-
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-Aided
Design, 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-Aided Engineering, 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
(design
revision)
?
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
(design
criteria)
CAE
使用近似的数值方法
(numerical methods)
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
< br>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<
/p>
CAD
接口，以便将
2D
或
3D
的
CAD
图文件直接汇入
CAE
软件，再进
< br>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
C
AE
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
(numerical
Solver)
?
几何模型
(geometry
model)
?
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
(injection
molding)
、吹袋成形
(blown
film)
、吹瓶成形
(blow molding)
、热压成形
(thermoforming)
、
轮压成形
(calendering
molding)
、发泡成形
(Foam
molding)
、旋转成形
(rotational mol
ding)
、气体辅助
射出成形
(ga
s-assisted injection
molding)
等等。
塑料射出成形
(injection
molding)
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。
<
/p>
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<
/p>
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
(reciproc
ating screw)
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-injection
molding
，又称为三明治成形）
?
核心熔化成形（
fusible core
injection molding
）
?
气辅射出成形（
gas-assisted
injection molding
）
?
射出压缩成形（
injection-compression
molding
）
?
层状射出成形（
lamellar, or
microlayer, injection
molding
）
?
活动供料射出成形（
live-feed injection
molding
）
?
低压射出成形（
low-pressure
injection molding
）
?
推拉射出成形（
push-pull injection
molding
）
?
反应性射出成形（
reactive
molding
）
?
结构发泡射出成形（
structure foam
injection molding
）
?
薄膜成形（
thin-wall
molding
）
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(Generalized Hele-Shaw)
< br>流动模型所发展的
中间面
(mid-plane)
模型
或
薄壳
(she
ll)
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，
< br>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
(finite
difference method)
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
C-MOLD
MOLDFLOW
SIMUFLOW
TM Concept
CADMOULD
IMAP-F
PIAS
TIMON-FLOW
POL
YFLOW
CAPLAS
MELT FLOW
SIMPOE
MOLDEX
INJECT-3
Pro/E Plastics
.
(
美国
)
Moldflow PTY
(
澳洲
)
Gratfek Inc.
(
美国
)
Plastics &
Compute Inc. (
意大利
)
I. K. V
.
(
德国
)
(
株
)
丰田中央研究所
(
日本
)
Sharp
公司
(
日本
)
TORAY
公司
(
日本
)
SDRC
(
美国
)
佳能
(
日本
)
宇部兴产
(
日本
)
欣波科技
(
台湾
)
科盛科技
(
台湾
)
Phillips(
荷兰
)
Dassault(
法国
)
PTC (
美国
)
开发单位
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-
domain finite element
method)
：
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-
plane generator)
：
中间面产生技术可以分为中间轴转换
(Medial Axis
Transform,
MAT)
和法则归纳法
(heuristic method)
，
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
MA
T
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-
Performance Finite Volume
Method)
：
应用
有限体积法
配合配合快速数值算法
(Fast
Numerical Algorithm,
FNA)
、非线性去偶合计算法
(Decoupled
solution procedure for non-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
(clamping
tonnage)
或
射出量
(shot
size)
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。<
/p>
2-1
射出机组件
典型的射出成形机如图<
/p>
2-1
所示，主要包括了射出系统
(in
jection system)
、模具系统
(mold
system)
、油压系统
(hydraulic
system)
、控制系统
(comtrol
system)
、和锁模系统
(clamping
system)
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<
/p>
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
(electric heater
bands))
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
< br>(feeding zone)
、
压缩区
（
compression zone,
或转移区
transition zone
）
、和计量区
(metering zone)
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。
< br>螺杆的外径为固定值，
螺杆的沟槽深度
(the
depth of flight)
从进料区到计量区起点逐渐递减，
< br>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
(sprue bushing)<
/p>
。
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；<
/p>
(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
(tie
bars)
、固定模板
(stationary
platen)
、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<
/p>
(molding plates)
，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
(stripper plate))
上，
如图
2-6
所示。
图
2-6
(
左
)
两板模与
(
右<
/p>
)
三板模
(3)
冷却管路（回路）
冷却管路
(cooling channels)
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
(baffle
rs)
、扰流板
(bubblers)
或热管
(thermal pins
or heat
pipes)
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。<
/p>
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
(molded system)
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
(cold slug well)
、
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（
Hot runner
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
(3 M’s:
Melt,
Mix, and Move)
，
再于模穴内流动、
充填、
凝固
(3F’s: 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)
<
/p>
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)<
/p>
。
(3)
<
/p>
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，并塑化材料准备下一次射出，如图
2
-8(d)
。
(5)
开启模具，顶出塑件，如图<
/p>
2-8(e)
。
(6)
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
(rear plate)
而停止运动，将成形品、浇道系统及废料顶出。
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
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。
(f)
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：<
/p>
(1)
背压
背压
(back pressure)
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（
injection
speed
或螺杆速度
ram speed
）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。<
/p>
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
(freezing point)
，
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
(check
valve)
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
3~6 mm
（
1/8~1/4
英吋）
。
(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
(feed
zone)
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
crystallizati
on
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
(the critical
freezing loca
tion)
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<
/p>
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
(shot size)
—
大射出量需要较高的模具温度。
?
射出速率
(injection r
ate)
—
高射出速度会造成致稀性的高温。
< br>
?
流道尺寸
(size of
runner)
—
长的流道需要较高温度。
?
塑件壁厚
(part thi
ckness)
—
粗厚件需要较长冷却时间，通常使用较低模温
。
(7)
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。
(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-opening
time
，也称为
dead
time
）
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<
/p>
dead time
最短的制程。
改善
dead
time
的方法包括：
?
统计法
—
例如
contr
ol charts
、田口法。
?<
/p>
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：
?
?
?
?
?
?
(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。
黏合
(bonding)
熔接
(welding)
嵌入
(inserting)
打桩
(staking)
嵌金属型板
(swaging)
接合组合
(assembly with
fasteners)
(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
(monomer
s)
经由化学聚合反应
(polymerization)
而成的长链状高分子聚合物
(polymers)
< br>。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
(vinyl
polymer)
，结构如下：
<
/p>
?
