注塑成型基础1.docx

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注塑成型基础1

第1章

第2章

計算機輔助工程與塑膠射出成形

1-1計算機輔助工程分析

1-2塑膠射出成形

1-3模流分析及薄殼理論

第3章1-4模流分析軟體的未來發展

第4章

射出成形機

2-1射出機組件

2-1-1射出系統

2-1-2模具系統

2-1-3油壓系統

2-1-4控制系統

2-1-5鎖模系統

2-2射出成形系統

2-3射出機操作順序

2-4螺杆操作

第5章2-5二次加工

第6章

什麼是塑膠

3-1塑膠之分類

3-2熱塑性塑膠

3-2-1不定形聚合物

3-2-2（半）結晶性聚合物

3-2-3液晶聚合物

3-3熱固性塑膠

第7章3-4添加劑、填充料與補強料

第8章

塑膠如何流動

4-1熔膠剪切黏度

4-2熔膠流動之驅動--射出壓力

4-2-1影響射出壓力的原素

4-3充填模式

4-3-1熔膠波前速度與熔膠波前面積

第5章4-4流變理論

第6章

5-1材料性質與塑件設計

5-2

材料性質與塑件設計

5-1-1應力--應變行為

5-1-2潛變與應力鬆弛

5-1-3疲勞

5-1-4衝擊強度

5-1-5熱機械行為

5-2塑件強度設計

5-2-1短期負荷

5-2-2長期負荷

5-2-3反覆性負荷

5-2-4高速負荷及衝擊負荷

5-2-5極端溫度施加負荷

5-3塑件肉厚

5-4肋之設計

5-5組合之設計

5-5-1壓合連接

5-5-2搭扣配合連接

5-5-3固定連接組件

5-5-4熔接製程

第六章模具設計

6-1流道系統

6-1-1模穴數目之決定

6-1-2流道配置

6-1-3豎澆道尺寸之決定

6-1-4流道截面之設計

6-1-5流道尺寸之決定

6-1-6熱流道系統

6-2流道平衡

6-2-1流道設計規則

6-3澆口設計

6-3-1澆口種類

6-3-2澆口設計原則

6-4設計範例

6-4-1階段一︰C-moldFillingEZ簡易充填類比分析

6-4-2階段二︰執行C-moldFilling&PostFilling最佳化

6-5模具冷卻系統

6-5-1冷卻孔道的配置

6-5-2其它的冷卻裝置

6-6冷卻系統之相關方程式

第7章6-6-1冷卻系統之設計規則

第8章

收縮與翹曲

7-1殘留應力

7-1-1熔膠流動引發的殘留應力

7-1-2熱效應引發之殘留應力

7-1-3製程引發殘留應力與模穴殘留應力

7-2收縮

7-3翹曲

第8章7-4收縮與翹曲的設計規則

第9章

8-1問題排除

8-2

包風

8-2黑斑、黑紋、脆化、燒痕、和掉色

8-3表面剝離

8-4尺寸變化

8-5魚眼

8-6毛邊

8-7流痕

8-8遲滯效應

8-9噴射流

8-10波紋

8-11短射

8-12銀線痕

8-13凹陷與氣孔

8-14縫合線與熔合線

第九章C-MOLD軟體介紹（暫缺）

附錄A 射出機成形條件之設定

附錄B常用塑膠之性質

附錄C檔案格式

第一章計算機輔助工程與塑膠射出成形

1-1計算機輔助工程分析

計算機輔助設計（Computer-AidedDesign,CAD）是應用計算機協助進行創造、設計、修改、分析、及最佳化一個設計的技術。

計算機輔助工程分析（Computer-AidedEngineering,CAE）是應用計算機分析CAD幾何模型之物理問題的技術，可以讓設計者進行仿真以研究產品的行為，進一步改良或最佳化設計。

