【正文】 ed injection molding)等等。按照重量計算，大約32%的塑料采用射出成形加工。尤其是回轉(zhuǎn)式螺桿射出機(jī)的發(fā)明，更對于熱塑性塑料射出成形的多樣性及生產(chǎn)力造成革命性的沖擊。圖11是回轉(zhuǎn)式螺桿射出機(jī)的示意圖。市場上的模流分析軟件提供了改變塑件設(shè)計、模具設(shè)計、及制程條件最佳化等CAE功能。在CAE領(lǐng)域，塑料射出模流分析已經(jīng)存在具體的成效，協(xié)助射出成形業(yè)者獲得相當(dāng)完整的解決方案。市場上模流分析軟件大多數(shù)是根據(jù)GHS(Generalized HeleShaw)流動模型所發(fā)展的中間面(midplane)模型或薄殼(shell)，以縮減求解過程的變量數(shù)目，并且應(yīng)用成熟穩(wěn)定的數(shù)值方法，發(fā)展出高效率的CAE軟件。通常，、. .IGES、 MESH、STEP等檔案格式。新一代的模流分析軟件舍棄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(zhì)之模型方程式，以獲得更真實的解答。應(yīng)用上可能遭遇縫合線預(yù)測錯誤、流動長度估算錯誤等問題。使用此法的軟件如Moldex3D。射出成形機(jī)的主要輔助設(shè)備包括樹脂干燥機(jī)、材料處理及輸送設(shè)備、粉碎機(jī)、模溫控制機(jī)與冷凝器、塑件退模之機(jī)械手臂、以及塑件處理設(shè)備。圖22 熱塑性塑料的單螺桿射出成形機(jī)之塑化螺桿、料筒、電熱片、固定模板及移動模板。(3) 回轉(zhuǎn)式螺桿回轉(zhuǎn)式螺桿可以壓縮塑料、熔化塑料及輸送塑料，螺桿上包括了進(jìn)料區(qū)(feeding zone)、壓縮區(qū)（pression zone, 或轉(zhuǎn)移區(qū)transition zone）、和計量區(qū)(metering zone)三個區(qū)段，如圖23所示。(4) 噴嘴噴嘴連接料筒和豎澆道襯套(sprue bushing)。圖24 (a)在成形位置的噴嘴與料筒；(b)在清料位置的噴嘴與料筒。射出成形的模具系統(tǒng)是安裝模板與成形模板的組合，通常以工具鋼加工制成。(1) 兩板模大多數(shù)模具是由兩片模板組成，如圖26，此類模具常使用在塑件澆口正好設(shè)在塑件邊緣或者接近塑件邊緣的設(shè)計，其流道(runner)也設(shè)計在母模板上。213 油壓系統(tǒng)射出機(jī)的油壓系統(tǒng)提供開啟與關(guān)閉模具的動力，蓄積并維持鎖模力噸數(shù)，旋轉(zhuǎn)與推進(jìn)螺桿，致動頂出銷，以及移動公模側(cè)?？刂葡到y(tǒng)包括簡單的開／關(guān)繼電器控制到復(fù)雜的微處理器閉回路控制器。熔膠輸送系統(tǒng)提供讓熔膠從射出機(jī)噴嘴流到模穴的通道，它通常包括：豎澆道(sprue)、冷料井(cold slug well)、主流道、分枝流道、和澆口(gates)。在完成射出成形之后，冷流道輸送系統(tǒng)將會被切除成為回收廢料，所以應(yīng)該設(shè)計輸送系統(tǒng)，以產(chǎn)生最少的廢料。其動作可以區(qū)分為塑料之塑化、充填、保壓、冷卻、頂出等階段的循環(huán)制程，包括的基本操作動作如下列：(1) 關(guān)閉模具，以便螺桿開始向前推進(jìn)，如圖28(a)。(5) 開啟模具，頂出塑件，如圖28(e)。當(dāng)熔膠進(jìn)入模穴，受壓氣體從頂出銷、分模線和氣孔逸出。充填與保壓階段結(jié)束，熔膠在模具里完全凝固后，再打開模穴取出塑件。(a)關(guān)閉模具；(b)充填模穴；(c)保壓； (d)螺桿后退；(e)頂出塑件；(f)開始下一個循環(huán)。回轉(zhuǎn)式螺桿射出機(jī)之射出成形的主要控制參數(shù)如下列： (1) 背壓　　背壓(back pressure)是螺桿往后推以準(zhǔn)備下一次射出塑料時，作用于螺桿前端之塑料的壓力值。(2) 射出速度（或射出時間）　　射出速度（injection speed或螺桿速度ram speed）是指射出操作中，螺桿的前進(jìn)速度。