注塑成型缺陷解决手册——收缩与变形

本手册从注塑成型生产中最易出现的两类缺陷——收缩与变形入手，剖析了注塑产品变形的原因，从材料、产品设计、模具设计、注塑工艺以及后处理等几方面深入而系统地探讨了注塑件变形的根本原因和影响变形的各个因素。主要内容包括：注塑成型工艺简介，收缩和变形，模制品变化的原因（产品设计、材料、模具设计、工艺），影响后收缩和变形的因素，控制产品的后收缩和变形，计算机辅助分析，案例分析，塑料材料数据库。
本手册可为从事注塑生产相关工作的技术人员、塑料模具行业的技术人员提供实用性帮助，也可供高校相关专业的师生学习参考。

倪江良，德国KTK模具公司，模具工程师，从事注塑模具设计与制造以及注塑生产相关工作20年，在广东省机械模具科技科技促进协会兼职。业余时间为模塑企业做《系统模塑技术原理》培训，到目前为止辅导过的企业有：深圳东江模具，东莞智通模具，东莞汇美模具，苏州微注塑信息公司，顺德毅丰塑胶模具等。擅长模塑技术一体化，精通模具设计制造和注塑成型。

本手册系统地探讨了注塑产品变形的原因，从材料、产品设计、模具设计、注塑工艺，以及后处理等几方面深入而系统地探讨了注塑件变形的根本原因和影响变形的各个因素，进而指导生产者如何防止变形。
本手册主要内容包括：塑料注塑工艺介绍，收缩和变形，注塑件变化的原因：产品设计，注塑件变化的原因：材料，注塑件变化的原因：模具设计，注塑件变化的原因：工艺，影响后收缩和变形的因素，控制产品的后收缩和变形，电脑辅助分析，案例研究，数据库。