目前在工程運用上，比較成熟的CAE技術領域包括︰架構應力分析、應變分析、振動分析、流體流場分析、熱傳分析、電磁場分析、機構運動分析、塑膠射出成形模流分析等等。

有效地應用CAE，能夠在建立原型之前或之后發揮功能︰

․協助設計變更（designrevision）

․協助排除困難（trouble-shooting）

․累積知識經驗，系統化整理Know-how，建立設計準則（designcriteria）

CAE使用近似的數值方法（numericalmethods）來計算求解，而不是道統的數學求解。

數值方法可以解決許多在純數學所無法求解的問題，應用層面相當廣泛。

因為數值方法應用許多矩陣的技巧，適合使用計算機進行計算，而計算機的運算速度、內存的數量和算法的好壞就關係到數值方法的效率與成敗。

一般的CAE軟體之架構可以區分為三大部分︰前處理器（pre-processor）、求解器（solver）和后處理器（post-processor）。

前處理器的任務是建立幾何模型、切割網格元素與節點、設定元素類型與材料系數、設定邊界條件等。

求解器讀取前處理器的結果檔，根據輸入條件，運用數值方法求解答案。

后處理器將求解后大量的數據有規則地處理成人機界面圖形，製作動畫以方便使用者分析判讀答案。

為了便利建構2D或3D模型，許多CAE軟體提供了CAD功能，方便建構模型。

或者提供CAD界面，以便將2D或3D的CAD圖文件直接匯入CAE軟體，再進行挑面與網格切割，以便執行分析類比。

應用CAE軟體必須注意到其分析結果未必能夠百分百重現所有的問題，其應用重點在于有效率地針對問題提出可行之解決方案，以爭取改善問題的時效。

經驗＝〉

知識＝〉實驗比對＝〉品質（Q）、成本（C）、交期（D）

CAE工具＝〉

應用CAE工具時，必須充分了解其理論內涵與模型限制，以區分仿真分析和實際製程的差異，才不至於對分析結果過度判讀。

據估計，全球應用CAE技術的比例僅15%左右，仍有廣大的發展空間。

影響CAE技術推展的主因有三︰

․分析的準確性。

․相關技術人員的養成。

․技術使用的簡易性。

而CAE類比分析之主要誤差來源包括︰

․理論模式─物理現象、材料物性。

․數值解法（numericalSolver）

․幾何模型（geometrymodel）

․錯誤的輸入數據

1-2塑膠射出成形

塑膠製品依照其材料性質、用途和成品外觀特徵而開發了各種加工的方法，例如壓出成形（extrusion）、共壓出成形（co-extrusion）、射出成形（injectionmolding）、吹袋成形（blownfilm）、吹瓶成形（blowmolding）、熱壓成形（thermoforming）、輪壓成形（calenderingmolding）、發泡成形（Foammolding）、旋轉成形（rotationalmolding）、氣體輔助射出成形（gas-assistedinjectionmolding）等等。

　　塑膠射出成形（injectionmolding）是將熔融塑膠材料壓擠進入模穴，製作出所設計形狀之塑件的一個循環製程。

射出成形製程根據所使用的塑膠而有不同，熱塑性塑膠必須將射進模穴的高溫塑膠材料冷卻以定形，熱固性塑膠則必須由化學回應固化定形。

射出成形是量產設計複雜、尺寸精良的塑件之最普遍和最多元化的加工方法。

按照重量計算，大約32%的塑膠採用射出成形加工。

射出成形所生產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。

除了應用于熱塑性塑膠、熱固性塑膠以外，射出成形也可以應用于添加強化纖維、陶瓷材料、粉末金屬的聚合物之成形。

　　射出機自從1870年代初期問世以來，經歷了多次重大的改良，主要的里程碑包括回轉式螺杆（reciprocatingscrew）射出機的發明、各種替代加工製程的發明，以及塑件計算機輔助設計與製造的應用。

