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真空成型 vs 壓力成型 vs 雙板熱成型 | 3 種熱成型技術

熱成型不只是真空成型

許多人提到熱成型,第一時間只會想到真空成型。事實上,真空成型只是熱成型技術家族中,最基礎、成本最低的一種。

如果您的產品需要更銳利的邊角、精細的表面紋理、甚至複雜的中空結構,那麼您必須認識更進階的壓力成型雙板熱成型。這三種技術的模具成本精度與產品應用截然不同。

1. 真空成型

真空成型熱成型最基本的形式。

  • 原理: 將加熱軟化的塑膠板材覆蓋在單面模具上,接著快速將模具與板材間的空氣抽走。此時,僅靠外部的一層大氣壓力約 14.7 psi,將板材壓向模具使其貼合。
  • 優點:
    • 模具成本最低:僅需單面模具,且對模具強度要求不高,可使用鋁合金模。
    • 設備簡單:製程相對單純,開發週期短。
  • 缺點:
    • 精度有限:僅靠 1 大氣壓,難以成型尖銳的R角或精細logo。
    • 拉伸不均:在深度拉伸的轉角處,板材會被過度拉薄。
    • 細節模糊:只有接觸模具的那一面細節較清晰。
  • 常見應用: 食品托盤、包裝泡殼、醫療托盤、簡易的外殼。

2. 壓力成型

壓力成型是真空成型的高階進化版,能做出媲美射出成型的外觀。

  • 原理: 此製程同時使用真空與高壓。在真空將板材吸向模具的同時,額外從板材上方施加 3 到 6 倍的大氣壓力約 50-100 psi,將板材強力壓入模具的每一個細節。
  • 優點:
    • 細節銳利: 高壓能成型出射出成型般的銳利邊角、精細紋理、甚至凸起的文字 Logo。
    • 外觀媲美射出: 可用於製作高品質的大型機器外殼、醫療設備面板。
    • 拉伸更均勻: 相較於真空成型,壁厚控制更佳。
  • 缺點:
    • 模具成本較高:模具必須更堅固以承受高壓,通常仍為鋁模,但結構更複雜。
    • 設備成本較高:需要能施加高壓氣體的成型機。
  • 常見應用: 醫療設備外殼、大型機器面板、健身器材外罩、POS機殼。

3. 雙板熱成型

這是最複雜的熱成型技術,專門用於製造中空產品。

  • 原理: 機台會同時加熱上下兩片塑膠板材。接著模具閉合,夾住兩片板材,並在兩片板材中間吹入高壓空氣,使其像氣球一樣膨脹並分別貼合上下模具。同時,模具會在特定位置將兩片板材熱熔焊接在一起,形成一個無縫的中空結構。
  • 優點:
    • 可製造中空結構: 這是其獨特價值,可取代滾塑或吹塑成型。
    • 結構堅固: 可在內部設計加強肋,使產品剛性極高。
    • 可整合不同材料: 上下板材可使用不同顏色或不同材質的塑膠。
  • 缺點:
    • 模具與設備最昂貴:需要能精確控制雙邊加熱與壓力的專用機台。
    • 製程控制複雜度高。
  • 常見應用: 塑膠油箱、通風管道、工業用棧板、大型滑水道、船殼、皮划艇。

什麼是熱成型?一次看懂 3 大步驟與真空成型原理

什麼是熱成型(真空成型/厚板真空成型)?

塑膠真空成型是一種廣泛應用的塑膠板材加工技術。

其定義是:將熱塑性塑膠板材,例如 PS、PVC、PET 或 ABS,加熱至軟化可塑狀態,再利用真空、氣壓或機械力,使其貼合模具表面,冷卻後形成特定形狀。

日常生活中的許多產品,例如食品包裝泡殼、飲料杯蓋、醫療托盤,都是透過熱成型技術製造的。

塑膠真空成型的 3 大核心步驟

熱成型的製程原理相對單純,主要分為三個階段:

步驟一:加熱

這是熱成型的基礎。將裁切好的塑膠板材固定在機台框架上,並透過上方的加熱器均勻加熱。板材會吸收熱能,從堅硬的固態轉變為具有延展性的橡膠般軟化狀態。

步驟二:成型

當板材達到理想的可塑溫度時,模具會上升,板材隨即下降並包覆模具。此時,會利用一種壓力差使板材貼合模具。最常見的方式就是抽真空,也有使用高壓氣體或柱塞輔助的成型方式。

步驟三:冷卻與修邊

板材在模具上會透過模具內的冷卻水道或風扇快速冷卻定型。成型品脫模後,還會帶有多餘的邊料,必須透過沖壓裁切或 CNC 銑削的方式將邊料去除,得到最終產品。

關鍵技術:什麼是真空成型?

