選擇高性能塑膠零件的材料和工藝

本文旨在幫助設計工程師和塑膠行業內支援他們的人員選擇工藝順序和材料，以最大限度地提高服務關鍵部件的性能。

塑膠界存在大量關於機加工和注塑成型塑膠零件之間相對差異的民間傳說。 鑒於樹脂和形狀生產商發佈的數據表值，此知識很容易理解。 樹脂數據表上列出的值幾乎總是大於領先形狀供應商（http://bit.ly/datasheetreview）發佈的值。 不要讓這種觀察分散或減慢你設計和製造最佳零件的任務。 這種誤解可能導致生產延遲，性能不佳和/或超出預算的零件，在最壞的情況下，還會導致意外故障。

零件設計

任何設計的元素都必須考慮：

1. 性能要求
2. 維度屬性
3. 目標成本

前兩個似乎很明顯，但目標成本往往被忽視……畢竟「
不是所有的塑膠零件都比金屬替代品更便宜嗎？不，他們不是。
許多高性能聚合物的成本超過了特種金屬，甚至超過了體積基礎。 通常與向塑膠的轉換相關的有利經濟性來自提高的材料產量以及與將塑膠零件注塑成最終尺寸相關的製造步驟的減少，而不是從鍛造，鑄造或標準形狀加工。 但是，如果零件計劃用於注塑成型，則成本中必須包括模具所需的資金。 該成本需要在部件的整個使用壽命期間考慮在內的預期體積中。

從毛坯形狀加工零件消除了對工具的需求，除了提供提高精度的性能和尺寸優勢外，還大大改善了第一個零件的交付。

材料選擇

新零件的樹脂選擇應首先考慮零件的環境和應用需求。 將溫度、化學品、陽光等考慮因素與耐磨性、強度、透明度等應用需求相結合，將候選材料族的數量減少到可管理的數量，以供進一步考慮。 航空航太應用要求結構部件在高溫強度和低溫衝擊強度之間取得平衡，這可能會導致設計人員選擇Torlon PAI。 或者，需要在高溫蒸汽中具有化學惰性的井下O&G部件可能會導致工程師將PEEK作為樹脂系列。 熔融可加工塑膠，如PEI，PSU，PPSU，PPS，縮醛，聚碳酸酯，聚酯甚至尼龍，通常被認為是以性能為導向的零件。 幾個關鍵問題的答案通常可以將清單縮短為1或2個非常好的材料族。

• 我的零件是軸承和易損件還是結構件？
• 預期的工作溫度範圍是多少？
• 是否有任何外觀要求（透明度，顏色等）？
• 必須考慮哪些特定的環境因素？
• 需要哪些最低強度要求？
• 抗衝擊性和/或韌性是否至關重要？

與行業專業人士的對話通常可以讓您瞭解一些塑膠系列，並回答上述問題。

現在是材料選擇過程可能變得棘手的時候。

每個材料系列都由許多等級和粘度類型組成，這些等級和粘度類型對加工世界中的那些人來說更有意義，但是更好地理解術語將有助於那些通常擁有工程圖紙上列出的材料標註的零件設計零件。 例如，索爾維提供超過 8 個等級的 Torlon，每個等級的成分略有不同，每個等級的粘度（分子量）也各不相同，還有 10 多個不同的 PEEK 牌號，有些具有不同的成分，有些具有不同的粘度。 上述每種基礎樹脂中都包含玻璃和碳纖維、石墨、PTFE、油、蠟和礦物質等添加劑，以增強強度和/或耐磨性等某些性能。 這種情況適用於所有樹脂系列，這意味著特定部件可能存在數百種候選材料。

