塑料产品设计与制作流程

塑料产品设计与制作流程目录 计算机辅助工程与塑料射出成形1-1计算机辅助工程分析 1-2塑料射出成形 1-3模流分析及薄壳理论 1-4模流分析软件的未来发展射出成形机2-1射出机组件 2-1-1 2-1-2 2-1-3 2-1-4 2-1-5 2-2射出成形系统 2-3射出机操作顺序 2-4螺杆操作 2-5二次加工什么是塑料3-1塑料之分类 3-2热塑性塑料 3-2-1 3-2-2（半）结晶性聚合物 3-2-33-3热固性塑料3-4添加剂、填充料与补强料塑料如何流动4-1熔胶剪切黏度 4-2熔胶流动之驱动--射出压力 4-2-1 4-3充填模式 4-3-1 4-4流变理论材料性质与塑件设计材料性质与塑件设计5-1-1应力--应变行为5-1-2潜变与应力松弛5-1-3疲劳5-1-4冲击强度5-1-5热机械行为5-2塑件强度设计5-2-1短期负荷5-2-2长期负荷5-2-3反复性负荷5-2-4高速负荷及冲击负荷5-2-5极端温度施加负荷5-3塑件肉厚5-4肋之设计5-5组合之设计5-5-1压合连接5-5-2搭扣配合连接5-5-3固定连接组件5-5-4熔接制程第六章模具设计 6-1流道系统 6-1-1 6-1-26-1-3竖浇道尺寸之决定6-1-4流道截面之设计 6-1-5 6-1-6 6-2流道平衡 6-2-16-3浇口设计 6-3-1 6-3-2 6-4设计范例 6-4-1阶段一：C-moldFillingEZ 6-4-2阶段二：执行C-moldFilling&PostFilling 6-5模具冷却系统 6-5-1 6-5-2 6-6冷却系统之相关方程式 6-6-1冷却系统之设计规则第七章收缩与翘曲7-1残留应力 7-1-1 7-1-2 7-1-3 7-2收缩7-3翘曲 7-4收缩与翘曲的设计规则问题排除包风8-2黑斑、黑纹、脆化、烧痕、和掉色8-3表面剥离8-4尺寸变化 8-5鱼眼 8-6毛边 8-7流痕 8-8迟滞效应 8-9喷射流 8-10波纹 8-11短射 8-12银线痕 8-13凹陷与气孔 8-14缝合线与熔合线附录A

射出机成形条件之设定附录B常用塑料之性质附录C档案格式第一章计算机辅助工程与塑料射出成形1-1计算机辅助工程分析计算机辅助设计(Computer-AidedDesign,CAD)是应用计算机协助进行创造、设计、修改、分析、及最佳化一个设计的技术。计算机辅助工程分析(Computer-AidedEngineering,CAE)是应用计算机分析CAD几何模型之物理问题的技术，可以让设计者进行仿真以研究产品的行为，进一步改良或最佳化设计。目前在工程运用上，比较成熟的CAE技术领域包括：结构应力分析、应变分析、振动分析、流体流场分析、热传分析、电磁场分析、机构运动分析、塑料射出成形模流分析等等。有效地应用CAE，能够在建立原型之前或之后发挥功能： ․协助设计变更(designrevision) ․协助排除困难(trouble-shooting) ․累积知识经验，系统化整理Know-how，建立设计准则(designcriteria)CAE使用近似的数值方法(numericalmethods)来计算求解，而不是传统的数学求解。数值方法可以解决许多在纯数学所无法求解的问题，应用层面相当广泛。因为数值方法应用许多矩阵的技巧，适合使用计算机进行计算，而计算机的运算速度、内存的数量和算法的好坏就关系到数值方法的效率与成败。 一般的CAE软件之架构可以区分为三大部分：前处理器(pre-processor)、求解器(solver)和后处理器(post-processor)。前处理器的任务是建立几何模型、切割网格元素与节点、设定元素类型与材料系数、设定边界条件等。求解器读取前处理器的结果档，根据输入条件，运用数值方法求解答案。后处理器将求解后大量的数据有规则地处理成人机接口图形，制作动画以方便使用者分析判读答案。为了便利建构2D或3D模型，许多CAE软件提供了CAD功能，方便建构模型。或者提供CAD接口，以便将2D或3D的CAD图文件直接汇入CAE软件，再进行挑面与网格切割，以便执行分析模拟。应用CAE软件必须注意到其分析结果未必能够百分百重现所有的问题，其应用重点在于有效率地针对问题提出可行之解决方案，以争取改善问题的时效。 经验 ＝＞ 知识 ＝＞ 实验比对 ＝＞ 品质(Q)、成本(C)、交期(D) CAE工具 ＝＞应用CAE工具时，必须充分了解其理论内涵与模型限制，以区分仿真分析和实际制程的差异，才不至于对分析结果过度判读。据估计，全球应用CAE技术的比例仅15%左右，仍有广大的发展空间。影响CAE技术推广的主因有三：․分析的准确性。․相关技术人员的养成。․技术使用的简易性。而CAE模拟分析之主要误差来源包括： ․理论模式—物理现象、材料物性。 ․数值解法(numericalSolver) ․几何模型(geometrymodel) ․错误的输入数据1-2塑料射出成形塑料制品依照其材料性质、用途和成品外观特征而开发了各种加工的方法，例如押出成形(extrusion)、共押出成形(co-extrusion)、射出成形(injectionmolding)、吹袋成形(blownfilm)、吹瓶成形(blowmolding)、热压成形(thermoforming)、轮压成形(calenderingmolding)、发泡成形(Foammolding)、旋转成形(rotationalmolding)、气体辅助射出成形(gas-assistedinjectionmolding)等等。塑料射出成形(injectionmolding)是将熔融塑料材料压挤进入模穴，制作出所设计形状之塑件的一个循环制程。射出成形制程根据所使用的塑料而有不同，热塑性塑料必须将射进模穴的高温塑料材料冷却以定形，热固性塑料则必须由化学反应固化定形。射出成形是量产设计复杂、尺寸精良的塑件之最普遍和最多元化的加工方法。按照重量计算，大约32%的塑料采用射出成形加工。射出成形所生产的塑件通常只须少量的二次加工／组合、甚至不需要二次加工／组合。除了应用于热塑性塑料、热固性塑料以外，射出成形也可以应用于添加强化纤维、陶瓷材料、粉末金属的聚合物之成形。射出机自从1870年代初期问世以来，经历了多次重大的改良，主要的里程碑包括回转式螺杆(reciprocatingscrew)射出机的发明、各种替代加工制程的发明，以及塑件计算机辅助设计与制造的应用。尤其是回转式螺杆射出机的发明，更对于热塑性塑料射出成形的多样性及生产力造成革命性的冲击。现今的射出机，除了控制系统与机器功能有显著改善以外，从柱塞式机构改变为回转式螺杆是射出成形机最主要的发展。柱塞式射出机本质上具有简单的特色，但是纯粹以热传导缓慢地加热塑料，使其普及率大大地受到限制。回转式射出机则借着螺杆旋转运动所造成的摩擦热可以迅速均匀地将塑料材料塑化，并且，也可以像柱塞式射出机一般向前推进螺杆，射出熔胶。图1-1是回转式螺杆射出机的示意图。图1-1回转式螺杆射出机射出成形制程最初仅仅应用于热塑性塑料，随着人类对于材料性质的了解、成形设备的改良、和工业上特殊需求等因素，使射出成形制程大大地扩张了应用范围。在过去的二十几年，许多新开发的射出成形技术应用于具有特殊特征的设计与特别材料的塑件，使射出成形塑件的设计比传统上更具有结构特征的多样性和自由度。