特别声明：本文引用唐纳德 V. 罗萨多博士，玛琳 G. 罗萨多和尼克 R. 夏特的《塑料技术手册》第一卷，第七章（热成型），以及结合我们多年的实际经验原创而成。如有错误之处，请告知，共同斟酌完善，为塑料加工出一份力。
Declaration: this article is based on the volume 1, chapter 7 (thermoforming) of the “PLASTICS TECHNOLOGY HANDBOOK” by Dr. Donald V. Rosato, Marlene G. Rosato, and Dr. Nick R. Schott, and based on our years of practical experience. If there are any mistakes, please let us know.
塑料热成型技术 02_操作基础
热成型工艺的主要因数是成型力、塑料的加热、模具种类、板材预拉伸方法、进料方式和工艺相态。这些因数是热成型零件的外形、质量和性能关键因数。
成型力
热成型基本上是一种低压工艺，成型力或者是真空、正压或者是两者的组合。特殊情况下的配对模成型，成型力由外力提供，通常会更高。正常的方法划分如下：
- 气压差由于板和模具之间抽真空形成。
- 气体压力由于压缩空气作用于热塑料板，使其贴合模具而产生。
- 使用机械方法，如柱塞、配对模的空腔等。
- 真空、正压和机械力的组合。
涉及压力和热量的工艺可以概述如下
- 在独立的加热炉里加热塑料板，然后把板送入成型压机。
- 使用自动化设备，把加热和成型组合在一个单元内，或者使用连续给料，或者直接从挤出机送进带有热量的材料。
- 评估需要使用热量的模具，这个办法可以生产冷却过程中不会或者很少产生冷却内应力的零件。
在真空成型中，加热后的板和模具形成一个封闭的空间。当这个空间的空气被抽走后，大气的压力作用于板上，把它压入于模具，与模具接触。很明显，这样产生的力不会超过大气压，实际上比大气压小很多，因为在这个空间里，难以形成完美的真空。很可能只有理论值的85%-90%，将产生不大于90KPa的成型力。
压力，特别是热成型上使用的低压范围，不但可以用很多的单位来表示，而且可以用两种度量系统来表示，即表压和绝对压力。表压把大气压表示为零值。同时零压力是绝对压力的度量值。换句话说，绝对压力比表压多一个大气压的等值。这个特征，有时会在压力单位后加用一个后缀来清楚地表示，例如，psia和psig分别表示磅/平方英寸的绝对压力和表压。
通过加压于板材非模具侧，而不像真空作用于板材的模具侧，压力成型克服了真空成型的成型力限制。板材在大于大气压的压力作用下，强行与模具表面相接触，这个必须排除板材和模具之间的空气。排空可以简单地通过与大气相连的通道，但通常改为在板材的模具侧抽真空。用真空排空，大概增加了1个大气压的压力。
工业压缩空气供给系统，通常工作在550KPa-710KPa。这个压力对很多成型已经足够了。然而，压力成型设备经常工作在高至2500KPa的压力，甚至一些工艺需要4MPa的工作压力。这些压力相比注塑和挤出是非常低的。
配对模的成型力来自于外力，原理上，这个压力跟压力成型的压力一样，几乎是无限制的。实际上，会根据模具结构和工艺要求，通常限制在1.5MPa到4MPa。
压力控制
使用真空压力，目标是不要在真空度低于68KPa的压力下工作，比较理想的是真空度大于85KPa。在真空系统中，真空度等于大气压-表压。
当成型前使用预拉伸，通常使用20KPa-35KPa的压缩空气，比没有预拉伸的工艺需要更多的空气。在成型阶段，两个重要的要求是维持压力和均匀的热量。排空越快，产品质量更好。
正确的模具加热非常重要，快速抽真空的产品没有或有很少的内部应力。当板材冷却时，这个压力不能提供足够的成型力来成型产品，不能保持板材与模具的紧密的接触，这样就会产生与模具表面的公差。配对模成型可以杜绝或明显减少公差的问题。
为了正确的压力调节，必须有真空罐来保持最低的，平稳的真空。下面给出真空罐体积的计算方法。
| 定义 | V0：真空罐体积，包括真空罐到真空阀之间的管路体积
Vm：成型区体积, 包括模具到真空阀之间的管路体积 V1：真空系统体积 P0：真空罐内的绝对要来（3.4KPa左右） Pm：模具内的初始压力（101KPa），如果有预拉伸，取122KPa P1：成型的工作压力 |
| 关系 | V1=V0+Vm
V0*P0+Vm*Pm=V1*P1 白努力方程 |
| 示例 | Vm=100L
P0=3KPa P1=16.7KPa Pm=101KPa V0*3+100*101=（V0+100）*16.7 计算出V0=615L |
