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混凝土泵结构设计明书
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3秒自动关闭窗口如何在曲面上画S形流道（手动画）_百度知道
如何在曲面上画S形流道（手动画）
如题,或者在平面上画S形流道。
我有更好的答案
用样条画一条S型曲线 再投影至曲面上 再用管道或扫掠 如果不能扫 就手动修下投影出来的线条
先画好线，再投影到曲面上，再用管体命令不就画出来了。
简单的很 做好实体 然后用面修剪掉。。。。。。
这个不是好表达的，主要是经验
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模流分析全片
?http://www.quarx.com.tw/? 常用塑料之性质 ? B-1丙烯晴一丁二烯一苯乙烯共聚合物 谢庆雄博士 编着? 《模流分析基础入门》典型应用 l 汽车（仪表板、内部装潢、车门把手、方面盘 外套、镜框等） l 冰箱、家电架构与动力工具（吹风机、搅拌器、 食物调理器、割草机等） l 电话外壳、打字机外壳、打字机键盘。 l 休闲车辆如高尔夫球车与滑雪车。? 射出成形之制程条件 ? 干燥：ABS 塑料具有吸湿性，射出前应该先予以干燥。建议至少在 80~90 ℃ (176~195H)干燥的两个小时， 塑料的湿气含量应 维持低于 0.1%。 熔胶温度： 210~280 ℃(410~536 H)； 目标:245℃ (473H)。 模具温度：25~70 ℃ (77~158H)（模温控制着光 泽性质，低模温造成低光泽度。）射出压力：500~1,000 bar (7,250~14,500 psi) 射出速度：中―高速? 化学与物理性质 ? ABS 属于不定形塑料。ABS 是由两烯晴、丁二烯、苯乙烯三种单体组合而成，各单体亦提供了不同 的性质：丙烯晴提供了硬度、抗化学性、耐热性； 丁二烯提供了硬度与耐冲击性；苯乙烯提供了成 形性，光泽与强度。ABS 提供优秀成形性、外观、 低潜变、优良的尺寸稳定性、和高冲击强度。? 三种单体的聚化产生了一种共聚合物，它具有两种相态：SAN 的连续相及聚丁二烯橡胶的离散相。 ABS 的性质受各单体比例以及的两种相态的分子 结构而定，所以市场上 ABS 有上百种等级，提供 塑件设计许多塑件设计的弹性。不同等级的 ABS 提供中到高耐冲击性，低到高表面光泽、以及高 热两曲变形值。? 主要供货商? Dow Chemical (Magnum grades) ? GE Plastics (Cycloid) ? Bayer (Lust ran) ? BASF (Tarlatan) ? Chi Mei (Pollack)? LG Chemical (Lupus) ? Ceil Synthesis? STL 是 Stereo lithography 的简写，是应用于快速原型技术(Rapid prototyping, RP)的一种 CAD 档案格式，它将实体模型网格化，再分割成层， 以层层堆栈出实体的形状。STL 档案格式除了应 用于 RP 之外，1990 年起，许多 CAD/CAM 软件亦 将它用作标准的转文件格式接口，例如 Pro/E、 I-DEAS、Catha、Solid works、UG、AutoCAD 等 均能读取和产生 STL 档案， 只是各家所产生的 STL 档案在精度与完整性上各有优劣。? STL 以三角形元素(element of facet)为基础，利用三角形元素铺出近似的平面和曲面，它并不 包含实体模型的内部信息，仅仅是实体模型外观 面 的 表 现 ， 属 于 一 种 封 闭 的 表 面 网 格 (closed boundary mesh)或是表层网格(skin mesh)。? STL 档案有 ASCII 和 Binary 两种格式，ASCII 格式可以读取，却占用较多内存；Binary 格式则使 用较少内存。STL 档案由一系列三角形元素的法 线 向 量 (facet normal vectors) 及 三 个 顶 点 (vertex)坐标所组成。由于 STL 档案的原始用途 在于 RP，故首重外观的逼近性，对于精度和元素的连接性并没有严格要求，以致于各家 CAD 软件 所产生的 STL 档案及转档过程可能发生一些疏 失。STL 档案常见的问题如下列：? ?节点与节点的连接不良，或漏掉三角形元素，导致间隙(gap)或破洞(hole)。 ?三角形元素法线向量错误地指向实体内部。 ?三角形元素重迭、相切或三角形元素的边连接 着两个以上的节点。 ?三角形元素的长径比(aspect ratio，亦称外观 比)不恰当。?C-2 IGES 档案? IGES( 或 IGS) 是 Initial Graphics ExchangeSpecification 的缩写，代表一种绘图交换标准 规格，起源于不同 CAD/CAM/CAE 软件之间的定义 数据的沟通需求。从 1970 年代至今，此标准经历 多 次 修 改 。 IGES 档 案 包 含 Flag section (option)、Start section 、Global section 、 Directory Entry (DE) 、 Parameter Data (PD) 和 Terminate 六个部分，是一种 ASCII 档案。? C-3 ? C-4MESH 档案 STEP 档案? 射出成形机 ? 就热塑性塑料(thermoplastics)而言，射出成形机将塑料颗粒材料经由熔融、射出、保压、冷却 等循环，转变成最终的塑件。热塑性塑料射出成 形机通常采用锁模吨数(clamping tonnage)或射 出量(shot size)作为简易的机器规格辨识，可以 使用的其它参数还包括射出速率、射出压力、螺 杆设计、模具厚度和导杆间距等等。根据功能区 分，射出成形机的大致上有三个种类：(1)一般用 途射出机；(2)精密、紧配射出机；和(3)高速、 薄肉厚射出机。射出成形机的主要辅助设备包括 树脂干燥机、材料处理及输送设备、粉碎机、模 温控制机与冷凝器、塑件退模之机械手臂、以及 塑件处理设备。?2-1 射出机组件? 典型的射出成形机如图 2-1 所示，主要包括了射出 系 统 (injection system) 、 模 具 系 统 (mold system)、油压系统(hydraulic system)、控制系 统 (control system) 、 和 锁 模 系 统 (clamping system)等五个单元。?图 2-1 应用于热塑性塑料的单螺杆射出成形机?2-1-1 射出系统? 射出系统包括了料斗(Hooper)、回转螺杆与料筒(barrel)组合，和喷嘴(nozzle)，如图 2-2。射 出系统的功能是存放及输送塑料，使塑料经历进 料、压缩、排气、熔化、射出及保压阶段。? 图 2-2热塑性塑料的单螺杆射出成形机之塑化螺杆、料筒、 电热片、固定模板及移动模板。? 料斗 ? 热塑性塑料通常以小颗粒供应成形厂。射出机的料斗可以存放塑料胶颗粒，藉由重力作用使塑料 颗粒经过料斗颈部，进入料筒与螺杆组合内。? (2) 料筒 ? 射出机的料筒可以容纳回转式螺杆，并且使用电热片(electric heater bands))加热塑料。? (3) 回转式螺杆? 回转式螺杆可以压缩塑料、 熔化塑料及输送塑料，螺杆上包括了进料区(feeding zone)、压缩区 （ compression zone, 或 转 移 区 transition zone）、和计量区(metering zone)三个区段，如 图 2-3 所示。? 图 2-3回转式螺杆之进料区、压缩区、和计量区。? 螺 杆 的 外 径 为 固 定 值 ， 螺 杆 的 沟 槽 深 度 (thedepth of flight)从进料区到计量区起点逐渐递 减，沟槽深度的变化使塑料相对于料筒内径产生 压缩，造成剪切热，提供熔化塑料的主要热量。 料筒外的加热片则帮助塑料维持于熔融状态，一 般的射出机有三组或更多组加热片，以便设定为 不同的温度区段。? 喷嘴 ? 喷嘴连接料筒和竖浇道衬套(spree bushing)。当料筒移到最前端的成形位Z，其喷嘴外径必须包 覆在竖浇道定位环内，构成密封。喷嘴的温度应 该设定在材料供货商建议之塑料熔化温度，或是 略低于温度。如此，清理料筒时，只要将料筒后退远离竖浇道， 清除的塑料可以从喷嘴自由落下， 参阅图 2-4。?图 2-4 (a)在成形位Z的喷嘴与料筒；(b)在清 料位Z的喷嘴与料筒。?2-1-2 模具系统? 模 具 系 统 包 括 了 导 杆 (tie bars) 、 固 定 模 板(stationary platen) 、 移 动 模 板 (movable platen)、和容纳模穴、竖浇道、流道系统、顶出 销和冷却管路的模板(molding plates)， 如图 2-5 所示。基本上，模具是一座热交换器，使热塑性 塑料的熔胶在模穴内凝固成需要的形状及尺寸。?图 2-5 典型的三板模之模具系统?模具系统将熔融塑料在模穴内定形，并于冷却后 将塑件顶出。射出成形的模具系统是安装模板与 成形模板的组合，通常以工具钢加工制成。固定 安装板连接到成形机料筒一侧，并经由导杆与移 动模板相接。母模板通常锁在固定模板上，并且 连接到喷嘴；公模板锁在移动安装板上，沿着导杆之导引而移动。有些应用会相反地将母模板锁 在移动模板上，将公模板和液压顶出机构安装固 定模板上。? 两板模 ? 大多数模具是由两片模板组成，如图 2-6，此类模具常使用在塑件浇口正好设在塑件边缘或者接 近塑件边缘的设计，其流道(runner)也设计在母 模板上。? 三板模 ? 三板模通常应用于浇口远离塑件边缘的设计，其流道是设计在分隔公模与母模的脱料板 (stripper plate))上，如图 2-6 所示。? 图 2-6 ?(左)两板模与 (右)三板模(3) 冷却管路（回路）? 冷 却 管 路(cooling channels) 是 模 具 本体的 通道，冷媒（一般是水、蒸汽或油）经由冷却管路 循环以调节模壁温度。冷却管路也可以搭配其它 的温度控制装Z一起使用，例如障板管(bafflers)、扰流板(bubblers)或热管(thermal pins or heat pipes)等。?2-1-3 油压系统? 射出机的油压系统提供开启与关闭模具的动力，蓄积并维持锁模力吨数，旋转与推进螺杆，致动 顶出销，以及移动公模侧。油压系统的组件包括 帮浦、阀、油压马达、油压管件、油压接头及油 压槽等。?2-1-4 控制系统? 控制系统提供成形机一致性的重复操作，并且监控温度、压力、射出速度、螺杆速度与位Z、及 油压位Z等制程参数。制程控制直接影响到塑件 品质和制程的经济效益。控制系统包括简单的开 ／关继电器控制到复杂的微处理器闭回路控制 器。?2-1-5 锁模系统? 锁模系统用来开启／关闭模具，支撑与移动模具组件，产生足够的力量以防止模具被射出压力推开。锁模机构可以是肘节机构锁定、油压机构锁 定、或是上述的两个基本型态的组合。?2-2 射出成形系统? 