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模流分析入门


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 => 质量(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(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 molding)、气体 辅助射出成形(gas-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。 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(reciprocating 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、改善产品质量、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)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(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 POLYFLOW CAPLAS MELT FLOW SIMPOE MOLDEX INJECT-3 Pro/E Plastics 开发单位 A.C.Tech. (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) 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 稳定性问题和网格质量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 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-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。 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(injection 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(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。 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,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)。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(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范本(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,并经由导杆与移动范本相接。母模板通常锁在固定模板上,并且连 接到喷嘴;公范本锁在移动安装板上,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)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(bafflers)、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。 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质量和制程的经 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质量都有很重要的影响。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) 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,并塑化材料准备下一次射出,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 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。当移动范本后退,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

(f)

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 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(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。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 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(the critical freezing location)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(shot size)—大射出量需要较高的模具温度。 ? 射出速率(injection rate)—高射出速度会造成致稀性的高温。 ? 流道尺寸(size of runner)—长的流道需要较高温度。 ? 塑件壁厚(part thickness)—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 dead time 最短的制程。 改善 dead time 的方法包括: ? 统计法—例如 control charts、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 品的质量。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(assembly with fasteners)

(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(vinyl polymer),结构如下:

?? CH 2 ? CH ? ?n
| 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 = 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 210 GPa。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σ 0╱应变ε 0,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 特性 低熔点 高拉伸率 低密度 塑料材料与金属、陶瓷材料之特性比较 优点 容易加工成形 Low brittleness 成品轻 缺点 使用温度范围窄 高潜变强度和低降伏强度 结构强度低

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

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

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

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 blends)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)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(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(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 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 ˙化学反应后,分子链产生交联网状结构。 用。 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卖,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℉)、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 常用的材料 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

丙烯晴—丁二烯—苯乙烯共聚合 聚缩醛树脂(POM)、耐隆(PA, 聚 物 (ABS) 、 压克力 (例如 PMMA、 酰胺)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、 PAN) 、聚碳酸脂(PC)、聚苯乙烯 热塑性聚脂(例如 PBT、PET)。 (PS)、聚氯乙烯(PVC)、苯乙烯— 丙烯系聚合物(SAN)。 分子在液相和固相都呈现杂乱的 分子在液相呈现杂乱的配向性, 配向性。 在固相则形成紧密堆砌的晶体。 具有软化温度范围,但没有明显 具有明确的熔点。 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 ? ? ? ? ? ? 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

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 shrinkages)都很接近, 所以考虑塑件尺寸 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卖。 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 材料 名称 熔胶温度 (°C/°F) 模具温度 (°C/°F) 顶出温 度 (°C /°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 min kg C ABS PA 12 PA 6 PA 66 PBT PC PC/ABS PC/PBT PE-HD PE-LD PEI PET PETG PMMA POM 35 10 95 5 110 5 100 5 220 200/392 230/446 280/536 275 230/446 255/491 300/572 25/77 50/122 80/176 88/190 30/86 80/176 110/23 135/275 0

275 230/446 255/491 300/572 70/158 85/185 110/23 133/271 0 275 260/500 280/536 320/608 70/158 80/176 110/23 158/316 0

35 2.16 250 220/428 250/482 280/536 15/60 60/140 80/176 125/257 20 1.2 300 260/500 305/581 340/644 70/158 95/203 120/24 127/261 8 12 5 46 5 240 230/446 265/509 300/572 50/122 75/167 100/21 117/243 2 275 250/482 265/509 280/536 40/104 60/140 85/185 125/257 20/68 40/104 95/203 100/212 20/68 40/104 70/158 80/176

15 2.16 190 180/356 220/428 280/536 10 2.16 190 180/356 220/428 280/536

15 5.00 340 340/644 400/752 440/824 70/158 140/28 175/34 191/376 4 7 27 5 23 5 10 3.8 290 265/509 270/518 290/554 80/176 100/21 120/24 150/302 2 8 260 220/428 255/491 290/554 230 240/464 250/482 280/536 10/50 15/60 30/86 59/137 35/90 60/140 80/176 85/185

20 2.16 190 180/356 225/437 235/455 50/122 70/158 105/22 118/244 1

PP PPE/PPO PS PVC SAN

20 2.16 230 200/392 230/446 280/536 40 10 15 5 50 10 30 10

20/68 50/122 80/176 93/199

265 240/464 280/536 320/608 60/140 80/176 110/23 128/262 0 200 180/356 230/446 280/536 200 160/320 190/374 220/428 20/68 50/122 70/158 80/176 20/68 40/104 70/158 75/167

220 200/392 230/446 270/518 40/104 60/140 80/176 85/185

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 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 铝粉、碳纤维、石墨 ? ? Silanes、titanates ? 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

氯、溴、硫、金属盐 ? 碳酸钙、硅、黏土 料 ? ? 单体液体、 低分子量材 ?

着色剂(色料或染料)金属氧化物、铬酸盐、 ? 碳黑 ? 发泡剂 气体、 氮复合物、 联氨 ? 衍生物

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;(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 1020 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) ,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 ~105 1/s 之间。

(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 4-4

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:
p?

?熔膠黏滯性??流動長度??容積流動率?n ?管道半徑?3n?1

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? ?管道寬度? ?管道厚度?2 n?1

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。 4-2-1 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 塑件设计 肉厚 需要高射出压力 可用低射出压力

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。充填模式对于塑件质量有决定性的影响,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。

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(fountain 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4-14

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。 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(power law),
? ?u ? ? ? ?? ? ?y ? ? , ? ?
n

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(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/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(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。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L0;(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 ? L0 L0

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: 應力(? ) 楊氏模數( E ) ? 應變(? ) 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。

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、 图 5-3 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( Ec ) ?

? ? (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(stress 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 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 5-1-4 冲击强度

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。

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。

5-1-5

图5-9 热机械行为

塑料应力集中是其厚度与圆角半径的函数

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。

????

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 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

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 塑件承受反复性负荷时,应考虑下列建议: ???? 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。 ???? ???? 5-2-4 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。 高速负荷及冲击负荷

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。 ???? 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 5-2-5 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。 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 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 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、表面质量等因素的影响,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。

图5-10 (左边)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)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虑是: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。 ???? 加长塑件所需的冷却时间。 ???? 增加产生凹痕与气孔的机会。 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 5-5 组合之设计

图5-14

平坦表面加设蜂巢状的肋

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,在现实的考虑上,为了成形与模具的限 制、功能需求、及经济考虑,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。 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 件间对齐机制,并减低大尺寸组件的公差问题,如图5-15。

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d1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 干涉百分比[(d-d1)/d×100%]相对于轴径比(D/d) 。
? S ? d ? ?? W ? ? h l ? ? d ? ?? ? ? W ? ?? E h ? ?1 ? ? s ? ? ? ? ? ? E ?? , ? ? s ??

?d? 1? ? ? ?D? W ? 2 ?d? 1? ? ? ? D?

2

其中,

l Sd D d Eh Es

= 径向干涉,d-d1,单位 mm。 = 设计应力,单位 MPa。 = 毂外缘直径,单位 mm。 = 插入轴直径,单位 mm。 = 毂之拉伸弹性模数,单位 MPa。 = 插入轴弹性模数,单位 MPa。

υ h = 毂材料之浦松比。 υ s = 插入轴材料之浦松比。 W = 几何因子。 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 pm和毂径d。以下计算公式假设配合 件之一者是刚体,假如两个配合件有相同的挠性,则应变将减半,而倒勾可以两倍 大。 × 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
pm

y= ε

角(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 joints)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 l1 l2 其中 φ = 扭转角度; y1, y2 = 挠曲量; l1, l2 = 臂长(参阅图5-20)。 允许的最大扭曲角φ
pm受限于允许的剪应变γ pm,

? pm ?
其中 φ γ
pm=

180

?

? ? pm ?

l r

允许的最大扭曲角ψ pm(度); pm= 允许的剪应变; l = 扭转臂长度; r = 扭转轴半径。 塑料的允许最大剪应变γ pm大约等于: γ pm = ( + υ )ε pm γ pm = 1.35ε pm 其中 γ ε υ = 允许之剪应变; pm = 允许之应变; = 浦松比(塑料大约为0.35)。
pm

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 psi 时,可以使用成形螺纹螺丝钉 (thread-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 screws)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 6-1-1 ? 可控制充填时间/保压时间/成形周期时间 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: ? 标准流道系统(standard,或鱼骨形Herringbone) ? H形流道系统(H-bridge,或分枝形branching) ? 辐射流道系统(radial,或星形star) H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, 应该将竖浇道根部设计成半径 r2的圆角。其它的设计规格如下列: Dco ≧ tmax + 1.5 (mm) Ds ≧ Dn + 1.0 (mm) α ≧ 1° ~ 2° tan(α ) = (Dco – D) / 2L

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范本滑动件之 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: 4A Dh ? P 其中, Dh = 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-mold软件之形状 因子(shape factor)的倒数。

6-1-5

图6-3 流道尺寸之决定

各种流道形状的等效水力直径

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资料或是下列方 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:
D ? W 1 / 2 ? L1 / 4 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所提供实验资料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. 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 2. 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 fL 。 3. 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 材料 mm ABS, SAN Acetal 聚缩醛树脂 Acetate 5.0-110. 5.0-10.0 3.0-10.0 无填充料之塑料的典型流道尺寸 材料 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 Acrylic 压克力 Butyrate Fluorocarbon 聚氟碳树脂 Impact acrylic 耐冲击压克力 Ionomers Nylon 耐隆 Phenylene 2.0-10.0 2.0-10.0 6.0-10.0 8.0-10.0 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 Polyvinyl (plasticized) 聚氯乙烯 3.0-10.0 1/8-3/8 6.0-10.0 1/4-3/8 3.0-10.0 1/8-3/8 5.0-10.0 3/16-3/8 8.0-10.0 5.0-10.0 5.0-10.0 5/16-3/8 Polyethylene 聚乙烯 3/16-3/8 Polyamide 聚丙烯酸脂 3/16-3/8 Polyphenylene oxide 6.0-10.0 1/4-3/8 5.0-10.0 3/16-3/8 2.0-10.0 1/16-3/8 5.0-10.0 3/16-3/8 3.0-8.0 1/8-5/16 mm 5.0-10.0 直径 inch 3/16-3/8 直径

Phenylene sulfide Polyallomer 异聚合物 6-1-6

6.0-10.0 5.0-10.0

1/4-1/2

PVC Rigid 硬质聚氯乙烯

6.0-16.0 6.0-8.0

1/4-5/8 1/4-5/16

3/16-3/8 Polyurethane 聚尿素树脂

热流道系统

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 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 (runnerless 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,其模板有足够大的信道,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 runners)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 热流道种类 绝热式 优 成本较低 点 设计较简单 各种流道系统之优缺点 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。 ? 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。 ? 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。

内部加热式

改善热分布情形

外部加热式

改善热分布情形 温度控制较佳

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。 6-2 流道平衡 如果可能的话,应使用自然平衡流道系统来平衡进入模穴的熔胶流动。让熔胶 平衡地流入模穴是高质量塑件之先决条件,藉由改变流道的尺寸与长度可以达成自 然平衡的流道系统。假如无法达成自然平衡之流道系统,可以改用人工平衡流道系 统,经由改变浇口尺寸获得相似的平衡充填,但是会显著地影响浇口的冷凝时间, 进一步影响塑件的均质。应用模流分析软件的流道平衡工具,可以使人工平衡流道 系统变得更节省时间和成本,并且获得平衡充填的塑件,参阅图6-7。

图6-7

人工平衡流道系统之成形塑件

要平衡流道系统,促成熔胶流向距离竖浇道最遥远的模穴,可以缩减充填其它 模穴的流道口径。但必须注意到,太小的流道口径可能使流道内的熔胶提前凝固, 造成短射;另一方面,小口径流道会增加剪切热,使熔胶黏滞性降低,造成更快速 的充填。此外,应该牢记非标准规格的流道口径会增加模具的制作成本与维修成本。 人工平衡流道系统有可能因为塑料差异就射出不同质量的塑件,所以需要更严 谨地控制成形条件。只要成形件稍有变化,充填模式就可能改变,造成不平衡的充 填。 在流道设计的最终阶段,模流分析软件可以协助确认流动速率对于流道系统设

计的敏感度,并且决定适当的成形条件。例如,使用鱼骨形流道系统时,不同的进 浇速率会造成不同充填模式。一般而言,低进浇速率将先充饱远离竖浇道的模穴; 高进浇速率则先充饱靠近竖浇道的模穴。原因在于低进浇速率的熔胶流动到第一个 浇口时,会因流动阻力而流向流道的其它部分,等到流道系统内充满熔胶之后,上 游的第一个浇口因部分熔胶凝固而产生较大的流动阻力,于是,下游的模穴较先充 饱,如图6-8所示。

