复模和插入模的设计考虑
指南双材料成型和粘接选项与塑料，弹性体，和金属插入
Overmoulding是一个注塑将一层额外的树脂添加到现有的成型部件上，以提供单一材料无法提供的特性组合的工艺。最常见的应用之一是在坚硬的基材上添加一层柔软的、功能性的、亲手的橡胶状材料，通常是TPE(热塑性弹性体)。另一种是通过覆盖不同颜色的材料或表面处理来改变或增强零件的外观或“化妆品”。从医疗设备和手工工具到牙刷，以及组件内的垫圈和密封件，任何东西都可以使用复模材料。
作为一种制造工艺，复模可以在不同的材料之间提供良好的附着力，并且消除了手工组装材料的需要。因为这个过程可以在不同程度上自动化，所以成本效益很高。而且，通过降低组装的复杂性，它可以帮助降低成本，加快产品和设备的上市时间。但最重要的是，它可以大大提高产品开发人员可用的材料特性范围。
复模有两种主要的方法——两次成型和抽取成型，前者使用一个生产模具，而后者使用两个模具。
复模的材料选择很复杂。基材和覆模树脂可以相互补充，但为了有效，它们必须兼容。选择不仅随覆模零件的应用而变化，而且随生产它的方法而变化。由于复模的过程和结果比单次注射成型更复杂，因此在选择材料时寻求树脂专家的意见是有帮助的。
二次成型vs.就地成型
让我们先看看两枪成型，其中涉及的基材是在一种材料，然后迅速与另一种材料复模。这通常是一个高度自动化的过程。第二种方法是挑置成型，其中整批基材零件成型;然后将基材零件手动放置，一次一个，放入第二个模具中，在第二个模具中注入复模树脂以生产完成的零件。
两针成型有三种主要方法:
- 转移overmoulding是一种机器人程序，其中基材零件被机械地从一个模具中取出并放置到另一个更大的模具中。通常在第一个模具中生产下一个基材时，将复模材料注入第二个模具以填补空白。
- 旋转overmoulding是另一种机器人过程，其中模具本身从一个注射站移动到另一个注射站，以允许注射基材和复模材料。
- Core-back overmoulding只能用于非常特殊的线性几何。该模具具有滑动部分，该滑动部分在第一种材料注射后被拉回并设置为第二种注射材料腾出空间。
这三种方法都是将覆盖成型的材料铺在温暖的基材上，这有助于化学键合。这三种方法都需要专门的设备和昂贵的模具，但由于它们是高度自动化的，因此对于大批量生产(通常超过1万件，有时甚至超过10万件)来说，它们的成本效益很高。
Pick-n-place成型使用两个完全独立的模具。一批基材零件在一个模具中制造并冷却。然后用手将它们放入第二个较大的模具中，该模具容纳基材部件并为覆盖成型的材料在基材上注入留出空间。该工艺使用不太复杂的设备和更简单的模具比两枪方法，简化和加速设置。
比较复模方法
虽然人工将基板放置到二次模具中比机器人过程要慢，但它通常可以更快地完成中小批量零件的生产，并且成本显著降低。在取件成型中最大的挑战是减少过模材料和冷基板之间的化学键合。为了最大限度地提高附着力，必须小心处理基材，以防止可能影响附着力的表面污染。此外，适当的材料选择也有助于确保在pick-n-place应用中良好的粘合。
| 有利于二次成型的因素 | 有利于就地成型的因素 |
|---|---|
| 大产量——通常超过 10000个零件 |
产量适中，通常低于 10000个零件 |
| 确定你的设计和材料 将用于整个生产运行 |
需要原型设计或测试材料，或 设计改变的可能性 |
| 时间和金钱投资于昂贵的二次射击 模具及工艺 |
需要将产品和设备快速移动到 市场还是要满足市场需求的同时进行二次射击 模具正在制作中 |
| 需要最大程度的化学键合 层间 |
指定化学键的设计， 通过适当的选材，可以提供 强化学键 |
结合的作用
树脂层之间的粘合有助于防止层之间的分离。根据零件的几何形状，键可能会受到几种力的影响，这些力可以将层拉开。
这些包括:
- 在对接处造成分离的直接拉伸拉力
- 由平行于粘合界面的拉力引起的剪切，导致搭接处的分离
- 剥落通常从边缘开始，并沿着材料之间的界面传播
当其中一种材料是弹性体时，结合强度尤其重要，弹性体可以弯曲并从基材上拉离。这适用于热塑性弹性体和热固性材料，热塑性弹性体在再加热时会软化，热固性材料不会软化。
层间结合的主要方式有两种。一是在两层树脂的界面上实际的化学键合;另一种是机械粘合，这取决于界面的物理几何形状。可接受的粘接是通过零件设计、材料选择、模具设计和成型工艺的结合来实现的。
