塑胶产品的设计要点.doc

塑膠產品設計要點塑膠產品之好壞與材料選擇及加工方式之迥異而有極大之關係。對於任何欲製之塑品，其步驟為先決定何種材料能夠達到其所須之物性，再來則為選擇最適切與最經濟的加工方式，最後則視產量之多寡而決定設備。1-1塑膠材料之選擇在大約探討了塑膠材料的基本物性，以下將做更深入的分析。下面所列之各表乃是依據標準方法製成試片所測得之數據，與實際生產所製出的成品性質仍有相當大之差距，但做為不同等級材料性質之比較已足矣。下表1-1為一般常見塑料機械性質之比較。表1-2則為塑料拉伸強度之範圍，表1-3為抗衝擊強度之範圍。表1-4及表1-5，則為塑料之其他性質。參考以上各表，即大約可知塑品用何種材料可達到其用途之所須性質要求。一般而言加了玻纖後，可增加拉伸力、減少拉伸量、抗磨耗力降低、撓曲力增高、熱變形溫度增加、熱膨脹降低及較不透明，而耐衝擊力則不一定。但是硬度（除非高填充）、電氣性質、抗化學性及抗天候性則甚無影響。表1-6則為一般材料之機械性質之定性趨勢表。若是依各種用途來分，所使用之塑料大概可列表如1-7所示。1-2塑膠加工方式之選擇塑膠之加工方式五花八門，隨著材料及成品而有極大之差異。以下對一般常見的加工方式，作一番簡介：1. 射出成形(injection molding)在所有之塑膠加工成形方法上，射出成形最為被廣泛使用。其法為熱塑性塑膠或熱固性塑膠導入於射出成形機的加熱筒中，俟其完全熔融後，藉由柱塞或螺桿之壓力，產生熱能及摩擦熱能，將其注入於閉合模具之模穴中，固化後，再開啟模具取出成品。此種加工技術因材料、機械設計及製品要求而衍生出其他之方法，如預嵌入金屬零件之插件成形、多色及混色的射出成形，結構發泡的射出成形、氣體輔助射出成形(gas assisted injection molding)、共射出成形(coinjection)、射出中空成形及利用液態單體或液態預聚合物為原料之反應射出成形(RIM)等方法。2. 押出加工(extrusion)將熱塑性材料於押出機中加熱、加壓，再用螺桿予以押出，押出品之斷面形狀依模頭而定，可為棒狀、管狀、平版狀、異形狀等等。其他如吹膜押出、押出中空成形、壓延加工，押出塗裝及混煉切粒等皆在前半段應用押出機，現今流行的趨勢是共押出加工(coextrusion)，製成多層高功能的製品。3. 壓縮成形(compression molding)此為熱固性塑膠成形法之一種，先將熱固性樹脂預熱後，置於開放的模穴內，閉模後施以熱及壓力，直至材料硬化為止。酚醛樹脂，美耐皿樹脂及尿素甲醛等樹脂常用此法成形，所製之成品為：家電製品外殼、零件、齒輪、傢俱餐具等。4. 中空成形(blow molding)其法為先將熱塑性塑膠由押出機之模頭押出，使成為薄管，此稱為型胚(parison)，再閉合模具，吹氣而後成形。此法之應用已愈來愈廣泛，如汽車業，所用之材料也由傳統之PE、PP、PVC、PET等，走向高性能的工程塑膠。其優點為製造大形品方便及一次成形，缺點則為塑品之各部份肉厚不易控制。5. 迴轉成形(rotational molding)將常溫粉狀或液狀之成形材料注入於迴轉模具中，利用加熱及離心力使樹脂均勻佈滿於模壁面，冷卻後即可得中空之成形品。此法最適當做大型物品之成形，缺點則為肉厚較難控制。6. 吹膜押出(blown film estursion)一般製造薄膜之方式有二：(a)T模法(T-die method)。(b)環模法(ring-die method)。(a) T模法為平膜押出，製成之薄膜厚度較環模法製造的來的均勻。由於引取方向之拉力較大，使得縱向強度較橫向強度大的多，故很多已用雙軸延伸的方法來製膜。(b) 吹膜押出是採用環模法的操作方式，押出之熔膠經環形模，用空氣吹成管膜，再予冷卻即成膠膜。聚烯烴類之塑料常以此法製造各種垃圾袋，收縮膜及食品包裝膜等。現在之高級包裝膜則為利用共押出之方法來製造多層膜。7. 熱成形(thermoforming)此法為將熱塑性塑膠板加熱軟化後，用真空、空氣或套合之金屬予以加壓成形。其強度與塑板之厚度有關，產生之製品須經裁剪，多餘的邊料再予以回收。8. 押出塗裝與積層(extrusion coating & lamination)其法為用押出機將熱塑性塑膠熔化押出，經過T形模頭後形成淋幕，然後塗佈於連續移動的板狀或膜狀基材上，常用於日用品及食品之包裝。9. 轉移成形(transfer molding)為用於熱固性塑膠的成形法，塑膠料先於加熱室（轉移室）內加熱軟化，然後藉由轉移衝柱之高壓，迫使熔融材料穿過流道及澆口進入模穴中進行硬化反應。此法非常適合於有金屬插件時之情形且成形品精密度比壓縮成形高者，但模具設計則較複雜且成品之機械強度較低。10. 鑄塑成形(casting)此法為將液狀樹脂配合硬化劑後，注入至開口之模具中，使其流至模具表面，在常壓下使其乾燥完成聚合反應的成形法；或者是將液狀樹脂塗佈於移動之皮帶上，或是在化學溶液中沉澱之，以獲得塑膠薄膜的方法。