热成型设计指南
一、热成型工艺概述
热成型是一种将热塑性片材或薄膜通过施加热量和压力，在模具上成型的制造工艺。在此过程中，首先将片材夹紧并加热至下垂点（高于聚合物的玻璃化转变温度 Tg），通常借助辐射加热源实现。随后，通过真空源或气压将片材压向由 FDM（熔融沉积成型，一种 3D 打印技术）等方式制作的模具表面，从而获得所需形状。根据施压方式不同，热成型主要分为以下几类：
真空成型：在模具型腔与片材间形成真空，利用真空压力（一般为 14psi）使片材紧贴模具型面。该方法适用于成型相对简单、壁薄的零件。
气压成型：在片材背面施加气压（一般为 50psi，最大可达 100psi）。此方法能够加工较厚片材，并且可以在零件上成型精细特征、纹理和倒扣等复杂结构。
机械压力成型：对片材直接施加机械力，使用与零件外观形状吻合的公模塞推动片材，以获得预定形状。常用于一些对成型精度和压力控制要求较高的场合。
双片材热压成型：使用两片片材，可生产双面中空的箱体零件，零件外部两侧均可具备特征。该工艺扩展了热成型的应用范围，在某些情况下可替代旋转成型和吹塑成型来制造中空箱体零件。
二、设计要点
（一）零件尺寸设计
热成型是将二维平面塑料片材拉伸成复杂三维几何形状的过程。完成成型后，成品零件的壁厚会小于初始片材厚度，并且拉伸比和深宽比在零件各部位有所不同。因此，在设计热成型零件尺寸时，所有尺寸应标注在与模具接触的一侧。若使用凸模模具，尺寸标注在零件内侧；若使用凹模模具，则标注在零件外侧。
（二）牵伸比
牵伸比指热成型成品零件一侧的总表面积与初始塑料片材表面积的比值。一般而言，拉伸比不宜超过 3:1。过高的拉伸比可能导致片材在拉伸过程中过度变薄甚至破裂，影响零件质量和性能。
（三）深宽比
深宽比是热成型成品零件最深处的深度与最小开口距离的比值。通常情况下，深宽比不应超过 1:1。深宽比过大，会使片材在成型过程中局部拉伸过度，造成壁厚不均匀，甚至出现零件底部破裂等问题。
（四）圆角
在壁与壁的连接处，应添加圆角或斜角，避免设计尖角，这在零件最深处的三边交界处尤为重要。较大的圆角可使零件各区域壁厚更均匀，提高零件强度。若圆角过小，易导致角落处壁厚过薄、强度降低，并产生应力集中。一般来说，为避免应力集中，圆角半径应至少为该处壁厚的 75%。此外，零件越深，所需的最小圆角越大；不同塑料材料以及热成型工艺类型对最小圆角大小也有影响。例如，相对于 PC 和 PE，ABS 和 PVC 允许更小的最小圆角；相对于真空成型，气压成型允许更小的最小圆角，这也是气压成型常用于形状结构较复杂零件的原因之一。在条件允许的情况下，圆角越大越好。
（五）倒扣
倒扣是热成型零件上具有实用价值的特征，可用于增强零件强度、实现卡扣功能、固定特征以及隐藏裁剪痕迹等。但设计倒扣时需注意，避免倒扣过于狭长或无法脱模，否则会给零件生产带来困难。
（六）脱模斜度
为确保零件能够顺利从模具中脱出，需设计合适的脱模斜度。使用凸模成型的零件，脱模斜度一般为 4 度 - 6 度；使用凹模成型的零件，脱模斜度为 1.5 度 - 2 度。在某些特殊情况下，0 度脱模斜度也可行，但这需要模具具备复杂的运动结构。若零件表面有咬花或结构较为复杂，则需要适当加大脱模斜度。相较于凹模，凸模要求更大的脱模斜度，这是因为塑料收缩时会夹紧凸模。若脱模斜度过小，塑料片材在模具中伸展时，第一个接触点冷却较快，会降低塑料的流动性，使材料分布不均匀，从而在零件表面产生皱纹。
（七）加强筋
加强筋用于增强热压成型零件的强度。热压成型零件加强筋的设计结构与注塑成型零件有所不同。加强筋的外侧宽度最少应为 1.75 倍加强筋的深度，并且壁厚越厚，对加强筋宽度的要求越宽。对于气压成型，加强筋之间的距离至少为 1 倍加强筋深度，且气压越大，距离应越宽。
（八）壁与壁的夹角
在零件垂直剖面上，壁与壁的夹角越大越好。较大的夹角有利于片材在成型过程中的均匀拉伸，减少应力集中，提高零件质量。
（九）公差