6-2-1

图6-8 使用不同射出速度之不平衡流道系统的流动模式 流道设计规则

流道设计对于塑件质量与产能有绝对的影响,本节之流道设计规则提供了流道 设计的基本规范。 (1) 在流道尺寸方面,流道截面面积不应该小于竖浇道截面面积,以便熔胶可以快 速流到浇口区域。但是必须注意不要使用太大口径的流道,才能够降低废料量。 选择冷流道口径应考虑能够使用标准刀具加工者优先。对于大部分的塑料,建 议流道最小直径为 1.5 mm(0.06英吋) 。未加填充材料的塑料之典型流道尺寸 可以参考表 6-1。梯形流道的高度与宽度大约相等,而且每边各有 5°~15° 的斜角。 (2) 每当流道有分支,其分支流道的直径应该要小于主流道的直径,因为只有较少 量的熔胶会流进分支。而且,从经济观点而言,应减少流道内的的熔胶量,以 减少废料。当主流分流到N个分支流道时,主流道直径 (dmain)和分支流道直径 (dbranch)的关系为: dmain =dbranch× N1/3 (3) 考虑熔胶温度,一般而言,小尺寸流道比大尺寸流道为佳,其可以产生较大量 的黏滞热,有效地提升熔胶温度,而不必采用高温料管。不当地应用高温料管 可能会导致塑料裂解。然而,小尺寸流道系统有可能提前凝固,造成短射。 (4) 所有的流道必须在交接处设计一冷料井(cold slug well),帮助熔胶流进流道系统

和模穴。图6-9显示冷料井的长度通常等于流道直径。流道与另一分支流道相交 处,通常在流道延伸处设置冷料井。

图6-9 冷料井 (5) 流道的设计必须顾及顶出和脱模的方便性,提供适当的剖面和脱模斜角。对于 大部份的塑料而言,必须将流道表面抛光,以方便熔胶流动和顶出塑件。加长 的流道系统应该采用多竖浇道拉杆(multiple sprue pullers)和多重顶出位置。 (6) 设计热浇道系统时,应咨询塑料供货商,以确定正确的歧管尺寸和进浇量。 6-3 浇口设计 浇口是熔胶流进模穴处的小开口,一个塑件的浇口设计包括浇口种类、尺寸和 位置。浇口设计受到塑件设计、模具设计、塑件规格(例如外观、公差、同轴性) 、 成形塑料、填充材料、范本种类、和经济因素(模具加工成本、成形周期、允许之 废料量等)的影响。浇口设计对于塑件的质量和产量的影响甚巨。 除非熔胶的流动长度超过实用上的限制,而必须使用多浇口系统,否则最好采 用单浇口。多浇口系统通常会产生缝合线和熔合线的问题。单浇口系统可以确保材 料、温度的均匀分布和均匀的保压,以及较佳的分子链配向性。虽然单浇口系统模 具的最初加工成本较高,但是废料少,塑件质量佳等结果使其值回票价。 图6-10显示浇口尺寸的名词。和塑件及流道比较,浇口截面通常很小,所以塑 件可以很容易地去除浇口而不会留下浇口痕迹。通常浇口厚度大约是塑件厚度的 2/3。由于浇口处的塑料凝固可以视为保压阶段的结束,大截面的浇口可以减少黏滞 热热,大截面浇口容许使用较低进浇速度进浇,使用较高的保压压力进行较长时间 的保压,以提高塑件的材料密度。假如必须考虑塑件的外观、低残留应力和较佳尺 寸稳定性等因素,就应该选用较大的浇口。

图6-10 浇口各个尺寸之名称 浇口位置之选择,应该确保均匀快速地充填,而且将缝合线/熔合线和排气孔

安排到最不影响塑件外观或强度的区域。另外,熔胶流动的高压力和高流动速度使 得浇口附近产生极高的残留应力,所以应将浇口设置在远离塑件承受外来高应力的 区域。浇口应远离塑件之薄截面区域或肉厚突然变化区域,以避免迟滞现象或产生 凹痕与空洞。 6-3-1 浇口种类 浇口有许多类型,根据去除浇口方式方类可以区分为人工去除式浇口(manually trimmed gates)和自动去除式浇口(automatically trimmed gates)。 (A) 人工去除式浇口 人工去除式浇口需要作业员二次加工切除浇口,其使用的原因包括: ? 浇口太大,必须移到模具外面再予以剪除。 ? 对于剪切应力很敏感的塑料(例如 PVC) ,应避免采用自动去除式浇口。 ? 来自不同方向的熔胶同时流过大的截面积,而且要求纤维的配向性时, 应避免自动去除式浇口。 人工去除式浇口有下列形式:直接浇口、凸片浇口、边缘浇口、重迭式浇口、扇形 浇口、盘状浇口、环状浇口、辐状浇口、和薄膜浇口。 (1) 直接浇口 直接浇口(direct gate)又称为竖浇道浇口(sprue gate)如图 6-11,通常使用于 单模穴模具,塑料以最小的压力降直接从竖浇道填入模穴。此类浇口于剪除后容易 在塑件表面留下浇口痕迹。直接浇口的凝固受控制于塑件肉厚,而不是浇口厚度。 通常塑件在接近直接浇口区域的收缩不大,但在直接浇口处有大量的收缩,结果造 成浇口处的大量拉伸应力。 直接浇口入口端的直径与射出机喷嘴直径有关系,此浇口入口直径必须比射出 机喷嘴直径大 1mm 以上。标准竖浇道衬套具有 2.4° 锥度向塑件端开口,因此, 直接浇口的长度控制着塑件端的浇口根部直径,此浇口根部直径至少要比塑件肉厚 大 1.5 mm 以上,或者大约取塑件浇口肉厚的 2 倍。直接浇口锥角至少要 1°,太小 的锥角可能在顶出时使竖浇道无法与竖浇道衬套分离;太大的锥角则浪费塑料,并 且加长冷却时间。非标准锥角的竖浇道加工成本较高,却没有什么好处。

图 6-11

直接浇口

(2) 凸片浇口 凸片浇口(tab gate)如图 6-12,通常使用于扁平塑件或薄塑件,以减小模穴内 的剪应力。浇口周遭的高剪应力只发生在辅助凸片,并且将于成形后剪除。凸片浇 口经常应用于 PC、压克力、SAN 和 ABS 等树脂的成形。凸片的最小宽度是 6.4mm, 最小厚度为模穴肉厚的 75%。 (3) 边缘浇口 侧边浇口(edge gate)又称为标准浇口(standard gate) ,如图 6-13 所示,通常 位于模具的分模在线,而且从塑件的侧边、上方或下方充填。典型边缘浇口尺寸为 塑件厚度的 6%~75%,或是 0.4~6.4 mm,宽度为 1.6~12.7 mm,浇口面长度不应超过 1.0 mm,最佳值为 0.5 mm。

图 6-12 (4) 重迭浇口

凸片浇口

图 6-13

边缘浇口

重迭浇口(overlap gate)与边缘浇口类似,如图 6-14 所示,但是重迭浇口与塑 件侧壁或表面有重迭。重迭浇口通常用来防止喷流效应。典型重迭浇口尺寸为 0.4~ 6.4 mm 厚,1.6~12.7 mm 宽。 (5) 扇口浇口 扇形浇口(fan gate)如图 6-15,是厚度逐渐改变的宽边浇口,具有大充填面积, 可以让熔胶迅速地充填大型塑件。大型塑件非常在乎翘曲问题和尺寸的稳定性,使 用扇形浇口可以让大型塑件的熔胶波前均匀地充填模穴。扇形浇口的宽度和厚度具 有锥度,并且要维持固定的熔胶波前面积,以确保固定的熔胶速度,让熔胶在整个 浇口的宽边以相同压力进行充填。如同其它的人工去除式浇口,扇形浇口的最大厚 度不超过塑件的肉厚的 75%。典型的扇形浇口厚度为 0.25~1.6 mm,宽度从 6.4 mm 到模穴侧边长度的 25%。 (6) 盘状浇口 盘状浇口(disk gate)又称为薄膜浇口(diaphragm gate) ,如图 6-16 所示,常用 在内侧有开口的圆柱体或圆形,并且需要高度同轴性的塑件,或是不容许有缝合线 的塑件。基本上,盘状浇口是在塑件的内缘使用毛边状的浇口,熔胶从同轴的竖浇 道充填进入模穴,很容易获得熔胶均匀流动的塑件。盘状浇口厚度通常是 0.25~1.27 mm。

图 6-14 重迭浇口 图 6-15 扇口浇口 (7) 环状浇口 环状浇口(ring gate)如图 6-17,也应用于圆柱体或圆形塑件,塑料先沿着模心 环绕,然后再沿着圆管向下充填。环状浇口并不适用在所有的塑件。环状浇口的厚 度通常为 0.25~1.6 mm。

图 6-16

盘状浇口

图 6-17

环状浇口

(8) 辐状浇口 辐状浇口(spoke gate)如图 6-18,也称为四点浇口(four-point gate)或者十字浇 口(cross gate),它适用于管状塑件,具有容易去除浇口和节省塑料的优点。但是可能 会造成缝合线,也无法获得完美的真圆度。辐状浇口通常是 0.8~4.8 mm 厚,1.6~6.4 mm 宽。 (9) 薄膜浇口 薄膜浇口(film gate)如图 6-19,又称为毛边浇口(flash gate) ,薄膜浇口与环 状浇口类似,但使用于边缘平直的塑件,它具有平直的浇口,浇口宽度可以跨接整 个模穴边缘或是部份的模穴。薄膜浇口适用于压克力塑件,而且常常用在又大又平 整的塑件,以保持最小量的翘曲。薄膜浇口尺寸很小,厚度大约是 0.25~0.63 mm, 宽度大约为 0.63 mm。

图 6-18 辐状浇口 (B) 自动式去除式浇口

图 6-19

薄膜浇口

自动去除式浇口与模具动作配合,在顶出塑件时剪断浇口。它们应用于: ? 避免去除浇口的二次加工。 ? 维持均一的周期时间 ? 使浇口痕迹最小化。 自动去除式浇口包括下列各类型:针状浇口、潜式浇口、热流道浇口、和阀浇口。 (1) 针状浇口 针状浇口(pin gate)如图 6-20,通常应用于三板模,其流道系统位于模板的一 组分模在线,塑件模穴接在主要分模在线。具有倒锥角的浇口在平行于模板运动方 向穿透中间模板。当打开模穴主分模线时,针状浇口的小直径端从塑件撕离,再打 开流道分模线即可顶出流道废料。此系统也可以先打开流道分模线,再使用辅具撕 下流道废料。针状浇口最常使用在单一塑件多点进浇,以确保对称的充填,或是缩 短流道长度以确保整个塑件的保压操作。典型的针状浇口的直径 0.25~1.6 mm。 (2) 潜式浇口 潜式浇口 (submarine gate) 或称为隧道浇口 (tunnel gate) 、 凿子浇口 (chisel gate) , 如图 6-21 所示,使用于两板模,在分模线以下,流道末端与模穴之间加工一倾斜之 锥状隧道。于顶出塑件和流道时,浇口会与塑件分离。典型的潜式浇口直径为 0.25 ~ 2.0 mm,浇口由粗变细,直到成为球状端点。假如塑件的非功能区具有大直径的针 状特征,可以将它与潜式浇口连接,以减低加工成本。假如针状特征发生在隐藏面, 亦可以不将他去除。将多重潜式浇口设计在圆柱体的内面,可以取代盘状浇口,并 且具备自动去除浇口的功能,其获得塑件的外围真圆度虽然比盘状浇口塑件的真圆 度差,但通常也还可以接受。

图 6-20 针状浇口 图 6-21 潜式浇口 (3) 热流道浇口 热流道浇口(hot-runner gate)或称为热探针浇口(hot-probe gate) ,如图 6-22 所示,通常从电热式竖浇道和加热流道直接传送熔胶进入模穴,以产生无流道的塑 件。其保压周期受控制于塑件浇口附近的凝固情形。当模板打开时,相当高温的塑 料将自模穴撕开。 (4) 阀式浇口 阀式浇口(valve gate)如图 6-23,在热流道浇口内增加一针杆,以便在浇口凝 固之前关闭浇口。它可以应用在较大的浇口而不会产生浇口痕迹。因为保压周期受 控于针杆,阀式浇口可以得到较佳的保压周期和较稳定的塑件质量。

图 6-22 热流道浇口 图 6-23 阀式浇口 6-3-2 浇口设计原则 设计恰当的浇口可以均匀迅速、单一方向地传送熔胶以充填模穴,并且获得适 当的凝固时间来冷却塑件。浇口应该射在非功能区、非外观区等适当位置。浇口设 置在塑件的最厚部位,让塑料从厚区流向薄区,有助于获得良好的流动路径和保压 路径。将浇口位置应设置在塑件中央,可以使熔胶流动到塑件的各个极端位置都有 相同的流动长度。 不适当的浇口位置常造成一些问题,应牢记在心。浇口的位置必须让模穴内的 气体于射出成形时逃逸出,否则将会造成短射、包风、烧焦痕迹、或是在浇口处贮 积高压力。浇口位置与尺寸的设计也应该要避免喷射流现象,加大浇口或者改善浇 口位置使熔胶冲击模壁,可以改善喷射流现象。对称的塑件应使用对称的浇口,以 维持对称性。假如流动路径不对称,会使塑件的部份区域先完成充填、保压、冷却, 最后造成不均匀的收缩和翘曲。假如选择的浇口位置无法避免让塑件产生缝合线或 熔合线,应该将浇口移到非功能区、非外观区等位置。 浇口凝固时间是模穴进行保压的最终有效时间。太小的浇口使得最慢凝固的部 位发生在塑件内部,而不是发生在浇口,甚至浇口可能于解除保压之后才凝固,使 熔胶从塑件逆流到流道系统。良好设计的浇口必须防止熔胶逆流。 设计初期应该使用较小尺寸的浇口,必要时,还可以将浇口加大。正常的浇口 厚度(gate thickness)是浇口处塑件肉厚的 50~80%。人工去除式浇口偶而会与塑件肉 厚相同,自动去除式浇口厚度一般都小于塑件肉厚的 80%,以避免剪除浇口造成塑