11. 輪輾塗裝(calender coating)利用滾輪表面之熱，使熔融塑料塗佈於布、皮或紙上的加工方法，PVC皮布是最常被輪輾加工之產品。12. 粉末塗裝(powder coating)此法是在被塗物上放置粉末，然後加熱使粉末熔融的連續塗佈法，可分為下列三種方式：(a) 焰噴法：將塑膠粉末以丙烷或乙炔燃料氣之火焰噴射，再熔化附著於受質體表面。(b) 靜電塗裝：為利用靜電將塑膠粉末附著於受質體表面，再加熱使之熔解。(c) 流動浸漬塗裝：將塑膠粉末在流動床中浮動，再浸入加熱過的金屬物體，使熔著一層塑膠覆膜。一般我們常用之塑膠粉末為PE、PP、PVC、Nylon及Epoxy等。13. 發泡加工(foaming)發泡材料為含有氣泡之材料，其假比重較實質密度為低。依發泡法之分類有：常壓加熱法、加壓發泡法、押出發泡法、射出發泡法、二液混合法及二段發泡法等。一般押出發泡法所用之模頭可分為T形模及環形模，後者常被用於聚苯乙烯發泡板，但如果是厚度大於5mm，則須使用T形模頭來發泡。常見之發泡材有PE、PP、PS、PVC、CPE、ABS及PC等。結構發泡之設計，在本書第六章會另做詳細說明。14. 拉擠成形(pultrusion)此加工方式是玻纖補強產品產生的一種，藉由加熱模頭，連續式的拉出經過補強及硬化的樹脂，而後成形。其實一個最佳的塑膠加工方式之選擇，主要之決定在於材料之種類、產品之外形，產量之多寡及最重要的成本效益。而往往一個同樣之產品，可經由各種不同之加工方式而產生，如表1-8所示。至於常用的塑膠加工方法與所選擇的熱固性及熱塑性材料則可藉表1-9，做個比較參考。 若產品之形狀較為複雜及須要做內部之加工，則加工方式之選擇可參考表1-10。至於各加工方式、成本及產率之關係，可參考表1-11。2-1 通 論產品設計是利用材料，經設計成為新創的外形或結構，以製成指定作用或目的的產品。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慣與身份。3. 在外型上：要能合乎簡單的製造原則並滿足使用者的喜好。4. 材料應用與加工方法上：要合乎經濟與合理的原則，並能求得最適化而降低成本。即任何一新產品，從構思到生產，對一公司而言，其考量前題為以下所列各項：將來性：公司未來發展領域的配合，成長性。 技術性：與該公司現有技術之關係，原料設備獲得之難易及技術上成功的可能性。 領先性：是否可申請或抵觸專利及製品是否具獨特性。 銷售可能性：產品的展望，推出市場之難易，銷售網的建立及有無商品特徵等可能性。 經濟性：研究經費人員的多寡，開發期間的長短，設備投資額之獲得及獲利率的大小。其他如材料之選擇、加工方式、模具的設計、二次加工方式及安全規範、法令等，皆須詳加考慮。通常塑膠新製品產生的方式可分為三種：1. 再設計(redesign)：就是將現有產品的部分，做一些改變或修飾，使成為更具價值與流行的新產品。現今市場上約莫80，屬於此類。2. 組合(combination)：結合兩種以上不同功能，發展而成之新製品。例如PC製成的潛水鏡再貼上防霧膜，而成為價值更高的新產品。此類新產品約佔10。3. 創新(innovation)：剩下的10即為發明前所未有之新製品，此類產品由於須花費較長的時間在宣傳及消費者的接受性上，所以通常這方面之設計比例較低。塑膠產品設計者與其他設計者最大的不同是，前者必須詳加考慮塑膠之各種物性，尤其是環境變化對物性之影響及在長時間負載下對產品之影響。通常，塑膠之物性數據是在實驗室的環境下，依照美國標準測試方法(ASTM)而測得。而所設計的塑膠產品並不會正如測試樣品在同樣條件下成形或被加應力。其他如：肉厚及形狀。所加負載之速率及時間長短。玻纖之排列方向。縫合線。表面缺陷。成形參數。以上這些；都會影響到塑膠產品之強度及韌性。設計者亦須考慮到溫度，濕度，陽光（紫外線），化學藥劑等之影響。所以了解其產品的最終目的而探討相關的物性是非常重要的。下表2-1為一標準的設計檢查表(design check list)。2-2原型之設計為了能將實物從設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並修正。最好的方法是儘可能的將原型與將商品化製造的加工方式相近。大部份的工程塑膠產品是由射出成型所製出，所以原模必須為一單模穴原型模具所製得。以下將討論各種製造原型之方法及其優缺點。2-2-1機械加工圓桿或平板、塊法(machining from rod or slab stock)此法是當所允許的設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，我們可將其經機械加工而得。這樣不僅能幫助發展至固定的設計，亦能做為有限度的測試結果條件；但千萬不能將其做為最後商品化的標準，其原因如下：其物性如強度，韌性及伸長量可能會小於真正的成形品，因為機械加工會在原模上留下痕跡。