通过注塑成型制造 VR

伊万-萨瑟兰（Ivan Sutherland）设计的第一款虚拟现实头盔名为 “达摩克利斯之剑”（Sword of Damocles），重约 10 磅（约 4.5 千克）。长时间佩戴既沉重又不舒服。因此，它是用机械臂从天花板上支撑起来的。新的虚拟现实制造技术在轻量化方面加倍努力，使设备在长时间佩戴时更加舒适。.

较新的虚拟现实头显的平均重量在 1.1 至 1.5 磅（约 500 至 800 克）之间，不包括背带和电池组。例如，2023 年发布的 Meta Quest 3 大约重 1.14 磅（515 克）。同年发布的 Pico 4 约为 1.3 磅（586 克）。.

生产虚拟现实组件的公司正将重点转向轻质、符合人体工学和高精度/高分辨率。这一趋势正在将笨重的头戴式设备转变为时尚的全天候可穿戴设备。.

塑料部件是轻量级 VR 制造的核心

VR 制造塑料部件的演变一直是制造商实现轻量化的重要策略。这一点尤为重要，因为塑料约占 VR 部件的 50-70%。外部外壳、头带和内部结构主要由耐用塑料制成。不断发展的 VR 组件制造策略包括 

• 使用先进材料： VR 制造商正在用碳纤维等先进的工程塑料替代传统塑料，以减轻重量，同时又不影响结构的完整性。.
• 重量分配： 2025 年的许多设计都采用了光环式背带系统，使重心更靠近使用者的头部。.
• 高密度互连 (HDI) 印刷电路板： HDI 技术用于更紧密地封装元件，使用微孔和更细的迹线宽度。.
• 精密制造技术： 精密 VR 注塑成型技术和其他先进技术（如镜片玻璃的高温成型技术）使制造商能够满足高精度要求。.

解决用户身体不适（颈椎劳损和头痛）的需求，以及推动创建真正无线的 VR 头显，是该行业不断创新的部分驱动力。.

虚拟现实头盔的结构和功能组件

VR 头显是一种复杂的设备。前部（也称为遮光板）是最关键的部分。它容纳了镜头、传感器和设备的 “大脑”。坚硬的塑料外壳可以保护内部电子元件，同时还能为佩戴者提供稳定性和舒适性。.

VR 头显可分为三个部分，即外部结构部件、功能部件和光学相关部件。.

VR 制造组件的材料选择

VR 制造中使用的材料侧重于平衡重量，以保证用户的舒适度和性能。VR 制造商在选择材料时考虑的其他因素还有耐用性和热管理。例如，外壳使用高性能塑料制造，精密度高，兼顾了轻量化和耐用性。严格的精度有助于保持光学器件对齐。.

• VR 外壳： 聚碳酸酯（PC）和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）或 PC+ABS 混合物等塑料可用于外壳，因为它们兼顾了刚性和轻质。为了进一步减轻重量，VR 注塑模具制造商通常使用薄壁和带格子的棱形设计。.
• 光学元件： 镜片使用的是抗划伤性能极佳的特殊透明材料。环烯烃共聚物（COC）是制作 VR 镜片材料的一个很好的例子，其透光率≥ 92%。.
• 佩戴舒适： 热塑性弹性体（TPE）是一种柔韧而柔软的材料，可用于防滑组件，从而提高佩戴舒适度，尤其适合长时间使用的用户。.

VR 注塑模具设计的关键技术

为 VR 头显生产设计模具的过程涉及高精度的专业技术。关键技术的重点是提供具有复杂几何形状和出色表面光洁度的轻质部件。.

