模流分析基礎(chǔ)入門(mén)

1、模流分析基礎(chǔ)入門(mén)講義第一章 計(jì)算機(jī)輔助工程與塑料射出成形1-1 計(jì)算機(jī)輔助工程分析計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer-Aided Design, CAD)是應(yīng)用計(jì)算機(jī)協(xié)助進(jìn)行創(chuàng)造、設(shè)計(jì)、修改、分析、及最佳化一個(gè)設(shè)計(jì)的技術(shù)。計(jì)算機(jī)輔助工程分析(Computer-Aided Engineering, CAE)是應(yīng)用計(jì)算機(jī)分析CAD幾何模型之物理問(wèn)題的技術(shù)，可以讓設(shè)計(jì)者進(jìn)行仿真以研究產(chǎn)品的行為，進(jìn)一步改良或最佳化設(shè)計(jì)。目前在工程運(yùn)用上，比較成熟的CAE技術(shù)領(lǐng)域包括：結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析、應(yīng)變分析、振動(dòng)分析、流體流場(chǎng)分析、熱傳分析、電磁場(chǎng)分析、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析、塑料注射成形模流分析等等。有效地應(yīng)用CAE，能夠在建立

2、原型之前或之后發(fā)揮功能：協(xié)助設(shè)計(jì)變更(design revision)協(xié)助排除困難(trouble-shooting)累積知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)化整理Know-how，建立設(shè)計(jì)準(zhǔn)則(design criteria)CAE使用近似的數(shù)值方法(numerical methods)來(lái)計(jì)算求解，而不是傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)求解。數(shù)值方法可以解決許多在純數(shù)學(xué)所無(wú)法求解的問(wèn)題，應(yīng)用層面相當(dāng)廣泛。因?yàn)閿?shù)值方法應(yīng)用許多矩陣的技巧，適合使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，而計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度、內(nèi)存的數(shù)量和算法的好壞就關(guān)系到數(shù)值方法的效率與成敗。一般的CAE軟件之架構(gòu)可以區(qū)分為三大部分：前處理器(pre-processor)、求解器(solver)和

3、后處理器(post-processor)。前處理器的任務(wù)是建立幾何模型、切割網(wǎng)格元素與節(jié)點(diǎn)、設(shè)定元素類型與材料系數(shù)、設(shè)定邊界條件等。求解器讀取前處理器的結(jié)果檔，根據(jù)輸入條件，運(yùn)用數(shù)值方法求解答案。后處理器將求解后大量的數(shù)據(jù)有規(guī)則地處理成人機(jī)接口圖形，制作動(dòng)畫(huà)以方便使用者分析判讀答案。為了便利建構(gòu)2D或3D模型，許多CAE軟件提供了CAD功能，方便建構(gòu)模型?；蛘咛峁〤AD接口，以便將2D或3D的CAD圖文件直接匯入CAE軟件，再進(jìn)行挑面與網(wǎng)格切割，以便執(zhí)行分析模擬。應(yīng)用CAE軟件必須注意到其分析結(jié)果未必能夠百分百重現(xiàn)所有的問(wèn)題，其應(yīng)用重點(diǎn)在于有效率地針對(duì)問(wèn)題提出可行之解決方案，以爭(zhēng)取改善問(wèn)題的時(shí)

4、效。經(jīng)驗(yàn)知識(shí)實(shí)驗(yàn)比對(duì)品質(zhì)(Q)、成本(C)、交期(D)CAE工具應(yīng)用CAE工具時(shí)，必須充分了解其理論內(nèi)涵與模型限制，以區(qū)分仿真分析和實(shí)際制程的差異，才不至于對(duì)分析結(jié)果過(guò)度判讀。據(jù)估計(jì)，全球應(yīng)用CAE技術(shù)的比例僅15%左右，仍有廣大的發(fā)展空間。影響CAE技術(shù)推廣的主因有三：分析的準(zhǔn)確性。相關(guān)技術(shù)人員的養(yǎng)成。技術(shù)使用的簡(jiǎn)易性。而CAE模擬分析之主要誤差來(lái)源包括：理論模式物理現(xiàn)象、材料物性。數(shù)值解法(numerical Solver)幾何模型(geometry model)錯(cuò)誤的輸入數(shù)據(jù)1-2 塑料注射成形塑料制品依照其材料性質(zhì)、用途和成品外觀特征而開(kāi)發(fā)了各種加工的方法，例如押出成形(extrusi

5、on)、共注射成形(co-extrusion)、注射成形(injection molding)、吹塑成形(blown film)、吹瓶成形(blow molding)、熱壓成形(thermoforming)、輪壓成形(calendering molding)、發(fā)泡成形(Foam molding)、旋轉(zhuǎn)成形(rotational molding)、氣體輔助射出成形(gas-assisted injection molding)等等。塑料射出成形(injection molding)是將熔融塑料材料壓擠進(jìn)入模穴，制作出所設(shè)計(jì)形狀之塑件的一個(gè)循環(huán)制程。射出成形制程根據(jù)所使用的塑料而有不同，熱塑性塑料

6、必須將射進(jìn)模穴的高溫塑料材料冷卻以定形，熱固性塑料則必須由化學(xué)反應(yīng)固化定形。射出成形是量產(chǎn)設(shè)計(jì)復(fù)雜、尺寸精良的塑件之最普遍和最多元化的加工方法。按照重量計(jì)算，大約32%的塑料采用射出成形加工。射出成形所生產(chǎn)的塑件通常只須少量的二次加工組合、甚至不需要二次加工組合。除了應(yīng)用于熱塑性塑料、熱固性塑料以外，射出成形也可以應(yīng)用于添加強(qiáng)化纖維、陶瓷材料、粉末金屬的聚合物之成形。射出機(jī)自從1870年代初期問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)歷了多次重大的改良，主要的里程碑包括回轉(zhuǎn)式螺桿(reciprocating screw)射出機(jī)的發(fā)明、各種替代加工制程的發(fā)明，以及塑件計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造的應(yīng)用。尤其是回轉(zhuǎn)式螺桿射出機(jī)的發(fā)明，

7、更對(duì)于熱塑性塑料射出成形的多樣性及生產(chǎn)力造成革命性的沖擊?，F(xiàn)今的射出機(jī)，除了控制系統(tǒng)與機(jī)器功能有顯著改善以外，從柱塞式機(jī)構(gòu)改變?yōu)榛剞D(zhuǎn)式螺桿是射出成形機(jī)最主要的發(fā)展。柱塞式射出機(jī)本質(zhì)上具有簡(jiǎn)單的特色，但是純粹以熱傳導(dǎo)緩慢地加熱塑料，使其普及率大大地受到限制?；剞D(zhuǎn)式射出機(jī)則借著螺桿旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所造成的摩擦熱可以迅速均勻地將塑料材料塑化，并且，也可以像柱塞式射出機(jī)一般向前推進(jìn)螺桿，射出熔膠。圖1-1是回轉(zhuǎn)式螺桿射出機(jī)的示意圖。圖1-1 回轉(zhuǎn)式螺桿射出機(jī)射出成形制程最初僅僅應(yīng)用于熱塑性塑料，隨著人類對(duì)于材料性質(zhì)的了解、成形設(shè)備的改良、和工業(yè)上特殊需求等因素，使射出成形制程大大地?cái)U(kuò)張了應(yīng)用范圍。在過(guò)去的二十

