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〓〓〓〓〓塑胶设计指南〓〓〓〓〓
●第一章 塑胶材料加工方式的选择
塑料产品之好坏与材料选择及加工方式之迥异而有极大之关系。对于任何欲制之塑品,其步骤为先决定何种材料能够达到其所须之物性,再来则为选择最适切与最经济的加工方式,最后则视产量之多寡而决定设备。
●1-1 塑料材料之选择
在大约探讨了塑料材料的基本物性,以下将做更深入的分析。下面所列之各表乃是依据标准方法制成试片所测得之数据,与实际生产所制出的成品性质仍有相当大之差距,但做为不同等级材料性质之比较已足矣。下表1-1为一般常见塑料机械性质之比较。
 
表1-2则为塑料拉伸强度之范围,表1-3为抗冲击强度之范围。

 
 
表1-4及表1-5,则为塑料之其它性质。参考以上各表,即大约可知塑品用何种材料可达到其用途之所须性质要求。
 
一般而言加了玻纤后,可增加拉伸力、减少拉伸量、抗磨耗力降低、挠曲力增高、热变形温度增加、热膨胀降低及较不透明,而耐冲击力则不一定。但是硬度(除非高填充)、电气性质、抗化学性及抗天候性则甚无影响。
表1-6则为一般材料之机械性质之定性趋势表。
若是依各种用途来分,所使用之塑料大概可列表如1-7所示。 
●1-2 塑料加工方式之选择
塑料之加工方式五花八门,随着材料及成品而有极大之差异。以下对一般常见的加工方式,作一番简介:
1. 射出成形(injection molding)
在所有之塑料加工成形方法上,射出成形最为被广泛使用。其法为热塑性塑料或热固性塑料导入于射出成形机的加热筒中,俟其完全熔融后,藉由柱塞或螺杆之压力,产生热能及摩擦热能,将其注入于闭合模具之模穴中,固化后,再开启模具取出成品。此种加工技术因材料、机械设计及制品要求而衍生出其它之方法,如预嵌入金属零件之插件成形、多色及混色的射出成形,结构发泡的射出成形、气体辅助射出成形(gas assisted injection molding)、共射出成形(coinjection)、射出中空成形及利用液态单体或液态预聚合物为原料之反应射出成形(RIM)等方法。
2. 押出加工(extrusion)
将热塑性材料于押出机中加热、加压,再用螺杆予以押出,押出品之断面形状依模头而定,可为棒状、管状、平版状、异形状等等。其它如吹膜押出、押出中空成形、压延加工,押出涂装及混炼切粒等皆在前半段应用押出机,现今流行的趋势是共押出加工(coextrusion),制成多层高功能的制品。
3. 压缩成形(compression molding)
此为热固性塑料成形法之一种,先将热固性树脂预热后,置于开放的模穴内,闭模后施以热及压力,直至材料硬化为止。酚醛树脂,美耐皿树脂及尿素甲醛等树脂常用此法成形,所制之成品为:家电制品外壳、零件、齿轮、家具餐具等。
4. 中空成形(blow molding)
其法为先将热塑性塑料由押出机之模头押出,使成为薄管,此称为型胚(parison),再闭合模具,吹气而后成形。此法之应用已愈来愈广泛,如汽车业,所用之材料也由传统之PE、PP、PVC、PET等,走向高性能的工程塑料。其优点为制造大形品方便及一次成形,缺点则为塑品之各部份肉厚不易控制。
5. 回转成形(rotational molding)
将常温粉状或液状之成形材料注入于回转模具中,利用加热及离心力使树脂均匀布满于模壁面,冷却后即可得中空之成形品。此法最适当做大型物品之成形,缺点则为肉厚较难控制。
6. 吹膜押出(blown film estursion)
一般制造薄膜之方式有二:(a)T模法(T-die method)。
(b)环模法(ring-die method)。
(a) T模法为平膜押出,制成之薄膜厚度较环模法制造的来的均匀。由于引取方向之拉力较大,使得纵向强度较横向强度大的多,故很多已用双轴延伸的方法来制膜。
(b) 吹膜押出是采用环模法的操作方式,押出之熔胶经环形模,用空气吹成管膜,再予冷却即成胶膜。聚烯烃类之塑料常以此法制造各种垃圾袋,收缩膜及食品包装膜等。现在之高级包装膜则为利用共押出之方法来制造多层膜。
7. 热成形(thermoforming)
此法为将热塑性塑料板加热软化后,用真空、空气或套合之金属予以加压成形。其强度与塑板之厚度有关,产生之制品须经裁剪,多余的边料再予以回收。
8. 押出涂装与积层(extrusion coating & lamination)
其法为用押出机将热塑性塑料熔化押出,经过T形模头后形成淋幕,然后涂布于连续移动的板状或膜状基材上,常用于日用品及食品之包装。
9. 转移成形(transfer molding)
为用于热固性塑料的成形法,塑料料先于加热室(转移室)内加热软化,然后藉由转移冲柱之高压,迫使熔融材料穿过流道及浇口进入模穴中进行硬化反应。此法非常适合于有金属插件时之情形且成形品精密度比压缩成形高者,但模具设计则较复杂且成品之机械强度较低。
10. 铸塑成形(casting)
此法为将液状树脂配合硬化剂后,注入至开口之模具中,使其流至模具表面,在常压下使其干燥完成聚合反应的成形法;或者是将液状树脂涂布于移动之皮带上,或是在化学溶液中沉淀之,以获得塑料薄膜的方法。
11. 轮辗涂装(calender coating)
利用滚轮表面之热,使熔融塑料涂布于布、皮或纸上的加工方法,PVC皮布是最常被轮辗加工之产品。
12. 粉末涂装(powder coating)
此法是在被涂物上放置粉末,然后加热使粉末熔融的连续涂布法,可分为下列三种方式:
(a) 焰喷法:将塑料粉末以丙烷或乙炔燃料气之火焰喷射,再熔化附着于受质体表面。
(b) 静电涂装:为利用静电将塑料粉末附着于受质体表面,再加热使之熔解。
(c) 流动浸渍涂装:将塑料粉末在流动床中浮动,再浸入加热过的金属物体,使熔着一层塑料覆膜。
一般我们常用之塑料粉末为PE、PP、PVC、Nylon及Epoxy等。
13. 发泡加工(foaming)
发泡材料为含有气泡之材料,其假比重较实质密度为低。依发泡法之分类有:常压加热法、加压发泡法、押出发泡法、射出发泡法、二液混合法及二段发泡法等。
一般押出发泡法所用之模头可分为T形模及环形模,后者常被用于聚苯乙烯发泡板,但如果是厚度大于5mm,则须使用T形模头来发泡。常见之发泡材有PE、PP、PS、PVC、CPE、ABS及PC等。结构发泡之设计,在本书第六章会另做详细说明。
14. 拉挤成形(pultrusion)
此加工方式是玻纤补强产品产生的一种,藉由加热模头,连续式的拉出经过补强及硬化的树脂,而后成形。
 其实一个最佳的塑料加工方式之选择,主要之决定在于材料之种类、产品之外形,产量之多寡及最重要的成本效益。而往往一个同样之产品,可经由各种不同之加工方式而产生,如表1-8所示。