?
CH
2
?
CH
?
?
n
|
R
其中，当
R = H
，为聚乙烯；当
R =
CH
3
，为聚丙烯；当
R = C
6
H5
，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, CH
4
)
为气体，戊烷
(pentane,
C
5
H
12
)
为液体，甲烷
(polyethylene, C
100
H
102
)
为固体。高分子材料的分子量通常为
10,000 ~ 1,000,0
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
)
。<
/p>
☆
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
210 GPa<
/p>
。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<
/p>
E =
应力
σ
0
╱应变
ε
0
，单位是
Pa(= N/m
2
)
。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
低熔点
高拉伸率
低密度
低热传导性
低导电性
着色容易
溶剂之敏感性
可燃性
透光性
优点
容易加工成形
Low
brittleness
成品轻
隔热性佳
优良的绝缘体
不必在成品着色
可应用为溶液
(solution)
废料可以燃烧
可以产生透明塑件
使用温度范围窄
高潜变强度和低降伏强度
结构强度低
散热性差
不导电
颜色比对不易
可能被溶剂
(solvent)
影响
可能产生烟害
(fumes or fire
hazards)
因阳光照射而劣化
缺点
<
/p>
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
(polymer
alloys)
及聚合物混合物
(polymer blend
s)
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
(synergistic effect)
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
(polymer composites)<
/p>
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、
< br>滑石、云母等低长宽比（
aspect ratio
）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<
/p>
(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
(liquid crys
talline)
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
(elastomer
s)
、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。
< br>
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）
。
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。
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%<
/p>
，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。
˙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。
˙无裂解时，交联后无法再软化。
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<
/p>
90%
，例如高密度聚乙烯（
HPPE<
/p>
）
、低密度聚乙烯（
LDPE
）
、聚苯乙烯（
PS
）<
/p>
、
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
< br>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。
<
/p>
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。<
/p>
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/PV
A<
/p>
。
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
< br>℉
)
、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
常用的材料
不定形塑料
结晶性塑料
丙烯晴—丁二烯—苯乙烯
共聚合物（
ABS
）
、压克力
聚缩醛树脂
(POM)
、
耐隆
(PA,
聚醯胺
)
、
聚乙烯
（例如
PMMA
、
PAN
）
、
聚碳酸脂
(PC)
、
< br>聚苯乙烯
(PS)
、
(PE)<
/p>
、聚丙烯
(PP)
、热塑性聚脂
(
例如
PBT
、
聚氯乙烯
(PVC)
、苯乙烯—丙烯系聚合物
(SAN)
。
PET)
。
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。
具有明确的熔点。
?
?
?
?
?
?
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
微结构
热之反应
性质
分子在液相和固相都呈现杂乱的配向性。
具有软化温度范围，但没有明显的熔点。
?
?
?
?
?
?
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
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
(linear shrink
ages)
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。<
/p>
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<
/p>
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、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
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
(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<
/p>
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
MFR
测试
测试
min
kg
ABS
PA 12
PA 6
PBT
PC
PC/ABS
PC/PBT
PE-HD
PE-LD
PEI
PET
PETG
PMMA
POM
PP
PS
PVC
SAN
35
10
95
5
110
5
C
220
200/392
230/446
280/536
275
230/446
255/491
300/572
25/77
50/122
30/86
80/176
80/176
110/230
110/230
110/230
80/176
120/248
100/212
85/185
95/203
70/158
175/347
120/248
30/86
80/176
105/221
80/176
110/230
70/158
70/158
80/176
88/190
135/275
133/271
158/316
125/257
127/261
117/243
125/257
100/212
80/176
191/376
150/302
59/137
85/185
118/244
93/199
128/262
80/176
75/167
85/185
建议值
最大值
g/10
负荷
温度
最小值
最大值
最小值
建议值
流动性质
熔胶温度
(
°
C
／°
F)
模具温度
(
°
C
／°
F)
顶出温度
(
°
C
／°
F)
建议值
275
230/446
255/491
300/572
70/158
85/185
275
260/500
280/536
320/608
70/158
80/176
15/60
60/140
PA 66
100
5
20
1.2
12
5
46
5
35
2.16
250
220/428
250/482
280/536
300
260/500
305/581
340/644
70/158
95/203
240
230/446
265/509
300/572
50/122
75/167
275
250/482
265/509
280/536
40/104
60/140
20/68
40/104
20/68
40/104
15
2.16
190
180/356
220/428
280/536
10
2.16
190
180/356
220/428
280/536
27
5
23
5
10
3.8
15
5.00
340
340/644
400/752
440/824
70/158
140/284
290
265/509
270/518
290/554
80/176
100/212
260
220/428
255/491
290/554
230
240/464
250/482
280/536
10/50
15/60
35/90
60/140
20
2.16
190
180/356
225/437
235/455
50/122
70/158
20
2.16
230
200/392
230/446
280/536
15
5
50
10
30
10
200
180/356
230/446
280/536
200
160/320
190/374
220/428
20/68
50/122
20/68
50/122
20/68
40/104
265
240/464
280/536
320/608
60/140
80/176
PPE/PPO
40
10
220
200/392
230/446
270/518
40/104
60/140
高值长宽比的填充料<
/p>
(
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
强化纤维
常用村料
碳素、碳、矿物质纤维、
?
玻璃、
kevlar
?
?
?
导电性填充料
耦合剂
抗燃剂
混合填充料
塑化剂
着色剂（色料或染料）
发泡剂
铝粉、碳纤维、石墨
Silanes
、
titanates
氯、溴、硫、金属盐
碳酸钙、硅、黏土
?
?
?
?
?
?
金属氧化物、铬酸盐、碳
?
黑
生物
?
气体、氮复合物、联氨衍
?
