為注塑成型選擇合適的高性能塑膠只是挑戰的一半——另一半是針對其獨特的成型特性進行設計。本指南幫助工程師根據材料特性和應用場景選擇PEEK、PEI、PPS和LCP等高性能塑膠，並提供實用的設計技巧，以減少翹曲、缺陷和昂貴的重複迭代。
雖然高性能塑膠在輕量化、耐用性和生物相容性方面開闢了新能力，但它們也帶來了不明顯的成型性權衡，可能會導致零件生產的失敗。
與用於大批量生產、機械或熱性能要求適中的普通塑膠不同，高性能塑膠需要在功能關鍵應用中進行仔細選擇、成型和驗證。工程師必須不僅根據強度或抗性來評估它們，還要考慮它們的成型性、熱行為以及與成型環境的相互作用。
注塑成型中關鍵高性能塑膠的比較
下表根據機械性能、化學耐性和成型難度將常用的高性能塑膠進行分類。
| 材料 | 溫度耐受性 | 化學耐性 | 強度 (σT) | 流動性 (MFR) | 模量 (E) | 阻燃性 | 成型複雜性 | 應用場景 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| PEEK | ★★★★★ (HDT 160°C; Tg 143°C) | ★★★★★★ | ★★★☆☆ (σy ≈ 95 MPa) | ★★☆☆☆ (MFR ≈ 3 g/10min @400°C) | ★★★★★ (E ≈ 3.8 GPa) | ★★★★★ (UL 94 V-0) | ★★★★★ (Tm 343°C) | 高強度、高溫、化學耐性（如航空航天、泵） |
| PAI | ★★★★★ (HDT >270°C) | ★★★★☆ | ★★★★★ (σy ≈ 120 MPa) | ★★☆☆☆ (MFR ≈ 4 g/10min @370°C) | ★★★★★ (E ≈ 5.5 GPa) | ★★★★★ (UL 94 V-0) | ★★★★★ (Tm ≈ 305°C) | 極端熱負荷+機械負荷（如密封件、軸承） |
| LCP | ★★★★☆ (HDT ≈ 230–240°C) | ★★★★☆ | ★★★★☆ (σy ≈ 90 MPa) | ★★★★★ (MFR ≈ 12–20 g/10min) | ★★★☆☆ (E ≈ 2.2 GPa) | ★★★★☆ (UL 94 V-0) | ★★★★☆ (Tm ≈ 280–300°C) | 微型化、薄壁精密部件（如射頻連接器） |
| PEI | ★★★★☆ (Tg 217°C) | ★★★★☆ | ★★★★★ (σy ≈ 110 MPa) | ★★★☆☆ (MFR ≈ 10 g/10min @370°C) | ★★★★☆ (E ≈ 3.2 GPa) | ★★★★★ (UL 94 V-0) | ★★★★☆ (Amorphous; no Tm) | 醫療/電子外殼，穩定在熱和濕氣環境下 |
| PSU | ★★★☆☆ (HDT ≈ 174°C) | ★★★★☆ | ★★★★☆ (σy ≈ 70 MPa) | ★★★☆☆ (MFR ≈ 15 g/10min) | ★★★☆☆ (E ≈ 2.4 GPa) | ★★★☆☆ (UL 94 V-1) | ★★★★☆ (Amorphous) | 透明、防蒸汽設備（如醫療、實驗室器具） |
| PPS | ★★★★☆ (HDT ≈ 220°C) | ★★★★★☆ | ★★★★☆ (σy ≈ 85 MPa) | ★★★☆☆ (MFR ≈ 15 g/10min @315°C) | ★★★★☆ (E ≈ 3.4 GPa) | ★★★★★ (UL 94 V-0) | ★★★☆☆ (Tm ≈ 285°C) | 高剛性+化學暴露（如傳感器、電池包） |
| PA (High-Perf) | ★★★☆☆ (HDT 120–150°C) | ★★★☆☆ | ★★★☆☆ (σy ≈ 80 MPa) | ★★★★☆ (MFR ≈ 20–30 g/10min) | ★★★☆☆ (E ≈ 2.8–4 GPa) | ★★★☆☆ (UL 94 HB/V-2) | ★★★☆☆ (Semi-crystalline) | 成本效益高的強度（如齒輪外殼、支架） |
| POM | ★★★☆☆ (HDT ≈ 110°C) | ★★★☆☆ | ★★★★★ (σy ≈ 65–75 MPa) | ★★★★☆ (MFR ≈ 12–25 g/10min) | ★★★☆☆ (E ≈ 2.7 GPa) | ★★☆☆☆ (UL 94 HB) | ★★☆☆☆ (Tm ≈ 175°C) | 低摩擦、精密部件（如軸套、滑塊） |
