注塑成型缺陷解決手冊：收縮與變形(原著第2版)(精)（簡體書）

譯者前言
科技進步推動社會經濟高速發展，人們對商品的要求已經超越實用功能的需求，進入美感追求，因而對商品的設計質感和外觀有了更高的要求。市場、客戶、消費者因此對注塑零件質量提出了更高的要求，包括更好的設計質感、外觀和更嚴格的尺寸精度。環境保護的壓力也對注塑產質量量提出了更高的要求。為了增加產品的質感和美觀，也為了遮蓋產品一些外觀缺陷，塑料產品常會增加後加工工藝。然而，後加工工藝如噴塗等帶來了巨大的環境衝擊。因此，從環境保護的角度出發，一些注塑件的噴塗後加工逐漸被取消，零件直接作為素材使用。這也對模塑技術提出了更高的要求。
勞動力成本逐年上漲，倒逼企業逐步推進自動化生產。在人工流水線時代，一些塑料零件尺寸或變形偏差稍大，還可以通過人工裝配克服；而在自動化生產時代，必須嚴格滿足設計的尺寸和變形要求，因為機械手沒法像人一樣主動去調整，即使稍作調整就能夠滿足裝配要求。因此，自動化時代對注塑產品的尺寸和變形提出更高的要求。
注塑行業的技術人員迫切需要一些系統闡述注塑成型機理的書籍，從某一個問題切入，系統地從塑料原料、產品設計、模具設計、注塑成型工藝各個方面闡述問題形成機理、解決方案和預防對策，以指導我們的工作，讓我們能夠更好地從原理層面理解問題，從而主動地按照原理的指導，高效地解決問題，預防問題。
Jerry M. Fischer先生的《注塑成型缺陷解決手冊——收縮與變形》一書為如何製造具有精確形狀和尺寸的模制品提供了專家級的權威指導，對影響結果的眾多變量中的每個變量如何處理進行了詳細闡述，並提出建議和給出一些硬核數據使讀者能夠預測變形，並將變形出現概率降到最低。可以說，這是一本大師級作品。
本書是一本專門講述注塑產品變形機理和解決方案的技術專著，系統地從塑料材料、產品設計、模具開發和工藝設定以及後處理全方位進行闡述，以增進讀者對變形機理的理解，並且通過數十個案例分析進一步幫助讀者理解應用。雖然本書專注於收縮和變形問題，但非常系統，闡述得非常深刻。凡事鉆之越深，涉及面必越廣。譯者認為，本書遠不止是一本關於收縮和變形問題的專著，而是一本系統的、較為全面的模塑技術專著。深刻理解本書內容，不僅能夠理解收縮和變形，指導我們主動管理和控制注塑產品的收縮和變形，而且對模塑技術將有一個全新的認識。本書能夠幫助讀者了解塑料材料內在特性的規律，以及提供一些基於材料特性總結出來的設計和工藝指導原則，對於我們的工作將大有裨益。
Fischer先生在1975年創立了Tool and Troubleshooting, Inc.，專業為塑料行業提供注塑、壓縮、壓鑄和旋轉模具。他的職業生涯涉及多個領域，從農業機械設計到太空設備設計，從液壓系統設計到電氣控制系統設計，然後到模具製作。Fischer先生曾經教授過CAD設計，而且撰寫了相關教材Inside Design CAD，由New Rider 出版社出版。他在2005年獲得SPE （Society of Plastic Engineers）的模具製作和模具設計部門頒發的模具設計師獎。
譯者從事模塑行業二十多年，親歷了我國模塑行業二十多年來的巨變，經歷了從手繪模具設計到現在全3D CAD加CAE聯合仿真模具設計；也經歷了從20世紀90年代使用雕刻仿型銑工藝加工模具的異形面，到現在3D打印技術在模具行業的逐步推廣應用。科學技術的發展使得模具製作似乎變得比過去更簡單。先進的高速CNC能夠加工微米級的精度,CAD加CAE的聯合設計使得我們更容易預測潛在的注塑問題，設計質量更高，這些都使得模具製作變得比過去更加容易。但更高的產品要求，加上新材料的不斷出現，我們面臨的問題和挑戰比過去更多，有些時候難免會留下無窮遺憾。憑經驗做事的時代已經過去，靠試誤法解決問題已經無法適應行業要求，更談何競爭力。模塑行業對人才的要求也大不同於以往，正如華南理工大學劉斌教授在《廣東省模具產業技術路線圖》一書中指出：“傳統模具專業方向多采用偏機械學科性質的體系，但隨著科學技術的不斷發展，偏材料學科性質的體系得到快速發展……。成型工藝分析是模具產品鏈的‘靈魂’，需要較長時間的工作經驗積累。”對於注塑成型和注塑模具行業來說，塑料材料是基礎，其特性規律是我們進行產品設計、模具設計、工藝設計必須遵循的依據。我們不能違背其內在固有規律去設計，任何違背其規律的設計都將付出高昂的成本，而且無法獲得滿意的產品。
本書在翻譯過程中得到華南理工大學劉斌教授的悉心指導，得到廣東省機械模具科技促進協會秘書長柳亞強先生的大力支持。還有一些業內朋友不吝幫助，如Autodesk數字化製造部大中華區技術總監李建先生曾多次為譯者解惑。在此表示誠摯感謝！
雖然已經盡最大努力竭力翻譯此書，希望為廣大同行讀者奉獻一本質量較高的中文版譯著，但限於譯者的水平，不足之處在所難免，懇請各位同行不吝指教！
Fischer先生在前言裡的一句話：希望本書或其中個別章節能夠幫助讀者解決一些塑料產品問題，不論是哪些問題。借用作者的話，譯者也希望此中文版本能夠幫助讀者解決一些塑料產品問題，不論是什麼問題。

