【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。尤其是回轉式螺桿射出機的發(fā)明，更對于熱塑性塑料射出成形的多樣性及生產力造成革命性的沖擊。圖11是回轉式螺桿射出機的示意圖。市場上的模流分析軟件提供了改變塑件設計、模具設計、及制程條件最佳化等CAE功能。在CAE領域，塑料射出模流分析已經存在具體的成效，協助射出成形業(yè)者獲得相當完整的解決方案。市場上模流分析軟件大多數是根據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目，并且應用成熟穩(wěn)定的數值方法，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、物理性質之模型方程式，以獲得更真實的解答。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。使用此法的軟件如Moldex3D。射出成形機的主要輔助設備包括樹脂干燥機、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。圖22 熱塑性塑料的單螺桿射出成形機之塑化螺桿、料筒、電熱片、固定模板及移動模板。(3) 回轉式螺桿回轉式螺桿可以壓縮塑料、熔化塑料及輸送塑料，螺桿上包括了進料區(qū)(feeding zone)、壓縮區(qū)（pression zone, 或轉移區(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。213 油壓系統射出機的油壓系統提供開啟與關閉模具的動力，蓄積并維持鎖模力噸數，旋轉與推進螺桿，致動頂出銷，以及移動公模側。控制系統包括簡單的開／關繼電器控制到復雜的微處理器閉回路控制器。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(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。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) 關閉模具，以便螺桿開始向前推進，如圖28(a)。(5) 開啟模具，頂出塑件，如圖28(e)。當熔膠進入模穴，受壓氣體從頂出銷、分模線和氣孔逸出。充填與保壓階段結束，熔膠在模具里完全凝固后，再打開模穴取出塑件。(a)關閉模具；(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)?；剞D式螺桿射出機之射出成形的主要控制參數如下列： (1) 背壓　　背壓(back pressure)是螺桿往后推以準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，螺桿的前進速度。射出時間是將熔膠充填進模穴所需的時間，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蹋M而充飽模穴。(4) 緩沖量　　緩沖量(cushion)是螺桿的最大允許前進位置與最末端的前進位置之間的差值。最初設定的熔膠溫度應參考樹脂供貨商的推薦數據。(6) 模具溫度模具溫度的限制在于避免塑料在模穴內的剖面凍結(freezing)以及塑料的冷卻性質(例如crystallization等)。較低的模具溫度可以加速成形周期，故應盡量使用可接受的最低模具溫度。模具固定側和移動側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。甚至有神經網絡訓練器只要辨識組件的幾何關系和樹脂特性就可以對新設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構，其中最重要者首推乙烯基高分子(vinyl polymer)，結構如下：其中，當 R = H，為聚乙烯；當 R = CH3，為聚丙烯；當 R = C6H5，為聚苯乙烯；當 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蛦误w長鏈，加上主要分子鏈旁枝的化學基，如圖3１所示。塑料高分子還受到機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度，中分子鏈影響?zhàn)约凹羟辛鲃有再|，長分子鏈影響熔膠之彈性。 ? 受外力作用時會產生連續(xù)變形(潛變現象)。(，~2，)☆ 耐腐蝕性佳。相對地，塑料材料則具有良好的機械阻尼、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、增加產品設計的空間與選擇、料頭可以回收以節(jié)省成本、可以提高產品壽命、亦可能獲得很高的結構強度。塑料材料與金屬、陶瓷材料之特性比較如表31。當混合結果具有多重的玻璃轉移溫度，稱為聚合物混合物，其性質是各別聚合物的平均。31 塑料之分類　　根據分子聯結的聚合反應種類，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)、復合物(pounds)、商用塑料和工程塑料。對熱的反應˙可以再軟化（屬于物理相態(tài)變化）。˙對于復雜設計有較佳的適應性。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塑料的70%，熱塑性塑料以小球狀或顆粒狀販售，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)等提供了高機械強度、較佳的耐熱性、較高的沖擊強度等改善性能，因此價格也比較昂貴。而工程塑料是指在機械裝置中取代其它金屬材料用途之塑料，亦即使用為機械材料的塑料，屬于高性能的塑料，一般具有較大的溫度使用范圍(–40℉~300℉)、高強度與高剛性、耐沖擊性、低潛變性、耐磨損、優(yōu)良的耐化學藥品性及絕緣性。