尤其是回轉式螺杆射出機的發明，更對于熱塑性塑膠射出成形的多樣性及生產力造成革命性的衝擊。

現今的射出機，除了控制系統與機器功能有顯著改善以外，從柱塞式機構改變為回轉式螺杆是射出成形機最主要的發展。

柱塞式射出機本質上具有簡單的特色，但是純粹以熱傳導緩慢地加熱塑膠，使其普及率大大地受到限制。

回轉式射出機則借著螺杆旋轉運動所造成的摩擦熱可以迅速均勻地將塑膠材料塑化，並且，也可以像柱塞式射出機一般向前推進螺杆，射出熔膠。

圖1-1是回轉式螺杆射出機的示意圖。

圖1-1回轉式螺杆射出機

　　射出成形製程最初僅僅應用于熱塑性塑膠，隨著人類對于材料性質的了解、成形設備的改良、和工業上特殊需求等原素，使射出成形製程大大地擴張了應用範圍。

　　在過去的二十幾年，許多新開發的射出成形技術應用于具有特殊特徵的設計與特別材料的塑件，使射出成形塑件的設計比道統上更具有架構特徵的多樣性和自由度。

這些研發的替代製程包括︰

（共射成形（co-injectionmolding，又稱為三明治成形）

（核心熔化成形（fusiblecoreinjectionmolding）

（氣輔射出成形（gas-assistedinjectionmolding）

（射出壓縮成形（injection-compressionmolding）

（層狀射出成形（lamellar,ormicrolayer,injectionmolding）

（活動供料射出成形（live-feedinjectionmolding）

（低壓射出成形（low-pressureinjectionmolding）

（推拉射出成形（push-pullinjectionmolding）

（回應性射出成形（reactivemolding）

（架構發泡射出成形（structurefoaminjectionmolding）

（薄膜成形（thin-wallmolding）

　　因為射出成形的廣泛應用及其具有前景的未來，製程的計算機仿真也從早期的均一配置、模穴充填的經驗估算演進到可以進行后充填行為、回應動力學、和不同材料或不同相態之仿真的複雜程式。

市場上的模流分析軟體提供了改變塑件設計、模具設計、及製程條件最佳化等CAE功能。

1-3模流分析及薄殼理論

塑膠射出成形之模流分析系應用質量守恆、動量守恆、能量守恆方程式，配合高分子材料的流變理論和數值求解法所建立的一套描述塑膠射出成形之熱力歷程與充填／保壓行為模式，經由人性化界面的顯示，以獲知塑膠在模穴內的速度、應力、壓力、溫度等參數之分佈，塑件冷卻凝固以及翹曲變形的行為，並且可能進一步探討成形之參數及模具設計參數等關係。

理論上，模流分析可以協助工程師一窺塑膠成品設計、模具設計、及成形條件的奧祕，其能夠幫助生手迅速累積經驗，協助老手找出可能被忽略的原素。

應用模流分析技術可以縮減試模時間、節省開模成本和資源、改善產品品性、縮短產品上市的準備週期、降低不良率。

在CAE領域，塑膠射出模流分析已經存在具體的成效，協助射出成形業者獲得相當完整的解決方案。

塑膠射出模流分析所需的專業知識包括︰

․材料特性─塑料之材料科學與物理性質、模具材料和冷卻劑等相關知識。

․設計規范─產品設計和模具設計，可參考材料供貨商提供的設計準則。

․成形條件─塑料或高分子加工知識以及現場實務。

市場上模流分析軟體大多數是根據GHS（GeneralizedHele-Shaw）流動模型所發展的中間面（mid-plane）模型或薄殼（shell）模型之2.5D模流分析，以縮減求解過程的變量數目，並且應用成熟穩定的數值方法，發展出高效率的CAE軟體。