典型的射出成形系统(molded system)包括熔胶输送系统和成形塑件，如图 2-7 所示。熔胶输送 系统提供让熔胶从射出机喷嘴流到模穴的通道， 它通常包括：竖浇道(spree)、冷料井(cold slug well)、主流道、分枝流道、和浇口(gates)。? 图 2-7射出成形系统包括熔胶输送系统及成形塑件。?输送系统的设计对于充填模式与塑件品质都有很 重要的影响。因此应该设计流道系统，以维持所 需充填模式，将熔胶输送到模穴。在完成射出成 形之后，冷流道输送系统将会被切除成为回收废 料，所以应该设计输送系统，以产生最少的废料。? 热流道（Hot runner 或无流道 runner less）成形制程维持流道于高温，使其内之熔胶维持在熔融状态。因为热流道并不与塑件一起脱模，不致 于造成废料， 并且节省塑件二次切除加工的制程。?2-3 射出机操作顺序? 塑料射出成形加工是一种适合高速量产精密组件的加工法，它将粒状塑料于料筒内融化、混合、 移动(3 M’s: Melt, Mix, and Move)，再于模穴 内流动、充填、凝固(3F’s: Flow, Form, and Freeze)。其动作可以区分为塑料之塑化、充填、 保压、冷却、顶出等阶段的循环制程，包括的基 本操作动作如下列：? 关闭模具， 以便螺杆开始向前推进， 如图 2-8(a)。与柱塞式射出机相同地，推进回转式螺杆以充填 模穴，如图 2-8(b)。 螺杆继续推进，以进行模穴保压，如图 2-8(c)。 当模穴冷却，浇口凝固，螺杆开始后退，并塑化 材料准备下一次射出，如图 2-8(d)。 开启模具，顶出塑件，如图 2-8(e)。 开闭模具，以开始下一个循环，如图 2-8(f)。? 塑料在料筒被螺杆挤压产生大量摩擦热而形成熔融状态，熔胶堆积于料筒前端，并且使用加热器 维持熔胶温度。在充填阶段开始，射出机打开喷嘴，螺杆前进将熔胶经喷嘴注入关闭的模穴，以 完成充填。当熔胶进入模穴，受压气体从顶出销、 分模线和气孔逸出。良好的充填决定于塑料组件 设计、浇口位Z和良好的排气。假如塑料的流动 性不佳， 或者射出压力不足就可能造成短射现象； 相反地，假如塑料的流动性太好，容易在塑件的 分模面造成毛边。熔胶完全填满模穴后，继续施 压以注入更多熔胶，补偿因冷却而造成之塑料体 积收缩，并确保模穴完全填满。? 充填与保压阶段结束， 熔胶在模具里完全凝固后，再打开模穴取出塑件。冷却时间在整个成形周期 占非常高的比例，大约 80%，成形品的冷却时间 依照塑料性质、成形品的形状、大小、尺寸、精 度而有不同。当移动模板后退，使顶出销顶到后 板(rear plate) 而停止运动，将成形品、浇道系 统及废料顶出。?(a) (b) (c)(d) (f)? 图 2-8射出机之操作程序。(a)关闭模具；(b)充填模穴；(c)保压； (d)螺杆后退； (e)顶出塑件； (f)开始下一个循环。?为了进一步说明制程循环中的射出机动作，图 2-9 画出不同阶段的油压缸压力、模穴压力、公 母模分隔距离与螺杆位Z的示意图，其中编号表 示：?图 2-9 典型的射出成形机之动作循环和各动作 所占的时间比例?-- 充填（射出阶段） -- 保压与冷却 -- 开启模具 -- 顶出塑件 -- 关闭锁具? 射出成形的周期时间根据制程的塑件重量、 肉厚、塑料性质、机器设定参数而改变。典型的周期时 间可能从数秒钟到数十秒。?2-4 螺杆操作? 根据需求，回转式螺杆可以设定转速以塑化塑料颗粒，并且将熔胶以设定之螺杆速度、射出量与 射出压力压挤进入模穴。回转式螺杆射出机之射 出成形的主要控制参数如下列：? 背压 ? 背压(back pressure)是螺杆往后推以准备下一次射出塑料时， 作用于螺杆前端之塑料的压力值。 当射出机准备要射出时，螺杆将前端的塑料推入 模穴，射出的塑料在模具内冷却后，射出机再进 入螺杆倒退阶段，重新开始一个循环。通常，射 出机可以调节背压的最大值，当螺杆移到此预设 背压位Z，就结束螺杆倒退阶段。此预设的螺杆 停止位Z是根据充填流道和模穴所需的塑料量， 以手动方式设定。? (2) 射出速度（或射出时间） ? 射 出 速 度 （injection speed 或 螺 杆 速度 ramspeed）是指射出操作中，螺杆的前进速度。对于大部份的工程塑料，应该在塑件设计的技术条件 和制程允许的经济条件下，设定为最快的射出速 度。然而，在射出的起始阶段，仍应采用较低的 射速以避免喷射流(jetting)或扰流。 接近射出完 成时，也应该降低射速以避免造成塑件溢料，同 时可以帮助形成均质的缝合线。? 射出时间是将熔胶充填进模穴所需的时间，受到射出速度控制。虽然最佳的充填速度取决于塑件 的几何形状、浇口尺寸和熔胶温度，但大多数情 况会将熔胶尽速射入模穴。因为模具温度通常低 于树脂的凝固点(freezing point)，所以太长的 射出时间会提高导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发生凝固。有时候，粗厚塑件或小浇口会降低充填 速度，此时必须保持熔胶连续地流过浇口以防止 浇口凝固，进而充饱模穴。新进的研究方向尝试 控 制 射 出 量 ， 控 制 螺 杆 动 作 和 止 回 阀 (check valve)关闭的时间， 以达到控制组件尺寸的目的。? 螺杆旋转速度 ? 螺杆旋转速度是塑化螺杆的转速。转速越快，塑料螺杆沟槽压缩得越激烈， 产生更大量的剪切热。 (4) 缓冲量? 缓冲量(cushion)是螺杆的最大允许前进位Z与最末端的前进位Z之间的差值。假如允许螺杆行 程设为最大值，缓冲量为零，螺杆将前进至碰到 喷 嘴 后 才 停 止。 通 常 ， 缓 冲量 设 定 为 3~6 mm （1/8~1/4 英迹? 熔胶温度 ? 熔胶温度应依照(a)树脂种类、(b)射出机特性、(c)射出量，相互配合。最初设定的熔胶温度应参 考树脂供货商的推荐数据。通常选择高于软化温 度、低于树脂之熔点做为熔胶温度，以免过热而 裂解。以 nylon 为例，在射出区(feed zone)的温 度通常比料筒的温度高，此增加的热量可以降低 熔胶射出压力而不致于使熔胶过热。因为 nylon 熔胶的黏滞性相当低，可以很容易地充填模穴而 不必倚赖提升温度造成的致稀性。? 模具温度 ? 模具温度的限制在于避免塑料在模穴内的剖面冻结 (freezing) 以 及 塑 料 的 冷 却 性 质 ( 例 如 crystallization 等)。所以，模具温度应该是在 熔胶的流动性与模具温度之间作折衷选择。假如 可能的话，应该让临界之凝固位Z(the critical freezing location)发生在浇口处。调节浇口尺寸能够获得在可能的最低模具温度下的最佳流动 性。? 较低的模具温度可以加速成形周期，故应尽量使用可接受的最低模具温度。有些射出成形需要冷 却或冷凝，有些则需要加热模具以控制结晶度 (crystallization)和热应力。 模具温度可以使用 冷却剂调节。模具温度和冷却剂温度都应监控。 模具固定侧和移动侧使用不同模温的目的之一是 要控制成品附着在模仁，方便顶出。? 影响熔胶温度和模具温度的一些因素包括： ? ?射出量(shot size)―大射出量需要较高的模具温度。 ?射出速率(injection rate)―高射出速度会造 成致稀性的高温。 ?流道尺寸(size of runner)―长的流道需要较高 温度。 ?塑件壁厚(part thickness)―粗厚件需要较长 冷却时间，通常使用较低模温。? 射出和保压压力 ? 射出压力的上限是射出机的容量、锁模力和模具的结构。通常，射出压力和保压压力设定为不会 造成短射的最低压力。射出压力和保压压力应该足够高，维持足够久，以便在塑件的收缩阶段继 续填注塑料，将收缩量最小化。然而，太高的射 出压力会造成塑件潜在的应力。两段式加压可以 应用在一些制程，第一阶段的高压进行充填，第 二段则以较低压力进行保压。? 保压时间 ? 完成充填模穴后，射出机仍然施加压力在模具的时间称为保压时间，保压的目的在维持组件的尺 寸精度。? 剩余冷却时间 ? 解除压力到开模之间的时间称为剩余冷却时间，目的是让塑件足够硬化以便顶出。假如在塑件尚 未完全冷却硬化之前就顶出，会造成塑件翘曲变 形。? 开模时间 （mold-opening time， 也称为 dead time） ? 开模时间包括打开模具、顶出塑件和关闭模具的时间。开模时间和射出机之操作效率、成品取出 的难易度、使用脱模剂与否都有关系，以人工安 Z镶埋件(insert)的模具会更降低操作效率。在 射出机运转过程维持最少的人力介入是开模时间 最佳化的方向。有时候，考虑到成形品的可靠性和尺寸稳定性，最理想的制程循环有可能不是 dead time 最短的制程。? 改善 dead time 的方法包括： ? ?统计法―例如 control charts、田口法。?神经网络法―甚至可以在射出机运转之前即建 议设定之成形条件。目前，可能购买现有的神经 网络训练器分析正常的射出成形制程，而能够准 确预测成形品的品质。甚至有神经网络训练器只 要辨识组件的几何关系和树脂特性就可以对新设 计缘渐渐溢出有效的成形条件。?2-5 二次加工? 塑件顶出之后，切除熔胶输送系统（竖浇道、流道、浇口）的加工称为二次加工。有些塑件需要 二次加工进行组合或装饰，二次加工详细说明应 该可以从材料供货商的设计手册中找到。? 组合 ? 组合塑件的二次加工包括： ? 黏合(bonding)熔接(welding) 嵌入(inserting) 打桩(staking)嵌金属型板(swaging) 接合组合(assembly with fasteners)? (2) 装饰 ? 装饰塑件的二次加工包括 ? 表面处理：加热或加压之表面处理。印刷：为装饰或提供信息而在塑件表面加工。? 其它的二次加工 ? 其它的二次加工包括： ? 上漆硬镀 金属层／遮蔽层 表面处理 退火 车削? 什么是塑料？ ? 塑料(plastics)是一种简单的单体(monomers)经由化学聚合反应(polymerization)而成的长链状 高分子聚合物(polymers)。根据美国塑料工业协 会对于塑料的定义：「将全部或部分由碳、氧、 氢和氮及其它有机或无机元素使用加热、加压、 或两者并用的方式聚合而成，在制造中的阶段是 液体，在制造的最后阶段成为固体，此庞大而变化多端的材料族群称为塑料。」高分子聚合物加 工成为塑件的制程主要包括热塑性塑料之熔化与 凝固的物理相态变化或热固性塑料之固化的化学 反应两种。? 简单的高分子材料呈链状结构，其中最重要者首推乙烯基高分子(vinyl polymer)，结构如下：? 其中，当 R = H，为聚乙烯；当 R = CH3，为聚丙烯；当 R = C6H5，为聚苯乙烯；当 R = Cal， 则成为聚氯乙烯。高分子材料依照分子量和分子 结构的差异，也造成不同物性的塑料。例如甲烷 (methane, CH4)为气体，戊烷(pentane, C5H12) 为液体，甲烷(polyethylene, C100H102)为固体。 高分子材料的分子量通常为 10,000 ~ 1,000,000， 分子量愈大，愈增加成形的困难度，200,000 为 合理的成形上限。? 