CAE DS – Mould Design 

Materials for injection moulding  Tampere University of Technology – Tuula Höök  There are four groups of plastic resins, which are suitable for injection moulding:  − − − −

 

Thermoplastic polymers  Thermoplastic elastomers  Thermoset polymers  Liquid injection moulding silicone 

  These groups can be further divided into four different categories:  − − − −

Commodity resins  Intermediate resins  Engineering resins  High performance engineering resins 

  These categories vary in cost and service performance. The low cost commodity resins  are  widely used  in  non‐technical  applications and  in  applications  in  which  there  are  no high requirements for mechanical, thermal, chemical or electrical properties. If the  standard gets higher, the resins are selected from the intermediate resins group. The  selection  for  technical  and  demanding  applications  should  be  either  engineering  or  high  performance  engineering  resin  depending  on  requirements.  Thermoplastic  polymers are the most widely used group of resins. See tables in the end of this chap‐ ter to find out which plastic belongs to which of these groups.  The  most  important  characteristics  of  injection  mouldable  plastics  are  related  with  cavity filling, part ejection and the requirements, which they set to the mould materi‐ als.  Plastic  material  manufacturers  prepare  data  sheets  of  their  products.  These  sheets  contain most of the necessary information. Rest of the information should come from  the  injection  moulding  company.  If  the  material  is  new  or  not  among  the  common  plastics, it is sometimes difficult to find all necessary data. Usually it is then wise to  consult injection moulding companies about their experiences on similar materials or  ask  directly  from  the  plastic  manufacturer.  The  part  designer  can  also  have  some  valuable  information,  but  usually  the  necessary  information  is  more  related  with  plastic processing than mechanical properties. 

Cavity filling  The material properties, which affect the gate design, are:  − − − − −

Viscosity  Moulding temperature  Flow characteristics  Shrinkage  Fillers 

    Materials for injection moulding ‐ 1 

CAE DS – Mould Design  Basically these properties characterise the plastic’s ability to fill the mould and predict    the  flow  pattern  at  the  gate  and  inside  the  cavity.  Plastic  viscosity  depends  on  tem‐   perature  and  flow  velocity.  Some  materials  are  very  sensitive  to  high  temperatures  caused  by  frictional  forces  at  narrow  parts  like  gate  and  sprue  top  opening.  These  materials  tend  to  “burn”,  if  flow  velocity  exceeds  some  critical  value.  Fillers  change  the flow and viscosity properties of a plastic material.  

Part ejection  Mould designer should be aware of the stiffness and surface friction properties of the  plastic material in order to place a suitable amount of ejection pins of the right size to  the  right  places.  Placing  of  ejectors  depends  on  the  part  shapes.  Material  properties  confine  the  practicable  ejection  force.  The  surface  friction  between  mould  cavity  surface and the plastic material depends on cavity surface roughness, mould material  and the plastic properties. It is difficult to define an exact value of frictional force, but  still possible to find empirical relations.  Some  plastic materials  are  very  soft  and  elastic  while  others  are  rigid  and  hard.  The  elastic materials tend to warp if ejected with too few pins or from wrong places. All  plastics are soft in high temperatures. The cooling time is set just long enough so that  the  part  is  rigid  enough  for  successful  ejection.  Badly  designed  ejection  system  in‐ creases cycle time. 

Mould materials  Some  plastics  are  corrosive  due  to  their  chemical  composition.  Some  plastics,  espe‐ cially  glass  reinforced  plastics,  heavily  wear  the  mould  cavity.  The  mould  designer  selects mould cavity and core steels based on the information on the plastic corrosive  and abrasive properties.  

Plastic materials  Thermoplastic poly‐ mer 

Thermoplastic elas‐ tomer 

Liquid injection  moulding silicone 

Commodity resins 

Polystyrene (PS) 

X 

 

 

Ashland, INEOS NOVA, BASF, Chevron  Phillips, NOVA Chemicals 

Styrene acrylonitrile copolymer  (SAN) 

X 

 

 

INEOS ABS, SAMSUNG 

Low cost, large consumption  and relatively low performance   in mechanical, thermal, chemi‐ cal, and electrical properties  

Manufacturer 

Polyethylene (PE) 

X 

 

 

Ashland, Basell, Borealis, Chevron Phillips  Chemical Company, DuPont, DSM Engi‐ neering Plastics, Equistar, ExxonMobil, Flint  Hills Resources, Sabic, Solvay  

Polyvinyl chloride (PVC) 

X 

 

 

