桿和止回閥卡住並可能損壞注塑機。

注射成型是將原材料高壓注射到模具中，將聚合物成型為所需的形狀。 模具可以是單腔或多腔的。 在多腔模具中，每個腔可以是相同的並形成相同的零件，也可以是唯一的並在單個循環期間形成多個不同的幾何形狀。 模具通常由工具鋼製成，但不銹鋼和鋁模具也適用於某些應用。 鋁模具通常不適合大批量生產或尺寸公差較窄的零件，因為它們的機械性能較差，並且在註射和鎖模週期中更容易磨損、損壞和變形； 然而，鋁模具在小批量應用中具有成本效益，因為模具製造成本和時間大大減少。 許多鋼模具在其使用壽命內可加工超過一百萬個零件，製造成本可能高達數十萬美元。

时间 熱塑性塑料 模製時，通常將顆粒狀原材料通過料斗送入帶有往復螺桿的加熱桶中。 進入機筒後，溫度升高，並且由於在較高熱能狀態下分子之間的空間增加，抵抗各個鏈相對流動的范德華力減弱。 該過程降低了其粘度，從而使聚合物能夠在註射裝置的驅動力下流動。 螺桿將原材料向前輸送，混合併均勻化聚合物的熱分佈和粘性分佈，並通過機械剪切材料並向聚合物添加大量摩擦加熱來減少所需的加熱時間。 材料通過止回閥向前輸送，並在螺桿前部收集到稱為 射擊。 注射量是用於填充模具型腔、補償收縮並提供緩衝（約佔總注射量的 10%，保留在料筒中並防止螺桿觸底）以傳遞壓力的材料體積從螺桿到模腔。 當聚集了足夠的材料時，材料在高壓和高速下被迫進入零件成型腔。 為了防止壓力峰值，該過程通常使用與 95-98% 滿腔相對應的轉移位置，螺桿從恆定速度控制轉移到恆定壓力控制。 注射時間通常遠低於 1 秒。 一旦螺桿到達轉移位置，就會施加保壓壓力，從而完成模具填充並補償熱收縮，相對於許多其他材料，熱塑性塑料的熱收縮相當高。 施加保壓壓力直至澆口（型腔入口）固化。 由於其尺寸較小，澆口通常是整個厚度最先凝固的地方。 一旦澆口凝固，就不再有材料可以進入型腔； 因此，螺桿往復運動並獲取下一個週期的材料，同時模具內的材料冷卻，以便其可以被頂出並保持尺寸穩定。 通過使用來自外部溫度控制器的循環水或油的冷卻管線，可以大大縮短冷卻持續時間。 一旦達到所需的溫度，模具就會打開，一系列銷、套筒、脫模器等被向前驅動以使製品脫模。 然後，模具閉合併重複該過程。

對於熱固性材料，通常將兩種不同的化學成分注入機筒中。 這些成分立即開始不可逆的化學反應，最終將材料交聯成單個連接的分子網絡。 當化學反應發生時，兩種流體成分永久轉變為粘彈性固體。 注射筒和螺桿中的凝固可能會產生問題並產生經濟影響； 因此，盡量減少機筒內的熱固性材料固化至關重要。 這通常意味著化學前體在註射單元中的停留時間和溫度被最小化。 可以通過最小化機筒的容積容量和最大化循環時間來減少停留時間。 這些因素導致使用熱隔離的冷注射裝置，將反應化學品注射到熱隔離的熱模具中，從而提高化學反應速率並縮短獲得固化熱固性部件所需的時間。 零件凝固後，閥門關閉以隔離注射系統和化學前體，模具打開以彈出成型零件。 然後，模具閉合併重複該過程。

當模具打開時，可以將預成型或機加工的部件插入型腔中，從而使下一個週期中註入的材料在它們周圍形成並固化。 這個過程被稱為 嵌件成型 並允許單個零件包含多種材料。 此工藝通常用於製造帶有突出金屬螺釘的塑料零件，使它們能夠反复緊固和鬆開。 該技術還可用於模內貼標，薄膜蓋也可連接到模製塑料容器上。