译者前言
科技进步推动社会经济高速发展，人们对商品的要求已经超越实用功能的需求，进入美感追求，因而对商品的设计质感和外观有了更高的要求。市场、客户、消费者因此对注塑零件质量提出了更高的要求，包括更好的设计质感、外观和更严格的尺寸精度。环境保护的压力也对注塑产品质量提出了更高的要求。为了增加产品的质感和美观，也为了遮盖产品一些外观缺陷，塑料产品常会增加后加工工艺。然而，后加工工艺如喷涂等带来了巨大的环境冲击。因此，从环境保护的角度出发，一些注塑件的喷涂后加工逐渐被取消，零件直接作为素材使用。这也对模塑技术提出了更高的要求。
劳动力成本逐年上涨，倒逼企业逐步推进自动化生产。在人工流水线时代，一些塑料零件尺寸或变形偏差稍大，还可以通过人工装配克服；而在自动化生产时代，必须严格满足设计的尺寸和变形要求，因为机械手没法像人一样主动去调整，即使稍作调整就能够满足装配要求。因此，自动化时代对注塑产品的尺寸和变形提出更高的要求。
注塑行业的技术人员迫切需要一些系统阐述注塑成型机理的书籍，从某一个问题切入，系统地从塑胶原料、产品设计、模具设计、注塑成型工艺各个方面阐述问题形成机理、解决方案和预防对策，以指导我们的工作，让我们能够更好地从原理层面理解问题，从而主动地按照原理的指导，高效地解决问题，预防问题。
Jerry M. Fischer先生的《注塑成型缺陷解决手册——收缩与变形》一书为如何制造具有精确形状和尺寸的模制品提供了专家级的权威指导，对影响结果的众多变量中的每个变量如何处理进行了详细阐述，并提出建议和给出一些硬核数据使读者能够预测变形，并将变形出现概率降到最低。可以说，这是一本大师级作品。
本书是一本专门讲述注塑产品变形机理和解决方案的技术专著，系统地从塑料材料、产品设计、模具开发和工艺设定以及后处理全方位进行阐述，以增进读者对变形机理的理解，并且通过数十个案例分析进一步帮助读者理解应用。虽然本书专注于收缩和变形问题，但非常系统，阐述得非常深刻。凡事钻之越深，涉及面必越广。译者认为，本书远不止是一本关于收缩和变形问题的专著，而是一本系统的、较为全面的模塑技术专著。深刻理解本书内容，不仅能够理解收缩和变形，指导我们主动管理和控制注塑产品的收缩和变形，而且对模塑技术将有一个全新的认识。本书能够帮助读者了解塑胶材料内在特性的规律，以及提供一些基于材料特性总结出来的设计和工艺指导原则，对于我们的工作将大有裨益。
Fischer先生在1975年创立了Tool and Troubleshooting, Inc.，专业为塑胶行业提供注塑、压缩、压铸和旋转模具。他的职业生涯涉及多个领域，从农业机械设计到太空设备设计，从液压系统设计到电气控制系统设计，然后到模具制作。Fischer先生曾经教授过CAD设计，而且撰写了相关教材Inside Design CAD，由New Rider 出版社出版。他在2005年获得SPE （Society of Plastic Engineers）的模具制作和模具设计部门颁发的模具设计师奖。
译者从事模塑行业二十多年，亲历了我国模塑行业二十多年来的巨变，经历了从手绘模具设计到现在全3D CAD加CAE联合仿真模具设计；也经历了从20世纪90年代使用雕刻仿型铣工艺加工模具的异形面，到现在3D打印技术在模具行业的逐步推广应用。科学技术的发展使得模具制作似乎变得比过去更简单。先进的高速CNC能够加工微米级的精度,CAD加CAE的联合设计使得我们更容易预测潜在的注塑问题，设计质量更高，这些都使得模具制作变得比过去更加容易。但更高的产品要求，加上新材料的不断出现，我们面临的问题和挑战比过去更多，有些时候难免会留下无穷遗憾。凭经验做事的时代已经过去，靠试误法解决问题已经无法适应行业要求，更谈何竞争力。模塑行业对人才的要求也大不同于以往，正如华南理工大学刘斌教授在《广东省模具产业技术路线图》一书中指出：“传统模具专业方向多采用偏机械学科性质的体系，但随着科学技术的不断发展，偏材料学科性质的体系得到快速发展……。成型工艺分析是模具产品链的‘灵魂’，需要较长时间的工作经验积累。”对于注塑成型和注塑模具行业来说，塑料材料是基础，其特性规律是我们进行产品设计、模具设计、工艺设计必须遵循的依据。我们不能违背其内在固有规律去设计，任何违背其规律的设计都将付出高昂的成本，而且无法获得满意的产品。
本书在翻译过程中得到华南理工大学刘斌教授的悉心指导，得到广东省机械模具科技促进协会秘书长柳亚强先生的大力支持。还有一些业内朋友不吝帮助，如Autodesk数字化制造部大中华区技术总监李建先生曾多次为译者解惑。在此表示诚挚感谢！
虽然已经尽最大努力竭力翻译此书，希望为广大同行读者奉献一本质量较高的中文版译著，但限于译者的水平，不足之处在所难免，恳请各位同行不吝指教！
Fischer先生在前言里的一句话：希望本书或其中个别章节能够帮助读者解决一些塑料产品问题，不论是哪些问题。借用作者的话，译者也希望此中文版本能够帮助读者解决一些塑胶产品问题，不论是什么问题。