化学键发生在分子水平上，并受到几个因素的影响。首先是注入的复模材料对基材的润湿能力。更好的润湿可以使两种材料之间有更多的接触和更多的粘合机会。这与材料的温度、复模材料的粘度、基材表面的质地和孔隙率有关。在界面处，粘附可以以三种不同的方式发生:
- 聚合物分子的机械纠缠
- co-crystallisation
- 聚合物链之间的化学反应
附着力也可能需要三者的结合，而纹理表面增加了附着力发生的面积。除了需要树脂本身的兼容性外，添加剂、填料和某些表面处理的存在可以减少基材和复模材料的化学相互作用。
在确定既能满足设计人员对完成部件的性能要求，又能相互兼容并能提供最大附着力的树脂方面，模具和材料供应商可以成为宝贵的资源。加工也会显著影响附着力。这在取件成型中尤其如此。在这个过程中，基材在复模前被允许冷却，并且在过程中暴露在环境中并进行处理。在储存和处理过程中，制造商防止杂质在基材表面积聚是至关重要的，以最大限度地提高附着力——这是Protolabs密切关注的一个领域。
机械粘合可以代替化学粘合或与化学粘合结合使用。当复模树脂流进基板上的孔时，特别是如果孔在底部“燕尾”变宽时，冷却的复模材料被锁定在基板上。其他增强机械粘合的方法包括在基板周围包裹覆模材料，或者用沟槽、尖桩、柱或凸台增加界面的表面积。多孔基板提供微小的孔洞，弹性体可以迁移到这些孔洞中，从而形成机械粘合。为防止剥落，避免外露覆模材料的边缘。衬底材料的凸起边缘可以保护覆模弹性体的边缘，否则可能开始剥落。
化学键相容性
| 衬底材料 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| OVERMOULD材料 | Abs聚乳酸pa-717c | Abs / pc bayblend t65xf | PC makrolon 2458 | PBT celanex 2002-2 | Pp moplen rp348r | 尼龙66 zytel 70g30hslr |
| TPU珍珠脂11T85 | C | C | C | C | 米 | 米 |
| TPV Salink 3170 | 米 | 米 | 米 | 米 | C | 米 |
| TPE热熔胶K TC6 MLZ | C | C | C | 米 | 米 | 米 |
| Elastosil 3003/30 A/B | - | - | 米 | 米 | - | 米 |
| TPC Hytrel 4068FG | C | C | C | C | 米 | 米 |
M =机械键C =化学键
Overmoulding材料
衬底和覆模材料有数千种可能的组合。上面的图表中包含了一些更常见的可能性，但如果您需要特殊的特性，还有许多其他的可以由材料供应商确定。
除了相容性和附着力外，还有许多因素影响复模树脂的选择。如果目标是缓冲，覆模材料的厚度可以和材料本身的柔软性一样重要。无论选择何种材料，通常低于10mm的薄层都会感觉很硬。出于这个原因，许多消费产品将有一排排更高的肋，以增加感知厚度，同时减少复模材料的数量并增加其灵活性。材料的实际柔韧性与其硬度或硬度计没有直接关系。一个更好的测量方法是弯曲模量，它测量材料的抗弯曲能力。低弯曲模量的材料感觉更柔软。虽然各种树脂都适用于复模，但也有弹性体，如Versafl ex，可以专门用于复模应用。
如果复模的目的是增强抓地力，材料的摩擦系数表明它的触感。例如，热塑性弹性体(TPEs)通常具有很高的摩擦系数。与缓冲的情况一样，硬度计并不是衡量材料抓地力的可靠方法。由于包括热塑性塑料和热固性树脂在内的许多树脂可以具有一系列特性，因此在为特定应用选择正确的树脂等级时咨询专家可能是有用的。
与复模一样，插入模在另一种材料上注入树脂，但另一种材料通常是金属，而不是塑料基材，而注入的塑料材料通常是刚性塑料。金属电子元件或定制加工的金属部件通常以这种方式嵌入塑料中。同样地，螺纹插入件可以模压成塑料部件，用于更坚固，更耐用的塑料部件组装，如设备外壳。插入成型是通过热桩或超声波焊接插入金属部件的一种替代方法，通过这种工艺，已成型的塑料部件在局部熔化，以允许插入金属部件。插入成型比其他方法更可控，并且可以更好地封装。Mouldedin插件还消除了二次插件安装过程的需要，节省了时间和金钱。
因为插入件是金属的，所以它们必须放入模具中，然后用塑料包裹起来。对于大批量生产，这可以用机器人来完成，但是对于小批量到中批量的生产，插入到模具中，取件是一个手动过程。金属镶件和塑料之间没有化学键合，因此镶件和树脂部件必须设计为机械键合。
Protolabs接受预制插入件，包括PEM, Dodge, Tri-Star, Spirol和Tappex。
为什么使用复模和插入模?