射出時間是將熔膠充填進(jìn)模穴所需的時間，受到射出速度控制。有時候，粗厚塑件或小澆口會降低充填速度，此時必須保持熔膠連續(xù)地流過澆口以防止?jié)部谀?，進(jìn)而充飽模穴。(4) 緩沖量　　緩沖量(cushion)是螺桿的最大允許前進(jìn)位置與最末端的前進(jìn)位置之間的差值。最初設(shè)定的熔膠溫度應(yīng)參考樹脂供貨商的推薦數(shù)據(jù)。(6) 模具溫度模具溫度的限制在于避免塑料在模穴內(nèi)的剖面凍結(jié)(freezing)以及塑料的冷卻性質(zhì)(例如crystallization等)。較低的模具溫度可以加速成形周期，故應(yīng)盡量使用可接受的最低模具溫度。模具固定側(cè)和移動側(cè)使用不同模溫的目的之一是要控制成品附著在模仁，方便頂出。?塑件壁厚(part thickness)—粗厚件需要較長冷卻時間，通常使用較低模溫。然而，太高的射出壓力會造成塑件潛在的應(yīng)力。假如在塑件尚未完全冷卻硬化之前就頂出，會造成塑件翹曲變形。有時候，考慮到成形品的可靠性和尺寸穩(wěn)定性，最理想的制程循環(huán)有可能不是dead time最短的制程。甚至有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練器只要辨識組件的幾何關(guān)系和樹脂特性就可以對新設(shè)計緣漸漸溢出有效的成形條件。l 印刷：為裝飾或提供信息而在塑件表面加工。簡單的高分子材料呈鏈狀結(jié)構(gòu)，其中最重要者首推乙烯基高分子(vinyl polymer)，結(jié)構(gòu)如下：其中，當(dāng) R = H，為聚乙烯；當(dāng) R = CH3，為聚丙烯；當(dāng) R = C6H5，為聚苯乙烯；當(dāng) R = Cl，則成為聚氯乙烯?！　「叻肿泳酆衔锏姆肿渔溈梢砸暈橐恢貜?fù)單體長鏈，加上主要分子鏈旁枝的化學(xué)基，如圖3１所示。塑料高分子還受到機(jī)械加工制程與熱歷程影響。就分子量分布而言，短分子鏈影響拉伸及沖擊強(qiáng)度，中分子鏈影響?zhàn)约凹羟辛鲃有再|(zhì)，長分子鏈影響熔膠之彈性。 ? 受外力作用時會產(chǎn)生連續(xù)變形(潛變現(xiàn)象)。(，~2，)☆ 耐腐蝕性佳。相對地，塑料材料則具有良好的機(jī)械阻尼、良好的熱膨脹性、加工周期短而且可以減少穿孔等二次加工的成本、密度低、增加產(chǎn)品設(shè)計的空間與選擇、料頭可以回收以節(jié)省成本、可以提高產(chǎn)品壽命、亦可能獲得很高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。塑料材料與金屬、陶瓷材料之特性比較如表31。當(dāng)混合結(jié)果具有多重的玻璃轉(zhuǎn)移溫度，稱為聚合物混合物，其性質(zhì)是各別聚合物的平均。31 塑料之分類　　根據(jù)分子聯(lián)結(jié)的聚合反應(yīng)種類，塑料可以區(qū)分為熱塑性塑料(thermoplastics)和熱固性塑料(thermosets)。其它類別的塑料包括彈性體(elastomers)、共聚合物(copolymers)、復(fù)合物(pounds)、商用塑料和工程塑料。對熱的反應(yīng)˙可以再軟化（屬于物理相態(tài)變化）。˙對于復(fù)雜設(shè)計有較佳的適應(yīng)性。32 熱塑性塑料　　一般而言，熱塑性塑料聚合度較高，分子量也較大?！　崴苄运芰险妓a(chǎn)塑料的70%，熱塑性塑料以小球狀或顆粒狀販?zhǔn)?，它們在壓力下加熱熔化成黏稠狀流體，冷卻時形成所需的成品形狀。然而，工程塑料諸如縮醛(acetal)、ABS、耐隆、聚碳酸脂(PC)等提供了高機(jī)械強(qiáng)度、較佳的耐熱性、較高的沖擊強(qiáng)度等改善性能，因此價格也比較昂貴。而工程塑料是指在機(jī)械裝置中取代其它金屬材料用途之塑料，亦即使用為機(jī)械材料的塑料，屬于高性能的塑料，一般具有較大的溫度使用范圍(–40℉~300℉)、高強(qiáng)度與高剛性、耐沖擊性、低潛變性、耐磨損、優(yōu)良的耐化學(xué)藥品性及絕緣性。微結(jié)構(gòu)分子在液相和固相都呈現(xiàn)雜亂的配向性。