吹塑成型制品设计

设计的基本依据
所有吹塑制品都是通过把压缩空气吹到型坯的内部，使型坯胀大到充满模具内表面的方法成型的。因而，模具确定了制品的外表面尺寸。制品的吹胀比是完成的制品直径与型坯的直径之比。如果型坯被吹成圆柱形，这样定义吹胀比是正确的。当形状不规则时，其吹胀比是以这些不规则开关的断面去确定这些区域的附加吹胀比。换句话说，与总吹胀比相比，形状不规则的区域有其独立的吹胀比区域。
3.1.1　尺寸变化
当吹胀比改变时，型坯尺寸的增加有助于吹塑一个完整制品，如图3.1所示。挤出吹塑的优点是可以选择与制品相应的型坯尺寸。
当吹胀比确定时，型坯被挤压到模具内，同时被吹到模具的内表面上。一般来说，最好让型坯比模具大一些，这样模具可将型坯夹断，进而吹成模具内表面的形状，如图3.2所示。
对于整体制件，型坯的定位是有效模型的基本条件，以确保壁厚的均匀性。
3.1.2中空制品结构
当进行吹塑设计时，要认识到吹塑加工与单壁制品加工（注塑模塑加工）是完全不同的。成功生产制品的第一步是要了解吹塑中空制品结构的优缺点以及怎样最好地确立最佳的结构形式。当用吹塑方法加工一个制品时，设计者首先必须确定中空制品的双壁结构。
对大多数加工过程，都可以按照单壁结构进行设计，再模塑成需要的形状。壁厚的选择可由加工经验、制品外观、经济等方面来控制。
压力或真空热成型方法与吹塑成型方法较接近，因为它是用塑料片吸附在凹模上，再将两个整齐的制品焊接在一起成为一个整体的中空制品。另一个例子是用金属片材成型的方法，先弯曲成型，再将两部分夹紧在一起焊接形成焊缝并产生强度和刚度的中空制品，如图3.3所示。
设计过程中所涉及的模具分开（合模线）的位置、制品斜度、制品布局、吹胀比、圆角、修饰外观等因素是设计工程师、工具工程师或加工工程师必须考虑的。这些术语定义如下：
1) 制品斜度  平行于模具移动方向的所有表面要有一定斜度，其中斜度要使模具能容易开启便于制品取出为宜；
2) 外形  中空制品的外形是制品的外表面；
3) 检查所有使用功能  当作为一个制品使用时，零部件越少、装配工作越少越好， 因为可以减少制品成本；
4) 吹胀比  吹胀中，注意引起壁厚极薄几何形状的区域，这些地方可能是凸出或凹入的部位，宽与深之比过大时可辅助以真空成型；
5) 半径原则  避免尖锐的边缘、转角、表面的突然变化、制品直径或壁厚的突然转变；
6) 结构强度和刚度  可考虑设计成几何外型上如折边、筋和两平板相交的接缝等结构；
7) 结构制品表面焊接  有时也叫做截坯口接合缝或粘接口，这些通常位于吹塑制品压缩成型面上；
8) 嵌件、排气槽、进气针、顶销孔、刻字和标签的位置必须仔细考虑。
3.1.3 制品的斜度
合模线和适当斜度的选择是第一步工作，对大多数制品来说，当合模线是平直线时，很明显其斜度是简单的累加，如图3.4(a)～3.4(c)所示。
当制品合模线不规则时，图示合模线的形状变得更复杂。有些模具结构的影响是要考虑的，以使模具中没有锋刃出现，如图3.5所示。下面是斜度的一般原则：
最小斜度：1°/边
推荐的斜度：2°/边
斜度增加的原则：增加1°/每增加0.025mm深
3.2 吹胀比增加时斜度增加
制品冷却时将会从凹模壁上收缩，但如果凸模（型芯）在凹模内，制品将向凸模收缩，如图3.6所示。为了易于取出制品，设计一定的斜度是非常重要的，吹胀过程如图3.7所示。
吹塑加工中吹胀比是设计中最重要的参数，型坯吹胀到型腔的内表面后使其表面积有较大的增加，而型坯材料的总体积是不变的，这样表面积增加，壁厚必定减少。
如图3.8所示，如果面积（Ｌ×Ｗ）是10个平方单位，扩展到型腔表面积时为50个平方单位。这样初始壁厚为1mm时，成型后的平均壁厚为0.2mm。这只是个简单的表示，不能代表真实的情况，因为真实的制品不可能均匀扩展，这样最后的壁厚依赖于制品的几何形状。最直接的因素是与深度有关的宽度和长度尺寸。作为一般原则，当使用的最小斜度为2°，两倍壁厚的半径时，深度应不超过宽度或长度的两倍。
当制品半径、顶部、底部及斜度都较大时，允许制品的深度深些，如图3.9所示。另一个需要考虑的因素是开模时的形状，如图3.10所示。确定吹胀半径的四种应用准则如图3.11所示。
吹胀比==
 
注意：最佳的吹胀比可受所用材料和加工过程的影响，例如注塑－吹塑聚对苯二甲酸乙二醇酯和挤出吹塑高密度聚乙烯时会有不同的吹胀比。
3.3 圆角指南