虽然复模需要比单次注射成型更复杂的设计，加工和材料选择，但它提供了显着的好处:
- 它允许材料组合以提供单一树脂无法提供的特性。
- 它可以消除组装步骤，节省时间和金钱。
- 它可以以装配工艺无法比拟的方式融合材料。
- 插入件增加了零件的强度和耐用性。
降低成本
复模可降低生产成本。标准注塑可以将多个部件组合成一个多腔模具，而复模可以生产由不同材料组成的单个部件，而无需组装。模具生产更复杂，但它消除了组装数千个零件的重复成本。有多种方法可以生产复模零件，根据您的需求选择合适的方法——上市时间、总产量和产品变化的可能性——可以帮助您确定哪种方法最有效。
急转弯生产
复模可以加快产品上市的速度。一旦模具被创造出来，任何形式的复模都比需要组装的过程要快得多。二次复模工艺最适合大批量生产-超过10,000个零件。Pick-n-place复模在数以千计的小批量中更经济。虽然设计和制造双孔模具可能需要一个月或更长时间，但在生产双孔模具时，pick-n-place复模可以在几周内生产出原型、市场测试、小批量生产或桥接模具的零件。然而，在任何一种情况下，一旦模具或模具已经完成，批量零件生产可以很快完成。
原型和小批量运行
Pick-n-place复模是理想的低到中批量生产。由于它比两针复模更劳动密集，使用这种技术的每个零件的生产成本往往会更高，但它消除了生产复杂的两针模具的极高成本和延迟。在10000个零件的产量下，取件总成本将趋向于低于2次。该工艺也可用于生产原型，然后再投资于双镜头模具进行大批量生产。如果上市速度是至关重要的，那么在等待全面生产开始的同时，使用pick-n-place将产品交付到市场可能是有意义的。而且，在零件需要频繁重新设计的市场中，pick-n-place允许重新设计模具，从而降低了风险，而重新设计模具的成本只是重新设计双模的一小部分。
应用范围
复模广泛应用于从消费品到汽车和电子元件等行业，但它特别适合于医疗和保健应用。接触、进入或插入人体的设备可能需要满足严格的要求，并且具有挑战性的功能。它们可能必须承受高温灭菌，承受化学品暴露，并符合包括FDA, USP VI级，ISO 10993和生物相容性在内的标准。在许多情况下，没有一种树脂可以满足所有要求。为了安全和无菌，多种材料可能必须几乎无缝地匹配，这是覆盖成型擅长的领域。使用复模还有许多其他原因，包括:
- 其中最常见的是舒适和抓地力。软弹性体经常在硬基板上模压，以在各种手持物品(从手动工具到设备)上创建安全，防滑的握把。
- 由于复模材料通常是弹性体，因此密封、减震和减振也是常见的应用。
- 另一个常见的应用是美学;基材可以有一个凹痕图案，用对比鲜明的颜色填充覆模材料，以创建文本、标志或其他设计。
- 复模可以改变零件表面的特性，使其具有不同的电、热或其他环境质量。
- 它也可以用来捕获或封装在另一种材料中的东西。
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