倪江良




前言
模具廠和注塑廠面臨著預測和控制其生產的塑料制品的收縮率問題。也許很難理解為什麼得不到比一些出版物，如《現代塑料百科》，公布的更準確的收縮率。這些出版物公布的材料收縮率的範圍，上限數據可比下限數據高100%。例如，出版物公布的聚丙烯（PP）的收縮率是1%~2%。這些數據變化範圍如此大的原因，將在本書中討論。
所有的材料在經歷溫度變化時，其尺寸都會發生變化。如果材料經過模鑄成型，其尺寸會發生額外的變化。比如，材料經過模鑄成型從液態變成固態時，其尺寸或多或少會發生變化。鋼、鋁、銅、鉛、銀和金都會發生這種變化。模鑄金屬加熱變成液態，以能夠灌注進入模腔，然後在模腔中冷卻變成產品形狀時會發生尺寸改變。最終制品的變形可能是由於加工過程中增加或降低了應力所致。
塑料的加工類似於金屬材料的加工，在注塑過程中會發生同樣類似的尺寸變化。塑料的物理特性比金屬材料變化更多，因此使得尺寸變化狀況更加複雜。塑料擁有纖維狀的分子鏈，在加工中影響尺寸變化。有時塑料中會添加一些增強纖維，這進一步使得尺寸變化更加複雜。當樹脂在流動時，其分子鏈和增強纖維傾向於沿流動方向自我定向，導致不均勻或者各向異性的尺寸變化。
注塑工藝天然地會在成型後的模制品內部形成應力，這是融膠在進入模穴時，其溫度和模壁溫度之間的巨大溫差導致的結果。模制品表層幾乎在接觸模壁的瞬間即降到與模壁一致的溫度，而其中心融膠卻需要相當長的時間才能冷卻。如果冷卻是不對稱的，不論是由於產品內外兩邊模壁溫度不同，還是因為產品結構不對稱性造成，產品都將傾向於變形。這種變形是因為不均勻冷卻造成產品壁厚中心部分最後冷卻形成拉應力，而表層產生壓應力的結果。這些應力顯著地影響模制品的使用性能。
填充速度影響流動程度和定向，從而產生應力。每個塑料分子的表現有點像橡皮筋，當其流進模具時，會伸展變直。由於模具冷卻塑料很快，塑料分子的一些伸展部分被凍結，導致不同類型的模制品內應力。
許多塑料都會吸收不同的液體，而且受到環境變量如溶劑和紫外線的影響。添加劑，如著色劑，會引起塑料產品尺寸的變化。
對於塑料而言，不是所有影響模制品尺寸的變量都能被精確判定。就像沒有人能夠看見金屬材料內部已有的應力一樣，沒有人能夠精確地預測模制品內部塑料流動的模式和定向狀況。本書收集了一些注塑成型的研究和實踐知識，以幫助讀者更精確地預測最終產品尺寸。本書還能幫助讀者理解、避免和解決一些變形問題，以及在一些變形無法避免的情形下，提前做好準備和接受變形。
本書無意成為一本理論專著，或者包含許多公式以預測注塑過程中的塑料行為。這種類型的圖書屬於學院派的範圍，是軟件設計者所需要的。本書將為研究者、設備設計人員和軟件開發者設計材料和設備改進時提供參考。書中塑料材料的一些通用規律將幫助產品工程師和模具設計工程師預測可能發生的問題，對收縮率做出明智的推測，認識到變形的典型原因，從而采取措施以避免，或者最大程度地減少不良品。
第1章簡述了注塑成型基礎知識，結晶性塑料和非結晶塑料在注塑過程的填充、保壓、冷卻過程中的顯著特性。
第2章講述如何測量收縮率，以及各向異性收縮或者不均勻收縮如何導致模制品產生內應力和變形；討論不均勻收縮的原因和處理對策，以及產品注塑後在很長時間內的後變形如何發生；還討論了長期收縮和短期收縮的不同，以及影響其變化的因素。
第1章和第2章可以說是本書其余章節的總體概述。
塑料產品設計者需要特別關注第3章和第4章。這兩章對產品設計和材料選擇有深刻的見解，對設計者有重要的指導意義。
第3章討論了錯誤設計和有問題設計的影響。產品壁厚差異、加強筋、柱位和其他一些設計要素會導致收縮率變化，盡管模具製作者和模具設計者已經做出了最大的努力，還是不能彌補這些。
