塑胶件缩水你还在死调烂调机？预防比解决更重要

爱零的猫 · 发表于 2022-4-27 07:05:32

本文源自降本设计，作者钟元
有的工程师，在塑胶件设计时不考虑DFM，随心所欲设计零件。
零件开模之后，发现有缩水等缺陷，便强制要求供应商解决，有些时候供应商千方百计也解决不了，然后认为供应商水平太差，彻底甩锅给供应商。
这样真的好吗？
本文将介绍如何系统化、逻辑化地解决塑胶件缩水缺陷。

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什么是缩水？

缩水、缩痕或凹痕（sink mark）是指塑胶件成形品表面上的凹陷不良，呈酒窝状或呈沟壑状，是注塑成型中发生频率最高、同时也非常难以消除的缺陷。
缩水造成塑胶件外观面凹陷、表面不均匀，严重影响外观。过于明显的缩水缺陷还不能通过表面处理遮挡，光亮的表面处理还会放大缺陷。
如果是消费类产品，例如洗衣机、冰箱和笔记本电脑等，终端用户如果看到产品外观面上出现大量缩水，坑坑洼洼、凹陷不平，会认为产品比较LOW，一点BIGGER都没有，严重影响品牌形象。

如果产品不直接面对终端用户，而是企业客户。客户看到大量缩水，会认为工程师非常不专业，也会影响公司形象。
另外，缩水还会影响塑胶件局部区域的尺寸，影响装配以及相应的功能实现。
总之，缩水看上去是小事，但是潜在危害是用户和客户的流失，还会影响装配等，不容小视。

下面，就请大家欣赏各式各样的塑胶件缩水表演：

▲各式各样的缩水

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为什么会发生缩水

塑料在注塑时要将原料熔化成融化状，融化状的塑料在冷却固化过程中需要不断收缩，如果塑胶件的厚度不一致或者冷却不均匀等，就会发生不同程度的收缩。
如果塑胶件外表面不够坚硬，无法抵抗内部收缩产生的拉力，表面材料就会向内部移动，而在后续得不到补偿的情况下，表面上就会产生缩水凹陷；如果塑胶件外表面足够坚硬，则会在内部产生空洞。

▲缩水或空洞的产生

而产生缩水的具体因素包括塑胶材料、塑胶件设计、模具结构和注塑成型工艺参数等多方面，如下仅列出其中的一部分因素：

2.1 塑胶材料收缩率大
当塑胶材料收缩率较大时，则更容易发生缩水。从表1可以看出，PC/ABS的加强筋壁厚设计为基本壁厚的50%，发生缩水的可能性比较小。
而PBT的加强筋壁厚只有设计为基本壁厚的30%时，才不太可能发生缩水，这意味着即使加强筋壁厚稍微厚一点，就有很大的可能性发生缩水。

表1 常用塑胶材料加强筋厚度与基本壁厚比值

塑胶材料	最小的缩水	较小的缩水
PC	50%	66%
ABS	40%	60%
PC/ABS	50%	50%
PA	30%	40%
PA(玻纤增强)	33%	50%
PBT	30%	50%
PBT(玻纤增强)	33%	50%

2.2 塑胶件局部壁厚过厚
局部壁厚过厚的区域比壁薄的区域冷却得慢。壁薄的区域已经冷却固化，而壁厚过厚的区域还没有完全冷却固化。当壁厚过厚的区域继续冷却固化时，因为收缩而产生缩水。

▲局部壁厚过厚产生的缩水

局部壁厚过厚的区域最容易发生在加强筋根部、支柱根部、加强筋与加强筋或者加强筋与壁的连接处、以及支柱与壁的连接处等。

2.3 塑胶件壁厚不均匀
当壁厚不均匀时，壁薄处冷却快，收缩小；壁厚处冷却慢，收缩大，继而产生缩水。

▲壁厚不均匀产生缩水

2.4 远离浇口
靠近浇口处充填的塑胶熔料先开始冷却固化，容易造成远离浇口区域的塑胶熔料不能充分充填。同时，远离浇口处的保压也较小；这很容易造成远离浇口区域在冷却之后收缩过大，从而发生缩水。

