塑料与金属的浪漫邂逅：嵌件注塑技术全解析

注塑成型是一种广泛应用于塑料加工领域的重要技术，其工艺种类繁多，各具特色。在注塑工艺的大家族中，嵌件注塑是相当特别的那一个。

什么是嵌件注塑（Insert Injection Molding）？简单来说，就是在注塑成型过程中，将预先准备好的金属或其他材料的异材质嵌件放入模具中，然后注入熔融塑料，开模后嵌件被冷却固化的塑料包紧埋在塑料内，塑料与嵌件牢固结合，形成复杂又精巧的带有如螺纹、电极等嵌件的一体化零件或制品。在国内又被称作“包胶注塑”。

 

嵌件注塑产品示意图

 乍听起来，会不会很容易让我们中国人联想到2008年北京奥运会的“金镶玉”奖牌？说嵌件注塑“既是一门技术，更是一门艺术”，或许稍显不妥，但也别小看了嵌件注塑，它的确是一种既复杂又精巧的工艺，其中的“水”还是颇深的。它利用了塑料树脂的绝缘性和金属的机械强度、刚度、导电性等优点的组合，制成的成型品能满足电气产品的基本机能，创造出使我们的生活更加便利的复杂装置，是电子、汽车等行业离不开的技术。

 

工艺流程

在嵌件注塑工艺里，注塑机通常只是整个系统中的一部分。嵌件通常首先需要取向，可以用振动台来完成这一任务。然后，由机械手臂末端工具（EOAT）将嵌件放入模具内，通常可以借助一个预定位装置来进入模具。到了成品件阶段后，顶出定位是最重要的一步，注塑机开模动作的可重复性在这里至关重要。嵌件装进模具里后，就以真空状态或通过机械方式（如采用滑块）进行固定。在嵌件插入的同时，上一个成品件被顶出(图1，图2)。

 

图1：嵌件的输送©互联网

嵌件注塑时，嵌件在模具中的放置也可以通过人工来完成，但这会大幅增加注塑成型周期，降低注塑制品的生产效率，仅适用于小批量生产或者复杂结构的产品。自动化放置是大批量生产的更佳选择，有利于减少人工失误、提高效率、缩短注塑成型周期和提高产品的可靠性。在这门技术里面，注塑机、模具和自动化装置一体化运作发挥了最重要的作用。结合注塑机与带自动装夹嵌件的机械手、嵌件产品整列装置等设备，嵌件注塑工艺有不少可以实现自动化生产，降低了人工误差，提高了产品质量。

 

图2：嵌件的预定位©互联网

立式注塑机配有旋转工作台、移动工作台和倾斜工作台等，很容易实现嵌件成型。由于模具面朝上，嵌件放置容易。如果下模板固定，上模板可移动，结合皮带输送机和机械手，很容易实现全自动嵌件成型。不过，更先进的卧式注塑机也能很好地实现嵌件成型，这与立式注塑机并无区别。

立式注塑机一般为锁模装置四周开放式，易于配置各种自动化装置，适用于嵌件、预埋件、连接件等加工，注塑精度比卧式注塑机高，价格也比较便宜，装卸方便，非常适合小批量生产。

优势与劣势：没有完美，只有更适合

嵌件注塑的特点和优势可不少！首先，集成性是嵌件注塑的最大特点，能实现不同材料各自优势的完美结合，让产品既有塑料的轻便、弹性和易成型优势，又有金属的刚性、强度和耐用性。其次，一体化成型将嵌件与塑料集成为单一部件，省去了诸如焊接、铆接等二次加工工序，大大缩短了装配时间和降低了人力和物料成本，提高了生产效率。塑料绝缘性和金属导电性相组合的嵌件注塑可以增强产品的功能性，比如在电子电气产品中，能实现更好的导电、导磁、散热等性能。嵌件品不仅限于金属，还可以是布、纸、电线、玻璃、木材、线圏、弹簧、螺帽、电气零件等许多不同类型的物品，为产品设计提供了无限可能。设计师可以根据产品需求，更加“天马行空”地创造新颖的形状和结构(图3)。

