熱成型、擠出、射出成型…七種塑膠產品製程初認識!

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塑膠是很常使用的材料,在《新手不可不知:塑膠射出成型產品的 11 個基礎設計原則》一文中提到要做塑膠製品,可不只有射出成型,本文將介紹七種塑膠產品的成型法,分別介紹其製程與應用,希望對各位產品開發者、設計師們都有所幫助!

塑膠材料的先備知識!

塑膠原料在室溫底下為固體或彈性體,而在加工時都會加熱原料,讓它成為具有流動性的熔融液態。塑膠依照加工特性分為「熱塑性塑膠」和「熱固性塑膠」,前者可以多次加熱塑形,具有回收再利用性,其流動性像是黏液一般較緩慢的熔融狀態,常見有 PE、PP、PVC、ABS……等;後者在加熱後會固化,分子鏈之間形成化學鍵,成為穩定的結構,因此即使再次加熱也不能讓達到熔融液態,像是環氧樹脂、橡膠。

列出常見的七大項製程:

鑄造成型 Casting

不只是金屬能鑄造,塑膠製造時也可以將液態塑料倒入模具,在室溫或是低溫烘烤下固化,再將成品取出,可以製造表面光滑的物件,也常稱為澆鑄、鑄塑。使用材料像是丙烯酸,酚醛樹脂,聚酯(Polyester)和環氧樹脂(Epoxy),常用來製作中空製品、板材等等。而以此延伸出的塑膠製程有浸漬成型(Dip Molding)、中空鑄型法 (Slush Molding)、旋轉成型(Rotational Molding,又稱滾塑成型)

浸漬成型 Dip Molding

將高溫的模具浸泡到塑膠熔融液體中再緩慢取出、晾乾,最後將成品從模具上剝離的成形方式。將模具從塑料中取出的速度需要控制,速度越慢、塑料層越厚。這個製程具有成本優勢,便宜又可以小量生產,且因為製程不會有分模線,缺點是僅限於製作較簡易的造型,常見於生產氣球、塑膠手套、手工具手柄以及醫療器材等中空物件。

另外也以浸漬成型運用於上色、加上異材質塗層時使用,日本建築兼設計師 Jo Nagasaka 就曾使用發泡材料綑綁後浸漬在橡膠中製造家具。

浸漬成型案例-日本設計師椅
日本建築兼設計師 Jo Nagasaka 設計的 spongy seats

中空鑄型法 Slush Molding

將塑膠熔融液體倒入高溫的模具來做出中空的產品,塑膠會在模具上形成一層模(殼)後,將多餘的料倒出,等到塑膠凝固後就可以打開模具取出零件。當塑膠在模具停留的時間越久,殼就越厚,是自由度相對高的製程,並且可以製作較為複雜的形狀、獲得很好的外觀細節,常見如 PVC 、 TPU 製作的汽車內裝,像是儀表板、門把的表面。

中空鑄型法的塑膠成型步驟
塑膠會在模具上形成一層模後,將多餘的料倒出,等到塑膠凝固後就可以打開模具取出零件。
汽車儀表板是由 TPE 以中空鑄型製作
汽車儀表板是由 TPE 以中空鑄型製作,圖片來自LTM

旋轉成型 Rotational Molding

將定量的塑膠熔融液體放到加熱的兩件式密閉模具裡後,再旋轉模具,讓物料均勻地分布在模具壁上,等凝固後就可以打開模具取出成品。過程中會利用空氣或是水降溫,而成品必為中空結構,加上因為旋轉的關係,成品都有著柔和的曲線,不太適合做小型、精細的產品。一開始的塑料液體多寡就決定壁厚,與前兩者不同。多用來製作中軸對稱的圓形物體,像是陶藝花盆、兒童遊具、照明設備、水塔設備等等。