这些研发的替代制程包括：共射成形（co-injectionmolding，又称为三明治成形）核心熔化成形（fusiblecoreinjectionmolding）气辅射出成形（gas-assistedinjectionmolding）射出压缩成形（injection-compressionmolding）层状射出成形（lamellar,ormicrolayer,injectionmolding）活动供料射出成形（live-feedinjectionmolding）低压射出成形（low-pressureinjectionmolding）推拉射出成形（push-pullinjectionmolding）反应性射出成形（reactivemolding）结构发泡射出成形（structurefoaminjectionmolding）薄膜成形（thin-wallmolding）因为射出成形的广泛应用及其具有前景的未来，制程的计算机仿真也从早期的均一配置、模穴充填的经验估算演进到可以进行后充填行为、反应动力学、和不同材料或不同相态之仿真的复杂程序。市场上的模流分析软件提供了改变塑件设计、模具设计、及制程条件最佳化等CAE功能。1-3模流分析及薄壳理论塑料射出成形之模流分析系应用质量守恒、动量守恒、能量守恒方程式，配合高分子材料的流变理论和数值求解法所建立的一套描述塑料射出成形之热力历程与充填／保压行为模式，经由人性化接口的显示，以获知塑料在模穴内的速度、应力、压力、温度等参数之分布，塑件冷却凝固以及翘曲变形的行为，并且可能进一步探讨成形之参数及模具设计参数等关系。理论上，模流分析可以协助工程师一窥塑料成品设计、模具设计、及成形条件的奥秘，其能够帮助生手迅速累积经验，协助老手找出可能被忽略的因素。应用模流分析技术可以缩减试模时间、节省开模成本和资源、改善产品品质、缩短产品上市的准备周期、降低不良率。在CAE领域，塑料射出模流分析已经存在具体的成效，协助射出成形业者获得相当完整的解决方案。塑料射出模流分析所需的专业知识包括： ․材料特性—塑料之材料科学与物理性质、模具材料和冷却剂等相关知识。․设计规范—产品设计和模具设计，可参考材料供货商提供的设计准则。․成形条件—塑料或高分子加工知识以及现场实务。市场上模流分析软件大多数是根据GHS(GeneralizedHele-Shaw)流动模型所发展的中间面(mid-plane)模型或薄壳(shell)模型之2.5D模流分析，以缩减求解过程的变量数目，并且应用成熟稳定的数值方法，发展出高效率的CAE软件。加以90%的塑料成品都是所谓的薄件，2.5D模流分析的结果具有相当高的准确性，佐以应用的实务经验，再结合专家系统，2.5D模流分析仍将主导模流分析的技术市场。薄壳模型要求塑件的尺寸／肉厚比在10以上，因此着重在塑料的平面流动，而忽略塑料在塑件肉厚方向的流动和质传，因此可以简化计算模型。就典型的模流分析案例而言，一般大约需要5000~10000个三角形元素来建构几何模型，目前2.5D模流分析方法在厚度方向使用有限元素差分法(finitedifferencemethod)分开处理，因此比较不会影响计算效率。通常，2.5D模流分析软件可以读取的档案格式包括.STL、..IGES、MESH、STEP等档案格式。目前，市面上可以看到的塑料射出成形仿真软件如下表：软件名称开发单位C-MOLDA.C.Tech.(美国)MOLDFLOWMoldflowPTY(澳洲)SIMUFLOWGratfekInc.(美国)TMConceptPlastics&ComputeInc.(意大利)CADMOULDI.K.V.(德国)IMAP-F(株)丰田中央研究所(日本)PIASSharp公司(日本)TIMON-FLOWTORAY公司(日本)POLYFLOWSDRC(美国)CAPLAS佳能(日本)MELTFLOW宇部兴产(日本)SIMPOE欣波科技(台湾)MOLDEX科盛科技(台湾)INJECT-3Phillips(荷兰)Dassault(法国)Pro/EPlasticsPTC(美国)1-4模流分析软件的未来发展传统2.5D模流分析的最大困扰在于建立中间面或薄壳模型。为了迁就CAE分析，工程师往往在进行分析之前先利用转档或重建的方式建构模型，相当浪费时间，甚至可能花费分析时间的80%以上在建模和修模。新一代的模流分析软件舍弃GHS流动模型，直接配合塑件实体模型，求解3D的流动、热传、物理性质之模型方程式，以获得更真实的解答。3D模流分析技术的主要问题在于计算量非常大、计算的稳定性问题和网格品质造成数值收敛性的问题。目前，3D模流分析技术应用的模型技术有下列：․双域有限元素法(dual-domainfiniteelementmethod)：将塑件相对应面挑出，以两薄壳面及半厚度近似实体模型，配合连接器(connector)的应用以调节流动趋势。此技术对于肉厚变化较大的产品，有应力计算的误差和适用性的问题。应用上可能遭遇缝合线预测错误、流动长度估算错误等问题。使用此法的软件如MPI。․中间面产生技术(mid-planegenerator)：中间面产生技术可以分为中间轴转换(MedialAxisTransform,MAT)和法则归纳法(heuristicmethod)，对于复杂结构的塑件，因为肉厚变化、公母模面不对称、肋(rib)与毂(boss)等强化原件的设计，使得MAT技术有实用上的困难，因此此项技术的发展以法则归纳法为主。․HPFVM(High-PerformanceFiniteVolumeMethod)：应用有限体积法配合配合快速数值算法(FastNumericalAlgorithm,FNA)、非线性去偶合计算法(Decoupledsolutionprocedurefornon-linearity)及高效率的迭代求解。使用此法的软件如Moldex-3D。第二章射出成形机就热塑性塑料(thermoplastics)而言，射出成形机将塑料颗粒材料经由熔融、射出、保压、冷却等循环，转变成最终的塑件。热塑性塑料射出成形机通常采用锁模吨数(clampingtonnage)或射出量(shotsize)作为简易的机器规格辨识，可以使用的其它参数还包括射出速率、射出压力、螺杆设计、模具厚度和导杆间距等等。根据功能区分，射出成形机的大致上有三个种类：(1)一般用途射出机；(2)精密、紧配射出机；和(3)高速、薄肉厚射出机。射出成形机的主要辅助设备包括树脂干燥机、材料处理及输送设备、粉碎机、模温控制机与冷凝器、塑件退模之机械手臂、以及塑件处理设备。2-1射出机组件典型的射出成形机如图2-1所示，主要包括了射出系统(injectionsystem)、模具系统(moldsystem)、油压系统(hydraulicsystem)、控制系统(comtrolsystem)、和锁模系统(clampingsystem)等五个单元。图2-1应用于热塑性塑料的单螺杆射出成形机2-1-1射出系统射出系统包括了料斗(hooper)、回转螺杆与料筒(barrel)组合，和喷嘴(nozzle)，如图2-2。射出系统的功能是存放及输送塑料，使塑料经历进料、压缩、排气、熔化、射出及保压阶段。图2-2热塑性塑料的单螺杆射出成形机之塑化螺杆、料筒、电热片、固定模板及移动模板。(1)料斗热塑性塑料通常以小颗粒供应成形厂。射出机的料斗可以存放塑料胶颗粒，藉由重力作用使塑料颗粒经过料斗颈部，进入料筒与螺杆组合内。(2)料筒射出机的料筒可以容纳回转式螺杆，并且使用电热片(electricheaterbands))加热塑料。(3)回转式螺杆回转式螺杆可以压缩塑料、熔化塑料及输送塑料，螺杆上包括了进料区(feedingzone)、压缩区（compressionzone,或转移区transitionzone）、和计量区(meteringzone)三个区段，如图2-3所示。图2-3回转式螺杆之进料区、压缩区、和计量区。螺杆的外径为固定值，螺杆的沟槽深度(thedepthofflight)从进料区到计量区起点逐渐递减，沟槽深度的变化使塑料相对于料筒内径产生压缩，造成剪切热，提供熔化塑料的主要热量。