產品設計工藝知多少——熱成型

工業設計公司接觸的產品千差萬別，并非所以的產品都需要成千上萬的批量生產。還有一些產品只是需要幾百或者幾十件的產量，比如大型醫療產品。

面對這種情況使用注塑的開模費用相對而言就不夠劃算了，產品設計師可以考慮給甲方推薦板材熱成型工藝，能夠輕松達到產品外觀的復雜造型設計要求。

熱成型加工工藝中，熱塑性板材利用熱量和壓力成型。低壓加工比較便宜且用途廣泛，采用較高壓力則可以產生與注塑成型相似的表面粗糙度和細部結構。

今天赫茲工業設計小編給諸位介紹一下熱成型工藝：

工藝簡介

有兩種不同的熱成型方式：單件進給和卷料進給。單件進給熱成型適用于體量較大的產品，如托盤、浴缸、淋浴盆和行李箱。通常將板材切割成一定尺寸并由手工裝載。另外一種方式是采用卷筒進料的形式，其過程是將卷軸上的卷材作為材料來源而持續加工。通常這種加工形式也叫作在線加工，因為它在連續操作中熱成型、修整和堆疊。

熱成型包括真空成型、壓力成型、插塞輔助成型和雙板熱成型。

真空成型是板材成型工藝中最簡單、成本最低的一種。主要流程為：將一張熱塑料吹入氣泡，然后使其吸附在模具表面。模具為單面形態，因此只有塑料的一面會受到其表面的影響。在壓力成型中，熱軟化板材在壓力的作用下進入模具。壓力越高，意味著可以塑造更精細復雜的細節，包括表面紋理。對于體量較小的零件加工，此工藝可以達到類似注塑成型加工的零件水平。

這兩種工藝適合用于塑造位移量較小的淺型幾何形狀。對于有一定深度的形體，工藝中需要借助插塞輔助。塞子將軟化的材料推入凹槽，并使其均勻拉伸。

雙板熱成型則是結合了這些工藝的特點，用于空心零件的加工要求。兩張板材基本上是同時熱成型的，并且在它們保持較高溫度的時候粘在一起。這種工藝比較復雜，因而加工成本也比傳統的熱成型更高。

典型應用

熱成型工藝被廣泛用于生產各種產品，從一次性食品包裝到重型可回收運輸包裝。一些典型的例子包括透明塑料包裝、翻蓋式包裝、化妝品托盤、飲水杯和公文包。

該工藝還可用于生產照明擴散設備，浴缸和淋浴盆，花盆，指示牌，自動售貨機，小型或大型水箱，摩托車整流罩，汽車、飛機和火車的內飾，消費電子產品的外殼和防護頭盔。

吸塑包裝（氣泡膜包裝）是采用熱成型工藝制成的。它是在真空成型機的滾軸上連續生產的，形成薄片并將空氣密封到單獨的氣泡中，為所包裝的貨物提供保護性緩沖。

真空成型模具非常便宜，因此適用于原型制造和小批量生產。

相關工藝

低壓熱成型技術用途廣泛，價格低廉。這是因為它使塑料塑化為軟化的薄板，而不是形成大量的熔融材料。這使得熱成型有別于其他許多塑料成型工藝。

然而，使用板材小幅增加了材料成本。為了將這一影響最小化，一些工廠使用自己擠出的材料進行生產。

壓力成型可以產生與注塑成型相似的表面粗糙度。雖然壓力成型使用的模具更昂貴，但對于一些應用來說，會比注塑成型的花費少。這是因為它使用的是單面模具，而不是注塑成型所需的成對模具。

雙板熱成型用于生產3D空心幾何形狀。類似的零件可以通過吹塑成型和旋轉成型來生產，但熱成型的好處是它對于大型的平板來說是理想的。另外，兩面不限于相同的顏色，甚至不限于同種材料。

材料的發展意味著雙板熱成型產品有時會具有合適的特性，適合于以前由復合層壓成型工藝制成的零件。

加工質量

加熱并形成一張熱塑性塑料片，然后拉伸它。一個設計合理的模具將以均勻的方式牽拉它。否則，材料的屬性將基本保持不變。因此，模具表面處理工藝、成型壓力和材料這三者將決定表面粗糙度。

熱成型塑料板材與模具接觸的那一面與壓力成型的零件相比，表面粗糙度要大一些，但反面則平滑無瑕。因此，零件通常被設計成與工具接觸的一側在應用中被隱藏起來。模具可以向外（凸型）或向內（凹型）彎曲。壓力成型可產生較小的表面粗糙度和完美的細節再現。

設計機遇

熱成型通常在單個模具上進行。在真空成型過程中，模具可以由金屬、木材或樹脂制成。木材和樹脂是原型制造和小批量生產的理想模具材料。一個樹脂工具可以持續循環使用10至500次，具體次數取決于形狀的復雜程度。想要生產更多產品，則使用鑄造或機械加工的鋁模具。

類似于其他模制操作，插入物可以用來形成凹入角度。它們通常通過手動插入和移除。成型后的零件加工或切割有時會產生同樣的效果。否則，零件可以單獨模制并焊接在一起。

許多熱塑性材料適合熱成型加工。而且，每一種材料都具有眾多的裝飾與功能優勢?，F在已開發出更多熱成型材料，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。