至于常用的塑料加工方法与所选择的热固性及热塑性材料则可藉表1-9,做个比较参考。
 
若产品之形状较为复杂及须要做内部之加工,则加工方式之选择可参考表1-10。至于各加工方式、成本及产率之关系,可参考表1-11。
 
●第二章  射出成型/产品设计
●2-1 通 论

产品设计是利用材料,经设计成为新创的外形或结构,以制成指定作用或目的的产品。其所须具备之条件为:
1. 在功能上:要能符合使用者的需求。
2. 在使用操作上:要能符合使用者的习惯与身份。
3. 在外型上:要能合乎简单的制造原则并满足使用者的喜好。
4. 材料应用与加工方法上:要合乎经济与合理的原则,并能求得最适化而降低成本。
即任何一新产品,从构思到生产,对一公司而言,其考量前题为以下所列各项:
○1将来性:公司未来发展领域的配合,成长性。
○2技术性:与该公司现有技术之关系,原料设备获得之难易及技术上成功的可能性。
○3领先性:是否可申请或抵触专利及制品是否具独特性。
○4销售可能性:产品的展望,推出市场之难易,销售网的建立及有无商品特征等可能性。
○5经济性:研究经费人员的多寡,开发期间的长短,设备投资额之获得及获利率的大小。其它如材料之选择、加工方式、模具的设计、二次加工方式及安全规范、法令等,皆须详加考虑。
通常塑料新制品产生的方式可分为三种:
1. 再设计(redesign):就是将现有产品的部分,做一些改变或修饰,使成为更具价值与流行的新产品。现今市场上约莫80%,属于此类。
2. 组合(combination):结合两种以上不同功能,发展而成之新制品。例如PC制成的潜水镜再贴上防雾膜,而成为价值更高的新产品。此类新产品约占10%。
3. 创新(innovation):剩下的10%即为发明前所未有之新制品,此类产品由于须花费较长的时间在宣传及消费者的接受性上,所以通常这方面之设计比例较低。
塑料产品设计者与其它设计者最大的不同是,前者必须详加考虑塑料之各种物性,尤其是环境变化对物性之影响及在长时间负载下对产品之影响。
通常,塑料之物性数据是在实验室的环境下,依照美国标准测试方法(ASTM)而测得。而所设计的塑料产品并不会正如测试样品在同样条件下成形或被加应力。其它如:
○1肉厚及形状。
○2所加负载之速率及时间长短。
○3玻纤之排列方向。
○4缝合线。
○5表面缺陷。
○6成形参数。
以上这些;都会影响到塑料产品之强度及韧性。
设计者亦须考虑到温度,湿度,阳光(紫外线),化学药剂等之影响。所以了解其产品的最终目的而探讨相关的物性是非常重要的。下表2-1为一标准的设计检查表(design check list)。
 
●2-2 原型之设计
为了能将实物从设计的阶段到真正的商品化,我们通常是建一原型而加以测试并修正。最好的方法是尽可能的将原型与将商品化制造的加工方式相近。大部份的工程塑料产品是由射出成型所制出,所以原模必须为一单模穴原型模具所制得。以下将讨论各种制造原型之方法及其优缺点。
●2-2-1 机械加工圆杆或平板、块法(machining from rod or slab stock)
此法是当所允许的设计时间非常短及只须少量的原型和物体的形状非常简单的时候,我们可将其经机械加工而得。这样不仅能帮助发展至固定的设计,亦能做为有限度的测试结果条件;但千万不能将其做为最后商品化的标准,其原因如下:
○1其物性如强度,韧性及伸长量可能会小于真正的成形品,因为机械加工会在原模上留下痕迹。
○2强度及韧性可能会高于成形品,因为圆杆或平板块具较高的结晶度。
○3若是加了玻纤的产品,则玻纤的方向性影响会误导了结果。
○4成形品的特性如顶出针痕,浇口痕及不定形的表面结构将不会出现在原型上。
○5无法探讨缝合线及接合线之影响。
○6由于内应力之不同,尺寸稳定性会被误导。
○7在圆杆或平板,块的中间常有包气现象,以致减少了其强度。同理在成形品的较厚肉处亦有此现象,而无法做一致的评估。
○8只有少数的圆杆或平板,块材料可供选择。
●2-2-2 铸模法(die casting tool)
通常我们能够修正射出成形的原型,如果具有铸模模具的话。利用此铸模模具可减少对制造原型工具的须要及以低成本提供所须的前测试。然而,此法也许也无甚助益,因为原来的模具可能是为金属铸模而设,而非塑料。所以,外壁及肋将不会最适化;浇口通常会过大及位置不合;并且无法有效的冷却塑料产品,造成品质具甚大的相异性。
●2-2-3 原型模具法(prototype tool)
特别是对塑料产品设计而言,利用便宜的铝,黄铜或是铍铜合金制成原型是个不错的方法。因为基本的讯息如收缩度,玻纤方向性及浇口位置皆可得之。但由于此模具只能承受有限度的射压,所以无法正确的估算出成形周期(cycle time),而且模具冷却性被限制,甚至不存在。可是,在另一方面而言,其好处为此形式能够有效的提供样品做最终的目的测试及快速的修正外形尺寸。
●2-2-4 生产试模法(preproduction tool)
对设计的未来发展及产品的准确性而言,最好的方法是制造钢铁试模。它可以为单模穴模具或以多模穴模具为体的单模穴模具。此模穴已经机械加工完成,只是未做硬化处理,所以仍可做一些修正。其好处为它具有与生产模具相同之冷却效果,收缩与翘曲可被探得;还有因为具有适当的顶
出鞘,模具能够如生产线般的循环,于是能够探得其周期。当然,最重要的是这些样品能够如最终产品般的做强度,抗冲击,磨耗及其它物性等之测试。
以上各法都是为了能在正式大量商品化前,做最低成本及最有效的预估分析。当然,我们不能本末倒置,忘记了最终产品的真正须求。最好是写下一标准产品所须表,如功能,外观,可容许的公差等,做个最完美的设计者。
●2-3 产品设计
虽然塑料之产品设计非常复杂,但总有一些基本之原理方法来减少一些成形上及产品功能上所发生的问题。以下所探讨的是在设计上所须注意的基本细节,俾能在未来更复杂的产品设计上有所助益。
●2-3-1 壁厚(wall thickness)
通常产品必须具均匀的壁厚,如果变化不可避免,则利用转换区的方法来防止突然的遽变如图2-1,且浇口位于较厚处以防止充填不满。
 
