塑料成型與模具設(shè)計

1、通 論產(chǎn)品設(shè)計是利用材料，經(jīng)設(shè)計成為新創(chuàng)的外形或結(jié)構(gòu)，以制成指定作用或目的的產(chǎn)品。其所須具備之條件為：1. 在功能上：要能符合使用者的需求。2. 在使用操作上：要能符合使用者的習(xí)慣與身份。3. 在外型上：要能合乎簡單的制造原則并滿足使用者的喜好。4. 材料應(yīng)用與加工方法上：要合乎經(jīng)濟(jì)與合理的原則，并能求得最適化而降低成本。即任何一新產(chǎn)品，從構(gòu)思到生產(chǎn)，對一公司而言，其考量前題為以下所列各項(xiàng)：將來性：公司未來發(fā)展領(lǐng)域的配合，成長性。 技術(shù)性：與該公司現(xiàn)有技術(shù)之關(guān)系，原料設(shè)備獲得之難易及技術(shù)上成功的可能性。 領(lǐng)先性：是否可申請或抵觸專利及制品是否具獨(dú)特性。 銷售可能性：產(chǎn)品的展望，推出市場之難易，

2、銷售網(wǎng)的建立及有無商品特征等可能性。 經(jīng)濟(jì)性：研究經(jīng)費(fèi)人員的多寡，開發(fā)期間的長短，設(shè)備投資額之獲得及獲利率的大小。其它如材料之選擇、加工方式、模具的設(shè)計、二次加工方式及安全規(guī)范、法令等，皆須詳加考慮。通常塑料新制品產(chǎn)生的方式可分為三種：1. 再設(shè)計(redesign)：就是將現(xiàn)有產(chǎn)品的部分，做一些改變或修飾，使成為更具價值與流行的新產(chǎn)品?，F(xiàn)今市場上約莫80，屬于此類。2. 組合(combination)：結(jié)合兩種以上不同功能，發(fā)展而成之新制品。例如PC制成的潛水鏡再貼上防霧膜，而成為價值更高的新產(chǎn)品。此類新產(chǎn)品約占10。3. 創(chuàng)新(innovation)：剩下的10即為發(fā)明前所未有之新制品，此

3、類產(chǎn)品由于須花費(fèi)較長的時間在宣傳及消費(fèi)者的接受性上，所以通常這方面之設(shè)計比例較低。塑料產(chǎn)品設(shè)計者與其它設(shè)計者最大的不同是，前者必須詳加考慮塑料之各種物性，尤其是環(huán)境變化對物性之影響及在長時間負(fù)載下對產(chǎn)品之影響。通常，塑料之物性數(shù)據(jù)是在實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境下，依照美國標(biāo)準(zhǔn)測試方法(ASTM)而測得。而所設(shè)計的塑料產(chǎn)品并不會正如測試樣品在同樣條件下成形或被加應(yīng)力。其它如：肉厚及形狀。所加負(fù)載之速率及時間長短。玻纖之排列方向?？p合線。表面缺陷。成形參數(shù)。以上這些；都會影響到塑料產(chǎn)品之強(qiáng)度及韌性。設(shè)計者亦須考慮到溫度，濕度，陽光（紫外線），化學(xué)藥劑等之影響。所以了解其產(chǎn)品的最終目的而探討相關(guān)的物性是非常重要的

4、。下表2-1為一標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計檢查表(design check list)。2-2原型之設(shè)計為了能將實(shí)物從設(shè)計的階段到真正的商品化，我們通常是建一原型而加以測試并修正。最好的方法是盡可能的將原型與將商品化制造的加工方式相近。大部份的工程塑料產(chǎn)品是由射出成型所制出，所以原模必須為一單模穴原型模具所制得。以下將討論各種制造原型之方法及其優(yōu)缺點(diǎn)。2-2-1機(jī)械加工圓桿或平板、塊法(machining from rod or slab stock)此法是當(dāng)所允許的設(shè)計時間非常短及只須少量的原型和物體的形狀非常簡單的時候，我們可將其經(jīng)機(jī)械加工而得。這樣不僅能幫助發(fā)展至固定的設(shè)計，亦能做為有限度的測試結(jié)果條件

5、；但千萬不能將其做為最后商品化的標(biāo)準(zhǔn)，其原因如下：其物性如強(qiáng)度，韌性及伸長量可能會小于真正的成形品，因?yàn)闄C(jī)械加工會在原模上留下痕跡。強(qiáng)度及韌性可能會高于成形品，因?yàn)閳A桿或平板塊具較高的結(jié)晶度。若是加了玻纖的產(chǎn)品，則玻纖的方向性影響會誤導(dǎo)了結(jié)果。成形品的特性如頂出針痕，澆口痕及不定形的表面結(jié)構(gòu)將不會出現(xiàn)在原型上。無法探討縫合線及接合線之影響。由于內(nèi)應(yīng)力之不同，尺寸穩(wěn)定性會被誤導(dǎo)。在圓桿或平板，塊的中間常有包氣現(xiàn)象，以致減少了其強(qiáng)度。同理在成形品的較厚肉處亦有此現(xiàn)象，而無法做一致的評估。只有少數(shù)的圓桿或平板，塊材料可供選擇。2-2-2 鑄模法(die casting tool)通常我們能夠修正射出

6、成形的原型，如果具有鑄模模具的話。利用此鑄模模具可減少對制造原型工具的須要及以低成本提供所須的前測試。然而，此法也許也無甚助益，因?yàn)樵瓉淼哪＞呖赡苁菫榻饘勹T模而設(shè)，而非塑料。所以，外壁及肋將不會最適化；澆口通常會過大及位置不合；并且無法有效的冷卻塑料產(chǎn)品，造成品質(zhì)具甚大的相異性。2-2-3 原型模具法(protoype tool)特別是對塑料產(chǎn)品設(shè)計而言，利用便宜的鋁，黃銅或是鈹銅合金制成原型是個不錯的方法。因?yàn)榛镜挠嵪⑷缡湛s度，玻纖方向性及澆口位置皆可得之。但由于此模具只能承受有限度的射壓，所以無法正確的估算出成形周期(cycle time)，而且模具冷卻性被限制，甚至不存在。可是，在另一