最終零件上通常會出現分型線、澆口、澆口痕跡和頂針痕跡。 這些特徵通常不是所需要的，但由於過程的性質而不可避免。 澆口痕跡出現在將熔體輸送通道（澆道和流道）與零件成型腔連接起來的澆口處。 分型線和頂針痕跡是由微小的錯位、磨損、氣體排放、相對運動中相鄰零件的間隙和/或接觸注射聚合物的配合表面的尺寸差異造成的。 尺寸差異可歸因於注射過程中壓力引起的不均勻變形、加工公差以及模具部件的不均勻熱膨脹和收縮，這些部件在工藝的注射、保壓、冷卻和頂出階段經歷快速循環。 模具部件通常採用不同熱膨脹係數的材料設計。 如果設計、製造、加工和質量監控的成本不大幅增加，就無法同時考慮這些因素。 如果可行的話，熟練的模具和零件設計師會將這些美觀損害放置在隱藏區域。

發展歷程

美國發明家 John Wesley Hyatt 與他的兄弟 Isaiah Hyatt 於 1872 年獲得了第一台注塑機的專利。與當今使用的機器相比，這台機器相對簡單：它的工作原理就像一根大型皮下注射針，使用柱塞通過加熱的注射器注射塑料。將氣缸放入模具中。 多年來，該行業發展緩慢，生產領撐、鈕扣和髮梳等產品。

德國化學家 Arthur Eichenrün 和 Theodore Becker 於 1903 年發明了第一種可溶形式的醋酸纖維素，它比硝酸纖維素的易燃性要低得多。 它最終以粉末形式提供，很容易注射成型。 Arthur Eichenrün 於 1919 年開發出第一台注塑機。1939 年，Arthur Ei Chengrün 獲得了增塑醋酸纖維素注塑成型的專利。

由於第二次世界大戰產生了對廉價、大規模生產的產品的巨大需求，該行業在 1940 世紀 XNUMX 年代迅速擴張。 1946 年，美國發明家 James Watson Hendry 製造了第一台螺桿注射機，可以更精確地控制注射速度和生產的製品質量。 該機器還允許在註射前混合材料，以便將有色或回收塑料添加到原始材料中並在註射前充分混合。 如今，螺桿注射機佔所有註射機的絕大多數。 1970 世紀 XNUMX 年代，Hendry 繼續開發了第一個氣體輔助注塑工藝，可以生產快速冷卻的複雜中空製品。 這極大地提高了設計靈活性以及製造零件的強度和光潔度，同時減少了生產時間、成本、重量和浪費。

多年來，塑料注射成型行業已從生產梳子和鈕扣發展到為汽車、醫療、航空航天、消費品、玩具、管道、包裝和建築等許多行業生產大量產品。

最適合該工藝的聚合物示例

可以使用大多數聚合物，有時稱為樹脂，包括所有熱塑性塑料、一些熱固性材料和一些彈性體。 自1995年以來，可用於注塑成型的材料總數以每年750種的速度增加； 當這一趨勢開始時，大約有 18,000 種可用材料。 可用材料包括以前開發的材料的合金或混合物，因此產品設計師可以從大量材料中選擇具有最佳性能的材料。 選擇材料的主要標準是最終零件所需的強度和功能以及成本，而且每種材料都有必須考慮的不同成型參數。 環氧樹脂和酚醛樹脂等常見聚合物是熱固性塑料的例子，而尼龍、聚乙烯和聚苯乙烯是熱塑性塑料。 直到最近，塑料彈簧還是不可能的，但聚合物性能的進步使它們現在變得非常實用。 應用包括用於固定和斷開戶外設備織帶的帶扣。

可租用的設備

注塑機由料斗、注射柱塞或螺桿式柱塞以及加熱裝置組成。 它們也稱為壓力機，用於固定部件成型的模具。 壓力機按噸位進行評級，噸位表示機器可以施加的鎖模力的大小。 該力在註射過程中使模具保持閉合狀態。 噸位可以從不到 5 噸到超過 9,000 噸不等，較高的數字用於相對較少的製造業務。 所需的總鎖模力由模製零件的投影面積決定。 該投影面積乘以每平方厘米投影面積1.8至7.2噸的夾緊力。 根據經驗，4 或 5 噸/英寸² 可用於大多數產品。 如果塑料材料非常堅硬，則需要更大的注射壓力來填充模具，從而需要更大的合模噸位來保持模具閉合。 所需的力也可以根據所使用的材料和零件的尺寸來確定； 較大的零件需要更高的夾緊力。