PEEK（聚醚醚酮）
PEEK能夠承受最高250°C的連續使用，並且對噴氣燃料、消毒劑和汽車流體等強腐蝕性化學品具有極強的耐受性——使其成為航空航天支架、醫療植入物和引擎艙部件的理想選擇。其高熔點和低流動性在成型過程中會帶來空洞和翹曲的風險，特別是在厚壁或複雜幾何形狀的情況下。為了保證尺寸精度，均勻冷卻和內部應力的管理至關重要。
PEEK設計技巧：
- 保持至少2 mm的均勻壁厚，以減少空洞和翹曲的形成。
- 使用0.5 mm或更大的圓角半徑，最小化應力集中。
- 避免急劇的過渡和壁厚變化，以促進流動和冷卻的均勻性。
- 設計對稱幾何形狀的零件，以確保均勻的收縮和尺寸穩定性。
PAI（聚酰胺亞胺）
聚酰胺亞胺在需要抵抗極端高溫、化學品和機械負荷的環境中表現出色，因此非常適合用於軸承外殼、密封件和電氣絕緣體。由於其流動性差和內部應力積聚較大，PAI的成型較為複雜，可能導致充填不完全和開裂。它能夠承受高於250°C的持續使用溫度（通常HDT >270°C）。
為克服這些挑戰，合理的澆口設計和壁厚控制至關重要。此外，尖銳的角落和不對稱的幾何形狀可能加劇成型後的應力集中和變形。
PAI設計技巧：
- 將壁厚限制在2到3 mm之間，以控制內部應力。
- 在較厚的特徵附近使用寬澆口（≥1 mm），以促進更好的材料流動並確保完全充填。
- 在角落處添加至少1 mm的圓角，以減少開裂的風險。
- 保持對稱的零件設計，避免急劇的過渡，以防止翹曲。
- 當零件接近插入件時，通過加肋來增強薄壁部分的強度。
PEI（Ultem® – 聚醚酰亞胺）
PEI具有高達UL 94 V-0的阻燃等級，並在潮濕環境中表現出色的尺寸穩定性。其熔融溫度約為340°C，常用於高溫電氣連接器、航空航天傳感器外殼和醫療設備外殼。由於其吸濕性強，若乾燥不當可能導致表面裂紋、氣泡或內部應力。
薄壁設計受益於均勻的壁厚和流動引導器等特徵，以確保填充的一致性。設計師還應考慮在組件中留出輕微的尺寸膨脹空間，以適應長期的濕氣吸收。
PEI設計技巧：
- 設計均勻的壁厚範圍為1.5到3 mm，以避免短注射和表面燒傷。
- 使用流動引導器有效地將材料引導到肋條和深腔中。
- 在角落處添加0.5 mm或更大的圓角，以減少應力。
- 在緊密配合的部位留出0.1到0.2 mm的間隙，以適應濕氣吸收。
- 將澆口設置在厚或空心部分附近，以確保均勻填充且不會過熱。
- 避免設計薄弱的獨立特徵和尖銳角落，這些可能導致應力集中。
LCP（液晶聚合物）
LCP具有卓越的流動特性和極低的翹曲性，使其非常適合用於超薄和複雜的零件，如微電子連接器和精密電氣元件。其獨特的分子排列使得即使在壁厚低於1 mm的情況下，也能實現精確的成型。然而，流動前端的快速固化可能會導致短注射和焊接線等缺陷，特別是當澆口和流動路徑沒有得到優化時。LCP材料的熱變形溫度通常在230–240°C之間。
LCP設計技巧：
- 保持均勻的壁厚，低於1 mm，以確保充填一致性。
- 保持流動長度小於150 mm，以避免充填不完全。
- 使用多個澆口，放置在最厚的區域附近，以最小化焊接線。
- 設計圓形過渡，以促進流動平穩和填充。
- 避免設計長且不平衡的腔體，以減少內部應力的積累。
PSU（聚磺烯）
PSU因其透明性、尺寸穩定性以及約174°C的耐熱性（HDT）而受到青睞，適用於醫療設備以及暴露於熱水和蒸汽中的部件。它對濕氣較為敏感，如果設計不當，容易發生翹曲。
厚壁會增加內部應力，且可能會扭曲光學清晰度，而尖銳的角落和突變的厚度變化會加劇這些效果。
PSU設計技巧：
- 將壁厚限制在3.5 mm以下，以減少翹曲和應力。
- 使用至少0.75 mm的圓角半徑，以降低應力集中。
- 避免尖銳的幾何過渡，以改善流動性和表面光潔度。
- 設計薄且通風良好的肋條，以防止翹曲和空氣滯留。
- 優化分模線和通風設計，以保持光學質量。
PPS（聚苯硫醚）
PPS是一種化學耐受性和阻燃性能優異的熱塑性塑膠，具有出色的尺寸穩定性。其在成型過程中快速結晶，要求嚴格控制冷卻速率，以避免局部收縮差異和翹曲。它能在約200–220°C的高溫下保持強度和形狀。
厚壁部分可能導致不均勻的應力，因此保持壁厚低於4 mm至關重要。設計中的對稱性和特徵之間的漸變過渡有助於最小化變形。加固肋條在不增加問題性體積的情況下提供強度。