7、方面而言，其好處為此形式能夠有效的提供樣品做最終的目的測試及快速的修正外形尺寸。2-2-4 生產(chǎn)試模法(preproduction tool)對設(shè)計的未來發(fā)展及產(chǎn)品的準(zhǔn)確性而言，最好的方法是制造鋼鐵試模。它可以為單模穴模具或以多模穴模具為體的單模穴模具。此模穴已經(jīng)機(jī)械加工完成，只是未做硬化處理，所以仍可做一些修正。其好處為它具有與生產(chǎn)模具相同之冷卻效果，收縮與翹曲可被探得；還有因?yàn)榫哂羞m當(dāng)?shù)捻敵銮?，模具能夠如生產(chǎn)線般的循環(huán)，于是能夠探得其周期。當(dāng)然，最重要的是這些樣品能夠如最終產(chǎn)品般的做強(qiáng)度，抗沖擊，磨耗及其它物性等之測試。以上各法都是為了能在正式大量商品化前，做最低成本及最有效的預(yù)估分析。當(dāng)

8、然，我們不能本末倒置，忘記了最終產(chǎn)品的真正須求。最好是寫下一標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品所須表，如功能，外觀，可容許的公差等，做個最完美的設(shè)計者。2-3產(chǎn)品設(shè)計雖然塑料之產(chǎn)品設(shè)計非常復(fù)雜，但總有一些基本之原理方法來減少一些成形上及產(chǎn)品功能上所發(fā)生的問題。以下所探討的是在設(shè)計上所須注意的基本細(xì)節(jié)，俾能在未來更復(fù)雜的產(chǎn)品設(shè)計上有所助益。2-3-1 壁厚(wall thickness)通常產(chǎn)品必須具均勻的壁厚，如果變化不可避免，則利用轉(zhuǎn)換區(qū)的方法來防止突然的遽變?nèi)鐖D2-1，且澆口位于較厚處以防止充填不滿。不均勻的壁厚會造成嚴(yán)重的翹曲及尺寸控制的問題。如果產(chǎn)品須要較高的強(qiáng)度，從成本的觀點(diǎn)上來看，用肋(ribs)比增加壁厚

9、要好的多。但如果產(chǎn)品須要好的外觀表面時，則因凹陷痕(sink marks)會在表面上產(chǎn)生，故須避免之。若非得用肋不可時：則應(yīng)盡量讓凹陷痕出現(xiàn)在肋的另一面或較不顯眼處。圖2-2與2-3為使壁厚均勻的一些方法，圖2-2乃利用肋及浮凸物(boss)，圖2-3則為利用鑄空法(cornig)使設(shè)計更好?？傊话愕脑瓌t就是能夠利用最少的壁厚，完成最終產(chǎn)品所須具備的功能。表2-2為一般熱塑性樹脂制品之厚度表，表2-3則為熱固性塑料制品之厚度表。 2-3-2 半徑(radii)切莫將產(chǎn)品設(shè)計成具尖銳的邊角，因?yàn)槠淇毯?notch)狀會造成應(yīng)力集中，以致減少了產(chǎn)品之抗沖擊力。為了保證設(shè)計在安全的應(yīng)力范圍內(nèi)，我

10、們須計算每個邊角的應(yīng)力集中因子。如圖2-4為懸桁(cantilever)的情形下，應(yīng)力集中因子對半徑壁厚之圖。為了增加邊角的強(qiáng)度及增進(jìn)充模的能力，半徑必須在壁厚的25到75之間，通常為50，如圖2-5所示。 2-3-3 傾斜角(draft angle)為了使產(chǎn)品能夠輕易的從模具內(nèi)頂出，外壁必須設(shè)計成具傾斜的斜角，如圖2-6所示。通常每一英吋，0.5度的傾斜角是達(dá)成有效結(jié)果所能容許之最小值。一般而言每一英吋1度是標(biāo)準(zhǔn)的做法。如果產(chǎn)品的深度須要增加，通常每增加0.001英吋之深度，須要增加1度額外之傾斜角。 2-3-4 肋及角板(gussets)肋及角板能夠有效的增加產(chǎn)品之剛性與強(qiáng)度。適當(dāng)?shù)睦美?/p>

11、與角板不僅能夠節(jié)省材料，減輕重量及減短成形周期，更能消除如厚橫切面所造成的成形問題。設(shè)計肋及角板時，我們有一些基本之原則必須遵守，如圖2-7與圖2-8。與壁厚比較，如果肋或角板太厚的話，則可預(yù)期的會產(chǎn)生凹陷痕，包氣、翹曲、縫合線（造成內(nèi)應(yīng)力）及較長的成形周期。肋之形狀最好設(shè)計成如圖2-2所示，乃因用窄形之肋骨以代替大而厚之肋骨，可減少塑料之消耗。并且肋及角板必須被置于能夠方便流動的位置，如此才能夠幫助產(chǎn)品的充填猶如內(nèi)流道之作用。否則，常會造成最后產(chǎn)品有燒焦之痕跡及包氣等問題。注：角板乃是用作于邊緣的支架，以提高強(qiáng)度。 2-3-5 浮凸物(bosses)浮凸物之目的是用來連接組合螺絲釘、導(dǎo)銷、栓