8、幾年，許多新開(kāi)發(fā)的射出成形技術(shù)應(yīng)用于具有特殊特征的設(shè)計(jì)與特別材料的塑件，使射出成形塑件的設(shè)計(jì)比傳統(tǒng)上更具有結(jié)構(gòu)特征的多樣性和自由度。這些研發(fā)的替代制程包括： 共射成形（co-injection molding，又稱為三明治成形） 核心熔化成形（fusible core injection molding） 氣輔射出成形（gas-assisted injection molding） 射出壓縮成形（injection-compression molding） 層狀射出成形（lamellar, or microlayer, injection molding） 活動(dòng)供料射出成形（live-feed

9、 injection molding） 低壓射出成形（low-pressure injection molding） 推拉射出成形（push-pull injection molding） 反應(yīng)性射出成形（reactive molding） 結(jié)構(gòu)發(fā)泡射出成形（structure foam injection molding） 薄膜成形（thin-wall molding）因?yàn)樯涑龀尚蔚膹V泛應(yīng)用及其具有前景的未來(lái)，制程的計(jì)算機(jī)仿真也從早期的均一配置、模穴充填的經(jīng)驗(yàn)估算演進(jìn)到可以進(jìn)行后充填行為、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、和不同材料或不同相態(tài)之仿真的復(fù)雜程序。市場(chǎng)上的模流分析軟件提供了改變塑件設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、及制

10、程條件最佳化等CAE功能。1-3 模流分析及薄殼理論塑料射出成形之模流分析系應(yīng)用質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒方程式，配合高分子材料的流變理論和數(shù)值求解法所建立的一套描述塑料射出成形之熱力歷程與充填保壓行為模式，經(jīng)由人性化接口的顯示，以獲知塑料在模穴內(nèi)的速度、應(yīng)力、壓力、溫度等參數(shù)之分布，塑件冷卻凝固以及翹曲變形的行為，并且可能進(jìn)一步探討成形之參數(shù)及模具設(shè)計(jì)參數(shù)等關(guān)系。理論上，模流分析可以協(xié)助工程師一窺塑料成品設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、及成形條件的奧秘，其能夠幫助生手迅速累積經(jīng)驗(yàn)，協(xié)助老手找出可能被忽略的因素。應(yīng)用模流分析技術(shù)可以縮減試模時(shí)間、節(jié)省開(kāi)模成本和資源、改善產(chǎn)品品質(zhì)、縮短產(chǎn)品上市的準(zhǔn)備周期、降低

11、不良率。在CAE領(lǐng)域，塑料射出模流分析已經(jīng)存在具體的成效，協(xié)助射出成形業(yè)者獲得相當(dāng)完整的解決方案。塑料射出模流分析所需的專業(yè)知識(shí)包括：材料特性塑料之材料科學(xué)與物理性質(zhì)、模具材料和冷卻劑等相關(guān)知識(shí)。設(shè)計(jì)規(guī)范產(chǎn)品設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)，可參考材料供貨商提供的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。成形條件塑料或高分子加工知識(shí)以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)務(wù)。市場(chǎng)上模流分析軟件大多數(shù)是根據(jù)GHS(Generalized Hele-Shaw)流動(dòng)模型所發(fā)展的中間面(mid-plane)模型或薄殼(shell)模型之2.5D模流分析，以縮減求解過(guò)程的變量數(shù)目，并且應(yīng)用成熟穩(wěn)定的數(shù)值方法，發(fā)展出高效率的CAE軟件。加以90%的塑料成品都是所謂的薄件，2.5D模流

12、分析的結(jié)果具有相當(dāng)高的準(zhǔn)確性，佐以應(yīng)用的實(shí)務(wù)經(jīng)驗(yàn)，再結(jié)合專家系統(tǒng)，2.5D模流分析仍將主導(dǎo)模流分析的技術(shù)市場(chǎng)。薄殼模型要求塑件的尺寸肉厚比在10以上，因此著重在塑料的平面流動(dòng)，而忽略塑料在塑件肉厚方向的流動(dòng)和質(zhì)傳，因此可以簡(jiǎn)化計(jì)算模型。就典型的模流分析案例而言，一般大約需要500010000個(gè)三角形元素來(lái)建構(gòu)幾何模型，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)分開(kāi)處理，因此比較不會(huì)影響計(jì)算效率。通常，2.5D模流分析軟件可以讀取的檔案格式包括.STL、. .IGES、 MESH、STEP等檔案格式。目前，市面上可以看到的塑料射出成形

13、仿真軟件如下表：軟件名稱開(kāi)發(fā)單位C-MOLDA.C.Tech. (美國(guó))MOLDFLOWMoldflow PTY (澳洲)SIMUFLOWGratfek Inc. (美國(guó))TM ConceptPlastics & Compute Inc. (意大利)CADMOULDI. K. V. (德國(guó))IMAP-F(株)豐田中央研究所(日本)PIASSharp 公司(日本)TIMON-FLOWTORAY公司(日本)POLYFLOWSDRC (美國(guó))CAPLAS佳能(日本)MELT FLOW宇部興產(chǎn)(日本)SIMPOE欣波科技(臺(tái)灣)MOLDEX科盛科技(臺(tái)灣)INJECT-3Phillips(荷蘭

14、)Dassault(法國(guó))Pro/E PlasticsPTC (美國(guó))1-4 模流分析軟件的未來(lái)發(fā)展傳統(tǒng)2.5D模流分析的最大困擾在于建立中間面或薄殼模型。為了遷就CAE分析，工程師往往在進(jìn)行分析之前先利用轉(zhuǎn)檔或重建的方式建構(gòu)模型，相當(dāng)浪費(fèi)時(shí)間，甚至可能花費(fèi)分析時(shí)間的80%以上在建模和修模。新一代的模流分析軟件舍棄GHS流動(dòng)模型，直接配合塑件實(shí)體模型，求解3D的流動(dòng)、熱傳、物理性質(zhì)之模型方程式，以獲得更真實(shí)的解答。3D模流分析技術(shù)的主要問(wèn)題在于計(jì)算量非常大、計(jì)算的穩(wěn)定性問(wèn)題和網(wǎng)格品質(zhì)造成數(shù)值收斂性的問(wèn)題。目前，3D模流分析技術(shù)應(yīng)用的模型技術(shù)有下列：雙域有限元素法(dual-domain fin