对聚合物性质的影响
增加拉伸强度
增加弯曲模数
(flexural modulus)
提高热变形温度
提升抗收缩与抗翘曲能力
提高电气性质
提高热传导性
改善聚合物与纤维界面之键结力
降低燃烧发生率及扩散速度
降低材料成本
改善熔胶的流动性
加强挠曲性
提供耐久的颜色
防止热裂解或紫外线造成裂解
造成孔穴组织以降低材料密度
单体液体、
低分子量材料
?
第四章
塑料如何流动
熔融的热塑性塑料呈现黏弹性行为
(viscoelastic
behavior)
，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；<
/p>
(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
(shear viscosity)
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
2~3000
Pa
（水为
10
-1
Pa
，玻璃为
10
20
Pa
）
。
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-thinning behavior
）<
/p>
，
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
10
2
~10
5
1/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。
< br>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。
< br>
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）
< br>。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：
n
?
熔膠黏滯性
??
流動長度
??
容積流動率
?
p
?
3
n
?
1
?
管道半徑
?
熔胶流动在薄壳模穴之带状管道内所
需的射出压力为：
n
?
熔膠黏
滯性
??
流動長度
??
容積流動率
?
p
?
2
n
?
1
?
管道寬度
?
?
管道厚度
?
熔胶的流动速度与流动指数
(Melt Index, MI)
有关，流动指数也称为流导
flow conductance
）
，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
< br>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
< br>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）
< br>、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。
4-2-1
参数
塑件设计
肉厚
影响射出压力的因素
需要高射出压力
可用低射出压力
图
4-12
针对影响射出压力的设计与成形参数进行比较。
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
(Filling Pattern)
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
(melt front velocity,
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
MF
V
，
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<
/p>
(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
< br>
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
(foun
tain flow
effect)
，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。
< br>
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。
4-4
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<
/p>
(power law)
，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
(shear thinning)
。
通常厂商比较常
提供的塑料特性指标是流动指标
MI (Melt
index
)
，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
1 cp = 0.001
Pa
?
s
，
cp = centipoise, Pa = N/m
2
)
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
(glass
transition temperature, 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。
(4)
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。
第五章
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。
< br>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
(tensile test)
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
L
0<
/p>
；
(b)
于固定负荷下拉长至长度
L
。
負荷力
量
(
F
)
應力
(
?
)
?
截
面面積
(
A
)
應變
(
?
)
?
L
?<
/p>
L
0
L
0
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：
楊氏模
數
(
E
)
?
應力
(
?
)
應變<
/p>
(
?
)
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)
。
< br>
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
(creep
modulus,
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：
潛變模數
(
E
c
)
?
?
?<
/p>
(
t
,
T
)
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
(s
tress crack)
。
˙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
<
/p>
当设计的塑件承受周期性的负载时，就应考虑疲劳效应
(fati
gue)
。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
曲线具有一个应力忍耐限度，在此限度以
下的应力不会造成破坏。
5-1-4
冲击强度
因为塑料具有黏弹性，其性质与使用时间、负荷速率、负荷频
率、施加负荷期间长短、使用温度都有密切的关
系。塑料的冲击强度（或韧性）表示其抵
抗脉冲负荷的能力。图
5-5
显示塑
料材料的冲击强度随着负荷速率的增加
而增大。塑料材料承受高速的负荷时，会表现出脆
性而没有拉伸的倾向。低温时，塑料应亦呈现脆性。
塑料材料承受冲击时，对于凹痕很敏感。尖锐的转角半径会造
成应力集中，也会降低其冲击强度，如图
5-9
所
示。
图
5-9
塑料应力集中是其厚度与圆角半径的函数
5-1-5
热机械行为
热膨胀系数是温度从一特定值上升时，材料尺寸变化的量度。
塑料的热膨胀系比金属大
5~10
倍。温度变化对于
塑件的尺寸和机械性质会造成可观的影响，所以设计塑件时必须考虑到使用塑件的最高温度和最低温 度。假如使用
于大温度范围大的塑件与金属件紧密结合，强度较差的塑件会因热膨胀或收
缩而破坏。根据塑件强度及上升温度情
况，此破坏可能立刻发生或延后发生，所以设计塑
件与金属组件组合时，必须将其尺寸变化的安全裕度列入考虑。
使用于室温以上的塑件应考虑下列因素：
?
?
塑件尺寸增长的倾向正比于其长度、温度上升量、及热
膨胀系数。
?
?
?
当塑件温度从室温上升时，其强度及杨氏模数会降低，如图
5-5
所示。
< br>?
?
?
低模数材料可能会呈现橡
胶般的拉伸现象。
分子链的配向性和添加纤维的配向性会造成塑件尺寸不等向的变化，
其在流动
方向比截面方向具有更大的热膨
胀系数。
当塑件长期存在于高温，应考虑：
?
?
?
存放时承受内应力或外应力的塑件
，应考虑潜变和应力松弛。
?
?
?
塑件因分子裂解而变脆。
?
?
?
有些复合物会释放成
分。
塑件长期存放于低温时，应考虑因素：
?
?
?
塑件尺寸缩减正比于其长度、
温度下降量、及热膨胀
(
热收缩
)
系数。
?
?
?
模数上升。
?
?
?
塑件变脆。
5-2
塑件强度设计
设计塑件时，其破坏性质控制的成功与否，往往取决于对于塑
件强度（或劲度）的准确预测。根据塑件承受负
荷或拘束条件的不同，可以区分为拉伸强
度、压缩强度、扭曲强度，挠曲强度和剪切强度。塑件的强度与材料、几
何形状、拘束条
件、成形的残留应力和配向性有关。表
5-1
列出五种典型的负荷条件及设计者应考虑的材料性质。
表
5-1
典型的负荷条件及设计者应考虑的材料性质
负荷条件
短期负荷
长期负荷
反复性负荷
高速和冲击性负荷
极端温度之负荷
5-2-1
短期负荷
短期负荷是指塑件于搬运、组合、和使用时，偶而施加的负荷
，其设计应采用应力
-
应变图的比例极限值。使用
肋或角板等强化结构，可以改善塑件的强度。应考虑使用宽幅的肋，以提升结构强度；增加肋的高度或
减小肋的间
距也会改善结构强度。另外，在需要的方向添加强化玻璃纤维也可以改善结构
强度。
5-2-2
长期负荷
长期负荷指在比例极限以内，塑件长时间承受高外力负荷，以及塑件在成形和组合制程中
造成的高内应力或残
留应力。其于设计上应考虑：
?