12、或迫緊(force-fits)等作用。設(shè)計浮凸物的最重要原則為避免其無支撐物，并盡量讓其與外壁或肋相連如圖2-9所示：一般而言，肋外徑須為圓孔直徑的2至2.5倍，以保證有足夠之強(qiáng)度。如果肋本身即與外壁間隔相當(dāng)遠(yuǎn)，則最好加上角板如圖2-10所示。圖2-11及圖2-12為肋靠近外壁及遠(yuǎn)離外壁時，浮凸物之設(shè)計：圖2-13為浮凸物設(shè)計之范例： 2-3-6 孔洞及鑄空(holes & coring)在塑物上開孔洞或切口可使其和其它零件組合以達(dá)成更多之功能及更具吸引力。圖2-14為孔洞的一般類型。全穿孔洞比半孔洞易于加工，因?yàn)榍罢咧┛卒N可在兩端尋得支撐，而后者由于只有一端獲得支撐，易被熔融之塑流

13、進(jìn)入模穴時，使穿孔銷偏心而造成誤差。所以，一般半穿孔之深度以不超過穿孔銷直徑兩倍為原則。若要加深半穿孔洞之深度則可用層次孔洞如圖2-15所示。由于塑流常會在穿孔針旁形成縫合線之故，我們可以將其先做成凹痕或小凹洞，成形后再以鉆孔針予以鉆孔，如此可防止縫合線造成之強(qiáng)度減少亦可降低模具成本如圖2-16所示。于成型大多數(shù)之熱塑性塑料時，在洞壁和塑物外壁間之寬度至少要和孔洞之直徑相等及孔洞與孔洞內(nèi)壁間之厚度至少要和孔洞之直徑相等如圖2-17所示。若為半孔洞，則其底部之壁厚至少須為其孔洞直徑的1/6，否則模制后會膨脹如圖2-18所示。 2-3-7 螺紋(threads)與嵌入物(inserts)不管是外螺

14、紋或內(nèi)螺紋，皆可在模具內(nèi)成型，避免了利用機(jī)械加工之麻煩。設(shè)計內(nèi)，外螺紋時，其基本規(guī)格設(shè)計須如圖2-19所示。內(nèi)螺紋底部未螺紋化的直徑必須等于或小于螺紋的最小直徑如圖2-19(a)，AB。若是外螺紋，則其底部未螺紋化的直徑必須等于或大于螺紋的最大值徑如圖2-19(b)，BA。成型螺紋必須避免具有如羽毛般的邊，以免造成應(yīng)力集中，使該區(qū)域強(qiáng)度變?nèi)跞鐖D2-20。用于塑料品的金屬嵌入物，通常用以承擔(dān)產(chǎn)品被磨損、撕裂的力量或用以與電氣相連及裝飾用。嵌入物之類型有兩種，一種為成型前模內(nèi)插入物，另一種為成型后插入物。前者具中等或極粗的刻痕以提供足夠的力量防止滑動，后者可螺紋化或是藉由熱，超音波的方法來裝置。通

15、常模制嵌入物時，我們須考慮以下幾個因素：插入物須能提供所需要的機(jī)械強(qiáng)度。在所有的塑料中，塑模的嵌入物須不具撓性。固定的壁厚必須圍繞嵌入物之四周，以防止塑料冷卻時發(fā)生裂化。當(dāng)插入物嵌入塑物中后，可能須要再修飾，二次加工等耗費(fèi)金錢的步驟。嵌入物必須與塑模打開或關(guān)閉的移動方向平行。因?yàn)橹苯腔蛐苯侵迦胛镌谀Ｖ茣r是非常困難且費(fèi)成本的如圖2-21所示。不管是陰或陽之嵌入物，皆須要有一肩座，以防止塑料化合物流入螺紋中如圖2-22所示，(a)不具肩座嵌入物，須避免之。(b)為單一封合肩座。(c)雙封合肩座，此種最理想，但成本較高。猶如孔洞設(shè)計的位置一樣，插入物的位置設(shè)計方法與其大同小異。設(shè)計插入物時除考慮機(jī)

16、械應(yīng)力外，由于嵌入物本身之高熱膨脹系數(shù)，造成塑物之熱應(yīng)力亦須考慮。所以當(dāng)塑物冷卻時，塑料會比金屬收縮的還多，造成應(yīng)力集中以致爾后插入物周遭龜裂。預(yù)防的方法是，提供足夠之塑料于插入物的四周或是增加嵌入物與外壁之距離。表2-4為一些常用的塑料于嵌入物四周所須之最小厚度以避免龜裂。 2-3-8 尺寸公差(dimensional tolerance)大部分的塑料成形品皆能維持相當(dāng)緊密之尺寸公差，除了高收縮性的材料之外如PE，PP，Nylon，POM，EVA及軟質(zhì)PVC，其收縮率達(dá)到2至3，而一般熱塑性制品的商業(yè)許可公差為±0.5。所以對于這些高收縮性材料必須指定較大之容許公差方行，因?yàn)槠涑叽?/p>

17、公差很難藉模具設(shè)計予以補(bǔ)救。產(chǎn)品設(shè)計者在選定尺寸公差時要考慮使用之塑料材料、產(chǎn)品形狀及將來之使用條件等。隨著公差的嚴(yán)格要求，其制造加工精度與模具價格亦相對提高，所以產(chǎn)品設(shè)計者于圖面上記入公差時，要審慎的設(shè)定適用于此公差的使用條件。因此，產(chǎn)品設(shè)計者所設(shè)定之總公差應(yīng)該包含了使用條件和環(huán)境條件下的尺寸變化。塑料成形品除了尺寸公差以外，對于一些精密成形更須考慮形狀公差，因?yàn)闈部诘姆N類和位置或是模具溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)之決定，皆須根據(jù)這些數(shù)據(jù)來設(shè)計之。2-4 模具設(shè)計適切的射出成型模具設(shè)計乃為制造成功的塑料產(chǎn)品的先決條件。因?yàn)槟＞咴O(shè)計的好壞不僅影響到產(chǎn)品之品質(zhì)，產(chǎn)能，操作難易，更直接關(guān)系到整個成本結(jié)構(gòu)。所以，以