倪江良




前言
模具厂和注塑厂面临着预测和控制其生产的塑料制品的收缩率问题。也许很难理解为什么得不到比一些出版物，如《现代塑料百科》，公布的更准确的收缩率。这些出版物公布的材料收缩率的范围，上限数据可比下限数据高100%。例如，出版物公布的聚丙烯（PP）的收缩率是1%~2%。这些数据变化范围如此大的原因，将在本书中讨论。
所有的材料在经历温度变化时，其尺寸都会发生变化。如果材料经过模铸成型，其尺寸会发生额外的变化。比如，材料经过模铸成型从液态变成固态时，其尺寸或多或少会发生变化。钢、铝、铜、铅、银和金都会发生这种变化。模铸金属加热变成液态，以能够灌注进入模腔，然后在模腔中冷却变成产品形状时会发生尺寸改变。最终制品的变形可能是由于加工过程中增加或降低了应力所致。
塑料的加工类似于金属材料的加工，在注塑过程中会发生同样类似的尺寸变化。塑料的物理特性比金属材料变化更多，因此使得尺寸变化状况更加复杂。塑料拥有纤维状的分子链，在加工中影响尺寸变化。有时塑料中会添加一些增强纤维，这进一步使得尺寸变化更加复杂。当树脂在流动时，其分子链和增强纤维倾向于沿流动方向自我定向，导致不均匀或者各向异性的尺寸变化。
注塑工艺天然地会在成型后的模制品内部形成应力，这是融胶在进入模穴时，其温度和模壁温度之间的巨大温差导致的结果。模制品表层几乎在接触模壁的瞬间即降到与模壁一致的温度，而其中心融胶却需要相当长的时间才能冷却。如果冷却是不对称的，不论是由于产品内外两边模壁温度不同，还是因为产品结构不对称性造成，产品都将倾向于变形。这种变形是因为不均匀冷却造成产品壁厚中心部分最后冷却形成拉应力，而表层产生压应力的结果。这些应力显著地影响模制品的使用性能。
填充速度影响流动程度和定向，从而产生应力。每个塑料分子的表现有点像橡皮筋，当其流进模具时，会伸展变直。由于模具冷却塑料很快，塑料分子的一些伸展部分被冻结，导致不同类型的模制品内应力。
许多塑料都会吸收不同的液体，而且受到环境变量如溶剂和紫外线的影响。添加剂，如着色剂，会引起塑料产品尺寸的变化。
对于塑料而言，不是所有影响模制品尺寸的变量都能被精确判定。就像没有人能够看见金属材料内部已有的应力一样，没有人能够精确地预测模制品内部塑料流动的模式和定向状况。本书收集了一些注塑成型的研究和实践知识，以帮助读者更精确地预测最终产品尺寸。本书还能帮助读者理解、避免和解决一些变形问题，以及在一些变形无法避免的情形下，提前做好准备和接受变形。
本书无意成为一本理论专著，或者包含许多公式以预测注塑过程中的塑料行为。这种类型的图书属于学院派的范围，是软件设计者所需要的。本书将为研究者、设备设计人员和软件开发者设计材料和设备改进时提供参考。书中塑料材料的一些通用规律将帮助产品工程师和模具设计工程师预测可能发生的问题，对收缩率做出明智的推测，认识到变形的典型原因，从而采取措施以避免，或者最大程度地减少不良品。
第1章简述了注塑成型基础知识，结晶性塑料和非结晶塑料在注塑过程的填充、保压、冷却过程中的显著特性。
第2章讲述如何测量收缩率，以及各向异性收缩或者不均匀收缩如何导致模制品产生内应力和变形；讨论不均匀收缩的原因和处理对策，以及产品注塑后在很长时间内的后变形如何发生；还讨论了长期收缩和短期收缩的不同，以及影响其变化的因素。
第1章和第2章可以说是本书其余章节的总体概述。
塑料产品设计者需要特别关注第3章和第4章。这两章对产品设计和材料选择有深刻的见解，对设计者有重要的指导意义。
第3章讨论了错误设计和有问题设计的影响。产品壁厚差异、加强筋、柱位和其他一些设计要素会导致收缩率变化，尽管模具制作者和模具设计者已经做出了最大的努力，还是不能弥补这些。