15、ite element method)：將塑件相對(duì)應(yīng)面挑出，以兩薄殼面及半厚度近似實(shí)體模型，配合連接器(connector)的應(yīng)用以調(diào)節(jié)流動(dòng)趨勢(shì)。此技術(shù)對(duì)于肉厚變化較大的產(chǎn)品，有應(yīng)力計(jì)算的誤差和適用性的問(wèn)題。應(yīng)用上可能遭遇縫合線預(yù)測(cè)錯(cuò)誤、流動(dòng)長(zhǎng)度估算錯(cuò)誤等問(wèn)題。使用此法的軟件如MPI。中間面產(chǎn)生技術(shù)(mid-plane generator)： 中間面產(chǎn)生技術(shù)可以分為中間軸轉(zhuǎn)換(Medial Axis Transform, MAT)和法則歸納法(heuristic method)，對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的塑件，因?yàn)槿夂褡兓⒐改Ｃ娌粚?duì)稱、肋(rib)與轂(boss)等強(qiáng)化原件的設(shè)計(jì)，使得MAT技術(shù)有實(shí)用

16、上的困難，因此此項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展以法則歸納法為主。HPFVM(High-Performance Finite Volume Method)：應(yīng)用有限體積法配合配合快速數(shù)值算法(Fast Numerical Algorithm, FNA)、非線性去偶合計(jì)算法(Decoupled solution procedure for non-linearity)及高效率的迭代求解。使用此法的軟件如Moldex-3D。 第二章 射出成形機(jī)就熱塑性塑料(thermoplastics)而言，射出成形機(jī)將塑料顆粒材料經(jīng)由熔融、射出、保壓、冷卻等循環(huán)，轉(zhuǎn)變成最終的塑件。熱塑性塑料射出成形機(jī)通常采用鎖模噸數(shù)(clampi

17、ng tonnage)或射出量(shot size)作為簡(jiǎn)易的機(jī)器規(guī)格辨識(shí)，可以使用的其它參數(shù)還包括射出速率、射出壓力、螺桿設(shè)計(jì)、模具厚度和導(dǎo)桿間距等等。根據(jù)功能區(qū)分，射出成形機(jī)的大致上有三個(gè)種類：(1)一般用途射出機(jī)；(2)精密、緊配射出機(jī)；和(3)高速、薄肉厚射出機(jī)。射出成形機(jī)的主要輔助設(shè)備包括樹(shù)脂干燥機(jī)、材料處理及輸送設(shè)備、粉碎機(jī)、模溫控制機(jī)與冷凝器、塑件退模之機(jī)械手臂、以及塑件處理設(shè)備。2-1 射出機(jī)組件典型的射出成形機(jī)如圖2-1所示，主要包括了射出系統(tǒng)(injection system)、模具系統(tǒng)(mold system)、油壓系統(tǒng)(hydraulic system)、控制系統(tǒng)(co

18、mtrol system)、和鎖模系統(tǒng)(clamping system)等五個(gè)單元。 圖2-1 應(yīng)用于熱塑性塑料的單螺桿射出成形機(jī)2-1-1 射出系統(tǒng)射出系統(tǒng)包括了料斗(hooper)、回轉(zhuǎn)螺桿與料筒(barrel)組合，和噴嘴(nozzle)，如圖2-2。射出系統(tǒng)的功能是存放及輸送塑料，使塑料經(jīng)歷進(jìn)料、壓縮、排氣、熔化、射出及保壓階段。圖2-2 熱塑性塑料的單螺桿射出成形機(jī)之塑化螺桿、料筒、電熱片、固定模板及移動(dòng)模板。 (1) 料斗熱塑性塑料通常以小顆粒供應(yīng)成形廠。射出機(jī)的料斗可以存放塑料膠顆粒，藉由重力作用使塑料顆粒經(jīng)過(guò)料斗頸部，進(jìn)入料筒與螺桿組合內(nèi)。(2) 料筒射出機(jī)的料筒可以容納回轉(zhuǎn)式

19、螺桿，并且使用電熱片(electric heater bands)加熱塑料。(3) 回轉(zhuǎn)式螺桿回轉(zhuǎn)式螺桿可以壓縮塑料、熔化塑料及輸送塑料，螺桿上包括了進(jìn)料區(qū)(feeding zone)、壓縮區(qū)（compression zone, 或轉(zhuǎn)移區(qū)transition zone）、和計(jì)量區(qū)(metering zone)三個(gè)區(qū)段，如圖2-3所示。圖2-3 回轉(zhuǎn)式螺桿之進(jìn)料區(qū)、壓縮區(qū)、和計(jì)量區(qū)。螺桿的外徑為固定值，螺桿的溝槽深度(the depth of flight)從進(jìn)料區(qū)到計(jì)量區(qū)起點(diǎn)逐漸遞減，溝槽深度的變化使塑料相對(duì)于料筒內(nèi)徑產(chǎn)生壓縮，造成剪切熱，提供熔化塑料的主要熱量。料筒外的加熱片則幫助塑料維持于

20、熔融狀態(tài)，一般的射出機(jī)有三組或更多組加熱片，以便設(shè)定為不同的溫度區(qū)段。(4) 噴嘴噴嘴連接料筒和豎澆道襯套(sprue bushing)。當(dāng)料筒移到最前端的成形位置，其噴嘴外徑必須包覆在豎澆道定位環(huán)內(nèi)，構(gòu)成密封。噴嘴的溫度應(yīng)該設(shè)定在材料供貨商建議之塑料熔化溫度，或是略低于溫度。如此，清理料筒時(shí)，只要將料筒后退遠(yuǎn)離豎澆道，清除的塑料可以從噴嘴自由落下，參閱圖2-4。圖2-4 (a)在成形位置的噴嘴與料筒；(b)在清料位置的噴嘴與料筒。2-1-2 模具系統(tǒng)模具系統(tǒng)包括了導(dǎo)桿(tie bars)、固定模板(stationary platen)、移動(dòng)模板(movable platen)、和容納模穴、豎

21、澆道、流道系統(tǒng)、頂出銷和冷卻管路的模板(molding plates)，如圖2-5所示。基本上，模具是一座熱交換器，使熱塑性塑料的熔膠在模穴內(nèi)凝固成需要的形狀及尺寸。圖2-5 典型的三板模之模具系統(tǒng)模具系統(tǒng)將熔融塑料在模穴內(nèi)定形，并于冷卻后將塑件頂出。射出成形的模具系統(tǒng)是安裝模板與成形模板的組合，通常以工具鋼加工制成。固定安裝板連接到成形機(jī)料筒一側(cè)，并經(jīng)由導(dǎo)桿與移動(dòng)模板相接。母模板通常鎖在固定模板上，并且連接到噴嘴；公模板鎖在移動(dòng)安裝板上，沿著導(dǎo)桿之導(dǎo)引而移動(dòng)。有些應(yīng)用會(huì)相反地將母模板鎖在移動(dòng)模板上，將公模板和液壓頂出機(jī)構(gòu)安裝固定模板上。(1) 兩板模大多數(shù)模具是由兩片模板組成，如圖2-6，此

22、類模具常使用在塑件澆口正好設(shè)在塑件邊緣或者接近塑件邊緣的設(shè)計(jì)，其流道(runner)也設(shè)計(jì)在母模板上。(2) 三板模三板模通常應(yīng)用于澆口遠(yuǎn)離塑件邊緣的設(shè)計(jì)，其流道是設(shè)計(jì)在分隔公模與母模的脫料板(stripper plate)上，如圖2-6所示。 圖2-6 (左)兩板模與 (右)三板模(3) 冷卻管路（回路）冷卻管路(cooling channels)是模具本體的通道，冷媒（一般是水、蒸汽或油）經(jīng)由冷卻管路循環(huán)以調(diào)節(jié)模壁溫度。冷卻管路也可以搭配其它的溫度控制裝置一起使用，例如障板管(bafflers)、擾流板(bubblers)或熱管(thermal pins or heat pipes)等。2