模子

模子 or 死 是用於描述在成型中生產塑料零件的工具的常用術語。

由於模具的製造成本昂貴，它們通常只用於生產數千個零件的大規模生產。 典型的模具由硬化鋼、預硬化鋼、鋁和/或鈹銅合金製成。 選擇製造模具的材料主要是出於經濟考慮； 一般來說，鋼模具的建造成本較高，但其較長的使用壽命將抵消磨損前製造的更多零件的較高初始成本。 預硬鋼模具耐磨性較差，用於體積要求較低或較大的部件； 它們的典型鋼硬度為洛氏 C 級 38-45。 淬火鋼模具機加工後進行熱處理； 它們在耐磨性和使用壽命方面遠遠優於其他產品。 典型硬度範圍為 50 至 60 洛氏 C (HRC)。 鋁模具的成本可以大大降低，並且當使用現代計算機化設備進行設計和加工時，可以經濟地模製數万甚至數十萬個零件。 鈹銅用於模具中需要快速散熱的區域或產生最多剪切熱的區域。 模具可以通過數控加工或使用放電加工工藝來製造。

模具設計

模具由兩個主要部件組成：注射模具（A 板）和頂出模具（B 板）。 這些組件也稱為 鑄模 和 模具製造商. 塑料樹脂通過 澆口 or 門 在註塑模具中； 澆道套的作用是緊密密封成型機注射料筒的噴嘴，並讓熔融塑料從料筒流入模具，又稱澆道套。 腔。 澆道襯套通過加工在 A 板和 B 板表面上的通道將熔融塑料引導至型腔圖像。 這些通道允許塑料沿著它們流動，因此它們被稱為亞軍。 熔融塑料流過流道並進入一個或多個專用澆口並進入型腔幾何形狀以形成所需的零件。

填充模具的澆道、流道和型腔所需的樹脂量構成“注射”。 模具中的滯留空氣可以通過磨入模具分型線的排氣孔逸出，或者通過頂桿和滑塊周圍的排氣孔（略小於固定它們的孔）。 如果不允許殘留的空氣逸出，它會被進入材料的壓力壓縮並擠入型腔的角落，從而阻礙填充，並可能導致其他缺陷。 空氣甚至可能變得如此壓縮，以至於點燃並燃燒周圍的塑料材料。

為了能夠從模具中取出模製零件，模具特徵不得在模具打開的方向上相互懸垂，除非模具的零件設計為在模具打開時從這些懸垂之間移動（使用稱為升降器的組件） ）。

零件的側面與拉伸方向平行（型芯位置（孔）或嵌件的軸線與模具打開和關閉時的上下運動平行） 通常會稍微傾斜，稱為拔模斜度，以方便零件從模具中脫模。 吃水不足會導致變形或損壞。 脫模所需的拔模斜度主要取決於型腔的深度：型腔越深，所需的拔模斜度越大。 在確定所需的吃水深度時，還必須考慮收縮率。 如果表層太薄，則模製部件往往會收縮到冷卻時形成的芯上並粘附在這些芯上，或者當型腔被拉開時部件可能會翹曲、扭曲、起泡或破裂。

模具通常設計成在模具打開時，成型零件可靠地保留在模具的頂出器 (B) 側，並將流道和澆道與零件一起從 (A) 側拉出。 然後，當從 (B) 側彈出時，該部件會自由落下。 隧道澆口，也稱為潛入式澆口或模具澆口，位於分型線或模具表面下方。 在分型線上的模具表面上加工出一個開口。 模製部件在從模具中彈出時從流道系統上被切割（通過模具）。 頂出銷，也稱為頂出銷，是放置在模具任一半（通常是頂出半部）中的圓形銷，將成品模製產品或流道系統推出模具。 使用銷釘、套筒、脫模器等來頂出製品可能會導致不良的壓痕或變形，因此設計模具時必須小心。

標準的冷卻方法是將冷卻劑（通常是水）穿過模板上鑽出的一系列孔，並通過軟管連接，形成連續的通道。 冷卻劑從模具中吸收熱量（從熱塑料中吸收了熱量），並使模具保持在適當的溫度，以最有效的速度固化塑料。

為了便於維護和通風，型腔和型芯被分成幾塊，稱為 插頁和子組件，也稱為 插頁, 塊， 或者 追逐塊。 通過更換可互換的嵌件，一個模具可以製造同一零件的多種變體。

更複雜的零件是使用更複雜的模具形成的。 這些可能具有稱為滑塊的部分，這些部分移動到垂直於拉製方向的型腔中，以形成懸垂的零件特徵。 當模具打開時，通過使用固定半模上的固定“角銷”將滑塊拉離塑料部件。 這些銷釘進入滑塊中的槽，並在模具的移動半部打開時導致滑塊向後移動。 然後零件被彈出並關閉模具。 模具的閉合動作導致滑塊沿著角銷向前移動。