加以90%的塑膠成品都是所謂的薄件，2.5D模流分析的結果具有相當高的準確性，佐以應用的實務經驗，再結合專家系統，2.5D模流分析仍將主導模流分析的技術市場。

薄殼模型要求塑件的尺寸／肉厚比在10以上，因此著重在塑膠的平面流動，而忽略塑膠在塑件肉厚方向的流動和質傳，因此可以簡化計算模型。

就典型的模流分析案例而言，一般大約需要5000~10000個三角形元素來建構幾何模型，目前2.5D模流分析方法在厚度方向使用有限元素差分法（finitedifferencemethod）分開處理，因此比較不會影響計算效率。

通常，2.5D模流分析軟體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膠射出成形仿真軟體如下表︰

軟體名稱

開發單位

C-MOLD

A.C.Tech.（美國）

MOLDFLOW

MoldflowPTY（澳洲）

SIMUFLOW

GratfekInc.（美國）

TMConcept

Plastics&ComputeInc.（義大利）

CADMOULD

I.K.V.（德國）

IMAP-F

（株）豐田中央研究所（日本）

PIAS

Sharp公司（日本）

TIMON-FLOW

TORAY公司（日本）

POLYFLOW

SDRC（美國）

CAPLAS

佳能（日本）

MELTFLOW

宇部興產（日本）

SIMPOE

欣波科技（台灣）

MOLDEX

科盛科技（台灣）

INJECT-3

Phillips（荷蘭）

Dassault（法蘭西）

Pro/EPlastics

PTC（美國）

1-4模流分析軟體的未來發展

道統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，工程師往往在進行分析之前先利用轉檔或重建的模式建構模型，相當浪費時間，甚至可能花費分析時間的80%以上在建模和修模。

新一代的模流分析軟體舍棄GHS流動模型，直接配合塑件實體模型，求解3D的流動、熱傳、物理性質之模型方程式，以獲得更真實的解答。

3D模流分析技術的主要問題在于計算量非常大、計算的穩定性問題和網格品性造成數值收斂性的問題。

目前，3D模流分析技術應用的模型技術有下列︰

․雙域有限元素法（dual-domainfiniteelementmethod）︰（FUSION）

將塑件相對應面挑出，以兩薄殼面及半厚度近似實體模型，配合連接器（connector）的應用以調節流動趨勢。

此技術對于肉厚變化較大的產品，有應力計算的誤差和適用性的問題。

應用上可能遭遇縫合線預測錯誤、流動長度估算錯誤等問題。

使用此法的軟體如MPI。

․中間面產生技術（mid-planegenerator）︰

中間面產生技術可以分為中間軸轉換（MedialAxisTransform,MAT）和法則歸納法（heuristicmethod），對于複雜架構的塑件，因為肉厚變化、公母模面不對稱、肋（rib）與轂（boss）等強化原件的設計，使得MAT技術有實用上的困難，因此此項技術的發展以法則歸納法為主。

․HPFVM（High-PerformanceFiniteVolumeMethod）︰

應用有限體積法配合配合快速數值算法（FastNumericalAlgorithm,FNA）、非線性去偶合計算法（Decoupledsolutionprocedurefornon-linearity）及高效率的迭代求解。

使用此法

的軟體如Moldex-3D。

第二章射出成形機

　　就熱塑性塑膠（thermoplastics）而言，射出成形機將塑膠顆粒材料經由熔融、射出、保壓、冷卻等循環，轉變成最終的塑件。

熱塑性塑膠射出成形機通常採用鎖模公頓數（clampingtonnage）或射出量（shotsize）作為簡易的機器規格辨識，可以使用的其它參數還包括射出速率、射出壓力、螺杆設計、模具厚度和導杆間距等等。