料筒外的加热片则帮助塑料维持于熔融状态，一般的射出机有三组或更多组加热片，以便设定为不同的温度区段。(4)喷嘴喷嘴连接料筒和竖浇道衬套(spruebushing)。当料筒移到最前端的成形位置，其喷嘴外径必须包覆在竖浇道定位环内，构成密封。喷嘴的温度应该设定在材料供货商建议之塑料熔化温度，或是略低于温度。如此，清理料筒时，只要将料筒后退远离竖浇道，清除的塑料可以从喷嘴自由落下，参阅图2-4。图2-4(a)在成形位置的喷嘴与料筒；(b)在清料位置的喷嘴与料筒。2-1-2模具系统模具系统包括了导杆(tiebars)、固定模板(stationaryplaten)、移动模板(movableplaten)、和容纳模穴、竖浇道、流道系统、顶出销和冷却管路的模板(moldingplates)，如图2-5所示。基本上，模具是一座热交换器，使热塑性塑料的熔胶在模穴内凝固成需要的形状及尺寸。图2-5典型的三板模之模具系统模具系统将熔融塑料在模穴内定形，并于冷却后将塑件顶出。射出成形的模具系统是安装模板与成形模板的组合，通常以工具钢加工制成。固定安装板连接到成形机料筒一侧，并经由导杆与移动模板相接。母模板通常锁在固定模板上，并且连接到喷嘴；公模板锁在移动安装板上，沿着导杆之导引而移动。有些应用会相反地将母模板锁在移动模板上，将公模板和液压顶出机构安装固定模板上。(1)两板模大多数模具是由两片模板组成，如图2-6，此类模具常使用在塑件浇口正好设在塑件边缘或者接近塑件边缘的设计，其流道(runner)也设计在母模板上。(2)三板模三板模通常应用于浇口远离塑件边缘的设计，其流道是设计在分隔公模与母模的脱料板(stripperplate))上，如图2-6所示。图2-6(左)两板模与(右)三板模(3)冷却管路（回路）冷却管路(coolingchannels)是模具本体的通道，冷媒（一般是水、蒸汽或油）经由冷却管路循环以调节模壁温度。冷却管路也可以搭配其它的温度控制装置一起使用，例如障板管(bafflers)、扰流板(bubblers)或热管(thermalpinsorheatpipes)等。2-1-3油压系统射出机的油压系统提供开启与关闭模具的动力，蓄积并维持锁模力吨数，旋转与推进螺杆，致动顶出销，以及移动公模侧。油压系统的组件包括帮浦、阀、油压马达、油压管件、油压接头及油压槽等。2-1-4控制系统控制系统提供成形机一致性的重复操作，并且监控温度、压力、射出速度、螺杆速度与位置、及油压位置等制程参数。制程控制直接影响到塑件品质和制程的经济效益。控制系统包括简单的开／关继电器控制到复杂的微处理器闭回路控制器。2-1-5锁模系统锁模系统用来开启／关闭模具，支撑与移动模具组件，产生足够的力量以防止模具被射出压力推开。锁模机构可以是肘节机构锁定、油压机构锁定、或是上述的两个基本型态的组合。2-2射出成形系统典型的射出成形系统(moldedsystem)包括熔胶输送系统和成形塑件，如图2-7所示。熔胶输送系统提供让熔胶从射出机喷嘴流到模穴的通道，它通常包括：竖浇道(sprue)、冷料井(coldslugwell)、主流道、分枝流道、和浇口(gates)。图2-7射出成形系统包括熔胶输送系统及成形塑件。输送系统的设计对于充填模式与塑件品质都有很重要的影响。因此应该设计流道系统，以维持所需充填模式，将熔胶输送到模穴。在完成射出成形之后，冷流道输送系统将会被切除成为回收废料，所以应该设计输送系统，以产生最少的废料。热流道（Hotrunner或无流道runnerless）成形制程维持流道于高温，使其内之熔胶维持在熔融状态。因为热流道并不与塑件一起脱模，不致于造成废料，并且节省塑件二次切除加工的制程。2-3射出机操作顺序塑料射出成形加工是一种适合高速量产精密组件的加工法，它将粒状塑料于料筒内融化、混合、移动(3M’s:Melt,Mix,andMove)，再于模穴内流动、充填、凝固(3F’s:Flow,Form,andFreeze)。其动作可以区分为塑料之塑化、充填、保压、冷却、顶出等阶段的循环制程，包括的基本操作动作如下列：关闭模具，以便螺杆开始向前推进，如图2-8(a)。与柱塞式射出机相同地，推进回转式螺杆以充填模穴，如图2-8(b)。螺杆继续推进，以进行模穴保压，如图2-8(c)。当模穴冷却，浇口凝固，螺杆开始后退，并塑化材料准备下一次射出，如图2-8(d)。开启模具，顶出塑件，如图2-8(e)。开闭模具，以开始下一个循环，如图2-8(f)。塑料在料筒被螺杆挤压产生大量摩擦热而形成熔融状态，熔胶堆积于料筒前端，并且使用加热器维持熔胶温度。在充填阶段开始，射出机打开喷嘴，螺杆前进将熔胶经喷嘴注入关闭的模穴，以完成充填。当熔胶进入模穴，受压气体从顶出销、分模线和气孔逸出。良好的充填决定于塑料组件设计、浇口位置和良好的排气。假如塑料的流动性不佳，或者射出压力不足就可能造成短射现象；相反地，假如塑料的流动性太好，容易在塑件的分模面造成毛边。熔胶完全填满模穴后，继续施压以注入更多熔胶，补偿因冷却而造成之塑料体积收缩，并确保模穴完全填满。充填与保压阶段结束，熔胶在模具里完全凝固后，再打开模穴取出塑件。冷却时间在整个成形周期占非常高的比例，大约80%，成形品的冷却时间依照塑料性质、成形品的形状、大小、尺寸、精度而有不同。当移动模板后退，使顶出销顶到后板(rearplate)而停止运动，将成形品、浇道系统及废料顶出。(a)(b)(c)(d)(f)图2-8射出机之操作程序。(a)关闭模具；(b)充填模穴；(c)保压；(d)螺杆后退；(e)顶出塑件；(f)开始下一个循环。为了进一步说明制程循环中的射出机动作，图2-9画出不同阶段的油压缸压力、模穴压力、公母模分隔距离与螺杆位置的示意图，其中编号表示：图2-9典型的射出成形机之动作循环和各动作所占的时间比例--充填（射出阶段）--保压与冷却--开启模具--顶出塑件--关闭锁具射出成形的周期时间根据制程的塑件重量、肉厚、塑料性质、机器设定参数而改变。典型的周期时间可能从数秒钟到数十秒。2-4螺杆操作根据需求，回转式螺杆可以设定转速以塑化塑料颗粒，并且将熔胶以设定之螺杆速度、射出量与射出压力压挤进入模穴。回转式螺杆射出机之射出成形的主要控制参数如下列：(1)背压背压(backpressure)是螺杆往后推以准备下一次射出塑料时，作用于螺杆前端之塑料的压力值。当射出机准备要射出时，螺杆将前端的塑料推入模穴，射出的塑料在模具内冷却后，射出机再进入螺杆倒退阶段，重新开始一个循环。通常，射出机可以调节背压的最大值，当螺杆移到此预设背压位置，就结束螺杆倒退阶段。此预设的螺杆停止位置是根据充填流道和模穴所需的塑料量，以手动方式设定。(2)射出速度（或射出时间）射出速度（injectionspeed或螺杆速度ramspeed）是指射出操作中，螺杆的前进速度。对于大部份的工程塑料，应该在塑件设计的技术条件和制程允许的经济条件下，设定为最快的射出速度。然而，在射出的起始阶段，仍应采用较低的射速以避免喷射流(jetting)或扰流。接近射出完成时，也应该降低射速以避免造成塑件溢料，同时可以帮助形成均质的缝合线。射出时间是将熔胶充填进模穴所需的时间，受到射出速度控制。虽然最佳的充填速度取决于塑件的几何形状、浇口尺寸和熔胶温度，但大多数情况会将熔胶尽速射入模穴。因为模具温度通常低于树脂的凝固点(freezingpoint)，所以太长的射出时间会提高导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发生凝固。有时候，粗厚塑件或小浇口会降低充填速度，此时必须保持熔胶连续地流过浇口以防止浇口凝固，进而充饱模穴。新进的研究方向尝试控制射出量，控制螺杆动作和止回阀(checkvalve)关闭的时间，以达到控制组件尺寸的目的。