【正文】 塑料必須將射進模穴的高溫塑料材料冷卻以定形，熱固性塑料則必須由化學(xué)反應(yīng)固化定形。按照重量計算，大約32%的塑料采用射出成形加工。除了應(yīng)用于熱塑性塑料、熱固性塑料以外，射出成形也可以應(yīng)用于添加強化纖維、陶瓷材料、粉末金屬的聚合物之成形。尤其是回轉(zhuǎn)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(chǎn)力造成革命性的沖擊。柱塞式射出機本質(zhì)上具有簡單的特色，但是純粹以熱傳導(dǎo)緩慢地加熱塑料，使其普及率大大地受到限制。圖11是回轉(zhuǎn)式螺桿射出機的示意圖?！　≡谶^去的二十幾年，許多新開發(fā)的射出成形技術(shù)應(yīng)用于具有特殊特征的設(shè)計與特別材料的塑件，使射出成形塑件的設(shè)計比傳統(tǒng)上更具有結(jié)構(gòu)特征的多樣性和自由度。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。理論上，模流分析可以協(xié)助工程師一窺塑料成品設(shè)計、模具設(shè)計、及成形條件的奧秘，其能夠幫助生手迅速累積經(jīng)驗，協(xié)助老手找出可能被忽略的因素。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。?設(shè)計規(guī)范—產(chǎn)品設(shè)計和模具設(shè)計，可參考材料供貨商提供的設(shè)計準(zhǔn)則。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。薄殼模型要求塑件的尺寸／肉厚比在10以上，因此著重在塑料的平面流動，而忽略塑料在塑件肉厚方向的流動和質(zhì)傳，因此可以簡化計算模型。通常，、. .IGES、 MESH、STEP等檔案格式。 Compute Inc. (意大利)CADMOULDI. K. V. (德國)IMAPF(株)豐田中央研究所(日本)PIASSharp 公司(日本)TIMONFLOWTORAY公司(日本)POLYFLOWSDRC (美國)CAPLAS佳能(日本)MELT FLOW宇部興產(chǎn)(日本)SIMPOE欣波科技(臺灣)MOLDEX科盛科技(臺灣)INJECT3Phillips(荷蘭)Dassault(法國)Pro/E PlasticsPTC (美國)14 模流分析軟件的未來發(fā)展。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。目前，3D模流分析技術(shù)應(yīng)用的模型技術(shù)有下列：?雙域有限元素法(dualdomain finite element method)：將塑件相對應(yīng)面挑出，以兩薄殼面及半厚度近似實體模型，配合連接器(connector)的應(yīng)用以調(diào)節(jié)流動趨勢。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。?中間面產(chǎn)生技術(shù)(midplane generator)： 中間面產(chǎn)生技術(shù)可以分為中間軸轉(zhuǎn)換(Medial Axis Transform, MAT)和法則歸納法(heuristic method)，對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的塑件，因為肉厚變化、公母模面不對稱、肋(rib)與轂(boss)等強化原件的設(shè)計，使得MAT技術(shù)有實用上的困難，因此此項技術(shù)的發(fā)展以法則歸納法為主。使用此法的軟件如Moldex3D。熱塑性塑料射出成形機通常采用鎖模噸數(shù)(clamping tonnage)或射出量(shot size)作為簡易的機器規(guī)格辨識，可以使用的其它參數(shù)還包括射出速率、射出壓力、螺桿設(shè)計、模具厚度和導(dǎo)桿間距等等。射出成形機的主要輔助設(shè)備包括樹脂干燥機、材料處理及輸送設(shè)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(shè)備。 圖21 應(yīng)用于熱塑性塑料的單螺桿射出成形機211 射出系統(tǒng)　　射出系統(tǒng)包括了料斗(hooper)、回轉(zhuǎn)螺桿與料筒(barrel)組合，和噴嘴(nozzle)，如圖22。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。射出機的料斗可以存放塑料膠顆粒，藉由重力作用使塑料顆粒經(jīng)過料斗頸部，進入料筒與螺桿組合內(nèi)。(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。螺桿的外徑為固定值，螺桿的溝槽深度(the depth of flight)從進料區(qū)到計量區(qū)起點逐漸遞減，溝槽深度的變化使塑料相對于料筒內(nèi)徑產(chǎn)生壓縮，造成剪切熱，提供熔化塑料的主要熱量。(4) 噴嘴噴嘴連接料筒和豎澆道襯套(sprue bushing)。噴嘴的溫度應(yīng)該設(shè)定在材料供貨商建議之塑料熔化溫度，或是略低于溫度。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?；旧?，模具是一座熱交換器，使熱塑性塑料的熔膠在模穴內(nèi)凝固成需要的形狀及尺寸。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。母模板通常鎖在固定模板上，并且連接到噴嘴；公模板鎖在移動安裝板上，沿著導(dǎo)桿之導(dǎo)引而移動。(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。 圖26 (左)兩板模與 (右)三板模(3) 冷卻管路（回路）冷卻管路(cooling channels)是模具本體的通道，冷媒（一般是水、蒸汽或油）經(jīng)由冷卻管路循環(huán)以調(diào)節(jié)模壁溫度。213 油壓系統(tǒng)射出機的油壓系統(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)與推進螺桿，致動頂出銷，以及移動公模側(cè)。214 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)提供成形機一致性的重復(fù)操作，并且監(jiān)控溫度、壓力、射出速度、螺桿速度與位置、及油壓位置等制程參數(shù)。控制系統(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。鎖模機構(gòu)可以是肘節(jié)機構(gòu)鎖定、油壓機構(gòu)鎖定、或是上述的兩個基本型態(tài)的組合。熔膠輸送系統(tǒng)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)。輸送系統(tǒng)的設(shè)計對于充填模式與塑件品質(zhì)都有很重要的影響。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。因為熱流道并不與塑件一起脫模，不致于造成廢料，并且節(jié)省塑件二次切除加工的制程。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，如圖28(a)。(3) 螺桿繼續(xù)推進，以進行模穴保壓，如圖28(c)。(5) 開啟模具，頂出塑件，如圖28(e)。