根據功能區分，射出成形機的大致上有三個種類︰

（1）一般用途射出機；

（2）精密、緊配射出機；和（3）高速、薄肉厚射出機。

射出成形機的主要輔助設備包括樹脂乾燥機、材料處理及輸送設備、粉碎機、模溫控制機與冷凝器、塑件退模之機械手臂、以及塑件處理設備。

2-1射出機組件

典型的射出成形機如圖2-1所示，主要包括了射出系統（injectionsystem）、模具系統（moldsystem）、油壓系統（hydraulicsystem）、控制系統（comtrolsystem）、和鎖模系統（clampingsystem）等五個單元。

圖2-1應用于熱塑性塑膠的單螺杆射出成形機

2-1-1射出系統

　　射出系統包括了料斗（hooper）、回轉螺杆與料筒（barrel）組合，和噴嘴（nozzle），如圖2-2。

射出系統的功能是存放及輸送塑膠，使塑膠經歷進料、壓縮、排氣、熔化、射出及保壓階段。

圖2-2熱塑性塑膠的單螺杆射出成形機之塑化螺杆、料筒、

電熱片、固定模板及移動模板。

（1）料斗

熱塑性塑膠通常以小顆粒供應成形廠。

射出機的料斗可以存放塑膠膠顆粒，藉由重力作用使塑膠顆粒經過料斗頸部，進入料筒與螺杆組合內。

（2）料筒

射出機的料筒可以容納回轉式螺杆，並且使用電熱片（electricheaterbands））加熱塑膠。

（3）回轉式螺杆

回轉式螺杆可以壓縮塑膠、熔化塑膠及輸送塑膠，螺杆上包括了進料區（feedingzone）、壓縮區（compressionzone,或轉移區transitionzone）、和計量區（meteringzone）三個區段，如圖2-3所示。

圖2-3回轉式螺杆之進料區、壓縮區、和計量區。

螺杆的外徑為固定值，螺杆的溝槽深度（thedepthofflight）從進料區到計量區起點逐漸遞減，溝槽深度的變化使塑膠相對于料筒內徑產生壓縮，造成剪切熱，提供熔化塑膠的主要熱量。

料筒外的加熱片則幫助塑膠維持于熔融狀態，一般的射出機有三組或更多組加熱片，以便設定為不同的溫度區段。

（4）噴嘴

噴嘴連接料筒和豎澆道襯套（spruebushing）。

當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內，構成密封。

噴嘴的溫度應該設定在材料供貨商建議之塑膠熔化溫度，或是略低于溫度。

如此，清理料筒時，只要將料筒后退遠離豎澆道，清除的塑膠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

模具系統包括了導杆（tiebars）、固定模板（stationaryplaten）、移動模板（movableplaten）、和容納模穴、豎澆道、流道系統、頂出銷和冷卻管路的模板（moldingplates），如圖2-5所示。

基本上，模具是一座熱交換器，使熱塑性塑膠的熔膠在模穴內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

模具系統將熔融塑膠在模穴內定形，並于冷卻后將塑件頂出。

射出成形的模具系統是安裝模板與成形模板的組合，通常以工具鋼加工製成。

固定安裝板連接到成形機料筒一側，並經由導杆與移動模板相接。

母模板通常鎖在固定模板上，並且連接到噴嘴；公模板鎖在移動安裝板上，沿著導杆之導引而移動。

有些應用會相反地將母模板鎖在移動模板上，將公模板和液壓頂出機構安裝固定模板上。

（1）兩板模

大多數模具是由兩片模板組成，如圖2-6，此類模具常使用在塑件澆口正好設在塑件邊緣或者接近塑件邊緣的設計，其流道（runner）也設計在母模板上。

（2）三板模

三板模通常應用于澆口遠離塑件邊緣的設計，其流道是設計在分隔公模與母模的脫料板（stripperplate））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（coolingchannels）是模具本體的通道，冷媒（一般是水、蒸汽或油）經由冷卻管路循環以調節模壁溫度。

