其他模塑成型制品的优化结构设计方案

前面各节主要介绍了常规注射成型制品的结构特点，这里补充介绍薄壁成型、气辅注射成型、模压成型制品的结构特点。

1.薄壁成型制品的结构特点

薄壁塑料产品，目前没有一个统一的标准。一般有下述三种定义：①流动长度与厚度的比值大于100；②制品壁厚为0.5～0.8mm的为薄壁制品，小于0.3mm的为超薄壁制品；③壁厚为0.5mm以下的平板状制品，或在连接处带有厚度为0.1mm的塑料制品。

从传统的厚壁转变为薄壁的产品，意味着设计规则也要进行相应的改变。薄壁产品最重要的是刚度的设计，因为挠曲刚度与壁厚的立方成反比，因此必须通过刚度的增加来补偿壁厚的减薄。

合理使用材料，包括使用高性能的工程塑料和纤维增强塑料，是提高薄壁产品刚性的一个方面，为满足冲击刚性的要求，冲击强度值应不小于640J/m；从产品设计角度，则可以通过形状和结构设计以及元件的组合来达到增加刚性的目的。

加强筋的设置对增加薄壁产品的刚性是最有效的手段。由于薄壁注塑工艺使用较高的压力，使得加强筋厚度允许比传统注塑件更厚一些，例如壁厚小于1.0mm时，加强筋可与产品壁厚相等，而传统注塑件加强筋壁厚应小于标称壁厚的60%。

为了适应对薄壁产品的耐冲击要求，产品的外壳可设计成能通过变形来吸收冲击负荷的弧形面。

采用搭扣结合、螺丝紧固、超声焊接、化学粘接、增设嵌件等连接方法的组合件设计，也可以用来提高产品的刚性。

薄壁产品设计中另一个不可忽视的规则是，由于薄壁注塑件的模塑收缩率较小，所以应提高加强筋、凸台及折边这一类特征件的斜度角。

2.气辅注射成型制品的结构特点

气辅注塑制品是采用气体辅助注射成型技术生产的产品。这种新技术是为了克服传统注射成型的局限性，而自20世纪90年代开始快速发展起来的。与普通注射成型比较，这种新技术增加了一个气体注射阶段。基本原理是，先向模具型腔内注入塑料熔体，然后按设定的时间，向熔体中心注入压缩气体（一般为氮气），在气体的作用下熔体被推动和充填到模具型腔的各个部分，然后是气体进行保压，使熔体紧贴模具型腔内壁，保持模塑件的尺寸稳定，待熔体冷却后，气体排出，至此产品完成了一个生产周期。

气辅注射成型法可分为标准成型法、副腔成型法、熔体回流成型法和活动型芯法四种，图19-71所示为标准成型法成型过程示意图。

图19-71 标准成型法成型过程示意图

a）注入塑料熔体 b）注入气体 c）保压冷却 d）制品脱模

（1）气辅注射成型的过程 可分为如下六个阶段：

1）塑料注射阶段。这一阶段与普通注塑相似，以定量的塑料熔体注入到模具中充填部分模腔，具体的注射量由经验或计算机模拟充模来确定（一般为50%～80%），以确保在注入压力气体时不会把熔体表层吹破，并且获得一个理想的充气体积。

2）切换延迟阶段。塑料熔体注射阶段到气体注射阶段之间的延迟过程。

3）充气阶段。从气体开始注入模腔到整个模腔充满的时间。向模腔中注入不活泼气体（通常是氮气），气体压力必须大于塑料熔体的压力，以便使制品形成中空状态，气体压强通常为2.5～30MPa。由于气体沿流动阻力最小的路径，从高压处向低压处流动，在厚截面中心形成中空气道。这一阶段起着非常重要的作用，它直接影响制品最后的质量，气体辅助注塑成型的许多成型缺陷（如气穴、吹穿、欠注及气体渗入薄壁部分等）都发生在这一阶段。