不均匀的壁厚会造成严重的翘曲及尺寸控制的问题。如果产品须要较高的强度,从成本的观点上来看,用肋(ribs)比增加壁厚要好的多。但如果产品须要好的外观表面时,则因凹陷痕(sink marks)会在表面上产生,故须避免之。若非得用肋不可时:则应尽量让凹陷痕出现在肋的另一面或较不显眼处。图2-2与2-3为使壁厚均匀的一些方法,图2-2乃利用肋及浮凸物(boss),图2-3则为利用铸空法(coring)使设计更好。
 
总之,一般的原则就是能够利用最少的壁厚,完成最终产品所须具备的功能。表2-2为一般热塑性树脂制品之厚度表,表2-3则为热固性塑料制品之厚度表。
  
●2-3-2 半径(radii)
切莫将产品设计成具尖锐的边角,因为其刻痕(notch)状会造成应力集中,以致减少了产品之抗冲击力。为了保证设计在安全的应力范围内,我们须计算每个边角的应力集中因子。如图2-4为悬桁(cantilever)的情形下,应力集中因子对半径/壁厚之图。
 
为了增加边角的强度及增进充模的能力,半径必须在壁厚的25%到75%之间,通常为50%,如图2-5所示。
 
●2-3-3 倾斜角(draft angle)
为了使产品能够轻易的从模具内顶出,外壁必须设计成具倾斜的斜角,如图2-6所示。通常每一英吋,0.5度的倾斜角是达成有效结果所能容许之最小值。一般而言每一英吋1度是标准的做法。
 
如果产品的深度须要增加,通常每增加0.001英吋之深度,须要增加1度额外之倾斜角。
●2-3-4 肋及角板(gussets)
肋及角板能够有效的增加产品之刚性与强度。适当的利用肋与角板不仅能够节省材料,减轻重量及减短成形周期,更能消除如厚横切面所造成的成形问题。设计肋及角板时,我们有一些基本之原则必须遵守,如图2-7与图2-8。
 

与壁厚比较,如果肋或角板太厚的话,则可预期的会产生凹陷痕,包气、翘曲、缝合线(造成内应力)及较长的成形周期。
肋之形状最好设计成如图2-2所示,乃因用窄形之肋骨以代替大而厚之肋骨,可减少塑料之消耗。并且肋及角板必须被置于能够方便流动的位置,如此才能够帮助产品的充填犹如内流道之作用。否则,常会造成最后产品有烧焦之痕迹及包气等问题。
※ 注:角板乃是用作于边缘的支架,以提高强度。
2-3-5 浮凸物(bosses)
浮凸物之目的是用来连接组合螺丝钉、导销、栓或迫紧(force-fits)等作用。设计浮凸物的最重要原则为避免其无支撑物,并尽量让其与外壁或肋相连如图2-9所示:一般而言,肋外径须为圆孔直径的2至2.5倍,以保证有足够之强度。
 
如果肋本身即与外壁间隔相当远,则最好加上角板如图2-10所示。
 
图2-11及图2-12为肋靠近外壁及远离外壁时,浮凸物之设计:
 
 
图2-13为浮凸物设计之范例:
 
●2-3-6 孔洞及铸空(holes & coring)
在塑物上开孔洞或切口可使其和其它零件组合以达成更多之功能及更具吸引力。图2-14为孔洞的一般类型。
 
全穿孔洞比半孔洞易于加工,因为前者之穿孔销可在两端寻得支撑,而后者由于只有一端获得支撑,易被熔融之塑流进入模穴时,使穿孔销偏心而造成误差。所以,一般半穿孔之深度以不超过穿孔销直径两倍为原则。若要加深半穿孔洞之深度则可用层次孔洞如图2-15所示。
 
由于塑流常会在穿孔针旁形成缝合线之故,我们可以将其先做成凹痕或小凹洞,成形后再以钻孔针予以钻孔,如此可防止缝合线造成之强度减少亦可降低模具成本如图2-16所示。
 
于成型大多数之热塑性塑料时,在洞壁和塑物外壁间之宽度至少要和孔洞之直径相等及孔洞与孔洞内壁间之厚度至少要和孔洞之直径相等如图2-17所示。
 
若为半孔洞,则其底部之壁厚至少须为其孔洞直径的1/6,否则模制后会膨胀如图2-18所示。
 
●2-3-7 螺纹(threads)与嵌入物(inserts)
不管是外螺纹或内螺纹,皆可在模具内成型,避免了利用机械加工之麻烦。设计内,外螺纹时,其基本规格设计须如图2-19所示。
 
内螺纹底部未螺纹化的直径必须等于或小于螺纹的最小直径如图2-19(a),A≧B。若是外螺纹,则其底部未螺纹化的直径必须等于或大于螺纹的最大值径如图2-19(b),B≧A。
成型螺纹必须避免具有如羽毛般的边,以免造成应力集中,使该区域强度变弱如图2-20。
 
