高分子材料模塑成型3D复印技术(精)9787030785909

前言

第1章　绪论1

1.1　高分子材料模塑成型概述1

1.1.1　高分子材料模塑成型分类及特点1

1.1.2　高分子材料模塑成型智能制造发展趋势2

1.2　高分子材料3D复印技术3

1.2.1　高分子材料3D复印概念3

1.2.2　高分子材料3D复印发展前景5

参考文献7

第2章　塑料注射模塑成型8

2.1　塑料注射模塑成型基本原理8

2.1.1　塑料在注射模塑成型中的加工特性10

2.1.2　注射模塑成型特点及适用产品11

2.1.3　注射模塑成型装备基本结构13

2.1.4　注射模塑成型模具结构设计15

2.2　塑料注射模塑成型工艺15

2.3　多组分注射模塑成型18

2.3.1　多组分注射模塑成型原理18

2.3.2　多组分注射模塑成型装备结构21

2.3.3　多组分注射模塑成型应用举例30

2.3.4　快速热循环注射模塑成型技术32

2.4　塑料微发泡注射模塑成型42

2.4.1　塑料微发泡注射模塑成型原理42

2.4.2　塑料微发泡注射模塑成型装备结构44

2.4.3　塑料微发泡注射模塑成型工艺调控48

2.4.4　塑料微发泡注射模塑成型应用举例50

2.5　塑料反应注射模塑成型54

2.5.1　塑料反应注射模塑成型基本原理57

2.5.2　塑料反应注射模塑成型装备结构60

2.5.3　塑料反应注射模塑成型模具结构设计61

2.5.4　塑料反应注射模塑成型工艺调控62

2.5.5　塑料反应注射模塑成型应用举例62

2.6　微注射模塑成型67

2.6.1　微注射模塑成型基本原理67

2.6.2　微注射模塑成型模具设计方法与制造技术70

2.6.3　微注射模塑成型工艺调控72

2.6.4　微注射模塑成型应用举例73

2.7　注射模塑成型制品缺陷分析及解决方案81

2.7.1　注射模塑成型制品常见缺陷81

2.7.2　缺陷产生机理分析85

2.7.3　高分子材料3D复印可视化实现95

2.7.4　3D复印的CAE97

参考文献100

第3章　中空塑料制品模塑成型107

3.1　吹塑成型107

3.1.1　吹塑成型原理及分类107

3.1.2　吹塑成型工艺过程114

3.1.3　吹塑成型影响因素分析119

3.2　旋转模塑成型123

3.2.1　旋转模塑成型原理124

3.2.2　旋转模塑成型工艺过程130

3.2.3　旋转模塑成型优缺点分析136

3.2.4　旋转模塑成型制品缺陷分析139

参考文献144

第4章　橡胶模塑成型148

4.1　橡胶注射成型148

4.1.1　橡胶注射成型工艺特点148

4.1.2　橡胶注射成型模具150

4.1.3　橡胶注射成型工艺调控153

4.1.4　橡胶注射成型制品应用153

4.2　橡胶模压成型156

4.2.1　模压成型基本原理156

4.2.2　模压成型模具结构156

4.2.3　模压成型制品质量控制方法158

4.3　轮胎定型硫化161

4.3.1　轮胎分类与基本结构161

4.3.2　传统轮胎定型硫化166

4.3.3　直压硫化技术174

4.3.4　电子束辐照预硫化178

4.3.5　电磁感应热压轮胎定型硫化179

4.3.6　注射模塑硫化190

4.3.7　轮胎定型硫化工艺影响因素及控制方法193

4.3.8　高性能轮胎成型发展趋势194

参考文献197

第5章　高分子基复合材料模塑成型200

5.1　模压成型200

5.1.1　模压成型基本原理201

5.1.2　模压成型工艺过程202

5.1.3　模压成型制品质量控制方法205

5.1.4　玻璃纤维增强热塑性复合材料模压成型207

5.1.5　玻璃纤维增强热固性复合材料模压成型212