件变形。针状浇口和潜式浇口的末端直径一般约 0.25~2.0 mm(0.01~0.08 英吋) 。浇 口长度短越好,以减少浇口区的压力降,适当浇口长度从 1~1.5 mm(0.04~0.06 英 吋) 。 添加纤维的塑料需要使用较大的浇口,以防止通过浇口的纤维断裂。潜式浇口 和针状浇口从等小尺寸的浇口可能损伤添加纤维,边缘浇口等能够产生均匀充填模 式的浇口可以产生均匀纤维配向性的塑件。 射出成形的数值模拟分析是用来比较不同浇口设计的效果之有效工具。 6-4 设计范例 本单元说明模流分析软件在塑料工业之不同层面的功用, 以及使用软件的策略, 俾使得设计观念与物理概念能够付诸实施。本单元讨论的主题包括射出压力、充填 模式、熔胶波前速度、流道设计与平衡,和浇口设计。 本单元融入塑料射出成形的设计概念于各步骤, 应用 C-mold 的 Process Solution 进行模拟分析。第一阶段使用 C-mold Filling EZ(简易充填)分析初始的设计和决定 浇口位置与螺杆速度曲线,第二阶段使用 C-mold Filling and Post –Filling (充填与 后充填)分析,更详细地选择的材料、塑件设计、模具设计和成形条件。 6-4-1 阶段一:C-mold Filling EZ 简易充填模拟分析 C-mold Filling EZ 执行等温条件下的三维牛顿流体之模穴充填模拟。Filling EZ 应用在塑件、浇口及成形条件的先期设计,每次模拟改变一组设计参数以观察其对 于充填结果的影响,最终目的在于决最佳浇口位置和最佳螺杆速度曲线。 已知条件:原始产品设计。 目 的:决定最适当之浇口位置和最佳射出速度曲线。 设计规范:? 以最短的流动长度和最低的射出压力产生一均匀的充填模式。 ? 维持固定的熔胶波前速度,使塑件性质差异降到最低。 设计 1:扇形浇口,固定射出速度之设定,执行 Filling EZ 分析。 观察结果 1.1: 从熔胶波前图得知其最长的 流动长度大约等于塑件长度。太 长的流动长度导致需要较高的射 出压力充填模穴。 图 6-24 模穴。 流动长度太长,需要高射出压力充填

观察结果 1.2: 固定射出速度(亦即固定容 积流动速率) 造成随 MFA 而变化 的 MFV。变化之 MFV 导致塑件 表面的分子链/纤维配向性差 异, 可能造成不同的收缩与翘曲。 图 6-25 熔胶波前具有不同的流动速度

设计 2:将浇口移侧塑件几何中心位置,以固定射速中心进浇,重新执行分析。 观察结果 2.1: 缩短的流动长度可以降低需 求之射出压力。

图 6-26 需克服问题: 结果,造成具有变化 MFV 的放射状充填模式, 仍然不理想。

中央进浇缩短了流动长度

图 6-27

固定螺杆速度

图 6-28

变化的熔胶波前速度

设计 3:中央进浇,使用 Filling EZ 建议的变化螺杆速度曲线重新执行分析。

观察结果 3.1: 结果,MFV 变得均匀

图 6-29

变化之螺杆曲线

图 6-30

均匀的熔胶波前速度

6-4-2 阶段二:执行 C-mold Filling & Post Filling 最佳化 第一阶段的设计已经初步改善了原始设计,第二阶段将使用 C-mold Filling and Post-Filling ,更详细研究具有热传效应下,热塑性塑料之非牛顿流体行为的三维充 填分析,它可以检验所选择材料、塑件设计、模具设计和最佳的成形条件(例如充 填时间、熔胶温度与冷却剂温度。 ) 己知条件:使用设计 2 的浇口位置与设计 3 的螺杆速度曲线。 目 的:将浇口位置、流道系统及成形条件最佳化以充填模穴。 设计规范:? 产生均匀的充填模式以降低射出压力和锁模力的需求,节省能源和机 器成本。 ? 维持固定熔胶波前速度,以最小化塑件性质之差异。 ? 使塑件整体的温度差异降到最低,以去除局部热点/冷点,避免表面 缺点。 ? 在树脂供货商建议的范围内,维持最大剪应力及剪切率。 设计 4:中央进浇,变化之螺杆速度曲线。使用充填时间扫描(fill-time scan)进行充 填与保压模拟分析。 观察结果 4.1: 等间距熔胶波前曲线代表 MFV 维持固定值。

图 6-31

固定熔胶波前速度

观察结果 4.2: 从充填时间扫描建立一 U 形 曲线,代表射出压力与充填时间 的关系,采用最低射出压力的最 佳充填时间。 图 6-32 需克服问题: 假如所需要的射出压力超过 机器的最高负载,例如本范例中 为 80 M Pa,就必须修改成形条 件或设计。 图 6-33 解决之程序: ? 应该以现有工具,最简易、最 便直的方法出发,并评估各选 用参数的优劣。 ? 分析各设计案例之不同熔胶温 度、模壁温度、浇口与流道设 计或塑件肉厚。 ? 重复执行可行之设计的模拟分 析,以决定最佳设计。 射出压力过高 最佳之充填时间

图 6-34

尝试不同的成形条件

设计 5:多浇口进浇,变化之螺杆速度曲线,执行 Filling EZ 分析以决定多重浇口之 进浇位置及最佳的螺杆速度曲线。 最初阶段的设计修改模具设 计而不改变模具温度或熔胶温 度,这可能导致周期时间增加。 本设设采用多重浇口以缩短熔胶 流动长度,也降低了需求的射出 压力。 观察结果 5.1: C-mold Filling EZ 预测了三

图 6-35

选择之浇口位置

个可能的浇口位置之充填模式。

图 6-36

此组浇口位置造成的熔胶波前

设计 6:三点进浇,使用热浇道系统,变化的螺杆速度曲线,再执行充填与保压模 拟分析。 观察结果 6.1: 多点进浇使流动长度大幅缩 短,并且降低所需的射出压力。 观察结果 6.2: 配合使用热流道系统可以减 低多点进浇的流道废料,降低流 道的压力降。 填。 需克服问题: 仍有缝合线、熔合线和包封 等问题待解决。 建议: 假如无法接受缝合线位置, 可以变更浇口位置,或者控制阀 浇口的开关, 以改变缝合线位置。 观察结果 7.1: 使用顺序控制阀以消除缝合 线,并且保留多重浇口的优点。

图 6-37

流动长度缩短,只须低射出压力充

图 6-38

多浇口导致缝合线

设计 7:三个阀控浇口依序开启或关闭。使用热流道系统和变化的螺杆速度曲线。

图 6-39

最初,只开启中央的浇口。

观察结果 7.2: 关闭下游的浇口,直到上游 的熔胶波前到达时再开启,并继 续充填程序。当下游浇口阀打开 后,中央浇口的阀可以选择开启 或开闭。 观察结果 7.3: 从 C-mold 的整体温度分布 图可以得知充填过程的每一瞬间 的塑件温度变化。

图 6-40 口。

当上游的熔胶到达时,开启下游阀浇

图 6-41 观察结果 7.4: 当模壁之最大剪应力超过一 限度,会造成熔胶断裂或尺寸不 稳定问题。 从 C-mold 分析所的 模壁剪应力分布图可以发现在潜 在问题的区域。

整体的温度分布

图 6-42

模壁剪应力分布

6-5 模具冷却系统 热塑性塑件的射出成形中,模具的冷却时间占整个周期的 2/3 以上,如图 6-43 所示。效率好的冷却回路可以缩减冷却时间,增加产能。再者,均匀的冷却可以降 低残留应力,维持塑件尺寸的精度与稳定性,进而改良塑件质量。(参阅图 6-44)。

图 6-43

模具冷却占整个射出成形周期的 2/3 以上

图 6-44 适当有效的冷却可以改善塑件的质量和生产率 模具冷却系统之组件 模具本身可以视为一具热交换器,将熔胶所含的热量经由冷却循环系统的冷媒 带走。典型的模具冷却系统如图 6-45 和图 6-46 所示,包括下列组件: ? 模温控制单元 ? 帮浦 ? 冷媒供应歧管 ? 管路(hoses) ? 模具内的冷却孔道(channels) ? 冷媒收集歧管

图 6-45 射出成形机的典型冷却系统 图 6-46 与范本连接之冷却孔道 6-5-1 冷却孔道的配置 冷却孔道可以是并联或串联管路,如图 6-28 所示。并联冷却孔道路从冷媒供应 歧管到冷媒收集歧管之间有多个流路,根据各冷却孔道流动阻力的不同,各冷却孔 道的冷媒流动速率也不同,造成各冷却孔道不同热传效率,并联冷却孔道之间可能 有不均匀的冷却效应。采用并联冷却孔道时,通常模具的模穴与公模心分别有并联 冷却系统,各系统之冷却孔道数目则取决于模具的尺寸和复杂性。

图 6-47 冷却孔道的配置,(左) 并联孔道;(右) 串联孔道。 串联冷却孔道从冷媒供应歧管到冷媒收集歧管之间连接成单一流路,这是最常 采用的冷却孔道配置。假如冷却孔道具有均匀的管径,可以将通过整个冷却系统的 冷媒设计成所需的扰流,获得最有效率的热传。然而,串联冷却管路必须注意将冷 媒上升温度最小化,通常要维持出口与入口温度差在 5℃以内,精密模具则维持在 3℃以内。大型模具可能不只有一组串联冷却孔道,以确保均匀的冷媒温度和均匀的 模具冷却。 6-5-2 其它的冷却装置 模具内可能有些远离冷却管路区域,无法达到正常的冷却效果,这些区域可以 采用障板管(baffles)、喷流管(bubblers)或热管(thermal pins)来达到均匀的冷却效果。 障板管、喷流管和热管都是冷却孔道的一部份,可以引导冷却剂流进平常难以冷却 的区域,如图 6-48 所示。

图 6-48 (1) 障板管

障板管、喷流管和热管。

实际上,障板管是垂直钻过主要冷却孔道的冷却管路,并且在冷却孔道加入一 隔板将其分隔成两个半圆形流路,冷却剂从主要冷却孔道流进隔板一侧,进到末端 再回流到隔板的另一侧,最后回流到主要孔道。 障板管提供冷媒最大接触面积,但是其隔板却很难保持在中央位置,公模心的 两侧的冷却效果及温度分布可能不同。将金属隔板改成螺线隔板,可以改善此缺点, 也符合制造上的经济效益。图 6-49 的螺线隔板让冷媒螺旋式地流到末端,再螺旋式 地回流。另一种设计采用单螺旋或者双螺旋隔板,如图 6-49 所示,其管径大约在 12~50 mm,可以获得均匀的温度分布。

图 6-49 (左) 螺线隔板障板管(helix baffle))和(右) 螺旋式隔板障板管(spiral baffle) (2) 喷流管 喷流管以小口径的内管取代障板管的隔板,冷却剂从内管流到末端,再像喷泉 般喷出,从外管回流到冷却管路。细长的公模心之最有效的冷却方式是采用喷流管, 其内、外管直径必须调整到具有相同的流动阻力,亦即: 内管直径/外管直径=0.707 目前,喷流管已经商业化,可以用螺纹旋入公模。外管直径小于 4mm 的喷流管应该 将内管末端加工成斜边,以增加喷流出口的截面积,如图 6-50 所示。喷流管除了应 用于公模心,也可以应用于无法钻铣冷却孔道的平面模板。 因为障板管和喷流管的流动面积窄小,流动阻力大,所以应该细心地设计其尺 寸。藉由模流分析软件的冷却分析可以将它们的流动行为和热传行为模式化,并且 进行分析模拟。

图 6-50 (左)锁进公模心之喷流管; (右)喷流管末端斜面造就较大的流动。 (3) 热管 热管是障板管和喷流管以外的选择。它是一个内部充满流体的密封圆柱体,此 流体于吸收热量后蒸发,于释放热量到冷却剂后凝结,如图 6-51 所示。热管的热传 效率约铜管的 10 倍。使用热管时应该避免与模具之间的气隙填入高导热性的密封 剂,以确保良好的热传导。

图 6-51 热管 假如公模心的直径或宽度小于 3 mm,就只能以空气冷却而无法准确地保持固 定模温。空气是在打开模具后从外部吹入公模心,或经由内部的中心孔吹入公模心, 如图 6-52 所示。 尺寸小于 5mm 细长公模心的冷却以采用高热传导性材料作为镶埋件较佳, 例如 铜或是铍铜,将之压进公模心深处作为冷却管线,如图 6-53。此镶埋件应尽可能采 用大截面积以提高热传效果。

图 6-52 使用空气冷却之细长公模心 图 6-53 使用高导热性材料之细长公模心 直径 40mm 以上的大型公模心应该使用冷却剂冷却,可以在公模心中央钻一深 孔接近顶端,将螺旋式障板管插入公模心,再注入冷却剂调节温度,如图 6-545。若 是大口径的圆柱体和圆形塑件也可以使用双螺线隔板障板管搭配中央的喷流管进行 冷却,冷却剂从一螺线孔道流到公模心顶端,再从另一个螺线孔道流出。此设计的 公模心壁厚应维持在 3mm 以上,才能维持足够的强度,如图 6-55。

图 6-35

大型公模心使用螺旋式障板管冷却

图 6-36 大型公模心使用双螺线隔板障板管搭配中央喷流管进行冷却 6-6 冷却系统之相关方程式 (1) 冷却时间 理论上,冷却时间与塑件最大肉厚的平方成正比,或是与最大的流道直径的 1.6 次方成正比。
冷卻時間 ? 冷卻時間 ?