2.5 塑胶熔料从壁薄的区域流向壁厚的区域产生
如果浇口设置不当，使得塑胶熔料从壁薄的区域流向壁厚的区域,溶料在流经壁薄的区域时遇到温度较低的模具型腔，提前开始冷却，这很容易使得壁厚处难以充分充填，发生缩水的概率大大增加。

▲壁薄处先冷却固化

2.6 冷却不均匀
当注塑模具的水路设计使得冷却不均匀时，冷却较快的区域先固化，收缩小，冷却较慢的区域后固化，收缩大，造成缩水。

2.7 注射压力过小和保压不足
当注射压力过小和保压不足时，在塑胶件收缩时，就没有足够的材料来补充收缩的区域，造成缩水。

2.8 注射量调整不当
螺杆式注射成型机注射终了时，必须在螺杆头部与喷嘴之间留有适当数量的熔融塑料（根据机台的大小在5MM左右），用它来缓冲。
若这个缓冲量为零，又把注射量调整到终了时，螺杆同时也顶到底，这样在保压时螺杆就无法前进，因而不能进行保压，产生缩水。

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预防缩水问题的六大思想

3.1 缩水问题以预防为主
不要等到缩水缺陷真正产生了，才去匆匆忙忙的解决。
这时，也许可以解决问题，但有可能意味着修改塑胶件设计、修改模具浇口和流道等等，这不但会造成产品成本增加，还会造成产品的开发周期加长。
当然，还有更大的可能是因为产品结构和模具结构的限制，或者成本过高，造成无法修改，只能通过调机来解决，而调机往往不能从根本上解决问题。
最后的结果是各方委曲求全，一致接受缩水的现状。
本文的标题是“塑胶件缩水缺陷：预防比解决更重要”，正是这一思想的体现。

3.2 对待缩水的态度：不同塑胶件的缩水要区别对待
一般来说，一个产品包括A、B、C和D面。

A面是指用户在日常使用中经常看到的面，例如产品的正面；
B面是指用户在日常使用中不经常看到的面，例如产品的侧面；
C面是指用户在日常使用中看不到的面，例如产品的底面；
D面是指产品结构的非外路面，例如产品的内表面和内部结构件。

显然，不同区域的塑胶件对缩水的要求不一致。那么在设计时，就不能一视同仁，特征是当外观与强度有冲突时。
例如，为了提高塑胶件的强度，会尽量把加强筋的壁厚稍微厚一些，或者在加强筋的根部增加圆角；
但是，这无疑会产生缩水。那么，对于产品的重要外观面如A面，那么就要把加强筋的壁厚做的更薄一些，甚至取消根本圆角；
对于内部结构件，强度更重要，那么就需要把加强筋的壁厚稍微厚一些，同时根部增加圆角。

3.3 全方位考虑
预防缩水问题需要全方位考虑，单单从某一方向入手都无法从根本上预防缩水问题。

▲缩水应全方位考虑

3.4 从塑胶件设计入手是最佳方案
通过后期的模具设计、注塑成型参数调整，也许可以解决缩水问题，也许不能。但是有一点是肯定的：那就是很容易增加塑胶件成本，这是绝对需要避免的。
例如，如图所示的导光板，因为塑胶件设计不当，局部壁厚过厚，而造成注射成型时发生缩水。

为了解决缩水问题，模具方面增大浇口及流道直径，对缩水有一定帮助，但是依然不是很明显，反而导致本已够庞大的流道更加庞大，成型周期更加的漫长。
导光板为0.6克，流道重量却重达22.0克，流道冷却时间约45秒。按照这样的数据进行生产，其材料成本和加工成本将会变得非常可怕。

