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第一章 計算機輔助工程與塑料射出成形1-1 計算機輔助工程分析計算機輔助設計(Computer-Aided Design, CAD)是應用計算機協(xié)助進行創(chuàng)造、設計、修改、分析、及最佳化一個設計的技術。計算機輔助工程分析(Computer-Aided Engineering, CAE)是應用計算機分析CAD幾何模型之物理問題的技術，可以讓設計者進行仿真以研究產品的行為，進一步改良或最佳化設計。目前在工程運用上，比較成熟的CAE技術領域包括：結構應力分析、應變分析、振動分析、流體流場分析、熱傳分析、電磁場分析、機構運動分析、塑料射出成形模流分析等等。有效地應用CAE，能夠在建立原型之前或之后發(fā)揮功能：協(xié)助設計變更(design revision)協(xié)助排除困難(trouble-shooting)累積知識經驗，系統(tǒng)化整理Know-how，建立設計準則(design criteria)CAE使用近似的數值方法(numerical methods)來計算求解，而不是傳統(tǒng)的數學求解。數值方法可以解決許多在純數學所無法求解的問題，應用層面相當廣泛。因為數值方法應用許多矩陣的技巧，適合使用計算機進行計算，而計算機的運算速度、內存的數量和算法的好壞就關系到數值方法的效率與成敗。一般的CAE軟件之架構可以區(qū)分為三大部分：前處理器(pre-processor)、求解器(solver)和后處理器(post-processor)。前處理器的任務是建立幾何模型、切割網格元素與節(jié)點、設定元素類型與材料系數、設定邊界條件等。求解器讀取前處理器的結果檔，根據輸入條件，運用數值方法求解答案。后處理器將求解后大量的數據有規(guī)則地處理成人機接口圖形，制作動畫以方便使用者分析判讀答案。為了便利建構2D或3D模型，許多CAE軟件提供了CAD功能，方便建構模型?；蛘咛峁〤AD接口，以便將2D或3D的CAD圖文件直接匯入CAE軟件，再進行挑面與網格切割，以便執(zhí)行分析模擬。應用CAE軟件必須注意到其分析結果未必能夠百分百重現所有的問題，其應用重點在于有效率地針對問題提出可行之解決方案，以爭取改善問題的時效。經驗知識實驗比對品質(Q)、成本(C)、交期(D)CAE工具應用CAE工具時，必須充分了解其理論內涵與模型限制，以區(qū)分仿真分析和實際制程的差異，才不至于對分析結果過度判讀。據估計，全球應用CAE技術的比例僅15%左右，仍有廣大的發(fā)展空間。影響CAE技術推廣的主因有三：分析的準確性。相關技術人員的養(yǎng)成。技術使用的簡易性。而CAE模擬分析之主要誤差來源包括：理論模式物理現象、材料物性。數值解法(numerical Solver)幾何模型(geometry model)錯誤的輸入數據1-2 塑料射出成形塑料制品依照其材料性質、用途和成品外觀特征而開發(fā)了各種加工的方法，例如押出成形(extrusion)、共押出成形(co-extrusion)、射出成形(injection molding)、吹袋成形(blown film)、吹瓶成形(blow molding)、熱壓成形(thermoforming)、輪壓成形(calendering molding)、發(fā)泡成形(Foam molding)、旋轉成形(rotational molding)、氣體輔助射出成形(gas-assisted injection molding)等等。塑料射出成形(injection molding)是將熔融塑料材料壓擠進入模穴，制作出所設計形狀之塑件的一個循環(huán)制程。射出成形制程根據所使用的塑料而有不同，熱塑性塑料必須將射進模穴的高溫塑料材料冷卻以定形，熱固性塑料則必須由化學反應固化定形。射出成形是量產設計復雜、尺寸精良的塑件之最普遍和最多元化的加工方法。按照重量計算，大約32%的塑料采用射出成形加工。射出成形所生產的塑件通常只須少量的二次加工組合、甚至不需要二次加工組合。除了應用于熱塑性塑料、熱固性塑料以外，射出成形也可以應用于添加強化纖維、陶瓷材料、粉末金屬的聚合物之成形。射出機自從1870年代初期問世以來，經歷了多次重大的改良，主要的里程碑包括回轉式螺桿(reciprocating screw)射出機的發(fā)明、各種替代加工制程的發(fā)明，以及塑件計算機輔助設計與制造的應用。尤其是回轉式螺桿射出機的發(fā)明，更對于熱塑性塑料射出成形的多樣性及生產力造成革命性的沖擊?，F今的射出機，除了控制系統(tǒng)與機器功能有顯著改善以外，從柱塞式機構改變?yōu)榛剞D式螺桿是射出成形機最主要的發(fā)展。柱塞式射出機本質上具有簡單的特色，但是純粹以熱傳導緩慢地加熱塑料，使其普及率大大地受到限制?；剞D式射出機則借著螺桿旋轉運動所造成的摩擦熱可以迅速均勻地將塑料材料塑化，并且，也可以像柱塞式射出機一般向前推進螺桿，射出熔膠。圖1-1是回轉式螺桿射出機的示意圖。