23、-1-3 油壓系統(tǒng)射出機(jī)的油壓系統(tǒng)提供開(kāi)啟與關(guān)閉模具的動(dòng)力，蓄積并維持鎖模力噸數(shù)，旋轉(zhuǎn)與推進(jìn)螺桿，致動(dòng)頂出銷，以及移動(dòng)公模側(cè)。油壓系統(tǒng)的組件包括幫浦、閥、油壓馬達(dá)、油壓管件、油壓接頭及油壓槽等。2-1-4 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)提供成形機(jī)一致性的重復(fù)操作，并且監(jiān)控溫度、壓力、射出速度、螺桿速度與位置、及油壓位置等制程參數(shù)。制程控制直接影響到塑件品質(zhì)和制程的經(jīng)濟(jì)效益?？刂葡到y(tǒng)包括簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)繼電器控制到復(fù)雜的微處理器閉回路控制器。2-1-5 鎖模系統(tǒng)鎖模系統(tǒng)用來(lái)開(kāi)啟關(guān)閉模具，支撐與移動(dòng)模具組件，產(chǎn)生足夠的力量以防止模具被射出壓力推開(kāi)。鎖模機(jī)構(gòu)可以是肘節(jié)機(jī)構(gòu)鎖定、油壓機(jī)構(gòu)鎖定、或是上述的兩個(gè)基本型態(tài)的組合

24、。2-2 射出成形系統(tǒng)典型的射出成形系統(tǒng)(molded system)包括熔膠輸送系統(tǒng)和成形塑件，如圖2-7所示。熔膠輸送系統(tǒng)提供讓熔膠從射出機(jī)噴嘴流到模穴的通道，它通常包括：豎澆道(sprue)、冷料井(cold slug well)、主流道、分枝流道、和澆口(gates)。圖2-7 射出成形系統(tǒng)包括熔膠輸送系統(tǒng)及成形塑件。輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)于充填模式與塑件品質(zhì)都有很重要的影響。因此應(yīng)該設(shè)計(jì)流道系統(tǒng)，以維持所需充填模式，將熔膠輸送到模穴。在完成射出成形之后，冷流道輸送系統(tǒng)將會(huì)被切除成為回收廢料，所以應(yīng)該設(shè)計(jì)輸送系統(tǒng)，以產(chǎn)生最少的廢料。熱流道（Hot runner或無(wú)流道runnerless）成

25、形制程維持流道于高溫，使其內(nèi)之熔膠維持在熔融狀態(tài)。因?yàn)闊崃鞯啦⒉慌c塑件一起脫模，不致于造成廢料，并且節(jié)省塑件二次切除加工的制程。2-3 射出機(jī)操作順序塑料射出成形加工是一種適合高速量產(chǎn)精密組件的加工法，它將粒狀塑料于料筒內(nèi)融化、混合、移動(dòng)(3 Ms: Melt, Mix, and Move)，再于模穴內(nèi)流動(dòng)、充填、凝固(3Fs: Flow, Form, and Freeze)。其動(dòng)作可以區(qū)分為塑料之塑化、充填、保壓、冷卻、頂出等階段的循環(huán)制程，包括的基本操作動(dòng)作如下列：(1) 關(guān)閉模具，以便螺桿開(kāi)始向前推進(jìn)，如圖2-8(a)。(2) 與柱塞式射出機(jī)相同地，推進(jìn)回轉(zhuǎn)式螺桿以充填模穴，如圖2-8(

26、b)。(3) 螺桿繼續(xù)推進(jìn)，以進(jìn)行模穴保壓，如圖2-8(c)。(4) 當(dāng)模穴冷卻，澆口凝固，螺桿開(kāi)始后退，并塑化材料準(zhǔn)備下一次射出，如圖2-8(d)。(5) 開(kāi)啟模具，頂出塑件，如圖2-8(e)。(6) 開(kāi)閉模具，以開(kāi)始下一個(gè)循環(huán)，如圖2-8(f)。塑料在料筒被螺桿擠壓產(chǎn)生大量摩擦熱而形成熔融狀態(tài)，熔膠堆積于料筒前端，并且使用加熱器維持熔膠溫度。在充填階段開(kāi)始，射出機(jī)打開(kāi)噴嘴，螺桿前進(jìn)將熔膠經(jīng)噴嘴注入關(guān)閉的模穴，以完成充填。當(dāng)熔膠進(jìn)入模穴，受壓氣體從頂出銷、分模線和氣孔逸出。良好的充填決定于塑料組件設(shè)計(jì)、澆口位置和良好的排氣。假如塑料的流動(dòng)性不佳，或者射出壓力不足就可能造成短射現(xiàn)象；相反地，假

27、如塑料的流動(dòng)性太好，容易在塑件的分模面造成毛邊。熔膠完全填滿模穴后，繼續(xù)施壓以注入更多熔膠，補(bǔ)償因冷卻而造成之塑料體積收縮，并確保模穴完全填滿。充填與保壓階段結(jié)束，熔膠在模具里完全凝固后，再打開(kāi)模穴取出塑件。冷卻時(shí)間在整個(gè)成形周期占非常高的比例，大約80%，成形品的冷卻時(shí)間依照塑料性質(zhì)、成形品的形狀、大小、尺寸、精度而有不同。當(dāng)移動(dòng)模板后退，使頂出銷頂?shù)胶蟀?rear plate) 而停止運(yùn)動(dòng)，將成形品、澆道系統(tǒng)及廢料頂出。 (a) (b) (c) (d) (e) (f)圖2-8 射出機(jī)之操作程序。(a)關(guān)閉模具；(b)充填模穴；(c)保壓； (d)螺桿后退；(e)頂出塑件；(f)開(kāi)始下一個(gè)循

28、環(huán)。為了進(jìn)一步說(shuō)明制程循環(huán)中的射出機(jī)動(dòng)作，圖2-9畫(huà)出不同階段的油壓缸壓力、模穴壓力、公母模分隔距離與螺桿位置的示意圖，其中編號(hào)表示：圖2-9 典型的射出成形機(jī)之動(dòng)作循環(huán)和各動(dòng)作所占的時(shí)間比例1 - 充填（射出階段）2 - 保壓與冷卻3 - 開(kāi)啟模具4 - 頂出塑件5 - 關(guān)閉鎖具射出成形的周期時(shí)間根據(jù)制程的塑件重量、肉厚、塑料性質(zhì)、機(jī)器設(shè)定參數(shù)而改變。典型的周期時(shí)間可能從數(shù)秒鐘到數(shù)十秒。2-4 螺桿操作根據(jù)需求，回轉(zhuǎn)式螺桿可以設(shè)定轉(zhuǎn)速以塑化塑料顆粒，并且將熔膠以設(shè)定之螺桿速度、射出量與射出壓力壓擠進(jìn)入模穴?；剞D(zhuǎn)式螺桿射出機(jī)之射出成形的主要控制參數(shù)如下列： (1) 背壓背壓(back pres