強度及韌性可能會高於成形品，因為圓桿或平板塊具較高的結晶度。若是加了玻纖的產品，則玻纖的方向性影響會誤導了結果。成形品的特性如頂出針痕，澆口痕及不定形的表面結構將不會出現在原型上。無法探討縫合線及接合線之影響。由於內應力之不同，尺寸穩定性會被誤導。在圓桿或平板，塊的中間常有包氣現象，以致減少了其強度。同理在成形品的較厚肉處亦有此現象，而無法做一致的評估。只有少數的圓桿或平板，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製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，因為原來的模具可能是為金屬鑄模而設，而非塑膠。所以，外壁及肋將不會最適化；澆口通常會過大及位置不合；並且無法有效的冷卻塑膠產品，造成品質具甚大的相異性。2-2-3 原型模具法(protoype tool)特別是對塑膠產品設計而言，利用便宜的鋁，黃銅或是鈹銅合金製成原型是個不錯的方法。因為基本的訊息如收縮度，玻纖方向性及澆口位置皆可得之。但由於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週期(cycle time)，而且模具冷卻性被限制，甚至不存在。可是，在另一方面而言，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 生產試模法(preproduction tool)對設計的未來發展及產品的準確性而言，最好的方法是製造鋼鐵試模。它可以為單模穴模具或以多模穴模具為體的單模穴模具。此模穴已經機械加工完成，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模具相同之冷卻效果，收縮與翹曲可被探得；還有因為具有適當的頂出鞘，模具能夠如生產線般的循環，於是能夠探得其週期。當然，最重要的是這些樣品能夠如最終產品般的做強度，抗衝擊，磨耗及其他物性等之測試。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估分析。當然，我們不能本末倒置，忘記了最終產品的真正須求。最好是寫下一標準產品所須表，如功能，外觀，可容許的公差等，做個最完美的設計者。2-3產品設計雖然塑膠之產品設計非常複雜，但總有一些基本之原理方法來減少一些成形上及產品功能上所發生的問題。以下所探討的是在設計上所須注意的基本細節，俾能在未來更複雜的產品設計上有所助益。2-3-1 壁厚(wall thickness)通常產品必須具均勻的壁厚，如果變化不可避免，則利用轉換區的方法來防止突然的遽變如圖2-1，且澆口位於較厚處以防止充填不滿。不均勻的壁厚會造成嚴重的翹曲及尺寸控制的問題。如果產品須要較高的強度，從成本的觀點上來看，用肋(ribs)比增加壁厚要好的多。但如果產品須要好的外觀表面時，則因凹陷痕(sink marks)會在表面上產生，故須避免之。若非得用肋不可時：則應儘量讓凹陷痕出現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)使設計更好。總之，一般的原則就是能夠利用最少的壁厚，完成最終產品所須具備的功能。表2-2為一般熱塑性樹脂製品之厚度表，表2-3則為熱固性塑膠製品之厚度表。 2-3-2 半徑(radii)切莫將產品設計成具尖銳的邊角，因為其刻痕(notch)狀會造成應力集中，以致減少了產品之抗衝擊力。為了保證設計在安全的應力範圍內，我們須計算每個邊角的應力集中因子。如圖2-4為懸桁(cantilever)的情形下，應力集中因子對半徑壁厚之圖。為了增加邊角的強度及增進充模的能力，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)為了使產品能夠輕易的從模具內頂出，外壁必須設計成具傾斜的斜角，如圖2-6所示。通常每一英吋，0.5度的傾斜角是達成有效結果所能容許之最小值。一般而言每一英吋1度是標準的做法。如果產品的深度須要增加，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品之剛性與強度。適當的利用肋與角板不僅能夠節省材料，減輕重量及減短成形週期，更能消除如厚橫切面所造成的成形問題。設計肋及角板時，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，則可預期的會產生凹陷痕，包氣、翹曲、縫合線（造成內應力）及較長的成形週期。肋之形狀最好設計成如圖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。並且肋及角板必須被置於能夠方便流動的位置，如此才能夠幫助產品的充填猶如內流道之作用。