?
?
使用潜变模数，以
避免应力破裂破坏，维持接点紧密结合和塑件功能。
?
?
?
设计压合连接或搭扣连接之组合，以减少
组装造成的应力。
?
?
?
使用固定组件
(fasteners)
以减低应力，强化结构。
?
?
?
设计塑件与塑件接合时，使用几何特征或保留安全裕度
，以防止塑件因
组合而过度紧密配合。
5-2-3
反复性负荷
当塑件承受反复性负荷，应考虑在
其寿命内预计承受负荷的次数，下列数字提供典型反复性负荷的范例。
负
荷
种
类
负
荷
次
数
反复组合和拆解
少于
1,000
次
齿轮之各齿承受反复性负荷
大于
10,000
次
弹簧组件
大于
10,000
次
设计者应考虑的材料性质
应力
--
应变行为
潜变
疲劳
冲击强度
热应力－应变行为
塑件承受反复性负荷时，应考虑下列建议：
< br>?
?
?
长间距之周期性负荷可以
采用比例极限进行设计。
?
?
?
塑件承受短间距和长期间的反复性负荷，应使用
S-N
曲线进行设计。
?
?
?
高度抛光的光滑模面可以降低产生微小裂
缝的倾向。
?
?
?
注意圆角的设计以避免应力集中。
?
?
?
塑件承受高频或高振幅的周
期性负荷时，会生热而缩短寿命。改用薄壁
设计和耐疲劳的导热性材料可以改善塑件的散热功能。
高速负荷指施加负荷的速度高于
1
m/s
，冲击性负荷指负荷速度高于
50 m/s
。应避免在高应力区施加高速负荷
和冲击性负荷。当设计之塑件承受此类负荷时必须牢记以下建议：
?
?
?
在预期的负荷速率
之内，使用比例极限进行设计之计算。
?
?
?
使用较大的圆角半径及较和缓的肉厚／宽度变化，以避
免应力集中。
?
?
< br>?
长时间处于高熔融温度的树脂会裂解变脆。要使高温对于熔胶的影响最
小化，就必须选用适当熔点的塑料和适当的射出料筒来进行射
出成形。
5-2-5
极端温度施加负荷
塑件之储存、搬运和使用温度很容易就高出或低于室温
20~30
℃，应用于极端温度的塑件必须能适应环境。设
计塑件将应用于极端温度条件，建议注意事项如下：
?
?
?
应用比例极限进行计算，以
避免塑件永久变形。
?
?
?
避免将不同热膨胀系数之材料设计为紧迫组合，而且应该在自由端面保<
/p>
留允许塑件膨胀之裕度。
常见的高于室温之极端温度条件的应用包括：
热液体的容器、
热水管线组件、含有加热组件之装置、
直接曝于
日
光之下的搬运工具、储存在无空调建筑之塑件。常见的于低于室温的应用包括：冷冻之塑件和以飞机运载之塑件<
/p>
5-3
塑件肉厚
设计塑件所需考虑的因素众多，
包括功能与尺寸的需求、
组合之公差、
艺术感与美观、
制造成本、
环境的冲击、
以及成品运送等等。在此，我们将考虑塑件肉厚对于成
形周期时间、收缩与翘曲、表面品质等因素的影响，以讨论
热塑性塑料射出成形之加工性
。
塑件
于射出成形后，必须冷却到足够低的温度，顶出时才不会造成变形。肉厚较厚的塑件需要较长的冷却时间
和较长的保压时间。理论上，塑件射出之冷却时间与肉厚的平方成正比，或者与圆形对象直径的<
/p>
1.6
次方成正比。所
以粗厚件会延长成
形周期时间，降低单位时间所射出塑件的数量，增加每个塑件的制造成本。
另外，塑料射出成形先天上就会发
生收缩，然而，剖面或整个组件的过量收缩或不均匀收缩就会造成翘曲，以
致于成形品无
法依照设计形状呈现。请参阅图
5-10
。
5-2-4
高速负荷及冲击负荷
图
5-10
(
左边
)<
/p>
粗厚件会导致
(
中间
)
塑件的收缩和翘曲，
应该将
塑件设计为具有均匀肉厚的
(
左边
)<
/p>
塑件。
塑件同时具有薄肉区和厚肉区时，
充填熔胶倾向于往厚截面部分流动，容易产生竞流效应
(race-tracking
effect)
，
导致包风
(air
traps)
和缝合线
(weld lines)
，
在塑件表面产生瑕疵。
假如厚肉区没有充足的保压
，
就会造成凹痕
(sink marks)
或气孔
(voids)
，所以应该尽可能设计薄且肉厚均匀
的塑件，以缩短成形周期时间，改善塑件尺寸稳定性，和去除塑
件之表面瑕疪，塑件肉厚
设计通则是：使用肋可以提高塑件的刚性和强度，并且避免厚肉区的结构。塑件尺寸的设
计，应将使用塑料之材料性质和负荷类型、使用条件之间的关系列入考虑，也应考虑组件的组合需求。图
5-11
提
供一些设计范例的比较。
(not recommended)
(recommended)
图
5-11
塑件之设计范例。左边为不良设计，右边是典型的塑件设计。
5-4
肋之设计
塑件设计之结构完整性的主要考量是：塑件结构强度必须足以抵抗预期负荷。如果藉由增
加肉厚以强化结构，
有下列的缺点：
?
?
?
塑件重量及成本相对地增加。<
/p>
?
?
?
加长塑件所需的冷却时间。
?
?
?
增加产生凹痕与气孔的机会。
< br>
肋
(ribs)
是达成所需刚
性和强度，并且避免粗厚剖面的有效方法。设计良好的肋，仅仅增加低百分比的重量，就足以
提供必要的结构强度。假如还需要更高的刚性，可以缩小肋的间距，以便添加更多的肋。肋的典型用途包括：
?