18、下我們將就模具各個重要構(gòu)造，予以探討。2-4-1 澆道襯套及其拉出機(jī)構(gòu)(sprue bushings & sprue pullers)澆道襯套乃連接射出成型機(jī)的噴嘴及模具的流道系統(tǒng)之機(jī)構(gòu)。理想的澆道應(yīng)該愈短愈好以減少材料的浪費(fèi)及縮短成型周期。為了確保澆道與襯套能夠完全分離，襯套內(nèi)部必須非常光滑及予以弧度化，并且使用有效性的拉出機(jī)構(gòu)，如圖2-23為常見的澆道（冷料）拉出機(jī)構(gòu)之三種設(shè)計：(a) 溝槽型：此乃在澆道的側(cè)壁開設(shè)幾個溝槽，以便塑料冷凝時，能留住冷料。此結(jié)構(gòu)中亦采用澆道頂桿將冷料從冷料井中頂出，此時澆道頂桿直接切過槽里之塑料，使之仍留在槽溝里，在下一次注射周期里，注入之熔融塑料又與

19、槽溝內(nèi)之冷料融合在一起。(b) 倒錐型：倒錐面之冷料井是最簡單之澆道拉出設(shè)計。其錐型冷料井之小端朝注口套，大端則順冷料之拉出方向構(gòu)成凹槽。澆道頂桿，其結(jié)構(gòu)與頂出機(jī)構(gòu)的頂桿相同，位于冷料井之后方，以便在進(jìn)行頂出時，冷料井之冷料與注口和流道的冷料一起被頂出。(c) Z型：此結(jié)構(gòu)中，澆道頂桿之頭部被加工成Z型狀，在模具打開時能把冷料鉤住，隨頂出行程而向前移動再把尾料頂出。 2-4-2 傳統(tǒng)之模具(conventional molds)2-4-2-1 流道(runner)之形狀流道是傳動塑料從澆道到澆口的系統(tǒng)。流道應(yīng)該具有最大之橫切面積及最小的周長，亦即具高的體積對表面積比，或截面積對圓周長比值。如此

20、的流道方可使熱散失，壓力降的變化減到最少及預(yù)防塑料在流道內(nèi)過早固化。所以圓形與正方形截面之流道結(jié)構(gòu)最好，而半圓形和梯形的截面則稍差，六角形則介于其中間，如圖2-24所示。(a) 圓形流道：此為最具效益性的流道，但成本也最高，因?yàn)榱鞯理毐磺谐蓛砂?，各在模子的一方，精確度之要求非常高。(b) 梯形流道：由于正方形截面之流道非常難脫模，所以將兩面傾斜25度而成梯形流道，此流道較便宜而仍能發(fā)揮有效的塑流傳送，通常將其深度與梯形底部之長相等，以保有最大之體積對表面積比。(c) 半圓形流道：此種流道通常不建議采用，因?yàn)槠潴w積對表面積之比值最小。只有對于復(fù)雜分型面之模具而言，因?yàn)槟＞咧畠蛇厹?zhǔn)確對準(zhǔn)有困難，方

21、采用之。(d) 六角形流道：它是由在分型面上，連接兩個梯形而成。由模具制造者之觀點(diǎn)來看：由于比構(gòu)成圓形流動的兩個半圓邊配合要容易，其特別適用于直徑小于1/8英吋的流道。由于塑流經(jīng)過流道時與模穴的冷表面接觸，塑料溫度會迅速降低而逐漸凝固，如此外圍便起了絕熱作用而保持了流道內(nèi)中心部分塑料的高溫。所以澆口位于流道中心在線的全圓形流道和六角形流道，對射出成形而言，最具效益性。但在多層模具里，由于機(jī)械之頂出較為困難，一般采用梯形或改良自梯形的U形流道。 2-4-2-2 流道之尺寸在決定流道之尺寸時，應(yīng)考慮下列這些因素如：塑件之體積、壁厚與流動長度、流道之長度及冷卻，機(jī)臺的容量能力，澆口大小及成形周期等。

22、由于流道之橫截面積應(yīng)大到足以讓熔融塑料在流道內(nèi)凝固定之前進(jìn)入模穴，并可進(jìn)行保壓以補(bǔ)償塑料之收縮。一般而言，流道之直徑在0.1875至0.375英吋(10mm)之間。除了硬質(zhì)PVC與丙烯酸類塑料例外，可用到直徑達(dá)13mm的流道，因?yàn)槠漯ざ容^高。但流道之橫截面積也不應(yīng)該太大，以免增長了成形周期。所以，在理論上，主流道的橫截面積應(yīng)該等于或超過支流道橫截面積之總和，可達(dá)流道尺寸之最適化?，F(xiàn)在，我們也可以利用計算機(jī)模具塑流仿真分析的方法算得最佳的流道尺寸?？傊?，流道須大到能夠使壓力流失減到最少，小到使塑料產(chǎn)生剪切熱以助其流動。在這兩者間求得一折衷。2-4-2-3 流道之布局(runner layout)

23、流道之布局取決于以下幾個因素：模穴數(shù)，塑物的形狀，模具為雙板式模具抑是多層模具，澆口之類型。在設(shè)計流道布置時，流道之長度應(yīng)盡可能的短以減少壓力損失并且流道系統(tǒng)應(yīng)是平衡的，即充填各模穴之時間與壓力必須相同，如圖2-25所示。當(dāng)然并非所有的多模穴都具相同之大小，我們可層次性的改變流通直徑，及改變澆口大小來達(dá)成上述之要求。一般之單穴型模具，由于塑料直接由澆口進(jìn)入模穴，因此無需設(shè)置流道系統(tǒng)，但為了防止塑物之表面有注口痕跡，可采用如圖2-26所示之短流道，但模穴本身必須偏置。這樣做對大型模穴而言會發(fā)生問題。因?yàn)樽⑸鋲毫a(chǎn)生一個不平衡之力而使塑物帶毛邊(flash)。若為設(shè)計雙模穴模子如圖2-27所示：