否則，常會造成最後產品有燒焦之痕跡及包氣等問題。註：角板乃是用作於邊緣的支架，以提高強度。 2-3-5 浮凸物(bosses)浮凸物之目的是用來連接組合螺絲釘、導銷、栓或迫緊(force-fits)等作用。設計浮凸物的最重要原則為避免其無支撐物，並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，以保證有足夠之強度。如果肋本身即與外壁間隔相當遠，則最好加上角板如圖2-10所示。圖2-11及圖2-12為肋靠近外壁及遠離外壁時，浮凸物之設計：圖2-13為浮凸物設計之範例： 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他零件組合以達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於加工，因為前者之穿孔銷可在兩端尋得支撐，而後者由於只有一端獲得支撐，易被熔融之塑流進入模穴時，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。由於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，成形後再以鑽孔針予以鑽孔，如此可防止縫合線造成之強度減少亦可降低模具成本如圖2-16所示。於成型大多數之熱塑性塑料時，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，否則模製後會膨脹如圖2-18所示。 2-3-7 螺紋(threads)與嵌入物(inserts)不管是外螺紋或內螺紋，皆可在模具內成型，避免了利用機械加工之麻煩。設計內，外螺紋時，其基本規格設計須如圖2-19所示。內螺紋底部未螺紋化的直徑必須等於或小於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於或大於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，以免造成應力集中，使該區域強度變弱如圖2-20。用於塑膠品的金屬嵌入物，通常用以承擔產品被磨損、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，一種為成型前模內插入物，另一種為成型後插入物。前者具中等或極粗的刻痕以提供足夠的力量防止滑動，後者可螺紋化或是藉由熱，超音波的方法來裝置。通常模製嵌入物時，我們須考慮以下幾個因素：插入物須能提供所需要的機械強度。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生裂化。當插入物嵌入塑物中後，可能須要再修飾，二次加工等耗費金錢的步驟。嵌入物必須與塑模打開或關閉的移動方向平行。因為直角或斜角之插入物在模製時是非常困難且費成本的如圖2-21所示。不管是陰或陽之嵌入物，皆須要有一肩座，以防止塑膠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。猶如孔洞設計的位置一樣，插入物的位置設計方法與其大同小異。設計插入物時除考慮機械應力外，由於嵌入物本身之高熱膨脹係數，造成塑物之熱應力亦須考慮。所以當塑物冷卻時，塑膠會比金屬收縮的還多，造成應力集中以致爾後插入物周遭龜裂。預防的方法是，提供足夠之塑膠於插入物的四周或是增加嵌入物與外壁之距離。表2-4為一些常用的塑膠於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)大部分的塑膠成形品皆能維持相當緊密之尺寸公差，除了高收縮性的材料之外如PE，PP，Nylon，POM，EVA及軟質PVC，其收縮率達到2至3，而一般熱塑性製品的商業許可公差為0.5。所以對於這些高收縮性材料必須指定較大之容許公差方行，因為其尺寸公差很難藉模具設計予以補救。產品設計者在選定尺寸公差時要考慮使用之塑膠材料、產品形狀及將來之使用條件等。隨著公差的嚴格要求，其製造加工精度與模具價格亦相對提高，所以產品設計者於圖面上記入公差時，要審慎的設定適用於此公差的使用條件。因此，產品設計者所設定之總公差應該包含了使用條件和環境條件下的尺寸變化。塑膠成形品除了尺寸公差以外，對於一些精密成形更須考慮形狀公差，因為澆口的種類和位置或是模具溫度調節系統之決定，皆須根據這些資料來設計之。2-4 模具設計適切的射出成型模具設計乃為製造成功的塑膠產品的先決條件。因為模具設計的好壞不僅影響到產品之品質，產能，操作難易，更直接關係到整個成本結構。所以，以下我們將就模具各個重要構造，予以探討。2-4-1 澆道襯套及其拉出機構(sprue bushings & sprue pullers)澆道襯套乃連接射出成型機的噴嘴及模具的流道系統之機構。