(3)螺杆旋转速度螺杆旋转速度是塑化螺杆的转速。转速越快，塑料螺杆沟槽压缩得越激烈，产生更大量的剪切热。(4)缓冲量缓冲量(cushion)是螺杆的最大允许前进位置与最末端的前进位置之间的差值。假如允许螺杆行程设为最大值，缓冲量为零，螺杆将前进至碰到喷嘴后才停止。通常，缓冲量设定为3~6mm（1/8~1/4英吋）。熔胶温度熔胶温度应依照(a)树脂种类、(b)射出机特性、(c)射出量，相互配合。最初设定的熔胶温度应参考树脂供货商的推荐数据。通常选择高于软化温度、低于树脂之熔点做为熔胶温度，以免过热而裂解。以nylon为例，在射出区(feedzone)的温度通常比料筒的温度高，此增加的热量可以降低熔胶射出压力而不致于使熔胶过热。因为nylon熔胶的黏滞性相当低，可以很容易地充填模穴而不必倚赖提升温度造成的致稀性。模具温度模具温度的限制在于避免塑料在模穴内的剖面冻结(freezing)以及塑料的冷却性质(例如crystallization等)。所以，模具温度应该是在熔胶的流动性与模具温度之间作折衷选择。假如可能的话，应该让临界之凝固位置(thecriticalfreezinglocation)发生在浇口处。调节浇口尺寸能够获得在可能的最低模具温度下的最佳流动性。较低的模具温度可以加速成形周期，故应尽量使用可接受的最低模具温度。有些射出成形需要冷却或冷凝，有些则需要加热模具以控制结晶度(crystallization)和热应力。模具温度可以使用冷却剂调节。模具温度和冷却剂温度都应监控。模具固定侧和移动侧使用不同模温的目的之一是要控制成品附着在模仁，方便顶出。影响熔胶温度和模具温度的一些因素包括： ․射出量(shotsize)—大射出量需要较高的模具温度。․射出速率(injectionrate)—高射出速度会造成致稀性的高温。․流道尺寸(sizeofrunner)—长的流道需要较高温度。․塑件壁厚(partthickness)—粗厚件需要较长冷却时间，通常使用较低模温。射出和保压压力射出压力的上限是射出机的容量、锁模力和模具的结构。通常，射出压力和保压压力设定为不会造成短射的最低压力。射出压力和保压压力应该足够高，维持足够久，以便在塑件的收缩阶段继续填注塑料，将收缩量最小化。然而，太高的射出压力会造成塑件潜在的应力。两段式加压可以应用在一些制程，第一阶段的高压进行充填，第二段则以较低压力进行保压。保压时间完成充填模穴后，射出机仍然施加压力在模具的时间称为保压时间，保压的目的在维持组件的尺寸精度。剩余冷却时间解除压力到开模之间的时间称为剩余冷却时间，目的是让塑件足够硬化以便顶出。假如在塑件尚未完全冷却硬化之前就顶出，会造成塑件翘曲变形。开模时间（mold-openingtime，也称为deadtime）开模时间包括打开模具、顶出塑件和关闭模具的时间。开模时间和射出机之操作效率、成品取出的难易度、使用脱模剂与否都有关系，以人工安置镶埋件(insert)的模具会更降低操作效率。在射出机运转过程维持最少的人力介入是开模时间最佳化的方向。有时候，考虑到成形品的可靠性和尺寸稳定性，最理想的制程循环有可能不是deadtime最短的制程。改善deadtime的方法包括：․统计法—例如controlcharts、田口法。․神经网络法—甚至可以在射出机运转之前即建议设定之成形条件。目前，可能购买现有的神经网络训练器分析正常的射出成形制程，而能够准确预测成形品的品质。甚至有神经网络训练器只要辨识组件的几何关系和树脂特性就可以对新设计缘渐渐溢出有效的成形条件。2-5二次加工塑件顶出之后，切除熔胶输送系统（竖浇道、流道、浇口）的加工称为二次加工。有些塑件需要二次加工进行组合或装饰，二次加工详细说明应该可以从材料供货商的设计手册中找到。(1)组合组合塑件的二次加工包括：黏合(bonding)熔接(welding)嵌入(inserting)打桩(staking)嵌金属型板(swaging)接合组合(assemblywithfasteners)(2)装饰装饰塑件的二次加工包括表面处理：加热或加压之表面处理。印刷：为装饰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：上漆硬镀金属层／遮蔽层表面处理退火车削第三章什么是塑料？塑料(plastics)是一种简单的单体(monomers)经由化学聚合反应(polymerization)而成的长链状高分子聚合物(polymers)。根据美国塑料工业协会对于塑料的定义：「将全部或部分由碳、氧、氢和氮及其它有机或无机元素使用加热、加压、或两者并用的方式聚合而成，在制造中的阶段是液体，在制造的最后阶段成为固体，此庞大而变化多端的材料族群称为塑料。」高分子聚合物加工成为塑件的制程主要包括热塑性塑料之熔化与凝固的物理相态变化或热固性塑料之固化的化学反应两种。简单的高分子材料呈链状结构，其中最重要者首推乙烯基高分子(vinylpolymer)，结构如下：其中，当R=H，为聚乙烯；当R=CH3，为聚丙烯；当R=C6H5，为聚苯乙烯；当R=Cl，则成为聚氯乙烯。高分子材料依照分子量和分子结构的差异，也造成不同物性的塑料。例如甲烷(methane,CH4)为气体，戊烷(pentane,C5H12)为液体，甲烷(polyethylene,C100H102)为固体。高分子材料的分子量通常为10,000~1,000,000，分子量愈大，愈增加成形的困难度，200,000为合理的成形上限。高分子聚合物的分子链可以视为一重复单体长链，加上主要分子链旁枝的化学基，如图3-１所示。虽然“塑料”可以泛指聚合物或树脂，塑料一般是指添加了塑化剂、安定剂、填充料或是其它改善性能及成形性之聚合物系统，还包括橡胶、纤维、黏着剂与表面涂料。塑料加工成塑件的制程众多，可以参考图3-2。聚合物分子链的结构、规模大小、化学成分都直接影响聚合物的化学性质与物理性质。塑料高分子还受到机械加工制程与热历程影响。例如，聚合物熔胶的黏滞性（亦即流动阻力）随着分子量增加而增加，随着温度上升而降低。玻璃转移温度、机械性质、耐热性、耐冲击性亦阶随着分子量增加而提高。此外，作用于材料的高剪应力所造成的整齐分子链配向性也会降低聚合物熔胶的黏滞性。就分子量分布而言，短分子链影响拉伸及冲击强度，中分子链影响黏滞性及剪切流动性质，长分子链影响熔胶之弹性。图3-1塑料之分类图3-2塑料之加工制程塑料通常具有下列特性： ․低强度与低韧性（玻纤强化塑料则可以达到高强度与高韧性） ․原料丰富，价格低廉。 ․有最高使用温度限制。 ․色彩鲜明，着色容易。 ․受外力作用时会产生连续变形(潜变现象)。 ☆易加工程复杂形状。(i.e.容易成形，可以量产。)低密度。(i.e.重量轻，塑料比重0.9~2，铝2.7，铁7.8)耐腐蚀性佳。良好的绝缘性和隔热性。可以具有其它特殊性质，例如透明性、可弯曲性等。塑料材料与金属材料比较，金属材料通常包括下列特性；高密度、宽广的使用范围、高热传导性、高导电性、刚性(rigidity)、高强度(strength)、不透明、易生锈、精密加工费用高昂。相对地，塑料材料则具有良好的机械阻尼、良好的热膨胀性、加工周期短而且可以减少穿孔等二次加工的成本、密度低、增加产品设计的空间与选择、料头可以回收以节省成本、可以提高产品寿命、亦可能获得很高的结构强度。钢的模数为210GPa。一般而言，塑料的模数比金属小数十倍到数百倍。模数的定义E=应力σ0╱应变ε0，单位是Pa(=N/m2)。塑料材料与金属、陶瓷材料之特性比较如表3-1。