注射

注塑成型 (注塑成型 在美国）是通过将材料注入模具中来生产零件的制造过程。 可以使用多种材料进行注塑，包括金属（该过程称为压铸），玻璃，弹性体，糖果，以及最常见的热塑性和热固性聚合物。 将零件的材料送入加热的料筒中，混合，然后压入型腔，在其中冷却并硬化成型腔的形状。 产品设计完成后，通常是由工业设计师或 工程师模具是由模具制造商（或工具制造商）由通常是钢或铝的金属制成的，并进行精密加工以形成所需零件的特征。 注塑成型被广泛用于制造各种零件，从最小的零件到汽车的整个车身面板。 使用一些在较低温度的热塑性塑料的注模过程中不会熔化的光敏聚合物的3D打印技术的进步可以用于某些简单的注模。

要注塑的零件必须非常仔细地设计以利于模塑过程； 必须考虑用于零件的材料，所需的形状和特征，模具的材料以及成型机的性能。 设计考虑因素和可能性的广泛性促进了注塑成型的多功能性。

应用领域

注塑成型用于制造许多东西，例如线轴， 包装，瓶盖，汽车零部件，Gameboy，口袋梳子，一些乐器（及其部分），一件式椅子和小桌子，储物容器，机械零件（包括齿轮）和当今可用的大多数其他塑料产品。 注射成型是制造塑料零件的最常见的现代方法。 它是生产大量相同物体的理想选择。

工艺特点

注射成型使用夯锤或螺杆式柱塞推动熔融 塑料 材料进入型腔; 这将固化为与模具轮廓相符的形状。 它最常用于加工热塑性和热固性聚合物，前者的使用体积要大得多。 热塑性塑料之所以普遍存在，是因为其特性使其非常适合注塑成型，例如它们可以方便地回收利用，其多功能性使其可以用于多种应用， 以及它们在加热时软化和流动的能力。 热塑性塑料还具有热固性塑料的安全性； 如果未及时从注射筒中弹出热固性聚合物，则可能发生化学交联，导致螺杆和止回阀卡住并可能损坏注塑机。

注射成型包括将原料高压注入模具中，该模具将聚合物成型为所需形状。 模具可以是单个腔或多个腔。 在多个型腔模具中，每个型腔可以在单个循环中相同并且形成相同的零件，或者可以是唯一的并且形成多个不同的几何形状。 模具通常由工具钢制成，但是不锈钢和铝模具适合某些应用。 铝模具通常不适用于大批量生产或尺寸公差狭窄的零件，因为它们的机械性能较差，并且在注射和夹持周期中更容易磨损，损坏和变形； 但是，铝模具在小批量应用中具有成本效益，因为模具制造成本和时间都大大减少了。 许多钢模具的设计寿命是加工超过一百万个零件，制造成本可能高达数十万美元。

什么时候 热塑性塑料 模制后，通常将制粒的原料通过料斗通过往复螺杆进料到加热的料筒中。 进入枪管后，温度升高，抵抗单个链条相对流动的范德华力由于在较高热能状态下分子之间空间的增加而减弱。 该过程降低了其粘度，这​​使得聚合物能够在注射单元的驱动力的作用下流动。 螺杆向前输送原材料，混合并均匀化聚合物的热和粘性分布，并通过机械剪切材料并为聚合物增加大量的摩擦加热来减少所需的加热时间。 物料通过止回阀向前输送，并在螺杆的前部聚集成一个称为 射击。 喷丸是用来填充模具型腔，补偿收缩并提供缓冲（大约占总喷丸体积的10％，保留在机筒中并防止螺钉触底）的材料量。从螺丝到型腔。 当聚集了足够多的材料时，材料会以高压和高速度被迫进入零件成型腔。 为了防止压力峰值，该过程通常使用对应于95-98％满腔的转换位置，在该位置螺杆从恒定速度转换为恒定压力控制。 通常进样时间在1秒以下。 一旦螺杆到达传送位置，就施加填充压力，从而完成模具填充并补偿热收缩，相对于许多其他材料，热收缩对于热塑性塑料而言是相当高的。 施加填充压力，直到浇口（型腔入口）凝固为止。 由于其尺寸小，浇口通常是在其整个厚度上凝固的第一个位置。 一旦浇口固化，就不再有材料进入型腔。 因此，螺杆在模子内的材料冷却的同时往复运动并获取下一个周期的材料，从而可以将其弹出并保持尺寸稳定。 通过使用使外部温度控制器的水或油循环的冷却管线，可以大大缩短冷却时间。 一旦达到所需的温度，模具就会打开，并向前推动一系列的销，套筒，脱模剂等，以使制品脱模。 然后，关闭模具并重复该过程。