PPS設計技巧：
- 保持壁厚低於4 mm，以防止收縮差異。
- 使用對稱的零件設計，保持均勻冷卻。
- 用肋條替代厚壁，以增加強度而不引起翹曲。
- 特徵之間的平滑過渡可以減少應力集中和流動問題。
- 避免尖銳的角落，這些角落會干擾材料流動。
PA（聚酰胺 – 尼龍 – 高性能等級）
高性能尼龍如PA6T、PA9T和玻纖增強PA66提供卓越的機械強度、耐熱性和化學耐久性。它們廣泛應用於汽車發動機部件、傳感器外殼和電子產品中的連接器外殼。這些材料通常在120–150°C的溫度範圍內保持尺寸穩定，具體取決於增強劑和配方。
與標準的PA6或PA66相比，這些高性能等級在120°C以上保持穩定性，並提供更好的尺寸控制。然而，濕氣吸收和不均勻的收縮仍然是關鍵問題。
高性能PA（PA6T、PA9T、玻纖增強PA66）設計技巧：
- 使用均勻的壁厚，保持在2到3 mm之間，以平衡機械強度並最小化內部應力。
- 在角落處應用較大的圓角半徑（≥0.75 mm），有效減少應力集中並改善增強材料的流動性。
- 設計通風良好的細長肋條，肋條厚度與名義壁厚的比率約為0.5到0.6，增強零件強度而不產生收縮痕跡或翹曲。
- 合理放置澆口，確保均衡充填並優化纖維取向，尤其對玻纖增強等級至關重要，以避免翹曲和各向異性收縮。
- 設計漸變的壁厚過渡，以減少半結晶增強尼龍中常見的差異收縮和內部應力。
- 避免急劇的幾何變化和孤立的薄壁部分，以防止產生薄弱區域和充填不完全。
- 對側壁考慮使用1–2°或更大的拔模角度，便於高性能尼龍零件的順利脫模。
POM（聚甲醛 – 醛酸）
儘管POM通常不與PEEK或PAI等超高性能塑料一起分類，但它以其卓越的尺寸穩定性、可加工性和低摩擦特性脫穎而出。POM非常適合精密機械組裝、齒輪和需要嚴格公差和耐磨性的流體系統組件。它能夠在高達100–120°C的環境中可靠運行。
儘管它的耐熱性和耐化學性低於超高性能塑料，但它的流動性好和低吸濕性使得成型過程更加一致，且無需重大調整。
POM設計技巧：
- 保持壁厚均勻，並保持在3 mm以下，以避免收縮痕跡。
- 在肋條、凸起和平面之間使用平滑、漸變的過渡，以減少內部應力。
- 在角落處應用至少0.5 mm的圓角，以改善流動性並減少應力。
- 設計均衡的流動路徑，以最小化翹曲並確保一致的零件質量。
- 避免急劇的厚度變化，以防止流動遲滯或收縮差異。
高性能塑料可靠成型的一般設計技巧
高性能塑料具有狹窄的加工窗口，直接影響零件幾何形狀和模具設計。在CAD設計初期應用這些技巧的設計師，可以減少模具返工、翹曲和不同批次之間的性能不一致。
最小化內部應力和翹曲
- 保持零件壁厚均勻（±10%），避免急劇過渡。
- 在內部角落使用較大的圓角半徑（≥0.5 mm），以減少剪切應力積聚。
- 通過對稱特徵和中空設計來平衡壁厚分佈。
實現完全且受控的充填
- 根據材料選擇澆口類型：纖維填充材料使用風扇/標籤型澆口，LCP使用針型澆口。
- 將澆口位置設置在較厚的截面附近，並與主要流動方向對齊。
- 對於低黏度或快速凝固的材料（如LCP、PPS），減少流動長度。
控制收縮與尺寸漂移
- 考慮每種材料的收縮範圍：PA（0.7–1.5%），POM（最多2.0%）。
- 設計肋條而非厚壁，以控制剛性和質量。
- 對於吸濕性塑料（如PA、PEI），增加膨脹公差。
確保表面與組裝兼容性
- 避免對磨損性材料（如PEEK、PAI）使用高光澤表面。
- 使用適度的紋理（VDI 27–33）以提高耐用性和一致的脫模性能。
最佳實踐與工藝調整
雖然以下設置適用於所有高性能聚合物，但對於低流動性等級如PAI和PPS，它們變得更加關鍵。
- 對於剛性或填充材料，澆口位置應靠近核心特徵（50 mm以內）。
- 在最後充填點進行戰略性排氣（15–30 µm），以消除空洞和燒傷痕跡。
- 平衡插入位置，減少不對稱收縮，特別是對於PEEK和PAI材料。
- 設計雙色注塑或覆模工藝時（例如，將軟彈性體覆在剛性PEEK上），驗證熱膨脹兼容性並優化連接界面（如紋理插入件或互鎖特徵）。
- 在成型後，對PAI和PEEK零件進行200°C退火處理，持續2小時，以緩解內部應力。
高性能塑料的自信設計
每個高性能零件都始於正確的設計思維、明確的材料限制、周密的幾何結構和考慮製造工藝的決策。高性能塑料重視精確設計，對疏忽則有所懲罰。