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注塑壁厚：提高制造效率的完整设计指南
创建于今天
在设计注塑模具时，它不像设计机加工或3D打印。这完全取决于流体和热量的作用方式。如果你不提前考虑注塑成型的壁厚，你可能会遇到诸如翘曲、缩痕，甚至零件在从模具中弹出时断裂等问题。
本指南将介绍壁厚的科学原理、不同材料的行业标准以及如何保持一致性。如果你理解了这些概念，你就可以让你的设计更便宜、更好。
基本原理：为什么注塑成型均匀性至关重要
设计塑料零件最重要的规则是尽可能保持壁厚一致。
当热塑料进入模具时，它一接触模具就开始冷却。如果零件的壁厚不同，较薄的部分会比较厚的部分更快地冷却和硬化。
1. 冷却的热力学
简单来说，较厚的截面在持续冷却时会收缩。由于较薄的截面已经定型，这种差异性收缩会产生内部应力。因此，零件可能会因为抵抗自身内部几何形状而发生翘曲、扭曲或开裂。
2. 流道
除了冷却，均匀性还会影响塑料的流动。熔融塑料倾向于选择阻力最小的路径——通常是较厚的区域。这可能导致一种称为“跑道跟踪，其中材料在厚截面处超前流动，并困住气穴（气陷）或在较弱区域产生熔接线。
因此，确保一致的壁厚有助于保证模具均匀填充，并且零件以可预测的速率冷却。
按材料划分的推荐壁厚指南
虽然“均匀性”是目标，但实际值（即壁厚应为多少）完全取决于您使用的材料。不同的聚合物具有不同的流动速率、化学结构和冷却特性。
如果壁太薄，您将面临“短射”（填充不完整）的风险，因为塑料在填充型腔之前就会凝固。如果壁太厚，您将大大增加周期时间——因为冷却时间是壁厚平方的函数——并可能导致表面缺陷。
以下是注塑成型、最小壁厚以及常见材料推荐范围的通用参考指南：
材料 | 推荐最小值（毫米） | 推荐最大值 (毫米) | 典型范围 (英寸) |
ABS (丙烯腈-丁二烯-苯乙烯) | 1.14 毫米 | 3.5 毫米 | 0.045" – 0.140" |
尼龙 (PA6, PA66) | 0.76 毫米 | 2.9 毫米 | 0.030" – 0.115" |
聚碳酸酯 (PC) | 1.0 mm | 3.8 毫米 | 0.040" – 0.150" |
聚丙烯 (PP) | 0.6 毫米 | 3.8 毫米 | 0.025" – 0.150" |
聚乙烯 (PE) | 0.75 毫米 | 5.0 毫米 | 0.030" – 0.200" |
亚克力 (PMMA) | 0.6 毫米 | 3.0 毫米 | 0.025" – 0.120" |
注意：这些数值仅供参考。添加剂、玻璃纤维或特定流动改性剂的存在会改变这些限制。
管理壁厚变化：过渡和抽芯
实际零件很少能实现完全均匀的壁厚。功能性要求，例如卡扣、安装柱或结构加强筋，通常需要改变壁厚。关键不在于完全避免变化，而在于优雅地管理注塑成型壁厚的差异。
1. 3 比 1 过渡规则
当您必须从厚截面过渡到薄截面时，切勿使用陡峭的台阶。陡峭的台阶会产生应力集中并阻碍流动。应使用渐变的斜坡或倒角。
一个经验法则是，过渡斜坡的长度应至少是厚度差的三倍。这种渐变的斜率允许熔融塑料平稳流动而不会产生湍流。
2. 厚截面的抽芯
当您设计需要大块塑料的零件（例如手柄）时，请考虑对其进行抽芯。这意味着去除大部分内部材料，只留下外壁和一些支撑。
- 加强筋：用加强筋代替厚壁，以保持强度同时降低名义壁厚。
- 加强筋：使用加强筋来支撑凸台等孤立特征，而不是加厚整个基座。
3. 凸台设计
凸台（用于螺钉的圆柱形特征）以在壁的对面产生缩痕而臭名昭著。为防止这种情况，凸台的壁厚应约为零件名义壁厚的 60%。
壁厚不当的后果
了解由不当壁厚引起的缺陷有助于在切割模具钢材之前进行设计故障排除。需要注意的是，许多“工艺”问题实际上是伪装的“设计”问题。
1. 缩痕
缩痕表现为零件表面上的凹痕或凹陷。当厚壁的内部区域冷却缓慢并收缩时，会将已经冷却的外表面向内拉扯，从而产生缩痕。
原因：壁厚过大，或者肋/凸台相对于基体壁厚过大。
解决方案：对厚截面进行抽芯处理，或减小该特定材料的注塑成型最大壁厚限制。
2. 翘曲
如前所述，翘曲是差异性收缩的结果。
原因：壁厚不均匀，导致一个区域比另一个区域收缩更多。
解决方案：重新设计零件以获得均匀的壁厚，或调整模具中的冷却通道布局。
3. 填充不足
填充不足是指零件未完全成型。
原因：壁太薄，塑料无法流到型腔末端，或者注射压力不足。
解决方案：增加注塑最小壁厚，或选择熔体流动指数 (MFI) 较高的材料。
4. 射流
射流在零件表面看起来像蠕虫状的波浪线。当高速塑料通过浇口射入一个开放、厚的型腔而未粘附在壁上时，就会发生这种情况。
原因：从小的浇口快速过渡到厚的壁区域。
解决方案：调整浇口位置或修改壁厚过渡。
高级设计策略：加强筋和拔模斜度
为了使产品坚固但保持壁厚适宜，设计师通常会使用加强筋。但加强筋会给壁厚控制带来一些挑战。
1. 加强筋的 60% 法则
如果加强筋与其连接的壁厚相同，那么连接处将是壁厚的两倍。这额外的材料会积聚热量，可能在可见的壁侧留下痕迹。
因此，加强筋的厚度不应超过其相邻壁厚的 60%。
2. 拔模斜度
垂直壁必须有锥度（拔模角），以便零件能够从模具中脱出而不产生拖拽。虽然这在技术上会造成注塑壁厚变化（壁在底部比顶部厚），但这是必需的。
标准：1° 至 2° 的拔模角是标准的。
纹理：如果壁有粗糙纹理，您可能需要 3° 至 5° 或更多。
分析工具：验证您的设计
在您花费金钱购买模具之前，您如何知道壁厚是否合适？如今，我们在制造中使用仿真和检测技术。
1. DFM（面向可制造性设计）分析
大多数好的模具制造商会使用 DFM 分析来检查您的 CAD 文件。此软件会指出不适合注塑成型的壁厚区域。它会生成零件的热图，显示流动和冷却可能存在的问题。
2. 热分析
在一些高精度环境中，注塑成型过程中会使用热成像（监控模具本身）来识别由厚壁区域引起的热点。以热传感器的输出来举例，操作员可以看到模具的特定区域是否保留了过多的热量，这表明该区域的零件几何形状可能过厚，导致周期时间效率低下。
结论
设计精良、壁厚均匀的零件流动性更好、冷却更快、外观更佳。如果您仍然对如何为特定应用选择最佳壁厚感到困惑，或者正在为缩痕和翘曲等缺陷而苦恼，最好在设计初期就咨询制造工程师。欢迎您联系我们，提供您的模具设计文件或项目需求，我们将为您提供注塑模具解决方案以获得最高质量的结果。
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