工程吹塑零件设计

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1、工程吹塑零件设计一、简介 工程吹塑(EBM)程序的设计，需要不同于射出塑模的思考模式。设计师和工程师必须以空 心的双面结构为思考方向。他们必须了解如何充分利用这种构造，以及为什么在某些重要应用 场合中，这种固有的构造特别适合用于 EBM 组件。成功的零件设计，首要步骤便是了解吹塑 构造的优点，以及适用于哪些零件。 EBM 程序的基本元素如图 1 所示。原本 圆球状的聚合物，在送进挤出机器后，会熔 解至蓄积器的头部。一旦蓄积器头部所熔解 树脂到达所需数量后，一个撞槌便会推挤树 脂使其通过模具。一般情况下，机器会将圆 柱形的型坯垂直向下挤至两半模具之间。之 后模具将盖在型坯上，然后将气压导入型坯

2、中，使其膨胀并充满模具。当零件冷却后， 将模具开启，然后将零件剥下。二、制程配合 1、大型结构零件 当零件太大太厚而不能使用常规的射出塑 模时，设计者就必须考虑其它塑模的程序。 大的热塑型零件经常选择使用工程结构泡沫。 而除钣金和压模以外的其它选择，还有反应 射出塑模(RIM)、各种类型的压缩模 (SMC、BMC)、和树脂/玻璃纤维铸模。与其 它大部份程序不同的是，工程吹塑可以在单 一的制模程序中，制造复杂的双面零件。因 吹塑零件原本的结构就是空心的，所以若使 用一定数量的树脂，此结构能提供最大的转动惯量(I)。换句话说，与其它塑模方法比起来， EBM 所提供的塑模刚性对重量的比值最高。若能正

3、确使用贴焊(tack-offs)、结构肋、泡沫填充、 或模塑抗挠件，EBM 零件便能够发挥接近结构化“I“字梁的有效剖面性质，如图 2 所示。图 1 基本吹塑周期图 2 从 EBM 平面面板切开的剖面 - 类似 I 字梁结构2、空心零件 在设计水槽、压力管、空气导管、电线、电缆信道时，所使用的塑料零件都必须是空心的， 因此吹塑经常是唯一实用的制造方法。这些空心塑模的 EBM 零件，也可以当作组合结构的外 表皮。EBM 零件会填满泡沫塑料，以形成复合物的核心，同时增加所完成零件结构的硬度、 绝缘、及浮力。虽然吹塑成形的瓶子和容器已使用多年，但工程树脂的技术和可用性现在才能 让 EBM 空心零件符

4、合大部份严格的产品要求，例如使产品能承受高热度、内部压力、沉重负 荷、和严重冲击的要求。3、流体管理 EBM 程序能有效及经济地制造可储存、运输、控制、和散布液体、气体、粉末、和其它 流体及半流体物质之零件的能力，提供无限的设计可能性与自由度。高效能吹塑树脂与 EBM 处理技术优点的合并，已产生出储存槽、压力导管、热交换器、岐管、汽室、和其它液体管理 功能的复杂用法。4、动能管理 EBM 程序所产生的零件，在吸收和分散机械动能方面表现非常优异，特别是受到冲击时。 这些零件的双面截面，让它本身能有助于各种动能分散系统。以下是一些常用的动能管理概念 见图 4、5： 1） 在冲击区域内 EBM 零件

5、表面的弹性变形。理想的状况是，零件能完全恢复成其原来 的形状。请注意 EBM 零件的空心性质如何让它自己变形成原来的样子。 2） 密封 EBM 零件所产生的压力，是肇因于冲击时为分散所吸收的能量，而导致体积缩 小的缘故。如果零件通过尺寸适当的小孔排气，则有可能实现可控制的减震效果。 3） 压碎填充的泡沫或其它物质。这会使硬式泡沫产生永久变形无法恢复，但若 是弹性泡沫则变形将可以复原。 4） 有了适当的几何形状后，EBM 零件的设计便可以朝向能分散可观机械能量的方面进 行，您可透过有计画的粉碎结构、或在相对的表面之间填入物质以分散能量。这当然是使用一次的功能，特别适合用在运输设备上。5、需要模塑

