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产品设计工艺知多少——热成型

更新时间:2022-07-22
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产品设计工艺知多少——热成型

工业设计公司接触的产品千差万别,并非所以的产品都需要成千上万的批量生产。还有一些产品只是需要几百或者几十件的产量,比如大型医疗产品。

面对这种情况使用注塑的开模费用相对而言就不够划算了,产品设计师可以考虑给甲方推荐板材热成型工艺,能够轻松达到产品外观的复杂造型设计要求。

热成型加工工艺中,热塑性板材利用热量和压力成型。低压加工比较便宜且用途广泛,采用较高压力则可以产生与注塑成型相似的表面粗糙度和细部结构。


加工成本:
模具成本低至中
单位成本低至中(材料成本的
3倍)
典型应用:
浴缸和淋浴盆
包装
交通运输和航空航天工业内饰
适用性:
卷料进给:小批量至大批量生产
单件进给:单件至批量生产
加工质量:
取决于材料、压力和技术
相关工艺:
复合层压成型
注塑成型
加工周期:
卷料进给周期:10秒~1分钟
单件进给周期:1~8分钟



今天赫兹工业设计小编给诸位介绍一下热成型工艺:

工艺简介

有两种不同的热成型方式:单件进给和卷料进给。单件进给热成型适用于体量较大的产品,如托盘、浴缸、淋浴盆和行李箱。通常将板材切割成一定尺寸并由手工装载。另外一种方式是采用卷筒进料的形式,其过程是将卷轴上的卷材作为材料来源而持续加工。通常这种加工形式也叫作在线加工,因为它在连续操作中热成型、修整和堆叠。

热成型包括真空成型、压力成型、插塞辅助成型和双板热成型。

真空成型是板材成型工艺中最简单、成本最低的一种。主要流程为:将一张热塑料吹入气泡,然后使其吸附在模具表面。模具为单面形态,因此只有塑料的一面会受到其表面的影响。在压力成型中,热软化板材在压力的作用下进入模具。压力越高,意味着可以塑造更精细复杂的细节,包括表面纹理。对于体量较小的零件加工,此工艺可以达到类似注塑成型加工的零件水平。

这两种工艺适合用于塑造位移量较小的浅型几何形状。对于有一定深度的形体,工艺中需要借助插塞辅助。塞子将软化的材料推入凹槽,并使其均匀拉伸。

双板热成型则是结合了这些工艺的特点,用于空心零件的加工要求。两张板材基本上是同时热成型的,并且在它们保持较高温度的时候粘在一起。这种工艺比较复杂,因而加工成本也比传统的热成型更高。


典型应用

热成型工艺被广泛用于生产各种产品,从一次性食品包装到重型可回收运输包装。一些典型的例子包括透明塑料包装、翻盖式包装、化妆品托盘、饮水杯和公文包。

该工艺还可用于生产照明扩散设备,浴缸和淋浴盆,花盆,指示牌,自动售货机,小型或大型水箱,摩托车整流罩,汽车、飞机和火车的内饰,消费电子产品的外壳和防护头盔。

吸塑包装(气泡膜包装)是采用热成型工艺制成的。它是在真空成型机的滚轴上连续生产的,形成薄片并将空气密封到单独的气泡中,为所包装的货物提供保护性缓冲。

真空成型模具非常便宜,因此适用于原型制造和小批量生产。

相关工艺

低压热成型技术用途广泛,价格低廉。这是因为它使塑料塑化为软化的薄板,而不是形成大量的熔融材料。这使得热成型有别于其他许多塑料成型工艺。

然而,使用板材小幅增加了材料成本。为了将这一影响最小化,一些工厂使用自己挤出的材料进行生产。

压力成型可以产生与注塑成型相似的表面粗糙度。虽然压力成型使用的模具更昂贵,但对于一些应用来说,会比注塑成型的花费少。这是因为它使用的是单面模具,而不是注塑成型所需的成对模具。

双板热成型用于生产3D空心几何形状。类似的零件可以通过吹塑成型和旋转成型来生产,但热成型的好处是它对于大型的平板来说是理想的。另外,两面不限于相同的颜色,甚至不限于同种材料。

材料的发展意味着双板热成型产品有时会具有合适的特性,适合于以前由复合层压成型工艺制成的零件。

加工质量

加热并形成一张热塑性塑料片,然后拉伸它。一个设计合理的模具将以均匀的方式牵拉它。否则,材料的属性将基本保持不变。因此,模具表面处理工艺、成型压力和材料这三者将决定表面粗糙度。

热成型塑料板材与模具接触的那一面与压力成型的零件相比,表面粗糙度要大一些,但反面则平滑无瑕。因此,零件通常被设计成与工具接触的一侧在应用中被隐藏起来。模具可以向外(凸型)或向内(凹型)弯曲。压力成型可产生较小的表面粗糙度和完美的细节再现。

设计机遇

热成型通常在单个模具上进行。在真空成型过程中,模具可以由金属、木材或树脂制成。木材和树脂是原型制造和小批量生产的理想模具材料。一个树脂工具可以持续循环使用10至500次,具体次数取决于形状的复杂程度。想要生产更多产品,则使用铸造或机械加工的铝模具。

类似于其他模制操作,插入物可以用来形成凹入角度。它们通常通过手动插入和移除。成型后的零件加工或切割有时会产生同样的效果。否则,零件可以单独模制并焊接在一起。

许多热塑性材料适合热成型加工。而且,每一种材料都具有众多的装饰与功能优势。现在已开发出更多热成型材料,其中包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的合成物。