旋轉成型的塑膠成型步驟
機台會旋轉模具,讓物料均勻地分布在模具壁上。

吹氣成型 Blow Molding

吹氣成型又稱中空成型吹塑成型,機台中間包覆著吹氣裝置,當原料加熱後擠壓經過模頭後的塑膠,會呈現中空管條狀,兩邊模具合起後會切斷餘料,接著進行送入空氣到模具,此時塑膠會像吹氣球到填滿整個模具內壁,最後冷卻後取出成品。使用材料如 ABS、LDPE、HDPE、PP、PC、PS 等等,而產品多為各式各樣的瓶罐、汽車與醫療會用到裝液體的零件。

吹氣成型-塑膠成型步驟
吹氣成型機台會將空氣打入,填滿整個模具內壁成型。
吹氣成型製作出的產品多為瓶罐類,圖片來自Sealectplastics

擠製成型 Extrusion

擠製成型又稱押出成型或擠出成形,是將熱塑性材料加熱軟化後,擠壓進入成型的模具中(稱為「模頭」)塑型,塑料會形成與模頭一致的截面,擠出一長段後冷卻,再依據需要被裁切成需要的長度。擠製成型的設備成本低且應用十分廣泛、容易自動化生產。只是造型上有限制,主要拿來生產管材、板材、棒材、薄膜,常見如水管、零件、塑膠板、塑膠條、電纜等等。

擠製成型-塑膠射出成型

熱成型 Thermoforming

熱成型是將厚度均勻的材料置於模具中,加熱使材料軟化而覆蓋於模具表面,再以外力壓擠成型,經過冷卻階段固化獲得成品,可細分為熱壓成型(壓縮成型)、真空成型,差別在於施壓方式不同。

熱壓成型 Compression Molding

壓縮成型是將塑膠顆粒狀原料,放到加熱的模具上(母模)利用同樣高溫的下壓模具(公模)所成型的工法,也稱熱壓成型、模壓成型。成品的壁厚取決於公母模間的空隙,當模具分開後會利用頂針將成品推出。因為製程沒有澆注口及澆道系統,所以原料不太會損失,也可以成形任何塑膠原料,常用如PF、MF、UF、EP,但製程關係成型週期較長且容易溢料出毛邊,需要再後加工將不需要的地方去除。

熱壓成型、壓縮成型的塑膠成型步驟
壓縮成型是將塑膠顆粒狀原料,放到加熱的模具上利用同樣高溫的下壓模具所成型的工法

壓縮成型常用來製作熱固性塑膠製品,和添加玻璃纖維而增強原料的塑膠製品,其中尤其適合造型簡潔、無內倒角又具有厚度的物件,像是重型零件、插座、杯盤等等。

真空成型 Vacuum Forming

真空成型也可稱為真空熱壓成型,是先將塑膠板材均勻受熱至軟化後,機台會讓塑膠板材和模具接觸,並將空氣抽出形成真空狀態,讓塑膠片緊密地包覆模具成型,等待冷卻即可取下成品。

真空成型的塑膠成型步驟

真空成型因為是低壓製程,所以模具材質限制少,有倒鉤造型時也可以考慮破壞模具(例如雕塑用油土)。適合打樣也可量產,少量可以使用木製、石膏;中大量生產則會用環氧樹脂或是耐磨的鋁材作為模具。所有熱塑性塑膠板材都可以使用,最常見的PS、ABS、壓克力、PC,常見應用如烘焙器具、浴缸、包材、家具、汽車內裝等。

左圖:浴缸是由塑膠、大理石粉末、鋁土礦等組成的人造材質經由熱成型製成,圖片來自patriciaurquiola /右圖:2017年多倫多室內展覽會上推出的 gweilo 燈,就是使用光學級 PMMA 以熱成型製作。圖片來源自partisans

射出成型 Injection Molding

塑膠射出成型則是顆粒狀的原料進料到機台後,利用高溫高壓將熔融狀的塑料注入不鏽鋼模具,再降溫、利用頂針推出成品。可使用的材料與應用範圍廣,因為鋼模可以製作複雜、高精度、多樣的成品,但相對的開模成本也高,因此通常會提高產量來分攤模具成本。