高分子聚合物的分子链可以视为一重复单体长链，加上主要分子链旁枝的化学基，如图 3-１所 示。虽然“塑料”可以泛指聚合物或树脂，塑料 一般是指添加了塑化剂、安定剂、填充料或是其 它改善性能及成形性之聚合物系统， 还包括橡胶、纤维、黏着剂与表面涂料。塑料加工成塑件的制 程众多，可以参考图 3-2。?聚合物分子链的结构、规模大小、化学成分 都直接影响聚合物的化学性质与物理性质。塑料 高分子还受到机械加工制程与热历程影响。 例如， 聚合物熔胶的黏滞性（亦即流动阻力）随着分子 量增加而增加，随着温度上升而降低。玻璃转移 温度、机械性质、耐热性、耐冲击性亦阶随着分 子量增加而提高。此外，作用于材料的高剪应力 所造成的整齐分子链配向性也会降低聚合物熔胶 的黏滞性。就分子量分布而言，短分子链影响拉 伸及冲击强度，中分子链影响黏滞性及剪切流动 性质，长分子链影响熔胶之弹性。?图 3-1 塑料之分类? 图 3-2塑料之加工制程?塑料通常具有下列特性： ? 低强度与低韧性（玻纤强化塑料则可以达到 高强度与高韧性） ? 原料丰富，价格低廉。 ? 有最高使用温度限制。 ? 色彩鲜明，着色容易。 ? 受外力作用时会产生连续变形(潜变现象)。 ☆ 易加工程复杂形状。(i.e. 容易成形，可以 量产。) 低密度。(i.e.重量轻，塑料比重 0.9~2，铝 2.7， 铁 7.8) 耐腐蚀性佳。 良好的绝缘性和隔热性。 可以具有其它特殊性质，例如透明性、可弯曲性 等。? 塑料材料与金属材料比较，金属材料通常包括下列特性；高密度、宽广的使用范围、高热传导性、 高导电性、刚性(rigidity)、高强度(strength)、 不透明、易生锈、精密加工费用高昂。相对地， 塑料材料则具有良好的机械阻尼、良好的热膨胀性、加工周期短而且可以减少穿孔等二次加工的 成本、密度低、增加产品设计的空间与选择、料 头可以回收以节省成本、可以提高产品寿命、亦 可能获得很高的结构强度。钢的模数为 210 Gap。 一般而言， 塑料的模数比金属小数十倍到数百倍。 模数的定义 E = 应力σ0u应变ε0，单位是 Pa(= N/m2)。塑料材料与金属、陶瓷材料之特性比较如 表 3-1。?表 3-1 塑料材料与金属、陶瓷材料之特性比较?特性 优点 缺点 低熔点 容易加工成形 使用温度范围窄 高拉伸率 Low brittleness 高潜变强度和低降 伏强度 低密度 成品轻 结构强度低 低热传导性 隔热性佳 散热性差 低导电性 优良的绝缘体 不导电 着色容易 不必在成品着色 颜色比对不易 溶剂之敏感性 可应用为溶液(solution) 可能被 溶剂(solvent)影响 可燃性 废料可以燃烧 可能产生烟害(fumes orfire hazards) 透光性 可以产生透明塑件 因阳光照射而劣化?将数种聚合物混合，或是将聚合物与其它材 料、补强剂复合，可以改变其物理性质、机械性 质和材料之成本。这些混合制程造就了下列聚合 物系统：?(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)是将两种或更多种聚合物混合 的系统。当混合结果产生融合效应(synergistic effect)而具有单一的玻璃转移温度， 称为聚合物 合金，其性质比各别的聚合物更佳。当混合结果 具有多重的玻璃转移温度，称为聚合物混合物， 其性质是各别聚合物的平均。ABS 是最早期的一 种成功混合物，它结合了各个成分聚合物的耐化 学性、韧性(toughness)以及刚性(rigidity)。? (2) 聚合物复合材料聚合物复合材料(polymer composites)是将强化 物质添加到聚合物内，以增加所需的性质。单晶／须晶、黏土、滑石、云母等低长宽比（aspect ratio ） 之 片 状 填 充 料 可 以 提 高 材 料 的 劲 度 （stiffness）；然而，纤维、玻璃纤维、石墨、 硼等高长宽比的填充料可以同时提高拉伸强度和 劲度。?3-1 塑料之分类? 根据分子联结的聚合反应种类，塑料可以区分为热 塑 性 塑 料 (thermoplastics) 和 热 固 性 塑 料 (thermoses)。 3-2 列出热塑性塑料与热固性塑 表 料相关的结构与性质之整理。热塑性塑料根据分 子结构或链的结构可以再细分为不定形 (amorphous)、半结晶(semi-crystalline))或液 晶(liquid crystalline)聚合物。聚合物的微结 构及加热与冷却的效应如图 3-3。其它类别的塑 料 包 括 弹 性 体 (lassoers) 、 共 聚 合 物 (copolymers)、复合物(compounds)、商用塑料和 工程塑料。添加物填充料和补强剂是直接与塑料 性质和性能相关的其它分类方法。?表 3-2 热塑性塑料与热固性塑料的结构与性质微结构 B线性或分枝分子链，分子间无化学作用。 B化 学反应后，分子链产生交联网状结构。 对热的反应 B可以再软化（属于物理相态变化）。 B无裂解 时，交联后无法再软化。 一般性质 B较高的耐冲击强度。 B加工较容易。 B对于复杂设计有较佳的适应性。 B较好的机械 强度。 B较好的尺寸稳定性。 B较佳的耐热性及湿气绝缘性。?3-2 热塑性塑料? 一般而言，热塑性塑料聚合度较高，分子量也较大。线状或分枝状的长分子链有侧链或官能基， 而且不与其它聚合物分子相连接，结果，热塑性 塑料可以重复地加热而软化，冷却而凝固。这种 以物理反应之相变化为主的程序允许将塑料废料 回收。虽然热塑性塑料可以回收，但在成形时仍可能有小程度的化学变化，回收塑料的性质可能 不会与原始塑料的性质完全相同。? 热塑性塑料占所生产塑料的 70%，热塑性塑料以小球状或颗粒状贩售，它们在压力下加热熔化成 黏稠状流体，冷却时形成所需的成品形状。与热 固性塑料比较，热塑性塑料通常具有较高的耐冲 击强度，容易加工，对复杂设计有较好的适应性。?图 3-3 不同塑料的微结构，及制程中加热或冷 却对于为结构的影响。?在热塑性塑料中，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，工程塑料诸如缩醛(acetyl)、ABS、耐 隆、聚碳酸脂(PC)等提供了高机械强度、较佳的 耐热性、较高的冲击强度等改善性能，因此价格 也比较昂贵。? 实用上，经常会提及合金塑料和工程塑料等热塑性塑料的术语。合金塑料指其构造由不同的单体或聚合体之物理混合(而非聚合)。制造合金塑料 的理由大都是要适应某种要求之物理性质、有利 于价格及性能指数、改进加工之可能性这三种因 素，例如 PC/ABS 和 ABS/PVA。而工程塑料是指在 机械装Z中取代其它金属材料用途之塑料，亦即 使用为机械材料的塑料，属于高性能的塑料，一 般具有较大的温度使用范围(C40H~300H)、高 强度与高刚性、耐冲击性、低潜变性、耐磨损、 优良的耐化学药品性及绝缘性。? 热塑性塑料中又可以区分为不定形塑料和结晶性塑料，其结构与性质如表 3-3。?表 3-3 不定形塑料与结晶性塑料的结构与性质 之比较?不定形塑料 结晶性塑料 常用的材料 丙烯晴―丁二烯―苯乙烯共聚合物 （ABS）、压克力（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)。 聚缩醛树脂(POM)、 耐隆(PA, 聚醯胺)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、热塑性聚脂 (例如 PBT、PET)。微结构 分子在液相和固相都呈现杂乱的配向 性。 分子在液相呈现杂乱的配向性，在固相则形 成紧密堆砌的晶体。 热之反应 具有软化温度范围，但没有明显的熔 点。 具有明确的熔点。 性质 l1 透明 l2 抗化学性差 l3 成形时体积收缩率低 l4 通常强度不 l5 高 l6 一般具有高熔胶黏度 l7 热含量低 l8 半透明或不 l9 透明 l10 抗化学性佳 l11 成形时体积收缩率高 l12 强度高 l13 熔胶黏度低 l14 热含量高?3-2-1 不定形聚合物? 在无应力作用下加热，不定形塑料熔胶之分子链杂乱地相互纠缠在一起，分子链仅以微弱的凡得 瓦尔力维系。不定形塑料维持这种纠缠杂乱的配 向性而无视于状态的改变。不定形塑料具有明确的玻璃转移温度和宽广的软化温度范围，没有明 确的熔点。当熔胶温度降低，不定形塑料开始呈 现橡胶状态，当温度继续降低到玻璃转移温度以 下，它将呈现玻璃状态。不定形塑料的透明度高、 耐热性中等、耐冲击性好、收缩量低。? 充填模穴时，不定形塑料的分子链会沿着熔胶流动方向拉伸，分子链与冷模壁接触急冷而冻结； 凝固层将塑件内层与模壁隔离，使塑件内层冷却 速率较慢，有足够时间将分子链回复卷曲。也就 是说，表层的分子链有较好的配向性，较小的收 缩量；内层的分子链较无配向性，收缩量较大。? 所 有 的 不 定 形 塑 料 的 线 性 收 缩 率 (linearshrinkages)都很接近，所以考量塑件尺寸时，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 取代压克力，射出成形的 尺寸应该会维持在相当精度以内，只是性质会有 所变化。?3-2-2 （半）结晶性聚合物? 结晶性材料是不具有大侧基、旁枝或交联的聚合物，熔融的结晶性塑料黏滞性低，容易流动。当 冷却到熔点以下时，分子形成规则的晶体结构，使其流动性变差。随着温度继续降低，其结晶度 增加，强度也增加，透明度泽降低。结晶程序停 止于玻璃转移温度。因为在正常的加工程序很难 获得 100%结晶，结晶性塑料通常呈现半结晶，它 同时具有结晶与不定形两种相态，其结晶度则决 定于聚合物的化学结构和成形条件。（半）结晶 性塑料就像冰块一样具有明确的熔点，玻璃转移 温度则不明显，通常低于是温，抗化学性及耐热 性佳、润滑性良好、吸湿性低、收缩率高。? 半结晶性塑料具有相当大的线性收缩率，无法用以取代不定形的塑料的射出成形；否则，会造成 尺寸精度上很大的问题。?3-2-3 液晶聚合物? 液晶聚合物在液态与固态都呈现高度规则的分子排列，如图 3-3 所示，其棒状的分子链形成平行 数组。液晶聚合物具有低黏度、低成形收缩率、 抗化学性、高劲度，抗潜变，及整体尺寸稳定性 等加工与性能的优势。?3-3 热固性塑料? 热固性塑料也称为热硬化塑料，于加热之初会软化，而后分子间产生化学键结，造成高度连联的 网状结构，如图 3-3 所示。热固性塑料与热塑性 塑料的最大差异就在于交联程序，本质上，热固 性塑料具有较好的机械强度、强高的使用温度和 较佳的尺寸稳定性。 许多热固性塑料是工程塑料， 并且因为交联程序而具有不定形结构。? 在成形之前，热固性塑料和热塑性塑料一样具有链状结构。在成形过程中，热固性塑料以热或化 学聚合反应，形成交联结构。一旦反应完全，聚 合物分子键结形成三维的网状结构，这些交联的 键结将会阻止分子链之间的滑动，结果，热固性 塑料就变成了不熔化、不溶解的固体。假如没有 发生裂解，即使加了热也不能将它再软化或再加 工。热固性塑料的性质可以想象成煮熟的蛋，蛋 黄从液体变成固体，却无法再转变为液体。? 