用于塑料品的金属嵌入物,通常用以承担产品被磨损、撕裂的力量或用以与电气相连及装饰用。嵌入物之类型有两种,一种为成型前模内插入物,另一种为成型后插入物。前者具中等或极粗的刻痕以提供足够的力量防止滑动,后者可螺纹化或是藉由热,超音波的方法来装置。
通常模制嵌入物时,我们须考虑以下几个因素:
‧ 插入物须能提供所需要的机械强度。
‧ 在所有的塑料中,塑模的嵌入物须不具挠性。
‧ 固定的壁厚必须围绕嵌入物之四周,以防止塑料冷却时发生裂化。
‧ 当插入物嵌入塑物中后,可能须要再修饰,二次加工等耗费金钱的步骤。
嵌入物必须与塑模打开或关闭的移动方向平行。因为直角或斜角之插入物在模制时是非常困难且费成本的如图2-21所示。
 
不管是阴或阳之嵌入物,皆须要有一肩座,以防止塑料化合物流入螺纹中如图2-22所示,(a)不具肩座嵌入物,须避免之。(b)为单一封合肩座。(c)双封合肩座,此种最理想,但成本较高。
 
犹如孔洞设计的位置一样,插入物的位置设计方法与其大同小异。设计插入物时除考虑机械应力外,由于嵌入物本身之高热膨胀系数,造成塑物之热应力亦须考虑。所以当塑物冷却时,塑料会比金属收缩的还多,造成应力集中以致尔后插入物周遭龟裂。预防的方法是,提供足够之塑料于插入物的四周或是增加嵌入物与外壁之距离。表2-4为一些常用的塑料于嵌入物四周所须之最小厚度以避免龟裂。
 
●2-3-8 尺寸公差(dimensional tolerance)
大部分的塑料成形品皆能维持相当紧密之尺寸公差,除了高收缩性的材料之外如PE,PP,Nylon,POM,EVA及软质PVC,其收缩率达到2%至3%,而一般热塑性制品的商业许可公差为±0.5%。所以对于这些高收缩性材料必须指定较大之容许公差方行,因为其尺寸公差很难藉模具设计予以补救。
产品设计者在选定尺寸公差时要考虑使用之塑料材料、产品形状及将来之使用条件等。随着公差的严格要求,其制造加工精度与模具价格亦相对提高,所以产品设计者于图面上记入公差时,要审慎的设定适用于此公差的使用条件。因此,产品设计者所设定之总公差应该包含了使用条件和环
境条件下的尺寸变化。
塑料成形品除了尺寸公差以外,对于一些精密成形更须考虑形状公差,因为浇口的种类和位置或是模具温度调节系统之决定,皆须根据这些数据来设计之。
●2-4 模具设计
适切的射出成型模具设计乃为制造成功的塑料产品的先决条件。因为模具设计的好坏不仅影响到产品之品质,产能,操作难易,更直接关系到整个成本结构。所以,以下我们将就模具各个重要构造,予以探讨。
●2-4-1 浇道衬套及其拉出机构(sprue bushings & sprue pullers)
浇道衬套乃连接射出成型机的喷嘴及模具的流道系统之机构。理想的浇道应该愈短愈好以减少材料的浪费及缩短成型周期。为了确保浇道与衬套能够完全分离,衬套内部必须非常光滑及予以弧度化,并且使用有效性的拉出机构,如图2-23为常见的浇道(冷料)拉出机构之三种设计:
 
(a) 沟槽型:此乃在浇道的侧壁开设几个沟槽,以便塑料冷凝时,能留住冷料。此结构中亦采用浇道顶杆将冷料从冷料井中顶出,此时浇道顶杆直接切过槽里之塑料,使之仍留在槽沟里,在下一次注射周期里,注入之熔融塑料又与槽沟内之冷料融合在一起。
(b) 倒锥型:倒锥面之冷料井是最简单之浇道拉出设计。其锥型冷料井之小端朝注口套,大端则顺冷料之拉出方向构成凹槽。浇道顶杆,其结构与顶出机构的顶杆相同,位于冷料井之后方,以便在进行顶出时,冷料井之冷料与注口和流道的冷料一起被顶出。
(c) Z型:此结构中,浇道顶杆之头部被加工成Z型状,在模具打开时能把冷料钩住,随顶出行程而向前移动再把尾料顶出。
●2-4-2 传统之模具(conventional molds)
●2-4-2-1 流道(runner)之形状

流道是传动塑料从浇道到浇口的系统。流道应该具有最大之横切面积及最小的周长,亦即具高的体积对表面积比,或截面积对圆周长比值。如此的流道方可使热散失,压力降的变化减到最少及预防塑料在流道内过早固化。所以圆形与正方形截面之流道结构最好,而半圆形和梯形的截面则稍差,六角形则介于其中间,如图2-24所示。
 
(a) 圆形流道:此为最具效益性的流道,但成本也最高,因为流道须被切成两半,各在模子的一方,精确度之要求非常高。
(b) 梯形流道:由于正方形截面之流道非常难脱模,所以将两面倾斜2~5度而成梯形流道,此流道较便宜而仍能发挥有效的塑流传送,通常将其深度与梯形底部之长相等,以保有最大之体积对表面积比。
(c) 半圆形流道:此种流道通常不建议采用,因为其体积对表面积之比值最小。只有对于复杂分型面之模具而言,因为模具之两边准确对准有困难,方采用之。
(d) 六角形流道:它是由在分型面上,连接两个梯形而成。由模具制造者之观点来看:由于比构成圆形流动的两个半圆边配合要容易,其特别适用于直径小于1/8英吋的流道。
由于塑流经过流道时与模穴的冷表面接触,塑料温度会迅速降低而逐渐凝固,如此外围便起了绝热作用而保持了流道内中心部分塑料的高温。所以浇口位于流道中心在线的全圆形流道和六角形流道,对射出成形而言,最具效益性。但在多层模具里,由于机械之顶出较为困难,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