圖1-1 回轉式螺桿射出機射出成形制程最初僅僅應用于熱塑性塑料，隨著人類對于材料性質的了解、成形設備的改良、和工業(yè)上特殊需求等因素，使射出成形制程大大地擴張了應用范圍。在過去的二十幾年，許多新開發(fā)的射出成形技術應用于具有特殊特征的設計與特別材料的塑件，使射出成形塑件的設計比傳統(tǒng)上更具有結構特征的多樣性和自由度。這些研發(fā)的替代制程包括： 共射成形（co-injection molding，又稱為三明治成形） 核心熔化成形（fusible core injection molding） 氣輔射出成形（gas-assisted injection molding） 射出壓縮成形（injection-compression molding） 層狀射出成形（lamellar, or microlayer, injection molding） 活動供料射出成形（live-feed injection molding） 低壓射出成形（low-pressure injection molding） 推拉射出成形（push-pull injection molding） 反應性射出成形（reactive molding） 結構發(fā)泡射出成形（structure foam injection molding） 薄膜成形（thin-wall molding）因為射出成形的廣泛應用及其具有前景的未來，制程的計算機仿真也從早期的均一配置、模穴充填的經驗估算演進到可以進行后充填行為、反應動力學、和不同材料或不同相態(tài)之仿真的復雜程序。市場上的模流分析軟件提供了改變塑件設計、模具設計、及制程條件最佳化等CAE功能。1-3 模流分析及薄殼理論塑料射出成形之模流分析系應用質量守恒、動量守恒、能量守恒方程式，配合高分子材料的流變理論和數值求解法所建立的一套描述塑料射出成形之熱力歷程與充填保壓行為模式，經由人性化接口的顯示，以獲知塑料在模穴內的速度、應力、壓力、溫度等參數之分布，塑件冷卻凝固以及翹曲變形的行為，并且可能進一步探討成形之參數及模具設計參數等關系。理論上，模流分析可以協(xié)助工程師一窺塑料成品設計、模具設計、及成形條件的奧秘，其能夠幫助生手迅速累積經驗，協(xié)助老手找出可能被忽略的因素。應用模流分析技術可以縮減試模時間、節(jié)省開模成本和資源、改善產品品質、縮短產品上市的準備周期、降低不良率。在CAE領域，塑料射出模流分析已經存在具體的成效，協(xié)助射出成形業(yè)者獲得相當完整的解決方案。塑料射出模流分析所需的專業(yè)知識包括：材料特性塑料之材料科學與物理性質、模具材料和冷卻劑等相關知識。設計規(guī)范產品設計和模具設計，可參考材料供貨商提供的設計準則。成形條件塑料或高分子加工知識以及現場實務。市場上模流分析軟件大多數是根據GHS(Generalized Hele-Shaw)流動模型所發(fā)展的中間面(mid-plane)模型或薄殼(shell)模型之2.5D模流分析，以縮減求解過程的變量數目，并且應用成熟穩(wěn)定的數值方法，發(fā)展出高效率的CAE軟件。加以90%的塑料成品都是所謂的薄件，2.5D模流分析的結果具有相當高的準確性，佐以應用的實務經驗，再結合專家系統(tǒng)，2.5D模流分析仍將主導模流分析的技術市場。薄殼模型要求塑件的尺寸肉厚比在10以上，因此著重在塑料的平面流動，而忽略塑料在塑件肉厚方向的流動和質傳，因此可以簡化計算模型。就典型的模流分析案例而言，一般大約需要500010000個三角形元素來建構幾何模型，目前2.5D模流分析方法在厚度方向使用有限元素差分法(finite difference method)分開處理，因此比較不會影響計算效率。通常，2.5D模流分析軟件可以讀取的檔案格式包括.STL、. .IGES、 MESH、STEP等檔案格式。目前，市面上可以看到的塑料射出成形仿真軟件如下表：軟件名稱開發(fā)單位C-MOLDA.C.Tech. (美國)MOLDFLOWMoldflow PTY (澳洲)SIMUFLOWGratfek Inc. (美國)TM ConceptPlastics & Compute Inc. (意大利)CADMOULDI. K. V. (德國)IMAP-F(株)豐田中央研究所(日本)PIASSharp 公司(日本)TIMON-FLOWTORAY公司(日本)POLYFLOWSDRC (美國)CAPLAS佳能(日本)MELT FLOW宇部興產(日本)SIMPOE欣波科技(臺灣)MOLDEX科盛科技(臺灣)INJECT-3Phillips(荷蘭)Dassault(法國)Pro/E PlasticsPTC (美國)1-4 模流分析軟件的未來發(fā)展傳統(tǒng)2.5D模流分析的最大困擾在于建立中間面或薄殼模型。為了遷就CAE分析，工程師往往在進行分析之前先利用轉檔或重建的方式建構模型，相當浪費時間，甚至可能花費分析時間的80%以上在建模和修模。新一代的模流分析軟件舍棄GHS流動模型，直接配合塑件實體模型，求解3D的流動、熱傳、物理性質之模型方程式，以獲得更真實的解答。