5.1.6　碳纤维增强热塑性复合材料模压成型212

5.1.7　碳纤维增强热固性复合材料模压成型222

5.2　树脂转移模塑成型226

5.2.1　树脂转移模塑成型基本原理226

5.2.2　树脂转移模塑成型装备结构228

5.2.3　树脂转移模塑成型工艺230

5.3　注射模塑成型233

5.3.1　单聚合物复合材料注射模塑成型233

5.3.2　玻璃纤维增强高分子复合材料注射模塑成型249

5.3.3　碳纤维增强高分子复合材料注射模塑成型252

参考文献253

第6章　高分子材料模塑成型3D复印技术原理258

6.1　高分子材料模塑成型3D复印技术原理概述258

6.2　聚合物的PVT关系259

6.2.1　聚合物的PVT关系及其应用领域259

6.2.2　聚合物的PVT关系在模塑成型过程中的应用260

6.3　聚合物PVT关系测试模式及过程263

6.3.1　聚合物PVT关系的基本测试模式263

6.3.2　聚合物PVT关系的过程依赖性264

6.3.3　构建注射模塑成型条件测定聚合物PVT关系的新方法265

6.4　聚合物PVT关系测试技术267

6.4.1　聚合物PVT关系常规测试技术267

6.4.2　改进的聚合物PVT关系测试技术271

6.4.3　聚合物PVT关系在线测试技术275

6.4.4　其他聚合物PVT关系测试技术277

6.5　基于注射模塑成型装备的聚合物PVT关系在线测试技术277

6.5.1　聚合物PVT关系在线测试模具设计278

6.5.2　聚合物PVT关系在线测试模具的应用280

6.6　聚合物PVT关系模型及其应用286

6.6.1　聚合物PVT关系模型的建立286

6.6.2　理论方法建立的聚合物PVT状态方程287

6.6.3　半理论/半经验方法建立的聚合物PVT状态方程289

6.6.4　基于经验方法建立的聚合物PVT状态方程289

参考文献294

第7章　高分子材料模塑成型3D复印过程控制298

7.1　高分子材料3D复印过程控制298

7.1.1　注射模塑成型V/P转压控制技术300

7.1.2　注射模塑成型保压过程控制技术303

7.1.3　基于聚合物PVT关系的注射模塑成型过程控制技术306

7.2　高分子材料3D复印过程熔体黏度波动在线补偿控制技术310

7.2.1　注射模塑成型熔体黏度波动定量表征模型313

7.2.2　注射模塑成型熔体填充量定量表征模型325

7.2.3　聚合物熔体填充量一致性补偿控制系统330

参考文献334

第8章　3D复印技术的未来336

8.1　3D打印与3D复印融合发展趋势336

8.1.1　成型模具3D打印智能制造336

8.1.2　增材制造技术在3D复印中的应用探索341

8.2　高分子材料3D复印云制造342

8.2.1　3D复印云制造概述342

8.2.2　3D复印云制造运行体系344

8.3　其他材料3D复印347

8.3.1　金属材料3D复印347

8.3.2　陶瓷材料3D复印349

参考文献350

关键词索引352

第1章　绪论

1.1　高分子材料模塑成型概述

1.1.1　高分子材料模塑成型分类及特点

模塑成型是通过使用称为模具的刚性框架对液态或柔韧的原材料进行成型的制造过程。高分子材料（又称聚合物）主要包括塑料、橡胶、纤维和涂层等。高分子材料的模塑成型是一种将各种形态的高分子材料通过模具塑造成制品的工艺方法，其工艺过程伴随高分子材料的熔融塑化、填充模具与冷却固化定型等。高分子材料的模塑成型工艺主要包括注塑成型、压塑成型、吸塑成型、吹塑成型和滚塑成型等。通常塑料和橡胶及其复合材料制品的成型多采用模塑成型工艺，成型的典型制品如图1-1所示。各种模塑成型工艺方法的特点和应用情况简要罗列于表1-1和表1-2中。