原则是真空罐距离成型工位、控制阀越近越好。真空软管的连接可以省去弯头、三通和大小头。阀门全开时要有足够大的流通能力。利用真空罐的快速抽真空能力，模具必须要有足够的排空能力。真空孔尽可能开大，数量尽可能多。
辅助真空动作的技术中，当成型面要求使用小孔时，背面钻大孔（3.2mm）。阳模可以通过垫片安装在真空板上面，大的真空孔可以打在模具下面。可以加工窄的长条孔，这样抽真空的阻力远小于孔的阻力。模具平的区域和区块或突出的部分通过垫片形成长条孔。
用于控制或限制作用的压缩空气的要求和真空的要求是一样的。足够大的储罐，尽可能放置在靠近模具的地方，空气要求很干燥，露点在-5℃以下。空气要求无油，以减少成型过程中的污染。可以设备供应商处得到优质的过滤系统。
模具结构
热成型是一种在开放的模具上，只能确定一个面的制壳工艺，另一面的成型没有像注塑成型那么精细，一面直接材料接触，必须设计成直接定义产品的两个表面中更重要的一面。
通过板材的变形和各个面上的正交的凸起，产品的几何形状局限于成型时能够获得的形状。这样很方便且很精确地分类模具是否有阳模还是阴模的凹腔。阴模包括凹进去的凹腔和由模具块形成的凹腔，这是最普通的模具形式，因为很容易把加热后的板夹紧在无阻碍的模具面上，这样的产品有清晰的凸起的表面和不太精确的凹入面。
阴模的简单性经常会超出产品的美观要求。经常会看到，像网状的包装盒内衬，凹面是不精细的第二面。
阳模含有从模具块上的凸起，凸起妨碍了板材的成型，使得板材夹紧在模具外面，接着。板材进入与模具接触。阳模的这个动作，需要在工艺上增加机械的动作。这样使得产品凹面清晰，凸面不够清晰。
热成型中使用的第三种模具是配对模，这是一种具有两半模的闭合模具。各自限定成型的物品的一个面。配对模从概念上有点像压力成型模具。但凹腔的几何形状受制于材料的性能。
板材预拉伸
在热成型机中，通常成型前的模具里的立即预拉伸有好处。这主要有两个原因。首先是可用的力可能不足以有效地拉伸和成型板材，特别是当简单的真空成形与固相成形相结合。第二个是一些形状，如杯子或盒形相对高的纵横比(深拉相对于其直径)，在没有预拉伸时，引起壁厚变化过大。这是由于板材先接触模具型腔的边缘和侧壁，然后接触底部的中心。激冷和摩擦的复合机制倾向于将薄板限定在这些位置，因此，所有剩余的需要完成的变形是由一个小比例的面积区域来完成。在这种情况下，补救措施是选择性预拉伸，通过与相关模具的几何形状和提供机械手段来控制接触模具，使得壁面的接触更加均匀。
选择性预拉伸是通过特殊形状的柱塞来实现的，机械地进入加热的薄板中产生局部拉伸，以抵消由模具几何形状决定的减薄趋势。这种技术通常被称为柱塞辅助。柱塞的形状对壁厚变化影响较大，柱塞设计，是一门像艺术一样的科学。钝头的柱塞往往会产生底部厚，侧边薄的产品。锥形的罐头状的柱塞可以产生更厚、更坚固的边角。
柱塞的设计是针对每个单独的应用进行优化的。但针对光滑和混合形状，一般的规则是外形上没有明显的过度。例如，加热后的聚丙烯片材的摩擦系数相对较高，所以柱塞通常用低摩擦材料制成，通常的选择是尼龙，PTFE和填充环氧树脂。
柱塞预拉伸的顺序也影响热成型件的壁厚分布。当板料夹紧在模具上时，柱塞应与板料接触，如果在夹紧之前接触，拉伸就没有足够的选择性且会被限制住，可能会有折痕或穿破的倾向。然而，夹紧后，板材会迅速地冷却，因此，如果柱塞接触延迟，材料的厚度分布将受到不利的影响。
柱塞的速度也非常重要，快速柱塞预拉伸将导致高度定向的侧壁，但壁厚的分布将会受到影响，因为很多的板材将被拉伸至模具型腔的底部。通过测量热成型容器的抗压溃性能，可以观察到这种不平衡。
当要在整个板材上面，而不是单个模具特征区域实施预拉伸时，可以通过部分真空或正压来实现。在这两种情况下，采用低压差和可控的流量来充气，不会导致过度变薄或破裂。正气压预拉伸经常被称为气胀。空气压力有时是由活塞效应所产生，由模具向板材推进产生。这种预拉伸技术，通常被称为气滑成型，一些工艺结合了柱塞和气胀预拉伸技术。
所有预拉伸形式都倾向于改变成型零件的定向。在没有预拉伸的情况下成型时，定向很大程度上取决于模具的几何形状。例如，带有垂直网格线的平板成型为相对平衡的形状（如杯子），结果是网格线的平衡定向。
有关定向的情况可能比较复杂，但有一种倾向，单轴定向在产品侧壁中占主导地位，而双轴定向则普遍存在于基本上与原始平面平行的区域。这些图样叠加在加热后的板材上的任何残留的定向上。预拉伸改变了成型的动作。气胀工艺在板材上施加了一个整体的双轴定向。然后在成型工序上被修改掉。另一方面，柱塞拉伸倾向于强调成型导致的定向方式。其它工艺的单轴和双轴的塑料定向在第五和第六篇里已经提到。