对于热固性塑料，通常将两种不同的化学成分注入机筒中。 这些成分立即开始不可逆的化学反应，最终将物质交联成一个单一的分子连接网络。 随着化学反应的发生，这两种流体成分永久性地转变为粘弹性固体。 注射筒和螺杆中的固化可能会出现问题，并产生财务影响； 因此，最小化料筒内的热固性固化至关重要。 这通常意味着在注入单元中化学前体的停留时间和温度最小。 可以通过最小化料筒的容积和最大程度地缩短循环时间来减少停留时间。 这些因素导致使用了热隔离的冷注射装置，该装置将反应的化学药品注入到热隔离的热模具中，这增加了化学反应的速度并缩短了固化热固性组分所需的时间。 零件固化后，关闭阀门以隔离注射系统和化学前驱物，然后打开模具以弹出成型零件。 然后，关闭模具，并重复该过程。

可以在打开模具的同时将预模制或机加工的组件插入型腔，从而允许在下一个循环中注入的材料在其周围形成并固化。 这个过程称为 嵌件成型 并允许单个零件包含多种材料。 此过程通常用于制造带有凸出的金属螺钉的塑料零件，从而使它们可以反复固定和松开。 此技术也可以用于模内贴标，并且薄膜盖也可以连接到模制塑料容器上。

分型线，浇口，浇口痕迹和顶针痕迹通常出现在最终零件上。 这些特征通常都不是期望的，但是由于过程的性质是不可避免的。 在浇口处出现浇口痕迹，该浇口将熔体输送通道（浇口和流道）连接到零件成型腔。 分型线和顶针标记是由微小的未对准，磨损，气孔，相对运动的相邻零件的间隙和/或与注入的聚合物接触的配合表面的尺寸差异引起的。 尺寸差异可归因于注射过程中压力引起的不均匀变形，加工公差以及模具组件的热膨胀和收缩不均匀，这些过程在过程的注射，包装，冷却和顶出阶段会经历快速循环。 模具部件通常采用各种热膨胀系数的材料进行设计。 如果不大幅度增加设计，制造，加工和质量监控的成本，就无法同时考虑这些因素。 如果可行的话，熟练的模具和零件设计师会将这些美学缺陷放置在隐藏区域中。

发展历程

美国发明家约翰·卫斯理·凯悦（John Wesley Hyatt）和他的兄弟以赛亚（Isaiah）于1872年获得了第一台注塑机的专利。与当今使用的机器相比，该机器相对简单：它像一个大的皮下注射针，使用柱塞通过加热的方式注射塑料圆柱体变成模具。 多年来，该行业发展缓慢，生产诸如项圈，扣子和梳子等产品。

德国化学家ArthurEichengrün和Theodore Becker在1903年发明了醋酸纤维素的第一种可溶形式，它的可燃性远低于硝酸纤维素。 最终以粉末形式提供，可以很容易地将其注塑成型。 ArthurEichengrün在1919年开发了第一台注塑机。1939年，ArthurEichengrün授予了增塑醋酸纤维素注射成型的专利。