热固性塑料通常以液态的单体―聚合物混合料，或部份聚合的成形复合物贩售。从尚未固化的状 态将热固性塑料注入模穴，于加压或未加压条件 下，以加热或以化学混合物催化聚合以定形。热 固性塑料通常添加矿物质、石灰、玻纤等填充料 或强化物质以增强性质，例如收缩量的控制、耐化学性、防震性、绝缘性、隔热性或降低成本。 其结构之网目愈细，耐热性和耐化学性也愈佳。 环氧树脂、酚醛树脂都是常见的热固性塑料。热 固性塑料经常应用于 IC 等产品。 3-4 提供了树 表 脂供货商所建议的熔胶与模具之建议温度值。?3-4 添加剂、填充料与补强料? 添加剂(additives)、填充料(fillers)和补强料(reinforcements)是用来改变或改善塑料的物理 性质和机械性质，其影响列于表 3-5。通常，强 化纤维可以提升聚合物的机械性质，而特定的填 充料则用来增加模数。一般而言，塑料是不良导 体，许多填充料可以影响其电气性质，例如添加 导电性填充料可以让塑料产生电磁遮敝性质；添 加抗静电剂可以用来吸湿气， 降低静电荷的累积； 添加耦合剂可以改善塑料与强化纤维之间的键 结；有些填充料可以用来降低材料成本；其它的 添加剂包括降低燃烧倾向的抗燃剂、降低熔胶黏 度的润滑剂、增加材料柔软性的塑化剂、和提供 耐颜色的着色剂。? 填充料可以改善塑料的性质和成形性。假如添加低值长宽比的填充料，其底材的性质改变较小， 此类填充料的好处如下：? ?降低收缩量。? 改善耐热性。 ? 改善强度，特别是压缩强度。 ? 降低耐冲击性。 ? 改善耐溶剂性。?表 3-4 常用树脂的建议熔胶温度与模具温度? 材料名称 流动性质 熔胶温度 (°C／°F) 模具温度 (°C／°F) 顶出温度 (°C／°F) MFR C 最小值 建议值 g/10min 测试负荷 kg 测试温度最大值 最小值 建议值 最大值 建议值 ABS PA 12 PA 6 PA 66 PBT PC 100 5 275 260/500 280/536 320/608 70 35 2.16 250 220/428 250/482 280/536 20 1.2 300 260/500 305/581 340/644 70 /158 80/176 110/230 158/316 15/60 60/140 80/176 125/257 /158 95/203 120/248 127/261 PC/ABS 12 5 240 230/446 265/509 300/572 50 /122 75/167 100/212 117/243 110 5 275 230/446 255/491 300/572 70/1 58 85/185 110/230 133/271 95 5 275 230/446 255/491 300/572 30/8 6 80/176 110/230 135/275 35 10 220 200/392 230/446 280/536 25 /77 50/122 80/176 88/190PC/PBT PE-HD PE-LD PEI PET PETG PMMA POM PP46 5 275 250/482 265/509 280/536 15 2.16 190 180/356 220/428 280/53 10 2.16 190 180/356 220/428 280/53 15 5.00 340 340/644 400/752 440/824 27 5 290 265/509 270/518 290/554 23 5 260 220/428 255/491 290/554 10/ 10 3.8 230 240/464 250/482 280/53640/104 60/140 85/185 125/257 6 20/68 40/104 95/203 100/212 6 20/68 40/104 70/158 80/176 70/158 140/284 175/347 191/376 80/176 100/212 120/248 150/302 50 15/60 30/86 59/137 35/90 60/140 80/176 85/185 20 2.16 190 180/356 225/437 235/455 5 20 2.16 230 200/392 230/446 280/536 2 40 10 265 240/464 280/536 320/60 0/122 70/158 105/221 118/244 0/68 50/122 80/176 93/199 PPE/PPO PS 8 60/140 80/176 110/230 128/262 15 5 200 180/356 230/446 280/536 20/6 8 50/122 70/158 80/176PVC SAN?50 10 200 160/320 190/374 220/428 20 30 10 220 200/392 230/446 270/518 40/68 40/104 70/158 75/167 /104 60/140 80/176 85/185 高值长宽比的填充料(例如 25 以上)可以称为纤 维(fiber)。 纤维补强料可以相当程度地影响塑料 性质。 假设聚合物与纤维之间具有良好的结合力， 则沿着纤维方向的强度会大幅提升。假如多数纤 维有相同的配向性，则沿着纤维配向性与垂直于 纤维配向的弹性模数会有很大差异，在垂直方向 的模数会与无添加纤维的塑料之模数接近。添加 的纤维也相当程度地影响材料的收缩性质，在纤 维配向方向的收缩率会比剖面方向的收缩率低许 多。? 因为纤维的配向性随着流动方向、肉厚方向、缝合线位Z而变化，为了预测塑件的性质，预测这 些配向性就愈显重要。?表 3-5 添加剂、填充料与补强料对于聚合物性 质的影响?添加剂、填充料及补强料 常用村料 对聚合物性 质的影响 强化纤维 碳素、碳、矿物质纤维、玻璃、 Kevlar l1 增加拉伸强度 l2 增加弯曲模数(flexural modulus) l3 提高热变形温度 l4 提升抗收缩与抗翘曲能力 导电性填充料 铝粉、碳纤维、石墨 l5 提高电气 性质 l6 提高热传导性 耦合剂 Silages、 titivates l7 改善聚合物与纤 维界面之键结力 抗燃剂 氯、溴、硫、金属盐 l8 降低燃烧发生率 及扩散速度 混合填充料 碳酸钙、硅、黏土 l9 降低材料成 本 塑化剂 单体液体、低分子量材料 l10 改善熔胶 的流动性 l11 加强挠曲性 着色剂（色料或染料） 金属氧化物、铬酸盐、碳 黑 l12 提供耐久的颜色l13 防止热裂解或紫外线造成裂解 发泡剂 气体、氮复合物、联氨衍生物 l14 造成 孔穴组织以降低材料密度? 塑料如何流动？ ? 熔 融 的 热 塑 性 塑 料 呈 现 黏 弹 性 行 为(viscoelastic behavior)，亦即黏性流体与弹性 固体的流动特性组合。当黏性流体流动时，部分 驱动能量将会转变成黏滞热而消失；然而，弹性 固体变形时，会将推动变形的能量储存起来。日 常生活中，水的流动就是典型的黏性流体，橡胶 的变形属于弹性体。? 除了这两种的材料流动行为，还有剪切和拉伸两种流动变形，如图 4-1 (a)与(b)。在射出成形的 充填阶段，热塑性塑料之熔胶的流动以剪切流动 为主，如图 4-1(c)所示，材料的每一层元素之间 具有相对滑动。另外，当熔胶流经一个尺寸突然 变化的区域，如图 4-1(d)，拉伸流动就变得重要 多了。? 图 4-1(a)剪切流动；(b)拉伸流动；(c)模穴内的剪切流动 (d)充填模穴内的拉伸流动?热塑性塑料承受应力时会结合理想黏性流体和理 想弹性固体之特性，呈现黏弹性行为。在特定的 条件下，熔胶像液体一样受剪应力作用而连续变 形；然而，一旦应力解除，熔胶会像弹性固体一 样恢复原形，如图 4-2 (b)与 (c)所示。此黏弹 性行为是因为聚合物在熔融状态，分子量呈现杂 乱卷曲型态，当受到外力作用时，将允许分子链 移动或滑动。然而，相互纠缠的聚合物分子链使 系统于施加外力或解除外力时表现出弹性固体般 的行为。譬如说，在解除应力后，分子链会承受 一恢复应力， 使分子链回到杂乱卷曲的平衡状态。 因为聚合物系统内仍有分子链的交缠，此恢复应 力可能不是立即发生作用。? 图 4-2(a)理想的黏性液体在应力作用下表现出连续的变形； (b)理想的弹性固体承受外力会立刻变形， 于外力解除后完全恢复原形； (c)热塑性塑料之熔胶就像液体一样， 在剪切应力 作用下而连续变形。然而，一旦应力解除，它就 像弹性固体一般，部分变形会恢复原形。?4-1 熔胶剪切黏度? 熔胶剪切黏度(shear viscosity)是塑料抵抗剪切流动的阻力，它是剪切应力与剪变率的比值， 参阅图 4-3。。聚合物熔胶因长分子链接构而具 有高黏度，通常的黏度范围介于 2~3000 Pa（水 为 10-1 Pa，玻璃为 1020 Pa）。?图 4-3 以简易之剪切流动说明聚合物熔胶黏度 的定义?水是典型的牛顿流体，牛顿流体的黏度与温度有 关系，而与剪变率无关。但是，大多数聚合物熔 胶属于非牛顿流体，其黏度不仅与温度有关，也 与剪切应变率有关。? 聚合物变形时，部份分子不再纠缠，分子链之间可以相互滑动，而且沿著作用力方向配向，结果， 使得聚合物的流动阻力随着变形而降低，此称为 剪变致稀行为（shearing-thinning behavior）， 它表示聚合物承受高剪变率时黏度会降低，也提 供了聚合物熔胶加工便利性。例如，以两倍压力 推动开放管线内的水，水的流动速率也倍增。但 是，以两倍压力推动开放管线内的聚合物熔胶， 其流动速率可能根据使用材料而增加 2~15 倍。? 介绍了剪切黏度的观念，再来看看射出成形时模穴内的剪变率分布。一般而言，材料的连接层之 间的相对移动愈快，剪变率也愈高，所以，典型 的熔胶流动速度曲线如图 4-4（a），其在熔胶与 模具的界面处具有最高的剪变率；或者，假如有 聚合物凝固层，在固体与液体界面处具有最高的 剪变率。另一方面，在塑件中心层因为对称性流 动，使得材料之间的相对移动趋近于零，剪变率 也接近零，如图 4-4（b）所示。剪变率是一项重 要的流动参数，因为它会影响熔胶黏度和剪切热 （黏滞热）的大小。射出成形制程的典型熔胶剪 变范围在 102 ~105 1/s 之间。? 图 4-4（a）相对流动元素间运动之典型速度分 ( b)射出成形之充填阶段的剪变率分布布曲线； 图。?聚合物分子链的运动能力随着温度升高而提高， 如图 4-5 所示，随着剪变率升高与温度升高，熔 胶黏度会降低，而分子链运动能力的提升会促进 较规则的分子链排列及降低分子链相互纠缠程 度。此外，熔胶黏度也与压力相关，压力愈大， 熔胶愈黏。材料的流变性质将剪切黏度表示为剪 变率、温度与压力的函数。?图 4-5 聚合物黏度与剪变率、温度、及压力的 关系?4-2 熔胶流动之驱动--射出压力? 射出机的射出压力是克服熔胶流动阻力的驱动力。射出压力推动熔胶进入模穴以进行充填和保 压，熔胶从高压区流向低压区，就如同水从高处 往低处流动。在射出阶段，于喷嘴蓄积高压力以 克服聚合物熔胶的流动阻力，压力沿着流动长度向聚合物熔胶波前逐渐降低。