▲导光板产品及其浇口与流道

3.5 团队合作
缩水缺陷的预防依靠产品设计工程师、模具工程师、注塑工程师和塑胶原材料供应商等各部门以及供应商的精诚合作。
在塑胶件设计时，产品设计工程师首先需要向塑胶原材料供应商寻求塑胶原材料的特性信息，其中就包括缩水的特性。
一般来说，塑胶原材料供应商会有丰富的知识和技巧来解决各种缺陷。
在具体进行塑胶件设计时，产品设计工程师就需要按照相应的规则和指南来进行详细的塑胶件设计，例如遵守加强筋的壁厚不能太厚的指南。
而当产品设计工程师对设计有任何疑问和不确定时，就应当向模具工程师、注塑工程师和塑胶原材料供应商等及时寻求建议。并在设计评审时，邀请各方一同参与。
当塑胶件在三维软件中设计完成之后，产品设计工程师应当把塑胶件的外观需求准确的定义在二维图纸中，告知模具工程师具体的缩水要求，这样模具工程师在设计模具时，就会基于此去考虑模具结构的设计，包括浇口的大小、位置和数量、流道的大小、以及冷却水路的结构等。
而在试模时，上述四方应当在现场共同解决潜在的缩水问题。

3.6 使用模流分析软件
在预测和解决缩水缺陷方面，模流分析软件是一个非常有用的工具。
在基于现有塑胶件设计、模具设计的基础上，使用模流分析软件（如Moldflow）可以预测缩水的大小。
如果发现缩水超过外观要求，则可以要求优化塑胶件设计（例如壁厚的地方掏空等）和优化模具设计（例如调整浇口的位置和大小等）。

▲利用模流分析软件预测和解决缩水

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从塑胶材料选择上解决缩水问题

不同塑料的收缩率如表2所示。
半结晶塑料，例如PBT、PP等，其收缩率较大，显然会放大缩水的缺陷；
无定型塑料，例如PMMA、ABS等收缩率小，会减缓缩水的缺陷。
相对于非填充或非增强塑料，填充和增加塑料的收缩率较小，也会在一定程度上减缓缩水的缺陷。

表2 塑料的收缩率

另外，塑料的流动性不好，这也会使得塑胶件在冷却收缩时材料等不到很好的补充，容易造成缩水缺陷的发生，例如PC材料。
当然，这里并不是说为了解决塑胶件的缩水缺陷，有意去选择收缩率低的塑料。
塑胶材料的选择受到很多因素的影响，缩水是仅仅其中之一。
只有在其它条件都符合的情况下，需要尽量选取收缩率低的塑料。
而对于工程师来说，一旦选择了收缩率高的塑料，特别是对于外观零件，则应当意识到潜在的缩水风险，通过塑胶件设计、模具设计和注塑工艺参数优化等提早预防，做到心中有数。
或者尽早把缩水风险与客户进行沟通交流，而不是等到塑胶件缩水发生了，客户看到产品，与预期相差甚远，一脸懵逼。

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从塑胶件设计上预防缩水问题

5.1 塑胶件基本壁厚宜薄不宜厚
塑胶件的收缩大小与塑胶件的基本壁厚相关，壁厚不同，收缩量则不同。如果基本壁厚过厚，则塑胶件收缩过大，更容易发生缩水的缺陷。
当然，壁厚过厚，不但还会造成材料浪费，还会增加注塑成型周期，造成塑胶件成本增加。表3列出了常见塑料的最小的壁厚及常用壁厚推荐值。