性質(zhì)l 透明l 抗化學(xué)性差l 成形時體積收縮率低l 通常強(qiáng)度不高l 一般具有高熔膠黏度l 熱含量低l 半透明或不透明l 抗化學(xué)性佳l 成形時體積收縮率高l 強(qiáng)度高l 熔膠黏度低l 熱含量高321 不定形聚合物　　在無應(yīng)力作用下加熱，不定形塑料熔膠之分子鏈雜亂地相互糾纏在一起，分子鏈僅以微弱的凡得瓦爾力維系。不定形塑料的透明度高、耐熱性中等、耐沖擊性好、收縮量低。322 （半）結(jié)晶性聚合物結(jié)晶性材料是不具有大側(cè)基、旁枝或交聯(lián)的聚合物，熔融的結(jié)晶性塑料黏滯性低，容易流動。因為在正常的加工程序很難獲得100%結(jié)晶，結(jié)晶性塑料通常呈現(xiàn)半結(jié)晶，它同時具有結(jié)晶與不定形兩種相態(tài)，其結(jié)晶度則決定于聚合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)和成形條件。液晶聚合物具有低黏度、低成形收縮率、抗化學(xué)性、高勁度，抗?jié)撟?，及整體尺寸穩(wěn)定性等加工與性能的優(yōu)勢?！　≡诔尚沃?，熱固性塑料和熱塑性塑料一樣具有鏈狀結(jié)構(gòu)。熱固性塑料的性質(zhì)可以想象成煮熟的蛋，蛋黃從液體變成固體，卻無法再轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w。其結(jié)構(gòu)之網(wǎng)目愈細(xì)，耐熱性和耐化學(xué)性也愈佳。34 添加劑、填充料與補(bǔ)強(qiáng)料　　添加劑(additives)、填充料(fillers)和補(bǔ)強(qiáng)料(reinforcements)是用來改變或改善塑料的物理性質(zhì)和機(jī)械性質(zhì)，其影響列于表35。假如添加低值長寬比的填充料，其底材的性質(zhì)改變較小，此類填充料的好處如下：? 降低收縮量。? 改善耐溶劑性。C／176。纖維補(bǔ)強(qiáng)料可以相當(dāng)程度地影響塑料性質(zhì)?！　∫驗槔w維的配向性隨著流動方向、肉厚方向、縫合線位置而變化，為了預(yù)測塑件的性質(zhì)，預(yù)測這些配向性就愈顯重要。除了這兩種的材料流動行為，還有剪切和拉伸兩種流動變形，如圖41 (a)與(b)。在特定的條件下，熔膠像液體一樣受剪應(yīng)力作用而連續(xù)變形；然而，一旦應(yīng)力解除，熔膠會像彈性固體一樣恢復(fù)原形，如圖42 (b)與 (c)所示。因為聚合物系統(tǒng)內(nèi)仍有分子鏈的交纏，此恢復(fù)應(yīng)力可能不是立即發(fā)生作用。聚合物熔膠因長分子鏈接構(gòu)而具有高黏度，通常的黏度范圍介于2~3000 Pa（水為 101 Pa，玻璃為1020 Pa）。例如，以兩倍壓力推動開放管線內(nèi)的水，水的流動速率也倍增。另一方面，在塑件中心層因為對稱性流動，使得材料之間的相對移動趨近于零，剪變率也接近零，如圖44（b）所示。聚合物分子鏈的運(yùn)動能力隨著溫度升高而提高，如圖45所示，隨著剪變率升高與溫度升高，熔膠黏度會降低，而分子鏈運(yùn)動能力的提升會促進(jìn)較規(guī)則的分子鏈排列及降低分子鏈相互糾纏程度。射出壓力推動熔膠進(jìn)入模穴以進(jìn)行充填和保壓，熔膠從高壓區(qū)流向低壓區(qū)，就如同水從高處往低處流動。圖46 壓力沿著熔膠輸送系統(tǒng)和模穴而降低模穴入口的壓力愈高，導(dǎo)致愈高的壓力梯度（單位流動長度之壓力降）。使用P表示射出壓力，n 表示材料常數(shù)，~ 之間，則熔膠流動在豎澆道、流道和圓柱形澆口等圓形管道內(nèi)所需的射出壓力為：熔膠流動在薄殼模穴之帶狀管道內(nèi)所需的射出壓力為： 熔膠的流動速度與流動指數(shù)(Melt Index, MI) 有關(guān)，流動指數(shù)也稱為流導(dǎo)flow conductance），流動指數(shù)是熔膠流動難易的指標(biāo)。圖48 射出壓力與使用材料知黏滯性、流動長度、容積流率和肉厚的函數(shù)關(guān)系圖49　流動指數(shù)相對于壁厚與黏度關(guān)系圖410　熔膠流動長度決定于塑件厚度和溫度將射出成形充填模穴的射出壓力相對于充填時間畫圖，通?？