3D模流分析技術的主要問題在于計算量非常大、計算的穩(wěn)定性問題和網格品質造成數值收斂性的問題。目前，3D模流分析技術應用的模型技術有下列：雙域有限元素法(dual-domain finite element method)：將塑件相對應面挑出，以兩薄殼面及半厚度近似實體模型，配合連接器(connector)的應用以調節(jié)流動趨勢。此技術對于肉厚變化較大的產品，有應力計算的誤差和適用性的問題。應用上可能遭遇縫合線預測錯誤、流動長度估算錯誤等問題。使用此法的軟件如MPI。中間面產生技術(mid-plane generator)： 中間面產生技術可以分為中間軸轉換(Medial Axis Transform, MAT)和法則歸納法(heuristic method)，對于復雜結構的塑件，因為肉厚變化、公母模面不對稱、肋(rib)與轂(boss)等強化原件的設計，使得MAT技術有實用上的困難，因此此項技術的發(fā)展以法則歸納法為主。HPFVM(High-Performance Finite Volume Method)：應用有限體積法配合配合快速數值算法(Fast Numerical Algorithm, FNA)、非線性去偶合計算法(Decoupled solution procedure for non-linearity)及高效率的迭代求解。使用此法的軟件如Moldex-3D。第二章 射出成形機就熱塑性塑料(thermoplastics)而言，射出成形機將塑料顆粒材料經由熔融、射出、保壓、冷卻等循環(huán)，轉變成最終的塑件。熱塑性塑料射出成形機通常采用鎖模噸數(clamping tonnage)或射出量(shot size)作為簡易的機器規(guī)格辨識，可以使用的其它參數還包括射出速率、射出壓力、螺桿設計、模具厚度和導桿間距等等。根據功能區(qū)分，射出成形機的大致上有三個種類：(1)一般用途射出機；(2)精密、緊配射出機；和(3)高速、薄肉厚射出機。射出成形機的主要輔助設備包括樹脂干燥機、材料處理及輸送設備、粉碎機、模溫控制機與冷凝器、塑件退模之機械手臂、以及塑件處理設備。2-1 射出機組件典型的射出成形機如圖2-1所示，主要包括了射出系統(tǒng)(injection system)、模具系統(tǒng)(mold system)、油壓系統(tǒng)(hydraulic system)、控制系統(tǒng)(comtrol system)、和鎖模系統(tǒng)(clamping system)等五個單元。 圖2-1 應用于熱塑性塑料的單螺桿射出成形機2-1-1 射出系統(tǒng)射出系統(tǒng)包括了料斗(hooper)、回轉螺桿與料筒(barrel)組合，和噴嘴(nozzle)，如圖2-2。射出系統(tǒng)的功能是存放及輸送塑料，使塑料經歷進料、壓縮、排氣、熔化、射出及保壓階段。圖2-2 熱塑性塑料的單螺桿射出成形機之塑化螺桿、料筒、電熱片、固定模板及移動模板。(1) 料斗熱塑性塑料通常以小顆粒供應成形廠。射出機的料斗可以存放塑料膠顆粒，藉由重力作用使塑料顆粒經過料斗頸部，進入料筒與螺桿組合內。(2) 料筒射出機的料筒可以容納回轉式螺桿，并且使用電熱片(electric heater bands)加熱塑料。(3) 回轉式螺桿回轉式螺桿可以壓縮塑料、熔化塑料及輸送塑料，螺桿上包括了進料區(qū)(feeding zone)、壓縮區(qū)（compression zone, 或轉移區(qū)transition zone）、和計量區(qū)(metering zone)三個區(qū)段，如圖2-3所示。圖2-3 回轉式螺桿之進料區(qū)、壓縮區(qū)、和計量區(qū)。螺桿的外徑為固定值，螺桿的溝槽深度(the depth of flight)從進料區(qū)到計量區(qū)起點逐漸遞減，溝槽深度的變化使塑料相對于料筒內徑產生壓縮，造成剪切熱，提供熔化塑料的主要熱量。料筒外的加熱片則幫助塑料維持于熔融狀態(tài)，一般的射出機有三組或更多組加熱片，以便設定為不同的溫度區(qū)段。(4) 噴嘴噴嘴連接料筒和豎澆道襯套(sprue bushing)。當料筒移到最前端的成形位置，其噴嘴外徑必須包覆在豎澆道定位環(huán)內，構成密封。噴嘴的溫度應該設定在材料供貨商建議之塑料熔化溫度，或是略低于溫度。如此，清理料筒時，只要將料筒后退遠離豎澆道，清除的塑料可以從噴嘴自由落下，參閱圖2-4。圖2-4 (a)在成形位置的噴嘴與料筒；(b)在清料位置的噴嘴與料筒。2-1-2 模具系統(tǒng)模具系統(tǒng)包括了導桿(tie bars)、固定模板(stationary platen)、移動模板(movable platen)、和容納模穴、豎澆道、流道系統(tǒng)、頂出銷和冷卻管路的模板(molding plates)，如圖2-5所示?；旧?，模具是一座熱交換器，使熱塑性塑料的熔膠在模穴內凝固成需要的形狀及尺寸。圖2-5 典型的三板模之模具系統(tǒng)模具系統(tǒng)將熔融塑料在模穴內定形，并于冷卻后將塑件頂出。