在决定流道之尺寸时,应考虑下列这些因素如:塑件之体积、壁厚与流动长度、流道之长度及冷却,机台的容量能力,浇口大小及成形周期等。由于流道之横截面积应大到足以让熔融塑料在流道内凝固定之前进入模穴,并可进行保压以补偿塑料之收缩。一般而言,流道之直径在0.1875至0.375英吋(10mm)之间。除了硬质PVC与丙烯酸类塑料例外,可用到直径达13mm的流道,因为其黏度较高。但流道之横截面积也不应该太大,以免增长了成形周期。所以,在理论上,主流道的横截面积应该等于或超过支流道横截面积之总和,可达流道尺寸之最适化。现在,我们也可以利用计算机模具塑流仿真分析的方法算得最佳的流道尺寸。
总之,流道须大到能够使压力流失减到最少,小到使塑料产生剪切热以助其流动。在这两者间求得一折衷。
●2-4-2-3 流道之布局(runner layout)

流道之布局取决于以下几个因素:模穴数,塑物的形状,模具为双板式模具抑是多层模具,浇口之类型。
在设计流道布置时,流道之长度应尽可能的短以减少压力损失并且流道系统应是平衡的,即充填各模穴之时间与压力必须相同,如图2-25所示。
 
当然并非所有的多模穴都具相同之大小,我们可层次性的改变流通直径,及改变浇口大小来达成上述之要求。
一般之单穴型模具,由于塑料直接由浇口进入模穴,因此无需设置流道系统,但为了防止塑物之表面有注口痕迹,可采用如图2-26所示之短流道,但模穴本身必须偏置。这样做对大型模穴而言会发生问题。因为注射压力会产生一个不平衡之力而使塑物带毛边(flash)。
 
若为设计双模穴模子如图2-27所示:流道可取两模穴之间的最短距离如图(a),但由于浇口的最适位置不一定总是在模具的中心在线,此时可用T字型流道如图(b),流道伸出模穴之一端,然后用短的支流道再与浇口相连;或采用S型流道如图(c),此时无须设置的支流道,S型流道本身即可接至两模穴的浇口。
 
其它三穴型,四穴型以至多穴型模穴都是以上述类似之方法尽可能的达到平衡各模穴时间与压力的要求。
●2-4-2-4 冷料井(cold slug wells)

在所有流道之交界处,主流道至少须超过支流道一个直径距离以上,如图2-28所示而成一冷料井。它可以让熔融塑流前端冷的、高黏度的高分子停留于此,使后方热的、低黏度的高分子易于进入模穴内。所以冷料井能够防止冷料进入模穴而影响最后之产品性质。
 
●2-4-3 无浇道模具(runnerless molds)
无浇道模与传统模具之最大不同处在于前者延伸了熔融料筒及喷嘴(nozzle)的功能而保有与料筒内塑流相近之温度和黏度。通常使用无浇道模具的树脂必须对温度不敏感,在低温时也容易流动及热变形温度高,以利塑品能从模具内迅速顶出,还有为了能将树脂迅速除热,热传导率宜高。无浇道模具一般可分为绝热浇道及热浇道。
●2-4-3-1 绝热浇道(insulated runner)

与传统之模如图2-29比较,绝热浇道如图2-30所示,能让熔融塑流流入浇道,然后冷却,于浇道之内壁形成一固态塑料绝缘层。此绝缘层会减少浇道之直径并使熔融塑料保持固定之温度,以等待下一次之成型。
 
绝热浇道系统必须设计成其体积不超过模穴之体积。因为浇道内之所有熔融高分子,于每次成型时,皆会被完全射入模穴,若浇道过大会使绝缘层过厚造成熔融温度降差太大。
绝热浇道之好处在于:
‧ 各流通平衡的须要没有那么重要。
‧ 减少材料之受剪切力。
‧ 成形后的塑品具较一致性的体积。
‧ 较短之成形周期。
‧ 减少浇道之废料。
‧ 增进塑品的外观。
‧ 减少模具的磨耗。
相对的其坏处为:
‧ 较复杂的模具设计及高成本。
‧ 稳定的开始步骤较难掌握。
‧ 可能会造成熔融高分子之热裂解。
‧ 换颜色较为困难。
‧ 维护成本较高。
所以基本上,我们并不赞成用绝热浇道,如果真要用无浇道系统的话,下节所谈的热浇道系统,将是较好之选择。
●2-4-3-2 热浇道(hot runners)

特别是对大型及多模穴之模具,热浇道如图2-31所示为最好之选择,其好处有如绝缘浇道,却无冗长的稳定开始步骤。当然无可避免的,其设计较复杂,制造不易且成本极高,因为它须要装置热分流管并平衡分流管所供给之热,还有要使塑流的停滞现象减至最低。.
 
热分流管之功能犹如喷嘴之延伸,维持从喷嘴到浇口这一段有所须之固定温度。由于高温之关系,要注意模之热膨胀效应及分流管与浇口是否稳当连接。
●2-4-4 浇口(gates)

浇口是一个连接流道(浇道)及模穴的孔或信道,它必须小到能让流道与塑物很容易的分离却又须大到能够避免塑流过早凝结造成填充不足。一般设计浇口之大小,是由小渐大直到能够填充完全,但最小的浇口其直径不得小于0.03英吋且不得超过流道或浇道之直径。通常浇口之大小为塑件
壁厚之一半。

●2-4-4-1 浇口之位置

浇口之位置与最终产品之性质关系甚巨如以下所列:
1. 外观:残留之浇口痕通常不可避免,所以尽量让其位于较不明显之处。
2. 应力:切勿将浇口设于近高应力区,因为浇口本身之附近会产生残留应力且浇口造成之粗糙表面容易导致应力集中。
3. 压力:将浇口设于塑物之较厚部位以保证充填完美并能避免凹陷及包气的产生。
4. 分子方向性(orientation):高度的轴分子方向性会造成塑物只具单方向之强度。所以调整浇口之位置,让塑流进入模穴后能辐射似的流动。
5. 缝合线:通常将浇口位于能使流动到模穴各部位之长度一定如图2-32(c)所示。图(b)则为侧浇口所造成之缝合线。而图(a)由于有插入物之关系,缝合线更为严重,解决方法为将浇口设近于插入物处,使之产生较大之涡流以减轻缝合线。
 