图1-1　典型高分子材料模塑成型制品与应用场景

表1-1　高分子材料模塑成型工艺特点和应用举例

表1-2　高分子基复合材料模塑成型工艺特点和应用举例

1.1.2　高分子材料模塑成型智能制造发展趋势

周济院士在2021年5月8日以“ + 5G共创制造新未来”为主题的5G智能制造峰会上谈及智能制造的发展概况：以智能制造为主攻方向，意味着要从工业化的方面深入推进两化融合：制造技术是本体技术，为主体；信息化是赋能技术，为主导。加快工业互联网创新发展，也就是要从信息化的方面深入推进两化融合：互联网技术是核心技术，为主体；工业是应用目标与生态，为主导。以智能制造为主攻方向、加快工业互联网创新发展是工业化与信息化融合发展的两个主要方面，是辩证统一、融合发展的，两化融合成为推动制造业高质量发展的根本动力。

5G与工业互联网是建设制造强国的关键支撑。智能制造是数字化、网络化、智能化相互融合的创新制造模式，需要强大的工业人工智能赋能，需要强大的工业大数据赋能，也需要强大的5G+工业互联网赋能[1]。具体到高分子材料模塑成型领域，高分子材料产品的大量需求，以及对产品功能要求的日益拓展，亟待发展高分子材料模塑成型的智能化。

高分子材料在轨道交通、仪表及航空航天等大量国家支柱产业及与人民日常生活息息相关的各个领域中得到了广泛应用。近年来，在高分子材料模塑成型领域，逐步建立起系统完善的高分子材料成型理论模型与数值计算模拟仿真方法，较好地实现了高分子材料成型过程分析的模型化、定量化、数字化和可视化。通过数值计算模拟仿真方法可以大幅缩短模具的试模和修模的时间，以显著提高高分子材料制品的质量，并降低成型的成本。

1.2　高分子材料3D复印技术

1.2.1　高分子材料3D复印概念

基于增材制造的“3D打印”一词，作为快速原型成型技术的统称已被人们广泛接受。与3D打印技术相比，3D复印技术主要是基于模具的模塑成型技术，以实现产品的快速批量复制，顺应了先进制造技术智能化的发展方向。高分子材料3D复印技术是相较于高分子材料3D打印技术而提出的一个新概念，也就是高分子材料三维制品的大批量复制生产技术[2]。该技术的工程过程主要包含三个基本阶段：高分子材料制品实体模型获取（原型构建或者三维扫描）、成型模具设计与制造及模塑成型。

1）高分子材料制品实体模型获取

实体模型的获取是关键的一步，通过掌握制品的三维尺度的全面信息及高分子材料的物化属性，才能有针对性地开展后续的工艺过程。其中，高分子材料原型构建是指采用数字化三维建模技术，通过三维建模软件精准构建三维数字特征，根据制品的应用服役特性，采用模拟仿真软件进行三维模型的结构优化，*终形成三维数字信息。高分子材料制品实体扫描是指以实物化为导向，对实体进行三维数字特征采集。

2）成型模具设计与制造

成型模具是高分子材料3D复印装备的核心部件，通过控制高分子材料的流变特性，经过冷却定型并成型为所需要的实体形状。成型模具质量的高低对于模塑成型制品质量的影响至关重要，因此成型模具被誉为“工业之母”。传统模具的生产制造主要采用机械加工方式，生产周期较长。在3D复印技术中，可采用3D打印成型模具方式，通过塑料和金属材料3D打印相结合的方式，先通过塑料3D打印制作模具并进行试模和修模调整，确定优化结构后通过金属材料3D打印生产模具，可大幅缩短模具的制造周期，提升高分子材料模塑成型制品的生产效率。