梢垣@得U形曲線，如圖411，其最低射出壓力發(fā)生在曲線的中段時間。圖411　射出壓力相對于充填時間之U形曲線最后必須指出，因為熔膠速度（或剪變率）、熔膠黏度與熔膠溫度之間交互作用，有時候使得充填模穴的動力學(xué)變得非常復(fù)雜。421 影響射出壓力的因素圖 412針對影響射出壓力的設(shè)計與成形參數(shù)進(jìn)行比較。圖413 計算機(jī)仿真之熔膠充填模式的影像431 熔膠波前速度與熔膠波前面積熔膠波前的前進(jìn)速度簡稱為MFV，推進(jìn)熔膠波前的剖面面積簡稱為 MFA，MFA可以取熔膠波前橫向長度乘上塑件肉厚而得到，或是取流道剖面面積，或者視情況需要而取兩者之和。圖414 熔膠波前速度(MFV)和熔膠波前面積(MFA)。分子鏈和纖維的配向性取決于熔膠之流體動力學(xué)和纖維伸展的方向性。充填時的MFV差異會使得塑件內(nèi)的配向性差異，導(dǎo)致收縮不同而翹曲，所以充填時應(yīng)盡量維持固定的MFV，使整個塑件有均勻的分子鏈配向性。流動平衡時，熔膠波前面積有最小的變化，如圖 416所示。通常廠商比較常提供的塑料特性指標(biāo)是流動指標(biāo)MI (Melt index)，一般塑料的MI值大約介于1~25之間，MI值愈大，代表該塑料黏度愈小，分子重量愈??；反之，MI值愈小，代表該塑料黏度愈大，分子重量愈大。分子量大者璃轉(zhuǎn)移溫度Tg較高，機(jī)械性質(zhì)、耐熱性、耐沖擊強(qiáng)度皆提升，但是黏度亦隨分子量增大而提高，造成加工不易。(3) 分子配向性塑料材料原來的性質(zhì)會隨著外來的因素和作用力而改變，例如聚合物熔膠的黏度(表示材料流動阻力)隨分子量增加而增加，但隨溫度增加而減少。然而，塑件的機(jī)械性質(zhì)受到負(fù)荷種類、負(fù)荷速率、施加負(fù)荷期間長短、施加負(fù)荷的頻率、以及使用環(huán)境溫度變化與濕度變化等因素的影響，所以設(shè)計者必須將這些使用條件列入考慮。設(shè)計塑件時，應(yīng)該根據(jù)塑件承受的主要負(fù)荷來決定材料相關(guān)的強(qiáng)度。圖51說明拉伸試驗棒和預(yù)設(shè)固定負(fù)荷下的變形量，其中，應(yīng)力(σ)與應(yīng)變(ε)的定義為：圖51 (a) 拉伸實驗棒截面面積A，原始長度L0；(b) 于固定負(fù)荷下拉長至長度L。楊氏模數(shù)實際上是材料剛性(rigidity)的指標(biāo)，它可以應(yīng)用于工程上簡化的線性運(yùn)算，例如決定塑件的勁度(stiffness)。圖 53 局部之應(yīng)力—應(yīng)變曲線，其中，P點(diǎn)是比例極限， 經(jīng)常用作設(shè)計上的應(yīng)變限度。無填充料的熱塑性塑料在降伏點(diǎn)以上產(chǎn)生拉伸現(xiàn)象，使應(yīng)力減小。通常，在高負(fù)荷速率和低溫條件時，塑料材料顯得剛且脆；低負(fù)荷速和高溫條件時，受到其黏滯性的影響，塑料材料較具有撓性和延展性。不定形塑料通過軟化區(qū)后呈現(xiàn)黏性流?！　∫O(shè)計承受長期負(fù)荷的塑件，必須使用潛變量據(jù)以確保塑件不會在壽命周期內(nèi)產(chǎn)生破壞、產(chǎn)生降伏、裂縫或是過量的變形。這些曲線將取代短期的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，應(yīng)用于長期靜負(fù)荷之塑性設(shè)計。˙只要施加負(fù)荷的時間夠久，就可能發(fā)生破壞，此稱為應(yīng)力破裂(stress crack)。塑料材料發(fā)生潛變的物理機(jī)構(gòu)也可以應(yīng)用于應(yīng)力松弛。假如施加時間間距短，而且為長期的反復(fù)性負(fù)荷，應(yīng)該使用SN曲線進(jìn)行設(shè)計?！　〖词怪皇┘雍苄〉膽?yīng)力，根據(jù)施加應(yīng)力的大小，材料承受反復(fù)性負(fù)荷時，可能在周期結(jié)束后無法恢復(fù)原狀。塑料的沖擊強(qiáng)度（或韌性）表示其抵抗脈