射出成形的模具系統(tǒng)是安裝模板與成形模板的組合，通常以工具鋼加工制成。固定安裝板連接到成形機料筒一側，并經由導桿與移動模板相接。母模板通常鎖在固定模板上，并且連接到噴嘴；公模板鎖在移動安裝板上，沿著導桿之導引而移動。有些應用會相反地將母模板鎖在移動模板上，將公模板和液壓頂出機構安裝固定模板上。(1) 兩板模大多數模具是由兩片模板組成，如圖2-6，此類模具常使用在塑件澆口正好設在塑件邊緣或者接近塑件邊緣的設計，其流道(runner)也設計在母模板上。(2) 三板模三板模通常應用于澆口遠離塑件邊緣的設計，其流道是設計在分隔公模與母模的脫料板(stripper plate)上，如圖2-6所示。 圖2-6 (左)兩板模與 (右)三板模(3) 冷卻管路（回路）冷卻管路(cooling channels)是模具本體的通道，冷媒（一般是水、蒸汽或油）經由冷卻管路循環(huán)以調節(jié)模壁溫度。冷卻管路也可以搭配其它的溫度控制裝置一起使用，例如障板管(bafflers)、擾流板(bubblers)或熱管(thermal pins or heat pipes)等。2-1-3 油壓系統(tǒng)射出機的油壓系統(tǒng)提供開啟與關閉模具的動力，蓄積并維持鎖模力噸數，旋轉與推進螺桿，致動頂出銷，以及移動公模側。油壓系統(tǒng)的組件包括幫浦、閥、油壓馬達、油壓管件、油壓接頭及油壓槽等。2-1-4 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)提供成形機一致性的重復操作，并且監(jiān)控溫度、壓力、射出速度、螺桿速度與位置、及油壓位置等制程參數。制程控制直接影響到塑件品質和制程的經濟效益?？刂葡到y(tǒng)包括簡單的開關繼電器控制到復雜的微處理器閉回路控制器。2-1-5 鎖模系統(tǒng)鎖模系統(tǒng)用來開啟關閉模具，支撐與移動模具組件，產生足夠的力量以防止模具被射出壓力推開。鎖模機構可以是肘節(jié)機構鎖定、油壓機構鎖定、或是上述的兩個基本型態(tài)的組合。2-2 射出成形系統(tǒng)典型的射出成形系統(tǒng)(molded system)包括熔膠輸送系統(tǒng)和成形塑件，如圖2-7所示。熔膠輸送系統(tǒng)提供讓熔膠從射出機噴嘴流到模穴的通道，它通常包括：豎澆道(sprue)、冷料井(cold slug well)、主流道、分枝流道、和澆口(gates)。圖2-7 射出成形系統(tǒng)包括熔膠輸送系統(tǒng)及成形塑件。輸送系統(tǒng)的設計對于充填模式與塑件品質都有很重要的影響。因此應該設計流道系統(tǒng)，以維持所需充填模式，將熔膠輸送到模穴。在完成射出成形之后，冷流道輸送系統(tǒng)將會被切除成為回收廢料，所以應該設計輸送系統(tǒng)，以產生最少的廢料。熱流道（Hot runner或無流道runnerless）成形制程維持流道于高溫，使其內之熔膠維持在熔融狀態(tài)。因為熱流道并不與塑件一起脫模，不致于造成廢料，并且節(jié)省塑件二次切除加工的制程。2-3 射出機操作順序塑料射出成形加工是一種適合高速量產精密組件的加工法，它將粒狀塑料于料筒內融化、混合、移動(3 Ms: Melt, Mix, and Move)，再于模穴內流動、充填、凝固(3Fs: Flow, Form, and Freeze)。其動作可以區(qū)分為塑料之塑化、充填、保壓、冷卻、頂出等階段的循環(huán)制程，包括的基本操作動作如下列：(1) 關閉模具，以便螺桿開始向前推進，如圖2-8(a)。(2) 與柱塞式射出機相同地，推進回轉式螺桿以充填模穴，如圖2-8(b)。(3) 螺桿繼續(xù)推進，以進行模穴保壓，如圖2-8(c)。(4) 當模穴冷卻，澆口凝固，螺桿開始后退，并塑化材料準備下一次射出，如圖2-8(d)。(5) 開啟模具，頂出塑件，如圖2-8(e)。(6) 開閉模具，以開始下一個循環(huán)，如圖2-8(f)。塑料在料筒被螺桿擠壓產生大量摩擦熱而形成熔融狀態(tài)，熔膠堆積于料筒前端，并且使用加熱器維持熔膠溫度。在充填階段開始，射出機打開噴嘴，螺桿前進將熔膠經噴嘴注入關閉的模穴，以完成充填。當熔膠進入模穴，受壓氣體從頂出銷、分模線和氣孔逸出。良好的充填決定于塑料組件設計、澆口位置和良好的排氣。假如塑料的流動性不佳，或者射出壓力不足就可能造成短射現象；相反地，假如塑料的流動性太好，容易在塑件的分模面造成毛邊。熔膠完全填滿模穴后，繼續(xù)施壓以注入更多熔膠，補償因冷卻而造成之塑料體積收縮，并確保模穴完全填滿。充填與保壓階段結束，熔膠在模具里完全凝固后，再打開模穴取出塑件。冷卻時間在整個成形周期占非常高的比例，大約80%，成形品的冷卻時間依照塑料性質、成形品的形狀、大小、尺寸、精度而有不同。當移動模板后退，使頂出銷頂到后板(rear plate) 而停止運動，將成形品、澆道系統(tǒng)及廢料頂出。 (a) (b) (c) (d) (e) (f)圖2-8 射出機之操作程序。(a)關閉模具；(b)充填模穴；(c)保壓； (d)螺桿后退；(e)頂出塑件；(f)開始下一個循環(huán)。