5.2 壁厚均匀
保证壁厚均匀。

▲壁厚均匀

5.3 壁厚不均匀时平滑过渡
当壁厚不均匀时，设计零件使得不均匀处能够平滑过渡。

▲壁厚不均匀平滑过渡

5.4 壁厚过厚的地方进行掏空的设计
局部壁厚过厚的地方，需要进行掏空。

▲壁厚过厚的地方进行掏空的设计

5.5 合理的加强筋厚度
加强筋的厚度不能太厚。

5.6 当加强筋厚度较厚时
当加强筋厚度较厚时，缩水不可避免，则可以通过一些特殊的设计来掩盖缩水，保留“U”形槽、表面断差和锯齿状槽等。

5.7 合理的支柱壁厚
支柱的壁厚不能太厚。

5.8 避免支柱缩水的设计
为避免支柱缩水，可以采用以下方法：

— 6—

从模具结构上预防缩水问题

6.1 适当增加浇口和流道的尺寸
如果模具的浇口和流道截面太小，充模阻力太大，则容易引起缩水的产生。
不过，浇口和流道的尺寸不能随意的增大，因为这会造成塑胶件材料浪费和注塑成型周期加长，使得塑胶件成本增加。
这就是我为何说塑胶件设计是预防缩水问题的最优方案。

6.1 浇口布置应当使得熔料从壁厚的区域流向壁薄的区域

6.3 合理的模具排气：
如果模具排气设计不良，或模具磨损引起释压，都会导致塑件表面产生缩水。应经常检查模具是否存在磨耗释压或排气不良，及时更换模具中的易耗易损件或改善模具的排气条件。

6.4 模具冷却系统的设计：
如果模具冷却效果好，模具温度低，则塑胶件容易产生内部的孔洞缺陷；而如果冷却效果差，模具温度高，则塑胶件容易产生外表面的缩水缺陷。
对塑胶件的重要外观面来说，如果在塑胶件表面发生缩水即造成不良，那么可以通过模具冷却系统的设计，把外表面的缩水转化为内部的孔洞，则可能转为良品。
因此，在容易缩水的地方（例如壁厚过厚处）设计更好的冷却结构，例如采用铍铜等导热性较佳的材料，而在其它其它表面则可以不予冷却或给以较差的冷却，从而把缩水缺陷由塑胶件外表面转化为内部的孔洞缺陷。

— 7—

从注塑成型工艺上解决缩水问题

从注塑成型工艺上，常见的缩水解决方法包括：
增加注射压力和注射时间；
增加保压压力和保压时间；
降低模具温度；
降低熔体温度；

本文介绍另外两种方法：缩短冷却时间和使用气体辅助成型。
7.1 缩短冷却时间
在保证塑胶件出模不变形的前提下，采取尽量缩短冷却时间的方法，让塑胶件在高温下提早出模。此时塑胶件外层的温度仍然很高，表皮没有过于硬化，因此内外的温差相对已不是很大，这样就有利于整体收缩，从而减少了塑胶件内部的集中收缩。
由于塑胶件总体的收缩量是不变的，所以整体收缩得越多，集中收缩量就越小，内部缩孔和表面缩水程度因此得以减小。
缩水问题的产生，是由于模具表面升温，冷却能力下降，刚刚凝固的塑胶件表面仍然较软，未被完全消除的内部缩孔由于形成了真空，致使塑胶件表面在大气压力的压迫下向内压缩，同时加上收缩力的作用，缩水问题就这样产生了。而且表面硬化速度越慢越易产生缩水，比如PP料，反之越易产生孔洞。
因此在将塑胶件提早出模后，要对其作适当的冷却，使塑胶件表面保持一定的硬度，令其不易产生缩水。
但若缩水问题较为严重，适度冷却将无法消除，就要采取冻水激冷的方法，使塑胶件表面迅速硬化才可能防止缩水，但内部缩孔还会存在。
象PP这样表层较软的材料，由于真空和收缩力的作用，塑胶件还会有缩水的可能，但缩水的程度已大为减轻。

7.2 气体辅助注塑成型
气体辅助注塑成型是通过把高压气体引入到塑胶件的厚壁部位，在注塑件内部产生中空截面，完全充填过程、实现气体保压、消除制品缩痕的一项新颖的塑料成型技术。
传统注塑工艺不能将厚壁和薄壁结合在一起成型，而且塑胶件残余应力大，易翘曲变形，表面有缩水。
气辅技术通过把厚壁的内部掏空，成功地生产出厚壁、偏壁塑胶件，而且制品外观表面性质优异，内应力低，轻质高强，可以解决缩水问题。

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