 

图3： ©互联网

 

尽管嵌件注塑具有诸多优势，但它也不可避免地有着一些劣势。
◆ 技术难度：嵌件注塑对模具设计、材料选择、注塑工艺等都有着极高的要求，技术门槛较高。
◆ 热膨胀系数差异：嵌件与塑料树脂的热膨胀系数不一致，容易使最终的产品内应力增大，从而造成产品翘曲变形（图4）。嵌件往往需要预热或干燥处理等，以减小内应力。

 

 

图4： ©互联网

 

◆ 模具成本较高： 嵌件的加入使得模具结构更加复杂，对模具精度要求极高，初始的模具制作成本相对较高，对于小批量生产不太友好。如何降低模具成本成为嵌件注塑的一大难题。
◆ 生产周期较长：嵌件放置和调整过程较为繁琐，操作不当容易出现废品，影响生产效率，这也是嵌件注塑技术面临的一大挑战。
◆ 质量控制难：嵌件注塑一旦出现不良品，如注塑不良、嵌件遗漏、位置不良等，往往导致整个产品报废，代价高昂。
◆ 嵌件注塑的产品回收成本比较高。

 

下游应用：新能源汽车等行业的“宠儿”

嵌件注塑利用了塑料树脂的绝缘性和金属的导电性，制成的成型品能满足电子电器产品的基本功能。随着电子元件、汽车、医疗等行业日益复杂，嵌件注塑技术在这些领域正大放异彩(图5)。

 

图5： ©互联网

汽车行业一直是嵌件注塑技术的忠实拥趸，嵌件注塑可提高零部件强度，降低重量，助力汽车轻量化。该技术更是新能源汽车的得力助手。

由于汽车趋向电动化，过去机械化的一切现在都变成了电子化，因此，需要分配电力的连接器和电路越来越多，出现了越来越多包含金属嵌件的电气部件，从连接器到三电（电池、电机、电控）系统。新能源汽车在电池和电池管理系统的设计上面临着高压元件密集布局的挑战。在这种布局下，导电部件的直接接触可能引发短路，造成安全隐患。由于汽车底部空间的限制，保持元件间的安全距离变得困难，而车辆在恶劣路况下的颠簸和碰撞，更增加了元件移位的风险。嵌件注塑工艺在此领域发挥了其独特的优势。它使用绝缘的注塑材料将金属材料的电子元件紧密地集成在一起，有效隔绝短路的可能性，提高了汽车的高压安全防护性能，同时缩短了元件间的距离，优化了整体布局(图6)。

 

图6： ©互联网

图7： ©互联网

此外，当车辆遭受碰撞时，注塑材料能够提供必要的缓冲，保护电子元件免受损害。铜排嵌件的运用，实现了高压元件之间的电气连接，极大地提升了电池、高压配电单元（PDU）等高压电器系统的集成度和空间利用效率。目前，汽车电子采用嵌件注塑件已经成为行业的主流选择。无论是电机控制器、电池断开单元（BDU）/PDU电源管理模块，还是汇流排(图7)与逆变器组件(图8)，都通过嵌件注塑技术实现了高效、安全且紧凑的集成设计，这标志着汽车电子制造技术的一大进步。

图8： 电机汇流排©互联网

电动汽车上还会安装越来越多的传感器，此外，倒车摄像头和遥控启动器等系统过去只在高端汽车上配备，如今这种情况已不复存在。而随着复杂性的增加，对嵌件成型技术的需求也在增加。

当前，新能源汽车正迈向一个高度集成化和一体化的新纪元，车内电子组件的设计也日趋紧凑。嵌件注塑技术凭借其金属与塑料的无缝融合，为新能源汽车行业带来了一种高效的解决方案，被大量地应用在新能源汽车行业。这一技术不仅显著推动着汽车零部件的整合与简化，帮助企业在竞争日益激烈的市场中应对成本压力，更成为推动整个汽车行业技术进步和市场需求的扩大的关键动力。