假如模穴有良好的 排气，则最终会在熔胶波前处达到大气压力。压 力分布如图 4-6 所示。?图 4-6 压力沿着熔胶输送系统和模穴而降低?模穴入口的压力愈高，导致愈高的压力梯度（单 位流动长度之压力降）。熔胶流动长度加长，就 必须提高入口压力以产生相同的压力梯度，以维 持聚合物熔胶速度，如图 4-7 所示。? 图 4-7 熔胶速度与压力梯度的关系 ?根据古典流体力学的简化理论，充填熔胶输 送系统（竖浇道、流道和浇口）和模穴所需的射 出压力与使用材料、设计、制程参数等有关系。 图 4-8 显示射出压力与各参数的函数关系。使用 P 表示射出压力，n 表示材料常数，大多数聚合 物的 n 值介于 0.15~0.36 之间，0.3 是一个适当 的近似值，则熔胶流动在竖浇道、流道和圆柱形 浇口等圆形管道内所需的射出压力为：? 熔胶流动在薄壳模穴之带状管道内所需的射出压力为：? 熔胶的流动速度与流动指数(Melt Index, MI) 有关，流动指数也称为流导 flow conductance）， 流动指数是熔胶流动难易的指标。实际上，流动 指数是塑件几何形状（例如壁厚，表面特征）及 熔胶黏度的函数。 流动指数随着肉厚增加而降低， 但是随着熔胶黏度增加而降低，参阅图 4-9。? 射出成形时，在特定的成形条件及塑件肉厚下，熔胶可以流动的长度将根据材料的热卡性质与剪 切性质而决定， 此性质可以表示为熔胶流动长度， 如图 4-10 所示。?图 4-8 射出压力与使用材料知黏滞性、流动长 度、容积流率和肉厚的函数关系?图 4-9 流动指数相对于壁厚与黏度关系?图 4-10 熔胶流动长度决定于塑件厚度和温度? 将射出成形充填模穴的射出压力相对于充填时间画图，通常可以获得 U 形曲线，如图 4-11，其最 低射出压力发生在曲线的中段时间。要采用更短 的充填时间，则需要高熔胶速度和高射出压力来 充填模穴。要采用较长的充填时间，可以提供塑 料较长的冷却时间，导致熔胶黏度提高，也需要 较高的射出压力来充填模穴。射出压力相对于充 填时间的曲线形状与所使用材料、模穴几何形状 和模具设计有很大的关系。?图 4-11 射出压力相对于充填时间之 U 形曲线?最后必须指出，因为熔胶速度（或剪变率）、熔 胶黏度与熔胶温度之间交互作用，有时候使得充 填模穴的动力学变得非常复杂。注意，熔胶黏度 随着剪变率上升及温度上升而降低。高熔胶速度 造成的高剪变率及高剪切热可能会使黏度降低， 结果使流动速度更加快，更提高了剪变率和熔胶 温度。所以对于剪变效应很敏感的材料本质上具 有不稳定性。?4-2-1 影响射出压力的因素? 图 4-12 针对影响射出压力的设计与成形参数进行比较。?参数 需要高射出压力 可用低射出压力 塑件设计 肉厚 塑件表面 浇口设计 浇口尺寸 流动长度 成形条件 熔胶温度 模壁（冷却剂）温度 螺杆速度 选择材料 熔胶流动指数? 图 4-12射出压力与设计、成形参数、材料的关系?4-3 充填模式? 充填模式(Filling Pattern)是熔胶在输送系统与模穴内， 随着时间而变化的流动情形， 如图 4-13 所示。充填模式对于塑件品质有决定性的影响， 理想的充填模式是在整个制程中，熔胶以一固定 熔胶波前速度(melt front velocity, MFV)同时 到达模穴内的每一角落；否则，模穴内先填饱的 区域会因过度充填而溢料。以变化之熔胶波前速 度充填模穴， 将导致分子链或纤维配向性的改变。?图 4-13 计算机仿真之熔胶充填模式的影像?4-3-1 熔胶波前速度与熔胶波前面积? 熔胶波前的前进速度简称为 MFV，推进熔胶波前的剖面面积简称为 MFA，MFA 可以取熔胶波前横 向长度乘上塑件肉厚而得到，或是取流道剖面面 积，或者视情况需要而取两者之和。在任何时间，? 容积流动率 =熔胶波前速度(MFV) × 熔胶波前面积(MFA)? 对于形状复杂的塑件，使用固定的螺杆速率并不能保证有固定的熔胶波前速度。当模穴剖面面积发生变化，纵使射出机维持了固定的射出速度， 变化之熔胶波前速度仍可能先填饱模穴的部份区 域。图 4-14 显示在镶埋件(insert)周围熔胶波 前速度增加，使镶埋件两侧产生高压力和高配向 性，造成塑件潜在的不均匀收缩和翘曲。?图 4-14熔胶波前速度(MFV)和熔胶波前面积(MFA)。MFV 之差异会 使得塑料分子(以点表示)以不同方式伸展，导致 分子与纤维 配向性的差异，造成收缩量差异或翘曲。?在射出成形的充填阶段，塑料材料的分子链 或是填充料会依照剪应力之作用而发生配向。由 于模温通常比较低，在表面附近的配向性几乎瞬 间即凝固。分子链和纤维的配向性取决于熔胶之 流体动力学和纤维伸展的方向性。 在熔胶波前处， 由于剪切流动和拉伸流动的组合，不断强迫熔胶 从肉厚中心层流向模壁，造成喷泉流效应 (fountain flow effect)，此效应对塑件表层的 分子链／纤维配向性的影响甚巨。请参阅图 4-15 之说明。?图 4-15 塑件表层与中心层之纤维配向性?塑件成形之 MFV 愈高，其表面压力愈高，分 子链配向性的程度也愈高。充填时的 MFV 差异会 使得塑件内的配向性差异， 导致收缩不同而翘曲， 所以充填时应尽量维持固定的 MFV，使整个塑件 有均匀的分子链配向性。? MFV 和 MFA 是流动平衡的重要设计参数。不平衡流动的 MFA 会有突然的变化，当部分的模穴角落 已经充饱，部分的熔胶仍在流动。对于任何复杂 的几何形状，应该将模穴内的 MFA 变化最小化， 以决定最佳的浇口位Z。流动平衡时，熔胶波前 面积有最小的变化，如图 4-16 所示。? 图 4-16 ?(a) MFA 变化导致的平衡与不平衡流动；及(b)其对应的充填模式。 4-4 流变理论? 流变学(rheology)是探讨材料受力后变形和流动的加工特性，包括剪变率、剪切黏度、黏弹性、黏滞热、拉伸黏度等等。熔融塑料大多呈现拟塑 性行为，即根据指数律(power law)， ， n & 1 塑料受剪应力而运动时，其黏度随剪变率增加而 降低，此现象称为高分子材料的剪稀性(shear thinning)。 通常厂商比较常提供的塑料特性指标 是流动指标 MI (Melt index)，一般塑料的 MI 值 大约介于 1~25 之间，MI 值愈大，代表该塑料黏 度愈小，分子重量愈小；反之，MI 值愈小，代表 该塑料黏度愈大，分子重量愈大。MI 值仅仅是塑 料剪切黏度曲线上的一点。(注：黏度单位 1 cp = 0.001 Pa? s， cp = centipoise, Pa = N/m2)? 其它影响塑料性质的因素包括分子量的大小及分子量分布、分子配向性、玻璃转移温度和添加物 等。? 分子量的大小及分子量分布 ? 塑料的特性之一就是分子量很大，分子量分布曲线和其聚合的方法及条件对于所制造出来的成型 品有密切影响。分子量大者璃转移温度 Tg 较高， 机械性质、耐热性、耐冲击强度皆提升，但是黏 度亦随分子量增大而提高，造成加工不易。就分 子量分布而言，短分子链影响拉伸及冲击强度，中分子链影响溶液黏度及低剪切熔胶流动，长分 子链的量影响熔胶弹性。? (2)玻 璃 转 移 温 度 (glasstransitiontemperature, Tg) 其意思即高分子链开始具有大链接移动，也就是 脱离硬绑绑的玻璃态，开始较具延展性的温度。 而 Tg 的大小对于塑料性质有很大的影响， 所以往 往成为判断塑料性质的重要指标，玻璃态时显现 出类似玻璃的刚硬性质，但于橡胶态时，又变成 较软之橡胶性质。? (3) 分子配向性 ? 塑料材料原来的性质会随着外来的因素和作用力而改变， 例如聚合物熔胶的黏度(表示材料流动阻 力)随分子量增加而增加，但随温度增加而减少。 更进一步，作用于材料的高剪应力所造成的分子 配向性也会降低塑料熔胶的黏度。? 添加剂、填充材料、及补强材料对于聚合物的影响? 包括安定剂、润滑剂、塑化剂、抗燃剂、着色剂、发泡剂、抗静电剂、填充材料、及补强材料等等 可以用来改变获改善塑料的物理性质和机械性 质。? 材料性质与塑件设计 ? 塑料材料的多样性使得塑料射出成形比金属成形更具有设计的自由度。然而，塑件的机械性质受 到负荷种类、负荷速率、施加负荷期间长短、施 加负荷的频率、以及使用环境温度变化与湿度变 化等因素的影响，所以设计者必须将这些使用条 件列入考虑。? 5-1-1应力--应变行为材料的应力--应变行为决定其强度或劲度。 影响材料强度的因素包括塑件的几何形状、 负荷、 拘束条件、成形制程导致的残留应力和配向性。 根据施加在塑件的负荷或拘束条件的不同，必须 考虑不同种类的强度性质，包括拉伸强度、压缩 强度、扭曲强度、挠曲强度和剪变强度等。? 设计塑件时，应该根据塑件承受的主要负荷来决定材料相关的强度。将其使用环境温度及应变率 下的主要负荷所相关的应力应变行为列为重要考 虑。然而，由于拉伸试验以外的其它测试程序先 天上都有准确性的问题，使得塑料材料往往只提 供短期的拉伸试验(tensile test)结果。读者如果有其它负荷状态的应用，应参阅相关的文献数 据。? 图 5-1 说明拉伸试验棒和预设固定负荷下的变形量，其中，应力(σ)与应变(ε)的定义为：?图 5-1 (a) 拉伸实验棒截面面积 A，原始长度 L0；(b) 于固定负荷下拉长至长度 L。? ? 图 5-2 热塑性塑料的应力―应变曲线，可以获得杨氏模数、比例极限，弹性极限、降伏点、延展 性、破坏强度和破坏之伸长量等材料性质。?图 5-2 典型热塑性塑料的应力―应变曲线图?杨氏模数是应力―应变曲线起始直线部份的 斜率。定义为：? 杨氏模数经常被用作材料强度指标。杨氏模数实际上是材料刚性(rigidity)的指标，它可以应用于工程上简化的线性运算，例如决定塑件的劲度 (stiffness)。? 比例极限是图 5-3 上的 P 点，曲线从这点开始偏离其线性行为。弹性极限是图 5-3 的 I 点， 它是材料承受应变而仍能够回复原形的最大限 度。假如应变量超过弹性极限，并且继续增加， 则材料可能发生拉伸现象而无法回复原形，或者 可能发生破坏，如图 5-2 所示。? 图 5-3局部之应力―应变曲线，其中，P 点是 经常用作设计上的应变限度。I 点是弹性比例极限， 极限。?图 5-4 显示相同基底树脂材料的两种热塑性 复合物之应力―应变曲线，其中一者添加了 30% 玻纤，另一者无填充料。玻纤填充料使得塑料的 破坏强度、降伏应力、比例极限应力及杨氏模数 都明显地提升，并且承受较低的应变量就产生破 坏。无填充料的热塑性塑料在降伏点以上产生拉伸现象，使应力减小。拉伸造成剖面面积的缩小 量可以根据蒲松比计算。? 负荷速率（或应变率）及温度对于塑料的应力应变行为有很大的影响。图 5-5 是半结晶塑料受负 荷速度及温度影响时之拉伸实验应力―应变曲 线。通常，在高负荷速率和低温条件时，塑料材 料显得刚且脆；低负荷速和高温条件时，受到其 黏滞性的影响，塑料材料较具有挠性和延展性。 从图 5-5 可以观察到，高负荷速率使得材料的破 坏应力和降伏应力大幅提高。然而，提高温度会 使得破坏应力和降伏应力降低。? 图 5-4添加 30%玻纤与无添加物之热塑性树脂的应力应变曲线? 图 5-5 ?