29、sure)是螺桿往后推以準(zhǔn)備下一次射出塑料時(shí)，作用于螺桿前端之塑料的壓力值。當(dāng)射出機(jī)準(zhǔn)備要射出時(shí)，螺桿將前端的塑料推入模穴，射出的塑料在模具內(nèi)冷卻后，射出機(jī)再進(jìn)入螺桿倒退階段，重新開(kāi)始一個(gè)循環(huán)。通常，射出機(jī)可以調(diào)節(jié)背壓的最大值，當(dāng)螺桿移到此預(yù)設(shè)背壓位置，就結(jié)束螺桿倒退階段。此預(yù)設(shè)的螺桿停止位置是根據(jù)充填流道和模穴所需的塑料量，以手動(dòng)方式設(shè)定。(2) 射出速度（或射出時(shí)間）射出速度（injection speed或螺桿速度ram speed）是指射出操作中，螺桿的前進(jìn)速度。對(duì)于大部份的工程塑料，應(yīng)該在塑件設(shè)計(jì)的技術(shù)條件和制程允許的經(jīng)濟(jì)條件下，設(shè)定為最快的射出速度。然而，在射出的起始階段，仍應(yīng)采用

30、較低的射速以避免噴射流(jetting)或擾流。接近射出完成時(shí)，也應(yīng)該降低射速以避免造成塑件溢料，同時(shí)可以幫助形成均質(zhì)的縫合線。射出時(shí)間是將熔膠充填進(jìn)模穴所需的時(shí)間，受到射出速度控制。雖然最佳的充填速度取決于塑件的幾何形狀、澆口尺寸和熔膠溫度，但大多數(shù)情況會(huì)將熔膠盡速射入模穴。因?yàn)槟＞邷囟韧ǔ５陀跇?shù)脂的凝固點(diǎn)(freezing point)，所以太長(zhǎng)的射出時(shí)間會(huì)提高導(dǎo)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發(fā)生凝固。有時(shí)候，粗厚塑件或小澆口會(huì)降低充填速度，此時(shí)必須保持熔膠連續(xù)地流過(guò)澆口以防止?jié)部谀?，進(jìn)而充飽模穴。新進(jìn)的研究方向嘗試控制射出量，控制螺桿動(dòng)作和止回閥(ch

31、eck valve)關(guān)閉的時(shí)間，以達(dá)到控制組件尺寸的目的。(3) 螺桿旋轉(zhuǎn)速度螺桿旋轉(zhuǎn)速度是塑化螺桿的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速越快，塑料螺桿溝槽壓縮得越激烈，產(chǎn)生更大量的剪切熱。(4) 緩沖量緩沖量(cushion)是螺桿的最大允許前進(jìn)位置與最末端的前進(jìn)位置之間的差值。假如允許螺桿行程設(shè)為最大值，緩沖量為零，螺桿將前進(jìn)至碰到噴嘴后才停止。通常，緩沖量設(shè)定為36 mm（1/81/4英吋）。(5) 熔膠溫度熔膠溫度應(yīng)依照(a)樹(shù)脂種類、(b)射出機(jī)特性、(c)射出量，相互配合。最初設(shè)定的熔膠溫度應(yīng)參考樹(shù)脂供貨商的推薦數(shù)據(jù)。通常選擇高于軟化溫度、低于樹(shù)脂之熔點(diǎn)做為熔膠溫度，以免過(guò)熱而裂解。以nylon為例，在射出

32、區(qū)(feed zone)的溫度通常比料筒的溫度高，此增加的熱量可以降低熔膠射出壓力而不致于使熔膠過(guò)熱。因?yàn)閚ylon熔膠的黏滯性相當(dāng)?shù)?，可以很容易地充填模穴而不必倚賴提升溫度造成的致稀性?6) 模具溫度模具溫度的限制在于避免塑料在模穴內(nèi)的剖面凍結(jié)(freezing)以及塑料的冷卻性質(zhì)(例如crystallization等)。所以，模具溫度應(yīng)該是在熔膠的流動(dòng)性與模具溫度之間作折衷選擇。假如可能的話，應(yīng)該讓臨界之凝固位置(the critical freezing location)發(fā)生在澆口處。調(diào)節(jié)澆口尺寸能夠獲得在可能的最低模具溫度下的最佳流動(dòng)性。較低的模具溫度可以加速成形周期，故應(yīng)盡量使用

33、可接受的最低模具溫度。有些射出成形需要冷卻或冷凝，有些則需要加熱模具以控制結(jié)晶度(crystallization)和熱應(yīng)力。模具溫度可以使用冷卻劑調(diào)節(jié)。模具溫度和冷卻劑溫度都應(yīng)監(jiān)控。模具固定側(cè)和移動(dòng)側(cè)使用不同模溫的目的之一是要控制成品附著在模仁，方便頂出。影響熔膠溫度和模具溫度的一些因素包括：射出量(shot size)大射出量需要較高的模具溫度。射出速率(injection rate)高射出速度會(huì)造成致稀性的高溫。流道尺寸(size of runner)長(zhǎng)的流道需要較高溫度。塑件壁厚(part thickness)粗厚件需要較長(zhǎng)冷卻時(shí)間，通常使用較低模溫。(7) 射出和保壓壓力射出壓力的上限

34、是射出機(jī)的容量、鎖模力和模具的結(jié)構(gòu)。通常，射出壓力和保壓壓力設(shè)定為不會(huì)造成短射的最低壓力。射出壓力和保壓壓力應(yīng)該足夠高，維持足夠久，以便在塑件的收縮階段繼續(xù)填注塑料，將收縮量最小化。然而，太高的射出壓力會(huì)造成塑件潛在的應(yīng)力。兩段式加壓可以應(yīng)用在一些制程，第一階段的高壓進(jìn)行充填，第二段則以較低壓力進(jìn)行保壓。(8) 保壓時(shí)間完成充填模穴后，射出機(jī)仍然施加壓力在模具的時(shí)間稱為保壓時(shí)間，保壓的目的在維持組件的尺寸精度。(9) 剩余冷卻時(shí)間解除壓力到開(kāi)模之間的時(shí)間稱為剩余冷卻時(shí)間，目的是讓塑件足夠硬化以便頂出。假如在塑件尚未完全冷卻硬化之前就頂出，會(huì)造成塑件翹曲變形。(10) 開(kāi)模時(shí)間（mold-ope

35、ning time，也稱為dead time）開(kāi)模時(shí)間包括打開(kāi)模具、頂出塑件和關(guān)閉模具的時(shí)間。開(kāi)模時(shí)間和射出機(jī)之操作效率、成品取出的難易度、使用脫模劑與否都有關(guān)系，以人工安置鑲埋件(insert)的模具會(huì)更降低操作效率。在射出機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程維持最少的人力介入是開(kāi)模時(shí)間最佳化的方向。有時(shí)候，考慮到成形品的可靠性和尺寸穩(wěn)定性，最理想的制程循環(huán)有可能不是dead time最短的制程。改善dead time的方法包括：統(tǒng)計(jì)法例如control charts、田口法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法甚至可以在射出機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)之前即建議設(shè)定之成形條件。目前，可能購(gòu)買現(xiàn)有的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練器分析正常的射出成形制程，而能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)成形品的品質(zhì)。

