《模流分析基础入门》

《模流分析基础入门》

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射出系统

2-1-2模具系统

2-1-3油压系统

2-1-4控制系统

2-1-5锁模系统

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不定形聚合物

3-2-2（半）结晶性聚合物

3-2-3液晶聚合物

3-3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影响射出压力的因素

4-3充填模式

4-3-1熔胶波前速度与熔胶波前面积

4-4流变理论

第五章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塑件肉厅

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模穴数目之决定

6-1-2流道配置

6-1-3竖浇道尺寸之决定

6-1-4流道截面之设计

6-1-5流道尺寸之决定

6-1-6热流道系统

6-2流道平衡

6-2-1流道设计规则

6-3浇口设计

6-3-1浇口种类

6-3-2浇口设计原则

6-4设计范例

6-4-1阶段一：C-moldFillingEZ简易充填模拟分析

6-4-2阶段二：执行C-moldFilling&Pos〔Filling最佳化

6-5模具冷却系统

6-5-1冷却孔道的配置

6-5-2其它的冷却装置

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熔胶流动引发的残留应力

7-1-2热效应引发之残留应力

7-1-3制程引发残留应力与模穴残留应力

7-2收缩

7-3翘曲

7-4收缩与翘曲的设计规则

第八章问题排除

8-1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

第九章C-MOLD软件介绍（暂缺）

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-howf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(postprocessor)。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：

.理论模式一物理现象、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(Foam

molding)>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•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。

ibleStationary

enMoldPlatenHopper

PlatesBarrel|

.Rotatingand

Leciprocating

Screw

J____L

waters

置

■■置

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,乂称为三明治成形)

•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：

.材料特性一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。

.设计规范一产品设计和模具设计，可参考材料供货商提供的设计准则。

.成形条件一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索差分法(finiledifferencemelhod)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.Y（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)

INJECT3Phillips（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(duaLdomainfiniteelementmethod)：

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MPL

.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-3Do

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)•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(mold

system)s油压系统(hydraulicsystem)>控制系统(comtrolsystem)、和锁模系统(clampingsystem)

等五个单元。

ClampingsystemMoldsystemInjectionsystemHydraulicsystem

Controlsystem

图2」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22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。

StationaryMovable

PlatenPlaten

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。

⑵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(feeding

zone)、月缩区(compressionzone,或转移区transitionzone),和计量区(meteringzone)

三个区段，如图2-3所示。

FeedTransitionMetering

Zone-ZoneZone/

Screw

Barrel

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(movable

platen),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。

⑵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。

•A*PlateRunnerPlate

ZE

t

Part#

图2-6(左)两板模与(右)三板模

⑶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)s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(3Fs:Flow,Form,and

Freeze)。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：

(1)关闭模具，以便螺杆开始向前推进，如图2-8(a)。

(2)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).

(3)螺杆继续推进，以进行模穴保压，如图2-8(c)。

(4)当模穴冷却，浇口凝固，螺杆开始后退，并塑化材料准备下•次射出，如图2-8(d).

(5)开启模具，顶出塑件,如图2-8(e)。

(6)开闭模具，以开始下一个循环，如图

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。

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；⑴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

1-充填(射出阶段)

2-保压与冷却

3-开启模具

4・・顶出塑件

5—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(injeciionspeed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»)。

(5)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。

(6)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)一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。

(7)射出利保压压力

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•阶段的高压进行充填，第二段则以较低压力进行保压。

(8)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。

(9)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。

(10)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。

.神经网络法一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)

⑵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：I■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：

I

R

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=C1,

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,CH0为气体，戊烷(pentane,CsH12)为液体，甲烷(polyethylene,GooHm)为固体。高分

子材料的分子量通常为1(),O(X)〜1,000,()00,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•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。(ie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。0/应变£0,单位是Pa(=N/n?)。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(synergisliceffect)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(aspeciratio)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)o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-crys〔alline))或液晶(liquid

crystalline)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。•较好的机械强度。

■加工较容易。.较好的尺寸稳定性。

.对于复杂设计有较佳的适应性。,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。

ThermoplasticsThermosets

AmorphousSemi-crystalline

polymerpolymer

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（P。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°F~30(rF)、高强度与高刚性、耐冲击性、低潜

变性、耐磨损、优良的耐化学药品性及绝缘性。

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

常用的材料丙烯晴一丁二烯一苯乙烯共聚合物聚缩醛树脂(POM)、耐隆(PA,聚醯

(ABS)、压克力(例如PMMA、PAN)、胺)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、热塑

聚碳酸脂(PC)、聚苯乙烯(PS)、聚氯性聚脂(例如PBT、PET)。

乙烯(PVC)、苯乙烯一丙烯系聚合物

(SAN)o

微结构分子在液相和固相都呈现杂乱的配向分子在液相呈现杂乱的配向性，在固

性。相则形成紧密堆砌的晶体。

热之反应具有软化温度范围，但没有明显的熔具有明确的熔点。

点。

性质•透明•半透明或不透明

•抗化学性差•抗化学性佳

•成形时体积收缩率低•成形时体积收缩率高

•通常强度不高・强度高

•一般具有高熔胶黏度•熔胶黏度低

•热含量低•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•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•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一聚合物混合料，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〕、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。1批注［fl］：

表3-4提供了树脂供货商所建议的熔胶与模具之建议温度值。

3-4添加剂、填充料与补强料

添加剂(additives)、填充料(fi1lers)和补强料•(rcinforcemcnts)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

流动性质熔胶温度模具温度顶出温度

材料(°C/°F)(°C/°F)(°C/°

名称F)

MFR测试测试

g/10负荷温度最小值建议值最大值最小值建议值最大值建议值

minkgC

ABS3510220200/392230/446280/53625/7750/12280/17688/190

PA12955275230/446255/491300/57230/8680/176110/230135/275

PA61105275230/446255/491300/57270/15885/185110/230133/271

PA661005275260/500280/536320/60870/15880/176110/230158/316

PBT352.16250220/428250/482280/53615/6060/14080/176125/257

PC201.2300260/500305/581340/64470/15895/203120/248127/261

PC/ABS125240230/446265/509300/57250/12275/167100/212117/243

PC/PBT465275250/482265/509280/53640/10460/14085/185125/257

PE-HD152.16190180/356220/428280/53620/6840/10495/203100/212

PE-LD102.16190180/356220/428280/53620/6840/10