材料選擇和變更的影響在第4章中討論。塑料是原子或者分子的長鏈，其表現類似於纖維和橡皮筋。當微粒狀或者纖維狀材料，如云母或者玻璃纖維被添加進塑料，會極大改變原來塑料的收縮特性，以及材料的剛性、強度和蠕變性能。
流道和澆口的設計及位置影響模制品內部塑料填充模式。冷卻通道和冷卻方法影響冷卻速度和冷卻均勻性。第5章討論模具特徵的變化及其如何影響模制品的收縮和變形。一套設計合理的模具在一定程度上能夠彌補產品設計的不足。如果你正在設計一套模具，則需要搞清楚第3章和第4章中提到的潛在問題。如果產品設計和材料選擇有問題，需要盡早和客戶討論。當然，要在模具設計定案前討論。模具設計者需要對注塑工藝和工藝工程師可能面臨的問題有全面的了解。模具設計者應當能夠預測和考慮注塑廠如何處理這些問題，就像自己可能要面臨這些問題一樣。模具設計者的工作做得越好，模具試模結果將越好，注塑者將越滿意。
第6章講述工藝變量及其如何影響模制品收縮和變形。該章提及了找到合理的注塑和冷卻時間的方法，以及高模溫和低模溫各自的優缺點。注塑廠可能會認為自己被困在客戶和模具廠之間，其必須處理客戶造成的產品設計問題，以及根據模具廠的意圖去處理這些問題。此章能夠有所幫助，因為對於注塑廠來說，最好的工具就是對工藝選項和其效果的廣泛理解。第6章還對其他一些注塑工藝，如氣體輔助成型技術、水輔助成型技術做了簡單介紹。
成型後收縮在第7章中有一些詳細討論，涵蓋了溫度、應力和吸液性對後收縮的影響。當產品注塑完成後冷卻至室溫就開始測量，這時獲得的產品尺寸是不準確的。注塑者必須提前知道模制品在成型後隨著時間推移，尺寸將發生新的變化，原因是長期應力松弛和環境因素的影響。
第8章是問題解決章。從某種意義上來說，該章是前面第1～7章更詳細的總結。因為問題可能是前面章節所述的任何因素導致的。如果你熟悉注塑、模具設計和產品設計過程，那麼本章能幫助你更快地找到解決問題的對策。
第9章的內容涵蓋了當前計算機輔助分析（CAE）技術的狀況，討論了這些CAE軟件對收縮和變形的預測，以及分析數據的精確性。這些分析需要預先設定一些假設，本章詳細敘述了這些假設對分析結果的影響。
如果對一個特定產品的平均收縮率評估沒有信心，那麼最明智的做法就是與那些經常使用這些CAE軟件進行填充、冷卻、收縮分析的人簽訂技術合作協議。近年來,CAE軟件有了巨大的發展。更方便的操作界面讓使用變得更容易，也能獲得比期望值更好的分析結果。現在的分析模塊已經能夠分析其他一些特殊注塑工藝，如氣體輔助成型和水輔助成型工藝。就像其他所有的軟件一樣，這是一個持續發展和進步的行業，不斷有新的、定期更新軟件提供給用戶。一個有經驗的分析工程師更喜歡將軟件的能力充分利用。分析工程師常常需要多次不斷地分析以找到最佳對策，一個經驗豐富的分析工程師將能更快地找到優化對策。當分析工程師在設定和選擇輸入變量時，如果做出不合理的選擇，將會得到不好的結果。
我從1965年進入這個行業以來，遇到過許多有意思的問題，這些問題和對策會在第10章中加以介紹。
第11章中包含了大量數據，包括一些列表、圖形和圖表，這些數據對於評估收縮和變形會有幫助。
本書附錄中包含一些常用單位換算信息，塑料行業常用的一些名詞縮寫和名詞解釋。
如果你是行業新人，希望本書能夠幫助你更好地了解這個行業及其問題。對產品設計、模具設計和產品生產各個環節的困難有所了解對任何人而言都是有益的，不論你是從事OEM（原始設備製造）、產品設計、模具製造、注塑成型等工作，抑或只是一個產品終端使用者。即使是行業資深人士，也能從本書中獲得新的或者獨特的理念。希望本書能夠幫助讀者解決一些塑料產品問題。

