附录 A：注塑成型
A.1 注塑成型概述
A.1.1 工艺
注塑成型是一种循环式工艺，通过在压力下将材料压入型腔，使塑料形成所需形状。热塑性塑料通过冷却定型，热固性塑料则通过化学反应定型。它是大批量生产复杂塑料零件的最常见且适用范围很广的工艺之一，可获得优异的尺寸公差，且几乎不需要或完全不需要后续精整与装配。除热塑性塑料和热固性塑料外，也可采用纤维、陶瓷和粉末金属等材料，并以聚合物作黏结剂。
A.1.2 应用
按重量计，全部加工塑料中约有 32% 经由注塑机加工。历史上，往复式螺杆注塑机等各种新型替代工艺的发明，以及将计算机模拟应用于塑料零件的设计与制造，是注塑成型发展的主要里程碑。
A.2 注塑机的发展
自 19 世纪 70 年代初问世以来，注塑机经历了重大的改造和改进。尤其是往复式螺杆注塑机的发明，彻底改变了热塑性注塑成型工艺的适应性和生产率。
A.2.1 往复式螺杆的优点
除机器控制和机器功能的明显改进外，注塑机最重要的发展，是从柱塞机构转为往复式螺杆。柱塞式机器本身虽简单，但仅依赖传导加热，升温速度慢，因而应用有限。往复式螺杆可通过旋转运动更快速、均匀地塑化材料，也能像柱塞一样向前注射熔融聚合物。
图 A.1：往复式螺杆注塑机
A.3 注塑成型工艺的发展
注塑成型工艺最初只用于热塑性聚合物。对材料认识的深化、成型设备的改进，以及特定行业的需求，已将该工艺的应用扩展到原有范围之外。
A.4 替代注塑成型工艺
过去数十年间，人们进行了大量尝试，开发具有特殊设计特征和性能的注塑成型工艺。由传统注塑成型发展而来的替代工艺，为更多应用、更大设计自由度和特殊结构特征开创了新阶段。这些工作产生了多种工艺，包括：
- 共注塑成型，夹心成型
- 可熔芯注塑成型
- 气体辅助注塑成型
- 注塑压缩成型
- 层状，微层注塑成型
- 活料供给注塑成型
- 低压注塑成型
- 推拉式注塑成型
- 反应成型
- 结构泡沫注塑成型
- 薄壁成型
A.4.1 共注塑成型，夹心成型
共注塑成型是将两种不同但相容的聚合物熔体按顺序或同时注入型腔。材料随即层合并固化。该工艺可制得层合结构零件，芯层材料被包覆在表层材料之间。此创新工艺可灵活利用每种材料的最佳性能，或改变成型零件的性能。
图 A.2：共注塑成型的四个阶段：(a) 将表层聚合物熔体短射注入模具。(b) 注入芯层聚合物熔体，直至型腔接近充满，如 (c) 所示。(d) 再次注入表层聚合物，使芯层聚合物远离主流道。
A.4.2 可熔芯注塑成型
可熔芯，也称失芯或可溶芯，注塑成型工艺可制备内部几何形状复杂的整体中空零件。该工艺在塑料零件内部成型一个芯。成型后，通过物理熔化或化学溶解移除芯，其外部几何形状便成为塑料零件的内部形状。
图 A.3：可熔芯，失芯或可溶芯，注塑成型
A.4.3 气体辅助注塑成型
气体辅助注塑成型先将聚合物熔体部分或全部注入模腔，再把压缩气体注入聚合物熔体芯部，以帮助充填和保压。
图 A.4：气体辅助注塑成型
A.4.3.1 气辅工艺的优点
气体辅助注塑成型可生产中空、轻质、刚性高、不易产生缩痕和翘曲的零件。其他优点包括：
- 缩短周期时间
- 降低压力和所需锁模吨位
- 可将具有厚薄不同截面的零件整合为一体
A.4.3.2 典型应用
气体辅助注塑成型的典型应用可分为三类，也可以是其组合：
- 管状和杆状零件，主要借由掏空零件来节省材料、缩短周期时间，并让中空段承担产品功能。例如衣架、扶手、椅子扶手、淋浴喷头和水龙头出水嘴。
- 内置气道网络的大型片状结构零件，主要用于降低零件翘曲和锁模吨位，并提高刚性与表面质量。例如汽车面板、办公设备外壳、户外家具和卫星天线。
- 同时具有薄壁和厚壁区的复杂零件，主要借由将多个装配零件整合为单一设计来降低制造成本。例如电视机柜、计算机打印机外壳面框和汽车零件。
A.4.4 注塑压缩成型
注塑压缩成型是传统注塑成型的延伸。将预定量的聚合物熔体送入开放型腔后，再进行压缩。也可在注入聚合物的同时进行压缩。该工艺的主要优点是能以较低锁模吨位生产尺寸稳定、内应力相对较小的零件，锁模吨位通常可降低 20% 至 50%。
图 A.5：注塑压缩成型
A.4.5 层状，微层注塑成型
该工艺采用供料块和层倍增器，将双注射缸的熔体流合并。它可用多种树脂制造具有清晰微层结构的零件。不同树脂组成的层状结构可增强气体阻隔性、尺寸稳定性、耐热性和光学清晰度等性能。
图 A.6：层状，微层注塑成型
A.4.6 活料供给注塑成型
活料供给注塑成型在多个聚合物入口施加振荡压力，使熔体往复振荡。活塞动作在模内逐层形成由凝固产生的分子或纤维取向时，使浇口内材料保持熔融。该工艺能制造简单或复杂的零件，避免空洞、裂纹、缩痕和熔接线缺陷。