真空成型是熱成型技術中,最常見、應用最廣且成本最低的一種形式。

它的原理非常直接:在上述的成型步驟中,當軟化的塑膠板材包覆模具時,系統會快速將模具與板材之間的空氣抽走,形成真空。此時,外部的大氣壓力會自動將板材壓向模具的每一個角落,使其精確複製模具的形狀。

因為它僅需單面模具與真空系統即可運作,模具結構簡單、開發成本低,因此被廣泛應用於製作托盤、包裝泡殼或薄殼產品。

真空成型的優勢與限制

熱成型技術的主要優勢與限制非常分明。

真空成型的優勢

  1. 模具成本低廉: 相較於射出成型,熱成型模具僅需單面,結構簡單,材質可用鋁合金模,開發費用低。
  2. 開發週期短: 模具製造快速,非常適合小批量或需要快速上市的產品。
  3. 適合大尺寸薄殼: 能輕易製造大面積但壁薄的產品,例如看板、浴缸、機器外殼。

塑膠真空成型的限制

  1. 壁厚不均勻: 在深度拉伸的轉角處,板材會被拉薄,這是此製程的天然限制。
  2. 精度限制: 產品只有接觸模具的那一面細節清晰,另一面則較為模糊。
  3. 產生廢料: 修邊後的多餘邊料需要回收處理,材料利用率非 100%。

厚板真空成型 vs. 塑膠射出成型,哪個適合你?

在塑膠製造領域,厚板真空成型塑膠射出成型是兩種主流技術,但它們的應用場景幾乎完全不同。

塑膠射出成型擅長製造高精度、高複雜度的小型零件;而厚板真空成型則專精於大尺寸結構相對單純外殼與罩件。

選擇錯誤的製程,不僅會導致開發成本暴增,更可能使產品無法實現。本文將從四大方向,深入比較這兩項技術,幫助您在專案初期就選對方向。


方向1:模具成本與結構

這是兩者最顯著的差異,也是決定專案能否啟動的關鍵。

  • 厚板真空成型:
    • 模具: 成本相對低廉。
    • 結構: 通常是單面模具,材質多為鋁模。製造週期短,修改彈性高。
    • 原理: 僅需製作產品單側的形狀,塑膠板材加熱後覆蓋其上,抽真空使其貼合。
  • 塑膠射出成型:
    • 模具: 成本極高,可能是真空成型模具的 10 到 100 倍。
    • 結構: 必須是高精密度的雙面鋼模,包含公模與母模,以及複雜的冷卻、頂出、甚至滑塊系統。
    • 原理: 熔融塑膠以高壓注入密閉的模腔中,製程極為精密。

方向 2:批量與生產速度

您的預期年產量 (EAU) 直接決定了適合的技術。

  • 厚板真空成型:
    • 適合批量: 低至中批量生產。例如每年 50 件到 5,000 件。
    • 生產速度: 週期時間較長,包含加熱、成型、冷卻與後續的 CNC 裁切修邊。
  • 塑膠射出成型:
    • 適合批量: 大規模量產。例如每年 10,000 件到 1,000,000 件以上。
    • 生產速度: 週期時間極快,通常僅需幾秒到幾十秒,可實現全自動化生產。

方向 3:產品尺寸與設計限制

您的產品有多大和多複雜,是另一個決策點。

  • 厚板真空成型 (專精大型件):
    • 尺寸: 這是它的絕對優勢。能輕易製造極大型的產品,例如長寬數公尺的機器外殼、醫療床板或汽車保桿。
    • 設計限制: 產品多為殼狀罩狀。壁厚無法做到完全均勻,在深度拉伸的轉角處會變薄。
  • 塑膠射出成型 (專精複雜件):
    • 尺寸: 適合小型到中型零件。製造大型件的模具成本和機台噸數會呈指數級上升。
    • 設計限制: 這是它的強項。可以製造極度複雜的結構,例如卡扣、螺絲柱、強化肋、齒輪等。壁厚控制非常精確。

對比維度 4:材料與外觀精度

兩者使用的原料形態與最終質感截然不同。

  • 厚板真空成型:
    • 材料: 使用塑膠板材,如 HIPS, ABS, PC, PMMA, TPO。板材可預先具備特定顏色或紋理如髮絲紋。
    • 外觀: 只有接觸模具的那一面細節清晰,另一面則較為模糊。後製程的 CNC 修邊精度是關鍵。
  • 塑膠射出成型:
    • 材料: 使用塑膠顆粒,材料選擇近乎無限,如 PP, ABS, PC, PA, POM 等,也可混入玻璃纖維增強。
    • 外觀: 產品雙面都非常精細,能完美複製模具的鏡面拋光或咬花紋理。