6、插件或组件的零件 虽然大部份的塑料塑模程序能完成某些类型的插件塑模，但工程吹塑对塑模期间，对插件 大小、形状、材质、和支承件有少量的限制，这是因为此制程压力较低的缘故。图 6 所示为图 4 EBM 缓冲板图 5 填充泡沫塑料的 EBM 缓冲板EBM 插件用法的部份范例。6、模塑零件 制程的低压性质让插件的放置和固定变得很简单。同时，不能承受其它制程塑模压力的材 质，用吹塑就没问题。当使用不规则形状的插件时，所吹入的型坯会形成一个紧合，厚度相当 均匀的塑料壁会完全环绕插件。将此与其它会产生不均匀铸壁剖面的制程比较，如图 7 所示。 连接点所使用的螺纹插件，在塑模后几乎或完全隐藏在零件内。这让零件

7、的两侧都出现如图 8 的表面外观。7、低产量时的经济效益 因工程吹塑为低压的制程(100psi)，所以加工的结构要求比起高压射出制程来，一般都比 较不严格，也因此加工的成本较低。EBM 的低压性质同时也允许使用较便宜的材质，例如使 用铸铝和锌合金(kirk site)来制造模具。在许多情况中，原本因高加工成本和低预期制造量，而 不考虑用塑料塑模制造的零件，因 EBM 程序而变得经济且可行。三、EBM 设计程序 工程吹塑零件的设计必须重新定位设计师的某些想法。在设计大部份制程时，需要从单璧 的、实心的、以均匀材质构成的结构、或塑模成所需形状等因素等方面加以考量。在没有不良 效能、外观、或经济因塑

8、术素影响下，不得超过特定璧厚的限定尺寸。图 6a 模塑金属支架图 6b 模塑射出塑模插件图 7 插件的放置和固定图 8 几乎隐藏在 EBM 零件中 的模塑螺纹插件有了 EBM，设计师通常会以双璧的中空结构为考量。从设计和制程的观点来看，最接近 吹塑制程的零件制造方法为：将热成形真空或压力成形塑料片熔解至母模块孔中，然后在 做必要的修剪后，将两个或多个所形成的塑料片焊接成一组完整的空心零件。当然有了 EBM 之后，焊接作业和大部份的修剪并非绝对必要的，因为零件的两侧已组合在一起。EBM 的产 品开发观念，也与钣金制作所用的概念类似，设计师都必须弯曲、成形、和焊接金属片，并将 它们组合成密闭的方块

9、截面。图 9 所示为这些模拟。在铸造、压缩塑模和射出塑模中，必须考虑到所露出的表面几何形状可能会不同，因为它 们是由不同的模具表面所构成的。然而，截面厚度的考量限制了几何形状差异与塑模零件的横 截面厚度，特别是对射出塑模的限制。 结构性泡沫塑模的细胞状结构，使设计者在设计时较实心结构更能自由发挥，但此泡沫结 构在经济及重量的考量下，也有一些制程限制。 而相对地，EBM 让设计工程师拥有几乎完全的设计自由，其相对外表面可完全互不相关， 而横截面的厚度则比其它制程所允许的更厚。这种能轻易建构仿真高效率“I“字梁和方块 结构的能力，即是要求结构应用能自然配合工程吹塑的原因。参与设计 EBM 零件的工

10、程师应以下列观点来思考，并个别讨论以下部份内容： 1） 考虑指定应用场合所要执行的所有工作及功能，并尽可能将其合并成单一而有效率的 EBM 零件。以清除额外零件和组装作业为目标。 2） 根据空心的结构来计画和配置所有零件，此结构零件的外部表面即为零件。 3） 避免可能会在零件膨胀期间使聚合物变薄的几何形状，例如零件主表面上的突出或凹 陷的部份。这些将在吹塑率一节中详细讨论。 4） 在所吹出的全部零件表面上，应避免产生尖锐的边、内角、或突然的转变。这些内容 请见半径原则一节。图 95） 在与模具移动方向平行的所有零件表面上，应该有一些锥度或拔模角以利开启模具和 移除零件。 6） 在规划将模具分成

11、两部份的分模线时应特别小心，并将零件的外观、吹塑率、光洁度、 锐角、和拔模角的需求纳入考虑。 7） 您也可以利用吹塑零件的压缩塑模区域，规划螺纹、开口、敲出孔、细部刻字和标记 等细节。 8） 对于结构零件，其相对的表面通常会焊接在一起，焊点有一定距离，这是称为贴焊 (tack-offs)的压力焊接。 9） 在平面上使用已塑模的几何形状肋、角板、波浪板、皱折状、和其它几何形状的物质， 可以增加 EBM 零件的强度和刚性。 10）利用模塑插入物提供固定点，作为补强、执行其它功能或装饰用途可作为次要组件 的替代方案。 11）如有可能，请利用多个或组合的内腔的方式来生成 EBM 零件。这些通常都称为合