Jerry Fischer 2003年元月

考慮到新開發的塑料材料和增強物特性，以及微注塑技術的發展，我修訂了本書。CAE領域已經有了巨大的發展，因此第9章修訂內容很多。許多全球範圍內可以用到的材料的附加圖表和圖形已經加入本書。

Jerry Fischer 2012年5月

第1章注塑成型工藝簡介
1.1塑料材料簡介001
1.2交互性基礎001
1.3熱學原理控制注塑成型004
1.3.1填充004
1.3.2保壓006
1.3.3冷卻007
參考文獻008

第2章收縮與變形
2.1注塑收縮009
2.1.1確定收縮率011
2.1.2模制品內應力012
2.2變形013
2.2.1收縮不均勻的常見原因015
2.2.2減小變形的原理016
2.3後收縮018
參考文獻019

第3章模制品變化的原因：產品設計
3.1壁厚設計020
3.2加強筋設計022
3.3柱位設計025
3.4合理的產品設計範例026
3.5其他設計考慮027
參考文獻028

第4章模制品變化的原因：材料
4.1非結晶型材料和半結晶型材料029
4.1.1非結晶塑料030
4.1.2半結晶塑料032
4.2填充物、加強物、染色劑、時間和應力的影響034
4.2.1填充物和纖維加強物的影響035
4.2.2減少纖維增強材料的影響038
4.2.3著色劑的影響041
4.2.4時間和應力對尺寸穩定性的影響042
4.3收縮率預測：使用壓力-體積-溫度（PVT）關係043
4.3.1PVT系統特性045
4.3.2預測注塑收縮率050
4.3.3預測變形055
4.3.4收縮預測的精確性056
參考文獻058

第5章模制品變化的原因：模具設計
5.1型腔尺寸和設計因素059
5.2澆口類型061
5.2.1針（點）式、隧道式澆口和潛澆口062
5.2.2側澆口和直側澆口063
5.2.3扇形澆口064
5.2.4薄膜澆口、圓盤澆口和環形澆口064
5.2.5護耳式澆口065
5.2.6多澆口065
5.3澆口位置067
5.3.1側邊進膠、一端進膠和中心進膠067
5.3.2決定澆口位置的因素070
5.4澆口尺寸073
5.5澆注系統設計074
5.6流道設計075
5.6.1多穴模具設計076
5.6.2頂出083
5.7模具冷卻設計084
5.7.1冷卻水道084
5.7.2角落效應088
5.7.3壁厚變化089
5.7.4無流道模具089
5.7.5滑塊089
5.7.6排氣090
5.8模具材料090
5.9立體平板打印的樣品模或者其他類似模具091
5.10需要避免的陷阱092
參考文獻092

第6章模制品變化的原因：工藝
6.1注塑成型條件094
6.2注塑融膠溫度098
6.3注塑速度和注塑壓力099
6.3.1注塑速度100
6.3.2注塑壓力101
6.4保壓壓力和時間102
6.4.1保壓壓力102
6.4.2保壓時間104
6.5模具溫度106
6.5.1預測模具溫度的影響106
6.5.2模具溫度和收縮的關係108
6.5.3產品壁厚和收縮的關係108
6.6頂出溫度109
6.7模制品內應力111
6.8其他注塑成型工藝112
6.8.1熔芯注塑成型112
6.8.2氣體輔助成型112
參考文獻114

