适合初学者的模流分析入门

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1、 .wd.模流分析根基入门目录第一章 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1-2 塑料射出成形1-3 模流分析及薄壳理论1-4 模流分析软件的未来开展第二章 射出成形机2-1 射出机组件2-1-1射出系统2-1-2模具系统2-1-3油压系统2-1-4控制系统2-1-5锁模系统2-2 射出成形系统2-3 射出机操作顺序2-4 螺杆操作2-5 二次加工第三章 什么是塑料3-1 塑料之分类3-2 热塑性塑料3-2-1不定形聚合物3-2-2半结晶性聚合物3-2-3液晶聚合物3-3 热固性塑料3-4 添加剂、填充料与补强料第四章 塑料如何流动4-1 熔胶剪切黏度4-2 熔胶流动之驱动-

2、射出压力4-2-1影响射出压力的因素4-3 充填模式4-3-1熔胶波前速度与熔胶波前面积4-4 流变理论第五章 材料性质与塑件设计5-1 材料性质与塑件设计5-1-1应力-应变行为5-1-2潜变与应力松弛5-1-3疲劳5-1-4冲击强度5-1-5热机械行为5-2 塑件强度设计5-2-1短期负荷5-2-2长期负荷5-2-3反复性负荷5-2-4高速负荷及冲击负荷5-2-5极端温度施加负荷5-3 塑件肉厚5-4 肋之设计5-5 组合之设计5-5-1压合连接5-5-2搭扣配合连接5-5-3固定连接组件5-5-4熔接制程第六章模具设计6-1 流道系统6-1-1模穴数目之决定6-1-2流道配置6-1-3竖

3、浇道尺寸之决定6-1-4流道截面之设计6-1-5流道尺寸之决定6-1-6热流道系统6-2 流道平衡6-2-1流道设计规则6-3 浇口设计6-3-1浇口种类6-3-2浇口设计原则6-4 设计范例6-4-1阶段一：C-mold Filling EZ简易充填模拟分析6-4-2阶段二：执行C-mold Filling & Post Filling 最正确化6-5 模具冷却系统6-5-1冷却孔道的配置6-5-2其它的冷却装置6-6 冷却系统之相关方程式6-6-1冷却系统之设计规则第七章 收缩与翘曲7-1 残留应力7-1-1熔胶流动引发的残留应力7-1-2热效应引发之残留应力7-1-3制程引发残留应力与模

4、穴残留应力7-2 收缩7-3 翘曲7-4 收缩与翘曲的设计规则第八章 问题排除8-1 包风8-2 黑斑、黑纹、脆化、烧痕、和掉色8-3 外表剥离8-4 尺寸变化8-5 鱼眼8-6 毛边8-7 流痕8-8 迟滞效应8-9 喷射流8-10 波纹8-11 短射8-12 银线痕8-13 凹陷与气孔8-14 缝合线与熔合线第九章 C-MOLD软件介绍 (暂缺)附录A 射出机成形条件之设定附录B 常用塑料之性质附录 C 档案格式第一章计算机辅助工程与塑料射出成形1-1 计算机辅助工程分析计算机辅助设计(Computer-Aided Design, CAD)是应用计算机协助进展创造、设计、修改、分析、及最正

5、确化一个设计的技术。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，可以让设计者进展仿真以研究产品的行为，进一步改进或最正确化设计。目前在工程运用上，比拟成熟的CAE技术领域包括：构造应力分析、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，能够在建设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)累积知识经历，系统化整理Know-how，建设设计准则(design crite

6、ria)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，适合使用计算机进展计算，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局部：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设几何模型、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

7、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，再进展挑面与网格切割，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。经历知识实验比对品质(Q)、本钱(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

8、技术的比例仅15%左右，仍有广阔的开展空间。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(thermoform

9、ing)、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响固化定形。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

10、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，经历了屡次重大的改进，主要的里程碑包括回转式螺杆(reciprocating screw)射出机的创造、各种替代加工制程的创造，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创造，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开展。柱塞式射出机本质上具有简单的特色，

11、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、成形设备的改进、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构造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 mold

12、ing，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反响性射出成形reactive molding构造发泡射出

13、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、模穴充填的经历估算演进到可以进展后充填行为、反响动力学、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、及制程条件最正确化等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设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

14、、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历，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、节省开模本钱和资源、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。设计标准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

15、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)流动模型所开展的中间面(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，开展出高效率的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，佐以应用的实务经历，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，

16、一般大约需要500010000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，因此比拟不会影响计算效率。通常，2.5D模流分析软件可以读取的档案格式包括.STL、. .IGES、 MESH、STEP等档案格式。目前，市面上可以看到的塑料射出成形仿真软件如下表：软件名称开发单位C-MOLDA.C.Tech. (美国)MOLDFLOWMoldflow PTY (澳洲)SIMUFLOWGratfek Inc. (美国)TM ConceptPlastics & Compute Inc. (意大利)CADMOU

