塑料可以与多种不同材料、工艺结合，设计自由度大，是设计师寻找设计灵感时经常考虑的材料。本文分别介绍了注射成型、吹塑成型、热成型加工工艺，并介绍了在使用这些工艺时，设计师需要注意的事项。
注射成型技术
注射成型就是把塑料流体注射到模具中，可以说是塑料加工工艺中最重要的一种，也是大批量生产相同产品工艺的理想之选，备受各大厂商青睐。而且注射成型的原料理论上讲也不局限于塑料，包括金属、熔岩、水泥等流体均能进行注射成型。本文主要介绍塑料的注射成型。
注塑技术有几种不同的工艺，包括一般注塑成型、气体辅助注塑成型、多射注塑成型、模内装饰工艺等。一般注塑的工艺流程很基础，但是随着技术的不断发展，各类围绕注塑的高级工艺也被开发出来，比如气体辅助注塑，多射注塑成型和模内装饰等。
气体辅助注塑成型技术在1985年首次用于大规模生产。最初，它被开发以克服收缩导致的凹痕问题。在注射期间吹入一定量的气体，在聚合物于模具打开之前的冷却阶段施加内部压力。通过非常精确的计算机控制，现在可以对修长而复杂的模制品进行充气。每个生产时间将略有不同，因为计算机对材料性质和流量的轻微变化进行调整(见图1)。
图1 该工艺使用改进的注塑设备
阶段1将塑料注入模腔中，但不完全填充。
阶段2 注入气体，其在熔融塑料中形成气泡并迫使其贴合模具。塑料和气体同时注入，产生更均匀的壁厚度，因为随着更多的塑料被注入，在空气压力的推动下，它更加贴合模具。
阶段3 随着塑料冷却和固化，保持气体压力，这样，收缩率可以最小化，最终脱模取出产品。
多射注塑成型工艺是将两种或更多种塑料一起注塑成型。表1是多射注塑成型与其他一些类似工艺的区别。
这里我们主要介绍一种典型的多射注塑成型工艺(见图2)。
图2多射注塑成型工艺步骤
阶段1 同时将聚合物A和B注入到不同的模腔中，其中聚合物A注入下模腔中，同时，将聚合物B注入在上部空腔中的预先已经模制好的聚合物A上。在压力下，熔融聚合物形成牢固的粘合。
阶段2 模具分离，并且从模制的聚合物A中移除浇道。同时，完成的成品从上模腔排出。旋转台板旋转以使模制好的的聚合物A与上模腔对准。
阶段3 模具再次闭合，并且重复操作顺序。
简单的说，模内装饰工艺用于在注射成型期间，可以将印刷物添加到塑料产品中，从而减少诸如印刷和喷涂等二次操作。模内装饰工艺的注塑时间会略有增加。该工艺可以用于生产几乎所有需要艺术化美观的注塑产品(见图3)。
图3 模内装饰工艺步骤
阶段1 在注塑之前将印刷的PC膜装载到模腔中。打印面向内放置，以便在注塑时，打印件将被保护在PC的薄膜背后。
阶段2 当热塑料注入模腔中时，其与PC膜结合(这类似于多射注射成型)。
阶段3 膜与注射成型塑料成为一体并且具有带有印刷表面的无缝整体。当注射热塑料时，它在30-17,000N/cm2之间的压力下被压靠在模具表面上，如果模具的表面有纹理，则PC膜会因为热成型以精确配合模具。压力大小由材料的类型和需要的表面光洁度决定。
设计师的思考
●注塑设计是一项多元配合的技术，涉及设计师、聚合物专家、工程师、模具制造商等。与不同领域的专家全面合作将有助于实现产品的生产。
●使用简单的分体模具时，该方法是最便宜的，而造型越复杂，成本越高。最便宜的注塑模具由两个半体组成，称为阳模和阴模。但是工程师和模具制造商不断地使用更复杂的模具，比如可伸缩的芯，多浇口和多次注射来对比产品成型效果，有时需要更多的尝试去推动工艺的发展。
●注塑过程中需要使用高压来确保良好的表面光洁度以及精细的细节，最重要的是，高压后具有优异的重复生产性。但高压的缺点是再凝聚的聚合物具有收缩和弯曲的趋势，这些缺陷可以使用结构设计的筋骨细节和精准的流动分析来避免。
●表面缺陷包括凹痕、焊缝和颜料条纹。一般在与筋部细节相对的表面上会出现凹痕，并且在材料受力的地方出现焊缝线。
●几乎所有的热塑性材料都可以注塑成型。也可以在聚合物基体中加入某些热固性塑料和金属粉末来获得需要的性能。
吹塑成型技术
吹塑成型技术通常用于大规模生产中空包装容器的生产，是一个迅速生产大量薄壁零件的方法。吹塑成型技术分为三种不同方法：挤出吹塑(EBM)，注射吹塑(IBM)和注射拉伸吹塑(ISBM)。每个流程都有其特定的工艺，适用于不同的行业。
挤出吹塑(EBM)在大多数应用实例中适用，且备受欢迎，因为其设备和运行成本较低。它是一种万能的工艺，可用于生产各种形状的产品，材料的选择也很广泛。其容器可以做整体处理，并且实现多个分层效果。一般有三个工艺步骤(见图4)。
