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塑料模具制造注塑PP/PE/PET产品设计初探
- 2018-08-01 -

塑料制作的设计过程

第一步 确定产品的最终使用要求 

第二步 产生初步的设计草图 

第三步 材料的初选 

第四步 根据材料的性能设计部件 

第五步 确定材料 

第六步 从加工角度改进设计 

第七步 制样模 

第八步 模具加工 

第九步 产品制造



第一步 确定产品的最终使用要求

  塑料模具制造全面准确的分析产品的类型和最终用途是整个产品开发过程的第一步。现对产品的性能进行定量而不是定性的分析: 

1)预测承载条件 首先必须确定承载的类型、速度、持续时间和频率等因素。 

2)预测环境条件 塑料材料的性能对环境十分敏感。必须给出制作使用时的温度、相对湿度、化学介质和辐射等条件,以及制作组装和贮存环境如颜料的烘烤、清洗剂、粘合剂等对性能的影响。 

3)尺寸要求 

4)执行条例与标准 

5)市场要求



第二步 初步设计草图

  采用计算机辅助设计部件的结构,即三维立体设计(3D)而不是CAD绘图。 

重要的制作部位在图中重点标出 ,利用它可分清哪些功能和尺寸是设定的,哪些是可以灵活调节的。



第三步 材料的初选

第四步 根据材料设计制件

第五步 确材料

  考虑每一个相关的因素:加工性能、产品性能、加工费用等。每个性能按优劣和重要性给与一定的比分,重要的占较大的比分,公正的按综合性能的分数值决定最后的选材。


第六步 从加工角度改进制件设计

  当选材和初步设计完成后,应从加工工艺角度进一步完善设计方案,此时要认真听取模具工程师和工艺工程师的意见。研制的产品其几何形状必须具有可模塑性。作为设计者应考虑注射成型加工的各种因素对产品设计的影响,注塑成型的各阶段分别是冲模、保压、冷却和顶出,每个阶段队制件的设计各有其特定的要求。


第七步 样模实验

第八步和第九步 模具加工和产 品制造 

  符合成型工艺特点的设计塑件必须考虑以下几个因素: 

(1)塑料的物理机械性能,如强度、刚性、弹性、吸水性以及对应力的敏感性。 

(2)塑料的成型工艺,如流动性。 

(3)塑料形状应用利于充模流动、排气、补缩、同时能适应高效冷却硬化。 

(4)塑件在成型后收缩情况及各向收缩率差异。 

(5)模具的总体结构,特别是抽芯与脱出塑件的复杂程度。 

(6)模具零件的形状和制造工艺。 

聚乙烯(PE)的性能 

聚乙烯(PE):抗潮性能优良,不受多数熔媒的侵蚀,化学浸出物少。在高温时性能不佳。 

高密度聚乙烯(HDPE):密度为0.955g/cm3,常被制成固体、液体药的容器。 

1.低密度聚乙烯(LDPE):密度为0.920g/cm3,常被制成膜、输液瓶、滴眼剂瓶。 

2、聚丙烯(PP) 

聚丙烯(pp)抗潮性能优良,不受多数溶媒的侵蚀,化学浸出物少,在低温时性能不佳。 

密度为0.910g/cm3,常用制成容器、膜。 

可通过双向拉伸、添加某些物质以改善成品的性能。 

3、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)的性能


聚对苯二甲酸乙二酯(PET)抗潮性能优良,不受多数熔媒的侵蚀,化学浸出物少,耐冲击性能不佳,高温性能不好。密度为1.3g/cm3. 

常被制成容器、膜、通常需加入10%纤维素以提高容器的刚性; 

可通过改性(PETG)以提高材料高温性能。 

二、注塑制件的制造工艺 

要设计一个塑料制件必须满足五个步骤: 

1、充模 

2、加压 

3、保压 

4、冷却 

5、脱模 

一、充模因素 

1)浇口因素:浇口的类型、数量和位置是影响塑料制件充模过程中的重要因素之一 。 

2)浇口设计影响到模塑过程中的充模、加压、和保压,而且对制件质量尺寸及使用性能和外观都有很大影响。 

3)浇口方式设计采用中心开浇口,它有利于平衡流动和自然排气,并且没有融合线。 

二 、充模取向 

1)在设计中,必须认识到几乎所有的注塑成型塑料制件内部都有某种程度的分子冻结取向。 

2)在充模阶段,随着溶体通过注嘴、流道、浇口被注入型腔,大分子会发生取向。在充模过程中由于靠近温度相对低的型腔和型芯壁的溶体最先冷却,这就导致了在溶体与固体层界面间产生较高的剪切应力,导致冷冻取向,这在注塑成型过程中是一个重要的问题,因此在设计时尽量避免生产过程中的难题出现造成注塑件成型不均匀。 