Alpha Gary, Georgia Gulf 

  Materials for injection moulding ‐ 2 

CAE DS – Mould Design 

Thermoplastic  polymer 

Thermoplastic elas‐ tomer 

Liquid injection  moulding silicone 

Intermediate resins 

Acrylics 

X 

 

 

CYRO, Plaskolite, Altuglas International,  Lucite International 

Acrylonitrilebutadiene‐ styrene (ABS) 

X 

 

 

Ashland, BASF, INEOS ABS, SAMSUNG 

High impact polystyrene  (HIPS) 

X 

 

 

BASF, Ashland, Chevron Phillips, INEOS  NOVA, NOVA Chemicals 

Polyphenylene oxide (PPO),  Polyphenylene ether (PPE) 

X 

 

 

Evonik Industries, GE Plastics, Romira 

Polypropylene (PP) 

X 

 

 

Ashland, Basell, Chevron Phillips, Flint Hills  Resources, Sabic, Sunoco 

Styrene‐acrylonitrile (SAN) 

X 

 

 

INEOS ABS, Samsung 

Thermoplastic olefin (TPO) 

 

X 

 

Basell, RheTech, Spartech Polycom 

Thermoplastic vulcanizate  (TPV) 

 

X 

 

Exxon Mobil 

Melt procesable rubber  (MPR) 

 

X 

 

APA 

Better mechanical, thermal,  chemical, and electrical prop‐ erties compared to commodity  resins 

Manufacturers 

 

Materials for injection moulding ‐ 3 

CAE DS – Mould Design   

Thermoplastic  polymer 

Thermoplastic  elastomer 

Liquid injection  moulding silicone 

Engineering resins 

Acetal (POM) 

X 

 

 

Asahi Kasei, BASF, Celanese, DuPont,  Polyplastic 

Polyamide (nylon, PA) 

X 

 

 

Arkema, Asahi Kasei, BASF, Chem Poly‐ mer, DSM, DuPont, EMS Grivory,  LANXESS, Toray Plastics 

Polycarbonate (PC) 

X 

 

 

Bayer Material Science, DOW, DSM, GE  Plastics, MRC 

Polybutylene terephthalate  (PBT), Polyethylene terephthalate  (PET) 

X 

 

 

BASF, DuPont, DSM, GE Plastics,  LANXESS 

Glass  fiber  reinforced  polypro‐ pylene 

X 

 

 

Ashland, Basell, Chevron Phillips, Flint  Hills Resources, Sabic, Sunoco 

Block copolyester TPE 

 

X 

 

 

Polyamide TPE 

 

X 

 

 

Liquid injection molding silicone 

 

 

X 

 

Typically  compounded,  unmodi‐ fied  resins  with  tensile  strength  higher  than  48  MPa  and  modulus  of elasticity higher than 2400 MPa 

Manufacturers 

 

Thermoplastic  polymer 

Thermoplastic  elastomer 

Liquid injection  moulding silicone 

High performance engineering  resins 

High temperature nylon (PA) 

X 

 

 

Arkema, Asahi Kasei, BASF, Chem Poly‐ mer, DSM, DuPont, EMS Grivory,  LANXESS, Toray Plastics 

Liquid crystal polymers (LCP) 

X 

 

 

Celanese, DuPont, Solvay Advanced  Polymers 

Polysulfone (PSU) 

X 

 

 

BASF, Solvay Advanced Polymers 

Polyphenylene sulphide (PPS) 

X 

 

 

Chevron Phillips 

Fluoropolymers 

X 

 

 

Arkema, DuPont 

Polyetherimide (PEI), Polyimide  (PMR) 

X 

 

 

 

Similar  to  engineering  resins,  but  with  better  performance  in  high  temperatures  and  for  example  at  high electrical frequencies 

Manufacturers 

Materials for injection moulding ‐ 4 

CAE DS – Mould Design 

Polyaryletherketone (PAEK) 

X 

 

 

   

Further reading 

 

Brydson, J, Plastics Materials, 7th Edition, Elsevier, 1999 

 

Campo E. A, The Complete Part DesignHandbook For Injection Molding of Thermo‐ plastics, Hanser Publishers, 2006 

   

Drobny,  J.  G,  Handbook  of  Thermoplastic  Elastomers,  William  Andrew  Publish‐ ing/Plastics Design Library, 2007  Goodman, S.H, Handbook of Thermoset Plastics, 2nd Edition, William Andrew Pub‐ lishing/Noyes, 1998  Gunter, E, Designing with Plastics, Hanser Publishers, 2006                                                      Materials for injection moulding ‐ 5