CMF｜工藝－熱塑成型

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高分子材料大家都不陌生，橡膠、塑料、纖維這三大高分子材料早已被各位老司機們玩出許多花樣。

可能很多CMF萌新不太明白，高分子材料的名稱從何而來呢？

有過高中化學基礎的同學想必還記得聚合鏈這個概念，當幾百萬的有機物結構單元通過化學鍵（分子間的膠水）結合在一起時，就成為了擁有獨特的性能的材料。這種材料統稱為高分子，因為結構單元太多了，導致其相對分子質量很高。

簡單的說，我們稱呼一個人為胖哥，是因為它體重相對於平常人更高，高分子也一樣，相對分子質量太高，所以我們叫它高分子。

在高分子領域的分類上，分子量未達1000者稱為低分子，介於1000到10000者稱為準高分子或寡聚合體（Oligomer），大於一萬以上者稱為高分子（Polymer）。一般常用來做成型加工的塑料，其分子量大約在10000到100000之間，而分子量低於一萬的寡聚合體則常用來做紡織用樹脂、塗料、接著劑、合成樹脂等。

有機高分子材料作為生活中必不可少的一員，其加工方法很多。軍團之前也寫過一篇關於高分子材料加工的工藝：吹塑成型，鏈接在文末，感興趣的童鞋可以去點擊一下。

這次軍團又給大家帶來一個關於高分子材料的成型工藝：熱塑成型。

熱塑成型，又稱熱成型，是其核心原理很簡單，即將熱塑性塑料片材加熱至軟化，在壓力環境下，採用適當的模具或夾具進行加工，而使其成為製品的一種成型方法。

片材進料 / 輥式進料

熱塑成型進料方式有兩種：片材進料和輥式進料。

片材進料

片材通常被切割成適當尺寸以便手工裝載。一般用於重型產品應用，例如托盤，浴缸，淋浴盤和行李。

輥式進料

型材由來自輥軸的成卷材料提供。它有時被稱為「in-line」過程，因為它是在連續操作中進行熱成型，修整和堆疊等一系列操作。

以上兩種進料方式被廣泛用於生產各類包裝，從一次性食品包裝，到重型可回收運輸包裝都可以用熱成型進行生產。一些典型的例子包括透明塑料包裝，殼式包裝，化妝品包裝，飲料杯和箱包。熱塑成型也可以用來生產照明設備，浴缸和淋浴設備，花盆，標誌，自動售貨機，小型和大型儲罐，摩托車整流罩，汽車的內飾，飛機和火車相關設備，消費電子產品外殼和頭盔等。

真空成型 / 壓力成型 / 柱塞輔助成型 / 雙片材熱成型

熱塑成型的工藝有四種：真空成型、壓力成型、柱塞輔助成型和雙片材熱成型。

真空成型

真空成型是一個簡單的過程，並為其它成型技術基礎。真空成型也是這些片材成型方法中最簡單和最便宜的。將一片熱塑料吹入氣室中，然後吸到工具的表面上。它是一個單面工具，所以只有塑料的一面將受到其表面的影響。在壓力過程成形中，熱的軟化片材被壓入模具中。更高的壓力意味著可以模製更複雜的細節，包括表面紋理。對於相對體積小的物件，該過程能夠生產類似於注塑的效果。

首先將一片材料加熱至其軟化點。但要注意的是每種材料的軟化溫度是不同的，例如，聚苯乙烯（PS）的軟化點為127-182℃，PP為143-165℃。某些材料，如HIPS具有較大的操作窗口（即它們可成形的溫度範圍），這使得它們更容易熱成型。將軟化的塑料片材吹進氣室，使其以均勻的方式拉伸，然後氣流反向，將材料在大約14磅/平方英寸的壓力下，通過真空吸到模具表面上。為了有助於空氣的流動，氣流通道一般設計模具中，它們位於凹槽附近，以儘可能有效地利用空氣。

壓力成型

在壓力成形中，受熱軟化的塑料片被壓入模具中。高強度的壓力意味著可以塑造更複雜的表面和細節，包括表面紋理。其產能與注塑相似，比較低。

壓力成形與真空成形相反，在大約100psi的空氣壓力下，將板材模製在模具的表面上。這意味著可以實現更高水平的細節表現。模具上的表面細節將以比真空成形精確得多。表面光潔度也可以更精確地控制，因此功能性是很獨特的。