一些模具允許重新插入先前模製的零件，以便在第一個零件周圍形成新的塑料層。 這通常稱為包覆成型。 該系統可以生產一體式輪胎和車輪。

兩次注射或多次注射模具設計為在單個成型週期內“包覆成型”，並且必須在具有兩個或更多注射單元的專用注射成型機上進行加工。 該過程實際上是兩次注射成型過程，因此誤差幅度要小得多。 第一步，將基色材料模製成基本形狀，其中包含用於第二次拍攝的空間。 然後，將第二種不同顏色的材料注射成型到這些空間中。 例如，通過這種工藝製造的按鈕和鑰匙具有不會磨損的標記，並且在頻繁使用時仍然清晰可見。

模具可以在一次“注射”中生產出相同零件的多個副本。 該零件模具中的“壓痕”數量通常被錯誤地稱為空化。 具有一個印模的工具通常被稱為單印模（型腔）模具。 具有 2 個或多個相同零件型腔的模具可能被稱為多重印模（型腔）模具。 一些產量極高的模具（例如瓶蓋模具）可能有超過 128 個型腔。

在某些情況下，多型腔模具會在同一模具中成型一系列不同的零件。 一些模具製造商將這些模具稱為系列模具，因為所有零件都是相關的。 例如塑料模型套件。

模具存放

由於平均成本較高，製造商竭盡全力保護定制模具。 保持完美的溫度和濕度水平，以確保每個定制模具具有最長的使用壽命。 定制模具（例如用於橡膠注射成型的模具）儲存在溫度和濕度受控的環境中，以防止變形。

工具材料

經常使用工具鋼。 低碳鋼、鋁、鎳或環氧樹脂僅適用於原型或非常短的生產運行。 現代硬鋁（7075 和 2024 合金）採用適當的模具設計，通過適當的模具維護，可以輕鬆製造出具有 100,000 或更多零件壽命的模具。

加工

模具通過兩種主要方法製造：標準加工和電火花加工。 傳統形式的標準加工歷來是製造注塑模具的方法。 隨著技術的發展，數控加工成為在比傳統方法更短的時間內製造更複雜的模具和更精確的模具細節的主要手段。

放電加工（EDM）或電火花腐蝕工藝已廣泛應用於模具製造。 該工藝不僅可以形成難以加工的形狀，還可以對預硬化模具進行成型，無需進行熱處理。 通過傳統鑽孔和銑削來改變硬化模具通常需要退火以軟化模具，然後進行熱處理以使其再次硬化。 EDM 是一個簡單的過程，其中通常由銅或石墨製成的成形電極非常緩慢地下降到模具表面（經過幾個小時），並將其浸入石蠟油（煤油）中。 在工具和模具之間施加的電壓會導致模具表面以電極的相反形狀發生火花腐蝕。

價格

模具中的型腔數量與成型成本直接相關。 更少的型腔需要更少的模具工作，因此限制型腔的數量反過來會降低製造注塑模具的初始製造成本。

由於型腔的數量在成型成本中起著至關重要的作用，因此零件設計的複雜性也起著至關重要的作用。 複雜性可以包含在許多因素中，例如表面精加工、公差要求、內螺紋或外螺紋、精細細節或可能包含的底切數量。

進一步的細節，例如底切或任何導致額外模具的特徵都會增加模具成本。 模具型芯和型腔的表面光潔度將進一步影響成本。

橡膠注射成型工藝可生產出高產量的耐用產品，使其成為最高效且最具成本效益的成型方法。 涉及精確溫度控制的一致硫化過程可顯著減少所有廢料。

注塑工藝

通過注射成型，粒狀塑料通過強制沖頭從料斗送入加熱的桶中。 當顆粒通過螺桿式柱塞緩慢向前移動時，塑料被迫進入加熱室並在其中熔化。 隨著柱塞前進，熔化的塑料被迫通過靠在模具上的噴嘴，使其通過澆口和流道系統進入模具型腔。 模具保持冷狀態，因此塑料幾乎在模具充滿後立即凝固。

