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注塑材料：类型、性质和工艺限制
创建于12.17
注塑成型是一项关键的制造工艺。它是我们制造从微小的手表齿轮到那些光滑的智能手机壳的方式。这项技术非常有用，但它的成功确实依赖于选择合适的材料。
如果你刚开始从事产品设计或制作东西，了解哪些材料适合是很重要的。注塑成型并且哪些不适合。 本指南将为您简单介绍与此过程配合使用的材料，为什么它们适合，以及如何为您的工作选择最佳材料。
什么使材料可塑？
并不是所有材料都能承受注塑的热量和压力。因此，在我们讨论材料类型之前，先来看看一种材料需要具备什么条件才能被熔化、注入并转变为一个部件。
1. 热与流动
最重要的是，材料可以从固体变为液体，然后再变回固体，而不会分崩离析。
- 熔化与移动：材料需要在一个不过于极端的温度下熔化，并且流动性要足够好，以便能够通过机器泵入模具。如果材料太稠，它将无法填充模具。如果在熔化时分解，部件将会很脆弱。
- 在高温下保持强度：熔化温度需要便宜以便于操作。模具通常由钢或铝制成，成本很高。如果材料需要的温度可能会损坏模具，那么成本就会变得过于昂贵。这就是为什么注塑成型通常使用聚合物的原因。它们通常在200°F到500°F之间熔化。
- 稍微分解一下：金属可以反复熔化和硬化，但塑料会因热而改变。塑料中的链条在加热时会断裂。材料需要足够好，以至于这不会使最终部件变弱。
2. 收缩和保持相同大小
当一种材料从热液体变为冷固体时，它会变小。这种从液体到固体的变化以及冷却过程可能在设计和制造物品时引发问题。有关详细的测试方法，请参阅 ASTM D955 标准用于测量塑料中模具收缩的。
- 如预期收缩：每种材料都会有一点收缩。为了成型一种材料，这种收缩需要小且易于估计。如果收缩过多，就很难制造出合适尺寸的零件。
- 内部应力处理：模制件的外部首先冷却，而内部仍然很热。当内部冷却时，它会拉扯外部，导致划痕或弯曲。收缩较大的材料可能会出现这些问题，使设计变得困难。
基本上，一个好的注塑材料是指你可以将其熔化、推入模具，并快速冷却而不会破裂、弯曲或成本过高的材料。
注塑材料的两大主要类别
注塑主要使用两种材料，它们在热处理方式上有所不同。这些材料是热塑性塑料和热固性塑料。
1. 热塑性塑料
这些在注塑中很常见，占据了你看到的大多数产品。它们是聚合物，受热时变软，冷却时变硬。很酷的是，你可以重复这个过程。你可以加热一个热塑性部件，使其熔化，然后再重新成型。这对于回收和减少浪费非常有利。
材料类别 | 常见示例 | 关键特征 | 典型应用 |
商品塑料 | 聚乙烯 (PE), 聚丙烯 (PP), 聚苯乙烯 (PS), 聚氯乙烯 (PVC) | 低成本，易于处理，适合通用使用。不是高度专业化的。 | 包装、容器、玩具、管道、家居用品。 |
工程塑料 | 丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS），尼龙（PA），聚碳酸酯（PC），醛聚合物（POM） | 更高的机械强度，更好的耐温性和优越的耐用性。用于功能性、承载应力的部件。 | 电子外壳、齿轮、汽车部件、安全设备。 |
高性能塑料 | 聚醚醚酮（PEEK），聚四氟乙烯（PTFE），聚醚酰亚胺（Ultem） | 卓越的耐热、耐化学和耐机械性能。非常昂贵，且通常难以加工，需要专门的设备。 | 医疗植入物，航空航天组件，高温工业用途。 |
2. 热固性塑料
热固性塑料与热塑性塑料有很大不同。当你加热并成型它们时，会发生一种无法逆转的化学反应。这个过程称为固化，形成了一个强大的分子网络。一旦热固性塑料固化，就无法再次熔化。如果你尝试重新加热，它会分解或燃烧。