24、流道可取兩模穴之間的最短距離如圖(a)，但由于澆口的最適位置不一定總是在模具的中心在線，此時可用T字型流道如圖(b)，流道伸出模穴之一端，然后用短的支流道再與澆口相連；或采用S型流道如圖(c)，此時無須設(shè)置的支流道，S型流道本身即可接至兩模穴的澆口。其它三穴型，四穴型以至多穴型模穴都是以上述類似之方法盡可能的達(dá)到平衡各模穴時間與壓力的要求。 2-4-2-4 冷料井(cold slug wells)在所有流道之交界處，主流道至少須超過支流道一個直徑距離以上，如圖2-28所示而成一冷料井。它可以讓熔融塑流前端冷的、高黏度的高分子停留于此，使后方熱的、低黏度的高分子易于進(jìn)入模穴內(nèi)。所以冷料井能夠防止

25、冷料進(jìn)入模穴而影響最后之產(chǎn)品性質(zhì)。2-4-3 無澆道模具(runnerless molds)無澆道模與傳統(tǒng)模具之最大不同處在于前者延伸了熔融料筒及噴嘴(nozzle)的功能而保有與料筒內(nèi)塑流相近之溫度和黏度。通常使用無澆道模具的樹脂必須對溫度不敏感，在低溫時也容易流動及熱變形溫度高，以利塑品能從模具內(nèi)迅速頂出，還有為了能將樹脂迅速除熱，熱傳導(dǎo)率宜高。無澆道模具一般可分為絕熱澆道及熱澆道。2-4-3-1 絕熱澆道(insulated runner)與傳統(tǒng)之模如圖2-29比較，絕熱澆道如圖2-30所示，能讓熔融塑流流入澆道，然后冷卻，于澆道之內(nèi)壁形成一固態(tài)塑料絕緣層。此絕緣層會減少澆道之直徑并使熔

26、融塑料保持固定之溫度，以等待下一次之成型。絕熱澆道系統(tǒng)必須設(shè)計成其體積不超過模穴之體積。因?yàn)闈驳纼?nèi)之所有熔融高分子，于每次成型時，皆會被完全射入模穴，若澆道過大會使絕緣層過厚造成熔融溫度降差太大。絕熱澆道之好處在于：各流通平衡的須要沒有那么重要。減少材料之受剪切力。成形后的塑品具較一致性的體積。較短之成形周期。減少澆道之廢料。增進(jìn)塑品的外觀。減少模具的磨耗。相對的其壞處為：較復(fù)雜的模具設(shè)計及高成本。穩(wěn)定的開始步驟較難掌握?？赡軙斐扇廴诟叻肿又疅崃呀?。換顏色較為困難。維護(hù)成本較高。所以基本上，我們并不贊成用絕熱澆道，如果真要用無澆道系統(tǒng)的話，下節(jié)所談的熱澆道系統(tǒng)，將是較好之選擇。 2-4-3-

27、2 熱澆道(hot runners)特別是對大型及多模穴之模具，熱澆道如圖2-31所示為最好之選擇，其好處有如絕緣澆道，卻無冗長的穩(wěn)定開始步驟。當(dāng)然無可避免的，其設(shè)計較復(fù)雜，制造不易且成本極高，因?yàn)樗氁b置熱分流管并平衡分流管所供給之熱，還有要使塑流的停滯現(xiàn)象減至最低。熱分流管之功能猶如噴嘴之延伸，維持從噴嘴到澆口這一段有所須之固定溫度。由于高溫之關(guān)系，要注意模之熱膨脹效應(yīng)及分流管與澆口是否穩(wěn)當(dāng)連接。 2-4-4 澆口(gates)澆口是一個連接流道（澆道）及模穴的孔或信道，它必須小到能讓流道與塑物很容易的分離卻又須大到能夠避免塑流過早凝結(jié)造成填充不足。一般設(shè)計澆口之大小，是由小漸大直到能夠

28、填充完全，但最小的澆口其直徑不得小于0.03英吋且不得超過流道或澆道之直徑。通常澆口之大小為塑件壁厚之一半。2-4-4-1澆口之位置澆口之位置與最終產(chǎn)品之性質(zhì)關(guān)系甚巨如以下所列：1. 外觀：殘留之澆口痕通常不可避免，所以盡量讓其位于較不明顯之處。2. 應(yīng)力：切勿將澆口設(shè)于近高應(yīng)力區(qū)，因?yàn)闈部诒旧碇浇鼤a(chǎn)生殘留應(yīng)力且澆口造成之粗糙表面容易導(dǎo)致應(yīng)力集中。3. 壓力：將澆口設(shè)于塑物之較厚部位以保證充填完美并能避免凹陷及包氣的產(chǎn)生。4. 分子方向性(orientation)：高度的軸分子方向性會造成塑物只具單方向之強(qiáng)度。所以調(diào)整澆口之位置，讓塑流進(jìn)入模穴后能輻射似的流動。5. 縫合線：通常將澆口位于

