注塑成型是一种用于制造各种用途的塑料部件的工艺。如今，大多数行业都在某种程度上使用注塑成型部件，无论是垃圾箱、控制器部件，甚至是国际空间站（ISS）。
注塑成型正日益成为主流。对注塑成型的需求正以复合增长率的方式增长。 年复合增长率 (CAGR) 为 5这几乎是增长率为 3% 的一般制造业的两倍。随着第四次工业革命时代的到来，越来越多的制造商开始将注塑成型技术应用到他们的业务中。
在本文中，我们将探讨这项技术及其能力和局限性，以了解企业如何利用它来制造定制零件。
- 注塑成型是一种 多功能工艺 非常适合在以下环境中制造零件 各种形状尺寸和材料，包括塑料、橡胶和某些金属。
- 注塑成型在大规模生产中表现出色，可提供 单件成本最低之一 而且产生的废料极少。
- 注塑成型工艺可用于 超过 90,000 种塑料包括聚碳酸酯、ABS 和聚丙烯。因此，成品可以实现多种特性。
- 工艺要求 大量前期投资 在工具、注塑装置和辅助系统方面的前期投资较少，因此适合大批量生产。
什么是注塑成型？
注塑成型是一种制造工艺，它 使用高压将塑料等软质材料注入模具中 使其成形。这种工艺可以 数千种不同类型的聚合物和塑料材料每种材料都具有不同的特性。因此，它可以生产出各种具有独特特性的零件。虽然注塑成型主要用于生产塑料产品，但它也可以用某些粉末状金属生产零件。注塑工艺与压铸工艺基本相同
在我们的日常生活中，随处可见使用注塑工艺制作的物品。例如牙刷、眼镜、塑料杯、电视机、智能手机、椅子、玩具、消费类电子产品外壳、一次性餐具和汽车零部件。许多产品可能由不同的材料组成或具有不同的颜色。例如，牙刷由软质材料和硬质材料组合而成，手柄上可能会有不同颜色的条纹和斑块。此外，有些产品还可能包含金属嵌件。
注塑工艺的组成部分
工艺装置包括一个对材料进行加热和加压的注塑单元、一个成型模具以及执行特定功能的辅助系统。
注塑单元
注塑装置包括一个加热机筒和一个往复式螺杆。软质材料通过垂直料斗进入料筒。机筒内的往复式螺杆不仅能混合原料，还能提供将原料推入模具所需的冲压作用。机筒内装有加热元件，可熔化原料并提高其流动性。此外，螺杆的运动通过剪切作用产生热量。一旦原料达到所需的粘度，就会被挤入模具。
模具
模具可以由钢材等坚固材料或铝材等中等强度材料制成。每种材料都有特定的用途。例如，当 高容量 (需要 25,000 个）、 钢模 由于钢模具在高压下经久耐用，因此更受欢迎。虽然钢制模具的成本较高，但生产的零件数量多，可降低每个零件的总成本，使其更具成本效益。由于不锈钢具有超强的强度，因此与其他金属相比，它还能满足更精细的公差限制。
铝制模具而铝制模具则更 适合小批量生产 (25,000）。这些模具更具成本效益，可降低小批量生产的单件成本。不过，它们也有一些缺点，例如使用寿命较短，机械性能较差，表面光洁度较低。
夹板
在注塑过程中，夹板连接到模具的两半部分，以固定它们。通常通过液压提供必要的力。
冷却系统
集成了水基或油基冷却系统，以促进熔融塑料在模具内的快速冷却。冷却管路有助于缩短循环时间，同时保持适当的模具温度。
选择注塑成型前应考虑的因素
没有任何一种制造工艺能在所有应用中都表现出色，注塑成型也不例外。要充分发挥这种工艺的优势，必须满足特定的条件。让我们来看看这些条件以及使注塑成型成为一种有吸引力的选择的特质。
高产量
注塑工艺包括 巨大的初始成本包括与注塑机、模具和相关系统有关的费用。然而，一旦收回这些成本，则 每个部件的注塑成本在行业中是最低的.要从这些低单件成型成本中获益，生产量必须足够大。因此，注塑成型主要对大批量生产具有吸引力。具体阈值视具体情况而定，但通常在以下范围内 从数千件到数百万件不等.