那麼，我該如何選擇，何時做出最終的成績選擇呢？

現在是暫定選擇坡度的好時機，但在永久選擇坡度並將其添加到工程圖之前，必須考慮工藝選擇。

工藝選擇

通常，零件尺寸/形狀和預期體積的組合清楚地表明注塑成型或機加工是正確的轉換路線。

一旦您的轉換過程路線廣為人知，就該徵求供應商的意見了。 雖然有許多材料可用作加工形狀，但並非所有樹脂牌號都有所有尺寸。
擠出形狀幾乎總是由最高分子量的樹脂製成
，但許多工程師會參考設計用於在印刷品上注塑成型的低粘度等級，以便加工零件。 這幾乎總是導致採購和/或成本問題。 在Torlon命名法中，Torlon 4203L是用於注塑成型的低粘度（高流動性）牌號的名稱。 形狀生產中使用的較高粘度牌號不包括“L”名稱（http://bit.ly/gradedesignation）。 許多印刷品都引用了Torlon 4203L，但這些零件是要加工的。 在威格斯的PEEK牌號命名系統中，150個牌號是低粘度（高流動性）牌號，用於注塑薄壁零件，而450個牌號更適合擠壓形狀和厚壁零件。 再次為機加工零件添加150G的材料標註將使圖紙的合規性變得不可能。 許多其他材料也存在同樣的情況，包括乙縮醛和尼龍基塑膠。

通常，玻璃和碳增強牌號很難在較大的尺寸和形狀中找到。 經驗豐富的注塑成型師在決定哪個牌號最適合填充模腔之前，會查看零件橫截面和整體幾何形狀，因為他們通常可以選擇2或3種粘度。 始終記住，低粘度（高流動性）樹脂可以更快地填充工具，但作為飾面零件的韌性較低。 平衡這兩種需求是材料選擇的一部分。

注塑成型是製造塑膠零件的一種非常快速有效的途徑
，但必須證明初始模具費用是合理的。 如今，模具價格從10，000美元到100，000美元或更多。 由於纖維取向，增強型牌號可能會帶來加工挑戰，但這些問題幾乎總是通過與您的模塑商密切合作來克服，模塑商可以利用多年預測模流和由此產生的機械性能方向性的經驗。 擠壓成型可實現非常堅固的加工工藝，通過零件定位實現盡可能高的剛度和強度，而很少或沒有刀具或NRE費用。 模壓成型形狀允許將某些不可熔化的塑膠製成形狀。 僅壓縮成型的塑膠示例包括PTFE，UHMW和幾乎所有熱固性塑膠。 其他材料，如PEEK和PAI，通過擠出和壓縮成型進行加工。 雖然大多數模壓成型塑膠的機械強度/剛度低於其熔融加工的兄弟姐妹，但它們在加工過程中可以更穩定地尺寸。

由於並非所有形狀和尺寸都由每個製造商生產，因此即使在相同等級的材料中也會產生不同的強度和剛度特性。 與您的機械師和形狀製造商密切合作是確保您的零件達到最佳狀態並能夠根據需要運行的最可靠方法。

零件使用壽命期間的生產階段可以包括加工和成型
。 許多零件最初是通過加工生產的，當時體積很小，設計仍然是流動的，一旦設計確定並得到概念驗證，這些零件就會轉換為注塑成型。 設計和採購工程師需要所有生產路線的經驗，或者至少應該與在聚合物加工方面具有豐富經驗的供應商合作。 很多時候，設計工程師在將機加工塑膠零件轉換為注塑成型零件時感到沮喪，期望所有性能屬性保持不變。 加工和注塑成型零件之間的纖維取向、零件韌性、磨損率和精度幾乎總是不同的。 即使加工注塑成型的形狀或零件，其特性也可能與從擠壓或壓縮成型形狀加工（零件）不同。 從專案一開始就瞭解這些差異將有助於減輕後期生產階段的意外情況。

使用高性能聚合物進行設計，其中零件和工藝設計對系統性能至關重要，需要所有預期工藝選項的專業知識。 德雷克內部擠出、注塑和加工的獨特組合使我們能夠始終為特定零件選擇最佳工藝，同時兼顧經濟性和性能。

仔細選擇您的流程和處理器，並牢記格言：

沒有不良流程…但是有些不知情的加工商和工程師
不會詢問功能要求，也不會根據這些重要資訊修改他們的材料和工藝選擇方法。