29、能使流動到模穴各部位之長度一定如圖2-32(c)所示。圖(b)則為側(cè)澆口所造成之縫合線。而圖(a)由于有插入物之關(guān)系，縫合線更為嚴(yán)重，解決方法為將澆口設(shè)近于插入物處，使之產(chǎn)生較大之渦流以減輕縫合線。6. 充填(filling)：將澆口設(shè)于壁之對端，重迭式進(jìn)料以增加渦流來消除流痕及澆口附近之毛邊如圖2-33所示?？傊?，澆口最理想之位置是能使熔融塑料均勻的進(jìn)入模穴且把模穴的各個部位同時填滿。 2-4-4-2澆口之種類選擇最好之澆口類型，其重要性猶如澆口之位置與大小。圖2-34為各種不同之澆口圖。(a) 澆道澆口(sprue gate)：此為經(jīng)由澆道襯套或直接制造于模穴中之錐形孔。通常用于單模穴模具

30、或是須要對稱性流動之模具，其優(yōu)點(diǎn)為材料之受剪應(yīng)力及壓力損失較低，材料溫度較均勻；缺點(diǎn)則為須要后加工以消除明顯之?dāng)嗪邸?b) 邊緣澆口(side or edge gate)：此種澆口適用于雙層板之多模穴模具及較厚部位的塑物。其優(yōu)點(diǎn)為澆口之橫斷面較簡單，易于加工，澆口之尺寸較精確且易于修改；缺點(diǎn)則為澆口冷卻去掉后，痕跡仍然明顯。(c) 點(diǎn)狀澆口(pin gate)：此種澆口通常用來取代邊緣澆口以減少后加工之處理。常應(yīng)用于三板式、模底注料模具，就是在凹模板后再設(shè)有一塊板以裝置流道系統(tǒng)，點(diǎn)狀澆口再直接地或通過分澆口以把模穴和流道連接在一起。其限制為它只適用于較薄之塑件。(d) 邊緣點(diǎn)狀澆口：猶如點(diǎn)狀澆

31、口，它只適用于較薄之塑件。其優(yōu)點(diǎn)為將澆道與成形件分開，有較不明顯之?dāng)嗪郏秉c(diǎn)則為較大之壓力損失，經(jīng)由局部過熱有損成形材料之性質(zhì)。(e) 耳式澆口(tab gate)：在模穴之一側(cè)設(shè)置耳槽，然后在耳槽上設(shè)一個普通的矩形邊緣澆口。由于熔料進(jìn)入模穴前必須先拐90°的彎，防止了直接進(jìn)料所產(chǎn)生之噴射，因此塑料能平穩(wěn)均勻的填滿模穴。(f) 膜狀澆口(diaphragm gate)：用于單模穴模具且塑物為環(huán)形具較小內(nèi)部直徑的。其優(yōu)點(diǎn)為較少之殘留應(yīng)力，缺點(diǎn)則為須要之射出材料較多，后加工較為困難。(g) 內(nèi)環(huán)形澆口(internal ring gate)：猶如膜狀澆口般適用于制造環(huán)形物之單模穴模具，但

32、塑物是具較大內(nèi)部直徑的。(h) 外環(huán)形澆口(external ring gate)：用于多模穴模具之環(huán)形物制造。(i) 潛伏式澆口(submarine gate)：它是一種圓形或橢圓形澆口，潛伏在分模面之下向模穴供料，其優(yōu)點(diǎn)為：模穴設(shè)在一塊模皮里，不存在配合之問題且可得較精確之尺寸。 不受澆口冷卻封閉時間的影響而能直接控制充滿模穴的時間。 在頂出時，澆口尾料和塑件可被自動切斷。 2-4-5 排氣(vents)當(dāng)模具充滿塑料后，所有之內(nèi)部空氣必須排掉，否則模穴內(nèi)被壓縮之空氣會產(chǎn)生熱而將塑品燒焦。排氣可位于分模線上任何一處，特別是在模穴內(nèi)最后填滿的地方，如圖2-35所示。對于未顯現(xiàn)的肋及浮凸物，排

33、氣可在頂出軸方向上磨一小平塊而設(shè)立。排氣裝置是由淺、小而漸大，但如果太大會造成塑物在排氣口有毛邊現(xiàn)象。對于熱塑性塑料，射出成型之排氣裝置其尺寸規(guī)格通常如圖2-36所示。 2-4-6 頂出機(jī)構(gòu)(ejection mechanisms)一個良好之頂出機(jī)構(gòu)設(shè)計不僅能不損壞塑品，節(jié)省人力，更能節(jié)省成本。以下各項(xiàng)為設(shè)計頂出機(jī)構(gòu)所須考慮之因素：塑品之形狀及壁厚。所用材料為何。塑品體積多大。與分模線之相對位置。頂針的形狀可為標(biāo)準(zhǔn)的平頭頂針、刀切型頂針，閥形頂針，或分段層次型頂針。其位置最好于塑物形狀有大變化之地方如邊角，肋或浮凸物等，因?yàn)檫@些地方較易卡在模具內(nèi)。要有效的頂出塑物，設(shè)計者必須算出所須要的頂出面

34、積及力量。如果面積不夠的話，塑物表面會遭破壞，以下是計算所須頂出力量的方程式（2-1）。PStEAu D(D/2T)(D/4TY) (2-1)P所須之頂出力量(lbs)E彈性模數(shù)(elastic modulus)(psi)A頂?shù)剿芷分娣e(in2)u塑品與鋼之磨擦系數(shù)D圍繞公模芯塑面之圓周長(in)T塑品之壁厚(in)Y塑品之蒲松比(poisson ratio)St熱膨脹系數(shù)×T(in)T熱變形溫度(HDT)頂出時之溫度2-4-7冷卻 冷卻模具的目的在于使剛成形之塑品能夠迅速移去熱量以被頂出模穴外。冷卻的方法是在模壁內(nèi)制造信道以進(jìn)行熱交換，所用之冷卻液有水，冰水，水加抗凍劑及油類等四