4）气体保压阶段。在模腔充填完毕后，气体压力保持不变甚至略有升高对成型制品进行保压，以补偿因物料冷却而引起的制品收缩。由于气体由内向外对塑料加压，从而使制品外表面始终紧贴模腔内壁，在制品较厚部分的外表面不易形成凹陷，提高了制品表面质量。

5）气体回收阶段。随着冷却过程的完成回收气体并泄压至气体入口压力为零，大约70%的气体可以回收。

6）脱模顶出阶段。当制品冷却到具有一定的刚度和强度后脱模顶出。

当熔料注入模腔后，先接触模壁的料被冷却，温度下降，粘度升高，表面张力也增高，而模腔中心部位的料温度仍很高，热损失少，粘度也低，因此将经精确计算量的压力气体注入时，即可从制品较厚的部分形成中空，且将熔料推向模壁四周，保持完整的外形，制成所要的成型制品。熔体和压力气体在模腔内的流动示意如图19-72所示。

图19-72 熔体和压力气体在模腔内的流动示意图

1—模具 2—熔料 3—压力气体

（2）气辅注射成型的特点 普通注塑工艺很少能将厚壁部分和薄壁部分结合在一起成型，而发泡注塑的缺点是制品表面易形成气泡。气辅注射成型与上述两种成型方法相比，具有以下优点：

1）注射压力及锁模力降低，可降低设备费用。因熔料在气体压力下填充型腔，缩短了流动注射流程，且只要相对较小的气压即可将熔料紧贴模壁，故型腔压力小，锁模力可比普通注射成型小25%～90%。

2）生产周期大大缩短。与普通注塑相比，气辅注塑成型由于厚截面制品中空，散热冷却快，从而缩短了冷却时间，使成型周期大大缩短。

3）由于注射压力小，熔体内部各处气压相同，模腔内各部熔体受压均匀，保压冷却时残余应力小，减少了翘曲变形，制品尺寸精度及表面质量高。另外，熔体在气压下紧贴型面，故表面不会出现缩痕，废品率低。

4）由于壁厚部分设置气道，因此制品厚度不受普通注射的限制，放宽了制品设计的限制，可制作壁厚薄差异较大的制品。另外，可设计芯部含气道的加强筋，可在不增加制品质量的情况下，制作高强度和高刚性的制品，且可节省材料。

5）降低了对模具材料的要求，可减少或消除由于多浇口造成的熔接线。

6）材料的适用性好，基本上所有用于注塑的热塑性塑料都可用于气体辅助注塑成型。

7）可把普通注塑需多个零部件组装而成的制品，重新设计成一体，并一次成型，从而增加了产品设计自由度和产品生产的集成化程度。

8）尽管可少用或不用加强筋，而采用中空框式截面来提高惯性矩和刚性。但对某些塑料，特别是玻璃纤维增强的塑料，气道周边的塑料材料的弹性模量和拉伸强度有所下降。

（3）气辅注射成型的适用范围 气辅注射成型可适用于加工大多数热塑性塑料和酚醛、脲醛、三聚氰胺/甲醛、三聚氰胺/酚醛、不饱和聚酯树脂、环氧树脂等热固性塑料，其适用加工的制品可分为如下三类：

1）厚的棒状类制品，如座椅扶手、汽车门把手、转向盘、窗框、高尔夫球杆、网球拍、轮子等。

2）大型平板状制件。普通注射成型的平板状制件容易翘曲变形，而气辅成型制品由于中空结构不易翘曲变形。为了提高强度，可以加强筋作为气体通道。这一类产品有计算机面板、电视机外壳、汽车仪表盘、汽车前后挡板等。

3）大型的厚薄不均的复杂注塑件，如汽车保险杠、各种家用电器外壳、塑料家具、装饰件等。

（4）制品的结构特点 气辅注射成型热塑性塑料制品结构特点如下：

1）在制品厚壁中心部位设置供注入气体的通道（又称气道），如图19-73所示。

2）几何形状。棒状制品外部轮廓最好为圆形或接近圆形，以防止熔体分布不均，避免在熔料缝处开设气道。正方形轮廓制品应避免尖锐的边线和转角，转角处应用较大的圆弧半径过渡，可避免气道外围塑料厚度差异过大，如图19-74所示。