在1940年代，由于第二次世界大战对廉价，批量生产的产品产生了巨大的需求，因此该行业迅速发展。 1946年，美国发明家詹姆斯·沃森·亨德利（James Watson Hendry）建造了第一台螺杆注射机，从而可以更加精确地控制注射速度和所生产物品的质量。 该机器还允许在注射之前将材料混合，以便可以将有色或回收的塑料添加到原始材料中，并在注射之前彻底混合。 如今，螺杆注塑机占所有注塑机的绝大多数。 在1970年代，Hendry继续开发了第一个气体辅助注射成型工艺，该工艺可以生产能够快速冷却的复杂空心制品。 这极大地提高了设计灵活性以及制造零件的强度和光洁度，同时减少了生产时间，成本，重量和浪费。

多年来，塑料注射成型行业已经从生产梳子和纽扣发展到为许多行业生产各种各样的产品，包括汽车，医疗，航空航天，消费品，玩具，管道，包装和建筑。

最适合该工艺的聚合物实例

可以使用大多数聚合物，有时也称为树脂，包括所有热塑性塑料，某些热固性塑料和某些弹性体。 自1995年以来，可用于注射成型的材料总数以每年750个的速度增长； 这种趋势开始时，大约有18,000种材料可用。 可用的材料包括合金或以前开发的材料的混合物，因此产品设计师可以从众多选择中选择具有最佳性能的材料。 选择材料的主要标准是最终零件所需的强度和功能以及成本，而且每种材料都有不同的成型参数，必须加以考虑。 诸如环氧和酚醛的常见聚合物是热固性塑料的示例，而尼龙，聚乙烯和聚苯乙烯是热塑性的。 直到最近，塑料弹簧才成为可能，但是聚合物性能的提高使它们现在变得非常实用。 应用包括用于固定和断开户外设备安全带的带扣。

设备

注射成型机由料斗，注射柱塞或螺杆式柱塞和加热单元组成。 它们也称为压力机，用于固定零件在其中成型的模具。 压力机按吨位定标，表示机器可以施加的夹紧力大小。 该力使模具在注射过程中保持关闭状态。 吨位从不到5吨到超过9,000吨不等，较高的数字用于相对较少的制造操作中。 所需的总夹紧力取决于要模制的零件的投影面积。 对于每平方厘米的投影面积，此投影面积乘以1.8到7.2吨的夹紧力。 根据经验，每吨4或5吨² 可用于大多数产品。 如果塑料材料非常坚硬，则将需要更多的注射压力来填充模具，因此需要更多的夹紧吨位以保持模具闭合。 所需的力也可以由所使用的材料和零件的尺寸确定。 较大的零件需要较高的夹紧力。

模子

模子 or 该 是用于描述用于生产模制塑料零件的工具的通用术语。

由于模具的制造成本很高，因此它们通常仅用于批量生产，其中要生产数千个零件。 典型的模具由硬化钢，预硬化钢，铝和/或铍铜合金制成。 选择用于制造模具的材料主要是经济因素之一。 通常，钢模的制造成本较高，但是其使用寿命更长，将抵消磨损前制造的大量零件所产生的较高的初始成本。 预硬化的钢模耐磨性较低，可用于较低的体积要求或较大的零件； 在Rockwell-C等级上，它们的典型钢硬度为38–45。 淬硬的钢模在加工后进行热处理； 就耐磨性和寿命而言，这些都远远优于。 典型的硬度范围为50至60洛氏-C（HRC）。 铝模具的成本可以大大降低，并且当使用现代计算机设备进行设计和加工时，可以经济地模制成千上万个零件。 铍铜用于模具中需要快速除热的区域或产生最大剪切热的区域。 模具可以通过CNC加工或通过放电加工工艺制造。