微結構分子在液相和固相都呈現雜亂的配向性。性質l 透明l 抗化學性差l 成形時體積收縮率低l 通常強度不高l 一般具有高熔膠黏度l 熱含量低l 半透明或不透明l 抗化學性佳l 成形時體積收縮率高l 強度高l 熔膠黏度低l 熱含量高321 不定形聚合物　　在無應力作用下加熱，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）結晶性聚合物結晶性材料是不具有大側基、旁枝或交聯的聚合物，熔融的結晶性塑料黏滯性低，容易流動。因為在正常的加工程序很難獲得100%結晶，結晶性塑料通常呈現半結晶，它同時具有結晶與不定形兩種相態(tài)，其結晶度則決定于聚合物的化學結構和成形條件。液晶聚合物具有低黏度、低成形收縮率、抗化學性、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構。熱固性塑料的性質可以想象成煮熟的蛋，蛋黃從液體變成固體，卻無法再轉變?yōu)橐后w。其結構之網目愈細，耐熱性和耐化學性也愈佳。34 添加劑、填充料與補強料　　添加劑(additives)、填充料(fillers)和補強料(reinforcements)是用來改變或改善塑料的物理性質和機械性質，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。纖維補強料可以相當程度地影響塑料性質?！　∫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，為了預測塑件的性質，預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力作用而連續(xù)變形；然而，一旦應力解除，熔膠會像彈性固體一樣恢復原形，如圖42 (b)與 (c)所示。因為聚合物系統內仍有分子鏈的交纏，此恢復應力可能不是立即發(fā)生作用。聚合物熔膠因長分子鏈接構而具有高黏度，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，而分子鏈運動能力的提升會促進較規(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入模穴以進行充填和保壓，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和模穴而降低模穴入口的壓力愈高，導致愈高的壓力梯度（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，~ 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所需的射出壓力為：熔膠流動在薄殼模穴之帶狀管道內所需的射出壓力為： 熔膠的流動速度與流動指數(Melt Index, MI) 有關，流動指數也稱為流導flow conductance），流動指數是熔膠流動難易的指標。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關系圖49　流動指數相對于壁厚與黏度關系圖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變得非常復雜。421 影響射出壓力的因素圖 412針對影響射出壓力的設計與成形參數進行比較。圖413 計算機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速度簡稱為MFV，推進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和纖維伸展的方向性。充填時的MFV差異會使得塑件內的配向性差異，導致收縮不同而翹曲，所以充填時應盡量維持固定的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是流動指標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，分子重量愈小；反之，MI值愈小，代表該塑料黏度愈大，分子重量愈大。分子量大者璃轉移溫度Tg較高，機械性質、耐熱性、耐沖擊強度皆提升，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，塑件的機械性質受到負荷種類、負荷速率、施加負荷期間長短、施加負荷的頻率、以及使用環(huán)境溫度變化與濕度變化等因素的影響，所以設計者必須將這些使用條件列入考慮。設計塑件時，應該根據塑件承受的主要負荷來決定材料相關的強度。圖51說明拉伸試驗棒和預設固定負荷下的變形量，其中，應力(σ)與應變(ε)的定義為：圖51 (a) 拉伸實驗棒截面面積A，原始長度L0；(b) 于固定負荷下拉長至長度L。楊氏模數實際上是材料剛性(rigidity)的指標，它可以應用于工程上簡化的線性運算，例如決定塑件的勁度(stiffness)。圖 53 局部之應力—應變曲線，其中，P點是比例極限， 經常用作設計上的應變限度。無填充料的熱塑性塑料在降伏點以上產生拉伸現象，使應力減小。通常，在高負荷速率和低溫條件時，塑料材料顯得剛且脆；低負荷速和高溫條件時，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)后呈現黏性流?！　∫O計承受長期負荷的塑件，必須使用潛變量據以確保塑件不會在壽命周期內產生破壞、產生降伏、裂縫或是過量的變形。這些曲線將取代短期的應力—應變曲線，應用于長期靜負荷之塑性設計。˙只要施加負荷的時間夠久，就可能發(fā)生破壞，此稱為應力破裂(stress crack)。塑料材料發(fā)生潛變的物理機構也可以應用于應力松弛。假如施加時間間距短，而且為長期的反復性負荷，應該使用SN曲線進行設計?！　〖词怪皇┘雍苄〉膽?，根據施加應力的大小，材料承受反復性負荷時，可能在周期結束后無法恢復原狀。塑料的沖擊強度（或韌性）表示其抵抗脈