负荷速率与温度对于典型聚合物之应力―应变图的影响 加热半结晶性塑料使之通过玻璃转移温度 （Tg），则负荷速度、温度等相关的效应更加明显，结果导致塑料产生全然不同的运动行为。不 定形塑料通过软化区后呈现黏性流。? 潜变与应力松弛 ? 设计承受长期负荷的塑件时，应非常注意潜变效应及应力松弛。不论所施加负荷的大小，只要持 续地施加一定量负荷在塑料材料上，塑料材料就 会连续地变形，这种长期间、永久性的变形称为 潜变(creep)，如图 5-6 所示。? 图 5-6 ?典型的潜变曲线，其潜变量根据负荷及时间而变化。 要设计承受长期负荷的塑件，必须使用潜变 量据以确保塑件不会在寿命周期内产生破坏、产 生降伏、裂缝或是过量的变形。虽然大多数塑料 拥有在相当时间内、特定应力及温度条件下的潜 变量据，但是每个塑件设计仍需对其特定的负荷 与使用条件来调整设计值。由于要针对各别设计 塑件进行长期间的试验并不可行，而且塑件将来 使用期间的应力与环境条件不容易进行长期间的 预测，所以，往往必须从较短的潜变试验数据执行内插和外插。通常，工程师使用树脂供货商提 供的潜变数据库获得应变相对于时间之数据，再 进行内插和外插，以获得同一时间之应力―应变 非线性曲线，如图 5-7。这些曲线将取代短期的 应力―应变曲线， 应用于长期静负荷之塑性设计。? 图 5-7 ?在固定应变下，应力随着经历时间而递减的情形。 潜变模数(creep modulus, Ec)可以应用于固 定应力或应力松弛计算。潜变模数与时间、温度 有关系，它与固定应力(σ)以及随时间、温度变 化的应变ε(t, T)之间的关系式定义如下：? 其它与潜变有关连的因素包括： ? B随着温度的上升，潜度速率与应力松弛速率都会上升。 B只要施加负荷的时间够久，就可能发生破坏， 此称为应力破裂(stress crack)。 B内压力（残留应力）应该与外应力一并考虑。? 应力松弛是潜变的一种推论现象。假如变形量固定，则抵抗变形的应力会随着时间而递减。塑料 材料发生潜变的物理机构也可以应用于应力松 弛。图 5-7 说明在固定应变下，应力随着经历时 间而递减的情形。? 疲劳 ? 当设计的塑件承受周期性的负载时，就应考虑疲劳效应(fatigue)。 承受周期性负荷之塑料应该使 用比例极限进行设计。假如施加时间间距短，而 且为长期的反复性负荷，应该使用 S-N 曲线进行 设计。? S-N 曲线是在固定频率、固定温度和固定负荷条件下，施加弯矩、扭力和拉伸应力于材料，测试 而得。随着反复性负荷的频率数目增加，造成塑 件因疲劳而破坏所须的应力会降低。许多材料存 在一特定的应力忍受限度，在应力低于忍受限度 时，材料不会因反复性负荷造成疲劳而破坏，参 阅图 5-8。? 即使只施加很小的应力，根据施加应力的大小，材料承受反复性负荷时，可能在周期结束后无法 恢复原状。当施加负荷与解除负荷的频率增加， 或是施加负荷与无负荷的间隔时间缩短，塑件表面可能应为疲劳而产生微小裂缝或其它瑕疵，造 成韧性降低。? 图 5-8典型的挠曲疲劳 S-N 曲线具有一个应力忍耐限度， 在此限度以下的应力不会造成破坏。?5-1-4 冲击强度? 因为塑料具有黏弹性，其性质与使用时间、负荷速率、负荷频率、施加负荷期间长短、使用温度 都有密切的关系。塑料的冲击强度（或韧性）表 示其抵抗脉冲负荷的能力。图 5-5 显示塑料材料 的冲击强度随着负荷速率的增加而增大。塑料材 料承受高速的负荷时，会表现出脆性而没有拉伸 的倾向。低温时，塑料应亦呈现脆性。? 塑料材料承受冲击时，对于凹痕很敏感。尖锐的转角半径会造成应力集中， 也会降低其冲击强度， 如图 5-9 所示。? 图 5-9塑料应力集中是其厚度与圆角半径的函数?5-1-5 热机械行为? 热膨胀系数是温度从一特定值上升时，材料尺寸变化的量度。塑料的热膨胀系比金属大 5~10 倍。 温度变化对于塑件的尺寸和机械性质会造成可观 的影响，所以设计塑件时必须考虑到使用塑件的 最高温度和最低温度。假如使用于大温度范围大 的塑件与金属件紧密结合，强度较差的塑件会因 热膨胀或收缩而破坏。根据塑件强度及上升温度 情况，此破坏可能立刻发生或延后发生，所以设 计塑件与金属组件组合时，必须将其尺寸变化的 安全裕度列入考虑。? 使用于室温以上的塑件应考虑下列因素： ? ?塑件尺寸增长的倾向正比于其长度、 温度上升量、及热膨胀系数。 l ? 当塑件温度从室温上升时， 其强度及杨氏模 数会降低，如图 5-5 所示。 l ? 低模数材料可能会呈现橡胶般的拉伸现象。? 分子链的配向性和添加纤维的配向性会造成塑件尺寸不等向的变化，其在流动方向比截面方向具 有更大的热膨胀系数。? 当塑件长期存在于高温，应考虑： ? l ?存放时承受内应力或外应力的塑件， 应考虑潜变和应力松弛。 l ? 塑件因分子裂解而变脆。 l ? 有些复合物会释放成分。? 塑件长期存放于低温时，应考虑因素： ? l ?塑件尺寸缩减正比于其长度、温度下降量、及热膨胀(热收缩)系数。 l ? 模数上升。 l ? 塑件变脆。?5-2 塑件强度设计? 设计塑件时，其破坏性质控制的成功与否，往往取决于对于塑件强度（或劲度）的准确预测。根 据塑件承受负荷或拘束条件的不同，可以区分为 拉伸强度、压缩强度、扭曲强度，挠曲强度和剪 切强度。塑件的强度与材料、几何形状、拘束条 件、成形的残留应力和配向性有关。表 5-1 列出五种典型的负荷条件及设计者应考虑的材料性 质。? 表 5-1典型的负荷条件及设计者应考虑的材料性质负荷条件 设计者应考虑的材料性质 短期负荷 应力--应变行为 长期负荷 潜变 反复性负荷 疲劳 高速和冲击性负荷 冲击强度 极端温度之负荷 热应力－应变行为? 短期负荷 ? 短期负荷是指塑件于搬运、组合、和使用时，偶而施加的负荷， 其设计应采用应力-应变图的比例 极限值。使用肋或角板等强化结构，可以改善塑 件的强度。应考虑使用宽幅的肋，以提升结构强 度；增加肋的高度或减小肋的间距也会改善结构 强度。另外，在需要的方向添加强化玻璃纤维也 可以改善结构强度。? 长期负荷? 长期负荷指在比例极限以内，塑件长时间承受高外力负荷，以及塑件在成形和组合制程中造成的 高内应力或残留应力。其于设计上应考虑：? l ?使用潜变模数，以避免应力破裂破坏，维持接点紧密结合和塑件功能。 l ? 设计压合连接或搭扣连接之组合， 以减少组 装造成的应力。 l ? 使用固定组件(fasteners)以减低应力，强 化结构。 l ? 设计塑件与塑件接合时， 使用几何特征或保 留安全裕度，以防止塑件因 组合而过度紧密配合。? 反复性负荷 ? 当塑件承受反复性负荷，应考虑在其寿命内预计承受负荷的次数，下列数字提供典型反复性负荷 的范例。? 负 荷 种 类负 荷 次 数 少 大于反复组合和拆解 于 1,000 次 齿轮之各齿承受反复性负荷 10,000 次弹簧组件 10,000 次大于? 塑件承受反复性负荷时，应考虑下列建议： ? l ?长间距之周期性负荷可以采用比例极限进行设计。 l ? 塑件承受短间距和长期间的反复性负荷， 应 使用 S-N 曲线进行设计。 l ? 高度抛光的光滑模面可以降低产生微小裂 缝的倾向。 l ? 注意圆角的设计以避免应力集中。 l ? 塑件承受高频或高振幅的周期性负荷时， 会 生热而缩短寿命。改用薄壁 设计和耐疲劳的导热性材料可以改善塑件的 散热功能。? 高速负荷及冲击负荷 ? 高速负荷指施加负荷的速度高于 1 m/s，冲击性负荷指负荷速度高于 50 m/s。应避免在高应力区 施加高速负荷和冲击性负荷。当设计之塑件承受 此类负荷时必须牢记以下建议：? l ?在预期的负荷速率之内， 使用比例极限进行 使用较大的圆角半径及较和缓的肉厚／宽设计之计算。 l ?度变化，以避免应力集中。 l ? 长时间处于高熔融温度的树脂会裂解变脆。 要使高温对于熔胶的影响最 小化，就必须选用适当熔点的塑料和适当的 射出料筒来进行射出成形。? 极端温度施加负荷 ? 塑件之储存、搬运和使用温度很容易就高出或低于室温 20~30℃，应用于极端温度的塑件必须能 适应环境。设计塑件将应用于极端温度条件，建 议注意事项如下：? l ?应用比例极限进行计算， 以避免塑件永久变 避免将不同热膨胀系数之材料设计为紧迫 留允许塑件膨胀之裕度。形。 l ? 组合，而且应该在自由端面保? 常见的高于室温之极端温度条件的应用包括：热液体的容器、热水管线组件、含有加热组件之装 Z、直接曝于日光之下的搬运工具、储存在无空 调建筑之塑件。常见的于低于室温的应用包括： 冷冻之塑件和以飞机运载之塑件?5-3 塑件肉厚? 设计塑件所需考虑的因素众多，包括功能与尺寸的需求、组合之公差、艺术感与美观、制造成本、 环境的冲击、以及成品运送等等。在此，我们将 考虑塑件肉厚对于成形周期时间、收缩与翘曲、 表面品质等因素的影响，以讨论热塑性塑料射出 成形之加工性。? 塑件于射出成形后，必须冷却到足够低的温度，顶出时才不会造成变形。肉厚较厚的塑件需要较 长的冷却时间和较长的保压时间。理论上，塑件 射出之冷却时间与肉厚的平方成正比，或者与圆 形对象直径的 1.6 次方成正比。所以粗厚件会延 长成形周期时间，降低单位时间所射出塑件的数 量，增加每个塑件的制造成本。? 另外，塑料射出成形先天上就会发生收缩，然而，剖面或整个组件的过量收缩或不均匀收缩就会造 成翘曲，以致于成形品无法依照设计形状呈现。 请参阅图 5-10。? 图 5-10(左边)粗厚件会导致(中间)塑件的收缩和翘曲，应该将塑件设计为具有均匀肉厚的(左 边)塑件。?塑件同时具有薄肉区和厚肉区时，充填熔胶 倾向于往厚截面部分流动，容易产生竞流效应 (race-tracking effect)，导致包风(air traps) 和缝合线(weld lines)，在塑件表面产生瑕疵。 假如厚肉区没有充足的保压， 就会造成凹痕(sink marks)或气孔(voids)， 所以应该尽可能设计薄且 肉厚均匀的塑件，以缩短成形周期时间，改善塑 件尺寸稳定性，和去除塑件之表面瑕R，塑件肉 厚设计通则是：使用肋可以提高塑件的刚性和强 度，并且避免厚肉区的结构。塑件尺寸的设计， 应将使用塑料之材料性质和负荷类型、使用条件 之间的关系列入考虑， 也应考虑组件的组合需求。 图 5-11 提供一些设计范例的比较。?(not recommended)(recommended)? 图 5-11 ?塑件之设计范例。左边为不良设计，右边是典型的塑件设计。 5-4 肋之设计? 塑件设计之结构完整性的主要考量是：塑件结构强度必须足以抵抗预期负荷。如果藉由增加肉厚 以强化结构，有下列的缺点：? l ?塑件重量及成本相对地增加。l ? 加长塑件所需的冷却时间。 l ? 增加产生凹痕与气孔的机会。? 肋(ribs)是达成所需刚性和强度，并且避免粗厚剖面的有效方法。设计良好的肋，仅仅增加低百 分比的重量，就足以提供必要的结构强度。假如 还需要更高的刚性，可以缩小肋的间距，以便添 加更多的肋。肋的典型用途包括：? l ?盖子、箱子、及需要有良好外观和重量轻的宽大表面。 l ? 必须有圆柱形表面之走纸用滚轮和导轨。 l ? 齿轮的轴和齿廓。 l ? 塑件的支撑与构架。? 肋的厚度、高度和开模斜角是相互关连的。太粗厚的肋会在塑件的另一面造成凹痕；太薄的肋和太大的开模斜角会造成肋的尖端充填困难。