36、甚至有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練器只要辨識(shí)組件的幾何關(guān)系和樹(shù)脂特性就可以對(duì)新設(shè)計(jì)緣漸漸溢出有效的成形條件。2-5 二次加工塑件頂出之后，切除熔膠輸送系統(tǒng)（豎澆道、流道、澆口）的加工稱為二次加工。有些塑件需要二次加工進(jìn)行組合或裝飾，二次加工詳細(xì)說(shuō)明應(yīng)該可以從材料供貨商的設(shè)計(jì)手冊(cè)中找到。(1) 組合組合塑件的二次加工包括：l 黏合(bonding)l 熔接(welding)l 嵌入(inserting)l 打樁(staking)l 嵌金屬型板(swaging)l 接合組合(assembly with fasteners)(2) 裝飾裝飾塑件的二次加工包括l 表面處理：加熱或加壓之表面處理。l 印刷：為裝飾或提供

37、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：l 上漆l 硬鍍l 金屬層遮蔽層l 表面處理l 退火l 車削第三章 什么是塑料？塑料(plastics)是一種簡(jiǎn)單的單體(monomers)經(jīng)由化學(xué)聚合反應(yīng)(polymerization)而成的長(zhǎng)鏈狀高分子聚合物(polymers)。根據(jù)美國(guó)塑料工業(yè)協(xié)會(huì)對(duì)于塑料的定義：將全部或部分由碳、氧、氫和氮及其它有機(jī)或無(wú)機(jī)元素使用加熱、加壓、或兩者并用的方式聚合而成，在制造中的階段是液體，在制造的最后階段成為固體，此龐大而變化多端的材料族群稱為塑料。高分子聚合物加工成為塑件的制程主要包括熱塑性塑料之熔化與凝固的物理相態(tài)變化或熱固性塑料之固化

38、的化學(xué)反應(yīng)兩種。簡(jiǎn)單的高分子材料呈鏈狀結(jié)構(gòu)，其中最重要者首推乙烯基高分子(vinyl polymer)，結(jié)構(gòu)如下：其中，當(dāng) R = H，為聚乙烯；當(dāng) R = CH3，為聚丙烯；當(dāng) R = C6H5，為聚苯乙烯；當(dāng) R = Cl，則成為聚氯乙烯。高分子材料依照分子量和分子結(jié)構(gòu)的差異，也造成不同物性的塑料。例如甲烷(methane, CH4)為氣體，戊烷(pentane, C5H12)為液體，甲烷(polyethylene, C100H102)為固體。高分子材料的分子量通常為10,000 1,000,000，分子量愈大，愈增加成形的困難度，200,000為合理的成形上限。高分子聚合物的分子鏈可以視

39、為一重復(fù)單體長(zhǎng)鏈，加上主要分子鏈旁枝的化學(xué)基，如圖3-所示。雖然“塑料”可以泛指聚合物或樹(shù)脂，塑料一般是指添加了塑化劑、安定劑、填充料或是其它改善性能及成形性之聚合物系統(tǒng)，還包括橡膠、纖維、黏著劑與表面涂料。塑料加工成塑件的制程眾多，可以參考圖3-2。聚合物分子鏈的結(jié)構(gòu)、規(guī)模大小、化學(xué)成分都直接影響聚合物的化學(xué)性質(zhì)與物理性質(zhì)。塑料高分子還受到機(jī)械加工制程與熱歷程影響。例如，聚合物熔膠的黏滯性（亦即流動(dòng)阻力）隨著分子量增加而增加，隨著溫度上升而降低。玻璃轉(zhuǎn)移溫度、機(jī)械性質(zhì)、耐熱性、耐沖擊性亦階隨著分子量增加而提高。此外，作用于材料的高剪應(yīng)力所造成的整齊分子鏈配向性也會(huì)降低聚合物熔膠的黏滯性。就分

40、子量分布而言，短分子鏈影響拉伸及沖擊強(qiáng)度，中分子鏈影響?zhàn)约凹羟辛鲃?dòng)性質(zhì)，長(zhǎng)分子鏈影響熔膠之彈性。圖3-1 塑料之分類圖3-2 塑料之加工制程塑料通常具有下列特性： 低強(qiáng)度與低韌性（玻纖強(qiáng)化塑料則可以達(dá)到高強(qiáng)度與高韌性） 原料豐富，價(jià)格低廉。 有最高使用溫度限制。 色彩鮮明，著色容易。 受外力作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生連續(xù)變形(潛變現(xiàn)象)。 易加工程復(fù)雜形狀。(i.e. 容易成形，可以量產(chǎn)。) 低密度。(i.e.重量輕，塑料比重0.92，鋁2.7，鐵7.8) 耐腐蝕性佳。 良好的絕緣性和隔熱性。 可以具有其它特殊性質(zhì)，例如透明性、可彎曲性等。塑料材料與金屬材料比較，金屬材料通常包括下列特性；高密度、寬廣的

41、使用范圍、高熱傳導(dǎo)性、高導(dǎo)電性、剛性(rigidity)、高強(qiáng)度(strength)、不透明、易生銹、精密加工費(fèi)用高昂。相對(duì)地，塑料材料則具有良好的機(jī)械阻尼、良好的熱膨脹性、加工周期短而且可以減少穿孔等二次加工的成本、密度低、增加產(chǎn)品設(shè)計(jì)的空間與選擇、料頭可以回收以節(jié)省成本、可以提高產(chǎn)品壽命、亦可能獲得很高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。鋼的模數(shù)為210 GPa。一般而言，塑料的模數(shù)比金屬小數(shù)十倍到數(shù)百倍。模數(shù)的定義E = 應(yīng)力0應(yīng)變0，單位是Pa(= N/m2)。塑料材料與金屬、陶瓷材料之特性比較如表3-1。表3-1 塑料材料與金屬、陶瓷材料之特性比較特性優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)低熔點(diǎn)容易加工成形使用溫度范圍窄高拉伸率Low

42、brittleness高潛變強(qiáng)度和低降伏強(qiáng)度低密度成品輕結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低低熱傳導(dǎo)性隔熱性佳散熱性差低導(dǎo)電性優(yōu)良的絕緣體不導(dǎo)電著色容易不必在成品著色顏色比對(duì)不易溶劑之敏感性可應(yīng)用為溶液(solution)可能被溶劑(solvent)影響可燃性廢料可以燃燒可能產(chǎn)生煙害(fumes or fire hazards)透光性可以產(chǎn)生透明塑件因陽(yáng)光照射而劣化將數(shù)種聚合物混合，或是將聚合物與其它材料、補(bǔ)強(qiáng)劑復(fù)合，可以改變其物理性質(zhì)、機(jī)械性質(zhì)和材料之成本。這些混合制程造就了下列聚合物系統(tǒng)：(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)是將兩種或更多