材料选择和变更的影响在第4章中讨论。塑料是原子或者分子的长链，其表现类似于纤维和橡皮筋。当微粒状或者纤维状材料，如云母或者玻璃纤维被添加进塑料，会极大改变原来塑料的收缩特性，以及材料的刚性、强度和蠕变性能。
流道和浇口的设计及位置影响模制品内部塑料填充模式。冷却通道和冷却方法影响冷却速度和冷却均匀性。第5章讨论模具特征的变化及其如何影响模制品的收缩和变形。一套设计合理的模具在一定程度上能够弥补产品设计的不足。如果你正在设计一套模具，则需要搞清楚第3章和第4章中提到的潜在问题。如果产品设计和材料选择有问题，需要尽早和客户讨论。当然，要在模具设计定案前讨论。模具设计者需要对注塑工艺和工艺工程师可能面临的问题有全面的了解。模具设计者应当能够预测和考虑注塑厂如何处理这些问题，就像自己可能要面临这些问题一样。模具设计者的工作做得越好，模具试模结果将越好，注塑者将越满意。
第6章讲述工艺变量及其如何影响模制品收缩和变形。该章提及了找到合理的注塑和冷却时间的方法，以及高模温和低模温各自的优缺点。注塑厂可能会认为自己被困在客户和模具厂之间，其必须处理客户造成的产品设计问题，以及根据模具厂的意图去处理这些问题。此章能够有所帮助，因为对于注塑厂来说，最好的工具就是对工艺选项和其效果的广泛理解。第6章还对其他一些注塑工艺，如气体辅助成型技术、水辅助成型技术做了简单介绍。
成型后收缩在第7章中有一些详细讨论，涵盖了温度、应力和吸液性对后收缩的影响。当产品注塑完成后冷却至室温就开始测量，这时获得的产品尺寸是不准确的。注塑者必须提前知道模制品在成型后随着时间推移，尺寸将发生新的变化，原因是长期应力松弛和环境因素的影响。
第8章是问题解决章。从某种意义上来说，该章是前面第1～7章更详细的总结。因为问题可能是前面章节所述的任何因素导致的。如果你熟悉注塑、模具设计和产品设计过程，那么本章能帮助你更快地找到解决问题的对策。
第9章的内容涵盖了当前电脑辅助分析（CAE）技术的状况，讨论了这些CAE软件对收缩和变形的预测，以及分析数据的精确性。这些分析需要预先设定一些假设，本章详细叙述了这些假设对分析结果的影响。
如果对一个特定产品的平均收缩率评估没有信心，那么最明智的做法就是与那些经常使用这些CAE软件进行填充、冷却、收缩分析的人签订技术合作协议。近年来,CAE软件有了巨大的发展。更方便的操作界面让使用变得更容易，也能获得比期望值更好的分析结果。现在的分析模块已经能够分析其他一些特殊注塑工艺，如气体辅助成型和水辅助成型工艺。就像其他所有的软件一样，这是一个持续发展和进步的行业，不断有新的、定期更新软件提供给用户。一个有经验的分析工程师更喜欢将软件的能力充分利用。分析工程师常常需要多次不断地分析以找到最佳对策，一个经验丰富的分析工程师将能更快地找到优化对策。当分析工程师在设定和选择输入变量时，如果做出不合理的选择，将会得到不好的结果。
我从1965年进入这个行业以来，遇到过许多有意思的问题，这些问题和对策会在第10章中加以介绍。
第11章中包含了大量数据，包括一些列表、图形和图表，这些数据对于评估收缩和变形会有帮助。
本书附录中包含一些常用单位换算信息，塑料行业常用的一些名词缩写和名词解释。
如果你是行业新人，希望本书能够帮助你更好地了解这个行业及其问题。对产品设计、模具设计和产品生产各个环节的困难有所了解对任何人而言都是有益的，不论你是从事OEM（原始设备制造）、产品设计、模具制造、注塑成型等工作，抑或只是一个产品终端使用者。即使是行业资深人士，也能从本书中获得新的或者独特的理念。希望本书能够帮助读者解决一些塑料产品问题。