為了進一步說明制程循環(huán)中的射出機動作，圖2-9畫出不同階段的油壓缸壓力、模穴壓力、公母模分隔距離與螺桿位置的示意圖，其中編號表示：圖2-9 典型的射出成形機之動作循環(huán)和各動作所占的時間比例1 - 充填（射出階段）2 - 保壓與冷卻3 - 開啟模具4 - 頂出塑件5 - 關閉鎖具射出成形的周期時間根據制程的塑件重量、肉厚、塑料性質、機器設定參數而改變。典型的周期時間可能從數秒鐘到數十秒。2-4 螺桿操作根據需求，回轉式螺桿可以設定轉速以塑化塑料顆粒，并且將熔膠以設定之螺桿速度、射出量與射出壓力壓擠進入模穴。回轉式螺桿射出機之射出成形的主要控制參數如下列： (1) 背壓背壓(back pressure)是螺桿往后推以準備下一次射出塑料時，作用于螺桿前端之塑料的壓力值。當射出機準備要射出時，螺桿將前端的塑料推入模穴，射出的塑料在模具內冷卻后，射出機再進入螺桿倒退階段，重新開始一個循環(huán)。通常，射出機可以調節(jié)背壓的最大值，當螺桿移到此預設背壓位置，就結束螺桿倒退階段。此預設的螺桿停止位置是根據充填流道和模穴所需的塑料量，以手動方式設定。(2) 射出速度（或射出時間）射出速度（injection speed或螺桿速度ram speed）是指射出操作中，螺桿的前進速度。對于大部份的工程塑料，應該在塑件設計的技術條件和制程允許的經濟條件下，設定為最快的射出速度。然而，在射出的起始階段，仍應采用較低的射速以避免噴射流(jetting)或擾流。接近射出完成時，也應該降低射速以避免造成塑件溢料，同時可以幫助形成均質的縫合線。射出時間是將熔膠充填進模穴所需的時間，受到射出速度控制。雖然最佳的充填速度取決于塑件的幾何形狀、澆口尺寸和熔膠溫度，但大多數情況會將熔膠盡速射入模穴。因為模具溫度通常低于樹脂的凝固點(freezing point)，所以太長的射出時間會提高導致塑料太早凝固的可能性。薄肉厚塑件使用高射出速度以防止充保模穴前發(fā)生凝固。有時候，粗厚塑件或小澆口會降低充填速度，此時必須保持熔膠連續(xù)地流過澆口以防止?jié)部谀?，進而充飽模穴。新進的研究方向嘗試控制射出量，控制螺桿動作和止回閥(check valve)關閉的時間，以達到控制組件尺寸的目的。(3) 螺桿旋轉速度螺桿旋轉速度是塑化螺桿的轉速。轉速越快，塑料螺桿溝槽壓縮得越激烈，產生更大量的剪切熱。(4) 緩沖量緩沖量(cushion)是螺桿的最大允許前進位置與最末端的前進位置之間的差值。假如允許螺桿行程設為最大值，緩沖量為零，螺桿將前進至碰到噴嘴后才停止。通常，緩沖量設定為36 mm（1/81/4英吋）。(5) 熔膠溫度熔膠溫度應依照(a)樹脂種類、(b)射出機特性、(c)射出量，相互配合。最初設定的熔膠溫度應參考樹脂供貨商的推薦數據。通常選擇高于軟化溫度、低于樹脂之熔點做為熔膠溫度，以免過熱而裂解。以nylon為例，在射出區(qū)(feed zone)的溫度通常比料筒的溫度高，此增加的熱量可以降低熔膠射出壓力而不致于使熔膠過熱。因為nylon熔膠的黏滯性相當低，可以很容易地充填模穴而不必倚賴提升溫度造成的致稀性。(6) 模具溫度模具溫度的限制在于避免塑料在模穴內的剖面凍結(freezing)以及塑料的冷卻性質(例如crystallization等)。所以，模具溫度應該是在熔膠的流動性與模具溫度之間作折衷選擇。假如可能的話，應該讓臨界之凝固位置(the critical freezing location)發(fā)生在澆口處。調節(jié)澆口尺寸能夠獲得在可能的最低模具溫度下的最佳流動性。較低的模具溫度可以加速成形周期，故應盡量使用可接受的最低模具溫度。有些射出成形需要冷卻或冷凝，有些則需要加熱模具以控制結晶度(crystallization)和熱應力。模具溫度可以使用冷卻劑調節(jié)。模具溫度和冷卻劑溫度都應監(jiān)控。模具固定側和移動側使用不同模溫的目的之一是要控制成品附著在模仁，方便頂出。影響熔膠溫度和模具溫度的一些因素包括：射出量(shot size)大射出量需要較高的模具溫度。射出速率(injection rate)高射出速度會造成致稀性的高溫。流道尺寸(size of runner)長的流道需要較高溫度。塑件壁厚(part thickness)粗厚件需要較長冷卻時間，通常使用較低模溫。(7) 射出和保壓壓力射出壓力的上限是射出機的容量、鎖模力和模具的結構。通常，射出壓力和保壓壓力設定為不會造成短射的最低壓力。射出壓力和保壓壓力應該足夠高，維持足夠久，以便在塑件的收縮階段繼續(xù)填注塑料，將收縮量最小化。然而，太高的射出壓力會造成塑件潛在的應力。兩段式加壓可以應用在一些制程，第一階段的高壓進行充填，第二段則以較低壓力進行保壓。(8) 保壓時間完成充填模穴后，射出機仍然施加壓力在模具的時間稱為保壓時間，保壓的目的在維持組件的尺寸精度。(9) 剩余冷卻時間解除壓力到開模之間的時間稱為剩余冷卻時間，目的是讓塑件足夠硬化以便頂出。假如在塑件尚未完全冷卻硬化之前就頂出，會造成塑件翹曲變形。