?
?
盖子、箱子、及需要有良好外观和重量轻的宽大表面。
?
?
?
必须有圆柱形表面
之走纸用滚轮和导轨。
?
?
?
齿轮的轴和齿廓。
?
?
?
塑件的支撑与构架。
肋的厚度、高度和
开模斜角是相互关连的。太粗厚的肋会在塑件的另一面造成凹痕；太薄的肋和太大的开模斜
角会造成肋的尖端充填困难。肋之各边应有
1
°的开模斜角，最小不得低于
1/2
°，而且应该将肋两侧之模面精密
抛
光。
开模斜角使得从肋顶部到根部增加肉厚，
每一度开模斜角会
使一公分高肋的根部增加
0.175
公厘肉厚。
建议根
部的最大厚度为塑件肉厚的
0.8
倍，通常取肉厚的
0.5~0.8
倍，如图
5-12
所示。
图
5-12
设计肋之截面规范
将肋设计在开模方向，可以降低模
具的加工成本。使用角板
(gussets)
也可以强化肋的结
构，如图
5-12
所示。使用
凸毂
(bosses)
时，不应该凸毂将连接到平行之塑件壁面，必须和
壁面维持一段间距。凸毂也可以使用角板强化结构。
如图
5-13
所示，肋可以设计成波浪状
(corrugations)
以
维持均匀壁厚，并且将开模斜角加工到两侧的模具，这种作
法可以避免肋的顶面太过薄。
就结构的刚性而言，相互连接的蜂巢式六面矩阵结构，如图
5
-14
，比正方形结构更具
有材料的使用效率，加设蜂巢状的肋
是防止平坦表面弯曲的好方法。
图
5-13
波浪形强化结构
图
5-14
平坦表面加设蜂巢状的肋
5-5
组合之设计
使用塑
料成形的一项重要优点是可能将先前的好几个组件连接成为单一组件，
这包括许多功能性
组件和固定组
件。然而，在现实的考量上，为了成形与模具的限制、功能需求、及经济考
量，仍有些塑件会制作成分离的组件，
再予组合。
由于塑件从熔胶状态冷却到固态会
发生大量收缩，
使得成形塑件不像冲孔和机械加工组件般可以制作成精密配
合。况且大多数的情况，熔胶之凝固不具有等向性，所以塑件无法以单一的收缩率去估计其最终尺寸，
互相组合的
塑件也必须仔细设计各配合组件之公差。塑件与塑件间的配合应注意：
?
?
?
两种相同材质塑件之间的配合，可以参考塑料供货商提供的公差值。
?
?
?
两种不同材质塑件之间，或者从不同供货商获得的材料，可以将供货商
提供之公差值再增加
0.001mm/mm
。
?
?
?
假如流动方向具有
强烈的配向性，必须对等向收缩之外再增加
0.001
mm/mm
到整个组件的公差。
件间对
齐机制，并减低大尺寸组件的公差问题，如图
5-15
。
?
?
?
将两个塑件之接合面设计成台阶式，作为相接的唇板与沟槽，以提供元
图
5-15
使用唇板与沟槽提供良好的配合
塑件与金属件之间的配合，应确定
在塑件与金属件之接合处保留有足够的膨胀裕度给塑件，如图
5-16
。
图
5-16
塑件与金属组件之组合，应在塑件的端面预留较大的膨胀裕度。
5-5-1
压入配合连接
简易的干涉配合
(interference fits)
可以用连接组件，将金属轴心与塑料毂压入配合连接
(press-
fit Joints)
是最常使用
的方法。从塑料供货商提供
的设计图表或干涉计算公式可以用来设计压入配合连结的组件尺寸，获得必要的压合应
力
，而不致因为过量的应力造成裂缝，或是过低的应力而造成松脱。
图
5-17
画出最大干涉极限图。
此干涉图将
根据不同材料而异，
其最大干涉极限是根据毂与插入轴的直径比和材
料而定。建议的最小干涉插入深度为插入轴直径的
2
倍。
如果相关的设计图表并不存在，则可以针对插入轴直径
d
与毂内径
d
1
计算允许的干涉值。
图
5-17
金属轴件压入塑料毂的最大干涉极限。此干涉图依照材料而异，其为最大
设计压入配合连接，应检查于配合
当中和配合后所累积的公差是否会造成过量的应力，而组合后的配合公差是
否适当。此外
，在金属轴与塑料毂之间不应该设计锥度之配合件，否则会造成过量的应力。
5-5-2
搭扣配合连接
搭扣配合连接
(snap-fit Joints)
由倒勾
(undercut)
结构取代干涉，应用
塑料材料在比例极限内的变形能力进行连接，
并且在完成组合后立即回复原始的形状。完
成搭扣配合连接时，搭扣两边的配合件都不承受应力，而连接过程中的
最大应力也不超过
比例极限；完成连接之后，组件承受的负荷亦须在材料限度以内。
搭扣配合连接的设计包括：圆形搭扣、悬臂搭扣和扭曲式搭扣。
(1)
圆形搭扣连接
圆形搭扣连接
(annular snap-fit
joints)
如图
5-18
，
根据插入轴直径和回复角的选定，
圆形搭扣
可以设计成可分离式、
难分离式或不可分离式。
图
5-18
典型的圆形搭扣配合连接。组装力
W
与导角
α
、
倒勾量
y
有密切的关系。
塑料毂直径
d
，肉厚
t
。
图
5-19
假设刚性轴（通常是金属）插入或退出塑料毂，并将之撑开，此插入或退出的极限应力值
σ
不得超过塑
料材料的比例极限，而且造成轴的变形量不得超过
轴的允许变形量
(
或倒勾的允许变形量
y)
。
图
5-19
搭扣组合时的应力分布
最大之允许变形量决定于最大之允许应变
ε
以下计算公式假设配合件之一者是刚体，
假如两个配合
pm
和毂径
d
。
件有相同的挠性，则应变将减半，而倒勾可以两倍大。
y
=
ε
pm
×
d
假如模心形成干涉环
(interference
ring)
，则倒勾必须具有平滑的半径和低浅的导角（
< br>lead
angle
）
，使退
出时不会
破损干涉环。于退出时，作用在干涉环的应力必须维持在材料的比例极限之内。
(2)
悬臂搭扣连接
悬臂搭扣连接
(cantilever snap joint
s)
是使用最广泛的搭扣连接方式。通常，将它插进孔内或闩板时，勾子会挠曲；
当勾子通过孔缘后就回复原始形状。从悬臂顶端到根部应设计成锥度，使得作用应力能够均匀分
布。组合应力不应
超过材料的比例极限
悬臂搭扣的宽度或厚度都可以设计
成斜度，如图
5-18
。假如将其厚度从根部线性地缩减，则勾
顶厚度可以是根
部厚度的一半。另外在根部勾侧加工靠破孔，可以简化模具的加工和动作
，如图
5-19
所示。塑件与搭扣结合的根部
< br>应加工圆角以防止应力集中。
图
5-18
典型之悬臂搭扣连接。勾子与孔缘之干涉量
y
代表其
于组装时应产生的挠曲量。
图
5-19
悬臂搭扣之特征
(3)
扭曲搭扣连接
扭曲搭扣连接
(torsion snap-fit joints)
在支点
处承受一剪应力，
它适合应用在经常组装和分解的组件。
其总共
的扭
曲角与挠曲值或的关系为：
y
y
sin
?