模具设计

模具由两个主要部件组成，注射模具（A板）和顶出模具（B板）。 这些组件也称为 铸模 和 模具制造商. 塑料树脂通过一个模具进入模具 浇口 or 门 在注射模具中 浇口衬套用于紧紧密封成型机注料筒的喷嘴，并允许熔融塑料从注料筒流入模具中，也称为铸模。 The National Fluid Power Association (NFPA)和International Standards Organization(ISO) 正在制定一项标准， NFPA T3.5.31M-19XX,那将定义一个全工业范围适用的标准插装孔。Comatrol将经过该标准的正式通过，来制造适用于NFPA插装孔的插装阀。。 浇口衬套通过加工成A和B板表面的通道将熔融塑料引导到型腔图像。 这些通道允许塑料沿着它们运行，因此它们被称为亚军。 熔融塑料流经流道，进入一个或多个专用浇口，进入型腔几何形状，以形成所需的零件。

填充模具的浇口，流道和型腔所需的树脂量包括“射料”。 残留在模具中的空气可以通过磨成模具分型线的排气孔，或者绕着顶针和滑动件逸出，而顶针和滑动件的直径略小于固定它们的孔。 如果截留的空气不允许逸出，它会受到传入材料的压力压缩并挤入空腔的角部，防止填充，还可能导致其他缺陷。 空气甚至可以被压缩，从而点燃并燃烧周围​​的塑料材料。

为了允许从模具中取出成型零件，模具特征不得在模具打开的方向上相互悬垂，除非模具的零件设计成在模具打开时从此类悬垂之间移动（使用称为提升器的组件） ）。

零件的侧面看起来与拉伸方向平行（型芯位置（孔）或嵌件的轴线与模具在打开和关闭时的上下运动平行） 通常将它们略微倾斜，称为拔模斜度，以方便零件从模具中脱模。 通风不足会导致变形或损坏。 脱模所需的吃水量主要取决于型腔的深度：型腔越深，所需的吃水量就越大。 确定所需吃水深度时还必须考虑收缩率。 如果表皮太薄，则成型零件将趋于收缩到形成的芯子上，同时冷却并紧贴这些芯子，或者当拉开空腔时，该零件可能会翘曲，扭曲，起泡或破裂。

模具通常被设计成使得模制部件在打开时可靠地保留在模具的顶出器（B）侧，并将流道和浇口与部件一起从（A）侧拉出。 从（B）侧弹出时，零件会自由下落。 隧道浇口（也称为海底浇口或模具浇口）位于分型线或模具表面下方。 在分型线上，在模具表面上加工出一个开口。 从模具中弹出时，从流道系统中切割（通过模具）模制零件。 顶针（也称为脱模针）是放置在模具一半（通常是顶针一半）中的圆形针，将完成的模制产品或流道系统推出模具。 使用大头针，套筒，脱模器等弹出物品可能会导致不良的印记或变形，因此在设计模具时必须小心。

冷却的标准方法是使冷却剂（通常是水）通过一系列穿过模板的钻孔，并通过软管连接以形成连续的通道。 冷却剂从模具中吸收热量（模具中的热量已经从热塑料中吸收），并将模具保持在适当的温度下，以最有效的速度固化塑料。

为了简化维护和通风，将型腔和型芯分为几部分，称为 插件，也称为子装配体 插件, 块或 追逐块。 通过替换可互换的插入物，一个模具可以对同一零件进行多种变化。

使用更复杂的模具可以形成更复杂的零件。 它们可能具有称为滑块的部分，这些部分进入垂直于拉伸方向的腔中，以形成悬垂的零件特征。 打开模具时，使用固定半模上的固定“角形销”将滑块从塑料部件上拉开。 这些销钉进入滑轨中的插槽，并在模具的移动半部打开时使滑轨向后移动。 然后将零件弹出并合上模具。 模具的闭合动作使滑块沿角形销向前移动。

一些模具允许重新插入先前模制的零件，以允许在第一零件周围形成新的塑料层。 这通常称为包覆成型。 该系统可以生产一体式轮胎和车轮。

两次或多次注射的模具设计为在单个成型周期内“包覆成型”，并且必须在具有两个或多个注射单元的专用注射成型机上进行加工。 该过程实际上是执行两次的注模过程，因此误差幅度小得多。 在第一步中，将基础色料模制成基本形状，其中包含用于第二次注射的空间。 然后将另一种颜色的第二种材料注塑到这些空间中。 例如，通过此过程制成的按钮和按键具有不会磨损的标记，并且在频繁使用时仍可清晰辨认。