肋之 各边应有 1°的开模斜角， 最小不得低于 1/2°， 而且应该将肋两侧之模面精密抛光。开模斜角使 得从肋顶部到根部增加肉厚，每一度开模斜角会 使一公分高肋的根部增加 0.175 公厘肉厚。建议 根部的最大厚度为塑件肉厚的 0.8 倍，通常取肉 厚的 0.5~0.8 倍，如图 5-12 所示。? 图 5-12 ?设计肋之截面规范将肋设计在开模方向，可以降低模具的加工 成本。使用角板(gussets)也可以强化肋的结构， 如图 5-12 所示。使用凸毂(bosses)时，不应该凸 毂将连接到平行之塑件壁面，必须和壁面维持一 段间距。凸毂也可以使用角板强化结构。? 如 图 5-13 所 示 ， 肋 可 以 设 计 成 波 浪 状(corrugations)以维持均匀壁厚，并且将开模斜 角加工到两侧的模具，这种作法可以避免肋的顶 面太过薄。就结构的刚性而言，相互连接的蜂巢 式六面矩阵结构，如图 5-14，比正方形结构更具有材料的使用效率，加设蜂巢状的肋是防止平坦 表面弯曲的好方法。? ? 图 5-13波浪形强化结构 平坦表面加设蜂巢状的肋图5-14?5-5 组合之设计? 使用塑料成形的一项重要优点是可能将先前的好几个组件连接成为单一组件，这包括许多功能性 组件和固定组件。然而，在现实的考量上，为了 成形与模具的限制、功能需求、及经济考量，仍 有些塑件会制作成分离的组件，再予组合。? 由于塑件从熔胶状态冷却到固态会发生大量收缩，使得成形塑件不像冲孔和机械加工组件般可 以制作成精密配合。况且大多数的情况，熔胶之 凝固不具有等向性，所以塑件无法以单一的收缩 率去估计其最终尺寸，互相组合的塑件也必须仔 细设计各配合组件之公差。塑件与塑件间的配合 应注意： l ? 两种相同材质塑件之间的配合， 可以参考塑料供货商提供的公差值。 l ? 两种不同材质塑件之间， 或者从不同供货商 获得的材料，可以将供货商 提供之公差值再增加 0.001mm/mm。 l ? 假如流动方向具有强烈的配向性， 必须对等 向收缩之外再增加 0.001 mm/mm 到整个组件的公差。 l ? 将两个塑件之接合面设计成台阶式， 作为相 接的唇板与沟槽，以提供元 件间对齐机制，并减低大尺寸组件的公差问 题，如图 5-15。?图 5-15 使用唇板与沟槽提供良好的配合? 塑件与金属件之间的配合，应确定在塑件与金属件之接合处保留有足够的膨胀裕度给塑件，如图 5-16。?图 5-16 塑件与金属组件之组合，应在塑件的端 面预留较大的膨胀裕度。?5-5-1 压入配合连接? 简易的干涉配合(interference fits)可以用连接组件，将金属轴心与塑料毂压入配合连接 (press-fit Joints)是最常使用的方法。从塑料 供货商提供的设计图表或干涉计算公式可以用来 设计压入配合连结的组件尺寸，获得必要的压合 应力，而不致因为过量的应力造成裂缝，或是过 低的应力而造成松脱。? 图 5-17 画出最大干涉极限图。此干涉图将根据不同材料而异，其最大干涉极限是根据毂与插入 轴的直径比和材料而定。建议的最小干涉插入深 度为插入轴直径的 2 倍。? 如果相关的设计图表并不存在，则可以针对插入轴直径 d 与毂内径 d1 计算允许的干涉值。?图 5-17 金属轴件压入塑料毂的最大干涉极限。 此干涉图依照材料而异，其为最大 干 涉 百 分 比 [(d-d1)/d × 100%] 相 对 于 轴 径 比 （D/d）。? ， ? 其中，l = 径向干涉，d-d1，单位 mm。Sd = 设计应力，单位 MPa。 D = 毂外缘直径，单位 mm。 d = 插入轴直径，单位 mm。 Eh = 毂之拉伸弹性模数，单位 MPa。 Es = 插入轴弹性模数，单位 MPa。 υh = 毂材料之浦松比。 υs = 插入轴材料之浦松比。 W = 几何因子。? 设计压入配合连接，应检查于配合当中和配合后所累积的公差是否会造成过量的应力，而组合后 的配合公差是否适当。此外，在金属轴与塑料毂 之间不应该设计锥度之配合件，否则会造成过量 的应力。? 搭扣配合连接 ? 搭 扣 配 合 连 接 (snap-fit Joints) 由 倒 勾(undercut)结构取代干涉，应用塑料材料在比例 极限内的变形能力进行连接，并且在完成组合后 立即回复原始的形状。完成搭扣配合连接时，搭 扣两边的配合件都不承受应力，而连接过程中的 最大应力也不超过比例极限；完成连接之后，组 件承受的负荷亦须在材料限度以内。? 搭扣配合连接的设计包括：圆形搭扣、悬臂搭扣和扭曲式搭扣。? 圆形搭扣连接 ? 圆形搭扣连接(annular snap-fit joints)如图5-18，根据插入轴直径和回复角的选定，圆形搭 扣可以设计成可分离式、 难分离式或不可分离式。? 图 5-18典型的圆形搭扣配合连接。 组装力 W 与导角α、倒勾量 y 有密切的关系。 塑料毂直径 d，肉厚 t。?图 5-19 假设刚性轴（通常是金属）插入或退 出塑料毂，并将之撑开，此插入或退出的极限应 力值σ不得超过塑料材料的比例极限，而且造成 轴的变形量不得超过轴的允许变形量(或倒勾的 允许变形量 y)。? 图 5-19 ?搭扣组合时的应力分布最大之允许变形量决定于最大之允许应变εpm 和毂径 d。以下计算公式假设配合件之一者是 刚体，假如两个配合件有相同的挠性，则应变将 减半，而倒勾可以两倍大。? y = εpm × d ? 假如模心形成干涉环(interference ring)，则倒勾 必 须 具 有 平 滑 的 半 径 和 低 浅 的 导 角 （ lead angle），使退出时不会破损干涉环。于退出时， 作用在干涉环的应力必须维持在材料的比例极限 之内。? 悬臂搭扣连接 ? 悬臂搭扣连接(cantilever snap joints)是使用最广泛的搭扣连接方式。通常，将它插进孔内或 闩板时，勾子会挠曲；当勾子通过孔缘后就回复 原始形状。从悬臂顶端到根部应设计成锥度，使 得作用应力能够均匀分布。组合应力不应超过材 料的比例极限? 悬臂搭扣的宽度或厚度都可以设计成斜度，如图5-18。假如将其厚度从根部线性地缩减，则勾顶 厚度可以是根部厚度的一半。另外在根部勾侧加 工靠破孔， 可以简化模具的加工和动作， 如图 5-19 所示。塑件与搭扣结合的根部应加工圆角以防止 应力集中。?图 5-18 典型之悬臂搭扣连接。勾子与孔缘之干 涉量 y 代表其 于组装时应产生的挠曲量。?图 5-19 悬臂搭扣之特征?扭曲搭扣连接? 扭曲搭扣连接 (torsion snap-fit joints)在支点处承受一剪应力，它适合应用在经常组装和分 解的组件。 其总共的扭曲角与挠曲值或的关系为：?其中 φ = 扭转角度； y1, y2 = 挠曲量； l1, l2 = 臂长(参阅图 5-20)。? 允许的最大扭曲角φpm 受限于允许的剪应变γpm，? 其中φpm= 允许的最大扭曲角ψpm(度)； γpm= 允许的剪应变； l = 扭转臂长度； r = 扭转轴半径。? 塑料的允许最大剪应变γpm 大约等于： ? γpm ? 其中= ( + υ)εpm γpm = 1.35εpmγpm = 允许之剪应变； εpm = 允许之应变； υ = 浦松比(塑料大约为 0.35)。?5-5-3 固定组件? 传统上使用的固定组件(fasteners)包括固定金属组件的螺丝钉和铆钉， 它们也可以应用于塑件， 其应用上考虑的重点如下列：? l ?过于紧迫的螺丝钉或铆钉可能导致应力。l ? 螺丝钉之螺纹可以预先加工， 或是上螺丝钉 时再产生。 l ? 螺丝钉螺纹与头部之毛边、 铆钉毛边等都可能造成应力，导致塑件提早 破坏。? 螺丝钉和铆钉 ? 塑件之模数低于 200,000 psi 时，可以使用成形螺纹螺丝钉(thread-forming screws)；模数高于 200,000 psi 时，则应使用切削螺纹螺丝钉，否 则可能造成应力破裂。塑件上有需要多次上紧再 卸下的螺丝钉，必须防止对塑件切出新螺纹，宜 采用单螺纹的金属螺丝钉。螺帽必须再塑件表面 以下时，可以使用埋头孔配合螺丝钉，使用平头 螺丝钉(pan-head screws)可以加垫圈，螺丝钉和 铆钉的垫圈在接触塑件面不可以有毛边或冲痕， 否则会减低塑件寿命。必须永久固定的塑件应该 采用铆钉。 图 5-20 是不同尺寸的螺丝钉之建议孔径。?图 5-20 塑件与螺丝钉组合之建议孔洞尺寸，此 类应用应尽量采用平头螺丝钉。 埋头(countersunk screw head)和 pipe thread 螺丝钉容易上太紧而使塑件产生裂缝，应该避免 使用。? 一体成形螺纹? 塑件之一体成形螺纹(molded threads)可以避免使用螺丝钉和铆钉等额外固定组件。一体成形螺 纹 的 根 部 应 该 加 设 无 螺 纹 之 导 距 (lead-in diameter)，其比外径略大，大约一牙高度，可以 增加强度。图 5-21 显示无螺纹导距的设计。一体 成形螺纹设计导引如下：一体成形螺纹必须具有 足够强度以承受负荷。太小的螺纹，特别是与金 属螺丝钉配合的螺纹，容易变形而失去抓力。螺 纹的设计应该避免尖锐的内径，甚至在螺纹顶端 设计成圆形，以方便加工。假如成形螺纹的轴与 分模线平行，可以将之分设在公、母两模成形， 而为了避免因模具相错而产生明显的分模线，可 以将一小部分螺纹车平。假如螺纹的轴不与分模 线平行，就必须采用回转机构。内螺纹之射出通 常需要以人工或模具动作回转模具组件。塑件之 崩牙内螺纹可以在攻成更大的内螺纹。? 图 5-21 ?一体成形螺纹的设计建议镶埋件? 镶埋件(inserts)是预先插入模穴内， 于射出成形后与塑件结合成一体。镶埋件可以采用任何不会 熔化的材料。金属镶埋件可以用来导电，增强塑 件，提供组合用之螺纹。塑料镶埋件可以提供不 同颜色或不同性质的搭配组合。采用镶埋件时， 设Z浇口的位Z应该注意到使镶埋件两侧维持相 同的融胶波前之作用力，以免造成镶埋件移位。 最好设计使熔胶在镶埋件两侧有适当的流动路 径，使熔胶以相同的速率前进。模具上也可以设 计支撑镶埋件的结构，例如孔洞或柱桩。? 通常，镶埋件会造成缝合线，设计镶埋件应该容许产生缝合线或是在镶埋件周围的凸毂之一边发 生收缩应力。? 熔接制程 ? 超音波熔接(ultrasonic welding)使用高频声波振动，使两个塑件相对滑动，此二表面的短行程 高速往复滑动使界面熔化。停止振动后，接口冷 却，使得两塑件表面结合。? 超音波熔接应注意到两种材料的兼容性。表面的接点设计对于熔接的成功与否影响很大，应在一 熔接面设计一小三角形的能量导引，请参阅图 5-22。在接点设计成轴对称结构，于熔化后，使两种材料熔接在一起。传送能量的超音波喇叭对 于熔接成败的影响很大。? 《模流分析基础入门》 ? ? ? 模具设计 ? 流道系统 ? 流道系统(runner systems)将熔胶从竖浇道引导到模穴内，要推动熔胶流过流道系统就需要额外的压 力。当熔胶流经流道系统时，产生的剪切热（摩擦 热）使熔胶温度升高，有助于熔胶的流动。? 虽然适当的流道尺寸对于一个塑件和模具设计有许多好处，但因为其基本原理尚未广泛深入了解， 所以流道尺寸设计问题经常被忽略。