设计复杂性
虽然注塑成型可以使用复杂的模具生产出复杂的形状，但也有其局限性。可以通过减少零件数量和简化现有设计来提高工艺的可行性。这种方法将便于执行，并有助于保持较低的缺陷率。 简化设计具有明显优势 在注塑成型中具有明显优势。
较高的初始交付周期
注塑成型的初始准备时间可能长达 12 周。其中很大一部分时间用于设计和优化零件的模具。如果需要尽快生产零件，使用 3D 打印和 CNC 加工服务是可行的替代选择。
不适用于大多数金属部件
一种被称为金属注射成型（MIM）的子过程可以用某些金属生产部件。但是 适用的金属范围非常有限.对于用不同金属制造的零件，可采用铸造、机械加工和锻造等替代方法。
注塑成型工艺
从理论上讲，注塑成型是一种简单易行的工艺：熔化塑料，将其注入模具，待其冷却后，塑料制品就出来了。但实际上，注塑成型是一项复杂的工艺，自 1872 年韦斯利-凯悦（Wesley Hyatt）为第一台机器申请专利以来，经过 150 年的不断改进，注塑成型工艺已日臻完善。
注塑工艺始于模具的生产。高质量的模具可生产出高质量的零件。在许多情况下，零件的几何形状可能需要优化，以确保与注塑成型工艺的兼容性。小型 调整设计可大大提高工艺的效率和成本效益.本文稍后将讨论其中一些设计修改。通常要进行试运行，以确保最终零件符合所需的规格。测试完成并根据结果进行必要修改后，就可以开始在原型模具上进行注塑成型。
该工艺使用熔融塑料作为进料。塑料进料以颗粒形式进入机器，每个颗粒直径不超过几毫米。这些颗粒通过一个料斗倒入机筒。料筒装有加热元件和往复式螺杆，用于加热和均化进料。螺杆可由液压或电动马达驱动。
当原料达到所需的粘度和温度后，以高压注入模具。高压可使塑料有效填充模腔。注塑前，模腔内充满空气。当塑料进入模具时，空气通过位于模腔外围的多个微小通风口排出。这些通风口比头发丝还细。因此，虽然空气可以排出，但由于塑料的粘度较高，塑料无法进入这些通气孔。
模具中的冷却系统将塑料冷却并凝固成模腔形状。外部温度控制器调节冷却介质的温度。然后将模具的两半分开，将塑料制品顶出。
冷却后，锁模力释放，两半模具分离。当塑料收缩时，它会附着在半模芯上。顶针被集成到系统中，以便在两半模具分离后将塑料制品从模具中分离出来。顶针会在产品上留下小圆印，称为 顶针见证标记.仔细观察，可以在所有注塑部件上看到这些标记（上图也可以看到）。
部件需要额外的精加工，以消除在浇口、流道和浇道中凝固的多余塑料。浇口作为料筒和型腔之间的通道，也会与塑料制品一起凝固。浇口通常通过手工扭转或切割的方式从部件上去除。
最适合注塑工艺的材料
与注塑工艺兼容的塑料种类超过 90,000 种。所有这些材料可分为 45 个不同的聚合物系列。为了扩大分类范围，可将它们分为两类： 热固性聚合物和热塑性聚合物.热固性聚合物只能使用一次，不能重新熔化或重塑。与此相反，热塑性聚合物可以通过重新加热和重新塑形，循环利用制成新产品。
材料的选择受多种因素的影响，包括所需的透明度、强度、耐热性、刚度、耐腐蚀性、耐火性、表面处理和成本。
注塑工艺中最常用的塑料包括聚碳酸酯 (PC)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯 (ABS)、聚丙烯 (PP)、聚甲醛 (POM)、聚苯乙烯 (PS)、聚对苯二甲酸丁二醇酯 (PBT)、聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA) 和聚乙烯 (PE)。让我们重点介绍三种最常用的注塑材料及其应用:
聚碳酸酯（PC）
聚碳酸酯是一种广泛使用的热塑性聚合物，非常适合注塑成型。它具有以下特点 出色的耐热性、抗冲击性和耐化学性.它还具有出色的光学特性，是一种有效的电绝缘体。
由于其用途广泛，PC 被广泛应用于各行各业，包括制造业、建筑业和技术行业。在日常生活中，我们可以在手机外壳、眼镜片、文具产品、食品和饮料容器以及厨房用具中看到 PC 的应用。
丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）
ABS 是一种广泛使用的热塑性注塑材料。它具有耐热性、耐化学性、强度、耐久性和尺寸稳定性（在负荷下不会弯曲）等特性。与聚碳酸酯不同，ABS 是不透明的。
ABS 通常用于需要 硬度高于聚碳酸酯的应用 同时还能在高应力下吸收力。其 光面处理 这也使其适用于化妆品应用。
这种材料用途广泛，包括安全头盔、吸尘器、乐高积木、玩具、乐器、电脑键盘、手机外壳、行李箱、汽车保险杠、汽车仪表板以及各种管道和配件。
聚丙烯 (PP)
聚丙烯是当今使用最广泛的塑料之一。它是一种热塑性聚合物，具有以下特性 电绝缘性、韧性和弹性 以及耐热性、耐疲劳性和耐化学性。
由于其 无毒 聚丙烯是一种天然材料，可用于食品包装和饮料杯。聚丙烯的耐化学性使其成为化妆品行业的理想材料。汽车部件，如保险杠和电池外壳，也使用聚丙烯。
聚丙烯还可用于制造绳索、医疗设备（注射器、药瓶、缝合线）、玩具、室内装潢、地毯等。
注塑成型的优势
注塑成型的特点使其成为生产各种类型和尺寸产品的理想工艺。塑料使用量的不断增加也促进了注塑成型行业的发展。这种工艺具有以下几个优点：
用途广泛
注塑成型可生产的产品种类繁多。它可以制造以下物品 各种尺寸、颜色和强度.产品使用寿命长，无需维护。两枪模具或 多射模具 可用于将两种或多种不同材料组合成单一成品。虽然可以生产的零件数量没有限制，但短期生产可能不符合成本效益。
广泛的材料选择
材料选择的多样性意味着产品可以有 各种不同的性能. 可以将各种材料组合在一起，在同一产品的不同部位充分利用每种材料的特性。
除塑料外，注塑成型还能加工橡胶和某些金属。这就扩大了使用注塑成型技术生产部件的种类。
与大规模生产兼容
注塑成型是大规模生产的理想选择，因为它具有以下优点 周期短 以及 高一致性 和可靠性。对于中型到大型部件，通常每个周期只生产一个部件。但是，对于较小的产品，如餐具，我们可以通过使用多腔模具、分配通道、流道和浇口，在每个周期生产多个零件。
单件成本低
注塑成型的总体制造成本相对较高。不过，随着大批量生产的进行，单件成本会降低。MOQ 取决于设置成本、材料费用和设计复杂性等因素。将这些因素正确地结合在一起，注塑成型的单件成本可降低到低于其他竞争技术的水平，如 3D 打印、数控加工和铸造。
最大限度减少浪费
注塑成型 产生的废料大大减少 与数控加工等减法制造方法相比，这种方法产生的废料要少得多。然而，由于浇口、流道和浇口的存在，不可避免地会产生一些废塑料。通过优化设计和采用热流道，可以进一步减少废料。热流道形成一个加热分布网络，将熔融塑料注入模具型腔。其缺点是比传统的冷流道系统更昂贵。
注塑成型的局限性
注塑成型有其自身的局限性。仔细考虑以下缺点可以帮助制造商做出明智的决定，确定是否可以使用注塑成型生产可行的产品。
初始投资高
注塑成型涉及大量前期成本。主要费用包括注塑装置和模具。此外 模具设计和生产可能需要数周时间由于这一过程需要劳动力、能源和时间，成本进一步增加。