Jerry Fischer 2003年元月

考虑到新开发的塑料材料和增强物特性，以及微注塑技术的发展，我修订了本书。CAE领域已经有了巨大的发展，因此第9章修订内容很多。许多全球范围内可以用到的材料的附加图表和图形已经加入本书。

Jerry Fischer 2012年5月

第1章注塑成型工艺简介
1.1塑料材料简介001
1.2交互性基础001
1.3热学原理控制注塑成型004
1.3.1填充004
1.3.2保压006
1.3.3冷却007
参考文献008

第2章收缩与变形
2.1注塑收缩009
2.1.1确定收缩率011
2.1.2模制品内应力012
2.2变形013
2.2.1收缩不均匀的常见原因015
2.2.2减小变形的原理016
2.3后收缩018
参考文献019

第3章模制品变化的原因：产品设计
3.1壁厚设计020
3.2加强筋设计022
3.3柱位设计025
3.4合理的产品设计范例026
3.5其他设计考虑027
参考文献028

第4章模制品变化的原因：材料
4.1非结晶型材料和半结晶型材料029
4.1.1非结晶塑料030
4.1.2半结晶塑料032
4.2填充物、加强物、染色剂、时间和应力的影响034
4.2.1填充物和纤维加强物的影响035
4.2.2减少纤维增强材料的影响038
4.2.3着色剂的影响041
4.2.4时间和应力对尺寸稳定性的影响042
4.3收缩率预测：使用压力-体积-温度（PVT）关系043
4.3.1PVT系统特性045
4.3.2预测注塑收缩率050
4.3.3预测变形055
4.3.4收缩预测的精确性056
参考文献058

第5章模制品变化的原因：模具设计
5.1型腔尺寸和设计因素059
5.2浇口类型061
5.2.1针（点）式、隧道式浇口和潜浇口062
5.2.2侧浇口和直侧浇口063
5.2.3扇形浇口064
5.2.4薄膜浇口、圆盘浇口和环形浇口064
5.2.5护耳式浇口065
5.2.6多浇口065
5.3浇口位置067
5.3.1侧边进胶、一端进胶和中心进胶067
5.3.2决定浇口位置的因素070
5.4浇口尺寸073
5.5浇注系统设计074
5.6流道设计075
5.6.1多穴模具设计076
5.6.2顶出083
5.7模具冷却设计084
5.7.1冷却水道084
5.7.2角落效应088
5.7.3壁厚变化089
5.7.4无流道模具089
5.7.5滑块089
5.7.6排气090
5.8模具材料090
5.9立体平板打印的样品模或者其他类似模具091
5.10需要避免的陷阱092
参考文献092

第6章模制品变化的原因：工艺
6.1注塑成型条件094
6.2注塑融胶温度098
6.3注塑速度和注塑压力099
6.3.1注塑速度100
6.3.2注塑压力101
6.4保压压力和时间102
6.4.1保压压力102
6.4.2保压时间104
6.5模具温度106
6.5.1预测模具温度的影响106
6.5.2模具温度和收缩的关系108
6.5.3产品壁厚和收缩的关系108
6.6顶出温度109
6.7模制品内应力111
6.8其他注塑成型工艺112
6.8.1熔芯注塑成型112
6.8.2气体辅助成型112
参考文献114