多層材料是混合擠壓成型的，有諸多優點。例如，可避免潮濕或細菌污染，具有不同的顏色，以及將再生材料夾在各層之間以節約能源。

熱成型工藝可以制造有紋理的板材（左圖）。通常，板材的一面有紋理，不貼著模具的一面是光滑的。材料制造商可鑄造或擠壓形成一系列的標準紋理，如磨砂、毛糙、鏡片、浮飾和浮雕。

雙板熱成型能生產3D中空零件。優點在于輕質與剛性、絕緣性，以及可以使用兩種獨立的材料（上部和下部）。單板熱成型的零件通常只有一面是功能性的，而雙板熱成型的兩個表面都是功能性的。

泡沫可以被制造為雙板板材，或者在成型后進行注塑，以增加剛性和強度

熱成型工藝詳細對比

技術說明

真空成型工藝技術說明：

真空成型是一種簡單的工藝，為其他熱成型技術提供了基礎。將一片材料加熱到其軟化點。每種材料的軟化點都是不同的。例如，聚苯乙烯（PS）的軟化點為127～182℃，聚丙烯（PP）材料的軟化點為143～165℃。某些材料，例如高抗沖聚苯乙烯（HIPS），具有較大的操作空間（因為適合模鍛的溫度范圍比較大），這使得它們更容易熱成型。

將軟化的塑料片吹成氣泡，均勻地拉伸。然后反轉氣流，把模具推到板材上。通過約96 kPa的真空將材料吸到模具的表面上。在工具上打孔以便空氣流通，孔位于模腔的凹進處，并穿過模具表面以盡可能有效地抽出空氣

壓力成型工藝技術說明：

壓力成型與真空成型相反：在大約690 kPa的空氣壓力下使板材在模具的表面成型。這意味著可以實現更高水平的細節。模具上的表面細節將以比真空成型更精確的方式進行復制。壓力成型可以更精確地控制表面粗糙度，從而具有功能性。但是，像真空成型一樣，它只使用板材的一個面。

插塞輔助成型工藝技術說明：

插塞輔助成型用于將陰模成型的優點帶入陰模零件，因為將軟化的板材吹成氣泡，均勻地拉伸，同時可以將板材裝到陰模中產生更多的局部拉伸。模塞在板材成型之前拉伸板材，從而確保深型零件有足夠的壁厚，否則會撕裂材料。當空氣被抽出時，板材與模具輪廓是相符的，同時液壓塞縮回。

雙板熱成型工藝技術說明：

雙板熱成型將兩個板材加熱并夾緊在一起，這樣形成了封閉的薄壁產品。產品的兩面都具有功能性，不像單片材僅一面具有功能性。

雙板熱成型中機器是旋轉的。夾鉗將板材轉移到加熱室中，將其加熱至軟化溫度：然后進行熱成型和夾緊；最后旋轉搬移到卸貨站。兩張板材是逐一進行熱成型的，一片在另一片之上。一旦完成加熱，就把它們夾在一起。熱成型的余熱使得黏結處能夠長時間地接觸。這種黏結的強度與母體材料相似。

設計注意事項

熱成型是淺型、薄壁零件的理想選擇。通常情況下，深度超過直徑是不實際的。材料可以使用插塞輔助成型在較深的型材表面上更均勻地拉伸。

模具表面的空氣通道會留下輕微小凸起。通過使用微孔鋁模具，可以將其從美觀的表面上消除。這種材料的成型壽命要短得多，因為小孔最終會堵塞。然而，它們對于設計細節非常有用，否則就需要幾百個空氣通道（孔）。

模具表面有時需要紋理來輔助空氣流通，避免形成氣泡。這些被稱為“開放紋理”。

單件進給熱成型用于加工1～12mm的板材。卷料進給由卷軸供給，因此被限制為0.1～2.5mm。雖然有些機器能夠處理2.5mx4m的板材，但零件的尺寸一般被限制在1.5mx3.5m。

在凸起或陽模上熱成型時，起模角度是非常關鍵的。這是因為受熱的塑料片會膨脹，隨著它的冷卻，收縮程度高達2％。不同的材料具有不同的收縮度。例如，ABS的收縮度為0.6％，高密度聚乙烯（HDPE）是2％。通常推薦2°的起模角度。

材料在熱成型過程中會不斷伸展，這一點在較深的和起伏的零件中更加突出。因此，必須注意避免三角相交的尖角。這些會導致材料過度變薄，從而導致出現薄弱環節。

適用材料   

雖然幾乎所有的熱塑性材料都可以熱成型，但最常見的是ABS、聚對苯二甲酸乙二醇酯（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減緩過早老化。PETG是透明的（幾乎和PC-樣），因此常常是照明擴散器和醫療包裝的首選材料。

加工成本

根據零件的大小、復雜程度和數量，加工成本通常由低到高不等。最昂貴的是加工鋁。壓力成型的模具比真空成型要貴30％～50％，但仍然比注塑模具便宜很多。

熱成型的加工周期取決于所選工藝和材料厚度。單片進給加工的話，通常每分鐘生產1～8個零件。卷筒進料機通常加工周期更短，多腔模具每分鐘可生產數百個零件。卷筒喂料機是自動化的，而單件喂料機通常是手工裝載的，增加了勞動力成本。

環境影響

這個工藝只用于形成熱塑性材料，因此大部分的廢料都可以回收利用。提供擠壓板材案例研究的Kaysersberg Plastics 公司僅產生1.4％的廢料，其余的回收。