?最大肉厚?2
(熔膠之熱擴散係數)

?熔膠之熱擴散係數?

?最大流道直徑?1.6

熔胶的热扩散系数的定义为:
熱擴散係數 ?

?熱傳導係數? ?密度??比熱?

换言之,肉厚增加两倍时,冷却时间就要增加四倍。 冷却剂的流动是否形成扰流,可以用雷诺数 Re 判断,请参考表 6-3。雷诺数的 定义为:
雷諾數(Re) ?

?Ud ?

其中,ρ 表示冷却剂密度,U 表示冷却剂的平均速度,d 表示冷却孔道的直径, η 表示冷却剂的动态黏度。 表 6-3 冷却剂流动型态与对应的雷诺数范围 雷诺数范围 10,000 < Re 2,300 < Re < 10,000 100 < Re < 2,300 Re<100 6-6-1 扰流 层状流与扰流之转换区 层状流 静止流 流动型态

冷却系统之设计规则 设计冷却系统的目的在于维持模具适当而有效率的冷却。 冷却孔道应使用标准 尺寸,以方便加工与组装。设计冷却系统时,模具设计者必须根据塑件的肉厚与体 积决定下列设计参数: 冷却孔道的位置与尺寸、孔道的长度、孔道的种类、孔道的 配置与连接、以及冷却剂的流动速率与热传性质。 (1) 冷却管路的位置与尺寸

要维持经济有效的冷却时间,就应避免塑件肉厚过大。塑件所需的冷却时间随 其肉厚增加而急速增长。塑件肉厚应该尽可能维持均匀,例如图 6-56 的设计。冷却 孔道最好设置是在公模块与母模块内,设在模块以外的冷却孔道比较不易精确地冷 却模具。 通常,钢模的冷却孔道与模具表面、模穴或模心的距离应维持为冷却孔道直径 的 1~2 倍,经验要求,钢材冷却孔道要维持 1 倍直径的深度,铍钢合金要 1.5 倍直 径的深度,铝材要 2 倍直径的深度。冷却孔道之间的间距应维持 3~5 倍直径。冷却 孔道直径通常为 10~14 mm(7/16~9/16 英吋) ,如图 6-57 所示。

图 6-37

应尽可能将塑件设计为均匀肉厚

图 6-57 典型冷却孔道尺寸,d 为冷却孔道直径,D 为孔道深度,P 为孔道间距。 (2) 流动速率与热传 塑件两侧的温度应维持在最小的差异,紧配塑件温差应维持在 10℃以内。当冷 却剂之流动从层流转变为扰流,热传效果变佳。层流在层与层之间仅以热传导传热; 扰流则以径向方向质传,加上热传导和热对流两种方式传热,结果,热传效率显者 增加,如图 6-58 所示。应注意确保冷却管路之各部份的冷却剂都是扰流。

图 6-58 层流与扰流 当冷却剂到达扰流流动状态后,流速的增加对于热传的改善很有限,所以,当 雷诺数超过 10,000 时,就不须再增加冷却剂的流动速率,否则,只会小幅地改善热 传,却造成冷却管路的高压力,需要更高的帮浦费用。图 6-59 说明了一旦冷却剂变

成扰流后,更高的冷媒流动速率并无法改善热传速率或冷却时间,但是压力降与帮 浦成本却显著提高。

图 6-59 热流动率与冷却剂流动率的关系图 冷却剂会向阻力最低的路径流动。有时候可以尝试使用限流塞(restrictive flow plugs)将冷却剂引导流向热负荷较高的冷却孔道。气隙会降低热传效率,因此,应尝 试消除镶埋件与模板之间的气隙,以及冷却管路内的气泡。 模流分析软件的冷却分析可以协助发现与修正静止冷却管路和快捷方式冷却管 路,以及冷却管路的高压力降。 第七章 收缩与翘曲 塑料射出成形先天上就会发生收缩,因为从制程温度降到室温,会造成聚合物 的密度变化,造成收缩。整个塑件和剖面的收缩差异会造成内部残留应力,其效应 与外力完全相同。在射出成形时假如残留应力高于塑件结构的强度,塑件就会于脱 模后翘曲,或是受外力而产生破裂。 7-1 残留应力 残留应力(residual stress)是塑件成形时,熔胶流动所引发(flow-induced)或者热效 应所引发(thermal-induced),而且冻结在塑件内的应力。假如残留应力高过于塑件的 结构强度,塑件可能在射出时翘曲,或者稍后承受负荷而破裂。残留应力是塑件收 缩和翘曲的主因,可以减低充填模穴造成之剪应力的良好成形条件与设计,可以降 低熔胶流动所引发的残留应力。同样地,充足的保压和均匀的冷却可以降低热效应 引发的残留应力。对于添加纤维的材料而言,提升均匀机械性质的成形条件可以降 低热效应所引发的残留应力。 7-1-1 熔胶流动引发的残留应力 在无应力下,长链高分子聚合物处在高于熔点温度呈现任意卷曲的平衡状态。 于成形程中,高分子被剪切与拉伸,分子链沿着流动方向配向。假如分子链在完全 松弛平衡之前就凝固,分子链配向性就冻结在塑件内,这种应力冻结状态称为流动 引发的残留应力, 其于流动方向和垂直于流动方向会造成不均匀的机械性质和收缩。 一般而言,流动引发的残留应力比热效应引发的残留应力小一个次方。 塑件在接近模壁部份因为承受高剪应力和高冷却速率的交互作用,其表面的高 配向性会立即冻结,如图 7-1 所示。假如将此塑件存放于高温环境下,塑件将会释

放部份应力, 导致.的收缩与翘曲。 凝固层的隔热效应使聚合物中心层维持较高温度, 能够释放较多应力,所以中心层分子链具有较低的配向性。 可以降低熔胶剪应力的成形条件也会降低因流动引发的残留应力,包括有: ? 高熔胶温度。 ? 高模壁温度。 ? 长充填时间(低熔胶速度) 。 ? 降低保压压力。 ? 短流动路径。

充填与保压阶段所冻结的分子链配向性,导致流动引发之残留应力。 (1) 表示高冷却率、高剪应力或高配向性; (2)表示低冷却率、低剪应力或低配向性。 7-1-2 热效应引发之残留应力 热效应引发残留应力的原因包括下列: ? 塑料从设定的制程温度下降到室温,造成收缩。 ? 塑料凝固时,塑件从表层到中心层经历了不同的热力历程和机械历 程,例如不同的冷却时间和不同的保压压力等。 ? 由于密度和机械性质变化导致压力、温度、分子链配向性和纤维配向 性的改变。 ? 模具的设计限制了塑件在某些方向的收缩。 塑料于射出成形的收缩可以用自由冷却的例子说明。假如温度均匀的塑件突然 被两侧的冷模壁夹住,在冷却的初期,塑件表层冷却而开始收缩时,塑件内部的聚 合物仍然呈高温熔融状态而可以自由收缩。然而,当塑件中心温度下降时,局部的 热收缩受限于已经凝固的表层,导致中心层为拉伸应力,表层为压缩应力的典型应 力分布,如图 7-2 所示。 塑件从表层到中心的冷却速率差异会引发热效应之残留应力。更有甚者,假如 模具两侧模壁的冷却速率不同,还会引发不对称的热效应残留应力,在塑件剖面不 对称分布的拉伸应力与压缩应力造成弯曲力矩,使塑件产生翘曲,如图 7-3 的说明。 肉厚不均匀的塑件和冷却效果差的区域都会造成这种不平衡冷却, 而导致残留应力。 复杂的塑件由于肉厚不均匀、模具冷却不均匀、模具对于自由收缩的限制等因素, 使得热效应引发之残留应力的分布变得更复杂。

图 7-1

图 7-2

塑件冷却不均匀和塑料温度历程的作用,导致热效应引发之残留应力。

图 7-3

塑件剖面方向不均匀的冷却,造成不对称热效应引发 之残留应力,使塑件翘曲。

图 7-4 说明了保压之压力历程所造成的凝固层比容变化。其中,左图是塑件一 个剖面的温度分布曲线。为了方便说明,将塑件沿着肉厚方向分为 8 层,曲线上显 示着各层的凝固时间为 t1~t8。注意,塑件从最外层开始凝固,越往中心层则需要越 长的凝固时间。 中间的图形显示各层固化的典型压力历程分别为 P1~P8。 充填阶段的压力通常逐渐 上升,在保压初期达到最高压力,之后,因为冷却与浇口固化,压力逐渐下降。结 果,塑件表层与中心层在低压时凝固,其它的中间各层在高保压压力时凝固。右图 说明了第 5 层在 PvT 图上的比容历程,以及各层于最终凝固时的比容,并且以实心 圆点标记。

图 7-4

影响凝固层比容的因子

已知各层的凝固比容,塑件各层收缩行为会根据 PvT 曲线发生不同的收缩。 假设各层是分隔开如图 7-5,结果就收缩到中间图形的情形,2、5、6、7 等中间层 因为凝固比容低(或是凝固密度高)而收缩得较少。而实际上,各层是连接在一起,造 成折衷的收缩分布,中间层受压缩,而外层与中心层则受拉伸。

图 7-5 各凝固层的比容差异相互作用,导致不同的残留应力和塑件变形。 7-1-3 制程引发残留应力与模穴残留应力 就射出成形之模拟而言,制程所引发(process-induces)残留应力比模穴(in-cavity) 残留应力更重要,以下介绍这两个名词的定义,并提供一个范例以说明它们的差异。 塑件顶出以后,模穴施加在塑件的拘束被释放开,塑件可以自由地收缩与变形, 直到平衡状态。此时塑件内尚存的应力就是制程引发的残留应力,或者简称为残留 应力,它包括了流动引发的残留应力和热效应引发的残留应力,而以热效应的影响 为主。 当塑件仍然受到模穴拘束时,塑件凝固所贮积的内应力称为模穴残留应力,此 残留应力会驱使塑件于顶出后发生收缩和翘曲。 图 7-6 左上图是成形塑件于顶出前,仍受到模具拘束的模穴残留应力(通常是 图中显示的拉伸应力) 。一旦顶出,解除了模具对于塑件的拘束,塑件将释放模穴残 留应力而收缩和翘曲。顶出塑件之收缩分布所造成的热效应残留应力分布曲线如图 7-6 左下图。在无外力作用下,塑件剖面的拉伸应力等于压缩应力而达到平衡状态。 图 7-6 右下图表示塑件肉厚承受不均匀的冷却,造成不对称的残留应力而发生翘曲。

图 7-6

(上)模穴残留应力分布曲线及(下)制程引发残留应力分布 曲线和顶出后的塑件形状。

能够造成充分保压和均匀模壁温度的条件, 就可以降低热效应引发的残留应力, 这些条件包括:? 适当的保压压力和保压时间。 ? 塑件的所有表面都有均匀的冷却。 ? 塑件有均匀的剖面肉厚。 7-2 收缩 射出成形塑件从制程温度降到室温,体积收缩率(shrinkage)可以高达 20%。当 结晶材料和半结晶材料冷却到玻璃转移温度以下,分子呈现比较规则的方式排列, 并形成结晶,特别容易产生热收缩;不定形材料于相变化时并没有微结构变化,热 收缩比较小。所以结晶材料和半结晶材料在熔融相和固相(结晶)之间的比容差异 比不定形材料的比容差异大,如图 7-7 所示。此外冷却速率也会影响结晶材料与半 结晶材料的 PvT 行为。

不定形与结晶性聚合物之 PvT 曲线。从制程状态(A 点)到常压室温 状态造成比容变化△υ 。注意:当压力升高时,比容减小。 塑件产生过量收缩的原因包括射出压力太低、保压时间不足或冷却时间不足、 熔胶温度太高、模具温度太高、保压压力太低,而收缩量与制程参数、肉厚的关系 说明图 7-8: 射出成形时,假如没有补偿塑件的体积收缩量,会导致塑件表面凹陷或是内部 的气孔,所以设计模具时必须考虑到塑件收缩问题,塑件收缩率的控制对于塑件设 计、模具设计、制程条件设定非常重要,组合的塑件更是如此。紧接在充填模穴后 进行保压,可以减少/消除凹痕和气孔,以确定塑件尺寸。模流分析软件可以预测 塑件的收缩,提供正确设计模具的指导方针。