塑料在料筒被螺桿擠壓產(chǎn)生大量摩擦熱而形成熔融狀態(tài)，熔膠堆積于料筒前端，并且使用加熱器維持熔膠溫度。當(dāng)熔膠進入模穴，受壓氣體從頂出銷、分模線和氣孔逸出。假如塑料的流動性不佳，或者射出壓力不足就可能造成短射現(xiàn)象；相反地，假如塑料的流動性太好，容易在塑件的分模面造成毛邊。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。當(dāng)移動模板后退，使頂出銷頂?shù)胶蟀?rear plate) 而停止運動，將成形品、澆道系統(tǒng)及廢料頂出。(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)。典型的周期時間可能從數(shù)秒鐘到數(shù)十秒?；剞D(zhuǎn)式螺桿射出機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。通常，射出機可以調(diào)節(jié)背壓的最大值，當(dāng)螺桿移到此預(yù)設(shè)背壓位置，就結(jié)束螺桿倒退階段。(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。然而，在射出的起始階段，仍應(yīng)采用較低的射速以避免噴射流(jetting)或擾流。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。因為模具溫度通常低于樹脂的凝固點(freezing point)，所以太長的射出時間會提高導(dǎo)致塑料太早凝固的可能性。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?，進而充飽模穴。(3) 螺桿旋轉(zhuǎn)速度　　螺桿旋轉(zhuǎn)速度是塑化螺桿的轉(zhuǎn)速。(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。通常，緩沖量設(shè)定為3~6 mm（1/8~1/4英吋）。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)。以nylon為例，在射出區(qū)(feed zone)的溫度通常比料筒的溫度高，此增加的熱量可以降低熔膠射出壓力而不致于使熔膠過熱。(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)。假如可能的話，應(yīng)該讓臨界之凝固位置(the critical freezing location)發(fā)生在澆口處。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。模具溫度可以使用冷卻劑調(diào)節(jié)。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。?射出速率(injection rate)—高射出速度會造成致稀性的高溫。?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。通常，射出壓力和保壓壓力設(shè)定為不會造成短射的最低壓力。然而，太高的射出壓力會造成塑件潛在的應(yīng)力。(8) 保壓時間完成充填模穴后，射出機仍然施加壓力在模具的時間稱為保壓時間，保壓的目的在維持組件的尺寸精度。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。開模時間和射出機之操作效率、成品取出的難易度、使用脫模劑與否都有關(guān)系，以人工安置鑲埋件(insert)的模具會更降低操作效率。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。?神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法—甚至可以在射出機運轉(zhuǎn)之前即建議設(shè)定之成形條件。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。有些塑件需要二次加工進行組合或裝飾，二次加工詳細(xì)說明應(yīng)該可以從材料供貨商的設(shè)計手冊中找到。l 印刷：為裝飾或提供信息而在塑件表面加工。根據(jù)美國塑料工業(yè)協(xié)會對于塑料的定義：「將全部或部分由碳、氧、氫和氮及其它有機或無機元素使用加熱、加壓、或兩者并用的方式聚合而成，在制造中的階段是液體，在制造的最后階段成為固體，此龐大而變化多端的材料族群稱為塑料。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。例如甲烷(methane, CH4)為氣體，戊烷(pentane, C5H12)為液體，甲烷(polyethylene, C100H102)為固體?！　「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。塑料加工成塑件的制程眾多，可以參考圖32。塑料高分子還受到機械加工制程與熱歷程影響。玻璃轉(zhuǎn)移溫度、機械性質(zhì)、耐熱性、耐沖擊性亦階隨著分子量增加而提高。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|(zhì)，長分子鏈影響熔膠之彈性。 ? 有最高使用溫度限制。 ? 受外力作用時會產(chǎn)生連續(xù)變形(潛變現(xiàn)象)。(. 容易成形，可以量產(chǎn)。(，~2，)☆ 耐腐蝕性佳。☆ 可以具有其它特殊性質(zhì)，例如透明性、可彎曲性等。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(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)強度。一般而言，塑料的模數(shù)比金屬小數(shù)十倍到數(shù)百倍。塑料材料與金屬、陶瓷材料之特性比較如表31。這些混合制程造就了下列聚合物系統(tǒng)：(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)是將兩種或更多種聚合物混合的系統(tǒng)。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。(2) 聚合物復(fù)合材料　　聚合物復(fù)合材料(polymer posites)是將強化物質(zhì)添加到聚合物內(nèi)，以增加所需的性質(zhì)。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)。熱塑性塑料根據(jù)分子結(jié)構(gòu)或鏈的結(jié)構(gòu)可以再細(xì)分為不定形(amorphous)、半結(jié)晶(semicrystalline))或液晶(liquid crystalline)聚合物。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。表32　熱塑性塑料與熱固性塑料的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)微結(jié)構(gòu)˙線性或分枝分子鏈，分子間無化學(xué)作用。對熱的反應(yīng)˙可以再軟化（屬于物理相態(tài)變化）。一般性質(zhì)˙較高的耐沖擊強度。˙對于復(fù)雜設(shè)計有較佳的適應(yīng)性。˙較好的尺寸穩(wěn)定性。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。這種以物理反應(yīng)之相變化為主的程序允許將塑料廢料回收。　　熱塑性塑料占所生產(chǎn)塑料的70%，熱塑性