射出成型 vs 3D列印:我該選哪個?(成本、速度、產量全方位比較)

打樣用 3D 列印,量產用射出成型?不完全是

3D 列印做『打樣/原型,塑膠射出成型做量產, 這是製造業的經典法則,但在 90% 的情況下,這個決策遠比您想像的複雜。

隨著 3D 列印材料的進步,以及快速模具的出現,兩者之間的界線已日漸模糊。您是需要花 5 天、5 萬元的 3D 列印?還是花 5 週、50 萬的射出成型?

選擇錯誤的製程可能導致您花了冤枉錢,或錯失了產品上市的黃金時機。本文將從 4 個關鍵點,幫您做出最明智的決策。

關鍵 1:成本結構

這是最關鍵的決策點:模具費 vs. 單件費

  • 3D 列印:
    • 模具費:$0。 這是最大的優勢。
    • 單件成本:高,且固定。 列印 1 件 100 元,列印 100 件就是 10,000 元。成本與數量呈線性增長。
    • 適合: 極小批量、設計驗證、DFM (可製造性設計)階段的快速迭代。
  • 塑膠射出成型 (減法/成型製造):
    • 模具費:極高。一套模具的費用是最大的一次性前期投資。
    • 單件成本:極低。 一旦模具完成,每件產品的成本(材料+機台工時)可能低至幾塊錢。
    • 適合: 大批量生產,追求最低的總平均成本。

兩者存在一個成本交叉點。在某個產量(例如 500 件)以下,3D 列印的「總成本」較低;但超過這個點,射出成型的總成本優勢會迅速反超。

關鍵 2:速度

這裡必須區分兩種速度:首件速度量產速度

  • 3D 列印 (首件速度快):
    • 首件速度:極快 (1-3 天)。 從 3D 圖檔到實體零件,最快 24 小時內可完成。
    • 量產速度:極慢。 列印 100 件需要 100 倍的時間。
  • 塑膠射出成型 (量產速度快):
    • 首件速度:極慢 (4-8 週)。 需要完整的 DFM 審核、模具設計、CNC 加工、拋光、試模等流程。
    • 量產速度:極快。一個射出週期可能僅需 15-30 秒,一天可生產數千件。

關鍵 3:材料選擇與強度

這是決定產品功能性的關鍵。

  • 3D 列印 (材料受限):
    • 材料選擇相對較少(主要是光敏樹脂、PLA、ABS-like、尼龍粉末)。
    • 強度較差。 由於是一層一層堆疊,其層與層之間的結合力,遠低於材料本身的強度。不適合用於高應力或衝擊的結構件。
  • 塑膠射出成型 (材料豐富):
    • 材料選擇近乎無限。您可以使用 PP, ABS, PC, PA, POM</a>,甚至添加玻璃纖維 (PA+GF) 來大幅增強剛性。
    • 強度極高。 產品是均質一體的,能 100% 展現材料的物理特性。

關鍵 4:精度與表面

產品的顏值和公差要求。

  • 3D 列印 (表面粗糙):
    • 表面:有明顯的「層紋」。 除非進行大量昂貴的後處理(打磨、噴漆),否則難以達到光滑表面。
    • 精度:公差較大 (±0.1mm ~ ±0.3mm)。
  • 塑膠射出成型 (表面精細):
    • 表面:完美複製模具表面。 模具可做到鏡面拋光、霧面咬花或皮革紋理,而這些表面處理的選擇</a> 也是 3D 列印難以提供的。
    • 精度:公差極小 (±0.02mm ~ ±0.1mm),且重複性極高,第 1 件和第 10 萬件的公差一致。

DFM 關鍵:10 個必須遵守的塑膠射出成型設計原則

什麼是 DFM? 為什麼它能幫您省錢?