(10) 開模時間（mold-opening time，也稱為dead time）開模時間包括打開模具、頂出塑件和關閉模具的時間。開模時間和射出機之操作效率、成品取出的難易度、使用脫模劑與否都有關系，以人工安置鑲埋件(insert)的模具會更降低操作效率。在射出機運轉過程維持最少的人力介入是開模時間最佳化的方向。有時候，考慮到成形品的可靠性和尺寸穩(wěn)定性，最理想的制程循環(huán)有可能不是dead time最短的制程。改善dead time的方法包括：統(tǒng)計法例如control charts、田口法。神經網絡法甚至可以在射出機運轉之前即建議設定之成形條件。目前，可能購買現有的神經網絡訓練器分析正常的射出成形制程，而能夠準確預測成形品的品質。甚至有神經網絡訓練器只要辨識組件的幾何關系和樹脂特性就可以對新設計緣漸漸溢出有效的成形條件。2-5 二次加工塑件頂出之后，切除熔膠輸送系統(tǒng)（豎澆道、流道、澆口）的加工稱為二次加工。有些塑件需要二次加工進行組合或裝飾，二次加工詳細說明應該可以從材料供貨商的設計手冊中找到。(1) 組合組合塑件的二次加工包括：l 黏合(bonding)l 熔接(welding)l 嵌入(inserting)l 打樁(staking)l 嵌金屬型板(swaging)l 接合組合(assembly with fasteners)(2) 裝飾裝飾塑件的二次加工包括l 表面處理：加熱或加壓之表面處理。l 印刷：為裝飾或提供信息而在塑件表面加工。(3) 其它的二次加工其它的二次加工包括：l 上漆l 硬鍍l 金屬層遮蔽層l 表面處理l 退火l 車削第三章 什么是塑料塑料(plastics)是一種簡單的單體(monomers)經由化學聚合反應(polymerization)而成的長鏈狀高分子聚合物(polymers)。根據美國塑料工業(yè)協(xié)會對于塑料的定義：將全部或部分由碳、氧、氫和氮及其它有機或無機元素使用加熱、加壓、或兩者并用的方式聚合而成，在制造中的階段是液體，在制造的最后階段成為固體，此龐大而變化多端的材料族群稱為塑料。高分子聚合物加工成為塑件的制程主要包括熱塑性塑料之熔化與凝固的物理相態(tài)變化或熱固性塑料之固化的化學反應兩種。簡單的高分子材料呈鏈狀結構，其中最重要者首推乙烯基高分子(vinyl polymer)，結構如下：其中，當 R = H，為聚乙烯；當 R = CH3，為聚丙烯；當 R = C6H5，為聚苯乙烯；當 R = Cl，則成為聚氯乙烯。高分子材料依照分子量和分子結構的差異，也造成不同物性的塑料。例如甲烷(methane, CH4)為氣體，戊烷(pentane, C5H12)為液體，甲烷(polyethylene, C100H102)為固體。高分子材料的分子量通常為10,000 1,000,000，分子量愈大，愈增加成形的困難度，200,000為合理的成形上限。高分子聚合物的分子鏈可以視為一重復單體長鏈，加上主要分子鏈旁枝的化學基，如圖3-所示。雖然“塑料”可以泛指聚合物或樹脂，塑料一般是指添加了塑化劑、安定劑、填充料或是其它改善性能及成形性之聚合物系統(tǒng)，還包括橡膠、纖維、黏著劑與表面涂料。塑料加工成塑件的制程眾多，可以參考圖3-2。聚合物分子鏈的結構、規(guī)模大小、化學成分都直接影響聚合物的化學性質與物理性質。塑料高分子還受到機械加工制程與熱歷程影響。例如，聚合物熔膠的黏滯性（亦即流動阻力）隨著分子量增加而增加，隨著溫度上升而降低。玻璃轉移溫度、機械性質、耐熱性、耐沖擊性亦階隨著分子量增加而提高。此外，作用于材料的高剪應力所造成的整齊分子鏈配向性也會降低聚合物熔膠的黏滯性。就分子量分布而言，短分子鏈影響拉伸及沖擊強度，中分子鏈影響?zhàn)约凹羟辛鲃有再|，長分子鏈影響熔膠之彈性。圖3-1 塑料之分類圖3-2 塑料之加工制程塑料通常具有下列特性： 低強度與低韌性（玻纖強化塑料則可以達到高強度與高韌性） 原料豐富，價格低廉。 有最高使用溫度限制。 色彩鮮明，著色容易。 受外力作用時會產生連續(xù)變形(潛變現象)。 易加工程復雜形狀。(i.e. 容易成形，可以量產。) 低密度。(i.e.重量輕，塑料比重0.92，鋁2.7，鐵7.8) 耐腐蝕性佳。 良好的絕緣性和隔熱性。 可以具有其它特殊性質，例如透明性、可彎曲性等。塑料材料與金屬材料比較，金屬材料通常包括下列特性；高密度、寬廣的使用范圍、高熱傳導性、高導電性、剛性(rigidity)、高強度(strength)、不透明、易生銹、精密加工費用高昂。相對地，塑料材料則具有良好的機械阻尼、良好的熱膨脹性、加工周期短而且可以減少穿孔等二次加工的成本、密度低、增加產品設計的空間與選擇、料頭可以回收以節(jié)省成本、可以提高產品壽命、亦可能獲得很高的結構強度。鋼的模數為210 GPa。一般而言，塑料的模數比金屬小數十倍到數百倍。模數的定義E = 應力0應變0，單位是Pa(= N/m2)。塑料材料與金屬、陶瓷材料之特性比較如表3-1。