模具可以在一个“快照”中生产相同零件的多个副本。 该零件的模具中的“印象”数通常被错误地称为“气蚀”。 具有一个印象的工具通常被称为单个印象（型腔）模具。 具有两个或两个以上相同零件的型腔的模具可能会被称为多次成型（型腔）模具。 一些产量极高的模具（例如瓶盖模具）可能会超过128个型腔。

在某些情况下，多腔工具将在同一工具中模制一系列不同的零件。 由于所有零件都相关，因此一些工具制造商称这些模具为家庭模具。 示例包括塑料模型套件。

模具存放

由于高昂的平均成本，制造商竭尽全力保护定制模具。 维持理想的温度和湿度水平，以确保每个定制模具的最长使用寿命。 定制模具（例如用于橡胶注模的模具）应存放在温度和湿度受控的环境中，以防止变形。

工具材料

经常使用工具钢。 低碳钢，铝，镍或环氧树脂仅适用于原型或非常短的生产周期。 具有适当模具设计的现代硬质铝（7075和2024合金）可以通过适当的模具维护轻松制造具有100,000或更多零件寿命的模具。

加工

模具是通过两种主要方法制造的：标准加工和EDM。 历史上，传统形式的标准机加工一直是制造注塑模具的方法。 随着技术的发展，与传统方法相比，CNC加工已成为在更短的时间内以更精确的模具细节制造更复杂的模具的主要手段。

放电加工（EDM）或火花腐蚀工艺已广泛用于模具制造中。 除了允许形成难以加工的形状之外，该工艺还可以对预硬化的模具进行成形，从而无需热处理。 通过常规钻孔和铣削更换硬化模具通常需要退火以软化模具，然后进行热处理以再次硬化。 EDM是一个简单的过程，其中通常由铜或石墨制成的成形电极非常缓慢地下降到模具表面上（经过数小时），然后浸入石蜡油（煤油）中。 在工具和模具之间施加的电压会以电极的相反形状引起模具表面的火花腐蚀。

价格

合并到模具中的型腔数量将直接与成型成本相关。 更少的型腔需要更少的模具工作，因此，依次限制型腔的数量将降低制造注塑模具的初始制造成本。

由于型腔的数量在成型成本中起着至关重要的作用，因此零件设计的复杂性也越来越重要。 复杂性可以包含在许多因素中，例如表面精加工，公差要求，内螺纹或外螺纹，精细的细节或可以并入的底切数量。

进一步的细节（例如底切）或任何导致额外工装的特征将增加模具成本。 模芯和型腔的表面光洁度将进一步影响成本。

橡胶注射成型工艺可产生高产量的耐用产品，使其成为最有效，最具成本效益的成型方法。 一致的硫化过程包括精确的温度控制，可显着减少所有废料。

注射过程

通过注射成型，粒状塑料通过一个强制的撞锤从料斗中送入加热的料筒中。 当颗粒通过螺杆式柱塞缓慢向前移动时，塑料被迫进入加热室，在加热室中熔化。 随着柱塞的前进，熔化的塑料被迫通过一个靠在模具上的喷嘴，从而使其通过浇口和流道系统进入模具腔体。 模具保持冷态，因此几乎在模具填充后塑料就会固化。

注塑周期

在塑料零件的注模过程中的事件顺序称为注模周期。 当模具关闭时，循环开始，随后将聚合物注入模具腔中。 填充空腔后，将保持压力以补偿材料收缩。 在下一步中，螺钉旋转，将下一枪送入前螺钉。 这会使螺丝在准备下一次注射时缩回。 一旦零件充分冷却，模具就会打开，然后将零件弹出。