35、種。對于一些有幾何限制上之制品，由于直接鉆挖之冷卻道，有時并不足以能完全達(dá)到冷卻之作用，此時我們可在冷卻系統(tǒng)上裝設(shè)如圖2-37之輔助裝置。(a) 擋板(baffle)：于冷卻道上插入一平板使冷卻液由板之一邊進(jìn)，再由另一邊出，造成對流以移走熱量。(b) 噴泉管(bubbler)：于冷卻道上插入一環(huán)狀管，冷卻液由內(nèi)管進(jìn)入直沖外管再回到冷卻道上，產(chǎn)生如噴泉般的效應(yīng)以增加渦流。因?yàn)闇u流一般可比層流多35倍的熱交換。(c) 熱管(heat pipe)：于冷卻道上插入一密閉的封管，一端于冷卻在線是為冷凝器，另一端位于須要被冷卻的區(qū)域上是為蒸發(fā)器。封管內(nèi)為作對流媒介的水，氨，甲烷或甲醇等，經(jīng)由管內(nèi)之蕊作熱交

36、換。上列三種裝置對于防止冷卻不良而產(chǎn)生之熱點(diǎn)(hot-spots)極具效益，并能減少成形周期。一般而言，一個好的冷卻設(shè)計是不讓冷卻液溫度上升超過5的。模具的材質(zhì)影響到冷卻之效果甚巨，常用的模具材料有 P20鋼 H13鋼 P6鋼 S7鋼鈹銅合金鋁 420不銹鋼 414不銹鋼鈹銅合金之熱傳導(dǎo)兩倍于碳化鋼，四倍于不銹鋼，但這并不表示其成形周期四倍少于不銹鋼。一般而言，鈹銅合金對于薄肉厚的制品最具功效，H13適于須高溫成型的制品，S7極耐沖撞但不耐磨耗，P型鋼則特別為塑料成型所設(shè)計，不銹鋼則極具耐侵蝕性但熱傳導(dǎo)性不佳。 2-5 組裝設(shè)計(Assembly desigh) 由于塑料材料之多變化性，遂使得

37、組裝塑料零件的方法五花八門，一般大概可分為機(jī)械組裝，溶劑組裝，黏著劑組裝及焊接組裝等四種。表2-5為一般常用材料其各種組裝法好壞之比較。2-5-1 機(jī)械組裝(mechanical assembly)以機(jī)械性的方法來連接塑料品是組裝中最基本的方法，部份原因是因此方法在金屬工業(yè)上已使用經(jīng)年。機(jī)械組裝基本上可分為接合法(fits)及扣接法(fasteners)，其好處為成本低，可重復(fù)使用，接裝速度快且效果良好。但質(zhì)軟易變形的材料加LDPE及硬而脆的材料皆不適宜用扣接法。接合法一般可分為迫緊法(snap-fits)、壓緊法(press-fits)及打樁法(staking)，扣接法則有具螺紋之螺絲(sc

38、rew)、螺絲加螺帽(nut)與夾箍(clips)、鉚接(riviting)等。2-5-1-1迫緊法 迫緊法為一簡單，快速及具高效性的方法，它能應(yīng)用于任何材料之連接。一個好的迫緊設(shè)計將不會承受負(fù)載，所以其扣合力量不會隨時間而減少或因震動的影響而松弛。最常見的迫緊法為懸桁式如圖2-38所示。PC材料最適宜用此方法，因其具低的模子收縮度，高抗蠕變及整體的尺寸安定性。對一具定橫切矩形面積的懸桁梁，其可容許之歪斜量計算如下：y2 3×l2 h (2-2)其中：y最大之歪斜量最大之變形率l梁之長度h梁之厚度從模具頂出時或是在組裝時，歪斜量部不應(yīng)該超出其最大值而損其結(jié)構(gòu)。若欲增加其可容許之歪斜量

39、，最好之方法是增加梁之長度或減少其厚度?？扇菰S之歪斜量亦與可容許之變形量()息息相關(guān)。一般而言，一個簡單的迫緊裝置，其可容許之變形量為4，若此裝置常須組合與拆卻，則變形量應(yīng)為其之60即2.4。式2-3為彎曲懸桁而達(dá)傾斜量y所須橫軸歪斜力P之計算方式：PBh2 6×Es l (2-3)其中：Es正割模數(shù)(secant modulus)，其定義如圖2-39所示。變形量B寬度h厚度l梁之長度為了組合迫緊裝置，必須克服歪斜力(P)及摩擦力()，因此于梁底部經(jīng)由導(dǎo)角可算得組合力(w)如式2-4。wP(tan 1tan) (2-4)其中：w組合力P歪斜力摩擦系數(shù)（如表2-6所示）導(dǎo)角而tan 1

40、tan可直接從圖2-40得知。當(dāng)設(shè)計分別的接合處時，拆卸力之計算方法猶如式2-3一樣，只是將回角()取代導(dǎo)角(1)如圖2-41所示。角度愈小，愈容易組合與拆卸，當(dāng)角度近于90°時，此裝置愈有自動扣鎖之趨勢。欲增加懸桁之最大容許歪斜量，有一個好方法就是從梁底部到鉤鉤處，將其厚度(h)或?qū)挾?b)慢慢變小即錐度化(taper)。如此，可使應(yīng)力之分布更平均及節(jié)省材料。例如，將梁厚度錐化成原來之一半，其它變量保持不變，則其最大歪斜容許量可超過原來均勻厚度梁之60。將梁之厚度或?qū)挾刃倍然?，?2-1)將變成如式(2-5)：y1.09Kl2 h (2-5)其中K為比例常數(shù)，可從圖2-42，圖2-