图19-73 常见的气道形式

图19-74 气道拐角和截面变化的设计

a）改进前壁厚不均匀 b）改进后壁厚均匀(www.xing528.com)

板状制品在壁厚薄过渡处应设气道，使壁厚平稳过渡，如图19-75所示。其中图19-75b所示的结构还具有增强边缘强度和刚性的作用。

图19-75 板状制品的气道设置

a）气体通道设置于厚薄过渡处 b）增加制品边缘的强度和刚性的气体通道设置

另外，对于板类注塑件，制品的厚壁处不应是最后充满的部位。物料应该由薄窄的截面流向厚壁。塑料欠注的最佳位置，应流动分析确定。气流也沿着薄壁向厚壁推挤。高压气流总是沿着阻力最小方向流动。型腔结和空隙，预注塑料熔体的分布，影响气流推进。要防止气体冲破塑料壁层。只有气体单为补偿塑料壁的收缩时，才可将气体直接引向厚壁。

3）壁厚。不同的气体通道，壁厚可以不同。但气道周边的壁厚应大到足以使气体能在塑料气道中通过。整个制品的基体壁厚不可太厚，以免出现图19-76所示的气体穿入壁厚。制品的基体壁厚也不可过薄，以免出现气体被密封，不能形成沿气道流动。气道周边的壁厚应该均匀，如图19-77所示，有助于气体推进。气辅注塑的板类制品的基体壁厚应该在2.5～3.5mm为宜，不能超过4mm。气辅成型的制件的厚度一般为3～6mm，在一些流动距离较短或尺寸较小的制件中，壁厚还可以设计得更薄，如1.5～2.5mm，对于非气体通道的平板层而言，壁厚不宜大于3.5mm，有气道部分的制件表层厚度不超过3mm，而气道的高度应至少为表层壁厚的2倍。应尽量避免两气道相互交错，否则会造成气体压力不足，流向紊乱。各气道应分离，单独充气。便于控制各气道注气时间和压力，确保塑料完全充满型腔。

图19-76 气体穿入塑料件的基体壁厚

图19-77 气道周边壁厚均匀改进

a）h=0.5T基体壁厚 b）l/b=1.5～2，h=0.5T

4）气辅注射制品可设置中空加强筋，如图19-78所示，可有效地提高制品的强度及刚性，加强筋的尺寸举例如图19-79所示，角撑板加强筋如图19-80所示。可在两壁拐角处设置中空筋板。

一般加强筋厚度（见图19-79中的a）为相连壁厚的2～3倍，高度（见图19-79中的b）不小于壁厚的3倍，过渡圆角半径为壁厚的1/2，侧面脱模斜角为1°。

图19-78 加强筋内设置气道

（h/T=2～3；h/b=1.5～3）

图19-79 加强筋尺寸举例

a）普通筋a和b=（2.5～4）T T=2.5～3.5mm b）高筋c=（0.5～1）T a和b=（5～10）T

图19-80 角撑板加强筋

a）传统注塑中的设计 b）气辅注塑中的设计

3.模压成型制品的结构特点

模压成型主要用于制作热固性塑料制品，但现也用于加工一些熔融温度高、流动性差、粘度大、不易采用注射成型加工的热塑性塑料，如UHMWPE、PT-FE、PCTFE、PVDF、PVFZ、FEP、ETFE、PI（包括均苯PI、醚酐型PI、PAI、顺酐型PI）、AP、PEEK、PPS等。