第7章影響後收縮和變形的因素
7.1溫度對尺寸的影響115
7.2濕度對尺寸的影響118
7.3蠕變122
參考文獻123

第8章控制產品的後收縮和變形
8.1尋找真因124
8.2工藝考慮125
8.2.1融膠溫度及其均勻性126
8.2.2模具溫度及其均勻性126
8.2.3填充、補縮及保壓壓力127
8.2.4填充、補縮及保壓時間128
8.2.5頂出時產品溫度129
8.2.6鎖模力129
8.2.7產品頂出後定型和退火129
8.2.8厚壁和縮水痕的特殊問題130
8.2.9注塑機射嘴131
8.2.10收縮過度或收縮不足132
8.2.11二次加工132
8.2.12質量控制133
8.3材料考慮134
8.3.1填料或者增強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模具考慮136
8.4.1澆口位置136
8.4.2澆口類型和澆口尺寸137
8.4.3流道系統138
8.4.4模具冷卻布置139
8.4.5模具公差139
8.4.6拔模斜度140
8.4.7頂出系統設計140
8.4.8模具的彈性變形141
8.4.9模具磨損143
8.4.10模具臟污143
8.4.11模具活動零件的位置偏移144
8.4.12齒輪產品的一些特殊問題144
8.5產品幾何結構147
8.5.1產品整體尺寸147
8.5.2產品壁厚147
8.5.3收縮限制特徵148
8.6控制變形150
參考文獻153

第9章計算機輔助分析
9.1CAA的能力155
9.2CAA的局限158
9.3CAA軟件選擇160
9.4客戶要求162
9.5管理工具165
9.6填充分析165
9.6.1平展或者用戶自定義166
9.6.2中間面有限元分析166
9.6.3雙層面有限元分析167
9.6.4實體有限元分析167
9.7補縮和保壓仿真172
9.8收縮和變形仿真173
9.9冷卻分析174
9.10成本分析175
9.11結論176
參考文獻177

第10章案例分析
10.1殼體產品的意外收縮178
10.2變更材料引發的變形179
10.3熱水器底座的蠕變181
10.4尺寸變大的熱固性醇酸樹脂產品181
10.5低劣的嬰兒餐盤模具182
10.6嬰兒餐盤模具困氣問題184
10.7線圈轉子變形185
10.8菊花字輪開裂187
10.9PVC產品毛邊問題188
10.10聚碳酸酯（PC）開關產品失效190
10.11方形撲克籌碼托盤——射膠量不足190
10.12方形撲克籌碼的頂出問題191
10.13軍用杯材料“收縮”192
10.14型芯偏移問題193
10.15升降機凹形塊變形195
10.16活塞桿導向器脆化197
10.17瓶蓋螺牙變形197
10.18塑料路標桿蠕變199
10.19玻璃纖維填充尼龍材料的過度收縮199
10.20避免薄壁蓋子變形200
10.21印刷電路板失效200
10.22杯子的手柄填充不滿201
10.23熱流道漏膠202
參考文獻204

第11章塑料材料數據庫
11.1無填充材料206
11.2填充物的影響207
11.3收縮與不同參數的關係213
11.3.1注塑溫度與收縮的關係213
11.3.2融膠溫度與收縮的關係214
11.3.3模具溫度與收縮的關係215
11.3.4密度與收縮的關係（聚乙烯PE）216
11.3.5保壓壓力與收縮的關係216
11.3.6產品壁厚與收縮的關係217
11.4吸水性曲線219
11.5壓力-體積-溫度曲線221
11.6模制圓盤的收縮與變形234
11.7角度變形236
11.8常用材料的一般收縮特性240
11.9各種材料的收縮特性245
11.9.1聚對苯二甲酸丁二酯（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熱塑性彈性體嵌段醚酯共聚物（TEEE）（Hytrel）（DuPont）253
11.9.6聚丙烯（PP）254
11.9.7聚對苯二甲酸乙二酯（PET）（Rynite）（DuPont）262
11.9.8聚醚酰亞胺（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
參考文獻269

附錄A常用單位換算271

附錄B常用名縮寫和材料名272

附錄C術語釋義278