因此，热固性材料无法以通常的方式回收。但是，它们非常稳定，能够承受高温，并且比大多数热塑性材料更能抵抗化学物质。
- 常见的种类包括酚醛树脂（如电木）、环氧树脂、硅酮和三聚氰胺。
- 请记住：热固性模具需要加热以启动固化反应，而热塑性模具则需要冷却。
- 这些塑料通常用于电气绝缘体、坚固的汽车零件（如刹车活塞）、需要强度的飞机零件以及烹饪工具的手柄。
12种常见注塑材料列表
您可以使用许多材料，但如果您坚持使用十二种最常见的材料，您将能够满足大约90%的基本项目需求。
聚丙烯 (PP)
特点：便宜，耐化学品性能很好，并且可以在不破裂的情况下弯曲很多。只需知道它在冷却时会稍微收缩，因此在设计模具时请记住这一点。
应用：瓶盖铰链（那薄薄的塑料部分）、食品容器、户外椅子和汽车内饰。
2. 丙烯腈-丁二烯-苯乙烯 (ABS)
特点：一种非常常见的塑料，坚固、硬朗且外观良好。当你需要一些耐用的东西时，它是一个不错的选择。
应用：电子外壳、乐高、动力工具机身和键盘按键。
3. 尼龙（聚酰胺，PA）
特点：非常坚固，耐磨，耐热。它吸水，这可能会改变它的尺寸和成型方式，因此您需要先将其干燥。为了增加强度，它通常与玻璃纤维混合（PA + 玻璃纤维）。
应用：齿轮、轴承、结构件、发动机零件和医疗植入物。
聚碳酸酯 (PC)
特性：真的很清晰（几乎像不可打破的玻璃）且对冲击超强。它可以承受高温，但在压力下可能会开裂，并且需要非常高的成型温度。
应用：安全眼镜、光盘/DVD、车头灯、安全窗户和透明医疗部件。
5. 高密度聚乙烯 (HDPE) / 低密度聚乙烯 (LDPE)
特点：不会破产。HDPE（高密度聚乙烯）坚硬、坚韧，耐化学品。LDPE（低密度聚乙烯）更柔软且更易弯曲。两者的熔点都相对较低。
应用：HDPE：牛奶壶、洗涤剂瓶、管道。LDPE：柔性盖、瓶盖和六瓶环。
6. 聚苯乙烯 (PS)
特点：便宜且易于加工。分为两种类型：通用聚苯乙烯（GPPS，透明且脆）和高冲击聚苯乙烯（HIPS，不透明且更坚韧，因为添加了橡胶）。
应用：一次性餐具（GPPS）、自动售货机杯（GPPS）和电器部件（HIPS）。
7. 热塑性弹性体 (TPE)
特性：塑料与橡胶混合。它的表现像塑料，但感觉像橡胶——灵活且有弹性。通常用于在硬塑料部件上模制一层柔软的材料。
应用：握把（在牙刷、工具上）、密封件、垫圈和软涂层。
8. 丙烯酸（聚甲基丙烯酸酯，PMMA）
特性：非常清晰且耐刮擦，但更脆且不如聚碳酸酯强。
应用：镜头、透明罩、光导和化妆品容器。
9. 醛缩聚甲醛（聚氧亚甲基，POM）
特性：坚硬，不产生太多摩擦，并且始终保持相同的尺寸。它通常用于替代金属在工作部件中。
应用：精密齿轮、轴承、输送带、锁具部件和流体处理部件。
10. 聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET)
特性：通常添加了玻璃纤维以进行成型（如PET-GF）。它刚性强，具有良好的电气性能，并且尺寸稳定，但它可以吸湿。
应用：电气连接器、线圈轴、汽车雨刷臂和泵壳。
11. 聚氯乙烯 (PVC)
特点：硬聚氯乙烯可以成型，并且耐化学品和天气。在使用时需要注意温度，以防止损坏。
应用：管件、电气箱和医疗设备连接器。
12. 聚醚酰亚胺 (PEI)
特点：通常被称为Ultem。这是一种强韧的塑料，能够承受高温，不易着火，并且在受到压力时仍能保持原形。
应用：飞机内部、用于灭菌的医疗托盘以及处理高温的电气连接器。
使材料更好：填料和添加剂
基础树脂只是开始。为了使产品完全符合需求，制造商通常会通过填料和添加剂来调整材料。了解这些变化在选择材料时至关重要，因为它们可以真正改变材料的成型方式以及最终部件的功能。
1. 增强力量的填充物