注塑週期

塑料零件注塑過程中的一系列事件稱為註塑週期。 當模具關閉時，循環開始，然後將聚合物注入模具型腔。 一旦型腔被填充，就會保持保壓壓力以補償材料收縮。 在下一步中，螺桿轉動，將下一次注射輸送到前面的螺桿。 這會導致螺桿在準備下一次注射時縮回。 一旦零件充分冷卻，模具就會打開，零件就會被頂出。

科學成型與傳統成型

傳統上，成型工藝的注射部分是在恆定壓力下完成的，以填充和填充型腔。 然而，這種方法允許不同周期的尺寸存在較大變化。 現在更常用的是科學或解耦成型，這是 RJG Inc. 首創的一種方法。在這種方法中，塑料的注射被“解耦”到各個階段，以便更好地控制零件尺寸和更多的周期到週期（通常稱為註射到-行業中的鏡頭）一致性。 首先，使用速度（速度）控制將型腔填充至大約 98%。 儘管壓力應足以實現所需的速度，但在此階段期間的壓力限制是不期望的。 一旦型腔充滿 98%，機器就會從速度控制切換到壓力控制，其中型腔在恆定壓力下“填充”，此時需要足夠的速度來達到所需的壓力。 這使得零件尺寸可以控制在千分之一英寸以內或更好。

不同類型的注塑工藝

儘管上面的傳統工藝描述涵蓋了大多數注塑工藝，但還有幾個重要的成型變化，包括但不限於：

• 壓鑄
• 金屬注射成型
• 薄壁注塑
• 液體矽橡膠注射成型

更全面的注塑工藝列表可以在這裡找到：

流程故障排除

與所有工業流程一樣，注塑成型可能會生產出有缺陷的零件。 在註塑領域，故障排除通常是通過檢查有缺陷的零件是否存在特定缺陷，並通過模具設計或工藝本身的特性來解決這些缺陷。 通常在全面生產運行之前進行試驗，以預測缺陷並確定注射過程中使用的適當規格。

當第一次填充新的或不熟悉的模具時，如果該模具的注射量未知，技術人員/工具設置人員可以在全面生產運行之前進行試運行。 他從較小的注射重量開始，然後逐漸填充，直到模具充滿 95% 至 99%。 一旦實現這一點，將施加少量的保壓壓力並增加保壓時間，直到發生澆口凍結（凝固時間）。 澆口凍結時間可以通過增加保持時間然後稱重部件來確定。 當零件的重量沒有變化時，就知道澆口已凍結，並且不再將材料注入零件中。 澆口凝固時間很重要，因為它決定週期時間以及產品的質量和一致性，這本身就是生產過程經濟性的一個重要問題。 增加保壓壓力，直到零件沒有凹陷並且達到零件重量。

成型缺陷

注塑成型是一項複雜的技術，可能會出現生產問題。 它們可能是由模具中的缺陷引起的，或更常見的是由成型過程本身引起的。

工業 CT 掃描等方法可以幫助發現這些外部和內部缺陷。

公差

成型公差是尺寸、重量、形狀或角度等參數偏差的指定容差。為了最大限度地控制公差設置，通常根據所使用的工藝對厚度有最小和最大限制。 注塑成型通常具有相當於 IT 等級約 9-14 的公差。 熱塑性塑料或熱固性塑料的可能公差為 ±0.200 至 ±0.500 毫米。 在專業應用中，批量生產中的直徑和線性特徵公差可低至 ±5 µm。 可獲得 0.0500 至 0.1000 µm 或更好的表面光潔度。 粗糙或鵝卵石表面也是可能的。

電源要求

注塑成型過程所需的功率取決於許多因素，並且根據所用材料的不同而不同。 製造工藝參考指南 指出功率要求取決於“材料的比重、熔點、導熱率、零件尺寸和成型速率”。 下面是第 243 頁的表格，其參考文獻與前面提到的相同，它最好地說明了與最常用材料所需功率相關的特性。

機器人成型

自動化意味著較小尺寸的零件允許移動檢測系統更快地檢查多個零件。 除了在自動設備上安裝檢測系統外，多軸機器人還可以從模具中取出零件並將其定位以進行進一步的處理。

具體實例包括在零件製造完成後立即將零件從模具中取出，以及應用機器視覺系統。 頂針伸出後，機器人將零件從模具中取出。 然後，它將它們移動到保存位置或直接移動到檢查系統上。 選擇取決於產品的類型以及製造設備的總體佈局。 安裝在機器人上的視覺系統大大增強了嵌件成型零件的質量控制。 移動機器人可以更精確地確定金屬部件的放置精度，並且比人類更快地進行檢查。

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