6. 充填(filling):将浇口设于壁之对端,重迭式进料以增加涡流来消除流痕及浇口附近之毛边如图2-33所示。
 
总之,浇口最理想之位置是能使熔融塑料均匀的进入模穴且把模穴的各个部位同时填满。
●2-4-4-2 浇口之种类

选择最好之浇口类型,其重要性犹如浇口之位置与大小。图2-34为各种不同之浇口图。
 
(a) 浇道浇口(sprue gate):此为经由浇道衬套或直接制造于模穴中之锥形孔。通常用于单模穴模具或是须要对称性流动之模具,其优点为材料之受剪应力及压力损失较低,材料温度较均匀;缺点则为须要后加工以消除明显之断痕。
(b) 边缘浇口(side or edge gate):此种浇口适用于双层板之多模穴模具及较厚部位的塑物。其优点为浇口之横断面较简单,易于加工,浇口之尺寸较精确且易于修改;缺点则为浇口冷却去掉后,痕迹仍然明显。
(c) 点状浇口(pin gate):此种浇口通常用来取代边缘浇口以减少后加工之处理。常应用于三板式、模底注料模具,就是在凹模板后再设有一块板以装置流道系统,点状浇口再直接地或通过分浇口以把模穴和流道连接在一起。其限制为它只适用于较薄之塑件。
(d) 边缘点状浇口:犹如点状浇口,它只适用于较薄之塑件。其优点为将浇道与成形件分开,有较不明显之断痕,缺点则为较大之压力损失,经由局部过热有损成形材料之性质。
(e) 耳式浇口(tab gate):在模穴之一侧设置耳槽,然后在耳槽上设一个普通的矩形边缘浇口。由于熔料进入模穴前必须先拐90°的弯,防止了直接进料所产生之喷射,因此塑料能平稳均匀的填满模穴。
(f) 膜状浇口(diaphragm gate):用于单模穴模具且塑物为环形具较小内部直径的。其优点为较少之残留应力,缺点则为须要之射出材料较多,后加工较为困难。
(g) 内环形浇口(internal ring gate):犹如膜状浇口般适用于制造环形物之单模穴模具,但塑物是具较大内部直径的。
(h) 外环形浇口(external ring gate):用于多模穴模具之环形物制造。
(i) 潜伏式浇口(submarine gate):它是一种圆形或椭圆形浇口,潜伏在分模面之下向模穴供料,其优点为:
* 模穴设在一块模皮里,不存在配合之问题且可得较精确之尺寸。
@ 不受浇口冷却封闭时间的影响而能直接控制充满模穴的时间。
# 在顶出时,浇口尾料和塑件可被自动切断。
2-4-5 排气(vents)

当模具充满塑料后,所有之内部空气必须排掉,否则模穴内被压缩之空气会产生热而将塑品烧焦。排气可位于分模线上任何一处,特别是在模穴内最后填满的地方,如图2-35所示。
 
对于未显现的肋及浮凸物,排气可在顶出轴方向上磨一小平块而设立。排气装置是由浅、小而渐大,但如果太大会造成塑物在排气口有毛边现象。对于热塑性塑料,射出成型之排气装置其尺寸规格通常如图2-36所示。
 
●2-4-6 顶出机构(ejection mechanisms)

一个良好之顶出机构设计不仅能不损坏塑品,节省人力,更能节省成本。以下各项为设计顶出机构所须考虑之因素:
‧ 塑品之形状及壁厚。
‧ 所用材料为何。
‧ 塑品体积多大。
‧ 与分模线之相对位置。
顶针的形状可为标准的平头顶针、刀切型顶针,阀形顶针,或分段层次型顶针。其位置最好于塑物形状有大变化之地方如边角,肋或浮凸物等,因为这些地方较易卡在模具内。
要有效的顶出塑物,设计者必须算出所须要的顶出面积及力量。如果面积不够的话,塑物表面会遭破坏,以下是计算所须顶出力量的方程式(2-1)。
P=St‧E‧A‧u D[(D/2T)-(D/4T‧Y)] (2-1)
P=所须之顶出力量(lbs)
E=弹性模数(elastic modulus)(psi)
A=顶到塑品之面积(in2)
u=塑品与钢之磨擦系数
D=围绕公模芯塑面之圆周长(in)
T=塑品之壁厚(in)
Y=塑品之蒲松比(poisson ratio)
St=热膨胀系数×ΔT(in)
ΔT=热变形温度(HDT)-顶出时之温度
●2-4-7 冷 却

冷却模具的目的在于使刚成形之塑品能够迅速移去热量以被顶出模穴外。冷却的方法是在模壁内制造信道以进行热交换,所用之冷却液有水,冰水,水加抗冻剂及油类等四种。对于一些有几何限制上之制品,由于直接钻挖之冷却道,有时并不足以能完全达到冷却之作用,此时我们可在冷却
系统上装设如图2-37之辅助装置。
 
(a) 挡板(baffle):于冷却道上插入一平板使冷却液由板之一边进,再由另一边出,造成对流以移走热量。
(b) 喷泉管(bubbler):于冷却道上插入一环状管,冷却液由内管进入直冲外管再回到冷却道上,产生如喷泉般的效应以增加涡流。因为涡流一般可比层流多3~5倍的热交换。
(c) 热管(heat pipe):于冷却道上插入一密闭的封管,一端于冷却在线是为冷凝器,另一端位于须要被冷却的区域上是为蒸发器。封管内为作对流媒介的水,氨,甲烷或甲醇等,经由管内之蕊作热交换。
上列三种装置对于防止冷却不良而产生之热点(hot-spots)极具效益,并能减少成形周期。一般而言,一个好的冷却设计是不让冷却液温度上升超过5℉的。
模具的材质影响到冷却之效果甚巨,常用的模具材料有
‧ P20钢
‧ H13钢
‧ P6钢
‧ S7钢
‧ 铍铜合金
‧ 铝
‧ 420不锈钢 
‧ 414不锈钢
铍铜合金之热传导两倍于碳化钢,四倍于不锈钢,但这并不表示其成形周期四倍少于不锈钢。一般而言,铍铜合金对于薄肉厚的制品最具功效,H13适于须高温成型的制品,S7极耐冲撞但不耐磨耗,P型钢则特别为塑料成型所设计,不锈钢则极具耐侵蚀性但热传导性不佳。
●2-5 组装设计(Assembly desigh)

由于塑料材料之多变化性,遂使得组装塑料零件的方法五花八门,一般大概可分为机械组装,溶剂组装,黏着剂组装及焊接组装等四种。表2-5为一般常用材料其各种组装法好坏之比较。
 
●2-5-1 机械组装(mechanical assembly)