一般来说，如果不是厚壁制品，不要将制品设计成尖角或尖边的形状（尖角处易吹破）。下面是特殊半径极限情况的说明：
1) 材料将变得极薄，而且在没有充满转角或边缘时就被吹破了；
2) 当制品还没有完全被吹大时，尖角或尖边会使应力显著增加，导致弯曲、疲劳和最终模塑制品的冲击强度下降；
3) 薄壁产生在型腔尖锐的边或角上；
4) 模具型腔内的尖角或小的凸起限制了可达到的吹胀比。
如图3.12所示，可将制品表面转折分成两类：内半径和外半径。型坯在模具内吹胀时，产生外半径，模具中的凸起部分压进型坯而使制品形成型腔或凹陷时会产生内半径。对外半径的要求更苛刻，因为当型坯吹胀进入模具型腔时，材料会产生拉伸。
3.3.1 圆弧形转角和边缘
为了保持吹塑制品有相等的壁厚，在设计制品和模具时必须假定型坯贴紧模具壁。这样当吹胀开始时就会产生拉伸，引起过薄甚至吹破，因此最后成型的转角或边缘必须设计适当的圆弧。对圆柱形的模塑制品，边缘的圆弧半径应不小于容器直径的1/10。对椭圆形制品，可以以最小的直径为准。对矩形制品转角圆弧的最小许用值较容易确定，如图3.13所示。根据此图，转角圆弧的半径是：
r_E≥t_F / 2(1-sin45°)≥0.15t_F
然而如果可能，可略微放大一些，因为是多向拉伸。
为了避免缺口影响，所有的螺纹边和筋、瓦楞形、装饰条上的边缘都做成圆弧形。如果需要特别高的抗震性，例如薄壁容器，必须避免不适当的设计。如果两个半模的模具能准确对准，沿着模具的合模线将不会出现脊棱。不要使用嵌件，例如瓶模具的嵌件。这些原则也适用于重型负载的容器。
3.3.2 倒角
倒角与圆弧在吹塑制品中经常交替使用（两者选一），因为它们可提供更好的外观。倒角是一种高技巧，它呈现矩形外观并减小了聚合物的拉伸（见图 3.14）。
3.4 模塑的几何形状
吹塑加工的夹壁中空结构制品特别有利于提高中空制品的刚度和强度，并且适用于有支撑点形状的制品（图3.15）。
筋和联接板在结构上是增加强度和刚度的一种有效方法（见图3.16）。
一般应避免大平面，因为薄壁制品易出现弯曲或呈“油罐”的倾向。解决的方法如图3.17所示。
3.5 凸缘和粘接
为了保证设计的最大有效性必须考虑到许多其他设计条件。吹塑制品是中空的制品，因此在做成一个整体时，在断面相对薄的大面积板上，板的一面必须有瓦楞或粘接，以提供刚度或支撑。同时，也可以利用凸缘保证制品的刚度。
凸缘和粘接是将型坯的两面用压力模塑在一起的工艺。模塑后制品将是原型坯厚度的1.5～2倍。需凸缘或粘接以外的其他地方不要施加压力，否则当制品设计成锐角时，制品表面将出现凹陷或表面湿晕（泛白现象）及撕裂现象，如图3.18所示。
制品壁和凸缘区域可直接模塑出联接孔，以便用螺栓插入联接，膨胀钉插入联接，自攻螺攻插入联接以及同时辅以粘合剂粘合和熔剂粘合固定。
3.5.1 带螺纹的制品
制品上的螺纹能被吹塑成内螺纹和外螺纹两种形式。通常外螺纹位于合模线上（3.19），内螺纹是将一个嵌件（例如一个注塑制品）放到气针上并与型坯成型在一起使之最终成为产品的一部分。另一种方法是将一个金属螺纹型芯与型坯模塑在一起，在吹塑周期结束后再将螺纹型芯拧松卸下。
3.5.2 连接件和嵌件
此外，可将其他连接件和嵌件插入模具中，成型时吹塑型坯可包覆住它们使之与吹塑件组成一个整体制品。嵌件需要设计成能使型坯流到它周围并包住它，使嵌件成为最终制品的一部分。这些嵌件可以是注塑模塑件或金属件，如图3.20所示。
图3.21所示为计算机办公用具上嵌件的应用，以及应用粘合和加强筋的实例。所有这些设计思路都必须和模具的设计联系在一起，因为这些零件都是插入到模具里或插入到模具的截坯口区域里的。
3.6　结论
近十年来大量的吹塑成型知识和技术已相继展开，一个完整的分类法也已得到发展。设计者设想了吹塑制品的夹壁结构和怎样使用这种结构在大型结构制品上应用（其中有流体和动能的应用）。其中设计者应熟悉怎样使用加强筋、连接板、铰链、双壁结构连锁装置来提高吹塑制品的使用功能。这些内容将在以后的章节中讨论。图3.22显示了模塑的结构制品。
致谢：
本章的基础工作是在美国通用电气公司（ＧＥ）塑料部及工程吹塑塑料部研究的基础上完成的。其中一些内容已被收集在由Linclon J. Avord编著、由美国通用电气公司出版的专著《工程吹塑成型制品设计》中。虽然其中主要论述的是工程塑料，但作者从经验中发现其基本原理和分类方法也同样适用于聚烯烃类塑料。