一般认为，大 尺寸流道可以使用较低压力推进熔胶流动，但是却 需要较长的冷却时间，会产生较多的废料，也需要 较高的锁模力。反之，适当的小尺寸流道在使用原 料和消耗能源等方面可以达到最高效率。流道尺寸 的缩减极限在于射出成形机的射出压力规格。? 模流分析的流道平衡功能可以找出最佳化的流道尺寸，提供良好的流道系统，以合理的压力降充填平衡的流道和模穴。设计良好的流道系统有下列好 处：? ?可以决定最佳的模穴数目? 确定熔胶可以填饱模穴 ? 可以达成多模穴系统之平衡充填 ? 可以达成多浇口之模穴的平衡充填 ? 可以使废料最少化 ? 使塑件顶出较容易 ? 达成能源使用效率最佳化 ? 可控制充填时间／保压时间／成形周期时间?6-1-1 模穴数目之决定? 模穴数目的多寡取决于可应用的生产时间、射出机射出量的大小、 所需之塑件品质、 射出机塑化能力、 塑件形状与尺寸，以及模具成本等因素。以下三组 简单的公式可以协助决定模穴数目，应选取三组公 式所获得之最小值作为设计模穴数目。? 产品数量 ? 假如塑件尺寸公差的要求不甚严格，而且需要大量的成品，则选择多模穴较恰当。模穴数目取决于供 应一定量塑件所需的时间（tm）、每批次的塑件数 量（L）、生产一模塑件所需的时间（tc）、和淘汰因子（K），其中，? K = 1/（1 - 不良率）模穴数 = L × K × tc / tm? 射出量能 ? 射出机的射出量能也是决定模穴数目的一个重要因素，取射出量能的 80为射出重量(S)，再除以 塑件重量（W），即可计算出模穴数目。 模穴数目 =S / W? (3) 塑化能力 ? 射出机的塑化能力是影响模穴数目的另一个重要因素。将射出机的塑化能力（P）除以每分钟估计 的射出次数(X)和塑件重量(W)，即可计算出模穴数 目。? 模穴数目 = P / ( X × W) ?6-1-2 流道配Z? 多模穴系统的基本流道配Z方式如图 6-1，包括： ? ?标 准 流 道 系 统 （ standard ， 或 鱼 骨 形Herringbone） ? H 形流道系统 （H-bridge， 或分枝形 branching） ? 辐射流道系统（radial，或星形 star）? H 形和幅射流道系统提供自然平衡，亦即从竖浇道到所有的模穴都有相同的流动距离和流道尺寸，所 以各模穴都有相同的充填条件。至于鱼骨形流道系 统，虽然不是自然平衡，却比自然平衡系统可以在 相同的模具内塞进更多模穴，造成最小的流道体和 最低的模具加工成本。除了采用自然平衡的流道系 统之外，不平衡的流道系统也可用人工改变流道直 径与长度，或是在各个子流道加装流量调节螺丝， 以调整获得平衡的系统。模流分析软件的流道平衡 分析可以自动化完成流道平衡。?6-1-3 竖浇道尺寸之决定? 竖浇道尺寸主要决定于塑件尺寸，特别是塑件的肉厚。竖浇道的设计必须能够方便可靠地让塑件脱 模，于射出成形时，竖浇道不可以比塑件其它部分 的截面更早凝固，如此才能够有效?图 6-1 基本的流道系统之配Z?图 6-2 是建议的竖浇道设计规范。 不具有锐角的系统有助于塑料的流动，所以，应该将竖浇道根部设 计成半径 r2 的圆角。其它的设计规格如下列：? Dco R tmax + 1.5(mm)Ds R Dn + 1.0 (mm) α R 1° ~ 2° tan(α) = (Dco C D) / 2L?图 6-2 竖浇道根部的圆角可以改善熔胶的流动?6-1-4 流道截面之设计? 常见的流道截面如图 6-3，包括： ? ?圆形流道? 梯形流道 ? 改良梯形流道（圆形与梯形之组合） ? 半圆形流道 ? 长方形流道? 通常建议采用前三种流道截面设计。就最大的体积与表面积比值而言，圆形流道最佳，也具有最小的 压力降和热损失，然而，却必须在两侧模板都进行 加工，模具加工成本通常较高昂，而且合模时两侧 的半圆也必须对齐。相对地，梯形流道只在母模侧 加工， 其效能也很好， 梯形流道通常应用于三板模，因为三板模如果采用圆形流道时，可能无法顺利脱 模，而且模具可能在分模线造成圆形流道与模板滑 动件之间的干涉。? 图 6-3 ?常用的流道截面形状对于不同形状的流道，可以使用做为流动阻力 指标的水力直径(hydraulic diameter)进行比较。 水力直径愈大，流动阻力愈低。水力直径定义为：?其中， Dh = 水力直径 A = 截面面积 P = 周长? 图 6-3 比较各种流道形状之等效水力直径， 这些系数正好是 C-mold 软件之形状因子(shape factor) 的倒数。? 图 6-3 ?各种流道形状的等效水力直径6-1-5 流道尺寸之决定? 流道的直径和长度会影响流动阻力。流动阻力愈大的流道，充填就会造成愈大的压力降。加大流道直 径可以降低流动阻力，但是会耗用较多的树脂材 料，也需要更长的冷却时间，才能顶出塑件。设计 流道直径最初可以根据实验数据或是下列方程式 进行，然后应用模流分析软件微调流道直径，最佳 化熔胶传送系统。最初估算的流道直径为：?其中， D = 流道直径 (mm)； W = 塑件重量 (g)； L =流道长度 (mm)。? 范例说明：图 6-4 和图 6-5 所提供实验数据可以用来计算流道尺寸， 例如， 一个 300 公克重的 ABS 塑件，其厚度为 3 mm，流道长度为 200 mm，则流 道直径该是多少？? 根据图 6-4，在 300 公克重之水平线和 3mm 厚直线之交点处画一垂直线，与横轴交于 5.8 mm 处， 即为参考直径 D’。 使用图 6-5，在流道长度 200 mm 处画水平线与曲 线得到交点，再画垂直线与横轴交于 1.29，即为长度系数 fL 。 将 5.8 mm 乘上 1.29，获得之流道直径为 7.5 mm 。?图 6-4材料的流道直径图，其中，G=塑件重量(g); S=塑件厚度（mm）; D’=参考直径(mm)?图 6-5 流道长度与长度系数对于流动直径的影 响?一般无法填充料之塑料的典型流道尺寸列于 表 6-１。? 表 6-1 ?无填充料之塑料的典型流道尺寸材料 直径 材料 直径 mm inch mm inch ABS, SAN 5.0-10.0 3/16-3/8 Polycarbonate 聚碳酸脂(PC) 5.0-10.0 3/16-3/8 Acetal 聚 缩 醛 树 脂 3.0-10.0 1/8-3/8 Thermoplastic polyester 热塑性聚脂树脂 3.0-8.0 1/8-5/16Acetate 5.0-110. 3/16-7/19 Thermoplastic polyester (reinforced) 补强热塑性聚脂树脂 5.0-10.0 3/16-3/8 Acrylic 压 克 力 8.0-10.0 5/16-3/8 Polyethylene 聚乙烯 2.0-10.0 1/16-3/8 Butyrate 5.0-10.0 3/16-3/8 Polyamide 聚丙烯酸脂 5.0-10.0 3/16-3/8 Fluorocarbon 聚 氟 碳 树 脂 5.0-10.0 3/16-3/8 Polyphenylene oxide 6.0-10.0 1/4-3/8 Impact acrylic 耐 冲 击 压 克 力 8.0-10.0 5/16-1/2 Polyphenylene 聚丙烯 5.0-10.0 3/16-3/8 Ionomers 2.0-10.0 3/32-3/8 Polystyrene 聚苯乙烯 3.0-10.0 1/8-3/8 Nylon 耐隆 2.0-10.0 1/16-3/8 Polysulfone 聚氟乙烯 6.0-10.0 1/4-3/8 Phenylene 6.0-10.0 1/4-3/8 Polyvinyl (plasticized) 聚氯乙烯 3.0-10.0 1/8-3/8Phenylene sulfide 6.0-10.0 1/4-1/2 PVC Rigid 硬质聚氯乙烯 6.0-16.0 1/4-5/8 Polyallomer 异聚合物 5.0-10.0 3/16-3/8 Polyurethane 聚尿素树脂 6.0-8.0 1/4-5/16?6-1-6 热流道系统? 理想的射出成形系统可以生产密度均匀的塑件，而且不需要流道，不产生毛边和浇口废料。使用热流 道系统(hot runner systems)可以达成此一目标。 热流道内尚未射进模穴的塑料会维持在熔融状态， 等充填下一个塑件时再进入模穴，所以不会变成浇 口 废 料 。 热 流 道 系 统 也 称 作 热 歧 管 系 统 (hot manifold systems) 或 无 流 道 成 形 (runnerless molding)。常用的热流道系统包括：绝热式和加热 式两种。? 使用绝热式流道(insulated runners) 的模具，其模板有足够大的通道，于射出成形时，接近流道壁 面塑料的绝热效果加上每次射出熔胶之加热量，就 足以维持熔胶流路的通畅，如图 6-6(a)所示。? 加热式流道(heated runners)系统有内部加热与外部加热两种设计。 内部加热式如图 6-6(b)， 由内部的热探针或鱼雷管加热，提供了环形的流动通道。 藉由熔胶的隔热作用可以减少热量散失到模具。外 部加热式提供了内部的流动通道，并由隔热组件与 模具隔离以降低热损失， 如图 6-6(c)。 5-2 列出 表 三种热流道的优缺点。? 表 6-2 ?各种流道系统之优缺点 点 缺 点热流道种类 优绝热式 设计较简单 成本较低 ? 会在浇口处产生不必要的凝固层 。 ? 必须以短周期时间维持熔融状态。 ? 需要较长的起动时间以到达稳定的熔胶温度。 ? 有充填不均之问题。 内部加热式 改善热分布情形 ? 成本较高，设计 较复杂 。 ? 应注意流动平衡和复杂的温度控制。 ? 应考虑模具的不同组件之间的热膨胀。 外部加热式 改善热分布情形 温度控制较佳 ? 成本较高，设计较复杂。 ? 应考虑不同的模具组件之间的热膨胀。?图 6-6 热流道系统之种类：(a)绝热式、(b)内部加热式、和(c)外部加热式。?6-2 流道平衡? 如果可能的话，应使用自然平衡流道系统来平衡进入模穴的熔胶流动。让熔胶平衡地流入模穴是高品 质塑件之先决条件，藉由改变流道的尺寸与长度可 以达成自然平衡的流道系统。假如无法达成自然平 衡之流道系统，可以改用人工平衡流道系统，经由 改变浇口尺寸获得相似的平衡充填，但是会显著地 影响浇口的冷凝时间，进一步影响塑件的均质。应 用模流分析软件的流道平衡工具，可以使人工平衡 流道系统变得更节省时间和成本，并且获得平衡充 填的塑件，参阅图 6-7。?图 6-7 人工平衡流道系统之成形塑件?要平衡流道系统，促成熔胶流向距离竖浇道最 遥远的模穴，可以缩减充填其它模穴的流道口径。 但必须注意到，太小的流道口径可能使流道内的熔 胶提前凝固，造成短射；另一方面，小口径流道会 增加剪切热，使熔胶黏滞性降低，造成更快速的充 填。此外，应该牢记非标准规格的流道口径会增加模具的制作成本与维修成本。? 人工平衡流道系统有可能因为塑料差异就射出不同品质的塑件，所以需要更严谨地控制成形条件。 只要成形件稍有变化，充填模式就可能改变，造成 不平衡的充填。? 在流道设计的最终阶段，模流分析软件可以协助确认流动