填料通常被添加以使材料更强、更硬，并更好地处理热量。但这可能会使其成本更高，并且在抗冲击方面表现不佳。
- 玻璃纤维：这些是最常用的增强材料。添加玻璃纤维（通常占重量的10%到40%）确实提高了物体的强度、刚度和耐热性。含有玻璃的部件往往会收缩得更多且方式不同。此外，由于玻璃表面粗糙，它可能会更快地磨损模具。
- 碳纤维：当你需要一些超级强大和刚性的材料时，这些是非常合适的。此外，它们可以使材料导电。请记住，它们的成本高于玻璃纤维。
矿物填料（如滑石、云母）：这些主要使物体更加坚硬、便宜，并且在尺寸上更加稳定（收缩更少），而不会像纤维那样使其变得更强。
2. 特殊功能的添加剂
这些是以少量添加的，以赋予材料除了强度之外的额外能力。
- UV 稳定剂：如果某个部件将用于户外，这些是必需的。它们可以防止塑料因阳光而降解和变黄。
- 着色剂：这些是赋予塑料颜色的染料或颜料。
- 阻燃剂：这些添加剂是为了满足电子产品或汽车内饰的严格防火规定（如UL评级）。它们可能会使材料更难加工，并可能改变其强度。
注塑成型无法制造什么？
尽管塑料注射成型可以做很多事情，但它并不能做所有事情。知道它不能做什么和知道它能做什么一样有用。与常规塑料注射成型不兼容的材料通常失败是因为它们要么无法轻易熔化和流动，要么在固化时会崩溃。
1. 木材、纸张和天然纤维（以其自然形态）
这些东西不会融化；它们会燃烧。你可以将木粉或天然纤维与塑料混合，但你无法对纯材料进行成型，因为它不会正确流动，并且会因热量和压力而燃烧。
2. 陶瓷
有一个特殊的过程叫做陶瓷注射成型（CIM），但它与常规塑料成型不同。陶瓷需要超高的温度（超过2700°F）才能粘合在一起。常规塑料模具在那之前就会融化。CIM将陶瓷粉末与塑料混合，注入，然后烧掉塑料并在烤箱中烘烤陶瓷。这是一个完全不同、更长且更昂贵的过程，与典型的成型相比。
3. 需要高温熔化的金属
您可以使用压铸（用于锌和镁）和金属注射成型（MIM），但许多常见金属（如钢）无法放入常规模具中。它们的熔点过高，因此您需要使用特殊的、价格昂贵且难以加工的金属制作模具。这使得常规塑料成型成本过高。
如何选择适合注塑成型的材料
要选择最佳材料，请考虑它需要做什么、成本是多少以及制作的难易程度。
1. 确定该部分需要做什么
从这里开始。这个部分将用于什么？
- 强度/刚度：它需要承重或保持形状吗？（考虑尼龙、PC或ABS，可能添加玻璃纤维以增强强度。）
- 灵活性：是否需要弯曲很多？（考虑PP或TPE。）
- 耐化学性/耐热性：它会接触到强烈的物质或高温吗？（考虑尼龙、醋酸或像PEEK这样的强塑料。）
- 抗冲击性：是否需要处理掉落或撞击？（考虑PC或ABS。）
2. 思考设计及其制作方式
- 公差：是否需要非常精确？您需要一种收缩性不大的材料（如醛聚合物）和一个非常精确的模具。
- 壁厚：像尼龙或PC这样的材料如果墙壁太厚会留下痕迹。材料会影响墙壁的厚度。
- 看起来：它需要光滑和光亮吗？ABS和亚克力通常比含有玻璃的尼龙等材料看起来更好。
3. 费用是多少？
考虑一下材料是否值得这个价格。有时人们选择一种华丽的塑料，而便宜的塑料就足够用了。
- 常见塑料（PP、PE、PS）：最便宜的选择。适合日常用品，不需要特别强韧。
- 工程塑料（ABS、PC、尼龙）：价格与强度的良好结合。非常适合需要可靠性的部件。
- 强塑料（PEEK，PEI）：性能最佳，但价格非常昂贵。只有在极端情况下（如在飞机上、用于医疗工具或深海设备）才使用这些材料。
通过首先考虑该部分需要做什么以及最后您能承受什么，您可以为您的项目找到最佳的注塑材料。
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