创建 VR 注塑模具的过程通常需要使用 SolidWorks 或 ProE 等先进的 CAD、CAM 或 CAE 软件，并结合 Moldflow 分析，以确保可制造性设计 (DFM)。先进的软件对于优化壁厚和冷却至关重要。VR 注塑模具设计的三个关键方面包括

1. 精确控制： 高速、高精度 CNC 加工可确保模具达到极高的尺寸精度。VR 外壳在注塑成型方面面临的一大挑战是如何获得无缺陷的高光泽表面。通过优化注塑成型参数（如速度、压力和温度）可以克服这一难题。通过优化冷却系统，可以减少复杂形状中的翘曲和收缩等常见缺陷。.
2. 结构优化： 使用传统的双组分模具时，曲面外壳和复杂的扣环往往面临多重挑战。成型曲面 VR 外壳的常见挑战包括细节成型不完整和脱模困难。多滑块+镶件结构就是为解决这些问题而设计的。它可用于制造具有复杂、多方向底切和复杂形状的零件。.
3. 表面处理： 流痕和焊接线是熔融塑料流动不一致造成的外观瑕疵。降低模具表面的微表面粗糙度或镜面抛光可显著减少熔融塑料与模腔之间的摩擦阻力。最初的加工痕迹可使用 180 至 600 粗细度的油石去除。用 400 至 1600 粗细度的湿砂纸进行平滑处理。最后使用钻石膏（0.25 微米或 0.5 微米）进行抛光。.

客户要求

一家专门从事 VR 可穿戴设备制造的客户需要定制 VR 头盔前盖。他们之前的供应商无法克服因零件壁极薄而产生的翘曲难题。此外，还有装配精度不达标的问题。.

客户迫切希望找到一家能够克服困难的 VR 注塑模具制造商。在全面参观了 First Mold 的设施并查看了以往项目的相册后，客户确信 First Mold 有能力解决这些问题。客户的详细要求包括

• 部件壁厚 1.0 毫米、,
• 重量≤25 克、,
• 表面无流痕、,
• 装配公差 ±0.03 毫米、,
• 批量生产良品率 ≥98%

挑战

要实现重量≤25 克的目标，不仅仅需要更换材料。首先，模具工程师必须与客户合作，重新思考设计。有必要使用有限元分析（FEA）确定非关键区域。为了提高刚度，增加了肋条，而不是实心材料。.

为了进一步减轻 VR 头显的重量，人们倾向于采用卡接设计，而不是螺钉。不过，这需要严格的公差，以确保部件在组装过程中紧紧卡在一起。.

解决方案

First Mold 采用气体辅助注塑成型（GAIM）结构设计 VR 注塑模具。与传统的成型方法相比，这种方法通过使用加压氮气来制造中空部分，具有明显的优势。GAIM 减少的树脂用量超过 20%。它还能优化材料分布，提高整体表面质量。.

气体辅助注塑成型可产生具有冷却差异的空心部分。也就是说，空心部分比实心部分冷却得更快。因此，有必要引入精确的冷却通道。优化冷却通道对于避免冷却不均导致翘曲非常重要。优化冷却通道对于最大限度地提高生产速度也很重要。.

对不可见区域的分型进行了优化。这一设计决定是在 CAD 阶段做出的，以确保接缝线保持隐蔽。通过隐藏分模线，First Mold 得以在 VR 头显外壳表面保持 100% 的美观无暇。.

工艺调整

VR 塑料零件制造所选用的材料是玻璃纤维增强 PC+ABS 混合物。这种材料与氮气辅助注塑成型相结合，可防止材料分解。这是因为氮气是一种惰性气体，可在料筒和模具内取代氧气。.

氧气的置换可以防止聚合物在高温下降解。这种技术还能防止褪色并保持塑料的机械强度。.

质量控制系统

First Mold 采用模内压力传感器进行实时监控。传感器测量模腔压力（高达 2,000 巴）和温度。它提供有关模具填充、填料和浇口冻结的即时数据，以便立即发现缺陷。这有助于减少废品。.

First Mold 的工程师使用坐标测量机 (CMM) 对成品零件进行了彻底检查。扫描仪测量外部几何形状，以发现肉眼容易忽略的翘曲。测量结果与产品蓝图相匹配，以检查一致性。.

最终结果和客户评价

First Mold 交付的不仅仅是一个模具。该公司提供的 VR 注塑成型系统帮助客户克服了之前与前供应商合作时遇到的一些制造难题。First Mold 提供的解决方案帮助客户制造出轻质的 VR 部件。这确保了他们的产品比市场上许多竞争品牌的产品更轻，为 VR 发烧友提供了更舒适、更长久的佩戴体验。.