图 7-7

图 7-8

影响塑件收缩的制程与设计参数

7-3 翘曲 翘曲(warpage)是塑件未按照设计的形状成形,却发生表面的扭曲,塑件翘曲导

因于成形塑件的不均匀收缩。假如整个塑件有均匀的收缩率,塑件变形就不会翘曲, 而仅仅会缩小尺寸;然而,由于分子链/纤维配向性、模具冷却、塑件设计、模具 设计及成形条件等诸多因素的交互影响,要能达到低收缩或均匀收缩是一件非常复 杂的工作。 塑件因收缩不均而产生翘曲,收缩率变化的原因包括: ? 塑件内部温度不均匀。 ? 塑件凝固时,沿着肉厚方向的压力差异和冷却速率差异。 ? 塑件尚未完全冷却就顶出,或是顶出销变形,倒勾太深,顶出方式不 当,脱模斜度不当等因素都可能造成塑件翘曲。 ? 塑件肉厚变化导致冷却速率的差异。 ? 塑件具有弯曲或不对称的几何形状。 ? 塑件材料有、无添加填充料的差异。 ? 流动方向和垂直于流动方向之分子链/纤维配向性差异,造成不同的 收缩率。 ? 保压压力的差异(例如浇口处过度保压,远离浇口处却保压不足) 。 塑件材料添加填充料与否,会造成收缩的差异,如图 7-9 所示。当塑件具有收 缩差异,其肉厚方向与流动方向产生不等向收缩,造成的内应力可能使塑件翘曲。 由于强化纤维使塑件的热收缩便小和模数变大,所以添加纤维的热塑性塑料可以抑 制收缩,它沿着添加纤维的排列方向(通常是流动方向)之收缩比横向之收缩小。 同样地,添加粒状填充物的热塑性塑料比无添加物的塑料之收缩率小很多。另一方 面,假如无添加填充材料的塑件具有高度的分子链配向性,则为非等向性之收缩, 它在分子链排列方向有比较大的收缩率。液晶聚合物具有紧密规则排列的自我强化 结构,其收缩倾向于非等向性。

图 7-9

塑件添加填充料与否,造成不同方向的收缩率差异。

不均匀冷却以及塑件在公模、母模之间肉厚方向的不对称冷却都会导致收缩差 异,如图 7-10 所示。材料从模壁到中心层发生不均一的冷却与收缩,结果会在顶出 以后造成翘曲。

图 7-10

塑件翘曲,导因于(a)不均匀冷却;和(b)不对称冷却。

塑件之收缩量随着肉厚增加而增加。不均匀肉厚所造成的收缩差异是无添加强 化填充材料之热塑性塑料塑件发生翘曲的主要原因。更具体地说,塑件剖面肉厚的 变化通常造成冷却速率差异与结晶度差异,结果就造成收缩差异与塑件翘曲,如图 7-11 所示。

图 7-11 低冷却速率区域的高度结晶使塑件产生较大的收缩量 不对称的几何形状会导致冷却不均匀和收缩差异,造成塑件翘曲,例如图 7-12 所示,在平板件的一侧加设一排补强肋即为不对称的几何形状。

图 7-12 塑件带肋一侧冷却较差,导致翘曲。 残留应力也会造成翘曲,加长成形品在模具内的冷却时间可以改善此类翘曲。 不均匀的冷却也会造成翘曲。顶出时成形品温度太高,顶针使成形品翘曲。另外, 当热的成形品掉入集料箱也会造成翘曲。 塑件温度分布不均匀会造成塑件翘曲。 造型复杂的组件也会造成不均匀的冷却, 尤其没设置冷却系统的模具更是如此。 7-4 收缩与翘曲的设计规则 藉由适当的塑件设计、模具设计、成形条件及选择材料,可以减少或控制收缩

与翘曲。以下的设计规则所考虑因素可以协助开发低收缩率与无翘曲的塑件。 (1) 肉厚 避免不均匀的肉厚, 或是将肉厚变化区的变化长度设计为薄肉厚处肉厚的三倍, 如图 7-13 所示。

图 7-13 肉厚变化区的设计 塑件具有明显的收缩、凹陷或气孔时,将这些区域变更设计成均匀薄肉厚和肋 之组合,以提供均匀的收缩、良好的(强度/重量)比值、及良好的成本效率,如图 7-14 之建议。

图 7-14 对于大多数应用而言,薄肉厚和肋之设计优于粗厚件。 (2) 平衡充填 应尽量设计出能够以固定熔胶波前速度产生平衡充填模式的熔胶传送系统。 (3) 保压压力 虽然高保压压力有助于减少收缩,却可能增加塑件的残留应力和射出成形机的 锁模力。更好的设计是使用适当的保压压力和充足的保压时间,并且在浇口凝固后 就解除保压压力。而且,采用的保压压力必须能够传送额外塑料,以补偿塑件之体 积收缩。 (4) 冷却系统 设计冷却系统,使整个塑件和塑件剖面方向都具有均匀且平衡的冷却效应。 (5) 残留应力 增加熔胶温度、模壁温度、充填时间、和模穴厚度,或是缩减保压压力和流动 长度等,都有助于降低残留应力与分子链/纤维配向性。 第八章 问题排除 塑料射出成形制程相当复杂,牵涉因素众多,当发现问题时,应该先确定制程 的稳定性,确定瑕疵并非由于过度制程所引起的。排除射出成形问题并没有固定的

步骤,但是,至少针对有些因为操作特性所导致的瑕疵,可以建议有效的改善方法。 8-1 包风 包风(air traps)是指熔胶波前将模穴内的空气包覆,它发生在熔胶波前从不同方 向的汇流,或是空气无法从排气孔或镶埋件之缝隙逃逸的情况。包风通常发生在最 后充填的区域,假如这些区域的排气孔太小或者没有排气孔,就会造成包风,使塑 件内部产生空洞或气泡、塑件短射或是表面瑕疪。另外,塑件肉厚差异大时,熔胶 倾向于往厚区流动而造成竞流效应(race-tracking effect),这也是造成包风的主要原 因,如图 8-1 所示。

图 8-1 熔胶波前从不同方向汇流,而造成包风。 要消除包风可以降低射出速度,以改变充填模式;或者改变排气孔位置、加大 排气孔尺寸。由于竞流效应所造的包风可以藉由改变塑件肉厚此例或改变排气孔位 置加以改善排气问题。包风的改善方法说明如下: (1) 变更塑件设计:缩减肉厚比例,可以减低熔胶的竞流效。 (2) 应变更模具设计: 将排气孔设置在适当的位置就可以改善排气。 排气孔通常设在 最后充饱的区域,例如模具与模具交接处、分模面、镶埋件与模壁之间、顶针及 模具滑块的位置。重新设计浇口和熔胶传送系统可以改变充填模式,使最后充填 区域落在适当的排气孔位置。此外,应确定有足够大的排气孔,足以让充填时的 空气逃逸;但是也要小心排气孔不能太大而造成毛边。建议的排气孔尺寸,结晶 性塑料为 0.025 厘米(0.001 英吋) ,不定形塑料为 0.038 厘米(0.0015 英吋) 。 (3) 调整成形条件:高射出速度会导致喷射流,造成包风。使用较低的射出速度可以 让空气有充足的时间逃逸。 8-2 黑斑、黑纹、脆化、烧痕、和掉色 黑斑(black specks)和黑纹(black streaks)是在塑件表面呈现的暗色点或暗色 条纹,如图 8-2 所示。褐斑或褐纹是指相同类型的瑕疵,只是燃烧或掉色的程度没 那么严重而已。发生黑斑或黑纹的原因是塑料有杂质污染、干燥不当,或是塑料在 料筒内待料太久而过热裂解。

图 8-2 (左)黑斑和(右)黑纹 脆化(brittleness)的原因是材料裂解,使分子链变短,分子重量变低,结果使 得塑件的物理性质降低。塑件脆化可能导致断裂或破坏,如图 8-3 所示。

图 8-3 塑件脆化导致断裂 烧痕(burn marks)是塑件接近流动路径末端或包风区域的暗色或黑色小点,如图 8-4 所示,其形成主因是模穴内的空气无法逃逸,受压缩造成高热而烧焦。

图 8-4 烧痕 掉色(discoloration)是指塑件从原始的塑料颜色发生变化的瑕疵,这可能是因为 塑料裂解或污染所造成的,例如:塑料在料筒内待太长的时间;料筒温度太高,造 成塑料变色;回收再研磨塑料、不同颜色塑料、来路不明塑料造成的污染。 假如射出速度太快或射出压力太高,可能导致流道系统和模穴内的气体无法在 很短的充填时间内从排气孔排出,会造成包风;竞流现象加上不当的排气系统也会 造成包风。结果,模绪内的空气受压缩,压力与温度升高,使得流道路径末端或包 风区域的塑件表面的塑料裂解而造成烧痕。 造成塑料裂解的因素包括: (1) 料筒温度:太高的料筒温度可能使塑料裂解,造成烧焦。塑料熔点太高可能造成 不当的料筒温度,烧坏热对偶,或者使温度控制器失效。应该降低设定的料筒温 度或缩短加热时间。 (2) 高螺杆转速:塑化阶段的螺杆转速太快,造成过量的磨擦热,使材料裂解。 (3) 狭小的流动路径: 熔胶流经狭小的流动路径, 会造成大量的剪切热, 使塑料裂解。 (4) 塑料污染: 使用两种塑料射出成形时, 第一种塑料在料筒内的余料可能因为第二 种塑料需要较高成形温度而烧焦。此外,受污染塑料、回收再研磨塑料都可能污 染下一批次射出成形的塑料。 (5) 射出体积:假如射出量低于射出机最高射出量的 20%,塑料可能因为在料筒内 待料太久而发生裂解。对于温度敏感的塑料更是如此。 塑料过热可能裂解或燃烧而造成黑斑、黑纹、脆化、烧痕、和掉色等表面瑕疵,

塑料在具有刮痕的粗糙料筒内加热, 等待了过长的时间就会裂解造成塑件表面瑕疵。 塑料或空气中可能会有污染,其它如受污染的回收再研磨塑料、不同成分的塑料、 不同颜色的塑料或是低熔点材料等等杂质都可能造成黑斑和黑纹,空气中的脏东西 也会造成塑件表面的暗点。 改善这些表面瑕疵的方法说明如下: (1) 调整材料准备过程:塑料贮藏筒和料斗都应加盖,以免原料污染。设定适当的干 燥条件,过量的干燥时间或干燥温度,塑料内挥发物会被驱离,可能造成塑料脆 化或裂解。 塑料供货商可以提供塑料的最佳干燥条件。 如果低强度材料的制程条 件不恰当,可能造成脆化,可以考虑改用高强度和热安定性良好的塑料。脆化也 可能是因为添加太多回收再研磨的塑料所致, 尝试降低添加之回收再研磨的塑料 量。更换塑料时应彻底清理射出系统,彻底清理料斗,避免塑料与料斗内不同颜 色或来路不明的塑料混合。 (2) 变更模具设计:在流动路径末端发现黑斑,可能是不良的排气系统所造成的。受 压缩的包风可能燃烧,造成表面瑕疵,应该改善排气系统。在模具设置适当的排 气系统,以排除包风。流动路径的末端和盲孔的排气系统特别重要。建议结晶性 塑料的排气孔大小为 0.025 mm (0.001 英吋),不定型塑料的排气孔为 0.038 mm (0.0015 英吋)。太过狭窄的竖浇道、流道、浇口、甚至塑件肉厚都可能产生过量 的剪切热,使得已经过热的材料更劣化,造成塑料裂解。可以尝试加大竖浇道、 流道及/或浇口。 对于导热性太低的模具材料, 可以降低冷却速率来改善塑件表 面条件。 (3) 定期清理模具: 射出成形前应先清理模具。 可能是射出机的因素造成树脂堆积和 裂解,应该检查树脂流动的顺畅性,定期清理堆积废料。黑纹有可能是滑块和顶 钉的润滑油脂所造成的, 应定期清洁顶针和滑块。 应定期清洁或抛光流道系统表 面,以免这些区域累积污垢。黑纹可能是受到料筒壁面或螺杆表面污染,特别是 进行两种塑料的射出成形时,前一种塑料可能还维持在料筒内,必须完全清理。 (4) 选择适合模具的射出成形机规格:选择比较适合所使用塑料的螺杆,使塑料达成 一个比较好的混合熔胶状态。可以向塑料供货商要求提供适当的螺杆设计信息, 以避免塑料过热而裂解。射出量一般应该维持在机器规格的 20~80%。对于温度 敏感的材料则使用更窄的温度范围。检查料筒/螺杆表面的刮痕或齿痕,以免累 积塑料,而造成塑料过热或燃烧。检查固加热片或控制器是否失效,以免造成塑 料过热。塑料射出成形之模流分析软件可以协助模具选择适当规格的射出机,如 此,可以避免塑料停留在料筒内太长的时间。 (5) 调整成形条件:假如料筒和喷嘴温度太高,料筒内的塑料可能过热而导致裂解, 可以降低料筒温度和喷嘴温度。另外,可以降低背压、螺杆转速、射出速度或射 出压力,以避免太高的剪切热造成裂解。另外,应检查料筒和喷嘴的加热片,校 准热对偶,以确定料筒和喷嘴的温度。 8-3 表面剥离 表面剥离(delamination)是指塑件表面的层状剥离塑料,如图 8-5,其造成的