理想的澆道應該愈短愈好以減少材料的浪費及縮短成型週期。為了確保澆道與襯套能夠完全分離，襯套內部必須非常光滑及予以弧度化，並且使用有效性的拉出機構，如圖2-23為常見的澆道（冷料）拉出機構之三種設計：(a) 溝槽型：此乃在澆道的側壁開設幾個溝槽，以便塑料冷凝時，能留住冷料。此結構中亦採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裏之塑料，使之仍留在槽溝裏，在下一次注射週期裏，注入之熔融塑料又與槽溝內之冷料融合在一起。(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成凹槽。澆道頂桿，其結構與頂出機構的頂桿相同，位於冷料井之後方，以便在進行頂出時，冷料井之冷料與注口和流道的冷料一起被頂出。(c) Z型：此結構中，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。流道應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。如此的流道方可使熱散失，壓力降的變化減到最少及預防塑料在流道內過早固化。所以圓形與正方形截面之流道結構最好，而半圓形和梯形的截面則稍差，六角形則介於其中間，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，因為流道須被切成兩半，各在模子的一方，精確度之要求非常高。(b) 梯形流道：由於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採用，因為其體積對表面積之比值最小。只有對於複雜分型面之模具而言，因為模具之兩邊準確對準有困難，方採用之。(d) 六角形流道：它是由在分型面上，連接兩個梯形而成。由模具製造者之觀點來看：由於比構成圓形流動的兩個半圓邊配合要容易，其特別適用於直徑小於1/8英吋的流道。由於塑流經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中心部分塑料的高溫。所以澆口位於流道中心線上的全圓形流道和六角形流道，對射出成形而言，最具效益性。但在多層模具裏，由於機械之頂出較為困難，一般採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，機台的容量能力，澆口大小及成形周期等。由於流道之橫截面積應大到足以讓熔融塑料在流道內凝固定之前進入模穴，並可進行保壓以補償塑料之收縮。一般而言，流道之直徑在0.1875至0.375英吋(10mm)之間。除了硬質PVC與丙烯酸類塑料例外，可用到直徑達13mm的流道，因為其黏度較高。但流道之橫截面積也不應該太大，以免增長了成形周期。所以，在理論上，主流道的橫截面積應該等於或超過支流道橫截面積之總和，可達流道尺寸之最適化。現在，我們也可以利用電腦模具塑流模擬分析的方法算得最佳的流道尺寸。總之，流道須大到能夠使壓力流失減到最少，小到使塑料產生剪切熱以助其流動。在這兩者間求得一折衷。2-4-2-3 流道之佈局(runner layout)流道之佈局取決於以下幾個因素：模穴數，塑物的形狀，模具為雙板式模具抑是多層模具，澆口之類型。在設計流道佈置時，流道之長度應儘可能的短以減少壓力損失並且流道系統應是平衡的，即充填各模穴之時間與壓力必須相同，如圖2-25所示。當然並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成上述之要求。一般之單穴型模具，由於塑料直接由澆口進入模穴，因此無需設置流道系統，但為了防止塑物之表面有注口痕跡，可採用如圖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生問題。因為注射壓力會產生一個不平衡之力而使塑物帶毛邊(flash)。若為設計雙模穴模子如圖2-27所示：流道可取兩模穴之間的最短距離如圖(a)，但由於澆口的最適位置不一定總是在模具的中心線上，此時可用T字型流道如圖(b)，流道伸出模穴之一端，然後用短的支流道再與澆口相連；或採用S型流道如圖(c)，此時無須設置的支流道，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儘可能的達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於此，使後方熱的、低黏度的高分子易於進入模穴內。所以冷料井能夠防止冷料進入模穴而影響最後之產品性質。2-4-3 無澆道模具(runnerless molds)無澆道模與傳統模具之最大不同處在於前者延伸了熔融料筒及噴嘴(nozzle)的功能而保有與料筒內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迅速頂出，還有為了能將樹脂迅速除熱，熱傳導率宜高。