以机械性的方法来连接塑料品是组装中最基本的方法,部份原因是因此方法在金属工业上已使用经年。机械组装基本上可分为接合法(fits)及扣接法(fasteners),其好处为成本低,可重复使用,接装速度快且效果良好。但质软易变形的材料加LDPE及硬而脆的材料皆不适宜用扣接法。接合法一般可分为迫紧法(snap-fits)、压紧法(press-fits)及打桩法(staking),扣接法则有具螺纹之螺丝(screw)、螺丝加螺帽(nut)与夹箍(clips)、铆接(riviting)等。
●2-5-1-1 迫紧法

迫紧法为一简单,快速及具高效性的方法,它能应用于任何材料之连接。一个好的迫紧设计将不会承受负载,所以其扣合力量不会随时间而减少或因震动的影响而松弛。最常见的迫紧法为悬桁式如图2-38所示。PC材料最适宜用此方法,因其具低的模子收缩度,高抗蠕变及整体的尺寸安定性。
 
对一具定横切矩形面积的悬桁梁,其可容许之歪斜量计算如下:
y=2 3×εl2 h (2-2)
其中: y=最大之歪斜量
ε=最大之变形率
l=梁之长度
h=梁之厚度
从模具顶出时或是在组装时,歪斜量部不应该超出其最大值而损其结构。若欲增加其可容许之歪斜量,最好之方法是增加梁之长度或减少其厚度。可容许之歪斜量亦与可容许之变形量(ε)息息相关。一般而言,一个简单的迫紧装置,其可容许之变形量为4%,若此装置常须组合与拆却,则
变形量应为其之60%即2.4%。
式2-3为弯曲悬桁而达倾斜量y所须横轴歪斜力P之计算方式:
P=B‧h2 6×Es‧ε l (2-3)
其中: Es=正割模数(secant modulus),其定义如图2-39所示。
 
ε=变形量
B=宽度
h=厚度
l=梁之长度
为了组合迫紧装置,必须克服歪斜力(P)及摩擦力(μ),因此于梁底部经由导角可算得组合力(w)如式2-4。
w=P(μ+tanα 1-μtanα) (2-4)
其中: w=组合力
P=歪斜力
μ=摩擦系数(如表2-6所示)
α=导角
而〔μ+tanα 1-μtanα〕可直接从图2-40得知。
 
当设计分别的接合处时,拆卸力之计算方法犹如式2-3一样,只是将回角(α)取代导角(α1)如图2-41所示。
 
角度愈小,愈容易组合与拆卸,当角度近于90°时,此装置愈有自动扣锁之趋势。
欲增加悬桁之最大容许歪斜量,有一个好方法就是从梁底部到钩钩处,将其厚度(h)或宽度(b)慢慢变小即锥度化(taper)。如此,可使应力之分布更平均及节省材料。例如,将梁厚度锥化成原来之一半,其它变量保持不变,则其最大歪斜容许量可超过原来均匀厚度梁之60%。
将梁之厚度或宽度斜度化,式(2-1)将变成如式(2-5):
y=1.09K‧εl2 h (2-5)
其中K为比例常数,可从图2-42,图2-43中查得。
 
●2-5-1-2 压紧法
压紧法是最简单的接合方法,不仅快速且成本低,但却往往最易出问题。设计压紧装置时,一定要确保支撑力能够大到足以组合而又不会造成应力过分的集中,其影响因素有三:
1. 压紧设计须要紧密的制造公差。
2. 所用材料之硬度与韧度。
3. 随着时间的增长,所造成塑品的蠕变及应力松弛。
当用压紧法接合两坚硬材质时,如下例及图2-44所示,一定要将两材料之互相影响度(interference)减到最小,以保接合应力在可容许之范围内。
 
【例】一钢铁杆压紧于一PC毂力,我们必须定出最大的铁杆直径及最小的毂内径,以免围绕应力(hoop stress)超过应用PC时所容许之应力范围。决定PC的直径影响度可由图2-45求出。
 
杆直径 毂外径=0.250" 0500"=0.5
代入图2-45,可得
影响度=8 mils 杆直径 in
∴直径影响度=0.008×0.250=0.002in
因此,毂内径应为0.250-0.002=0.248in
毂壁厚为(0.50.248)/2=0.126in
方是理想的压紧设计
另外一个影响压紧设计的重要因素为材料之蠕变与庄应力松弛,消除此现象之发生可在杆上刻以纹路,当组合后,塑料随着时间之增长会冷流至刻纹上而仍保有相当的接合力。上述之法,对高硬度之材料较为无效,对较软质材料如PE,PP则极具功效。
●2-5-1-3 扣接法
●1. 螺 钉
螺钉系指与螺纹孔组合,但无螺帽的小螺杆。螺钉头有圆头及平头两种,均有沟槽以利起子的旋转安装,可称为自攻式螺钉(self-tapping screw),其有两种类型:一为成形螺纹式(thread-forming screw),另一为切削螺纹式(thread-cutting screw)如图2-46所示。
 
成型螺纹钉一般用于热塑性塑料,而热固性塑料因为较脆,用成形螺纹钉会导致其变形,所以须用具切构的切削螺纹式螺钉。图2-47为一般在设计浮凸物与自攻式螺钉时所须之规格。
 
‧ 浮凸物之内径(d)应小于螺钉螺纹之直径。
‧ 浮凸物之外径应为螺钉直径(D)之2到2.5倍。
‧ 不管浮凸物是全穿孔或半穿孔,都会在安装时造成充分的熔流,所以半穿孔底下之厚度应该与壁厚相等。
●2. 螺钉附螺帽(nut)或夹箍(clips)
穿过塑品之螺钉能够藉由螺帽或夹箍加以固定之。此法可以应用至复杂物之组装而且不会因对塑品产生扭矩而造成影响。要注意当设计连接两塑品时,由于空隙之减少,使得原来之拉伸负荷变为压缩负荷,而减少拉伸应力会造成破坏,所以留些空间以克服此问题是必要的,如图2-48所示。.
 