原因为: ? ? ? ? ? 混合材料之间的兼容性不佳。 成形制程使用了过量的脱模剂。 模穴内的熔胶温度太低。 湿气太重。 浇口和流道具有尖锐转角。

图 8-5

表面剥离

表面剥离的改善方法说明如下: (1) 改变塑料准备程序: 避免采用性质不明的塑料或回收塑料。 遵守塑料干燥的指示, 在射出成形前确实将塑料干燥。 过多的湿气加热会造成蒸气, 导致塑件表面剥离。 (2) 变更模具设计:将浇口与流道的转角平滑化,可以避免造成塑料剥离。 (3) 调整成型条件:假如熔胶温度太低,塑件层之间可能无法键结,受到顶出的作用 力,可能使塑件剥离,应尝试提高料筒温度和模具温度。尝试提高背压。避免使 用过量的脱模剂解决脱模问题,应该改良顶出系统或排除其它的脱模困难。(调 高射出速度和调高降背压或许可以改善塑件表面剥离。) 8-4 尺寸变化 尺寸变化(dimensional variation)指在相同的射出机之成形条件下,每一批成形品 之间或每模射出的各模穴成形品之间,所得到的塑件尺寸都会变化,如图 8-6 所示。 其造成的原因为: ? 射出机控制系统不稳定。 ? 成形窗口太狭窄。 ? 成形条件不恰当。 ? 射出单元的 Check ring 损坏。 ? 塑件性质不稳定。 ? 流道不平衡。

图 8-6 塑件尺寸变化 改善塑件尺寸变化之方法说明如下: (1) 改良塑料准备程序: 假如每批射出塑件都会改变尺寸, 应与塑料供货商洽谈改变 塑料批号。假如塑料太潮湿,必须预先干燥。不规则的塑料颗粒尺寸可能使熔胶 产生不同程度的混合, 导致不稳定塑件的尺寸变化, 尝试降低添加回收塑料比例。

(2) 变更模具设计/组件: 针对模具与塑料设计适当的流道与浇口和系统。 可以使用 塑料射出成形的模流分析软件进行流道系统尺寸最佳化, 以确保熔胶平顺地充填 模穴。假如塑件于顶出时造成弯曲或扭曲,则应调整顶出系统。 (3) 检查射出机组件: 假如加热片或热对偶损坏而造成不稳定的熔胶流动, 应予更换。 假如 check ring 损坏或磨耗,应予更换。 (4) 调整成形条件: 提高射出压力与保压压力, 以确定充填与保压足量的塑料进入模 穴。 检查冷却系统以确定均匀的模穴温度。 设定适当的螺杆计量行程与射出行程, 螺杆旋转速度和背压,使成形条件落入成形窗口。 8-5 鱼眼 鱼眼(fish eyes)是一种塑件表面的瑕疵,导致于未熔化的塑料被压挤到模穴内, 而呈现在塑件表面的瑕疵,如图 8-7 所示。其形成的原因包括: ˙料筒温度太低。 ˙添加太多的再研磨塑料。 ˙塑料受污染。 ˙螺杆转速太低和背压太低。

图 8-7

鱼眼

改善塑件发生鱼眼的方法说明如下: (1) 改良材料准备程序: 将不同的塑料分开储存于不同的容器或袋子内, 以避免塑料 相互掺杂。根据塑件质量的要求,降低所添加再研磨塑料的比例。假如允许使用 再研磨塑料时,首先应该尝试添加 10%看看,再逐渐调整比例。 (2) 调整成形条件:提高料筒温度。在塑化阶段提高螺杆转速,以造成更大量的磨擦 热,将塑料熔化。提高背压,使塑料均匀混合成熔胶状态。塑料供货商通常可以 提供塑料的料筒温度、背压、螺杆转速等信息,但还要根据现场状况进行调整。 (3) 检查射出机组件:检查加热片、热对偶和控制器的功能是否正常。料筒是否太短 而无法塑化树脂。 8-6 毛边 毛边(flash)指在模具的不连续处(通常是分模面、排气孔、排气顶针、滑动机构 等)过量充填造成塑料外溢的瑕疵。如图 8-8 所示。造成毛边的原因包括: (1) 锁模力太低: 射出机锁模力太低, 不足以维持成形制程的模板紧闭, 会发生毛边。 (2) 模具有缝隙:假如模具结构变形、分模面不够密合、机器规格不当、成形条件不 当、分模面卡料等因素都可能造成分模面接触不完全,造成毛边。 (3) 成形条件: 熔胶温度太高或射出压力太高等造成荣焦流动性过高的不当成形条件 都会造成毛边。

(4) 不当的排气:设计不当和不良的排气系统、或是太深的排气系统都会造成毛边。

图 8-8 毛边 改善塑件发生毛边方法说明如下: (1) 调整模具设定:检查模具的对准和范本的翘曲变形。确定模具有适当的排气孔。 模具的公、 母模不能对齐或密合性不佳都会造成毛边, 必须正确密闭地安装设定 模具。铣削模面,使得模穴周围能够维持足够的密合压力。假如成形时造成范本 变形,应增加支撑柱块或加厚模板,以防止模板变形。清理模面,分模面有未清 理干净的塑料会造成模具无法密合,产生毛边。检查适当的排气孔尺寸。 (2) 调整机器设定:检查射出机的锁模力规格与设定。当机器有足够的锁模力容量, 就应调高锁模力。当机器的锁模力不足时,就应提高射出机规格。 (3) 调整成形条件:假如熔胶温度太高,可能因为太低的黏滞性而在模板之间溢料, 可以观察喷嘴的滴料(droop)情况来判断。 减低充填行程的长度, 可以降低射出量。 加长射出时间或者降低射出速度。 应该降低充填速度, 特别是降低接近充填完成 时的充填速度,可能改善毛边。降低射出压力和降低保压压力,可以减低需求之 锁模力。降低料筒温度和喷嘴温度,因为太高的熔胶温度会降低塑料的黏度,造 成较稀薄的熔胶层,可能发生毛边。也应注意:避免使用太低的熔胶温度,以至 于需要更高的射出压力而产生毛边。 8-7 流痕 流痕(flow marks)是塑件在浇口附近之涟波状的表面瑕疵,如图 8-9 所示,其产 生原因是塑件温度分布不均匀或塑料太快凝固,熔胶在浇口附近产生乱流、在浇口 附近产生冷塑料或是保压阶段没有补偿足够的塑料。造成这些问题的因素包括:低 熔胶温度、低模具温度、低射出速度、低射出压力或者流道和浇口太狭小。最近根 据使用镶埋玻璃模具进行观察分析得知,流痕的缺陷也可能因为熔胶流动波前部份 在模穴壁面冷却,并且与后到的熔胶持续翻滚和冷却之效应。

图 8-9 流痕 改善塑件流痕的方法说明如下: (1) 变更模具设计:改变流道系统的冷料井尺寸,使得在充填阶段,熔胶波前的较低 温塑料不会进到模穴。通常,冷料井的长度等于流道直径。流痕的产生有可能是 因为流道系统和浇口尺寸太小而提前封口, 使得保压阶段的补偿塑料无法进入模 穴。对于特定之模具与塑料,加大流道与浇口尺寸。缩短竖浇道的长度,或者改

用热流道设计取代冷流道设计。应改善模具的排气能力。 (2) 调整成形条件: 应该提高塑料的流动性, 所以可以提高模具温度、 提高喷嘴温度、 提高料筒温度、提高射出压力、提高射出速度、提高保压压力和加长保压时间。 (3) 改善塑件设计:塑件不宜有太急剧的肉厚变化。 8-8 迟滞效应 迟滞效应(hesitation)或迟滞痕迹是一种塑件表面的瑕疪,它导因于熔胶流经 薄肉区或肉厚突然变化区域,造成流动停滞,如图 8-10 所示。当熔胶射入厚度变化 的模穴,会往厚区与阻力较小的区域充填,结果使薄区流动停滞,一直到薄区以外 部份都完成充填,停滞的熔胶才继续流动。但是,停滞太久的熔胶可能会在停滞处 就先行凝固,当凝固的熔胶被推到塑件表面,就会产生迟滞痕迹。 迟滞效应可能经由变更塑件肉厚或改变浇口位置而改善。要排除塑件的迟滞痕 迹,必须考虑重新设计塑件与模具,微调成形条件也是可以思考的方向。说明如下: (1) 变更塑件设计:缩减塑件肉厚变化。 (2) 变更模具设计:浇口位置应该远离薄肉区或肉厚突然变化区域,如此,使迟滞效 应延后发生,或在较短时间内结束。图 8-11 显示不当的浇口位置所造成熔胶迟 滞流动。将浇品移离薄肉区可以减低迟滞效应。 (3) 调整成形条件:提高熔胶温度及/或增加射出压力。

图 8-10

停滞流动的熔浇造成迟滞效应

图 8-11 不当的浇口位置所造成的熔胶迟滞流动。 8-9 喷射流 当熔胶以高速流过喷嘴、流道、或浇口等狭窄的区域后,进入开放或较宽厚的 区域,并且没有和模壁接触,就会产生喷射流(jetting)。蛇状发展的喷射流使熔胶折 合而互相接触,造成小规模的缝合线,如图 8-12 所示。喷射流会降低塑件强度,造 成表面缺陷及内部多重瑕疪。 相较之下,正常的充填模式之熔胶波前则不会产生这些问题。改善塑件之喷射

流瑕疵的方法说明如下:

图 8-12 喷射流与正常充填的比较 (1) 更改模具设计: 通常喷射流问题出现在浇口设计, 你可以重新安置或变更浇口设 计,以引导熔胶与侧壁金属模面接触。使用重迭浇口或潜式浇口,如图 8-13。 以逐渐扩张的熔胶流动面积来减低流动速度;使用凸片或扇形浇口,如图 8-14, 可以提供熔胶从浇口到模穴较平顺的转移, 降低熔胶的剪应力和剪应变。 加大浇 口与流道尺寸,或缩短浇口长度。检讨冷料井是否设计不当。

图 8-13

使用重迭浇口或潜式浇口以避免喷射流

图 8-14 使用凸片或扇形浇口以避免喷射流 (2) 调整成形条件:调整为最佳的螺杆速度曲线,使熔胶波前以低速通过浇口,等到 熔胶探出浇口外再提高射速,以消除喷射流,如图 8-15。亦可能调整料筒温度 以逐量提高或降低各段熔胶的温度, 以消除喷射流, 此改善方法的原因仍未确定, 但是可能与模嘴膨胀效应和熔胶性质(例如黏度和表面张力等)之改变有关系。 对于大多数的塑料,降低温度使得模口膨胀效应增大;但是,也有塑料(例如 PVC)则因为升高温度而增大模嘴膨胀效应。

图 8-15

调整为最佳的螺杆速度曲线,以消除喷射流。

8-10 波纹 波纹(ripples)是指接近流动长度末諯的指纹般的小涟波,如图 8-16 所示。

图 8-16 波纹 根据最近对于镶埋玻璃模具所进行之观察分析,波纹缺陷的产生是由于熔胶流 动波前部份在模穴壁面冷却,并且与后到熔胶的持续翻滚冷却之效应,如图 8-17 所 示。与浇口形状、熔胶温度相比较,熔胶流动波前速度和模具温度对于波纹的产生 有很大的影响。提高熔胶波前速度或模具/熔胶温度可以帮助来消除波纹。

图 8-17 (1)正常充填不发生波纹;(2)冷模温和低熔胶波前速度造成波纹。 改善塑件之波纹的方法说明如下: (1) 改良塑件设计:增加塑件厚度。 (2) 变更模具设计:确定塑件有合适的流道系统,包括竖浇道、流道和浇口。在整个 模具安排适当的排气系统,特别是流动路径的末端。 (3) 调整成形条件:提高模具温度,提高熔胶温度。但仍要避免待料在过高的温度太 久,以免塑料裂解。提高射出速度,以提高黏滞热,降低熔胶黏度。提高射出压