图 A.7：活料供给注塑成型
A.4.7 低压注塑成型
低压注塑成型本质上是传统注塑成型的优化延伸。通过适当设定螺杆每分钟转数、液压背压和螺杆转速，控制熔体温度和注射速度，即可实现低压。它也采用较大的浇口尺寸，或多个顺序启闭的阀浇口，以缩短流动长度。通常以缓慢、受控的注射速度取消保压阶段。低压注塑成型可降低锁模吨位需求，减少模具和压力机成本，并降低成型零件的应力。
图 A.8：低压注塑成型
A.4.8 推拉式注塑成型
推拉式注塑成型采用传统双组分注射系统和双浇口模具，使材料在主注射单元与辅助注射单元之间来回流动。该工艺可消除熔接线、空洞和裂纹，并控制纤维取向。
图 A.9：推拉式注塑成型
A.4.9 反应成型
与热塑性材料不同，反应性材料在成型过程中同时发生形状形成和聚合。交联聚合物结构通常赋予更好的机械性能、更高的耐热性和耐环境性。
| 反应性材料类型 | 反应性材料类型 |
|---|---|
| 丙烯酸类 | 酚醛树脂 |
| 醇酸树脂 | 聚氨酯多元醇 |
| 烯丙基二甘醇碳酸酯 | 聚氨酯异氰酸酯 |
| DAIP | 聚氨酯体系 |
| DAP | 有机硅 |
| 环氧树脂 | 有机硅/聚酰亚胺 |
| 氟硅脲 | 脲醛树脂 |
| 三聚氰胺树脂 | 不饱和聚酯 |
| 三聚氰胺/酚醛树脂 |
A.4.9.1 加工
主要的反应成型工艺包括反应注塑成型，RIM，以及复合材料加工工艺，例如树脂传递成型，RTM，和结构反应注塑成型，SRIM。反应性材料通常黏度较低，因此相较于热塑性材料成型，可用较低压力和锁模吨位成型大型复杂零件。反应性树脂还可用于复合材料工艺。例如，为制造高强度、大尺寸且低产量的零件，可在 RTM 和 SRIM 中加入由长纤维制成的预成型件。微电子 IC 芯片的封装也是日益受重视的应用领域。
将注塑成型用于这些材料时，只需略微提高供料机构，料筒，温度以避免预固化。不过，型腔温度通常足以引发化学交联。当温热的预聚物被压入型腔时，热量来自型腔壁、流动的黏性摩擦热以及反应组分释放的热量。零件温度常超过模具温度。当反应充分进行，零件即使在高温下也具有刚性时，周期便完成，可将零件顶出。
A.4.9.2 设计注意事项
反应性材料的注塑模具和工艺设计更为复杂，因为充填和保压阶段会发生化学反应。例如，缓慢充填常导致过早凝胶并产生短射，而快速充填可能引起湍流，造成内部孔隙。模壁温度控制不当和，或零件厚度不足，都会导致注射期间的成型问题或材料烧焦。计算机模拟通常被认为比传统、耗时的反复试模方法更具成本效益，可用于模具和工艺调试。
A.4.10 结构泡沫注塑成型
结构泡沫成型制得的零件具有实心外表皮和内部泡孔，或泡沫，芯层。该工艺适用于在最终使用中承受弯曲载荷的大型厚壁零件。结构泡沫零件可在低压或高压下采用氮气或化学发泡剂生产。
图 A.10：结构泡沫注塑成型
A.4.11 薄壁成型
薄壁是相对概念。传统塑料零件的壁厚通常为 2 至 4 mm。当厚度在 1.2 至 2 mm 时，薄壁设计称为先进薄壁，当尺寸低于 1.2 mm 时称为前沿薄壁。薄壁成型还有一种定义基于流长与壁厚之比，这类薄壁应用的典型比例为 100:1 至 150:1 或更高。
A.4.11.1 典型应用
薄壁成型常用于便携式通信和计算设备。这类产品要求非常薄的塑料外壳，同时仍具备与传统零件相同的机械强度。
A.4.11.2 加工
薄壁零件凝固很快，因此在未采用多浇口或顺序阀浇口时，需要高熔体温度、高注射速度和极高注射压力。优化的柱塞速度曲线有助于降低压力需求。
薄壁成型的速度和剪切速率很高，因而更容易产生取向。为尽量减小薄壁零件的各向异性收缩，在芯部仍处于熔融状态时，必须充分保压。成型人员应注意避免停留时间、熔体温度或剪切过大，这些因素都可能造成材料降解。
A.4.11.3 设计
建议零件采用造型线和曲面设计，以提高刚性和外观。抗冲击策略包括采用未增强塑料外壳吸收载荷，或采用填充热塑性塑料传递载荷。无论采用哪种方案，都需要牢固固定内部部件，并避免应力集中和尖锐缺口。
通常采用大于壁厚的大浇口，以确保保压期间有足够材料流动。
A.4.11.4 计算机模拟
为在高压、高注射速度和快速冷却条件下准确模拟薄壁成型，用户应指定以下数据：
- 黏度的压力依赖性，以计入熔体黏度随压力升高而增加
- 密度的空间变化，PVT 或快速冷却 PVT，以计入密度对压力和温度的依赖性，或快速冷却速率的影响
- 压缩功，以计入压缩功造成的附加升温