选材专栏 | 工程塑料选材之模具收缩率
来源 : 原创
作者 : Plasdata
时间 : 2022-08-11


一、什么是材料模具收缩率

材料模具收缩率,准确的叫成型收缩率,大体可以分为3种类型:

 

1. 注塑成形过程中,首先将熔融塑料注射入模具型腔内,充填结束后熔料冷却固化,从模具中取出塑件时即出现收缩,此收缩称为成形收缩

 

2. 塑件从模具取出到稳定这一段时间内,尺寸仍会出现微小的变化,一种变化是继续收缩,此收缩称为后收缩

 

3. 另一种变化是某些吸湿性塑料因吸湿而出现膨胀,如尼龙材料等。

 

其中起主要作用的是成形收缩。目前确定各种塑料收缩率的方法,一般都推荐德国国家标准中DIN16901的规定。即以23±23℃,相对湿度为50±5%条件下测量出的相应塑件尺寸之差算出。

 

收缩率S由下式表示:S={(D-M)/D}×100%(1)

其中:S-收缩率;D-模具尺寸;M-塑件尺寸。

 

二、影响材料模具收缩率的因数

01 材料规格

1. 原材料基材:工程塑料一般分为结晶塑料和无定形(非结晶)塑料两种。结晶塑料的模具收缩率一般比非结晶塑料的大,而且具有各向异性。



2. 材料的结晶:
材料结晶度越高,收缩率越大,取向性也越高。

 

3. 材料的取向:结晶材料和玻纤/碳纤填充材料都会发生各向异性,流动方向的收缩率小,垂直于流动方向的收缩率大,通常结晶度越高,玻纤长度越长,取向越明显。

 

4. 填充:工程塑料添加无机填充材料后收缩率通常会减小,添加分量越多材料收缩率越小。

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PC材料收缩率与玻纤含量关系 

 

02 塑件形状

1. 对于成形件壁厚来说,一般由于厚壁的冷却时间较长,因而收缩率也较大。对一般塑件来说,当熔料流动方向尺寸与垂直于熔料流方向尺寸的差异较大时,则收缩率差异也较大。

 

2. 从熔料流动距离来看,远离浇口部分的压力损失大,因而该处的收缩率也比靠近浇口部位大。

 

3. 因加强筋、孔、凸台和雕刻等形状具有收缩抗力,因而这些部位的收缩率较小。



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3 模具设计

浇口形式对收缩率也有影响。用小浇口时,因保压结束之前浇口即固化而使塑件的收缩率增大。

 

注塑模中的冷却回路结构也是模具设计中的一个关键。冷却回路设计得不适当,则因塑件各处温度不均衡而产生收缩差,其结果是使塑件尺寸超差或变形。在薄壁部分,模具温度分布对收缩率的影响则更为明显。

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模流分析软件能准确预测产品不同位置收缩导致的变形趋势

 

04 成形条件

塑料的收缩行为与温度、压力密切相关,在注塑成型过程中,聚合物材料被加热成熔融态,并在很高的压力下注射到模具型腔中,经历了从高温、高压到迅速冷却和压力下降的过程,之后由熔融态转变为固态,塑胶的体积V与温度T压力P的关系成为PVT曲线。

 

PP材料的PVT曲线

 

1. 料筒温度:料筒温度(塑料温度)较高时,压力传递较好而使收缩力减小。

 

2. 模内压力:模内压力是对收缩率影响较大的因素,特别是充填结束后的保压压力。在一般情况下,压力较大的时因材料的密度大,收缩率就较小。

 

3. 模具温度:通常模具温度较高时收缩率也较大。但对于薄壁塑件,模具温度高则熔料的流动阻抗小,而收缩率反而较小。


三、应用选材的策略


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1 模具尺寸的确定


模具收缩率是产品模具设计的重要依据,
但是模具设计参考材料物性表上的模具收缩率以外,还必须考虑到上面提到的其他因素,特别是PBT等收缩率变化比较大的材料。

1. 产品越厚,收缩率越大。

 

2. 产品有加强筋一次收缩相对另一侧要小,模具需要做反向补偿。 

 

02 尺寸精度公差

材料的模具收缩率除了会影响最终产品的尺寸,同时会影响产品的尺寸精度,收缩率越大的材料,收缩率的范围也越宽,其尺寸变化方差也越大。

 

下图为不同收缩率材料在同一模具上生产的部件测量的尺寸分布图。

 

 

可以看到,由于PC的收缩率比PC/PBT材料要小,生产的产品不仅尺寸要大,而且尺寸分布范围更窄,因此产品的尺寸精度也更高。

 

因此对于尺寸精度要求高的产品,收缩率小、非结晶、高填充的规格,填充材料以短玻纤混合矿粉等都是选项。

 

 

03 产品的变形度

产品变形是成型收缩不一致导致的,因此:

 

材料收缩小,变形的风险越小;

 

材料收缩不一致导致的变形,可以通过模具浇口位置大小设定,调节前后模温,可以改变两面的收缩大小。


结晶材料结晶度越小收缩和取向性越小,变形越小。降低结晶材料结晶度、材料改性(如PC/PBT 共混)、工艺上降低模温,均可以降低结晶度从而可以改善变形。

 

04 与金属模内注塑

由于金属的收缩小,因此产品带有金属镶件的应该选择小的模具收缩率或填充材料。以降低由于收缩不一致导致产品内应力大导致变形或开裂的风险。

 

 

05 脱模性

通常材料收缩率越小,脱模越困难,在有些深腔的不容易脱模的部件需要注意加大脱模斜度。


总之,选材时针对于模具收缩率应该注意:

 

1. 材料模具收缩率不仅要看材料种类、填充等,还需要按照产品的结构设计,不同的方向去确定初步的数据范围,可以参考以往的类似产品,或者借助于模流分析软件。通常还要预留模具加工余量后续根据试模结果做修模微调。

 

2. 对于产品尺寸精度要求比较高的材料,选择收缩率小的材料,收缩率大的结晶材料需要通过填充改性降低材料的收缩率,对于平面度等变形有要求的还需要降低材料的取向性。

 

3. 精密部件除了考虑收缩率大小,还需要考虑收缩率变动范围,通过CPK测试进一步验证生产可行性。

 

4. 产品验证后生产需要对关键工艺参数,如料温、模温、模内压力进行监控,以保证尺寸稳定性。