图4 挤出吹塑(EBM)的工艺步骤
阶段1 生产的过程中，传统的挤压装配会将塑料聚合物加热后挤压到容器。聚合物被挤压装置挤压在芯棒中成为圆管状，称为挤压半成品，其挤压的过程是连续的。
阶段2 一旦半成品已达到足够长度，两边模具会顺势关闭，圆管状的半成品被模具的底部边缘修剪密封，形成瓶底。随后，半成品顶部被型坯切刀裁剪，横向转移到第二个设备，那里的空气吹针会将气体吹入设备，把聚合物撑大，迫使半成品在模具内贴合内壁，形成需要的形状。随后热聚合物会因为接触到冰冷的模具内壁而凝固。
图5 注射吹塑适用于医疗和化妆品包装容器等要求更高的工业应用
阶段3 冷却，将模具内半成品充分冷却后打开模具，就可以得到需要的产品。取出之后，由工人将容器进行修整，就得到了最后的成品。
注射吹塑(IBM)是一种相对于挤出吹塑EBM更为精确的工艺，适用于要求更高的工业应用，如医疗和化妆品包装容器。可以用于生产产品尺寸要求非常准确的容器。主要的工艺步骤如图5所示。
注射吹塑IBM的加工过程核心是基于一个旋转装置。
第一阶段 预成型加工模块将加热后的聚合物原料注入芯棒，完成顶端细节加工后，芯棒和预成型模块会旋转120°。
第二阶段 空气吹到预成型加工模块中，迫使半成品形成模具的形状。
第三阶段 充分冷却后，模块旋转120°，剥离芯棒，完成注塑。剥离之后，会进行修整，形成需要的产品。
注射拉伸吹塑(ISBM)通常用于生产高质量的透明质感等，要求明确的容器，如PET材料的水杯。循环注入方法可以确保产品的精确度，循环拉伸方法可以提供优越的力学性能。ISBM尤其适用于饮料、农药和个人护理产品包装，主要的工艺步骤见图6。
图6 注射拉伸吹塑的工艺步骤
第一阶段 ISBM过程使用和IBM相同的技术，其中预成型过程形式是和注射成型一样，将聚合物注射到芯棒进行加工。
第二阶段 ISBM芯棒拉伸杆被移除和替换。预成型模块插入到吹制模，夹紧并关闭。
第三阶段 通过拉伸杆定位模具纵向，并向模具中吹入空气，将聚合物吹到模具边缘。
第四阶段 冷却后模具打开，从拉伸杆部分剥离，从而得到产品。
图7 真空成型示意图
设计师的思考
●以上三种吹塑技术最大的区别就是每个技术之间容纳的能力不同。IBM通常生产的容器空间为3毫升到1升(0.005 到1.760品脱)，而ISBM可以生产50毫升和5升(0.088 到8.799品脱)的容器。EBM可以创建最大的容积，可以介于3毫升和220升(0.005到387品脱)。
图8 压力成形示意图
●在应用场景方面：EBM主要用于医疗、化工、消费品行业容器，如药片瓶和药水瓶瓶，快消品包装。IBM主要用于精确度更高的快消品包装和医疗包装。ISBM主要在个人护理产品包装，农用化学品包装，一般化学品包装，食品和饮料及医药行业生产的瓶子，产品油容器、农用化学品容器、健康卫生产品，化妆品产品，和其他一些食品容器。
●在设计吹塑工艺时，还有许多因素需要考虑，包括用户(人体工程学)，产品(内容，物料，感光性)，灌装(颈部、内容和填充线)、包装和表现(例如标签使用和打印)。
●成本方面：EBM是最便宜的，IBM的模具通常比EBM贵两倍，而ISBM是最昂贵的。单件生产周期均非常迅速，单套模具生产一批零件只需要1 - 2分钟。实现生产自动化后，劳动力成本可以降到很低。投产和换模具的成本会比较高，所以机器往往专注于单一产品。
图9 柱塞辅助成型示意图
热成型技术
热成型的核心原理很简单，即将热塑性塑料片材加热至软化，在压力环境下，采用适当的模具或夹具进行加工，而使其成为制品的一种成型方法。
热成型进料方式有两种：片材进料和辊式进料。片材通常被切割成适当尺寸以便手工装载，一般用于重型产品应用，例如托盘、浴缸、淋浴盘和行李。而在辊式进料中，型材由来自辊轴的成卷材料提供，它有时被称为“in-line”过程，因为它是在连续操作中进行热成型、修整和堆叠等一系列操作。
以上两种进料方式被广泛用于生产各类包装，从一次性食品包装，到重型可回收运输包装都可以用热成型进行生产。一些典型的例子包括透明塑料包装、壳式包装、化妆品包装、饮料杯和箱包等。热成型也可以用来生产照明设备、浴缸和淋浴设备、花盆、标志、自动售货机、小型和大型储罐、摩托车整流罩、汽车内饰、飞机和火车相关设备、消费电子产品外壳和头盔等。
热成型的工艺有四种：真空成型、压力成型、柱塞辅助成型和双片材热成型。