嵌件注塑技术的应用并不仅局限于汽车行业，在消费电子、医疗、航空航天等领域，这种技术同样展现出其独特的优势，如提高组件的精确度、可靠性以及满足高性能要求，从而也得到了大量的应用。

在消费电子领域，嵌件注塑工艺的应用极为广泛，满足了电子产品对小型化、集成化、高性能的需求。例如，手机天线是嵌件成型在该行业应用的完美范例，嵌件注塑使手机天线更轻薄，信号更强。其他例子包括连接器、开关、传感器等。

在医疗器械领域，从简单的医疗设备到缝合线和植入物等复杂敏感的医疗设备，都能看到嵌件注塑的影子。此外，嵌件注塑还可以用于生产一些用于医疗行业的电子设备，比如包括管材、医疗设备部件和牙科器械的生产，其他应用包括医疗旋钮、刀片、手术器械和医疗外壳，等等(图9)。

图9：医疗器械嵌件注塑盖板©互联网

在航空航天领域，嵌件注塑工艺主要用于飞机座椅、行李箱闩锁、盥洗室、把手和用户界面开关等。此外，如传感器、阀门等也常采用嵌件注塑工艺制造。这种工艺能够确保组件的精确度和可靠性，满足航空航天领域对高性能和高精度的要求。

嵌件注塑并不是组合塑料和非塑料材料的唯一工艺（其它还有双色注塑、焊接等），其能在汽车、消费电子等领域取得广泛应用，离不开这种工艺在成本效益、零件可靠性和设计的灵活性方面的优秀表现。可以说，嵌件注塑工艺是目前最流行的注塑工艺之一。

 

嵌件注塑装备领域的创新

说到嵌件注塑设备，首先要介绍的当然是ENGEL公司的insert系列注塑机（图10）。机如其名，insert系列灵活型立式注塑机是嵌件注塑的理想选择。之所以叫作灵活型，是因为insert 注塑机广泛的选配装置，可以提供很大的发挥空间：包括卧式或立式注塑单元、多色版本、配备滑台或转盘、手动零件搬运或广泛的特殊自动化功能，使机器能够适应用户的个性化要求。insert机型设计实现了尽可能少的空间需求，特别是带有立式注塑单元的版本所需占地面积非常小，这对于任何一家加工厂商来说都是一种福音。insert最受用户赞赏之处是其符合人体工程学的作业高度和宽敞的模具室，灵活适应各种要求，另外ecodrive驱动实现的高能效是另一个优势。

 

图10：insert系列注塑机©ENGEL

在Chinaplas2024展览上，阿博格ARBURG公司展示了一套以一台Allrounder 1600 T转盘立式注塑机为核心的交钥匙系统，吸引了汽车行业意向人士的目光。这台立式机带有一个直径为1600毫米的伺服电驱动型三工位转盘，可以运行不同的旋转流程。该自动化方案集成了一台三轴微型机械手，将三种不同类型的嵌件放在载具盘上。接着，由KUKA六轴机械手从载具盘中取出一共十二个金属嵌件，随后将它们插入到模具的四个型腔中，用35%含量的玻纤增强PBT对其进行包胶注塑，生产出适合交通出行行业使用的连接件（图11），循环时间约为 60 秒。每完成一次注射，该机械手就同时取出浇口和注塑件。 

图11：Allrounder 1600 T转盘立式注塑机©ARBURG

 

未来前景

嵌件成型工艺尚未得到充分开发，随着技术的不断进步，我们可以期待嵌件注塑在未来继续发展，包括新型工程塑料和更多智能材料的应用、更高的可持续性和更高效的生产流程。

新能源汽车、智能制造等行业的快速发展，对高性能、高精度、高集成度的产品需求不断增加，嵌件注塑技术也将迎来更多的发展机遇。随着智能制造的发展，嵌件注塑设备的自动化、智能化程度也将不断提高。同时，随着技术的不断进步和成本的逐步降低，嵌件注塑技术有望在更多领域得到应用和推广。

 

来源：荣格-《国际塑料商情》

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