表3-1塑料材料与金属、陶瓷材料之特性比较特性优点缺点低熔点容易加工成形使用温度范围窄高拉伸率Lowbrittleness高潜变强度和低降伏强度低密度成品轻结构强度低低热传导性隔热性佳散热性差低导电性优良的绝缘体不导电着色容易不必在成品着色颜色比对不易溶剂之敏感性可应用为溶液(solution)可能被溶剂(solvent)影响可燃性废料可以燃烧可能产生烟害(fumesorfirehazards)透光性可以产生透明塑件因阳光照射而劣化将数种聚合物混合，或是将聚合物与其它材料、补强剂复合，可以改变其物理性质、机械性质和材料之成本。这些混合制程造就了下列聚合物系统：(1)聚合物合金及混合物聚合物合金(polymeralloys)及聚合物混合物(polymerblends)是将两种或更多种聚合物混合的系统。当混合结果产生融合效应(synergisticeffect)而具有单一的玻璃转移温度，称为聚合物合金，其性质比各别的聚合物更佳。当混合结果具有多重的玻璃转移温度，称为聚合物混合物，其性质是各别聚合物的平均。ABS是最早期的一种成功混合物，它结合了各个成分聚合物的耐化学性、韧性(toughness)以及刚性(rigidity)。(2)聚合物复合材料聚合物复合材料(polymercomposites)是将强化物质添加到聚合物内，以增加所需的性质。单晶／须晶、黏土、滑石、云母等低长宽比（aspectratio）之片状填充料可以提高材料的劲度（stiffness）；然而，纤维、玻璃纤维、石墨、硼等高长宽比的填充料可以同时提高拉伸强度和劲度。3-1塑料之分类根据分子联结的聚合反应种类，塑料可以区分为热塑性塑料(thermoplastics)和热固性塑料(thermosets)。表3-2列出热塑性塑料与热固性塑料相关的结构与性质之整理。热塑性塑料根据分子结构或链的结构可以再细分为不定形(amorphous)、半结晶(semi-crystalline))或液晶(liquidcrystalline)聚合物。聚合物的微结构及加热与冷却的效应如图3-3。其它类别的塑料包括弹性体(elastomers)、共聚合物(copolymers)、复合物(compounds)、商用塑料和工程塑料。添加物填充料和补强剂是直接与塑料性质和性能相关的其它分类方法。表3-2热塑性塑料与热固性塑料的结构与性质微结构˙线性或分枝分子链，分子间无化学作用。˙化学反应后，分子链产生交联网状结构。对热的反应˙可以再软化（属于物理相态变化）。˙无裂解时，交联后无法再软化。一般性质˙较高的耐冲击强度。˙加工较容易。˙对于复杂设计有较佳的适应性。˙较好的机械强度。˙较好的尺寸稳定性。˙较佳的耐热性及湿气绝缘性。3-2热塑性塑料一般而言，热塑性塑料聚合度较高，分子量也较大。线状或分枝状的长分子链有侧链或官能基，而且不与其它聚合物分子相连接，结果，热塑性塑料可以重复地加热而软化，冷却而凝固。这种以物理反应之相变化为主的程序允许将塑料废料回收。虽然热塑性塑料可以回收，但在成形时仍可能有小程度的化学变化，回收塑料的性质可能不会与原始塑料的性质完全相同。热塑性塑料占所生产塑料的70%，热塑性塑料以小球状或颗粒状贩售，它们在压力下加热熔化成黏稠状流体，冷却时形成所需的成品形状。与热固性塑料比较，热塑性塑料通常具有较高的耐冲击强度，容易加工，对复杂设计有较好的适应性。图3-3不同塑料的微结构，及制程中加热或冷却对于为结构的影响。在热塑性塑料中，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，工程塑料诸如缩醛(acetal)、ABS、耐隆、聚碳酸脂(PC)等提供了高机械强度、较佳的耐热性、较高的冲击强度等改善性能，因此价格也比较昂贵。实用上，经常会提及合金塑料和工程塑料等热塑性塑料的术语。合金塑料指其构造由不同的单体或聚合体之物理混合(而非聚合)。制造合金塑料的理由大都是要适应某种要求之物理性质、有利于价格及性能指数、改进加工之可能性这三种因素，例如PC/ABS和ABS/PVA。而工程塑料是指在机械装置中取代其它金属材料用途之塑料，亦即使用为机械材料的塑料，属于高性能的塑料，一般具有较大的温度使用范围(–40℉~300℉热塑性塑料中又可以区分为不定形塑料和结晶性塑料，其结构与性质如表3-3。表3-3不定形塑料与结晶性塑料的结构与性质之比较不定形塑料结晶性塑料常用的材料丙烯晴—丁二烯—苯乙烯共聚合物（ABS）、压克力（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)。聚缩醛树脂(POM)、耐隆(PA,聚醯胺)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、热塑性聚脂(例如PBT、PET)。微结构分子在液相和固相都呈现杂乱的配向性。分子在液相呈现杂乱的配向性，在固相则形成紧密堆砌的晶体。热之反应具有软化温度范围，但没有明显的熔点。具有明确的熔点。性质透明抗化学性差成形时体积收缩率低通常强度不高一般具有高熔胶黏度热含量低半透明或不透明抗化学性佳成形时体积收缩率高强度高熔胶黏度低热含量高3-2-1不定形聚合物在无应力作用下加热，不定形塑料熔胶之分子链杂乱地相互纠缠在一起，分子链仅以微弱的凡得瓦尔力维系。不定形塑料维持这种纠缠杂乱的配向性而无视于状态的改变。不定形塑料具有明确的玻璃转移温度和宽广的软化温度范围，没有明确的熔点。当熔胶温度降低，不定形塑料开始呈现橡胶状态，当温度继续降低到玻璃转移温度以下，它将呈现玻璃状态。不定形塑料的透明度高、耐热性中等、耐冲击性好、收缩量低。充填模穴时，不定形塑料的分子链会沿着熔胶流动方向拉伸，分子链与冷模壁接触急冷而冻结；凝固层将塑件内层与模壁隔离，使塑件内层冷却速率较慢，有足够时间将分子链回复卷曲。也就是说，表层的分子链有较好的配向性，较小的收缩量；内层的分子链较无配向性，收缩量较大。所有的不定形塑料的线性收缩率(linearshrinkages)都很接近，所以考量塑件尺寸时，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取代压克力，射出成形的尺寸应该会维持在相当精度以内，只是性质会有所变化。3-2-2（半）结晶性聚合物结晶性材料是不具有大侧基、旁枝或交联的聚合物，熔融的结晶性塑料黏滞性低，容易流动。当冷却到熔点以下时，分子形成规则的晶体结构，使其流动性变差。随着温度继续降低，其结晶度增加，强度也增加，透明度泽降低。结晶程序停止于玻璃转移温度。因为在正常的加工程序很难获得100%结晶，结晶性塑料通常呈现半结晶，它同时具有结晶与不定形两种相态，其结晶度则决定于聚合物的化学结构和成形条件。（半）结晶性塑料就像冰块一样具有明确的熔点，玻璃转移温度则不明显，通常低于是温，抗化学性及耐热性佳、润滑性良好、吸湿性低、收缩率高。半结晶性塑料具有相当大的线性收缩率，无法用以取代不定形的塑料的射出成形；否则，会造成尺寸精度上很大的问题。3-2-3液晶聚合物液晶聚合物在液态与固态都呈现高度规则的分子排列，如图3-3所示，其棒状的分子链形成平行数组。液晶聚合物具有低黏度、低成形收缩率、抗化学性、高劲度，抗潜变，及整体尺寸稳定性等加工与性能的优势。3-3热固性塑料热固性塑料也称为热硬化塑料，于加热之初会软化，而后分子间产生化学键结，造成高度连联的网状结构，如图3-3所示。热固性塑料与热塑性塑料的最大差异就在于交联程序，本质上，热固性塑料具有较好的机械强度、强高的使用温度和较佳的尺寸稳定性。许多热固性塑料是工程塑料，并且因为交联程序而具有不定形结构。在成形之前，热固性塑料和热塑性塑料一样具有链状结构。在成形过程中，热固性塑料以热或化学聚合反应，形成交联结构。一旦反应完全，聚合物分子键结形成三维的网状结构，这些交联的键结将会阻止分子链之间的滑动，结果，热固性塑料就变成了不熔化、不溶解的固体。假如没有发生裂解，即使加了热也不能将它再软化或再加工。热固性塑料的性质可以想象成煮熟的蛋，蛋黄从液体变成固体，却无法再转变为液体。热固性塑料通常以液态的单体—聚合物混合料，或部份聚合的成形复合物贩售。从尚未固化的状态将热固性塑料注入模穴，于加压或未加压条件下，以加热或以化学混合物催化聚合以定形。热固性塑料通常添加矿物质、石灰、玻纤等填充料或强化物质以增强性质，例如收缩量的控制、耐化学性、防震性、绝缘性、隔热性或降低成本。其结构之网目愈细，耐热性和耐化学性也愈佳。环氧树脂PAGE\#"'頁:'#'