?
1
?
2
l
1
l
2
其中
φ
=
扭转角度；
y
1
,
y
2
=
挠曲量；
l
1
, l
2
=
臂长
(
参阅图
5-20)
。
< br>
pm
受限于允许的剪应变
γ<
/p>
pm
，
允许的最大扭曲角
φ
其中
其中
γ
ε
pm
?
pm
?
180
l
?
?
pm
?
?
r
φ
γ
pm
=
pm
=
允许的最大扭曲角
ψ
pm
(
度
)
；
允许的剪应变；
l
=
扭转臂长度；
r
=
扭转轴半径。
pm
大约等于：
塑料的允许最大剪应变
γ
γ
γ
pm
= ( +
υ
)
ε
pm
pm
=
1.35
ε
pm
=
允许之剪应变；
允许之应变；
pm
=
υ
=
浦松比
(
塑料大约为
0.35)
。
5-5-3
固定组件
传统上使用的固定组件
(fasteners)
包括固定金属组件的螺丝钉和铆钉，它们也可以应用于塑件，其应用上考虑的
重
点如下列：
?
?
?
过于紧迫的螺丝钉或铆钉可能导致应力。
?
?
?
螺丝钉之螺纹可以预
先加工，或是上螺丝钉时再产生。
?
?
?
螺丝钉螺纹与头部之毛边、铆钉毛边等都可能造成应力，导
致塑件提早破坏。
(1)
螺丝钉和铆钉
塑件之模数低于
200,000
ps
i
时，可以使用成形螺纹螺丝钉
(
th
read-forming
screws)
；模数高于
200,000
psi
时，则
应使用切削螺纹螺丝钉，否则可能造成应力破裂。塑件上有需要多次上紧再卸下的螺丝钉，必须防止对
塑件切
出新螺纹，宜采用单螺纹的金属螺丝钉。螺帽必须再塑件表面以下时，可以使用埋
头孔配合螺丝钉，使用平头
螺丝钉
(pan-head scr
ews)
可以加垫圈，
螺丝钉和铆钉的垫圈在接触塑件面不可以
有毛边或冲痕，
否则会减低塑件
寿命。必须永久固定的塑件应该
采用铆钉。图
5-20
是不同尺寸的
螺丝钉之建议孔径。
图
5-20
塑件与螺丝钉组合之建议孔洞尺寸，此类应用应尽量采用平头螺丝钉。
埋头
(countersunk
screw head)
和
pipe thread
螺丝钉容易上太紧而使塑件产生裂缝，应该避免使用。
(2)
一体成形螺纹
塑件之一体成形螺纹
(molded
threads)
可以避免使用螺丝钉和铆钉等额外固定组件。一体成形螺纹的根部应该
加
设无螺纹之导距
(lead-in diameter)
，其比外径略大，大约一牙高度，可以增加强度。图
5-21
显示无螺纹导距的设计。
一体成形螺纹设计导引如下：一体成形螺纹必
须具有足够强度以承受负荷。太小的螺纹，特别是与金属螺丝钉配合
的螺纹，容易变形而
失去抓力。螺纹的设计应该避免尖锐的内径，甚至在螺纹顶端设计成圆形，以方便加工。假如
成形螺纹的轴与分模线平行，可以将之分设在公、母两模成形，而为了避免因模具相错而产生明显的分模线， 可以
将一小部分螺纹车平。假如螺纹的轴不与分模线平行，就必须采用回转机构。内螺纹
之射出通常需要以人工或模具
动作回转模具组件。塑件之崩牙内螺纹可以在攻成更大的内
螺纹。
图
5-21
一体成形螺纹的设计建议
(3)
镶埋件
镶埋件
(inserts)
是预先插入
模穴内，于射出成形后与塑件结合成一体。镶埋件可以采用任何不会熔化的材料。
金属镶
埋件可以用来导电，增强塑件，提供组合用之螺纹。塑料镶埋件可以提供不同颜色或不同性质的搭配组合。
采用镶埋件时，设置浇口的位置应该注意到使镶埋件两侧维持相同的融胶波前之作用力，以免造
成镶埋件移位。最
好设计使熔胶在镶埋件两侧有适当的流动路径，使熔胶以相同的速率前
进。模具上也可以设计支撑镶埋件的结构，
例如孔洞或柱桩。
通常，镶埋件会造成缝合线，设计
镶埋件应该容许产生缝合线或是在镶埋件周围的凸毂之一边发生收缩应力。
5-5-4
熔接制程
超音波熔接
(ultrasonic welding)
使用高频声波振动，
使两个塑件相对滑动，
此
二表面的短行程高速往复滑动使界
面熔化。停止振动后，接口冷却，使得两塑件表面结合
。
超音波熔接应注意到两种材料的
兼容性。表面的接点设计对于熔接的成功与否影响很大，应在一熔接面设计一
小三角形的
能量导引，请参阅图
5-22
。在接点设计成轴对称结构，于熔
化后，使两种材料熔接在一起。传送能量的
超音波喇叭对于熔接成败的影响很大。
图
5-22
超音波熔接之小三角形的能量导引其它的熔接方式必须使用人
力，目前不太实用，仍有待研究。
第六章
模具设计
6-1
流道系统
流道系统
(runner
systems)
将熔胶从竖浇道引导到模穴内，要推动熔胶流过流道系
统就需要额外的压力。当熔胶
流经流道系统时，产生的剪切热（摩擦热）使熔胶温度升高
，有助于熔胶的流动。
虽然适当的流道尺寸对于一个塑件和模具设计有许多好处，但因为其基本原理尚未广泛深入了解，
所以流道尺
寸设计问题经常被忽略。一般认为，大尺寸流道可以使用较低压力推进熔胶流
动，但是却需要较长的冷却时间，会
产生较多的废料，
也需要较
高的锁模力。
反之，
适当的小尺寸流道在使用原料和消耗能源等
方面可以达到最高效率。
流道尺寸的缩减极限在于射出成形机的射出压力规格。
模流分析的流道
平衡功能可以找出最佳化的流道尺寸，提供良好的流道系统，以合理的压力降充填平衡的流道
和模穴。设计良好的流道系统有下列好处：
?