3)尖锐的拐角易产生取向,而扩大拐角半径会降低残余应力和使用负荷所引起的应力集中,在设计塑料制件时,理想的拐角应为大半径,壁厚均匀、流动过度平滑 。如图所示: 

三、充模压力损失 

与充模相关的压力降(或压力损失)受下面一系列因素影响: 

1)材料类型 剪切流动性;热性能;成型机 ;注射加压能力;螺杆/柱塞摩擦损失;机筒头部和注嘴损失。 

2)模具特性 热喂料或冷喂料; 浇道、流道、浇口和型腔的几何形状;制造材料;排气能力。 

3)加工条件 熔融温度和温度分布均匀性;模具温度和温度分布均匀性;注射速度/充模速度及分布。设计者必须估计制件或模塑条件。 

四、导流器、节流器与滞流 

1)导流器和节流器 

A 通过对制件的壁厚进行局部调整,可使压力降达到平衡,壁厚的局部增加称之为导流器。 

B 壁厚的降低称之为节流器 

C 节流器和导流器应设计在制件壁上并逐渐变细,以尽量减少因壁厚不均匀而导致的质量问题。 

2)滞流/分层 

许多塑料制件的壁厚实际上在各个部位是不同的,这种设计应尽可能避免。因为这种现象发生则薄壁部分充当了不必要的节流器,如果必须采用变化的壁后时应将变化幅度限制在最小值。 

3)多型腔和群模 

如果式样模或产量较低,可用一套具有流道合模沿口的多腔群模一次性注射这些不同的制件。 

如果制件产量很高而且稳定,多型腔模具一般比群模更可取。 

当必须采用群模时每个部分要有各自的冷却油路,型腔要进行单独的模压温度调整。 

4)从厚到薄开浇口 

如果注塑塑料制件壁厚必须变化不定,在最后的部位开浇口是较好的做法。 

因为模具厚的部分需要压实补偿,因此应位于浇口附近 . 

如果某种原因在模具的薄壁部位,则可采用内流道或加强筋来保证模塑过程中加压和保压期间流道畅通 

熔合线 

在充模过程中,当溶体流动前锋与某些后续部分分离或汇合时就形成熔合线。 

注塑制件的表面,熔合线的特征通常是肉眼可以看到的,他不仅影响美观而且熔合线的局部机械强度明显低于熔合线以外的其他部分,这对于承受动态负荷的制件来说应引起高度重视,由于焊接区域存在断裂问题,因此在设计结构时必须特别注意。造成熔合线的产生的原因有以下: 

A 不完善的分子缠绕/扩散 

B 冻结的分子取向 

C 熔结表面V形缺口的存在 

E 熔接界面处外来物质或较大空障的存在 

因此设计者要尽可能使流程缩短以提高焊接的强度,因为这样可在熔接处形成合适的溶体温度和型腔压力。熔合线的外观与流峰的特定汇合角度有关,如果采取熔接角度为120~150度时,熔合线便消失了。 

注塑成型制件的收缩和翘曲 

注塑成型工艺一般用于制造尺寸公差要求较高的制件。但是许多塑料的模压收缩率较大,而且模压收缩在各个方向上并不总是相同的。如果塑料材料表现出各向异性的收缩行为,型腔尺寸设计就不再是一个简单的“按比例”增加的过程。同时各向异性收缩将导致一定程度的制作翘曲或内应力。 

影响塑料制件尺寸的因素主要要以下几种: 

1、材料因素 无定性材料或半结晶材料、填料或增强剂含量及吸收水分的程度。 

2、制件几何形状 公称壁厚、壁厚变化、制件的总体尺寸、抗收缩性和斜度。 

3、模具因素 浇口的位置、壁厚变化、流道系统、模具冷却系统的设计、模具公差、顶出系统的设计和模具的弹性形变。 

4、工艺因素 熔体温度及其均一性,成型温度及其均一性,充填、加压以及保压压力,填充、加压以及保压时间,制件顶出温度,合模力,成型后定型/退火。 

塑件壁厚 

塑料成型工艺对制件壁厚有一定的限制,而塑件的厚度应满足强度、结构、重量、刚性及装配等各项使用要求,因此合理地选择塑件壁厚是十分重要的。 

从原则上讲,在满足使用要求外,塑件的壁厚应均匀一致,壁厚均匀一致有利于消除或减小塑件内应力,防止塑件翘曲变形或裂纹,亦可节省原材料和缩短成形时间。 

塑件壁厚与流程有密切关系 但我公司主要是药包材所以设计到流程考虑较少。 

2)线性模塑收缩率 

模塑收缩率的值本质上是热应变值,因此在设计制件尺寸时要考虑型腔尺寸、收缩率与制件尺寸之间的关系: 

型腔尺寸=制件尺寸/(1-模塑收缩率) 

(模塑收缩率可用实验测得。单位是in/in). 