17、LDI. K. V. (德国)IMAP-F(株)丰田中央研究所(日本)PIASSharp 公司(日本)TIMON-FLOWTORAY公司(日本)POLYFLOWSDRC (美国)CAPLAS佳能(日本)MELT FLOW宇部兴产(日本)SIMPOE欣波科技(台湾)MOLDEX科盛科技(台湾)INJECT-3Phillips(荷兰)Dassault(法国)Pro/E PlasticsPTC (美国)1-4 模流分析软件的未来开展传统2.5D模流分析的最大困扰在于建设中间面或薄壳模型。为了迁就CAE分析，工程师往往在进展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8

18、0%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以下：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

19、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)，对于复杂构造的塑件，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，因此此项技术的开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

20、 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)精细、紧配射出机；和(3)高速、薄肉厚射出机。射出

21、成形机的主要辅助设备包括树脂枯燥机、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

22、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给成形厂。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(me

23、tering 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

24、理料筒时，只要将料筒后退远离竖浇道，去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模板(molding plates)，如图2-5所示。 根本上，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

25、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)三板模(3

26、) 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

27、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 根本型态的组合。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

28、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细组件的加工法，它将粒状塑料于料筒内融化、混合、移动(3 Ms: Melt, Mix, and Move)，再于模穴内

29、流动、充填、凝固(3Fs: Flow, Form, and Freeze)。其动作可以区分为塑料之塑化、充填、保压、冷却、顶出等阶段的循环制程，包括的 根本操作动作如以下：(1) 关闭模具，以便螺杆开场向前推进，如图2-8(a)。(2) 与柱塞式射出机一样地，推进回转式螺杆以充填模穴，如图2-8(b)。(3) 螺杆继续推进，以进展模穴保压，如图2-8(c)。(4) 当模穴冷却，浇口凝固，螺杆开场后退，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，以开场下一个循环，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

30、胶堆积于料筒前端，并且使用加热器维持熔胶温度。在充填阶段开场，射出机翻开喷嘴，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。假设塑料的流动性不佳，或者射出压力缺乏就可能造成短射现象；相反地，假设塑料的流动性太好，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。充填与保压阶段完毕，熔胶在模具里完全凝固后，再翻开模穴取出塑件。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、

31、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) 而停顿运动，将成形品、浇道系统及废料顶出。 (a) (b) (c) (d)(e) (f)图2-8 射出机之操作程序。(a)关闭模具；(b)充填模穴；(c)保压；(d)螺杆后退；(e)顶出塑件；(f)开场下一个循环。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

32、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以下： (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，重新开场一个循环。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，就完毕螺杆倒退阶段。此预设的螺杆停顿位置是根据充填流道和

33、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防止喷射流(jetting)或扰流。接近射出完成时，也应该降低射速以防止造成塑件溢料，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。虽然最正确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(fr

34、eezing 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，以到达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剧烈，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。假设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

35、后才停顿。通常，缓冲量设定为36 mm1/81/4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防止塑料在模穴内的剖面冻结(freezing)以及塑料的冷却性质(例如crystallizatio

36、n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。假设可能的话，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正确流动性。较低的模具温度可以加速成形周期，故应尽量使用可承受的最低模具温度。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 siz

37、e)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、锁模力和模具的构造。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，第一阶段的高压进展充填，第二段则以较低压力进展保压。(8) 保压

38、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。假设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开模时间包括翻开模具、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正确化的方向。有时候，考虑到成形品的可靠性和尺寸稳定性，

39、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，可能购置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展组合或装饰，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：l 黏合(bond

40、ing)l 熔接(welding)l 嵌入(inserting)l 打桩(staking)l 嵌金属型板(swaging)l 接合组合(assembly with fasteners)(2) 装饰装饰塑件的二次加工包括l 外表处理：加热或加压之外表处理。l 印刷：为装饰或提供信息而在塑件外表加工。(3) 其它的二次加工其它的二次加工包括：l 上漆l 硬镀l 金属层遮蔽层l 外表处理l 退火l 车削第三章什么是塑料塑料(plastics)是一种简单的单体(monomers)经由化学聚合反响(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

41、定义：将全部或局部由碳、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响两种。简单的高分子材料呈链状构造，其中最重要者首推乙烯基高分子(vinyl polymer)，构造如下：其中，当 R = H，为聚乙烯；当 R = CH3，为聚丙烯；当 R = C6H5，为聚苯乙烯；当 R = Cl，则成为聚氯乙烯。高分子材料依照分子量和分子构造的差异，也造成不同物性的塑料。例如甲烷(methane

42、, 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-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、黏着剂与外表涂料。塑料加工成塑件的制程众多，可以参考图3-2。聚合物分子链的构造、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

43、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以下特性：低强度与低韧性玻纤强化塑料则可以到达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。

44、(i.e. 容易成形，可以量产。) 低密度。(i.e.重量轻，塑料比重0.92，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拟，金属材料通常包括以下特性；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、精细加工费用高昂。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本钱、密度低、增加产品设计的空间与选择、料头可以回收以节省本钱、可以提高产品寿命、亦可能获得很高的构造强度。钢的模数为210 GPa。一般