可以决定最佳的模穴数目
?
确定熔胶可以填饱模穴
?
可以达成多模穴系统之平衡充填
?
可以达成多浇口之模穴的平衡充填
?
可以使废料最少化
?
使塑件顶出较容易
?
达成能源使用效率最佳化
?
可控制充填时间／保压时间／成形周期时间
6-1-1
模穴数目之决定
模穴数目的多寡取决于可应用的生产时间、射出机射出量的大
小、所需之塑件品质、
射出机塑化能力、塑件形状与尺寸，以及模具成本等因素。以下三
组简单的公式可以协助决定模穴数目，应选取三
组公式所获得之最小值作为设计模穴数目
。
(1)
产品数量
假如塑件尺寸公差的要求不甚严格，而且需要大量的成品，则
选择多模穴较恰当。模穴数目取决于供应一定量
塑件所需的时间（
tm
）
、每批次的塑件数量（
L
）
、生产一模塑件所需的时间（
tc
）
、和淘汰因子（
K
）
，其中，
K =
1/
（
1
-
不良率）
模穴数
= L
×
K ×
tc / tm
(2)
射出量能
射出机的射出量能也是决定
模穴数目的一个重要因素，取射出量能的
80
﹪为射出重量
(S)
，再除以塑件重量
（
W
）
，即可计算出模穴数目。
模穴数目
=S / W
(3)
塑化能力
射出机的塑化能力是影响模穴数目的另一个重要因素。将射出机的塑化能力（
P
）除以每分钟估计的射出次数
(X)
和塑件重量
(W)
，即可计算出模穴数目。
模穴数目
= P / ( X ×
W)
6-1-2
流道配置
多模穴系统的基本流道配置方式如图
6-1
，包括：
?
< br>标准流道系统（
standard
，或鱼骨形
Herringbone
）
?
H
形流道
系统（
H-bridge
，或分枝形
b
ranching
）
?
辐射流道系统（
< br>radial
，或星形
star
）
H<
/p>
形和幅射流道系统提供自然平衡，亦即从竖浇道到所有的模穴都有相同的流动距离和流道尺
寸，所以各模穴
都有相同的充填条件。至于鱼骨形流道系统，虽然不是自然平衡，却比自
然平衡系统可以在相同的模具内塞进更多
模穴，造成最小的流道体和最低的模具加工成本
。除了采用自然平衡的流道系统之外，不平衡的流道系统也可用人
工改变流道直径与长度
，或是在各个子流道加装流量调节螺丝，以调整获得平衡的系统。模流分析软件的流道平衡
分析可以自动化完成流道平衡。
6-1-3
竖浇道尺寸之决定
竖浇道尺寸主要决定于塑件尺寸，特别是塑件的肉厚。竖浇道
的设计必须能够方便可靠地让塑件脱模，于射出
成形时，竖浇道不可以比塑件其它部分的
截面更早凝固，如此才能够有效
图
6-1
基本的流道系统之配置
图
6-2
是建议的竖浇道设计规范。
不具有锐角的系统有助于塑料的流动，
所以，
< br>应该将竖浇道根部设计成半径
r
2
的圆角。其它的设计规格如下列：
D
co
≧
t
max
+ 1.5
(mm)
D
s
≧
D
n + 1.0
(mm)
α
≧
1
°
~
2
°
tan
(
α
)
= (
D
co
–
D
) /
2
L
图
6-2
竖浇道根部的圆角可以改善熔胶的流动
6-1-4
流道截面之设计
常见的流道截面如图
6-3
，包括：
?
圆形流道
?
梯形流道
?
改良梯形流道（圆形与梯形之组合）
?
半圆形流道
?
长方形流道
通常建议采用前三种流道
截面设计。就最大的体积与表面积比值而言，圆形流道最佳，也具有最小的压力降和热损
失，
然而，
却必须在两侧模板都进行加工，
模具加工成本通常较高昂，
而且合模时两侧的半圆也必须对齐。
相对地，
梯形流道只在母模侧加工，其效能也很好，梯形流道通常应用于三板模，因
为三板模如果采用圆形流道时，可能无
法顺利脱模，而且模具可能在分模线造成圆形流道
与模板滑动件之间的干涉。
图
6-3
常用的流道截面形状
对于不同形状的流道，可以使用做为流动阻力指标的水力直径
(hydraulic diameter)
进行比较。
水力直径愈大，流
动阻力愈低。水力直径定义为：
D
h
?