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，然後冷卻，於澆道之內壁形成一固態塑膠絕緣層。此絕緣層會減少澆道之直徑並使熔融塑膠保持固定之溫度，以等待下一次之成型。絕熱澆道系統必須設計成其體積不超過模穴之體積。因為澆道內之所有熔融高分子，於每次成型時，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。絕熱澆道之好處在於：各流通平衡的須要沒有那麼重要。減少材料之受剪切力。成形後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。增進塑品的外觀。減少模具的磨耗。相對的其壞處為：較複雜的模具設計及高成本。穩定的開始步驟較難掌握。可能會造成熔融高分子之熱裂解。換顏色較為困難。維護成本較高。所以基本上，我們並不贊成用絕熱澆道，如果真要用無澆道系統的話，下節所談的熱澆道系統，將是較好之選擇。 2-4-3-2 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，卻無冗長的穩定開始步驟。當然無可避免的，其設計較複雜，製造不易且成本極高，因為它須要裝置熱分流管並平衡分流管所供給之熱，還有要使塑流的停滯現象減至最低。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。由於高溫之關係，要注意模之熱膨脹效應及分流管與澆口是否穩當連接。 2-4-4 澆口(gates)澆口是一個連接流道（澆道）及模穴的孔或通道，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造成填充不足。一般設計澆口之大小，是由小漸大直到能夠填充完全，但最小的澆口其直徑不得小於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品之性質關係甚鉅如以下所列：1. 外觀：殘留之澆口痕通常不可避免，所以儘量讓其位於較不明顯之處。2. 應力：切勿將澆口設於近高應力區，因為澆口本身之附近會產生殘留應力且澆口造成之粗糙表面容易導致應力集中。3. 壓力：將澆口設於塑物之較厚部位以保證充填完美並能避免凹陷及包氣的產生。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度。所以調整澆口之位置，讓塑流進入模穴後能輻射似的流動。5. 縫合線：通常將澆口位於能使流動到模穴各部位之長度一定如圖2-32(c)所示。圖(b)則為側澆口所造成之縫合線。而圖(a)由於有插入物之關係，縫合線更為嚴重，解決方法為將澆口設近於插入物處，使之產生較大之渦流以減輕縫合線。6. 充填(filling)：將澆口設於壁之對端，重疊式進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。總之，澆口最理想之位置是能使熔融塑料均勻的進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)：此為經由澆道襯套或直接製造於模穴中之錐形孔。通常用於單模穴模具或是須要對稱性流動之模具，其優點為材料之受剪應力及壓力損失較低，材料溫度較均勻；缺點則為須要後加工以消除明顯之斷痕。(b) 邊緣澆口(side or edge gate)：此種澆口適用於雙層板之多模穴模具及較厚部位的塑物。其優點為澆口之橫斷面較簡單，易於加工，澆口之尺寸較精確且易於修改；缺點則為澆口冷卻去掉後，痕跡仍然明顯。(c) 點狀澆口(pin gate)：此種澆口通常用來取代邊緣澆口以減少後加工之處理。常應用於三板式、模底注料模具，就是在凹模板後再設有一塊板以裝置流道系統，點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。其限制為它只適用於較薄之塑件。(d) 邊緣點狀澆口：猶如點狀澆口，它只適用於較薄之塑件。其優點為將澆道與成形件分開，有較不明顯之斷痕，缺點則為較大之壓力損失，經由局部過熱有損成形材料之性質。(e) 耳式澆口(tab gate)：在模穴之一側設置耳槽，然後在耳槽上設一個普通的矩形邊緣澆口。由於熔料進入模穴前必須先拐90的彎，防止了直接進料所產生之噴射，因此塑料能平穩均勻的填滿模穴。(f) 膜狀澆口(diaphragm gate)：用於單模穴模具且塑物為環形具較小內部直徑的。其優點為較少之殘留應力，缺點則為須要之射出材料較多，後加工較為困難。(g) 內環形澆口(internal ring gate)：猶如膜狀澆口般適用於製造環形物之單模穴模具，但塑物是具較大內部直徑的。(h) 外環形澆口(external ring gate)：用於多模穴模具之環形物製造。