表3-1 塑料材料與金屬、陶瓷材料之特性比較特性優(yōu)點缺點低熔點容易加工成形使用溫度范圍窄高拉伸率Low brittleness高潛變強度和低降伏強度低密度成品輕結構強度低低熱傳導性隔熱性佳散熱性差低導電性優(yōu)良的絕緣體不導電著色容易不必在成品著色顏色比對不易溶劑之敏感性可應用為溶液(solution)可能被溶劑(solvent)影響可燃性廢料可以燃燒可能產生煙害(fumes or fire hazards)透光性可以產生透明塑件因陽光照射而劣化將數種聚合物混合，或是將聚合物與其它材料、補強劑復合，可以改變其物理性質、機械性質和材料之成本。這些混合制程造就了下列聚合物系統(tǒng)：(1) 聚合物合金及混合物聚合物合金(polymer alloys)及聚合物混合物(polymer blends)是將兩種或更多種聚合物混合的系統(tǒng)。當混合結果產生融合效應(synergistic effect)而具有單一的玻璃轉移溫度，稱為聚合物合金，其性質比各別的聚合物更佳。當混合結果具有多重的玻璃轉移溫度，稱為聚合物混合物，其性質是各別聚合物的平均。ABS是最早期的一種成功混合物，它結合了各個成分聚合物的耐化學性、韌性(toughness)以及剛性(rigidity)。(2) 聚合物復合材料聚合物復合材料(polymer composites)是將強化物質添加到聚合物內，以增加所需的性質。單晶須晶、黏土、滑石、云母等低長寬比（aspect ratio）之片狀填充料可以提高材料的勁度（stiffness）；然而，纖維、玻璃纖維、石墨、硼等高長寬比的填充料可以同時提高拉伸強度和勁度。3-1 塑料之分類根據分子聯(lián)結的聚合反應種類，塑料可以區(qū)分為熱塑性塑料(thermoplastics)和熱固性塑料(thermosets)。表3-2列出熱塑性塑料與熱固性塑料相關的結構與性質之整理。熱塑性塑料根據分子結構或鏈的結構可以再細分為不定形(amorphous)、半結晶(semi-crystalline)或液晶(liquid crystalline)聚合物。聚合物的微結構及加熱與冷卻的效應如圖3-3。其它類別的塑料包括彈性體(elastomers)、共聚合物(copolymers)、復合物(compounds)、商用塑料和工程塑料。添加物填充料和補強劑是直接與塑料性質和性能相關的其它分類方法。表3-2熱塑性塑料與熱固性塑料的結構與性質微結構線性或分枝分子鏈，分子間無化學作用?；瘜W反應后，分子鏈產生交聯(lián)網狀結構。對熱的反應可以再軟化（屬于物理相態(tài)變化）。無裂解時，交聯(lián)后無法再軟化。一般性質較高的耐沖擊強度。加工較容易。對于復雜設計有較佳的適應性。較好的機械強度。較好的尺寸穩(wěn)定性。較佳的耐熱性及濕氣絕緣性。3-2 熱塑性塑料一般而言，熱塑性塑料聚合度較高，分子量也較大。線狀或分枝狀的長分子鏈有側鏈或官能基，而且不與其它聚合物分子相連接，結果，熱塑性塑料可以重復地加熱而軟化，冷卻而凝固。這種以物理反應之相變化為主的程序允許將塑料廢料回收。雖然熱塑性塑料可以回收，但在成形時仍可能有小程度的化學變化，回收塑料的性質可能不會與原始塑料的性質完全相同。熱塑性塑料占所生產塑料的70%，熱塑性塑料以小球狀或顆粒狀販售，它們在壓力下加熱熔化成黏稠狀流體，冷卻時形成所需的成品形狀。與熱固性塑料比較，熱塑性塑料通常具有較高的耐沖擊強度，容易加工，對復雜設計有較好的適應性。圖3-3 不同塑料的微結構，及制程中加熱或冷卻對于為結構的影響。在熱塑性塑料中，商用塑料占了90%，例如高密度聚乙烯（HPPE）、低密度聚乙烯（LDPE）、聚苯乙烯（PS）、聚丙烯（PP）和聚氯乙烯（PVC）等。然而，工程塑料諸如縮醛(acetal)、ABS、耐隆、聚碳酸脂(PC)等提供了高機械強度、較佳的耐熱性、較高的沖擊強度等改善性能，因此價格也比較昂貴。實用上，經常會提及合金塑料和工程塑料等熱塑性塑料的術語。合金塑料指其構造由不同的單體或聚合體之物理混合(而非聚合)。制造合金塑料的理由大都是要適應某種要求之物理性質、有利于價格及性能指數、改進加工之可能性這三種因素，例如PC/ABS和ABS/PVA。而工程塑料是指在機械裝置中取代其它金屬材料用途之塑料，亦即使用為機械材料的塑料，屬于高性能的塑料，一般具有較大的溫度使用范圍(40300)、高強度與高剛性、耐沖擊性、低潛變性、耐磨損、優(yōu)良的耐化學藥品性及絕緣性。熱塑性塑料中又可以區(qū)分為不定形塑料和結晶性塑料，其結構與性質如表3-3。表3-3不定形塑料與結晶性塑料的結構與性質之比較不定形塑料結晶性塑料常用的材料丙烯晴丁二烯苯乙烯共聚合物（ABS）、壓克力（例如PMMA、PAN）、聚碳酸脂(PC)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)、苯乙烯丙烯系聚合物(SAN)。聚縮醛樹脂(POM)、耐隆(PA, 聚醯胺)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、熱塑性聚脂(例如PBT、PET)。微結構分子在液相和固相都呈現雜亂的配向性。分子在液相呈現雜亂的配向性，在固相則形成緊密堆砌的晶體。熱之反應具有軟化溫度范圍，但沒有明顯的熔點。