科学成型与传统成型

传统上，模制工艺的注射部分是在一个恒定压力下完成的，以填充和填充型腔。 但是，这种方法允许每个周期的尺寸变化很大。 现在更常用的是科学或脱模成型，这是RJG Inc.率先采用的方法。在这种情况下，将塑料的注入“脱模”为阶段，以更好地控制零件尺寸并实现更大的生产周期（通常称为注射生产）。业界）。 首先，使用速度（速度）控制将型腔填充至约98％的满度。 尽管压力应足以允许所需的速度，但是在此阶段的压力限制是不希望的。 一旦型腔充满了98％的压力，机器就会从速度控制切换到压力控制，在该模式下型腔以恒定压力“填充”，需要足够的速度才能达到所需压力。 这样可以将零件尺寸控制在千分之一英寸或更好。

不同类型的注塑工艺

尽管大多数注射成型工艺已包含在上面的常规工艺描述中，但仍有几种重要的成型方法，包括但不限于：

• 压铸
• 金属注射成型
• 薄壁注塑
• 液态硅橡胶的注塑成型

可以在这里找到更完整的注塑工艺清单：

流程故障排除

像所有工业过程一样，注射成型会产生有缺陷的零件。 在注塑成型领域，通常通过检查缺陷零件的特定缺陷并通过模具设计或工艺本身的特征来解决这些缺陷来进行故障排除。 通常在批量生产之前进行试验，以预测缺陷并确定在注射过程中使用的适当规格。

第一次填充新的或不熟悉的模具时（未知该模具的注射量），技术人员/工具安装人员可以在全面生产之前进行试运行。 他以较小的压射重量开始，并逐渐填充直到模具充满95％至99％。 一旦做到这一点，将施加少量的保压压力，并增加保压时间，直到发生浇口冻结（固化时间）为止。 可以通过增加保持时间，然后称量零件来确定浇口冻结时间。 当零件的重量不变时，就可以知道浇口已冻结，并且不再有材料注入零件中。 浇口固化时间很重要，因为它决定了周期时间以及产品的质量和一致性，这本身就是生产过程经济学中的重要问题。 保持压力会增加，直到零件没有水槽并且达到零件重量为止。

成型缺陷

注塑成型是一项复杂的技术，可能存在生产问题。 它们可能是由模具中的缺陷引起的，也可能是由成型过程本身引起的。

工业CT扫描之类的方法可以帮助您从内部和外部发现这些缺陷。

公差

成型公差是对诸如尺寸，重量，形状或角度等参数偏差的规定公差。为了最大程度地控制设置公差，通常会根据所使用的工艺对厚度进行最小和最大限制。 注塑成型通常具有相当于9-14的IT等级公差。 热塑性塑料或热固性塑料的可能公差为±0.200至±0.500毫米。 在特殊应用中，批量生产时直径和线性特征的公差均低至±5 µm。 可获得0.0500至0.1000 µm或更高的表面光洁度。 粗糙或有卵石的表面也是可能的。

电源要求

注射成型过程所需的功率取决于许多因素，并且在所使用的材料之间会有所不同。 制造过程参考指南 声明功率要求取决于“材料的比重，熔点，导热系数，零件尺寸和成型速率”。 下表是第243页的表格，该表格与前面提到的相同，可以最好地说明与最常用材料所需的功率有关的特性。

机械手成型

自动化意味着较小的零件尺寸允许移动检查系统更快地检查多个零件。 除了在自动设备上安装检查系统外，多轴机器人还可以从模具中取出零件并将其放置以进行进一步处理。

具体实例包括在零件创建后立即从模具中取出零件，以及应用机器视觉系统。 弹出销伸出后，机器人会抓紧零件以将零件从模具中释放出来。 然后将它们移到存放位置或直接移到检查系统上。 选择取决于产品的类型以及制造设备的总体布局。 安装在机器人上的视觉系统极大地增强了嵌件成型零件的质量控制。 移动机器人可以更精确地确定金属部件的放置精度，并且比人类可以更快地进行检查。

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