模具制造模具成形技术(热压成型工艺介绍及热压成型DFM设计指南)

一提到热压成型（或吸塑），我们就会想到日常生活中常见的各种小型、薄壁塑料包装盒产品。

鲜为人知的是，很多大型的厚壁塑料零件也可以通过热压成型进行加工，例如医疗设备的外壳。对于小批量生产的大型厚壁零件，相对于注塑成型，热压成型从成本角度来说是一个更加合理的选择。

本文将介绍针对大型厚壁零件的热压成型工艺（又称为厚板吸塑）、及其相应的DFM设计指南。

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热压成型工艺

2.1什么是热压成型

热压成型（thermoforming）是塑料加工业中简单、普遍之加工方法。

其原理是将预先裁好的片状或板状材料夹紧在成型机的框架上，让其在高弹态的适宜温度下加热软化，片材或板材一边受热、一边延伸，而后凭借施加的压力，使其紧贴模具型面，取得与型面相仿的形状，经冷却定型和裁剪修整后即得到塑料成品。

视频是一个零件的热压成型工艺过程。

2.2热压成型的分类

根据施压方式的不同，热压成型可分为真空成型、气压成型、机械压力成型和双片材热压成型等。

1.真空成型

真空成型是在模具型腔与片材之间形成真空，真空压力（一般为14psi）使得片材或板材紧贴模具型面。

▲真空成型

2.气压成型

气压成型是在片材的背面施加气压（一般为50psi，最大可到100psi）。气压成型可以加工较厚的片材，同时可以在零件上成型精细的特征、纹理和倒扣等。

▲气压成型

3.机械压力成型

机械压力成型是对片材直接施加机械力，一个与零件外观形状吻合的公模塞推动片材或板材，从而获得预定的形状。

▲机械压力成型

4.双片材热压成型

与其它热压成型不同，双片材热压成型使用两片片材，从而可以生产一种双面中空的箱体零件，外部两侧都可以具备特征。

双片材热压成型扩展了热压成型的应用，在有些场合可以替代旋转成型和吹塑成型，以生产中空的箱体零件。

▲双片材热压成型

2.3热压成型优缺点

热压成型的优点包括：

适用范围广。热压成型可生产的最小零件是药片的包装材料或手表用的电池，也可以生产非常大的零件，比如3～5m长的船体。成型材料的厚度从0.05～15mm，对于发泡材料，厚度可达到60mm。设备成本低。由于采用低的压力，不需要复杂的模具结构和昂贵的模具材料，因此模具费用低，零件成本非常具有竞争优势，是大型零件样品和小批量生产时的理想工艺。模具简单，交货周期短，从设计到成品的时间也就比较短。由于模具费用低，交货周期短，这也使得零件的设计修改变得非常容易。热压成型使用片状塑料，具有较高的质量和耐久性。几乎所有的热塑性塑料皆可以热压成型。可制造大型零件，可将原本由多个零件组成的产品简化成一个零件，节省材料成本和装配成本。是钢和玻璃纤维的理想替代品。热压成型零件并不比钢和玻璃纤维强度低，同时重量轻、耐腐蚀、比玻璃纤维延展性更好。

热压成型的缺点包括：

热压成型要求零件壁厚应很难控制，不能按照要求加工壁厚相差悬殊的零件。热压成型零件深度受到一定限制，一般情况下容器的深宽比为0.5~2，理想的深宽比小于1。零件的精度较差，相对误差一般1%以上。采用热压成型法不仅很难保证不同零件间结构或尺寸的一致性，同一零件各部位壁厚的均匀性也很难保证，另外，真空成型过程中模具的某些细节并不能完全反映到零件中。热压成型所用的材料是片材，这些片材是用粒料或粉料制得的半成品。因此，与注塑成型等其它塑料成型工艺相比，热压成型的原料会增加额外的成本。热压成型后需要对片材进行切割，增加了工艺的复杂度，同时切割下的边角料并不能直接回收。片状塑料在成型时可能由于过度拉伸而断裂。不容易加工具有尖锐折弯和转角的零件。

2.4适合热压成型的材料

常见的热压成型的塑料包括PS、HIPS、PE、PP、ABS、PVC、PVC/ABS、PMMA、PVC/PMMA、PC、PC/ABS、TPO和PETG等。

2.5热压成型的应用

热压成型工艺的多功能性和成本效益使其成为各种工业应用的理想选择。热压成型零件通常用于替代金属钣金件，相对于玻璃钢(纤维增强塑料)零件以及树脂传递模塑(RTM)工艺制造的零件，也具有一些独特的优势。