45、而言，塑料的模数比金属小数十倍到数百倍。模数的定义E = 应力0应变0，单位是Pa(= N/m2)。塑料材料与金属、陶瓷材料之特性比拟如表3-1。表3-1 塑料材料与金属、陶瓷材料之特性比拟特性优点缺点低熔点容易加工成形使用温度范围窄高拉伸率Low brittleness高潜变强度和低降伏强度低密度成品轻构造强度低低热传导性隔热性佳散热性差低导电性优良的绝缘体不导电着色容易不必在成品着色颜色比对不易溶剂之敏感性可应用为溶液(solution)可能被溶剂(solvent)影响可燃性废料可以燃烧可能产生烟害(fumes or fire hazards)透光性可以产生透明塑件因阳光照射而劣化将数种聚

46、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、机械性质和材料之本钱。这些混合制程造就了以下聚合物系统：(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)。

47、(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响种类，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构造与性质之整理。热塑性塑料根据分子构造或链的构造可以再细分为不定形(amorphous)、半结晶(semi-c

48、rystalline)或液晶(liquid crystalline)聚合物。聚合物的微构造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构造与性质微构造线性或分枝分子链，分子间无化学作用。化学反响后，分子链产生交联网状构造。对热的反响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

49、。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。这种以物理反响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一样。热塑性塑料占所生产塑料的70%，热塑性塑料以小球状或颗粒状贩售，它们在压力下加热熔化成黏稠状流体，冷却时形成所需的成品形状。与热固性塑料比拟，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

50、料的微构造，及制程中加热或冷却对于为构造的影响。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，因此价格也比拟昂贵。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

51、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(40300)、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，其构造与性质如表3-3。表3-3不定形塑料与结晶性塑料的构造与性质之比拟不定形塑料结晶性塑料常用的材料丙烯晴丁二烯苯乙烯共聚合物ABS、压克力例如PMMA、PAN、聚碳酸脂(PC)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)、苯乙烯丙烯系聚合物(SAN)。聚缩醛树脂(POM)、耐隆(PA, 聚醯胺)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、热塑性聚脂(例如PBT、PET)。微

52、构造分子在液相和固相都呈现杂乱的配向性。分子在液相呈现杂乱的配向性，在固相则形成严密堆砌的晶体。热之反响具有软化温度范围，但没有明显的熔点。具有明确的熔点。性质l 透明l 抗化学性差l 成形时体积收缩率低l 通常强度不高l 一般具有高熔胶黏度l 热含量低l 半透明或不透明l 抗化学性佳l 成形时体积收缩率高l 强度高l 熔胶黏度低l 热含量高3-2-1不定形聚合物在无应力作用下加热，不定形塑料熔胶之分子链杂乱地相互纠缠在一起，分子链仅以微弱的凡得瓦尔力维系。不定形塑料维持这种纠缠杂乱的配向性而无视于状态的改变。不定形塑料具有明确的玻璃转移温度和宽广的软化温度范围，没有明确的熔点。当熔胶温度降低

53、，不定形塑料开场呈现橡胶状态，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

54、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构造，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。结晶程序停顿于玻璃转移温度。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构造和成形条件。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

55、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构造，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构造。在成形之前，热固性塑料和热

56、塑性塑料一样具有链状构造。在成形过程中，热固性塑料以热或化学聚合反响，形成交联构造。一旦反响完全，聚合物分子键结形成三维的网状构造，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。假设没有发生裂解，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

57、学性、防震性、绝缘性、隔热性或降低本钱。其构造之网目愈细，耐热性和耐化学性也愈佳。环氧树脂頁: 18、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

58、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本钱；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。假设添加低值长宽比的填充料，其底材的性质改变较小，此类填充料的好处如下：降低收缩量。改善耐热性。改善强度，特别是压缩强度。降低耐冲击性。改善耐溶剂性。表 3-4 常用树脂的建议熔胶温度与模具温度材料名称流动性质熔胶温度(CF)模具温度(CF)顶出温度(CF)MFR g/10min测试负荷 kg测试温度C最小值建议值最大值最小值建议值最大值建议值ABS 35

59、10220200/392230/446280/53625/7750/12280/17688/190PA 12 955275230/446255/491300/57230/8680/176110/230135/275PA 6 1105275230/446255/491300/57270/15885/185110/230133/271PA 66 1005275260/500280/536320/60870/15880/176110/230158/316PBT 352.16250220/428250/482280/53615/6060/14080/176125/257PC 201.2300260/5

60、00305/581340/64470/15895/203120/248127/261PC/ABS125240230/446265/509300/57250/12275/167100/212117/243PC/PBT 465275250/482265/509280/53640/10460/14085/185125/257PE-HD 152.16190180/356220/428280/53620/6840/10495/203100/212PE-LD 102.16190180/356220/428280/53620/6840/10470/15880/176PEI 155.00340340/644400/752440/82470/158140/284175/347191/376PET 275290265/509270/518290/554 80/176100/212120/248150/302PETG 235260220/428255/491290/55410/5015/6030/8659/137PMMA 103.8230240/464250/482280/53635/9060/14080