第7章影响后收缩和变形的因素
7.1温度对尺寸的影响115
7.2湿度对尺寸的影响118
7.3蠕变122
参考文献123

第8章控制产品的后收缩和变形
8.1寻找真因124
8.2工艺考虑125
8.2.1融胶温度及其均匀性126
8.2.2模具温度及其均匀性126
8.2.3填充、补缩及保压压力127
8.2.4填充、补缩及保压时间128
8.2.5顶出时产品温度129
8.2.6锁模力129
8.2.7产品顶出后定型和退火129
8.2.8厚壁和缩水痕的特殊问题130
8.2.9注塑机射嘴131
8.2.10收缩过度或收缩不足132
8.2.11二次加工132
8.2.12品质控制133
8.3材料考虑134
8.3.1填料或者增强填充材料的添加比例136
8.3.2吸液程度136
8.3.3回收料136
8.4模具考虑136
8.4.1浇口位置136
8.4.2浇口类型和浇口尺寸137
8.4.3流道系统138
8.4.4模具冷却布置139
8.4.5模具公差139
8.4.6拔模斜度140
8.4.7顶出系统设计140
8.4.8模具的弹性变形141
8.4.9模具磨损143
8.4.10模具脏污143
8.4.11模具活动零件的位置偏移144
8.4.12齿轮产品的一些特殊问题144
8.5产品几何结构147
8.5.1产品整体尺寸147
8.5.2产品壁厚147
8.5.3收缩限制特征148
8.6控制变形150
参考文献153

第9章计算机辅助分析
9.1CAA的能力155
9.2CAA的局限158
9.3CAA软件选择160
9.4客户要求162
9.5管理工具165
9.6填充分析165
9.6.1平展或者用户自定义166
9.6.2中间面有限元分析166
9.6.3双层面有限元分析167
9.6.4实体有限元分析167
9.7补缩和保压仿真172
9.8收缩和变形仿真173
9.9冷却分析174
9.10成本分析175
9.11结论176
参考文献177

第10章案例分析
10.1壳体产品的意外收缩178
10.2变更材料引发的变形179
10.3热水器底座的蠕变181
10.4尺寸变大的热固性醇酸树脂产品181
10.5低劣的婴儿餐盘模具182
10.6婴儿餐盘模具困气问题184
10.7线圈转子变形185
10.8菊花字轮开裂187
10.9PVC产品毛边问题188
10.10聚碳酸酯（PC）开关产品失效190
10.11方形扑克筹码托盘——射胶量不足190
10.12方形扑克筹码的顶出问题191
10.13军用杯材料“收缩”192
10.14型芯偏移问题193
10.15升降机凹形块变形195
10.16活塞杆导向器脆化197
10.17瓶盖螺牙变形197
10.18塑料路标杆蠕变199
10.19玻璃纤维填充尼龙材料的过度收缩199
10.20避免薄壁盖子变形200
10.21印刷电路板失效200
10.22杯子的手柄填充不满201
10.23热流道漏胶202
参考文献204

第11章塑料材料数据库
11.1无填充材料206
11.2填充物的影响207
11.3收缩与不同参数的关系213
11.3.1注塑温度与收缩的关系213
11.3.2融胶温度与收缩的关系214
11.3.3模具温度与收缩的关系215
11.3.4密度与收缩的关系（聚乙烯PE）216
11.3.5保压压力与收缩的关系216
11.3.6产品壁厚与收缩的关系217
11.4吸水性曲线219
11.5压力-体积-温度曲线221
11.6模制圆盘的收缩与变形234
11.7角度变形236
11.8常用材料的一般收缩特性240
11.9各种材料的收缩特性245
11.9.1聚对苯二甲酸丁二酯（PBT）（Crastin）（DuPont）245
11.9.2聚甲醛（POM）（Delrin）（DuPont）247
11.9.3聚碳酸酯（PC）250
11.9.4聚苯硫醚（PPS）（Fortron）251
11.9.5热塑性弹性体嵌段醚酯共聚物（TEEE）（Hytrel）（DuPont）253
11.9.6聚丙烯（PP）254
11.9.7聚对苯二甲酸乙二酯（PET）（Rynite）（DuPont）262
11.9.8聚醚酰亚胺（PEI）（Ultem）（GE Plastic）262
11.9.9液晶塑料（LCP）（Zenite）（DuPont）262
11.9.10聚酰胺（PA）（Zytel）（DuPont）264
参考文献269

附录A常用单位换算271

附录B常用名缩写和材料名272

附录C术语释义278