'"、酚醛树脂都是常见的热固性塑料。热固性塑料经常应用于IC等产品。表PAGE\#"'頁:'#'

'"3-4添加剂、填充料与补强料添加剂(additives)、填充料(fillers)和补强料(reinforcements)是用来改变或改善塑料的物理性质和机械性质，其影响列于表3-5。通常，强化纤维可以提升聚合物的机械性质，而特定的填充料则用来增加模数。一般而言，塑料是不良导体，许多填充料可以影响其电气性质，例如添加导电性填充料可以让塑料产生电磁遮敝性质；添加抗静电剂可以用来吸湿气，降低静电荷的累积；添加耦合剂可以改善塑料与强化纤维之间的键结；有些填充料可以用来降低材料成本；其它的添加剂包括降低燃烧倾向的抗燃剂、降低熔胶黏度的润滑剂、增加材料柔软性的塑化剂、和提供耐颜色的着色剂。填充料可以改善塑料的性质和成形性。假如添加低值长宽比的填充料，其底材的性质改变较小，此类填充料的好处如下：降低收缩量。改善耐热性。改善强度，特别是压缩强度。降低耐冲击性。改善耐溶剂性。表3-4常用树脂的建议熔胶温度与模具温度材料名称流动性质熔胶温度(°C／°F)模具温度(°C／°F)顶出温度(°C／°F)MFRg/10min测试负荷kg测试温度C最小值建议值最大值最小值建议值最大值建议值ABS3510220200/392230/446280/53625/7750/12280/17688/190PA12955275230/446255/491300/57230/8680/176110/230135/275PA61105275230/446255/491300/57270/15885/185110/230133/271PA661005275260/500280/536320/60870/15880/176110/230158/316PBT352.16250220/428250/482280/53615/6060/14080/176125/257PC201.2300260/500305/581340/64470/15895/203120/248127/261PC/ABS125240230/446265/509300/57250/12275/167100/212117/243PC/PBT465275250/482265/509280/53640/10460/14085/185125/257PE-HD152.16190180/356220/428280/53620/6840/10495/203100/212PE-LD102.16190180/356220/428280/53620/6840/10470/15880/176PEI155.00340340/644400/752440/82470/158140/284175/347191/376PET275290265/509270/518290/55480/176100/212120/248150/302PETG235260220/428255/491290/55410/5015/6030/8659/137PMMA103.8230240/464250/482280/53635/9060/14080/17685/185POM202.16190180/356225/437235/45550/12270/158105/221118/244PP202.16230200/392230/446280/53620/6850/12280/17693/199PPE/PPO4010265240/464280/536320/60860/14080/176110/230128/262PS155200180/356230/446280/53620/6850/12270/15880/176PVC5010200160/320190/374220/42820/6840/10470/15875/167SAN3010220200/392230/446270/51840/10460/14080/17685/185高值长宽比的填充料(例如25以上)可以称为纤维(fiber)。纤维补强料可以相当程度地影响塑料性质。假设聚合物与纤维之间具有良好的结合力，则沿着纤维方向的强度会大幅提升。假如多数纤维有相同的配向性，则沿着纤维配向性与垂直于纤维配向的弹性模数会有很大差异，在垂直方向的模数会与无添加纤维的塑料之模数接近。添加的纤维也相当程度地影响材料的收缩性质，在纤维配向方向的收缩率会比剖面方向的收缩率低许多。因为纤维的配向性随着流动方向、肉厚方向、缝合线位置而变化，为了预测塑件的性质，预测这些配向性就愈显重要。表3-5添加剂、填充料与补强料对于聚合物性质的影响添加剂、填充料及补强料常用村料对聚合物性质的影响强化纤维碳素、碳、矿物质纤维、玻璃、kevlar增加拉伸强度增加弯曲模数(flexuralmodulus)提高热变形温度提升抗收缩与抗翘曲能力导电性填充料铝粉、碳纤维、石墨提高电气性质提高热传导性耦合剂Silanes、titanates改善聚合物与纤维界面之键结力抗燃剂氯、溴、硫、金属盐降低燃烧发生率及扩散速度混合填充料碳酸钙、硅、黏土降低材料成本塑化剂单体液体、低分子量材料改善熔胶的流动性加强挠曲性着色剂（色料或染料）金属氧化物、铬酸盐、碳黑提供耐久的颜色防止热裂解或紫外线造成裂解发泡剂气体、氮复合物、联氨衍生物造成孔穴组织以降低材料密度第四章塑料如何流动？熔融的热塑性塑料呈现黏弹性行为(viscoelasticbehavior)，亦即黏性流体与弹性固体的流动特性组合。当黏性流体流动时，部分驱动能量将会转变成黏滞热而消失；然而，弹性固体变形时，会将推动变形的能量储存起来。日常生活中，水的流动就是典型的黏性流体，橡胶的变形属于弹性体。除了这两种的材料流动行为，还有剪切和拉伸两种流动变形，如图4-1(a)与(b)。在射出成形的充填阶段，热塑性塑料之熔胶的流动以剪切流动为主，如图4-1(c)所示，材料的每一层元素之间具有相对滑动。另外，当熔胶流经一个尺寸突然变化的区域，如图4-1(d)，拉伸流动就变得重要多了。图4-1(a)剪切流动；(b)拉伸流动；(c)模穴内的剪切流动(d)充填模穴内的拉伸流动热塑性塑料承受应力时会结合理想黏性流体和理想弹性固体之特性，呈现黏弹性行为。在特定的条件下，熔胶像液体一样受剪应力作用而连续变形；然而，一旦应力解除，熔胶会像弹性固体一样恢复原形，如图4-2(b)与(c)所示。此黏弹性行为是因为聚合物在熔融状态，分子量呈现杂乱卷曲型态，当受到外力作用时，将允许分子链移动或滑动。然而，相互纠缠的聚合物分子链使系统于施加外力或解除外力时表现出弹性固体般的行为。譬如说，在解除应力后，分子链会承受一恢复应力，使分子链回到杂乱卷曲的平衡状态。因为聚合物系统内仍有分子链的交缠，此恢复应力可能不是立即发生作用。图4-2(a)理想的黏性液体在应力作用下表现出连续的变形；(b)理想的弹性固体承受外力会立刻变形，于外力解除后完全恢复原形；(c)热塑性塑料之熔胶就像液体一样，在剪切应力作用下而连续变形。然而，一旦应力解除，它就像弹性固体一般，部分变形会恢复原形。