41、43中查得。 2-5-1-2壓緊法壓緊法是最簡單的接合方法，不僅快速且成本低，但卻往往最易出問題。設(shè)計壓緊裝置時，一定要確保支撐力能夠大到足以組合而又不會造成應(yīng)力過分的集中，其影響因素有三：1.壓緊設(shè)計須要緊密的制造公差。2. 所用材料之硬度與韌度。3. 隨著時間的增長，所造成塑品的蠕變及應(yīng)力松弛。當(dāng)用壓緊法接合兩堅硬材質(zhì)時，如下例及圖2-44所示，一定要將兩材料之互相影響度(interference)減到最小，以保接合應(yīng)力在可容許之范圍內(nèi)?！纠恳讳撹F桿壓緊于一PC轂力，我們必須定出最大的鐵桿直徑及最小的轂內(nèi)徑，以免圍繞應(yīng)力(hoop stress)超過應(yīng)用PC時所容許之應(yīng)力范圍。決定PC的

42、直徑影響度可由圖2-45求出。桿直徑 轂外徑0.250" 0500"0.5代入圖2-45，可得影響度8 mils 桿直徑 in直徑影響度0.008×0.2500.002in因此，轂內(nèi)徑應(yīng)為0.2500.0020.248in轂壁厚為(0.50.248)/20.126in方是理想的壓緊設(shè)計另外一個影響壓緊設(shè)計的重要因素為材料之蠕變與莊應(yīng)力松弛，消除此現(xiàn)象之發(fā)生可在桿上刻以紋路，當(dāng)組合后，塑料隨著時間之增長會冷流至刻紋上而仍保有相當(dāng)?shù)慕雍狭ΑＩ鲜鲋?，對高硬度之材料較為無效，對較軟質(zhì)材料如PE，PP則極具功效。 2-5-1-3扣接法1.螺釘螺釘系指與螺紋孔組合，但無螺帽

43、的小螺桿。螺釘頭有圓頭及平頭兩種，均有溝槽以利起子的旋轉(zhuǎn)安裝，可稱為自攻式螺釘(self-tapping screw)，其有兩種類型：一為成形螺紋式(thread-forming screw)，另一為切削螺紋式(thread-cutting screw)如圖2-46所示。成型螺紋釘一般用于熱塑性塑料，而熱固性塑料因?yàn)檩^脆，用成形螺紋釘會導(dǎo)致其變形，所以須用具切構(gòu)的切削螺紋式螺釘。圖2-47為一般在設(shè)計浮凸物與自攻式螺釘時所須之規(guī)格。 浮凸物之內(nèi)徑(d)應(yīng)小于螺釘螺紋之直徑。 浮凸物之外徑應(yīng)為螺釘直徑(D)之2到2.5倍。 不管浮凸物是全穿孔或半穿孔，都會在安裝時造成充分的熔流，所以半穿孔底下之

44、厚度應(yīng)該與壁厚相等。2. 螺釘附螺帽(nut)或夾箍(clips)穿過塑品之螺釘能夠藉由螺帽或夾箍加以固定之。此法可以應(yīng)用至復(fù)雜物之組裝而且不會因?qū)λ芷樊a(chǎn)生扭矩而造成影響。要注意當(dāng)設(shè)計連接兩塑品時，由于空隙之減少，使得原來之拉伸負(fù)荷變?yōu)閴嚎s負(fù)荷，而減少拉伸應(yīng)力會造成破壞，所以留些空間以克服此問題是必要的，如圖2-48所示。另外當(dāng)組合用于輕負(fù)荷時，可用快速螺母如圖2-49所示，以節(jié)省時間與成本。其只須使用極小之轉(zhuǎn)矩即可鎖緊，常被應(yīng)用于防震之組合對象上。若螺母無法直接固定于其它對象上時，則可用如圖2-50所示之地腳螺母(anchor nut)。3. 埋入螺紋(molded-in threads)在

45、成形時可預(yù)埋入螺紋件而達(dá)固定，雖然成形周期會延長且有時會損傷模具，但所節(jié)省的二次加工卻是其吸引人之處。埋入件在成形后不可脫落或偏移，所以埋入件之熱膨脹系數(shù)最好與塑料材料相近，如鋁與聚碳酸酯(PC)。若兩者相差太多，則埋入件最好增大肉厚以達(dá)補(bǔ)強(qiáng)之效果，如圖2-51所示。4. 鉚釘(rivet)利用鉚釘組合塑件為一種有效且低成本的方法。一般可分為下列幾種類型如圖2-52所示。須注意鉚釘孔之位置至少須離塑物邊緣有三倍于鉚釘直徑的距離。另外如圖2-53所示，掣子(clinch)之裕度至少須為鉚釘直徑的6 10或7 10。因?yàn)槿暨^短，其負(fù)荷力會減弱；而若過多，則將造成鉚釘之彎折。 2-5-2 溶劑接著(

46、solvent bonding)溶劑接著法乃用來連接同性質(zhì)之非結(jié)晶性塑料，其方法為溶劑對兩接合面先行侵蝕溶解，再將兩接合面壓緊直到溶劑蒸發(fā)后，便完成黏接。若兩接合物表面靠得不是很緊密，或接觸良好但有間隙時，則須在溶液接合物使用前，先溶入適量之母體樹脂再予以使用。這些接著法所用之溶劑因樹脂之種類而異，如表2-7。通常溶劑型之接著，其強(qiáng)度較差。因?yàn)榻佑|面系因溶劑的蒸發(fā)作用而達(dá)成，常產(chǎn)生收縮應(yīng)力或瑕疵。 2-5-3 黏著劑接著(adhesive bonding)黏著劑是用來黏貼接合物表面的一種物質(zhì)，依接著性質(zhì)不同之樹脂，塑料金屬，木材等時，各有適當(dāng)之接著劑如下：1.橡膠系接著劑常用于接著極性低之塑料、金屬、橡膠、木材等。最適于接著苯乙烯系樹脂。2. 環(huán)氣系接著劑主要用于