力,但仍不宜超出机器的负载。正常操作的射出压力应限制在射出机最大压力负 载的 70~85%,以免损伤射出机的液压系统。 8-11 短射 短射(short shot)是熔胶无法充满整个模穴的现象, 特别是薄肉区或流动路径的末 端区域。任何会增加熔加熔胶流动阻力,或是妨碍足量塑料流入模穴的因素,都可 能造成短射,包括: ? 射出塑料剂量不足,料斗无塑料、进料遭异物阻塞、止回阀磨耗等造成 射压不足或漏料。 ? 流动阻力太大,可能是塑件肉厚太薄、浇口位置不当、或是流道与浇口 长度太长。 ? 熔胶流动性不足,可能是熔胶温度及/或模壁温度太低。 ? 排气不良,排气孔不当,造成模穴压力高涨,无法充填完全。 ? 射出机射压不足、射出体积不足、射速太低、料筒温度太低、塑化能力 不足。原因在于熔胶流动阻力太大或流动路径阻塞。太低的射速可能使 塑料在充饱模穴之前就凝固。 ? 迟滞效应使塑料提早凝固、不良的充填模式、或是过长的射出时间。 短射有时候也可以应用来进行试模,以观察或决定熔胶充填模式。改善塑件短射的 方法说明如下: (1) 变更塑件设计:应设法使射出的熔胶容易流动,以减低短射问题。策略性增加塑 件的部份肉厚,例如使用导流器,以促进熔胶流动。 (2) 变更模具设计:增加浇口尺寸与/或数目,以缩短流动长度。增大流道系统尺 寸,以减少流动阻力。增加排气孔尺寸与数目。设计优良的熔胶传送系统可以得 到比较平衡的充填模式。充填模穴应先充填厚肉区,再充填薄肉区,如此可以避 免迟滞效应,避免熔胶提早凝固。模穴内的包风也会导致短射。将排气孔设置在 适当的位置, 通常要接近最后充填区域, 以利排气。 假如同一模穴内持续地短射, 可能是模具冷却不均匀所引起的, 或者因冷却管路不通畅所造成的浇口和流道也 可能不平衡。 (3) 调整成形条件:首先检查料斗是否有足够的塑料,或是进口处塑料结块,假如没 有问题,可以尝试增加射出体积。其次,检查止回阀与料筒是否过度磨耗,这可 能导致射出压力损失及漏料。 尝试增加射出速度以产生更多的黏滞热, 降低熔胶 黏度。提高料筒温度及/或提高模壁温度,较高的温度可以促进熔胶的流动。但 必须避免熔胶待料于过高温度太长而造成裂解。 高模温也会延长冷却时间。 尝试 增加射出压力,但是不得超出射出机的规格,以免损害机器的油压系统,一般都 限制操作压力为最大射出压力的 70~85%。亦不得因为太高的射出压力而造成毛 边。 (4) 检查射出机规格:射出机规格可能不足,无法完成射出行程。假如使用多模穴模 具,可以先堵塞部分的模穴。 (5) 小心准备塑料: 假如不同模穴之间随机地发生短射, 可以检查是否有未融化的塑

粒或杂质。 8-12 银线痕 银线痕(silver streaks, or splays)是空气或湿气挥发、异种塑料混入分解而烧焦, 在塑件表面溅开的痕迹,它会从浇口处以扇形方式向外辐射发展,如图 8-18 所示。 塑料于储存时会吸收相当程度的湿气,假如成形前未经过适当的干燥,湿气会在射 出成形时转变成水蒸气,在塑件表面造成喷溅的痕迹。塑料在塑化阶段,会包覆适 量的空气在熔胶内,假如空气无法在射出阶段逃逸,也会在塑件表面留下银线痕。 此外,有些裂解的塑料或烧焦的塑料粒子会在塑件表面留下银线痕。

图 8-18 银线痕 改善塑件银线痕的方法说明如下: (1) 小心准备塑料:根据塑料供货商的建议,在射出成形前仔细地进行塑料干燥。注 意塑料是否含有挥发物。更换塑料时,彻底清除料筒内的旧塑料。旧塑料容易造 成颗粒烧焦。 (2) 变更模具设计:加大竖浇道、流道及/或浇口。太狭窄的竖浇道、流道、浇口、 甚至塑件设计,可能造成过量的剪切热,使得塑料过热而裂解。检查排气孔尺寸 是否恰当。推荐的排气孔尺寸,结晶性塑料为 0.025 mm(0.001 英吋) ,不定形 塑料为 0.038 mm(0.0015 英吋) 。加大冷料井。 (3) 调整成形条件: 选择适合模具的射出机规格, 细心挑选成形条件可以使射出成形 的塑料延后裂解。提高背压,以降低混入熔胶内的空气。降低熔胶温度,降低射 出压力或降低射出速度。改善排气系统,务必使空气和蒸汽很容易逃逸。 (4) 检查射出机规格:检查螺杆的压缩比是否太小。 8-13 凹陷与气孔 凹陷(sink marks)是指塑料的射出量低于模穴容积,造成塑件表面局部下陷,一 般发生在塑件的厚肉区,或者是肋、凸毂、内圆角之相接平面上。气孔(voids)是成 品内部的真空气泡。发生凹陷和气孔是因为塑件冷却时,在厚肉区局部收缩,而且 没有补偿足够的塑料。另外,因为散热不平均等因素,在与肋或外突特征相接平面 之另一侧常常发生凹陷。造成凹陷与气孔的制程因素包括:射出压力和保压压力太 低、保压时间太短或冷却时间太短、熔胶温度太高或模具温度太高、和局部的几何 特征。 当外侧的材料冷却与凝固之后,塑料内层开始冷却,塑料收缩导致表层塑料向 内拉,因而造成凹陷。假如表层的刚性够强,譬如使用工程塑料,则表层凹陷可能 被内层的气泡取代,如图 8-19 所示。

图 8-19 塑料射出量不足而没有足够补偿时,塑件因为收缩导致凹陷或气孔。 改善塑件银线痕的方法说明如下: (1) 变更塑件设计:一般而言,粗厚件易产生凹痕。修改设计的塑件厚度,将厚度变 化最小化。添加表面特征以隐藏凹痕,例如在发生凹痕的表面设计一系列的齿 状(serrations),如图 8-20。重新设计肋、凸毂、角板厚度为连接基板肉厚的 50~80%。图 8-21 是建议的设计。 (2) 变更模具设计: 将浇口重设置在厚肉区或接近厚肉区, 以便在薄肉区凝固之前进 行保压。增加更多的排气孔或加大排气孔,方便空气逃逸。流道或浇口太小时, 可能造成保压不完全。 加大浇口和流道尺寸以延后浇口凝固时间, 让更多量的塑 料于保压阶段挤入模穴。 尝试改善模具的冷却系统。 当要射出大面积和薄组件时, 可能必须使用大浇口或多浇口系统。

图 8-20

肋的设计以消除凹陷和气孔。

图 8-21 肋、凸毂、角板的设计建议以消除凹陷和气孔。 (3) 调整成形条件: 增加射出成形终点的缓冲量。 缓冲量应维持约 3 mm (0.12 英吋) 。 浇口无法在压力降低之前凝固, 于是造成收缩凹陷, 这情形可能以增长射出时间、 增加射出压力或加长冷却时间, 以增加保压阶段的进胶量来改善。 增长螺杆前进 时间及降低射出速率。降低熔胶温度和降低模具温度。顶出时熔胶温度太高,可 能造成脱模的凹痕。 假如模温太低, 组件表面先于内部成形, 可能造成内部空洞。 此时可以提高模面温度或加长成形周期来改善情况。检查止回阀是否造成漏料。 (4) 小心准备塑料: 含湿气的塑料可能会造成气孔。 塑料的收缩率太大也容易产生气 孔。 8-14 缝合线与熔合线 缝合线(weld lines)的形成是因为不同方向移动的熔胶之汇流。熔合线(meld lines)是两股平行流动的熔胶波前之间的接合线。塑件有靠破孔、镶埋件、多重浇 口或因肉厚变化而产生竞流效应时,都会造成缝合线/熔合线。假如无法避免在塑 件造成缝合线/熔合线,应该调整浇口的位置和尺寸,使缝合线或熔合线发生在低 应力或不明显的区域。 传统上以两股熔胶的汇流角度来区分缝合线和熔合线,如图 8-22 所示,汇流角 度小于 135°时产生的是缝合线,大于 135°时产生熔合线。可以注意到的是汇角度 在 120°~150°时,缝合线的表面痕迹将会消失。

图 8-22 缝合线与熔合线 一般认为缝合线的质量比熔合线差,因为在缝合线形成后,较少分子跨越缝合 线相互融合。提高缝合线和熔合线区域的温度和压力可以改善其强度。考虑塑料强 度与外观时,一般都不容许产生缝合线,添加纤维的强化塑料更是如此,因为纤维 通常平行于缝合线配合;而无法跨越缝合线,如图 8-23 所示。 缝合线的强度决定于两股熔胶波前相互交织的能力,缝合线区域的强度可能是 无缝合线区域的 10~90%, 因为范围宽广, 能够促成较佳缝合线质量的成形条件应值 得检验,包括: ? 高射出压力和高射出速度。 ? 高熔胶温度与高模壁温度。 ? 在接近浇口处产生缝合线。 ? 两股汇流的熔胶波前的温度差必须小于 10℃。

图 8-23 添加纤维的强化塑料之熔胶波前 假如缝合线在充填完全以前形成,而且立即进行保压,结果的缝合线较不明显, 而且强度较强。对于复杂几何形状的塑件,流动分析模拟可以针对模具的设计变更 加以预测缝合线/熔合线的位置,并且监控各股熔浇波前之温度差。 改善塑件缝合线/熔合线的方法说明如下:

(1) 变更塑件设计:增加壁厚,以帮助压力的传送,并且保持较高的熔胶压力。调整 浇口位置与尺寸,或减小塑件的厚度比。参阅图 8-24。 (2) 变更模具设计:加大浇口与流道的尺寸。将排气孔设在缝合线/熔合线,以消 除包风,避免塑件的强度减弱。改变浇口设计以去除缝合线/熔合线,或者在 接近浇口处形成承高压与高保压压力的缝合线/熔合线。

图 8-24 改良流道系统以获得较佳强度的缝合线 (3) 调整成形条件: 假如塑件在缝合线处有破裂的倾向, 可以在塑料过热的范围以内, 适度提高熔胶温度、模具温度、射出速度、或射出压力。熔胶温度太低造成熔胶 波前无法交互编织在一起。 然而熔胶温度太高也可能造成树脂裂解, 仍无法产生 好的编织面。射出压力太低而无法逼迫熔胶在熔合线结合。 (4) 小心准备塑料: 提高熔胶流动性有助于减小缝合线, 所以在塑件功能许可范围内, 可以考虑改用流动指数(MI)值较高的塑料。 第九章 C-MOLD 软件与模型网格 C-MOLD 起源于 1974 年康乃尔大学 Prof. K. K. Wang(王国钦)之 Cornell Injection Molding Program (CIMP)计划, 最初之软件是由 Prof. K. K. Wang 和他的学生 Dr. V. W. Wang(王文伟)开发,并于 1986 年成立 Advanced CAE Technology Inc.销售 C-MOLD 软件,于 1988 年成立 C-MOLD Polymer Laboratory 建立塑料材料性质的测试。 Advanced CAE Technology Inc.于 2000 年被澳洲的 Moldflow Corp.并购,并于 2001 年底发布将 C-MOLD 整合到 Moldflow Plastics Insight 3.0 (MPI 3.0), 号称为 Synergy。 C-MOLD 的主要产品包括: (1) 7 个 process solution packages, (2) 2 个 productivity solution packages, (3) 2 个 performance solution packages。 C-MOLD Process Solution Packages 制程解决方案 Molding Process Injection Molding C-MOLD Modules Process Estimator, Modeler, Visualizer, Filling, Post-Filling

Injection/Compression Process Estimator, Modeler, Visualizer, Filling, Post-Filling, Molding Injection/Compression Molding Gas-Assisted Injection Process Estimator, Modeler, Visualizer, Filling, Post-Filling,

Molding Co-Injection Molding Reactive Injection Molding Blowmolding Thermoforming

Gas-Assisted Injection Molding Process Estimator, Modeler, Visualizer, Filling, Post-Filling, Co-Injection Molding Process Estimator, Modeler, Visualizer, Reactive Molding Process Estimator, Modeler, Visualizer, Blow Molding Process Estimator, Modeler, Visualizer, Thermoforming

C-MOLD Productivity Solution Packages 产品解决方案 Molding Process Injection Molding C-MOLD Modules Process Estimator, Modeler, Visualizer, Filling, Post-Filling, Cooling Injection/Compression Process Estimator, Modeler, Visualizer, Filling, Post-Filling, Molding Injection/Compression Molding, Cooling C-MOLD Performance Solution Packages 性能解决方案 Molding Process Injection Molding C-MOLD Modules Process Estimator, Modeler, Visualizer, Filling, Post-Filling, Cooling, Fiber Orientation, Residual Stress, Shrinkage & Warpage Injection/Compression Process Estimator, Modeler, Visualizer, Filling, Post-Filling, Molding Injection/Compression Molding, Cooling, Fiber Orientation, Residual Stress, Shrinkage & Warpage C-MOLD 之 Process Solution 整合模块以提供组件和模具设计的基础,提供功能 包括: ? 防止短射 ? 平衡流动 ? 评估缝合线位置 ? 评估设置浇口位置 ? 流道尺寸最佳化 ? 设定排气孔位置 ? 设计导流器与限流器 ? 射出压力最小化 ? 评估需求之锁模力 ? 螺杆速度曲线最佳化 C-MOLD 之 Productivity Solution 整合 Process Solution 之功能和冷却仿真,提供: ? 冷却系统对于组件和模具的影响之视觉效果。 ? 改变参数以获得最佳的冷却条件。

C-MOLD 之 Performance Solution 扩充 Productivity Solution 的功能,进一步提供: ? 纤维配向性(fiber orientation)。 ? 凝固应力(Frozen-in stresses)。 ? 预测射出成形品的最后形状。 ? 进行材料选择、缘建设计、模具设计和制程条件的最佳化。 ? 评估成形品尺寸的适当性和结构的完备性。 C-MOLD 的各模块的功能简要说明如下述: Process Estimator 应用于最初选用材料和执行模尼之前的条件确认。 ? 可以从数千种热塑性材料、述种热固性材料、广泛采用的冷却液和模具材料 和数百种射出成形机中进行选择。 ? 预估一特定树脂材料在选定的输入变量下的流动长度。 ? 根据前项结果以迅速决定所选定输入变量可能的最佳组合 ? 根据前项结果以准确预测开始 C-MOLD 模拟的最佳制程条件。 ? 所需输入数据包括组件之流动长度、壁厚和投影面积。 软件可以帮助决定应该使用什么树脂材料,应该使用什么制程条件,组件成形需 要多少个浇口,需要多大的成形机,成形的压力、锁模力、大约的周期时间和大 约的制造成本。

?