(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，其優點為：模穴設在一塊模皮裏，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)當模具充滿塑料後，所有之內部空氣必須排掉，否則模穴內被壓縮之空氣會產生熱而將塑品燒焦。排氣可位於分模線上任何一處，特別是在模穴內最後填滿的地方，如圖2-35所示。對於未顯現的肋及浮凸物，排氣可在頂出軸方向上磨一小平塊而設立。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象。對於熱塑性塑膠，射出成型之排氣裝置其尺寸規格通常如圖2-36所示。 2-4-6 頂出機構(ejection mechanisms)一個良好之頂出機構設計不僅能不損壞塑品，節省人力，更能節省成本。以下各項為設計頂出機構所須考慮之因素：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。頂針的形狀可為標準的平頭頂針、刀切型頂針，閥形頂針，或分段層次型頂針。其位置最好於塑物形狀有大變化之地方如邊角，肋或浮凸物等，因為這些地方較易卡在模具內。要有效的頂出塑物，設計者必須算出所須要的頂出面積及力量。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(elastic modulus)(psi)A頂到塑品之面積(in2)u塑品與鋼之磨擦係數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熱膨脹係數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於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製造通道以進行熱交換，所用之冷卻液有水，冰水，水加抗凍劑及油類等四種。對於一些有幾何限制上之製品，由於直接鑽挖之冷卻道，有時並不足以能完全達到冷卻之作用，此時我們可在冷卻系統上裝設如圖2-37之輔助裝置。(a) 擋板(baffle)：於冷卻道上插入一平板使冷卻液由板之一邊進，再由另一邊出，造成對流以移走熱量。(b) 噴泉管(bubbler)：於冷卻道上插入一環狀管，冷卻液由內管進入直衝外管再回到冷卻道上，產生如噴泉般的效應以增加渦流。因為渦流一般可比層流多35倍的熱交換。(c) 熱管(heat pipe)：於冷卻道上插入一密閉的封管，一端於冷卻線上是為冷凝器，另一端位於須要被冷卻的區域上是為蒸發器。封管內為作對流媒介的水，氨，甲烷或甲醇等，經由管內之蕊作熱交換。上列三種裝置對於防止冷卻不良而產生之熱點(hot-spots)極具效益，並能減少成形週期。一般而言，一個好的冷卻設計是不讓冷卻液溫度上升超過5的。模具的材質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兩倍於碳化鋼，四倍於不銹鋼，但這並不表示其成形周期四倍少於不銹鋼。一般而言，鈹銅合金對於薄肉厚的製品最具功效，H13適於須高溫成型的製品，S7極耐衝撞但不耐磨耗，P型鋼則特別為塑膠成型所設計，不銹鋼則極具耐侵蝕性但熱傳導性不佳。 2-5 組裝設計(Assembly desigh)由於塑膠材料之多變化性，遂使得組裝塑膠零件的方法五花八門，一般大概可分為機械組裝，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 機械組裝(mechanical assembly)以機械性的方法來連接塑膠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上已使用經年。機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，可重複使用，接裝速度快且效果良好。但質軟易變形的材料加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(screw)、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，它能應用於任何材料之連接。一個好的迫緊設計將不會承受負載，所以其扣合力量不會隨時間而減少或因震動的影響而鬆弛。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樑，其可容許之歪斜量計算如下：y2 3l2 h (2-2)其中：y最大之歪斜量最大之變形率l樑之長度h樑之厚度從模具頂出時或是在組裝時，歪斜量部不應該超出其最大值而損其結構。若欲增加其可容許之歪斜量，最好之方法是增加樑之長度或減少其厚度。可容許之歪斜量亦與可容許之變形量()息息相關。