DFM (Design for Manufacturability),即可製造性設計,是產品開發中最重要、也最常被忽視的階段。

許多產品在 3D 軟體 (CAD) 中看起來很完美,但一拿到工廠估價,卻得到無法生產或成本太高的回覆。

DFM 的核心理念是:在設計階段,就充分考慮到量產時的限制與可行性。

一個好的 DFM 能幫您省下鉅額成本,因為它能:

  1. 降低模具複雜度: 避免昂貴的 滑塊斜銷 機構。
  2. 降低生產週期: 透過優化冷卻時間(例如均勻肉厚)來提高產能。
  3. 降低不良品率

10 大塑膠射出成型 DFM 設計原則

原則 1:保持均勻的肉厚

這是 DFM 的黃金法則。塑膠冷卻時會收縮,若肉厚不均,薄的區域會先冷卻固化,厚的區域則會後冷卻,並產生拉扯應力。

  • (X) 錯誤: 肉厚急遽變化。
  • (O) 正確: 盡可能保持整個零件的肉厚一致。
  • 為何重要?避免設計缺陷和產品翹曲變形。

原則 2:設定合理的拔模角

拔模角是指零件側面相對於脫模方向的一個微小角度。

  • (X) 錯誤: 垂直的側面 (0 度角),導致產品在頂出時被模具刮傷。
  • (O) 正確: 依據表面粗糙度,設定 1 至 3 度的拔模角。
  • 為何重要? 幫助產品順利脫模,避免刮痕。如果產品表面有「咬花」(Texture),尤其是紋路越粗的表面,脫模時的摩擦力就越大。因此,粗糙的表面需要比光滑面更大的拔模角(通常需要 3-5 度)才能避免刮傷。

原則 3:避免尖銳的內角 (Use Radii)

塑膠流體不喜歡尖銳的轉角。尖角會阻礙流動,並在成品上產生巨大的應力集中。

  • (X) 錯誤: 零件內側有 90 度尖角 (R=0)。
  • (O) 正確: 增加圓角 (R 角)。建議的內 R 角至少是肉厚的 0.5 倍 (R ≥ 0.5T)。
  • 為何重要? 避免應力集中導致產品脆裂,並有助於塑膠充填。

原則 4:正確設計「肋」

當您需要增加產品強度時,首選不是加厚,而是加肋

  • (X) 錯誤: 肋的根部太厚,導致其對應的外觀面產生縮水
  • (O) 正確: 肋的厚度應為主要肉厚的 50% – 60% (Rib Thickness ≈ 0.6T)。
  • 為何重要? 以最少的材料達到最大的結構強度,同時避免外觀缺陷。

原則 5:正確設計「柱」

「柱」(或稱螺絲柱) 用於鎖固螺絲或組裝定位。

  • (X) 錯誤: 柱子直接連到外牆,或柱子本身是實心厚肉。
  • (O) 正確: 柱子應透過與側壁相連,且柱子根部厚度需遵守原則 4,以避免縮水。
  • 為何重要? 確保螺絲鎖固的強度,並防止外觀面出現縮水凹陷。

原則 6:盡可能避免倒鉤

倒鉤是指任何妨礙零件垂直脫模的特徵,例如側面的孔、卡榫或凹槽。

  • (X) 錯誤: 隨意設計卡榫。
  • (O) 正確: 重新審視設計,是否能透過開孔更改開模方向來消除倒鉤。
  • 為何重要? 這是模具成本的最大殺手。處理倒鉤需要複雜機構,會使模具成本飆升。

原則 7:考量澆口位置

澆口是塑膠進入模腔的入口。它的位置會決定產品的一切。

  • (X) 錯誤: 將澆口設在薄弱的結構上,或顯眼的外觀面。
  • (O) 正確: 將澆口設在產品最厚、最強壯、且最不影響外觀的地方。
  • 為何重要?澆口位置會影響結合線的位置、翹曲方向,並在產品上留下一個永久的澆口痕跡。

原則 8:預測並管理結合線

當兩股 (或多股) 塑膠流在模腔中相遇時,會形成一條「結合線」。

  • (X) 錯誤: 讓結合線出現在產品承受應力的地方 (如卡榫根部)。
  • (O) 正確: 透過更改澆口位置,將結合線推到不影響功能或外觀的區域。
  • 為何重要? 結合線是產品上最脆弱的地方,強度僅有原料的 60-80%,且會影響外觀。

原則 9:材料的選擇

DFM 不只是形狀設計,也包含材料。

  • (X) 錯誤: 設計完成後才隨便挑選材料。
  • (O) 正確: 材料百科
  • 為何重要? 不同的塑膠有不同的收縮率。例如 PA (尼龍) 收縮率高,PC 收縮率低,模具必須根據指定材料來精密加工。

原則 10:文字與 Logo 的設計

在產品上添加文字或 Logo 時,凸字比凹字更好。

  • (X) 錯誤: 在產品上設計凹字。(這代表要在「模具」上做出「凸字」,加工困難且易磨損)。
  • (O) 正確: 在產品上設計凸字。(這代表在「模具」上是凹字,可直接用 CNC 或 EDM 加工出來)。
  • 為何重要? 凸字的模具加工成本更低,且模具壽命更長。