具有明確的熔點。性質l 透明l 抗化學性差l 成形時體積收縮率低l 通常強度不高l 一般具有高熔膠黏度l 熱含量低l 半透明或不透明l 抗化學性佳l 成形時體積收縮率高l 強度高l 熔膠黏度低l 熱含量高3-2-1 不定形聚合物在無應力作用下加熱，不定形塑料熔膠之分子鏈雜亂地相互糾纏在一起，分子鏈僅以微弱的凡得瓦爾力維系。不定形塑料維持這種糾纏雜亂的配向性而無視于狀態(tài)的改變。不定形塑料具有明確的玻璃轉移溫度和寬廣的軟化溫度范圍，沒有明確的熔點。當熔膠溫度降低，不定形塑料開始呈現橡膠狀態(tài)，當溫度繼續(xù)降低到玻璃轉移溫度以下，它將呈現玻璃狀態(tài)。不定形塑料的透明度高、耐熱性中等、耐沖擊性好、收縮量低。充填模穴時，不定形塑料的分子鏈會沿著熔膠流動方向拉伸，分子鏈與冷模壁接觸急冷而凍結；凝固層將塑件內層與模壁隔離，使塑件內層冷卻速率較慢，有足夠時間將分子鏈回復卷曲。也就是說，表層的分子鏈有較好的配向性，較小的收縮量；內層的分子鏈較無配向性，收縮量較大。所有的不定形塑料的線性收縮率(linear shrinkages)都很接近，所以考量塑件尺寸時，同一塑件可以使用不同的不定形塑料取代，例如以ABS取代苯乙烯，以PC取代壓克力，射出成形的尺寸應該會維持在相當精度以內，只是性質會有所變化。3-2-2 （半）結晶性聚合物結晶性材料是不具有大側基、旁枝或交聯(lián)的聚合物，熔融的結晶性塑料黏滯性低，容易流動。當冷卻到熔點以下時，分子形成規(guī)則的晶體結構，使其流動性變差。隨著溫度繼續(xù)降低，其結晶度增加，強度也增加，透明度澤降低。結晶程序停止于玻璃轉移溫度。因為在正常的加工程序很難獲得100%結晶，結晶性塑料通常呈現半結晶，它同時具有結晶與不定形兩種相態(tài)，其結晶度則決定于聚合物的化學結構和成形條件。（半）結晶性塑料就像冰塊一樣具有明確的熔點，玻璃轉移溫度則不明顯，通常低于是溫，抗化學性及耐熱性佳、潤滑性良好、吸濕性低、收縮率高。半結晶性塑料具有相當大的線性收縮率，無法用以取代不定形的塑料的射出成形；否則，會造成尺寸精度上很大的問題。3-2-3 液晶聚合物液晶聚合物在液態(tài)與固態(tài)都呈現高度規(guī)則的分子排列，如圖3-3所示，其棒狀的分子鏈形成平行數組。液晶聚合物具有低黏度、低成形收縮率、抗化學性、高勁度，抗?jié)撟?，及整體尺寸穩(wěn)定性等加工與性能的優(yōu)勢。3-3 熱固性塑料 熱固性塑料也稱為熱硬化塑料，于加熱之初會軟化，而后分子間產生化學鍵結，造成高度連聯(lián)的網狀結構，如圖3-3所示。熱固性塑料與熱塑性塑料的最大差異就在于交聯(lián)程序，本質上，熱固性塑料具有較好的機械強度、強高的使用溫度和較佳的尺寸穩(wěn)定性。許多熱固性塑料是工程塑料，并且因為交聯(lián)程序而具有不定形結構。在成形之前，熱固性塑料和熱塑性塑料一樣具有鏈狀結構。在成形過程中，熱固性塑料以熱或化學聚合反應，形成交聯(lián)結構。一旦反應完全，聚合物分子鍵結形成三維的網狀結構，這些交聯(lián)的鍵結將會阻止分子鏈之間的滑動，結果，熱固性塑料就變成了不熔化、不溶解的固體。假如沒有發(fā)生裂解，即使加了熱也不能將它再軟化或再加工。熱固性塑料的性質可以想象成煮熟的蛋，蛋黃從液體變成固體，卻無法再轉變?yōu)橐后w。熱固性塑料通常以液態(tài)的單體聚合物混合料，或部份聚合的成形復合物販售。從尚未固化的狀態(tài)將熱固性塑料注入模穴，于加壓或未加壓條件下，以加熱或以化學混合物催化聚合以定形。熱固性塑料通常添加礦物質、石灰、玻纖等填充料或強化物質以增強性質，例如收縮量的控制、耐化學性、防震性、絕緣性、隔熱性或降低成本。其結構之網目愈細，耐熱性和耐化學性也愈佳。環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂都是常見的熱固性塑料。熱固性塑料經常應用于IC等產品。表3-4提供了樹脂供貨商所建議的熔膠與模具之建議溫度值。3-4 添加劑、填充料與補強料添加劑(additives)、填充料(fillers)和補強料(reinforcements)是用來改變或改善塑料的物理性質和機械性質，其影響列于表3-5。通常，強化纖維可以提升聚合物的機械性質，而特定的填充料則用來增加模數。一般而言，塑料是不良導體，許多填充料可以影響其電氣性質，例如添加導電性填充料可以讓塑料產生電磁遮敝性質；添加抗靜電劑可以用來吸濕氣，降低靜電荷的累積；添加耦合劑可以改善塑料與強化纖維之間的鍵結；有些填充料可以用來降低材料成本；其它的添加劑包括降低燃燒傾向的抗燃劑、降低熔膠黏度的潤滑劑、增加材料柔軟性的塑化劑、和提供耐顏色的著色劑。填充料可以改善塑料的性質和成形性。假如添加低值長寬比的填充料，其底材的性質改變較小，此類填充料的好處如下： 降低收縮量。 改善耐熱性。 改善強度，特別是壓縮強度。 降低耐沖擊性。 改善耐溶劑性。表 3-4 常用樹脂的建議熔膠溫度與模具溫度材料名稱流動性質熔膠溫度(CF)模具溫度(CF)頂出溫度(CF)MFR g/10min測試負荷 kg測試溫度C最小值