耗时的工艺
注塑成型效率很高，一旦投入使用，每小时可生产数百件产品。然而，在需要快速进入市场的情况下，工艺和模具设计所需的初始时间可能会成为一个不利因素。在这种情况下，快速成型技术可能是更合适的替代方案。
技能驱动流程
现代注塑工艺需要设计人员具备大量的技能和经验。在缺乏熟练劳动力的地区，实现高效的工艺是一项挑战。
不适用于金属
虽然它 可用于某些粉末状金属但在可加工的金属牌号方面，它无法与铸造和 CNC 加工等传统制造工艺相媲美。这一局限性极大地限制了它在金属产品中的应用。
不适用于超大型部件
当设计用于超大型部件时，注塑成型工艺可能会变得效率低下。注塑机和注塑模具都有尺寸限制，不能超出。在特殊情况下，超出注塑机能力的部件可以作为多个部件进行注塑并组装在一起。
如何优化注塑成型零件
客户经常会带来一些最初似乎不适合注塑成型的设计。有几种方法可以调整这些设计。 注塑成型是一种昂贵的工艺。因此，任何 优化设计 需要探索和实施，以 节约宝贵资源.我们可以利用制造设计 (DFM) 原理来找到这些改进措施并降低制造成本。今天，客户可以为更经济的注塑成本做出以下一些改变：
均匀壁厚
壁厚对注塑成型至关重要。注塑成型时，壁厚必须尽可能均匀。不同的壁厚会产生不同的收缩率，从而导致部件翘曲和气穴等缺陷。较厚的壁厚还会增加材料用量，但在结构强度、功能或外观方面可能并无额外优势。使用型芯有助于减少和均衡零件的整体厚度。 注塑模具的推荐壁厚为 1 毫米至 3 毫米。
凸缘的使用
制作凸缘是为了加固较薄弱的部位，如螺钉孔和插槽。它们还可以提供快速组装机制，因为它们可以相互卡入，保持对齐，类似于镙钉。需要仔细考虑凸缘的直径和厚度。凸缘和螺孔的直径必须较小，以补偿收缩。 凸缘的厚度不应超过总壁厚的 60%。
圆角
零件上的尖角会迅速增加模具成本，因为它们需要使用昂贵的电火花加工。它们还会导致零件应力上升，形成潜在的故障点。 圆角和平滑过渡应优于尖角。
拔模角
拔模角是模具设计中另一个非常重要的方面。内壁完全垂直的工件很难顶出，因为工件内壁会拖住模具型芯。在脱模过程中，由于空气无法进入零件与型芯之间的缝隙，因此还会形成真空。但是 通过制造一个轻微的锥度，可以更容易地取出部件。 顶针一压到零件上，整个内壁就会从芯子上脱开，空气很容易进入。拔模角还能防止拖痕。
通常情况下，1-2 度的锥度或牵伸角就足够了。如果纹理较多，每边需要 3-5 度，纹理较多时每边需要 5 度。
材料选择
材料选择直接影响到安全、质量、性能、成本、生产效率和可持续性。然而，面对一长串工艺兼容的材料，这一过程可能相当艰巨。
客户往往由于不了解或缺乏专业知识而匆忙完成选择过程。然而，由于塑料零件用于航空航天、汽车和航海领域的安全设备，因此选择正确的材料至关重要。在选择过程中，必须充分考虑材料的特性，如最高短期使用温度、屈服强度和拉伸强度、抗冲击性、熔体流动速率以及应力开裂的易损性。 花足够的时间找到最适合您应用的材料至关重要。
结论
注塑成型是一种用途非常广泛的制造工艺，它能够生产各种形状、尺寸和材料的塑料零件，不断给工业带来变革。产品可以实现高公差和显著的一致性，同时产生的废料极少。这使其成为高产出生产的理想选择。
尽管这种工艺有其优点，但也有其局限性。高昂的前期制模成本、较长的安装时间、金属部件或超大型产品的限制都需要仔细斟酌。在生产量大、设计优化的情况下，其效率会更高。
在工业技术飞速发展的今天，注塑成型技术发挥着至关重要的作用，它为寻求高质量、可扩展生产的制造商提供了可靠的生产解决方案。