43、種聚合物混合的系統(tǒng)。當(dāng)混合結(jié)果產(chǎn)生融合效應(yīng)(synergistic effect)而具有單一的玻璃轉(zhuǎn)移溫度，稱為聚合物合金，其性質(zhì)比各別的聚合物更佳。當(dāng)混合結(jié)果具有多重的玻璃轉(zhuǎn)移溫度，稱為聚合物混合物，其性質(zhì)是各別聚合物的平均。ABS是最早期的一種成功混合物，它結(jié)合了各個(gè)成分聚合物的耐化學(xué)性、韌性(toughness)以及剛性(rigidity)。(2) 聚合物復(fù)合材料聚合物復(fù)合材料(polymer composites)是將強(qiáng)化物質(zhì)添加到聚合物內(nèi)，以增加所需的性質(zhì)。單晶須晶、黏土、滑石、云母等低長(zhǎng)寬比（aspect ratio）之片狀填充料可以提高材料的勁度（stiffness）；然而，纖維

44、、玻璃纖維、石墨、硼等高長(zhǎng)寬比的填充料可以同時(shí)提高拉伸強(qiáng)度和勁度。3-1 塑料之分類根據(jù)分子聯(lián)結(jié)的聚合反應(yīng)種類，塑料可以區(qū)分為熱塑性塑料(thermoplastics)和熱固性塑料(thermosets)。表3-2列出熱塑性塑料與熱固性塑料相關(guān)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之整理。熱塑性塑料根據(jù)分子結(jié)構(gòu)或鏈的結(jié)構(gòu)可以再細(xì)分為不定形(amorphous)、半結(jié)晶(semi-crystalline)或液晶(liquid crystalline)聚合物。聚合物的微結(jié)構(gòu)及加熱與冷卻的效應(yīng)如圖3-3。其它類別的塑料包括彈性體(elastomers)、共聚合物(copolymers)、復(fù)合物(compounds)、商用塑料

45、和工程塑料。添加物填充料和補(bǔ)強(qiáng)劑是直接與塑料性質(zhì)和性能相關(guān)的其它分類方法。表3-2熱塑性塑料與熱固性塑料的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)微結(jié)構(gòu)線性或分枝分子鏈，分子間無(wú)化學(xué)作用?；瘜W(xué)反應(yīng)后，分子鏈產(chǎn)生交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。對(duì)熱的反應(yīng)可以再軟化（屬于物理相態(tài)變化）。無(wú)裂解時(shí)，交聯(lián)后無(wú)法再軟化。一般性質(zhì)較高的耐沖擊強(qiáng)度。加工較容易。對(duì)于復(fù)雜設(shè)計(jì)有較佳的適應(yīng)性。較好的機(jī)械強(qiáng)度。較好的尺寸穩(wěn)定性。較佳的耐熱性及濕氣絕緣性。3-2 熱塑性塑料一般而言，熱塑性塑料聚合度較高，分子量也較大。線狀或分枝狀的長(zhǎng)分子鏈有側(cè)鏈或官能基，而且不與其它聚合物分子相連接，結(jié)果，熱塑性塑料可以重復(fù)地加熱而軟化，冷卻而凝固。這種以物理反應(yīng)之相變化為主的

46、程序允許將塑料廢料回收。雖然熱塑性塑料可以回收，但在成形時(shí)仍可能有小程度的化學(xué)變化，回收塑料的性質(zhì)可能不會(huì)與原始塑料的性質(zhì)完全相同。熱塑性塑料占所生產(chǎn)塑料的70%，熱塑性塑料以小球狀或顆粒狀販?zhǔn)?，它們?cè)趬毫ο录訜崛刍绅こ頎盍黧w，冷卻時(shí)形成所需的成品形狀。與熱固性塑料比較，熱塑性塑料通常具有較高的耐沖擊強(qiáng)度，容易加工，對(duì)復(fù)雜設(shè)計(jì)有較好的適應(yīng)性。圖3-3 不同塑料的微結(jié)構(gòu)，及制程中加熱或冷卻對(duì)于為結(jié)構(gòu)的影響。在熱塑性塑料中，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，工程塑料諸如縮醛(acetal)、A

47、BS、耐隆、聚碳酸脂(PC)等提供了高機(jī)械強(qiáng)度、較佳的耐熱性、較高的沖擊強(qiáng)度等改善性能，因此價(jià)格也比較昂貴。實(shí)用上，經(jīng)常會(huì)提及合金塑料和工程塑料等熱塑性塑料的術(shù)語(yǔ)。合金塑料指其構(gòu)造由不同的單體或聚合體之物理混合(而非聚合)。制造合金塑料的理由大都是要適應(yīng)某種要求之物理性質(zhì)、有利于價(jià)格及性能指數(shù)、改進(jìn)加工之可能性這三種因素，例如PC/ABS和ABS/PVA。而工程塑料是指在機(jī)械裝置中取代其它金屬材料用途之塑料，亦即使用為機(jī)械材料的塑料，屬于高性能的塑料，一般具有較大的溫度使用范圍(40300)、高強(qiáng)度與高剛性、耐沖擊性、低潛變性、耐磨損、優(yōu)良的耐化學(xué)藥品性及絕緣性。熱塑性塑料中又可以區(qū)分為不定形

48、塑料和結(jié)晶性塑料，其結(jié)構(gòu)與性質(zhì)如表3-3。表3-3不定形塑料與結(jié)晶性塑料的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之比較不定形塑料結(jié)晶性塑料常用的材料丙烯晴丁二烯苯乙烯共聚合物（ABS）、壓克力（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)。聚縮醛樹(shù)脂(POM)、耐隆(PA, 聚醯胺)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、熱塑性聚脂(例如PBT、PET)。微結(jié)構(gòu)分子在液相和固相都呈現(xiàn)雜亂的配向性。分子在液相呈現(xiàn)雜亂的配向性，在固相則形成緊密堆砌的晶體。熱之反應(yīng)具有軟化溫度范圍，但沒(méi)有明顯的熔點(diǎn)。具有明確的熔點(diǎn)。性質(zhì)l 透明l 抗化學(xué)性差l 成形時(shí)體積收縮率低l 通

49、常強(qiáng)度不高l 一般具有高熔膠黏度l 熱含量低l 半透明或不透明l 抗化學(xué)性佳l 成形時(shí)體積收縮率高l 強(qiáng)度高l 熔膠黏度低l 熱含量高3-2-1 不定形聚合物在無(wú)應(yīng)力作用下加熱，不定形塑料熔膠之分子鏈雜亂地相互糾纏在一起，分子鏈僅以微弱的凡得瓦爾力維系。不定形塑料維持這種糾纏雜亂的配向性而無(wú)視于狀態(tài)的改變。不定形塑料具有明確的玻璃轉(zhuǎn)移溫度和寬廣的軟化溫度范圍，沒(méi)有明確的熔點(diǎn)。當(dāng)熔膠溫度降低，不定形塑料開(kāi)始呈現(xiàn)橡膠狀態(tài)，當(dāng)溫度繼續(xù)降低到玻璃轉(zhuǎn)移溫度以下，它將呈現(xiàn)玻璃狀態(tài)。不定形塑料的透明度高、耐熱性中等、耐沖擊性好、收縮量低。充填模穴時(shí)，不定形塑料的分子鏈會(huì)沿著熔膠流動(dòng)方向拉伸，分子鏈與冷模壁接