3）模塑成型

注射模塑成型工艺过程主要包括塑化、计量、注射、增密、保压和冷却定型等。从成型模具的闭合、高分子材料熔体注入模具流道系统和模具型腔，到开模取出制品，合模进行下一轮注射模塑成型，此过程称为一个注射模塑成型周期。注射模塑成型可以一次成型形状复杂、尺寸精确的制品，特别适合高效率、大批量的生产方式，现已发展为热塑性高分子材料*主要的成型方法。注射模塑成型是一个相当复杂的物理过程，其中，高分子材料熔体在压力驱动下从成型模具浇口处，通过模具流道填充到较低温度的模具型腔，高分子材料熔体一方面由于向模具传热而冷却，另一方面因高速剪切而生热。注射模塑成型同时伴随高分子材料熔体固化、体积收缩、分子取向和结晶过程。

模塑成型的质量控制：

高分子材料的PVT（P为压力，V为比容积，T为温度）关系表示其比容积随温度和压力的改变而变化的规律，作为高分子材料的基本性质，可用于计算表征注射模塑成型过程中材料的比容积分布及其与温度和压力等参数的演变过程，解释高分子材料制品成型加工过程可能产生翘*、收缩、气泡、疵点的原因，在高分子材料制品的生产、加工及应用等多方面具有十分重要的作用。高分子材料的PVT关系提供了注射模塑成型过程中熔融或固态的高分子材料在温度和压力范围内的压缩性和热膨胀性等信息。高分子材料的PVT关系是高分子材料成型流动分析、模具设计和注射模塑成型过程控制及工艺分析的重要依据。近年来，以高分子材料PVT关系为核心的注射模塑成型过程计算机模拟与控制为我国精密注射模塑成型装备的研制提供了数据、监测和控制等多方面的理论和技术依据，引领着精密注射模塑成型的发展方向。

模塑成型的智能化：

新一代人工智能技术契合了传统高分子材料注射模塑成型制造业的发展需求，近年来，人工智能技术、信息技术与传统注射模塑成型等技术结合形成的智能制造模式是发展的必然趋势，智能化的注射模塑成型制造技术也将成为长期的研究热点。在传统注射模塑成型技术的基础上，需要进一步发展智能生产线、智能车间及智能工厂等，以实现生产资料的优化配置和工艺流程、生产任务、物流的优化调度。

1.2.2　高分子材料3D复印发展前景

注射模塑成型在制品结构、性能和精度等方面改善与提升的同时，在智能化方面具有广阔的发展空间，未来的智能注射模塑成型主要包括智能装备、智能制造和智能服务。智能装备引导制造的智能化，智能制造促进生产数据化，而生产数据化将有力地转变智能服务。

1）3D复印智能云平台

云制造是一种制造新模式[3]，以集成技术思想而兴起，将传统制造方式向服务型制造进行升级，是高度协同作业的制造业，同时也是不断创新发展的制造业。云制造是在云计算基础上发展而来的，而云计算之所以能推动制造业发展是因为它改变了传统制造业的制造模式，采用信息技术将产业发展和商业战略紧密结合，并推动智能网络工厂的建立。

在云制造技术迅速发展的背景下，近年来，注射模塑成型的智能化趋势十分显著，注射模塑成型企业、生产厂及高校等对注射模塑成型工业4.0开展了系列研究。欧洲塑料与橡胶机械制造商协会在2016年的德国杜塞尔多夫国际塑料及橡胶博览会期间，提出了EUROMAP 77规范，这是一种面向工业4.0的新工业规范，主要是为了解决注射模塑成型装备与计算机或制造执行系统的数据交换问题，欧洲的企业在这一领域已经领先。

德国克劳斯玛菲公司将其工业4.0实现方法称为“Plastics 4.0”，从智能机器、集成生产及交互服务等三方面进行推进。2016年，德国的注射模塑成型装备生产商阿博格（Arburg）公司在德国杜塞尔多夫国际塑料及橡胶博览会上展示了其工业4.0的应用新方式：空间上分割制造且个性化制作“智能”行李箱标牌。将行李箱标牌当成储存数据信息的介质，以电子信息的形式将客户的个人联系方式与制造过程信息同步存储到NFC芯片中，*终采用激光对标牌做个性化加工。制造过程信息可从云端获取，*后由行李箱标牌提供，进而达到分散生产的目的。

