选择高性能塑料零件的材料和工艺

本文旨在帮助设计工程师和塑料行业内支持他们的人员选择可最大限度地提高关键维修部件性能的工艺顺序和材料。

塑料界对加工成型塑料零件和注塑成型塑料部件的相对差异存在大量民间传说。 给定树脂和形状生产商发布的数据表值，此传说很容易理解。 树脂数据表上列出的值几乎总是大于领先形状供应商发布的值（http://bit.ly/datasheetreview）。 不要让这种观察分散或减慢你设计和制造最佳零件的使命。 这种误解可能导致生产延迟、性能不佳和/或预算过高部件，在最坏的情况下，意外故障。

零件设计

任何设计的元素都必须考虑：

1. 性能要求
2. 尺寸属性
3. 目标成本

前两个似乎很明显，但目标成本经常被忽视……毕竟“不是所有塑料部件的制造成本都比金属替代品便宜吗？”不，他们不是。许多高性能聚合物的成本甚至超过了特种金属的成本，甚至在数量上也是如此。 与塑料转换相关的有利经济性来自提高材料产量和减少与注塑塑料零件相关的制造步骤，使其达到最终尺寸，而不是从锻造、铸造或加工。标准形状。 但是，如果零件计划用于注塑，则成本中必须包含模具所需的资本。 在部件的生命周期内，需要将成本计入预期数量中。

从库存形状加工零件，消除了对刀具的需求，除了提供提高精度的性能和尺寸优势外，还大大提高了第一零件的交付。

材料选择

新零件的树脂选择应首先考虑该零件的环境和应用需求。 温度、化学品、阳光等考虑与耐磨性、强度、透明度等应用需求相结合，将候选材料系列的数量减少到可管理的数量，供进一步考虑。 需要结构部件的高温强度和低温冲击强度平衡的航空航天应用可能导致设计师前往 Torlon PAI。 或者，在高温蒸汽中需要化学惰性的井下 O&G 部件可能会导致工程师将 PEEK 作为树脂系列。 可熔化的塑料，如PEI、PSU、PPSU、PPS、乙醛、聚碳酸酯、聚酯甚至尼龙，通常被认为是性能导向的部件。 几个关键问题的回答通常可以缩短列表到 1 或 2 个非常好的物质系列。

• 我的零件是轴承和磨损部件还是结构部件？
• 预期工作温度范围是多少？
• 是否有任何外观要求（透明度、颜色等）？
• 必须考虑哪些具体的环境因素？
• 需要哪些最低强度要求？
• 抗冲击性和/或韧性是否至关重要？

与行业专业人士交谈通常可以指出几个塑料家庭与上述问题的答案。

现在，材料选择过程可能会变得棘手。

每个材料系列由许多牌号和粘度类型组成，这些类型对加工世界中的那些材料具有更大的意义，但更好地理解术语将帮助那些通常拥有工程中列出的材料标注的设计部件绘图。 例如，索尔维提供超过8个等级的Torlon，每个等级的成分略有不同，每个等级的粘度（分子量）和超过10个不同的PEEK等级，有些不同成分，有些不同粘 度。 上述每种基础树脂中均含有玻璃和碳纤维、石墨、PTFE、油、蜡和矿物等添加剂，以提高某些特性，如强度和/或耐磨性。 这种情况适用于所有树脂家族，这意味着特定部分可能存在数百种候选材料。

那么，我该如何选择，何时做出最终的分数选择？

现在是临时选择等级的好时机，但在永久选择等级并将其添加到工程图纸之前，必须考虑流程选择。

流程选择

通常，零件尺寸/形状和预期体积的组合清楚地指向注塑或加工是正确的转换路线。

一旦您的转化流程路线更广为人知，是时候向供应商征求意见了。 虽然有许多材料可用于加工形状，但并非所有树脂牌号都有各种尺寸可供选择。 挤出型材几乎总是由最高分子量的树脂制成，但许多工程师会参考设计用于注塑成型的低粘度等级，用于待加工零件的印刷。 这几乎总是导致采购和/或成本问题。 在 Torlon 命名法中，Torlon 4203L 是指定用于注塑成型的低粘度（高流量）等级的指定。 形状生产中使用的高粘度牌号不包括”L”型 （http://bit.ly/gradedesignation）。 许多打印件都引用了 Torlon 4203L，但零件是要加工的。 在威格斯的PEEK等级命名系统中，150个牌号为注塑薄壁件而开发低粘度（高流量）牌，而450个牌号更适合挤压形状和厚壁零件。 再次为加工零件添加 150G 的材料标注将使符合绘图变得不可能。 许多其他材料（包括乙醛和尼龙基塑料）也存在同样的情况。

通常，在更大的尺寸和形状中很难找到玻璃和碳增强牌号。 经验丰富的注塑机将先查看零件横截面和整体几何形状，然后再确定最能填充模具腔的等级，因为通常有 2 或 3 个粘度可供选择。 始终记住低粘度（高流量）树脂更快地填充工具，但作为表面处理部件提供较少的韧性。 平衡这两个需求是材料选择的一部分。

注塑成型是制造塑料零件的一种非常快速和有效的途径，但必须证明初始模具费用是合理的。 如今，模具的售价从 10，000 美元到 100，000 美元或更多不等。 增强的牌号可能会带来加工挑战，由于纤维方向，但这些几乎总是通过与您的模具机密切合作，谁可以利用多年的经验预测模具流动和由此产生的机械方向性克服性能。 挤压形状可实现非常坚固的加工过程，通过零件方向实现尽可能高的刚度和强度，且很少或没有刀具或 NRE 费用。 压缩成型形状允许将某些不可熔化的塑料制成形状。 仅压缩成型的塑料示例包括 PTFE、UHMW 和几乎所有热固性塑料。 其他材料，如PEEK和PAI，通过挤出和压缩成型进行加工。 虽然大多数压缩成型塑料的机械强度/刚度低于其熔化加工的同级塑料，但它们在加工过程中可以更加维稳定。

由于并非所有形状和尺寸都由每个制造商生产相同，因此即使在相同等级的材料中，也会产生不同的强度和刚度特性。 与您的机械师和形状制造商密切合作，是确保您的零件是最佳且能够根据需要执行的最可靠方法。

零件生命周期内的生产阶段可以包括机加工和成型。 许多零件最初通过加工生产时，体积低，设计仍然流动，后来在设计确定和概念验证后转换为注塑。 设计和采购工程师需要具备所有生产路线的经验，或者至少应该与在聚合物加工方面拥有丰富经验的供应商合作。 设计工程师在将加工塑料零件转换为注塑成型零件时，曾多次受挫，希望所有性能属性保持不变。 纤维方向、零件韧性、磨损率和精度在加工和注塑成型零件之间几乎总是不同。 即使加工注塑成型或零件，也能产生与从挤压或压缩成型形状加工（零件）不同的特征。 从项目开始理解这些差异将有助于缓解后期生产阶段的意外情况。

使用高性能聚合物进行设计，其中零件和工艺设计对系统性能至关重要，这需要在所有预期工艺选项中具备专业知识。 Drake 将内部挤出、注塑和加工的独特组合，使我们能够始终为特定零件选择最佳工艺，同时考虑到经济性和性能。

选择您的流程和处理器仔细记住格言：
没有糟糕的流程……但是有些不知情的加工商和工程师不会根据这些重要信息询问功能要求并修改他们的材料和工艺选择方法。