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（thermalpinsorheatpipes）等。

2-1-3油壓系統

射出機的油壓系統提供開啟與關閉模具的動力，蓄積並維持鎖模力公頓數，旋轉與推進螺杆，致動頂出銷，以及移動公模側。

油壓系統的組件包括幫浦、閥、油壓馬達、油壓管件、油壓接頭及油壓槽等。

2-1-4控制系統

控制系統提供成形機一致性的重複操作，並且監控溫度、壓力、射出速度、螺杆速度與位置、及油壓位置等製程參數。

製程控制直接影響到塑件品性和製程的經濟效益。

控制系統包括簡單的開／關繼電器控制到複雜的微處理器閉回路控制單元。

2-1-5鎖模系統

鎖模系統用來開啟／關閉模具，支撐與移動模具組件，產生足夠的力量以防止模具被射出壓力推開。

鎖模機構可以是肘節機構鎖定、油壓機構鎖定、或是上述的兩個基本型態的組合。

2-2射出成形系統

典型的射出成形系統（moldedsystem）包括熔膠輸送系統和成形塑件，如圖2-7所示。

熔膠輸送系統提供讓熔膠從射出機噴嘴流到模穴的通道，它通常包括︰豎澆道（sprue）、冷料井（coldslugwell）、主流道、分枝流道、和澆口（gates）。

圖2-7射出成形系統包括熔膠輸送系統及成形塑件。

輸送系統的設計對于充填模式與塑件品性都有很重要的影響。

因此應該設計流道系統，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，冷流道輸送系統將會被切除成為回收廢料，所以應該設計輸送系統，以產生最少的廢料。

熱流道（Hotrunner或無流道runnerless）成形製程維持流道于高溫，使其內之熔膠維持在熔融狀態。

因為熱流道並不與塑件一起脫模，不致于造成廢料，並且節省塑件二次切除加工的製程。

2-3射出機操作順序

（1）塑膠射出成形加工是一種適合高速量產精密組件的加工法，它將粒狀塑膠于料筒內融化、混合、移動（3M’s:

Melt,Mix,andMove），再于模穴內流動、充填、凝固（3F’s:

Flow,Form,andFreeze）。

其動作可以區分為塑膠之塑化、充填、保壓、冷卻、頂出等階段的循環製程，包括的基本操作動作如下列︰

（2）

（3）關閉模具，以便螺杆開始向前推進，如圖2-8（a）。

（4）與柱塞式射出機相同地，推進回轉式螺杆以充填模穴，如圖2-8（b）。

（5）螺杆繼續推進，以進行模穴保壓，如圖2-8（c）。

（6）當模穴冷卻，澆口凝固，螺杆開始后退，並塑化材料準備下一次射出，如圖2-8（d）。

（7）開啟模具，頂出塑件，如圖2-8（e）。

開閉模具，以開始下一個循環，如圖2-8（f）。

塑膠在料筒被螺杆擠壓產生大量摩擦熱而形成熔融狀態，熔膠堆積于料筒前端，並且使用加熱器維持熔膠溫度。

在充填階段開始，射出機打開噴嘴，螺杆前進將熔膠經噴嘴注入關閉的模穴，以完成充填。

當熔膠進入模穴，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膠組件設計、澆口位置和良好的排氣。

假如塑膠的流動性不佳，或者射出壓力不足就可能造成短射現象；相反地，假如塑膠的流動性太好，容易在塑件的分模面造成毛邊。

熔膠完全填滿模穴后，繼續施壓以注入更多熔膠，補償因冷卻而造成之塑膠體積收縮，並確保模穴完全填滿。

充填與保壓階段結束，熔膠在模具裡完全凝固后，再打開模穴取出塑件。

冷卻時間在整個成形週期占非常高的比例，大約80%，成形品的冷卻時間依照塑膠性質、成形品的形狀、大小、尺寸、精度而有不同。

當移動模板后退，使頂出銷頂到后板（rearplate）而停止運動，將成形品、澆道系統及廢料頂出。

（a）（b）

（c）（d）

（f）

圖2-8射出機之操作程式。