是否能够达到注射成型制件的整体公差要求在很大程度上取决于能否正确预测收缩值的能力。 

冷却与固化 

在大多数情况下,制件冷却在模塑周期和制件生产过程中所占的时间较多。模塑制件冷却和再固化的速率受制件结构、模具、材料等诸多因素的影响,其中结构上则设计到壁厚等,作为设计者则可以确定制件壁厚或材料的改变对制件冷却的额时间从而对产品成本的影响。 

制件顶出 

在注塑过程的最后阶段,模具开启,制件从模具中顶出。最理想的情况应当是,制件顺利的脱落型腔或型芯,整个顶出过程不给模塑制件造成任何损坏和变形。 

塑料制件加工过程的难易程度是由设计者决定的,因此在设计制件时必须考虑到脱模问题。影响顶出难易程度及与顶出相关的模具造价方面的塑料制件设计因素主要有:斜度或锥度;表面光洁度;美观要求;倒角或孔的存在;顶出系统的固定或移动部分;分型线的位置。 

1)脱模斜度 

脱模斜度指平行于模具启闭方向塑件壁面的倾斜度,也泛指侧抽芯方向,如果塑件结构不允许,就要在模具上留有相应的工艺斜度,其所取的值必须在塑件的制造公差范围内,但最小不能小于10度。 

脱模斜度因成型塑料的种类、收缩率的大小、塑件的几何形状和厚度、模具的结构、表面粗糙度及加工方法、模塑的工艺条件等因素有关,PP/PE脱模斜度10~1度。 

2)、倒角和孔洞 

避免侧面凹凸 塑料制品壁侧面上局部凹凸,模塑制品模具通常需采用对开式凹槽,侧向抽芯、侧向滑块等抽芯机构,模具结构复杂,设计、制造费用大,且模塑周期长,因此,无特殊需要的情况下,设计塑料制件应尽量避免侧面凹凸。 

3、圆角 

在塑料制品内外表面的交接转折处,以及三个壁面结合处转角都应设计成圆角过渡,以便物料流动和消除应力集中,从而保证制品外观和内在质量,增加制品的强度,也有利于延长模具的使用寿命。 

理想的内圆角半径应是壁厚的1/4以上。制件内形边缘处的最小允许圆弧半径PS1.0~1.5。 

4、螺纹设计 

螺纹是用于塑料制品的紧固或与装配零件连接的一种常见形式。 

设计螺纹必须遵循的规则: 

三、塑件尺寸精度 

影响塑件尺寸精度的因素甚多,且十分复杂,但主要有以下因素 : 

1)材料因素的影响 

收缩率是影响塑件制件尺寸精度的最基本、最重要的因素。热固性塑料,通常比热塑性塑料的收缩波动范围小,一般为0.4%~0.5%,而热塑性塑料竟达2%。 

2)模具因素的影响 

3)设计因素的影响 

遵循塑件设计原则,合理确定其几何结构,正确选择塑件材料,充分考虑塑件成型工艺性,必要时可增设加强肋、金属嵌件等,已将低塑件的收缩率,借以提高塑件的尺寸精度稳定性。 

4)工艺因素的影响 

影响塑件尺寸公差的因素极其复杂,这就结合合理塑件公差带来困难。通常是借助于塑件尺寸公差标准,作为确定其尺寸精度等级标准。 

四、嵌件与塑料牢固连接的问题 

1、为了使嵌件牢固,嵌件表面必须设计有适当的伏陷物。 

2、金属嵌件嵌入部分的圆角,应有倒角。 

3、嵌件嵌入的深度应大于突起部分的高度 

4、嵌件嵌入制品的角度应稍低于制品厚度 

5、外螺纹的嵌件应在无螺纹部分与模具配合 

6、嵌件在模具内的固定部分采用间隙配合 

7、杆形嵌件的自由高度应不超过其定位部分直径的两倍。

 

  


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