4-1熔胶剪切黏度熔胶剪切黏度(shearviscosity)是塑料抵抗剪切流动的阻力，它是剪切应力与剪变率的比值，参阅图4-3。。聚合物熔胶因长分子链接构而具有高黏度，通常的黏度范围介于2~3000Pa（水为10-1Pa，玻璃为1020Pa）。图4-3以简易之剪切流动说明聚合物熔胶黏度的定义水是典型的牛顿流体，牛顿流体的黏度与温度有关系，而与剪变率无关。但是，大多数聚合物熔胶属于非牛顿流体，其黏度不仅与温度有关，也与剪切应变率有关。聚合物变形时，部份分子不再纠缠，分子链之间可以相互滑动，而且沿著作用力方向配向，结果，使得聚合物的流动阻力随着变形而降低，此称为剪变致稀行为（shearing-thinningbehavior），它表示聚合物承受高剪变率时黏度会降低，也提供了聚合物熔胶加工便利性。例如，以两倍压力推动开放管线内的水，水的流动速率也倍增。但是，以两倍压力推动开放管线内的聚合物熔胶，其流动速率可能根据使用材料而增加2~15倍。介绍了剪切黏度的观念，再来看看射出成形时模穴内的剪变率分布。一般而言，材料的连接层之间的相对移动愈快，剪变率也愈高，所以，典型的熔胶流动速度曲线如图4-4（a），其在熔胶与模具的界面处具有最高的剪变率；或者，假如有聚合物凝固层，在固体与液体界面处具有最高的剪变率。另一方面，在塑件中心层因为对称性流动，使得材料之间的相对移动趋近于零，剪变率也接近零，如图4-4（b）所示。剪变率是一项重要的流动参数，因为它会影响熔胶黏度和剪切热（黏滞热）的大小。射出成形制程的典型熔胶剪变范围在102~1051/s之间。图4-4（a）相对流动元素间运动之典型速度分布曲线；(b)射出成形之充填阶段的剪变率分布图。聚合物分子链的运动能力随着温度升高而提高，如图4-5所示，随着剪变率升高与温度升高，熔胶黏度会降低，而分子链运动能力的提升会促进较规则的分子链排列及降低分子链相互纠缠程度。此外，熔胶黏度也与压力相关，压力愈大，熔胶愈黏。材料的流变性质将剪切黏度表示为剪变率、温度与压力的函数。图4-5聚合物黏度与剪变率、温度、及压力的关系4-2熔胶流动之驱动--射出压力射出机的射出压力是克服熔胶流动阻力的驱动力。射出压力推动熔胶进入模穴以进行充填和保压，熔胶从高压区流向低压区，就如同水从高处往低处流动。在射出阶段，于喷嘴蓄积高压力以克服聚合物熔胶的流动阻力，压力沿着流动长度向聚合物熔胶波前逐渐降低。假如模穴有良好的排气，则最终会在熔胶波前处达到大气压力。压力分布如图4-6所示。图4-6压力沿着熔胶输送系统和模穴而降低模穴入口的压力愈高，导致愈高的压力梯度（单位流动长度之压力降）。熔胶流动长度加长，就必须提高入口压力以产生相同的压力梯度，以维持聚合物熔胶速度，如图4-7所示。图4-7熔胶速度与压力梯度的关系根据古典流体力学的简化理论，充填熔胶输送系统（竖浇道、流道和浇口）和模穴所需的射出压力与使用材料、设计、制程参数等有关系。图4-8显示射出压力与各参数的函数关系。使用P表示射出压力，n表示材料常数，大多数聚合物的n值介于0.15~0.36之间，0.3是一个适当的近似值，则熔胶流动在竖浇道、流道和圆柱形浇口等圆形管道内所需的射出压力为：熔胶流动在薄壳模穴之带状管道内所需的射出压力为： 熔胶的流动速度与流动指数(MeltIndex,MI)有关，流动指数也称为流导flowconductance），流动指数是熔胶流动难易的指标。实际上，流动指数是塑件几何形状（例如壁厚，表面特征）及熔胶黏度的函数。流动指数随着肉厚增加而降低，但是随着熔胶黏度增加而降低，参阅图4-9。射出成形时，在特定的成形条件及塑件肉厚下，熔胶可以流动的长度将根据材料的热卡性质与剪切性质而决定，此性质可以表示为熔胶流动长度，如图4-10所示。图4-8射出压力与使用材料知黏滞性、流动长度、容积流率和肉厚的函数关系图4-9流动指数相对于壁厚与黏度关系图4-10熔胶流动长度决定于塑件厚度和温度将射出成形充填模穴的射出压力相对于充填时间画图，通常可以获得U形曲线，如图4-11，其最低射出压力发生在曲线的中段时间。要采用更短的充填时间，则需要高熔胶速度和高射出压力来充填模穴。要采用较长的充填时间，可以提供塑料较长的冷却时间，导致熔胶黏度提高，也需要较高的射出压力来充填模穴。射出压力相对于充填时间的曲线形状与所使用材料、模穴几何形状和模具设计有很大的关系。图4-11射出压力相对于充填时间之U形曲线最后必须指出，因为熔胶速度（或剪变率）、熔胶黏度与熔胶温度之间交互作用，有时候使得充填模穴的动力学变得非常复杂。注意，熔胶黏度随着剪变率上升及温度上升而降低。高熔胶速度造成的高剪变率及高剪切热可能会使黏度降低，结果使流动速度更加快，更提高了剪变率和熔胶温度。所以对于剪变效应很敏感的材料本质上具有不稳定性。影响射出压力的因素图4-12针对影响射出压力的设计与成形参数进行比较。参数需要高射出压力可用低射出压力塑件设计肉厚塑件表面 浇口设计浇口尺寸流动长度成形条件熔胶温度模壁（冷却剂）温度螺杆速度选择材料熔胶流动指数图4-12射出压力与设计、成形参数、材料的关系4-3充填模式充填模式(FillingPattern)是熔胶在输送系统与模穴内，随着时间而变化的流动情形，如图4-13所示。充填模式对于塑件品质有决定性的影响，理想的充填模式是在整个制程中，熔胶以一固定熔胶波前速度(meltfrontvelocity,MFV)同时到达模穴内的每一角落；否则，模穴内先填饱的区域会因过度充填而溢料。以变化之熔胶波前速度充填模穴，将导致分子链或纤维配向性的改变。图4-13计算机仿真之熔胶充填模式的影像4-3-1熔胶波前速度与熔胶波前面积熔胶波前的前进速度简称为MFV，推进熔胶波前的剖面面积简称为MFA，MFA可以取熔胶波前横向长度乘上塑件肉厚而得到，或是取流道剖面面积，或者视情况需要而取两者之和。在任何时间，容积流动率=熔胶波前速度(MFV)×熔胶波前面积(MFA)对于形状复杂的塑件，使用固定的螺杆速率并不能保证有固定的熔胶波前速度。当模穴剖面面积发生变化，纵使射出机维持了固定的射出速度，变化之熔胶波前速度仍可能先填饱模穴的部份区域。图4-14显示在镶埋件(insert)周围熔胶波前速度增加，使镶埋件两侧产生高压力和高配向性，造成塑件潜在的不均匀收缩和翘曲。图4-14熔胶波前速度(MFV)和熔胶波前面积(MFA)。MFV之差异会使得塑料分子(以点表示)以不同方式伸展，导致分子与纤维配向性的差异，造成收缩量差异或翘曲。在射出成形的充填阶段，塑料材料的分子链或是填充料会依照剪应力之作用而发生配向。由于模温通常比较低，在表面附近的配向性几乎瞬间即凝固。分子链和纤维的配向性取决于熔胶之流体动力学和纤维伸展的方向性。在熔胶波前处，由于剪切流动和拉伸流动的组合，不断强迫熔胶从肉厚中心层流向模壁，造成喷泉流效应(fountainfloweffect)，此效应对塑件表层的分子链／纤维配向性的影响甚巨。请参阅图4-15之说明。图4-15塑件表层与中心层之纤维配向性塑件成形之MFV愈高，其表面压力愈高，分子链配向性的程度也愈高。充填时的MFV差异会使得塑件内的配向性差异，导致收缩不同而翘曲，所以充填时应尽量维持固定的MFV，使整个塑件有均匀的分子链配向性。MFV和MFA是流动平衡的重要设计参数。不平衡流动的MFA会有突然的变化，当部分的模穴角落已经充饱，部分的熔胶仍在流动。对于任何复杂的几何形状，应该将模穴内的MFA变化最小化，以决定最佳的浇口位置。流动平衡时，熔胶波前面积有最小的变化，如图4-16所示。图4-16(a)MFA变化导致的平衡与不平衡流动；及(b)其对应的充填模式。流变理论流变学(rheology)是探讨材料受力后变形和流动的加工特性，包括剪变率、剪切黏度、黏弹性、黏滞热、拉伸黏度等等。