多层材料是混合挤压成型的,有诸多优点。例如,可避免潮湿或细菌污染,具有不同的颜色,以及将再生材料夹在各层之间以节约能源。

热成型工艺可以制造有纹理的板材(左图)。通常,板材的一面有纹理,不贴着模具的一面是光滑的。材料制造商可铸造或挤压形成一系列的标准纹理,如磨砂、毛糙、镜片、浮饰和浮雕。

双板热成型能生产3D中空零件。优点在于轻质与刚性、绝缘性,以及可以使用两种独立的材料(上部和下部)。单板热成型的零件通常只有一面是功能性的,而双板热成型的两个表面都是功能性的。

泡沫可以被制造为双板板材,或者在成型后进行注塑,以增加刚性和强度

热成型工艺详细对比

技术说明

真空成型工艺技术说明:


真空成型是一种简单的工艺,为其他热成型技术提供了基础。将一片材料加热到其软化点。每种材料的软化点都是不同的。例如,聚苯乙烯(PS)的软化点为127~182℃,聚丙烯(PP)材料的软化点为143~165℃。某些材料,例如高抗冲聚苯乙烯(HIPS),具有较大的操作空间(因为适合模锻的温度范围比较大),这使得它们更容易热成型。

将软化的塑料片吹成气泡,均匀地拉伸。然后反转气流,把模具推到板材上。通过约96 kPa的真空将材料吸到模具的表面上。在工具上打孔以便空气流通,孔位于模腔的凹进处,并穿过模具表面以尽可能有效地抽出空气

压力成型工艺技术说明:


压力成型与真空成型相反:在大约690 kPa的空气压力下使板材在模具的表面成型。这意味着可以实现更高水平的细节。模具上的表面细节将以比真空成型更精确的方式进行复制。压力成型可以更精确地控制表面粗糙度,从而具有功能性。但是,像真空成型一样,它只使用板材的一个面。

插塞辅助成型工艺技术说明:


插塞辅助成型用于将阴模成型的优点带入阴模零件,因为将软化的板材吹成气泡,均匀地拉伸,同时可以将板材装到阴模中产生更多的局部拉伸。模塞在板材成型之前拉伸板材,从而确保深型零件有足够的壁厚,否则会撕裂材料。当空气被抽出时,板材与模具轮廓是相符的,同时液压塞缩回。

双板热成型工艺技术说明:

双板热成型将两个板材加热并夹紧在一起,这样形成了封闭的薄壁产品。产品的两面都具有功能性,不像单片材仅一面具有功能性。

双板热成型中机器是旋转的。夹钳将板材转移到加热室中,将其加热至软化温度:然后进行热成型和夹紧;最后旋转搬移到卸货站。两张板材是逐一进行热成型的,一片在另一片之上。一旦完成加热,就把它们夹在一起。热成型的余热使得黏结处能够长时间地接触。这种黏结的强度与母体材料相似。

设计注意事项

热成型是浅型、薄壁零件的理想选择。通常情况下,深度超过直径是不实际的。材料可以使用插塞辅助成型在较深的型材表面上更均匀地拉伸。

模具表面的空气通道会留下轻微小凸起。通过使用微孔铝模具,可以将其从美观的表面上消除。这种材料的成型寿命要短得多,因为小孔最终会堵塞。然而,它们对于设计细节非常有用,否则就需要几百个空气通道(孔)。

模具表面有时需要纹理来辅助空气流通,避免形成气泡。这些被称为“开放纹理”。

单件进给热成型用于加工1~12mm的板材。卷料进给由卷轴供给,因此被限制为0.1~2.5mm。虽然有些机器能够处理2.5mx4m的板材,但零件的尺寸一般被限制在1.5mx3.5m。

在凸起或阳模上热成型时,起模角度是非常关键的。这是因为受热的塑料片会膨胀,随着它的冷却,收缩程度高达2%。不同的材料具有不同的收缩度。例如,ABS的收缩度为0.6%,高密度聚乙烯(HDPE)是2%。通常推荐2°的起模角度。

材料在热成型过程中会不断伸展,这一点在较深的和起伏的零件中更加突出。因此,必须注意避免三角相交的尖角。这些会导致材料过度变薄,从而导致出现薄弱环节。

适用材料   

虽然几乎所有的热塑性材料都可以热成型,但最常见的是ABS、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET,包括用乙二醇改性的PETG),PP、聚碳酸酯(PC),HIPS和HDPE。PETG 中的甘醇可降低脆性和减缓过早老化。PETG是透明的(几乎和PC-样),因此常常是照明扩散器和医疗包装的首选材料。

加工成本

根据零件的大小、复杂程度和数量,加工成本通常由低到高不等。最昂贵的是加工铝。压力成型的模具比真空成型要贵30%~50%,但仍然比注塑模具便宜很多。

热成型的加工周期取决于所选工艺和材料厚度。单片进给加工的话,通常每分钟生产1~8个零件。卷筒进料机通常加工周期更短,多腔模具每分钟可生产数百个零件。卷筒喂料机是自动化的,而单件喂料机通常是手工装载的,增加了劳动力成本。

环境影响

这个工艺只用于形成热塑性材料,因此大部分的废料都可以回收利用。提供挤压板材案例研究的Kaysersberg Plastics 公司仅产生1.4%的废料,其余的回收。



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