另外当组合用于轻负荷时,可用快速螺母如图2-49所示,以节省时间与成本。其只须使用极小之转矩即可锁紧,常被应用于防震之组合对象上。
 
若螺母无法直接固定于其它对象上时,则可用如图2-50所示之地脚螺母(anchor nut)。
 
●3. 埋入螺纹(molded-in threads)
在成形时可预埋入螺纹件而达固定,虽然成形周期会延长且有时会损伤模具,但所节省的二次加工却是其吸引人之处。埋入件在成形后不可脱落或偏移,所以埋入件之热膨胀系数最好与塑料材料相近,如铝与聚碳酸酯(PC)。若两者相差太多,则埋入件最好增大肉厚以达补强之效果,如图
2-51所示。
 
●4. 铆钉(rivet)
利用铆钉组合塑件为一种有效且低成本的方法。一般可分为下列几种类型如图2-52所示。
.
须注意铆钉孔之位置至少须离塑物边缘有三倍于铆钉直径的距离。另外如图2-53所示,掣子(clinch)之裕度至少须为铆钉直径的6 10或7 10。因为若过短,其负荷力会减弱;而若过多,则将造成铆钉之弯折。
 
2-5-2 溶剂接着(solvent bonding)

溶剂接着法乃用来连接同性质之非结晶性塑料,其方法为溶剂对两接合面先行侵蚀溶解,再将两接合面压紧直到溶剂蒸发后,便完成黏接。若两接合物表面靠得不是很紧密,或接触良好但有间隙时,则须在溶液接合物使用前,先溶入适量之母体树脂再予以使用。这些接着法所用之溶剂因树
脂之种类而异,如表2-7。
 
通常溶剂型之接着,其强度较差。因为接触面系因溶剂的蒸发作用而达成,常产生收缩应力或瑕疵。
●2-5-3 黏着剂接着(adhesive bonding)

黏着剂是用来黏贴接合物表面的一种物质,依接着性质不同之树脂,塑料-金属,木材等时,各有适当之接着剂如下:
1. 橡胶系接着剂
常用于接着极性低之塑料、金属、橡胶、木材等。最适于接着苯乙烯系树脂。
2. 环气系接着剂
主要用于接着各种热硬化性树脂或接着塑料-金属,玻璃、木材等。环氧系接着剂在性质上适于黏合硬质而厚肉之材料,一般分为主剂与硬化剂两液型,两剂混合后,由于在常温接着时之硬化时间颇长,故通常于60~100℃加热数小时,以缩短硬化时间,增大接着力。环氧树脂的黏接层强
度与其厚度无关,故除了作接着剂外,亦可作为气泡填充物用。
3. 其它型之接着剂
除了上述之外,另有乙烯基系,聚酯系, 酯系及异氰酸盐系等。另外如PE,PP,PTFE等树脂,由于化学安定性优,不容易直接接着,可用溶剂清拭后,以硫酸或重铬酸盐溶液作预备处理,再用橡胶系接着剂或环氧系接着剂等接着,但其接着力仍非很令人满意。
●2-5-4 焊接组装(welding assembly)

焊接组合可分为熔接(welding)与缝接(sealing)两种。熔接系为断面较厚塑件之焊接,而缝接是为塑料膜与片之缝合。因为热塑性塑料可加热软化,所以将用于金属材料之气焰焊接技术稍加修正,即可使用之,如气焰枪,其方法为使用来自焊枪之空气或氮气火焰,加热塑物要熔接之边缘部份,并以同一塑料的押出塑料棒作为接着材料。一般而言,塑料材料之焊接速率较金属材料之焊接为慢,约为每分钟1至2.5吋。塑料焊条之标准直径共有1 16,3 32,1 8,5 32及3 16吋五种,各种形状皆有,其中三角形断面焊条最适于V形槽之单焊道焊接。焊接接头之型式依焊接物搭接之方式而定,常见之有6种如图2-54所示。
 
●2-5-4-1 熔接法 又可分为下列几种

1. 触热熔接法:乃将欲速接之两条合物表面与已加热之金属表面接触,当接合表面充分软化后,迅速的轻度施以压力而接合之。一般加热工具之表面常覆以铁弗龙镀层,使热塑性塑料在接触加热时,不致于黏附在加热工具上。
2. 旋转熔接法:此乃一塑件在旋转后与另一塑件磨擦产生热量,稍加压力后,热量使得接头处熔化而连接成一体,此法最适于中空圆状或实体塑料棒之对头焊接,如图2-55所示:
 
3. 热线熔接法:乃在两热塑性塑料件之间,置入高电阻线如镍铬线,接通电流,热量软化接合面表层后,施以压力,即可将两塑件连接。若我们欲得更强之接着,可把电阻线绕成如图2-56所示之曲形,以增大熔融之接触面积。
 
4. 超音波熔接法:使用之音波频率至少2万周/秒,利用振动产生热量来熔化连接之。振动用之工具,一般称之为尖角(horn),其材料为钛,有楔形或圆锥形两种,将之与欲焊接之塑件抵紧,而尖角尖必须与焊接零件之外形相同。有些热塑性胶无法用超音波熔接法,如乙烯族类(vinyls)与各种纤维素塑料。超音波熔接之时间,依各类塑料之熔点高低而定,熔点愈高,时间愈长。
图2-57为利用超音波熔接法所适用之接头例子,须注意三角形之能量导块(energy director),须能够产生足够之热能并平均分布在接合面上而成为连接头。
 

●2-5-4-2 缝接法
1. 热缝合:用于热塑性塑料薄膜之接合,应用在包装工业上非常重要。其缝合形式约有四种如图2-58所示。
 
重迭缝合主要被用于连接两片宽大之塑料薄膜,尤其是须要接头高强度但不重外观时。阶梯式缝合则可得立体之装饰效果,阶梯愈多,效果愈佳。易撕式缝合是为了便于在塑料包装之减缩面处撕裂,常用于超市之食品包装。
2. 介电质缝合法(dielectric sealing):其法为将欲缝合之塑件置于两电极或缝合棒间,做为一个介电质,然后传递高周波电流至塑件上以产生足够之缝合压力。要注意的是,并非所有的热塑性塑料皆可用此法缝接,如PE,PP,PS,PC与铁弗龙等因不具适当之电性质,好比介电常数与损失因子,故不适用于此法。
因介电质缝合法能在接头范围内,均匀且快速的产生热量,并且不会在接合面上产生过热现象。所以,此法特别适用于对热量敏感性材料之连接。
 

 
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