对热固性塑料而言，模压成型时制品内应小，不易翘曲变形，取向均匀，异向性小，尺寸稳定性好，制品光整度高，但不宜制作复杂形状的制品。

（1）制品结构特点 模压制件的设计与注塑件的设计原理基本相同，但也有以下些许差别：

1）壁厚方面。热固性模压制件的常用壁厚为1.5～4mm，大型塑件壁厚可在10mm以上，采用纤维增强的制件，因原料流动性差，应有较大的壁厚，且壁过薄，纤维含量少，会影响制件的使用强度。壁厚还随制件深度的增加而加大，通常深度每增加100mm，壁厚增加1mm。

模压制件的壁厚可能情况下应均匀一致，如有壁厚变化，最好控制在2∶1，而且要逐步过渡或圆弧连接。

2）脱模斜度方面。模压制件的脱模斜度，一般取0.5°～1°，条件许可的情况下，尽量取大一些。对杯类或容器一类有一定深度的制件，内壁的斜度比外壁稍大。

3）圆角半径方面。塑件内外表面的转折处，应设计圆角，但内圆角半径不应小于0.25mm，外圆角半径不应小于0.5mm，一般可选择壁厚的0.5～1.5倍。

4）加强筋方面。流动性差的纤维增强制件，可取较大宽度的筋和圆角半径，加强筋根部宽度可取壁厚的0.6～0.8倍，圆角半径取壁厚的1/8～1/4。另外，可在加强筋上设计2°～5°的脱模斜度。当加强筋高度超过壁厚3倍时，成型困难，最好设计成两个以上较短的加强筋，筋距宽度大于加强筋底部宽度的2倍。

5）孔。模压制品最小孔径为3～4mm，不通孔最大孔深为孔径的2～2.5倍，通孔最大深度小于孔径的4倍，最好采用台阶式孔，如图19-38b所示。当孔径为3～12mm时，孔边到制品侧壁及边缘的最小距离为2.5～5mm；两孔边最小距离为2.5～6mm。螺纹孔一般应采用标准螺纹，不宜用细牙螺纹，深度为孔径的2～2.5倍，侧壁应有足够的厚度，防止拧入螺钉时破裂。

（2）具体结构举例 不同成型工艺的结构设计要求见表19-55。

表19-55 各种成型法对产品设计要求的比较

（续）

注：1.浸渍加工：补强玻璃纤维遍布在成型模上，倒入液态树脂混合，再予以加压加热成型。

2.团状模塑料（BMC）：混合了热固性树脂、填充剂及补强玻璃纤维，常先以挤出法制成圆木状或长条状以利后续的模压成型、树脂传递模塑成型（需要精确的制品厚度时）或注射成型。

3.片状模塑料（SMC）：大多为不饱和聚酯与玻璃纤维混合成为糊状于两PE膜中间，经输送带上的滚轮压挤成为片状，然后加工成型，特别适用于大型品的制造。

4.热塑性玻璃纤维增强注射成型（FRTP）：其加工方法与注射成型类似，一般玻璃纤维含量为20%～40%。①1in=25.4mm。

4.导电塑料制品的设计

用注塑机成型的导电塑料产品已有广泛的应用，由于采用的原材料的物理性能、流动性能以及其他性能均与普通塑料原料有所差异，且其成型条件也有所不同，所以产品设计应注意以下几点：

1）壁厚设计。导电塑料产品的壁厚因制品形状、大小不同而设定，一般设定以2～3.5mm为宜。从保持导电性能长期稳定性考虑，壁厚应在3mm以上；前缘部分或小凸起部分应薄些，一般为1～1.5mm，最好不超过1.5mm。棱格部分以及表面流动阻力大的部分应考虑增厚1～2mm。

2）脱模斜度。导电塑料的脱模斜度比普通塑料要大，最好取3°以上，当型腔深度较小时，考虑顶出销的作用，脱模斜度可取0.5°。若在制品外表面加工有花纹，脱模斜度可再适当放大。

3）凸台与加强筋的设计。在设计自攻螺钉的凸台时，外周的壁厚应取2.5～3mm，加强筋的设计可参考普通塑料制品的设计。