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，則變形量應為其之60即2.4。式2-3為彎曲懸桁而達傾斜量y所須橫軸歪斜力P之計算方式：PBh2 6Es l (2-3)其中：Es正割模數(secant modulus)，其定義如圖2-39所示。變形量B寬度h厚度l樑之長度為了組合迫緊裝置，必須克服歪斜力(P)及摩擦力()，因此於樑底部經由導角可算得組合力(w)如式2-4。wP(tan 1tan) (2-4)其中：w組合力P歪斜力摩擦係數（如表2-6所示）導角而tan 1tan可直接從圖2-40得知。當設計分別的接合處時，拆卸力之計算方法猶如式2-3一樣，只是將回角()取代導角(1)如圖2-41所示。角度愈小，愈容易組合與拆卸，當角度近於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樑底部到鉤鉤處，將其厚度(h)或寬度(b)慢慢變小即錐度化(taper)。如此，可使應力之分佈更平均及節省材料。例如，將樑厚度錐化成原來之一半，其他變數保持不變，則其最大歪斜容許量可超過原來均勻厚度樑之60。將樑之厚度或寬度斜度化，式(2-1)將變成如式(2-5)：y1.09Kl2 h (2-5)其中K為比例常數，可從圖2-42，圖2-43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力過分的集中，其影響因素有三：1.壓緊設計須要緊密的製造公差。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力鬆弛。當用壓緊法接合兩堅硬材質時，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，以保接合應力在可容許之範圍內。【例】一鋼鐵桿壓緊於一PC轂力，我們必須定出最大的鐵桿直徑及最小的轂內徑，以免圍繞應力(hoop stress)超過應用PC時所容許之應力範圍。決定PC的直徑影響度可由圖2-45求出。桿直徑 轂外徑0.250 05000.5代入圖2-45，可得影響度8 mils 桿直徑 in直徑影響度0.0080.2500.002in因此，轂內徑應為0.2500.0020.248in轂壁厚為(0.50.248)/20.126in方是理想的壓緊設計另外一個影響壓緊設計的重要因素為材料之蠕變與庄應力鬆弛，消除此現象之發生可在桿上刻以紋路，當組合後，塑膠隨著時間之增長會冷流至刻紋上而仍保有相當的接合力。上述之法，對高硬度之材料較為無效，對較軟質材料如PE，PP則極具功效。 2-5-1-3扣接法1.螺釘螺釘係指與螺紋孔組合，但無螺帽的小螺桿。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。成型螺紋釘一般用於熱塑性塑膠，而熱固性塑膠因為較脆，用成形螺紋釘會導致其變形，所以須用具切構的切削螺紋式螺釘。圖2-47為一般在設計浮凸物與自攻式螺釘時所須之規格。 浮凸物之內徑(d)應小於螺釘螺紋之直徑。 浮凸物之外徑應為螺釘直徑(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，所以半穿孔底下之厚度應該與壁厚相等。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。此法可以應用至複雜物之組裝而且不會因對塑品產生扭矩而造成影響。要注意當設計連接兩塑品時，由於空隙之減少，使得原來之拉伸負荷變為壓縮負荷，而減少拉伸應力會造成破壞，所以留些空間以克服此問題是必要的，如圖2-48所示。另外當組合用於輕負荷時，可用快速螺母如圖2-49所示，以節省時間與成本。其只須使用極小之轉矩即可鎖緊，常被應用於防震之組合物件上。若螺母無法直接固定於其他物件上時，則可用如圖2-50所示之地腳螺母(anchor nut)。3. 埋入螺紋(molded-in threads)在成形時可預埋入螺紋件而達固定，雖然成形周期會延長且有時會損傷模具，但所節省的二次加工卻是其吸引人之處。埋入件在成形後不可脫落或偏移，所以埋入件之熱膨脹係數最好與塑膠材料相近，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補強之效果，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於鉚釘直徑的距離。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。因為若過短，其負荷力會減弱；而若過多，則將造成鉚釘之彎折。 2-5-2 溶劑接著(solvent bonding)溶劑接著法乃用來連接同性質之非結晶性塑膠，其方法為溶劑對兩接合面先行侵蝕溶解，再將兩接