4
A
其中，
P
D
h
=
水力直径
A
=
截面面积
P
=
周长
图
6-
3
比较各种流道形状之等效水力直径，这些系数正好是
C-mo
ld
软件之形状因子
(
shape
factor)
的倒数。
图
6-3
各种流道形状的等效水力直径
6-1-5
流道尺寸之决定
流道的直径和长度会影响流动阻力
。流动阻力愈大的流道，充填就会造成愈大的压力降。加大流道直径可以降
低流动阻力，
但是会耗用较多的树脂材料，也需要更长的冷却时间，才能顶出塑件。设计流道直径最初可以根据实
验数据或是下列方程式进行，
然后应用模流分析软件微调流道直径，
最佳化熔胶传送系统。
最初估算的流道直径为：
W
1
/
2
?
L
1
/
4
D
?
3
.
7
其中，
D
=
流道直径
(mm)
；
W
=
塑件重量
(g)
；
L
=
流道长度
(mm)
。
范例说明：图
6-4
和图
6-5
所提供实验数据可以用来计算流道尺寸，例如，一个
300
公克重的
ABS
塑件，其
厚度为
3 mm
，流道长度为
200 mm
，则流道直径该是多少？
1.
2.
3.
根据图
6-4
，在
300
公克重之水平线和
3mm
厚直线之交点处画一垂直线，与横轴交于
5.8
mm
处，即为参考
直径
D’
。
使用图
6-5
，在流道长度
200
mm
处画水平线与曲线得到交点，再画垂直线与横轴交于
1.29
，即为长度系数
f
L
。
将
5.8 mm
乘上
1.29
，获得之流道直径为
7.5 mm
。
图
6-4
材料的流道直径图，其中，
G=
塑件重量
(g); S=
塑件厚度（
mm
）
;
D’=
参考直径
(mm)
图
6-5
流道长度与长度系数对于流动直径的影响
一般无法填充料之塑料的典型流道尺寸列于表
6-
１。
表
6-1
无填充料之塑料的典型流道尺寸
材料
mm
ABS, SAN
Acetal
聚缩醛树脂
Acetate
Acrylic
压克力
Butyrate
5.0-110.
8.0-10.0
5.0-10.0
5.0-10.0
3.0-10.0
直径
inch
3/16-3/8
Polycarbonate
聚碳酸脂
(PC)
1/8-3/8
Thermoplastic polyester
热塑性聚脂树脂
3/16-7/19
Thermoplastic polyester (reinforced)
补强热塑性聚脂树脂
5/16-3/8
Polyethylene
聚乙烯
3/16-3/8
Polyamide
聚丙烯酸脂
2.0-10.0
5.0-10.0
1/16-3/8
3/16-3/8
5.0-10.0
3/16-3/8
材料
mm
5.0-10.0
3.0-8.0
直径
inch
3/16-3/8
1/8-5/16
Fluorocarbon
聚氟碳树脂
Impact
acrylic
耐冲击压克力
Ionomers
Nylon
耐隆
Phenylene
Phenylene sulfide
Polyallomer
异聚合物
6-1-6
热流道系统
5.0-10.0
8.0-10.0
2.0-10.0
2.0-10.0
6.0-10.0
6.0-10.0
5.0-10.0
3/16-3/8
Polyphenylene oxide
5/16-1/2
Polyphenylene
聚丙烯
3/32-3/8
Polystyrene
聚苯乙烯
1/16-3/8
Polysulfone
聚氟乙烯
1/4-3/8
1/4-1/2
Polyvinyl (plasticized)
聚氯乙烯
PVC Rigid
硬质聚氯乙烯
6.0-10.0
5.0-10.0
3.0-10.0
6.0-10.0
3.0-10.0
6.0-16.0
6.0-8.0
1/4-3/8
3/16-3/8
1/8-3/8
1/4-3/8
1/8-3/8
1/4-5/8
1/4-5/16
3/16-3/8
Polyurethane
聚尿素树脂
理想的射出成形系统可以生产密度
均匀的塑件，
而且不需要流道，
不产生毛边和浇口废料。
使用热流道系统
(hot
runner <
/p>
systems)
可以达成此一目标。热流道内尚未射进模穴的塑
料会维持在熔融状态，等充填下一个塑件时再进入
模穴，所以不会变成浇口废料。热流道
系统也称作热歧管系统
(hot
manifold
systems)
或无流道成形
(runner
less
molding)
。常用的热流道系统包括：绝热式
和加热式两种。
使用绝热式流道
(insulated
runners)
的模具，其模板有足够大的通道，于射出成
形时，接近流道壁面塑料的绝热
效果加上每次射出熔胶之加热量，就足以维持熔胶流路的
通畅，如图
6-6(a)
所示。
加热式流道
(heated
runn
ers)
系统有内部加热与外部加热两种设计。内部加热式如图
6-6(b)
，由内部的热探针或
鱼雷管加热，提供了环形的流
动通道。藉由熔胶的隔热作用可以减少热量散失到模具。外部加热式提供了内部的流
动通
道，并由隔热组件与模具隔离以降低热损失，如图
6-6(c)
。表
5-2
列出三种热流道的优缺点。
表
6-2
各种流道系统之优缺点
热流道种类
绝热式
优
点
设计较简单
成本较低
缺
点
?
会在浇口处产生不必要的凝固层
。
?
必须以短周期时间维持熔融状态。
?
需要较长的起动时间以到达稳定的熔胶温度。
?
有充填不均之问题。
内部加热式
改善热分布情形
?
成本较高，设计较复杂
。
?
应注意流动平衡和复杂的温度控制。
?
应考虑模具的不同组件之间的热膨胀。
外部加热式
改善热分布情形
温度控制较佳
?
成本较高，设计较复杂。
?
应考虑不同的模具组件之间的热膨胀。
图
6-6
热流道系统之种类：
(a)
绝热式、
(b)
内部加热式、和
(c)
外部加热
式。
-
-
-
-
-
-
-
-
-
上一篇：粉状物质往复式筛选器结构设计
下一篇：月英语六级真题汇总及答案解析