热压成型有其特定的通用公差标准，例如：标准孔到孔公差方面，尺寸在 12 英寸以内时为 ±0.015 英寸，12 英寸以上每增加 1 英寸公差增加 ±0.001 英寸；标准成型和修边公差方面，尺寸在 12 英寸以内时为 ±0.030 英寸，12 英寸至 60 英寸之间为 ±0.060 英寸，60 英寸以上每增加 1 英寸公差增加 ±0.001 英寸。
三、适合热成型的材料
常见可用于热成型的塑料包括 PS（聚苯乙烯）、HIPS（高抗冲聚苯乙烯）、PE（聚乙烯）、PP（聚丙烯）、ABS（丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯共聚物）、PVC（聚氯乙烯）、PVC/ABS（聚氯乙烯与丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯共聚物的合金）、PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯，即有机玻璃）、PVC/PMMA（聚氯乙烯与聚甲基丙烯酸甲酯的合金）、PC（聚碳酸酯）、PC/ABS（聚碳酸酯与丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯共聚物的合金）、TPO（热塑性聚烯烃）和 PETG（乙二醇改性聚对苯二甲酸乙二醇酯）等。这些材料具有不同的特性，如 PS 透明度高、易加工；ABS 综合性能良好，具有较高的强度和韧性；PC 具有优异的抗冲击性能和耐热性等。在选择材料时，需根据零件的使用环境、性能要求以及成本等因素综合考虑。
四、热成型的应用
热成型工艺凭借其多功能性和成本效益，成为众多工业领域的理想选择。热成型零件常用于替代金属钣金件，与玻璃钢（纤维增强塑料）零件以及通过树脂传递模塑（RTM）工艺制造的零件相比，具有独特优势。其应用领域广泛，涵盖以下方面：
医疗领域：诊断和成像设备外壳、床和家具部件、辅助设备以及墙壁和天花板面板等。热成型工艺能够制造出满足医疗设备对外观、尺寸精度和卫生要求的零件，且成本相对较低。
汽车行业：仪表板、座椅组件、内饰板、保险杠和风道等。热成型零件可实现复杂的造型设计，同时具备一定的强度和轻量化特点，有助于提高汽车的整体性能和降低生产成本。
航空航天领域：空气管道、座椅组件、内部面板、厨房设备和窗帘等。在航空航天领域，对零件的质量和性能要求极高，热成型工艺能够在保证零件质量的前提下，实现轻量化设计，降低飞行器的重量，提高燃油效率。
办公设备：传真机、打印机、计算机和复印机外壳、电源板、墙板和天花板以及家具等。热成型工艺可快速生产出各种形状的办公设备外壳和零部件，满足市场对产品外观和功能的多样化需求。
五、热成型的优缺点
（一）优点
可生产零件范围广：热成型可生产极小的零件，如药片包装材料或手表电池，也能制造大型零件，如 3 - 5 米长的船体。成型材料厚度范围为 0.05 - 15mm，对于发泡材料，厚度可达 60mm。
模具成本低：由于采用较低压力，无需复杂模具结构和昂贵模具材料，在大型零件样品制作和小批量生产时，零件成本极具竞争优势，是理想工艺。
设计修改容易：模具成本低且交货周期短，使得零件设计修改变得简便，能快速响应市场需求变化。
材料质量和耐久性高：热成型使用片状塑料，产品质量和耐久性较好。
适用材料广泛：几乎所有热塑性塑料皆可用于热成型，为产品设计提供了丰富的材料选择。
可简化产品结构：能够制造大型零件，并将原本由多个零件组成的产品简化为一个零件，节省材料成本和装配成本。
零件性能优良：热成型零件强度并不低于钢和玻璃纤维，同时具有重量轻、耐腐蚀、比玻璃纤维延展性更好的特点。
（二）缺点
壁厚控制困难：热成型过程中零件壁厚难以精确控制，不适用于加工壁厚相差悬殊的零件。
零件深度受限：热成型零件深度有一定限制，一般容器的深宽比为 0.5 - 2，理想深宽比小于 1。
一致性和均匀性差：采用热成型法难以保证不同零件间结构或尺寸的一致性，同一零件各部位壁厚的均匀性也不易保证。此外，真空成型过程中模具的某些细节难以完全在零件中体现。
原料成本增加：热成型所用片材是由粒料或粉料制得的半成品，与注塑成型等其他塑料成型工艺相比，原料会增加额外成本。
工艺复杂度增加：热成型后需对片材进行切割，增加了工艺复杂度，且切割下的边角料无法直接回收利用。