12、 切(2-up)或合切零件。四、吹塑率 吹塑过程牵涉到指定数量之聚合材质的膨胀，从高度可塑的中空型坯，变成总表面积大幅 扩张的空腔。当然，如果树脂的总体积不变，而表面积增加，那么壁厚势必减少。 请参考图 10，其中所绘为聚合物膨胀成模腔形状。请注意，最初的聚合物表面积原为 1 in，扩展成空腔后表面积变成 5 in。因体积固定，所以如果聚合物的厚度原为 0.1”，扩展之后 空腔内的平均厚度变为 0.02”。膨胀前的型坯部分图 10膨胀后的零件部分Atot=A1+A2+A3+A4+A5 V1=Atott1 因体积不变，V1=V0；所以， A0t0=Atott1t1=A0t0/Atot=0.100

13、”=0.020”然而请注意，图 10 中的简单关系并无法预测零件实际的最小膨胀厚度。其厚度会受到许 多几何与制程条件，以及树脂性质的影响。您可以用计算机软件预测最小的膨胀厚度。 您可以将型坯的膨胀与气球的膨胀相比较，气球在膨胀时会渐渐地变薄。就像气球一样， 其扩展也有一个限度，当超过这个限度后，部份的液态塑料型坯将会破裂或爆裂。虽然有许多 方法可以定义将型坯膨胀成空腔的限制，但为配合本文件，将使用称为吹塑率(BR)的简单几何 关联。基本上，要先根据图 11 中所示之零件的几何形状来定义此比值。事例 I 到事例 IV 将说 明各种简单几何形状、或基本图案之 BR 的原则。* 必须遵守最小半径和拔

14、模需求。图 11 决定吹塑率的一般原则 (BR)含平面应变伸展的凹陷在模具上的长公突起 事例 I.轴对称突起母模块腔事例 II.含平面应变伸展的突起母模具长信道* 平面应变是指发生在平面也就是二度空间上的所有伸展。事例 III.轴对称凹陷模具中的公插栓事例 IV.含平面应变伸展的凹陷在模具中的长公突起图 12 型坯膨胀的力学A 表示最初的膨胀和第一个冻结点。B 表示在完全接触到模具表面后，所预估的壁厚散布情形。五、半径原则 在 EBM 零件的设计中，通常不太实际、有时也不太可能形成锐转角或锐边。塑料塑模程 序通常会指定特定的最小半径，以维持良好的流通并避免应力集中以及零件中的冲击抗力不良。 E

15、BM 零件的强度和塑模性，同时取决于是否有充足的内角和边的半径。 如图 13 中所见，零件内角和边半径一般可分成两组，一组为零件外半径，一组为零件内 半径。型坯必须膨胀至模具中的半径称为零件外半径，而模具上的突起部份在零件上挤出内腔 或凹陷的半径称为零件内半径。一般而言，当型坯必须膨胀至模腔内时会发生较大规模的聚合 物伸展，也因此外半径一般都比较重要。在吹塑制模时指定较宽大的半径还有其它处理因素。如图 13 中所示，半径不足可能会有 以下结果： 聚合物可能会变得太薄、或在企图填满内角或边缘时吹破。 零件突出部份的顶端若有锐转角或半径很小在模具孔内，则可限制指定几何形状图 13 典型半径值类型

16、说明 值 紧 聚合物可能只伸展一点点、或根本没有伸展时 , 才能获得最小半径。 通常这些半径都位在分隔 线上。 模具中的半径为零时即可取得零件上的 这些值。 0.020 到 0.040 英吋 0.51 到 1.02 公厘 平均 大部份的半径都落在这个范围内。 使用平均的吹塑率。 0.060 到 0.200 英吋 1.5 到 5.08 公厘 大 用于水槽、箱子和其它横截面零件厚度较厚的 组件上。 也用于吹塑率非常大的几何形状，以 将聚合物的减薄情形减至最低。 超过 0.200 英吋 5.08 公厘 和材质所能达成的吹塑率。 模具孔入口处的锐转角和边，会阻碍型坯的流动，并导致可达成的吹塑率变薄或缩减。 即使零件吹塑正确，在这个位置的锐转角和边可能会大幅增加应力，并导致塑模零件 的弯曲强度、疲劳强度、冲击强度不良。1、 辐射状面板 EBM 平面面板的边和转角必须小心设计，以防止这个区域的材料变得太薄。面板的边缘 是定义为两个平面的交叉处，而转