真空成型是一个简单的过程，是其它成型技术的基础。也是这些片材成型方法中最简单和最便宜的。将一片热塑料吹入气室中，然后吸到工具的表面上。它是一个单面工具，所以只有塑料的一面将受到其表面的影响。在压力过程成形中，热的软化片材被压入模具中。更高的压力意味着可以模制更复杂的细节，包括表面纹理。对于相对体积小的物件，该过程能够生产类似于注塑的效果。
图10 双片材热成型示意图
首先将一片材料加热至其软化点。但要注意的是每种材料的软化温度是不同的，例如，聚苯乙烯(PS)的软化点为127-182℃，PP为143-165℃。某些材料，如HIPS具有较大的操作窗口(即它们可成形的温度范围)，这使得它们更容易热成型。将软化的塑料片材吹进气室，使其以均匀的方式拉伸，然后气流反向，将材料在大约14磅/平方英寸的压力下，通过真空吸到模具表面上。为了有助于空气的流动，气流通道一般设计模具中，它们位于凹槽附近，以尽可能有效地利用空气。
在压力成型中，受热软化的塑料片被压入模具中。高强度的压力意味着可以塑造更复杂的表面和细节，包括表面纹理。与注塑相似，其产能比较低。压力成形与真空成型相反，在大约100psi的空气压力下，将板材模制在模具的表面上，这意味着可以实现更高水平的细节表现。模具上的表面细节将以比真空成型精确得多，表面光洁度也可以更精确地控制，因此功能性是很独特的。
上述两个热成型方法可以在表面形成比较浅的几何形状。而对于加工表面要求凹凸较深的型材时，就要用到柱塞辅助成型，其塞子的作用是将软化的材料推入凹槽，使其均匀拉伸。塞辅助成形不仅具有阳模成型的好处，即软化的片材可以吹入气室中使其均匀地延伸，同时能将片材覆盖到阴模中产生局部拉伸。液压塞在板材成形之前会均匀推拉板材，对于深型材可以确保具有足够的壁厚进行加工。否则，材料在抽出气体贴合模具时将撕裂。当空气被抽出时，片材贴合模具轮廓，此时液压塞缩回。
双片材热成型将上面这些工艺的特性与中空部件的生产相结合。实质上就是两片材同时热成型，并在它们在仍有温度时粘合在一起。这种复杂的工艺比常规的热成型更昂贵。
在双片材热成型中，两个热成型板材会被夹紧，形成封闭的薄壁产品。该产品的两面都能进行热成型加工，不像之前单面的加工工艺。首先夹具将片材转移到加热室中，升高到软化温度，然后上下模具闭合，吸出空气让板材热成型。其中，两个片材是单独热成型的，一旦产品完全形成，它们就被模具夹紧。来自热成型的余热和长时间接触使得他们紧密粘合。这种粘合具有与母体材料类似的强度。
较典型双片材热成型有吸塑包装(气泡包装)，就是很多朋友拿到手上就想捏爆的气泡垫，它也是通过热成型制成。材料在真空成型机的辊上连续生产，并且机器将材料层压，以将空气密封到单个泡罩中，为包装物品提供保护性缓冲。
设计师的思考
●热成型最理想的产品是表面浅层纹理且壁薄的产品，深度超过直径的设计通常不实用。
●如果采用插塞辅助成形的方法可以使材料在模具表面上更均匀地拉伸。
●有时模具的表面必须设计出纹理，用来协助空气流动，避免气穴形成。这些纹理称为“开放纹理”。
●片材进料成型中，用于加工的板材一般是5毫米至12毫米。
●辊式进料成型中，材料厚度是有限的，大致为o.1毫米至2.5毫米。
●热成型过程中，材料会先受热膨胀，再冷却收缩，收缩率最高高达2%。不同的材料有不同程度的收缩率：例如，ABS将收缩0.6%，而HDPE则为2%。所以设计时通常推荐2°的吃水角。
●材料延伸时温度会很高，高温将造成材料成型后，更加起伏和不规则的表面。因此，设计时必须注意避免尖锐的角和三面角。不然将导致边角太薄从而成为受力薄弱点。
●几乎所有的热塑性材料都可以用热成型加工，最常见的是ABS、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)(包括PETG，是PET改性乙二醇)、聚丙烯(PP)、聚碳酸酯(PC)、高抗冲聚苯乙烯(HIPS)和高密度聚乙烯(HDPE)。
●成本方面，模具成本不定，主要取决于零件的尺寸、复杂度和数量。而压力成型的模具比真空成型贵百分之三十到五十，但总体仍要比注塑模具便宜。
●热成型另外一个考虑的成本是所选择的工艺和材料厚度。片材进料成型过程通常每分钟能生产1-8件。而辊式进料成型更快，在多腔工具中，每分钟可以生产数百个产品。因为辊式进料成型是自动化的，而片材进料成型一般都是手工去装配的，所以片材进料成型还增加了劳动力成本。