热压成型工艺广泛应用于医疗、汽车和航空航天等领域。

医疗：诊断和成像设备外壳、床和家具部件、辅助设备以及墙壁和天花板面板汽车：仪表板、座椅组件、内饰板、保险杠和风道航空航天：空气管道、座椅组件、内部面板、厨房设备和窗帘公共交通：内部和外部车辆面板、座椅组件、仪表板和灯具办公设备：传真机、打印机、计算机和复印机外壳、电源板、墙板和天花板以及家具

▲医疗设备外壳

▲火车座椅

▲航空座椅

▲叉车面板

▲无人驾驶设备外壳等零部件

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热压成型DFM设计指南

2.1零件尺寸设计

热压成型是将二维平面塑料片材拉伸成复杂三维几何形状（想象一下：将一个气球吹成helloKitty）。随后，成品零件的壁厚将小于最初的片材厚度，随着拉伸比和深宽比在整个零件中变化。

▲厚度变化（单位：mm）

因此，设计热压成型零件尺寸时，所有尺寸都必须标注在与模具接触的这一侧，而在另一侧则难以管控。

如果热压成型使用的是一个凸模模具，则尺寸标注在零件内侧。

如果热压成型使用的是一个凹模模具，则尺寸标注在零件外侧。

▲尺寸标注靠近模具侧

2.2牵伸比

牵伸比是热压成型成品零件的一侧总表面积与初始塑料片材表面积的比值。

一般来说，拉伸比不能超过3:1。

2.3深宽比

深宽比是热压成型成品零件最深处的深度与最小开口距离的比值。

一般来说，深宽比不能超过1:1。

2.4圆角

在壁与壁的连接处，需要添加圆角或斜角，避免尖角的设计，这一点对于最深处的三边交界处最为重要。

▲壁与壁连接处避免尖角

圆角越大，零件各区域的壁厚的均匀性越好、零件强度越好。

▲添加圆角后，壁厚均匀分布

如果圆角过小，容易造成角落处壁厚过薄，强度低，同时产生应力集中。一般来说，为避免应力集中，圆角应至少为此处壁厚的75%。

▲圆角与应力

零件越深，所要求的最小圆角也越大。

▲最小圆角的设计

最小圆角的大小与塑料有关系。相对PC和PE，ABS和PVC允许更小的最小圆角。

最小圆角的大小与热压成型的工艺类型有关系。相对真空成型，气压成型允许更小的最小圆角。因此，气压成型常用于形状结构较复杂的零件。

在允许的情况下，圆角越大越好。

2.5倒扣

倒扣是热压成型零件上很有价值的特征，用于增加零件强度、提供卡扣功能和固定特征、以及隐藏裁剪痕迹等。

需要正确的设计倒扣，避免倒扣太狭长以及倒扣无法脱模。

A、外侧倒扣B、双重倒扣C、太狭长D、无法脱模

▲倒扣的设计

2.6脱模斜度

为了使得零件能够从模具中顺利脱出，需要设计一定的脱模斜度。

使用凸模成型的零件，脱模斜度为4度~6度；使用凹模成型的零件，脱模斜度为1.5度~2度；0度的脱模斜度也有可能，不过模具需要复杂运动结构。零件表面有咬花、或零件结构越复杂，需要加大脱模斜度

▲脱模斜度

相对于凹模，凸模要求更大的脱模斜度，这是因为塑料收缩时会夹紧凸模。

如果脱模斜度过小，当塑料片材在模具中伸展时，第一个接触点冷却较快，这会减少塑料的流动性，使得材料不能均匀的分布，从而在零件表面产生皱纹。

▲皱纹

2.7加强筋

加强筋用于增加热压成型零件的强度。

▲用于提高零件强度的加强筋设计

热压成型零件加强筋的设计结构，与注塑成型零件不同，需要设计成如图所示：

加强筋的外侧宽度最少为1.75倍加强筋的深度；壁厚越厚，加强筋的宽度要求越宽；气压成型，加强筋之间的距离至少为1倍加强筋深度。气压越大，距离越宽。

▲加强筋的设计

2.8壁与壁的夹角

在零件垂直剖面上，壁与壁的夹角越大越好。

▲壁与壁的夹角

2.9公差

热压成型的通用公差标准如下表所示：

▲热压成型的公差

最后的话

使用热压成型来制造大型厚壁零件，是一个相对较新和相对冷门的工艺。

在一些小批量生产的场合，相对于金属、玻璃纤维、或者注塑成型加工的塑胶件，热压成型是成本上更优的选择，可以作为降本设计的一个手段。

热压成型的设计和结构并不像我们想象中的那么简单，一篇文章也很难涉及方方面面，我们真正去设计热压成型时，还需要主动去搜索学习更多的资料。

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作者简介：钟元，著有书籍《面向制造和装配的产品设计指南》和《面向成本的产品设计：降本设计之道》

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