柱塞輔助成型

上述兩個方法可以在表面形成比較淺的幾何形狀。而對於加工表面要求凹凸較深的型材時，就要用到柱塞輔助成型，其塞子的作用是將軟化的材料推入凹槽，使其均勻拉伸。

塞輔助成形不僅具有陽模成型的好處，即軟化的片材可以吹入氣室中使其均勻地延伸，同時能將片材覆蓋到陰模中產生局部拉伸。液壓塞在板材成形之前會均勻推拉板材，對於深型材可以確保具有足夠的壁厚進行加工。否則，材料在抽出氣體貼合模具時將撕裂。當空氣被抽出時，片材貼合模具輪廓，此時液壓塞縮回。

雙片材熱成型

雙片材熱成型將上面這些工藝的特性與中空部件的生產相結合。實質上就是兩片材同時熱成型，並在它們在仍有溫度時粘合在一起。這種複雜的工藝比常規的熱成型更昂貴。

在雙片材熱成型中，兩個熱成型板材會被夾緊，形成封閉的薄壁產品。該產品的兩面都能進行熱成型加工，不像之前單面的加工工藝。首先夾具將片材轉移到加熱室中，升高到軟化溫度，然後上下模具閉合，吸出空氣讓板材熱成型。其中，兩個片材是單獨熱成型的，一旦產品完全形成，它們就被模具夾緊。來自熱成型的殘餘熱和長時間接觸使得他們緊密粘合。這種粘合具有與母體材料類似的強度。

較典型雙片材熱成型有吸塑包裝（氣泡包裝），就是很多朋友拿到手上就想捏爆的氣泡墊，它也是通過熱成型製成。材料在真空成型機的輥上連續生產，並且機器將材料層壓，以將空氣密封到單個泡罩中，為包裝物品提供保護性緩衝。

給設計師的tips

熱成型最理想的產品是表面淺層紋理且壁薄的產品，深度超過直徑的設計通常不實用。

如果採用插塞輔助成形的方法可以使材料在模具表面上更均勻地拉伸。

有時模具的表面必須設計出紋理，用來協助空氣流動，避免氣穴形成。這些紋理稱為「開放紋理」。

片材進料成型中，用於加工的板材一般是5毫米至12毫米。

輥式進料成型中，材料厚度是有限的，大致為o.1毫米至2.5毫米。

熱成型過程中，材料會先受熱膨脹，再冷卻收縮，收縮率最高高達2%。不同的材料有不同程度的收縮率：例如，ABS將收縮0.6%，而HDPE則為2%。所以設計時通常推薦2°的吃水角。

材料延伸時溫度會很高，高溫將造成材料成型後，更加起伏和不規則的表面。因此，設計時必須注意避免尖銳的角和三面角。不然將導致邊角太薄從而成為受力薄弱點。

關於材料和成本

幾乎所有的熱塑性材料都可以用熱塑成型加工，最常見的是ABS、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）（包括PETG，是PET改性乙二醇）、聚丙烯（PP）、聚碳酸酯（PC）、高抗沖聚苯乙烯（HIPS）和高密度聚乙烯（HDPE）。

成本方面，模具成本不定，主要取決於零件的尺寸、複雜度和數量。

而壓力成型的模具比真空成型貴百分之三十到五十，但總體仍要比注塑模具便宜。

熱塑成型另外一個考慮的成本是所選擇的工藝和材料厚度。片材進料成型過程通常每分鐘能生產1-8件。而輥式進料成型更快，在多腔工具中，每分鐘可以生產數百個產品。因為輥式進料成型是自動化的，而片材進料成型一般都是手工去裝配的，所以片材進料成型還增加了勞動力成本。

關於成型工藝我們已經聊到了吹塑成型、熱塑成型，工藝系列文章軍團將持續更新下去，下次我們聊旋轉成型、注塑成型，希望能對大家有幫助。

前不久軍團推出了吹塑成型技術，有興趣的童鞋可以點下方圖片回顧一下。