我国的注射模塑成型装备制造商博创智能装备股份有限公司的工业4.0技术也能够满足欧洲标准，该技术主要是利用一套交钥匙系统进行展现。此外，震雄集团的iChen 4.0、广东伊之密股份有限公司的I-factory 4.0等相继被提出，并开展了注射模塑成型的智能化，关注的要点是制造流程中的监视、管理及服务。宁波海天塑机集团有限公司以单个注射模塑成型装备为单位，为每一台装备安装了智能化模块，用于搭建注射模塑智能系统，同步采集注射模塑生产车间内的机器的信息然后汇聚到网关，再使用网络传送到云端，借助该方法搭建注射模塑云。

2）3D打印成型模具

3D打印技术又称“增材制造”技术，是集成计算机技术、数控技术、激光技术、CAD/CAM技术与新材料技术等高技术群的新型成型技术，它基于传统的平面印刷技术，采用喷头逐层将材料在平台上进行堆叠累积，是从无到有地构建三维实物的过程。

由于3D 打印技术从设计到生产，将三维数字化设计转化为实物模型，在研发过程中可以省略传统加工过程中设计、修改、再设计及求证等系列复杂的程序，可大幅缩短生产周期，也由于三维数字化设计具有灵活性强、自动化、精度高、效率高等优势，可及时根据市场需求，调整产品进行再生产。

虽然3D打印技术目前用于金属制造的成本较高，部分材料目前尚未具备打印能力，但就高分子材料产品而言，在资本投资方面相对较少。一些材料本身具有较高的成本，使用传统模具制造方法将导致相对高的废品率。但如果使用3D打印技术制作模具，由于高度的灵活性可以帮助工程师尝试无数的设计，可以在一定程度上降低由模具设计修改引起的前期成本的浪费。同时，3D打印过程基于计算机软件建模和逐层堆积成型方式，与传统制造方法采用减材制造的方式相比，可相对节省生产材料成本；并且3D打印过程的便利性使得设计和生产过程中的人力资源投入也相应大幅减少。

3）成型模具数字化设计与智能制造

采用智能化技术和数字化技术，全面提升模具设计整体的数字化程度和智能制造水平。该技术能够对模具方案设计、三维可视化、虚拟装配、虚拟制造、成型、检测等工作的落实质量进行保证。同时，机器人技术与数控机床加工技术相融合，可以实现智能化控制生产，自动化控制模具的整个加工流程。智能制造是传统与新一代信息技术的融合体，在制造全生命周期的产品应用上具备较强的个性化、柔性化，低能耗、高质量及制造的优势。

成型模具数字化设计与智能制造技术，主要指使用智能产线与数字化技术，完成模具设计相关工作，工作内容主要包括：结合模具要求提供模具制造设计方案、借助三维可视化先进技术开展模具设计工作、结合仿真技术进行模具制造流程设计。在完成以上工作内容的基础上，利用虚拟化技术，设计模具前期装配、模具零件制造、模具整体成型与模具质量检测等，利用数控机床与机器人等智能产线，对模具整个制造过程进行程序化设计与加工。在新时代，以大数据分析、云计算与人工智能等为代表的信息技术高速发展，为注塑模具设计与制造工作提供新的发展方向。智能制造已经开始结合传统制造技术与新型信息技术，应用在模具制造的全部过程中。

《高分子材料模塑成型3D复印技术》为“材料先进成型与加工技术丛书”之一。《高分子材料模塑成型3D复印技术》著述了高分子材料模塑成型的先进制造技术，针对塑料、橡胶和高分子基复合材料模塑成型工艺，从基本原理、成型装备、工艺流程和制品质量控制等方面进行论述，结合高分子材料模塑成型智能化发展趋势，提出高分子材料3D复印新概念，介绍3D复印过程监测和智能控制技术研究成果，并且展望了高分子材料模塑成型智能化3D复印云制造技术的广阔前景。