50、觸急冷而凍結(jié)；凝固層將塑件內(nèi)層與模壁隔離，使塑件內(nèi)層冷卻速率較慢，有足夠時(shí)間將分子鏈回復(fù)卷曲。也就是說(shuō)，表層的分子鏈有較好的配向性，較小的收縮量；內(nèi)層的分子鏈較無(wú)配向性，收縮量較大。所有的不定形塑料的線性收縮率(linear shrinkages)都很接近，所以考量塑件尺寸時(shí)，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取代壓克力，射出成形的尺寸應(yīng)該會(huì)維持在相當(dāng)精度以內(nèi)，只是性質(zhì)會(huì)有所變化。3-2-2 （半）結(jié)晶性聚合物結(jié)晶性材料是不具有大側(cè)基、旁枝或交聯(lián)的聚合物，熔融的結(jié)晶性塑料黏滯性低，容易流動(dòng)。當(dāng)冷卻到熔點(diǎn)以下時(shí)，分子形成規(guī)則的晶體結(jié)構(gòu)，使其流動(dòng)性變差。隨著溫度繼

51、續(xù)降低，其結(jié)晶度增加，強(qiáng)度也增加，透明度澤降低。結(jié)晶程序停止于玻璃轉(zhuǎn)移溫度。因?yàn)樵谡５募庸こ绦蚝茈y獲得100%結(jié)晶，結(jié)晶性塑料通常呈現(xiàn)半結(jié)晶，它同時(shí)具有結(jié)晶與不定形兩種相態(tài)，其結(jié)晶度則決定于聚合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)和成形條件。（半）結(jié)晶性塑料就像冰塊一樣具有明確的熔點(diǎn)，玻璃轉(zhuǎn)移溫度則不明顯，通常低于是溫，抗化學(xué)性及耐熱性佳、潤(rùn)滑性良好、吸濕性低、收縮率高。半結(jié)晶性塑料具有相當(dāng)大的線性收縮率，無(wú)法用以取代不定形的塑料的射出成形；否則，會(huì)造成尺寸精度上很大的問(wèn)題。3-2-3 液晶聚合物液晶聚合物在液態(tài)與固態(tài)都呈現(xiàn)高度規(guī)則的分子排列，如圖3-3所示，其棒狀的分子鏈形成平行數(shù)組。液晶聚合物具有低黏度、低成形

52、收縮率、抗化學(xué)性、高勁度，抗?jié)撟儯罢w尺寸穩(wěn)定性等加工與性能的優(yōu)勢(shì)。3-3 熱固性塑料 熱固性塑料也稱為熱硬化塑料，于加熱之初會(huì)軟化，而后分子間產(chǎn)生化學(xué)鍵結(jié)，造成高度連聯(lián)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，如圖3-3所示。熱固性塑料與熱塑性塑料的最大差異就在于交聯(lián)程序，本質(zhì)上，熱固性塑料具有較好的機(jī)械強(qiáng)度、強(qiáng)高的使用溫度和較佳的尺寸穩(wěn)定性。許多熱固性塑料是工程塑料，并且因?yàn)榻宦?lián)程序而具有不定形結(jié)構(gòu)。在成形之前，熱固性塑料和熱塑性塑料一樣具有鏈狀結(jié)構(gòu)。在成形過(guò)程中，熱固性塑料以熱或化學(xué)聚合反應(yīng)，形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)。一旦反應(yīng)完全，聚合物分子鍵結(jié)形成三維的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這些交聯(lián)的鍵結(jié)將會(huì)阻止分子鏈之間的滑動(dòng)，結(jié)果，熱固性塑料就變成

53、了不熔化、不溶解的固體。假如沒(méi)有發(fā)生裂解，即使加了熱也不能將它再軟化或再加工。熱固性塑料的性質(zhì)可以想象成煮熟的蛋，蛋黃從液體變成固體，卻無(wú)法再轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w。熱固性塑料通常以液態(tài)的單體聚合物混合料，或部份聚合的成形復(fù)合物販?zhǔn)邸纳形垂袒臓顟B(tài)將熱固性塑料注入模穴，于加壓或未加壓條件下，以加熱或以化學(xué)混合物催化聚合以定形。熱固性塑料通常添加礦物質(zhì)、石灰、玻纖等填充料或強(qiáng)化物質(zhì)以增強(qiáng)性質(zhì)，例如收縮量的控制、耐化學(xué)性、防震性、絕緣性、隔熱性或降低成本。其結(jié)構(gòu)之網(wǎng)目愈細(xì)，耐熱性和耐化學(xué)性也愈佳。環(huán)氧樹(shù)脂頁(yè): 23、酚醛樹(shù)脂都是常見(jiàn)的熱固性塑料。熱固性塑料經(jīng)常應(yīng)用于IC等產(chǎn)品。表3-4提供了樹(shù)脂供貨商所建議

54、的熔膠與模具之建議溫度值。3-4 添加劑、填充料與補(bǔ)強(qiáng)料添加劑(additives)、填充料(fillers)和補(bǔ)強(qiáng)料(reinforcements)是用來(lái)改變或改善塑料的物理性質(zhì)和機(jī)械性質(zhì)，其影響列于表3-5。通常，強(qiáng)化纖維可以提升聚合物的機(jī)械性質(zhì)，而特定的填充料則用來(lái)增加模數(shù)。一般而言，塑料是不良導(dǎo)體，許多填充料可以影響其電氣性質(zhì)，例如添加導(dǎo)電性填充料可以讓塑料產(chǎn)生電磁遮敝性質(zhì)；添加抗靜電劑可以用來(lái)吸濕氣，降低靜電荷的累積；添加耦合劑可以改善塑料與強(qiáng)化纖維之間的鍵結(jié)；有些填充料可以用來(lái)降低材料成本；其它的添加劑包括降低燃燒傾向的抗燃劑、降低熔膠黏度的潤(rùn)滑劑、增加材料柔軟性的塑化劑、和提供耐顏色的著色劑。填充料可以改善塑料的性質(zhì)和成形性。假如添加低值長(zhǎng)寬比的填充料，其底材的性質(zhì)改變較小，此類填充料的好處如下： 降低收縮量。 改善耐熱性。 改善強(qiáng)度，特別是壓縮強(qiáng)度。 降低耐沖擊性。 改善耐溶劑性。表 3-4 常用樹(shù)脂的建議熔膠溫度與模具溫度材料名稱流動(dòng)性質(zhì)熔膠溫度(°C°F)模具溫度(°C°F)頂出溫度(°C°F)MFR g/10min測(cè)試負(fù)荷 kg測(cè)試溫度C最小值建議值最大值最小值建議值最大值建議值