塑膠射出的步驟

塑膠射出成型能製作的物品廣泛,更常會有師傅說「只要開得出模具就可以製造!」因此舉凡生活用品、汽車零件、醫療器材、電子產品、嬰幼玩具等等都是製造的範圍。而製造搜查線也走訪過許多塑膠射出廠商,每間MOQ都不一樣、擅長製作的產品也不相同。延伸閱讀:新手不可不知:塑膠射出成型產品的 11 個基礎設計原則

享奎塑膠在實際生產時非常精細的模具,與成品射出後的模樣。(全文:大廠也跟他學!業界模具開發指標 塑膠射出成型工廠:享奎企業
塑膠射出彈性高,製作大小與精度範圍廣,圖為隆怡塑膠製作的電子產品與電器。(全文:雙 Apple MFi 認證!研發、模具、塑膠射出到組裝的電子產品 EMS 大廠:隆怡工業)

焊接 Welding

焊接是利用熱量融化熱塑性塑膠(搭配治具)把塑膠物件接合的製程,方式分為接觸與非接觸兩種,前者如振動摩擦焊接,後者像是超音波、雷射、紅外線、氣體對流焊接等等。

摩擦焊接  Friction Welding
兩個塑膠物體在一定的壓力、震幅和頻率下,互相快速摩擦產生熱量,讓塑膠在接合面上呈現熔融狀態,再將兩者夾緊作接合動作。適合熱塑性材料和半結晶樹脂(如HDPE、PA、PP、TPO),常見的應用像是汽車的進氣岐管、儀表板、車燈,其他還有航太應用。通常熔融塑料會從接縫處流出一點產生溢料,但這種製程不需要高成本的模具就可以達到好的氣密接合效果。

雷射焊接 Laser Welding
雷射焊接時要先將兩個物件疊合在一起,上層為雷射光可穿透物件,當雷射光照射時會穿透上層照到下層吸收雷射光,下層表面融化將熱量傳導到上層物件以接合,過程會利用夾具來確定物件間的緊密度,同類塑膠有高度的連接穩定性,但如果有超過 40% 比例的玻璃纖維,可能就有易碎的焊接縫,而且建議其厚度不超過 2 mm。

設計師 Phan Thao Dang 也曾經利用焊接將 ABS 水管做成具有設計美感的椅子。

Phan Thao Dang 利用焊接將ABS下水管做成具有設計美感的椅子,圖片來源:Phan Thao Dang

發泡成型 Foaming

發泡成型與其他成型的差別在於需要將材料先膨脹,再將材料灌注到模具成型。大多數熱塑性塑料和熱固性塑料都能加工成發泡材料,常見如發泡聚氨酯(PUR)、發泡聚苯乙烯(EPS )、聚氯乙烯( PVC)、發泡聚乙烯( EPE)、發泡聚丙烯(EPP)。圓球狀的原料經過戊烷和熱蒸汽會熱膨脹成原先的 40 倍大,需要讓材料靜置約 12 小時後,才能再加熱注入成型模具或是射出機台,藉由高溫讓顆粒融合成型。

成品可以大幅減輕重量,具有緩衝、絕熱、電絕緣、吸音等效果,適合大量生產,可以加工的尺寸和範圍廣,應用如水果包裝、衝浪板、單車安全帽、汽車內裝(駕駛座靠枕、保險桿,和儀表板下方的緩衝材等等),但是相對的設備和模具也不便宜。

左圖:Blocksfinj公司推出的 Moonstruck 系列,利用塑膠發泡成型做出具有大理石紋路的家具,圖片來自Blocksfinj/右圖:發泡成型的經典之作是Enzo Mari的 Seggiolina Pop椅,圖片來自magisdesign 

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最後修改日期: 23 3 月, 2021