熔融塑料大多呈现拟塑性行为，即根据指数律(powerlaw)， ， n<1塑料受剪应力而运动时，其黏度随剪变率增加而降低，此现象称为高分子材料的剪稀性(shearthinning)。通常厂商比较常提供的塑料特性指标是流动指标MI(Meltindex)，一般塑料的MI值大约介于1~25之间，MI值愈大，代表该塑料黏度愈小，分子重量愈小；反之，MI值愈小，代表该塑料黏度愈大，分子重量愈大。MI值仅仅是塑料剪切黏度曲线上的一点。(注：黏度单位1cp=0.001Pa•s，cp=centipoise,Pa=N/m2)其它影响塑料性质的因素包括分子量的大小及分子量分布、分子配向性、玻璃转移温度和添加物等。(1)分子量的大小及分子量分布塑料的特性之一就是分子量很大，分子量分布曲线和其聚合的方法及条件对于所制造出来的成型品有密切影响。分子量大者璃转移温度Tg较高，机械性质、耐热性、耐冲击强度皆提升，但是黏度亦随分子量增大而提高，造成加工不易。就分子量分布而言，短分子链影响拉伸及冲击强度，中分子链影响溶液黏度及低剪切熔胶流动，长分子链的量影响熔胶弹性。(2)玻璃转移温度(glasstransitiontemperature,Tg)其意思即高分子链开始具有大链接移动，也就是脱离硬绑绑的玻璃态，开始较具延展性的温度。而Tg的大小对于塑料性质有很大的影响，所以往往成为判断塑料性质的重要指标，玻璃态时显现出类似玻璃的刚硬性质，但于橡胶态时，又变成较软之橡胶性质。(3)分子配向性塑料材料原来的性质会随着外来的因素和作用力而改变，例如聚合物熔胶的黏度(表示材料流动阻力)随分子量增加而增加，但随温度增加而减少。更进一步，作用于材料的高剪应力所造成的分子配向性也会降低塑料熔胶的黏度。添加剂、填充材料、及补强材料对于聚合物的影响包括安定剂、润滑剂、塑化剂、抗燃剂、着色剂、发泡剂、抗静电剂、填充材料、及补强材料等等可以用来改变获改善塑料的物理性质和机械性质。材料性质与塑件设计5-1材料性质与塑件设计塑料材料的多样性使得塑料射出成形比金属成形更具有设计的自由度。然而，塑件的机械性质受到负荷种类、负荷速率、施加负荷期间长短、施加负荷的频率、以及使用环境温度变化与湿度变化等因素的影响，所以设计者必须将这些使用条件列入考虑。5-1-1应力--应变行为材料的应力--应变行为决定其强度或劲度。影响材料强度的因素包括塑件的几何形状、负荷、拘束条件、成形制程导致的残留应力和配向性。根据施加在塑件的负荷或拘束条件的不同，必须考虑不同种类的强度性质，包括拉伸强度、压缩强度、扭曲强度、挠曲强度和剪变强度等。设计塑件时，应该根据塑件承受的主要负荷来决定材料相关的强度。将其使用环境温度及应变率下的主要负荷所相关的应力应变行为列为重要考虑。然而，由于拉伸试验以外的其它测试程序先天上都有准确性的问题，使得塑料材料往往只提供短期的拉伸试验(tensiletest)结果。读者如果有其它负荷状态的应用，应参阅相关的文献数据。图5-1说明拉伸试验棒和预设固定负荷下的变形量，其中，应力(σ)与应变(ε)的定义为：图5-1(a)拉伸实验棒截面面积A，原始长度L0；(b)于固定负荷下拉长至长度L。 图5-2热塑性塑料的应力—应变曲线，可以获得杨氏模数、比例极限，弹性极限、降伏点、延展性、破坏强度和破坏之伸长量等材料性质。图5-2典型热塑性塑料的应力—应变曲线图杨氏模数是应力—应变曲线起始直线部份的斜率。定义为： 杨氏模数经常被用作材料强度指标。杨氏模数实际上是材料刚性(rigidity)的指标，它可以应用于工程上简化的线性运算，例如决定塑件的劲度(stiffness)。比例极限是图5-3上的P点，曲线从这点开始偏离其线性行为。弹性极限是图5-3的I点，它是材料承受应变而仍能够回复原形的最大限度。假如应变量超过弹性极限，并且继续增加，则材料可能发生拉伸现象而无法回复原形，或者可能发生破坏，如图5-2所示。图5-3局部之应力—应变曲线，其中，P点是比例极限，经常用作设计上的应变限度。I点是弹性极限。图5-4显示相同基底树脂材料的两种热塑性复合物之应力—应变曲线，其中一者添加了30%玻纤，另一者无填充料。玻纤填充料使得塑料的破坏强度、降伏应力、比例极限应力及杨氏模数都明显地提升，并且承受较低的应变量就产生破坏。无填充料的热塑性塑料在降伏点以上产生拉伸现象，使应力减小。拉伸造成剖面面积的缩小量可以根据蒲松比计算。负荷速率（或应变率）及温度对于塑料的应力应变行为有很大的影响。图5-5是半结晶塑料受负荷速度及温度影响时之拉伸实验应力—应变曲线。通常，在高负荷速率和低温条件时，塑料材料显得刚且脆；低负荷速和高温条件时，受到其黏滞性的影响，塑料材料较具有挠性和延展性。从图5-5可以观察到，高负荷速率使得材料的破坏应力和降伏应力大幅提高。然而，提高温度会使得破坏应力和降伏应力降低。图5-4添加30%玻纤与无添加物之热塑性树脂的应力应变曲线图5-5负荷速率与温度对于典型聚合物之应力—应变图的影响加热半结晶性塑料使之通过玻璃转移温度（Tg），则负荷速度、温度等相关的效应更加明显，结果导致塑料产生全然不同的运动行为。不定形塑料通过软化区后呈现黏性流。5-1-2潜变与应力松弛设计承受长期负荷的塑件时，应非常注意潜变效应及应力松弛。不论所施加负荷的大小，只要持续地施加一定量负荷在塑料材料上，塑料材料就会连续地变形，这种长期间、永久性的变形称为潜变(creep)，如图5-6所示。图5-6典型的潜变曲线，其潜变量根据负荷及时间而变化。要设计承受长期负荷的塑件，必须使用潜变量据以确保塑件不会在寿命周期内产生破坏、产生降伏、裂缝或是过量的变形。虽然大多数塑料拥有在相当时间内、特定应力及温度条件下的潜变量据，但是每个塑件设计仍需对其特定的负荷与使用条件来调整设计值。由于要针对各别设计塑件进行长期间的试验并不可行，而且塑件将来使用期间的应力与环境条件不容易进行长期间的预测，所以，往往必须从较短的潜变试验数据执行内插和外插。通常，工程师使用树脂供货商提供的潜变数据库获得应变相对于时间之数据，再进行内插和外插，以获得同一时间之应力—应变非线性曲线，如图5-7。这些曲线将取代短期的应力—应变曲线，应用于长期静负荷之塑性设计。图5-7在固定应变下，应力随着经历时间而递减的情形。潜变模数(creepmodulus,Ec)可以应用于固定应力或应力松弛计算。潜变模数与时间、温度有关系，它与固定应力(σ)以及随时间、温度变化的应变ε(t,T)之间的关系式定义如下： 其它与潜变有关连的因素包括：˙随着温度的上升，潜度速率与应力松弛速率都会上升。˙只要施加负荷的时间够久，就可能发生破坏，此称为应力破裂(stresscrack)。˙内压力（残留应力）应该与外应力一并考虑。应力松弛是潜变的一种推论现象。假如变形量固定，则抵抗变形的应力会随着时间而递减。塑料材料发生潜变的物理机构也可以应用于应力松弛。图5-7说明在固定应变下，应力随着经历时间而递减的情形。5-1-3疲劳当设计的塑件承受周期性的负载时，就应考虑疲劳效应(fatigue)。承受周期性负荷之塑料应该使用比例极限进行设计。假如施加时间间距短，而且为长期的反复性负荷，应该使用S-N曲线进行设计。S-N曲线是在固定频率、固定温度和固定负荷条件下，施加弯矩、扭力和拉伸应力于材料，测试而得。随着反复性负荷的频率数目增加，造成塑件因疲劳而破坏所须的应力会降低。许多材料存在一特定的应力忍受限度，在应力低于忍受限度时，材料不会因反复性负荷造成疲劳而破坏，参阅图5-8。即使只施加很小的应力，根据施加应力的大小，材料承受反复性负荷时，可能在周期结束后无法恢复原状。当施加负荷与解除负荷的频率增加，或是施加负荷与无负荷的间隔时间缩短，塑件表面可能应为疲劳而产生微小裂缝或其它瑕疵，造成韧性降低。图5-8典型的挠曲疲劳S-N曲