C-MOLD Modeler ? 提供编修几何模型的工具。 ? 自动产生几何模型的有限元素往格(finite element meshes)檔。 ? 也可以汇入 CAD 软件的几何模型(Ex. Pro/E, UG)。 ? 也可以汇入 FEA 软件的几何模型(Ex. ANSYS Perp 7, PATRAN Neutral)。 C-MOLD Visualizer ? 应用 OpenGL 硬件提供观察 C-MOLD 仿真分析结果的接口。 ? 支持 color contours、color shades plots、highlight 等六种显示格式。 C-MOLD Filling 模拟塑料流经流道、浇口到模穴的流动行为。 ? 方便决定组件壁厚、浇口位置、熔合线、射压、锁模力。 ? 事先检验出昂贵的生产问题,例如短射、毛边、包风等。 ? 可以检视充填模拟过程的任一时间的温度分布,以发现局部的热集中点,具 以判断是否需要使用冷却系统。 C-MOLD Cooling 可以帮助评估对于制造成本和原件质量有最大冲击的变量。 ? 模拟模具冷却的整个循环的现象。 ? 提供需求的关键信息以最佳化冷却液的制程条件、模具设计和原件设计。 ? 显示部队秤冷却条件效的模心侧和模穴侧的温度,以便消除不均衡冷却造成 的翘曲问题。 C-MOLD Shrinkage & Warpage 配合其它模块以获得稳定的成品尺寸和公差。 ? 帮助找出影响成品变形的最主要因素,例如不一致的收缩、不均匀冷却。

STL Expert ? 量测、refine、修正 STL 格式之实体表面模型的工具。 ? 可以将 IGES 文件之表面模型及边界网格文件转换成 STL 檔。 Mesh Express ? 是建构 midplane mesh 及最佳化 midplane mesh 的工具。 Design Optimization ? optimizing the location of gates ? sizing runners ? determining appropriate process conditions ? calculate the part volume and runner volume ? ->Injection entrance -> Design Optimization tab C-mold Hotkeys ? Hotkeys: Right button Ctrl + Left button Rotate-XY Ctrl + Middle button Ctrl + Right button Alt + Left button Alt + Middle button Alt + Right button Center Pan Zoom Rotate-Z Expand/Shrink

? Toolbar ? While modeling geometry with grills of which size is much smaller than mesh size, the total grill area should be modeled as triangular elements with equivalent thickness and shape factor. The shape factor for a triangular element is defined as the ratio of actual contact surface to the equivalent flat surface. For the same equivalent thickness, larger shape factor means a given volume has more contact surface and more cooling effect from the wall as well as flow resistance from the geometric irregularity. A boundary condition is an entity that is applied to a node or an element in order to ―bind‖ process conditions, physical constraints, etc., to the node or the element. It serves as a link between a set of properties ands a mesh entity. A list of possible boundary conditions are: (Mesh->Create Boundary Conditions) ? Injection entrance ? Coolant entrance ? Coolant exit ? Parting plane ? Inner feature (such as holes, regions of different thickness, etc.,) ? potential gate node ? prohibited gate node

? nodal force ? nodal moment ? nodal displacement ? nodal rotation 塑料射出成形的制程 充填阶段-->影响熔合线、分子配向性 ? 浇口和熔胶波前的压力差是推动熔胶流动的主要力量,塑料会在模穴内朝 向阻力最小的不为流动。 ? 塑料的黏度会影响流动性。塑料黏度受温度级剪切率的影响很大,局部温 度高低、热传速率和塑件厚度都会影响局部的塑料黏度,导致不同的流动 阻力。 ? 具体而言,熔胶的流动行为取决于流动性和热传能力的竞争,流动行为可 以区分成为流动主控模式(flow control)和热传主控模式(heat transfer control)。 高速充填:流动主控模式->流动行为取决于充填体积的大小。 低速充填:热传主控模式->流动行为取决于肉厚,肉厚处易充填。 ?目前对于熔胶流动的预测具有相当高的准确性,可以获的的信息包括熔胶 流动波前、包风、熔合线、压力和温度变化曲线等。 保压阶段: ? 此阶段的模穴压力到达最高。 ? 压力是影响保压过程的主因。 ? 充满模穴的塑料扮演传递压力的介质,使压力传递到模壁表面,有称开模 具的倾向,假如保压压力过高,而锁模力太小,可能造成成品的毛边或溢 料,使成品的残留应力过高,甚至撑爆模具。 ? 保压压力不足,成品容易产生收缩凹陷和级空洞现象。 ? 收缩率受到保压压力和保压时间的影响。保压压力越大,保压时间越长, 则成品的收缩率越小。 ? 此阶段的熔胶流动率低,塑料受模壁冷却而固化,流速不再主导制程。 ?目前对于保压结果的预测也具有相当高的准确性。 冷却阶段:从浇口凝固开始,直到脱模为止。 ? 熔胶无法持续补充,塑件的重量保持不变;而冷却效应使得体积收缩,密 度提高。收缩行为决定在塑料的 pvT 方程式(状态方程式),模温越高,成 品的收缩率越大。 ?目前对于冷却效应的预测具有相当的可靠性,但是实验数据比较缺乏。 脱模阶段: ? 此阶段为自由收缩。收缩应力源自于流动所造成的残留应力(residual stress) 以及脱模温度和环境温度差异所造成的热应力(thermal stress)。 ? 假如收缩应力超过塑件的机械强度,将会造成变形(distortion)。假如塑件强

度足以抵抗收缩应力,则塑见外观无明显的变形,而内部则产生收缩空洞 (voids),塑件易受外力而断裂或破坏。 ?目前对流动残留应力和热应力的理论模型比较不成熟,再加上充填和冷却 分析结果的误差,使得翘曲分析的预测结果脂可靠性较低。 仍待研究之微观现象: ? 熔合线的结构 ? 针孔(pin hole)现象 ? 充填玻纤支配向性(fiber orientation) ? 分子配向性(molecular chain orientation) ? 塑料微观结构的变化(如再结晶等) 附录 A 射出机成形条件之设定 塑件质量受成形条件的影响甚巨。从图 A-1 的成形窗口可知,当降低工作温度, 就必须提高压力来将熔胶输送到模穴;假如工作温度太高,可能造成塑料热裂解。 另一方面,假如射压太低可能造成短射;射压太高则会产生毛边。

图 A-1 成形窗口显示压力与温度的影响 在设定成形条件之前,你应该先确定射出机的性能正常,模具是否设计给特定 的射出机使用。以下提供设定射出机的详细步骤: 1. 设定熔胶温度。 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 设定模具温度。 设定充填转保压位置。 设定螺杆转速。 设定背压。 设定射出压力为机器的最大射出压力。 射定保压为 0 MPa。 设定射出速度为机器的最大射出速度。 设定保压时间。

10. 设定足够的冷却时间。 11. 设定开模时间。 12. 逐渐增加射出量以进行一系列的短射实验。 13. 切换成自动操作。 14. 设定开模行程。 15. 设定顶出行程、起始位置及速度。 16. 设定射出量为 99%的充填。 17. 逐渐增加保压压力。 18. 最小化保压时间。 19. 最小化冷却时间。 设定熔胶温度

步骤 1.

熔胶温度是成形条件最重要的参数之一。熔胶温度太低,使塑料无法完全熔化, 或太黏而无法流动;熔胶温度太高,可能使塑料裂解,特别是 POM 或 PVC 树脂更 是如此。熔胶与模具的建议温度可以请树脂供货商提供,或是使用表 A-1 的建议值。 大部份的树脂因为螺杆在料筒内旋转产生摩擦热而熔化。料筒上通常会 3~5 组 加热区域或加热片,主要功用是维持树脂在适当的温度。设定加热片温度的规则为: ? 应该让温度从喷嘴到料斗附近逐渐降低。 ? 最接近料斗的加热片设定温度应该比计算之熔胶温度低 40~50℃ (72~80 °F),使塑料颗粒于塑化过程仍可以顺利地输送。 在喷嘴区的加热片应设定为计算之熔胶温度,并且保持均匀的温度。设定不当 的加热片温度会导致喷嘴处垂涎、塑料裂解或变色,特别是 PA 材料。例如,C-mold 软件建议使用 235 ℃ (455 °F)为 PA 材料的熔胶温度, 则可以设定加热片的温度如 下: ? 喷嘴区 235 ℃(455 °F) ? 前段 235 ℃(455 °F) ? 第一中段 210 ℃(410 °F) ? 第二中段 195 ℃(383 °F) ? 后段 180 ℃(356 °F) 因为旋转螺杆的摩擦热及背压对于熔胶的影响,真实的熔胶温度(或空射温度) 通常比加热片的设定温度高。当喷嘴刚退离模具的瞬间,迅速将温度探针插入熔胶 射到空气中的位置,就可以量测到真实的熔胶温度。 表 A-1 常用树脂的建议熔胶温度与模具温度 流动性质 (°C/°F) 熔胶温度 (°C/°F) 模具温度 (°C/°F) 顶出温 度 (°C/°F)

材料 名称

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 min kg C ABS PA 12 PA 6 PA 66 PBT PC PC/ABS PC/PBT PE-HD PE-LD PEI PET PETG PMMA POM PP PPE/PPO PS PVC SAN 35 10 95 5 110 5 220 200/392 230/446 280/536 25/77 50/122 80/176 88/190 275 230/446 255/491 300/572 30/86 80/176 110/230 135/275 275 230/446 255/491 300/572 70/158 85/185 110/230 133/271

275 260/500 280/536 320/608 70/158 80/176 110/230 158/316 100 5 35 2.16 250 220/428 250/482 280/536 15/60 60/140 80/176 125/257 20 1.2 12 5 46 5 300 260/500 305/581 340/644 70/158 95/203 120/248 127/261 240 230/446 265/509 300/572 50/122 75/167 100/212 117/243 275 250/482 265/509 280/536 40/104 60/140 85/185 125/257

15 2.16 190 180/356 220/428 280/536 20/68 40/104 95/203 100/212 10 2.16 190 180/356 220/428 280/536 20/68 40/104 70/158 80/176 15 5.00 340 340/644 400/752 440/824 70/158 140/284 175/347 191/376 27 5 23 5 10 3.8 290 265/509 270/518 290/554 80/176 100/212 120/248 150/302 260 220/428 255/491 290/554 10/50 15/60 30/86 59/137 230 240/464 250/482 280/536 35/90 60/140 80/176 85/185

20 2.16 190 180/356 225/437 235/455 50/122 70/158 105/221 118/244 20 2.16 230 200/392 230/446 280/536 20/68 50/122 80/176 93/199 40 10 15 5 50 10 30 10 265 240/464 280/536 320/608 60/140 80/176 110/230 128/262 200 180/356 230/446 280/536 20/68 50/122 70/158 80/176 200 160/320 190/374 220/428 20/68 40/104 70/158 75/167 220 200/392 230/446 270/518 40/104 60/140 80/176 85/185

步骤 2. 设定模具温度 使用塑料之熔胶温度和模具温度可以参考树脂供货商提供的建议资料,或是参 考表 A-1。模温可以用温度计量测。如图 A-2 所示,射出成形时,模穴表面平均温 度高于冷却剂温度,因此,应该将冷却剂温度设定在模温以下 10~20 ℃ (18~36 ° F)。假如射出成形时的模温是 40~50 ℃ (72~80 °F)或更高,应考虑在模具与锁范 本之间添加绝热板以节省能源,维持制程的稳定性。

模具之不同位置的温度―时间图,(a)为模穴表面,(b)冷却管路壁面, (c)为冷却管路出口,(d)为冷却管路入口。 射出成形应尽可能使用最低的设定温度,使得成形周期时间最小化。然而,因 为较高的模温可以产生较佳光泽度和较高结晶度的塑件,有时候也可能应用较高温 度来改善塑件外观。 塑件具有深长的公模心时,应该在公模心侧使用较低的冷却剂温度,以降低公 模面与母模面的温差。缩减两侧模板冷却剂之温差可能缩短成形周期时间,有助于 使用较低成本生产高质量的塑件。根据经验,固定侧与移动侧的冷却剂温差应该小 图 A-2 于 20 ℃ (36 °F),细节与范本的热膨胀性有关。高温差造成公、母范本热膨胀的 差异,可能使导销之对齐产生问题,大型模具的情况将更严重,有时还会死锁模具。 步骤 3. 设定转换位置 转换位置(switch-over position)是充填阶段转保压阶段时的螺杆位置,缓冲量 (cushion)是螺杆可抵达的最远位置和转换位置的距离,如图 A-3 所示,所以转换位 置决定了缓冲量。应该在缓冲量行程提供适量的塑料以进行保压,太短的缓冲量可 能造成塑件凹陷。典

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