精密塑胶模具设计实务.doc

一、模具概論
模具必須具有堅固的 ”複製空間 ”結構體。在操作中，它必須呈密閉空間以確保熱熔樹脂在射出壓力與速度下，填充並擠壓模腔空間時,不發生脹裂或溢料.此外還需在適當的地方具有透氣孔,以便在射出填充的短時間內，能讓熔融樹脂快速的取代這個複製空間。在成形週期末了，融熔樹脂已固化時，可依分模線處打開，在平行開模方向上，沒有任何嵌口（undercut)情況下，將成品頂出來.
1.模具的設計與製作流程
（1） 決定模穴數
（2） 決定分模線、流道及澆口
（3） 處理嵌口部分及頂出方法
（4） 模穴及心型材料及其加工方法
（5） 溫度控制方法
2。熱流板(manifold)設計
（1）設計注意事項：
●流道直徑是否正確。
●加熱管直徑是否正確.
●加熱管的瓦特數(wattage）是否足夠。
●加熱管的分部位置是否均勻。
●加熱管與配合孔的鬆緊度是否適中。
●支撐塊柱的位置是否正確.
●支撐塊柱的大小是否正確。
●鋼材的選擇。
●熱電偶的擺設位置是否適中.
（2）熱流板的選用：
●熱流板所需之熱量計算
●樹脂溫度
●熱流板的熱處理
●熱流板形狀的決定
●熱流板尺寸的決定
3.塑膠材料
所謂塑膠是指分子量非常大（又稱高分子聚合物）的有機化合物,加上添加物後，以熱、壓力等,使其具有流動性而成為最終的固體狀態。
塑膠在化學構造的性質，大致可分為熱固性（thermosets）及熱塑性(thermoplastics）塑膠兩種：
（1）熱固性塑膠：
酚樹脂(電木)
尿素樹脂
三聚氰胺樹脂
多元樹脂(FRP）
環氧樹脂
脲脂樹脂
(2)熱塑性樹脂：
氯化乙烯樹脂(PVC）
苯乙烯樹脂（PS）
ABS樹脂、AS樹脂
丙烯酸樹脂（壓克力）
聚乙烯(PE)
聚丙烯(PP）
氟素樹脂
聚醯胺樹脂（尼龍）
縮醛樹脂
聚碳酸脂樹脂（PC）
纖維素系樹脂
二、熱澆道模具理論
1。何謂熱澆道:
在塑膠射出成形時,利用方法保持豎澆口（sprue），橫澆道（runner)之塑膠於融熔狀態，脫模時，仍保持在塑模中，此即謂熱澆道射出成形.
2。採用熱澆道的理由：
（1）成本:因採用熱澆道時,無廢料產生，可大為降低材料成本及處理費用，又可縮短射出時間，降低成本。
(2)品質:因使用小澆口，成品內應力小，外觀良好，又無二次料之循環使用，塑料不致劣化,各成形品溫度壓力一致，縮水率容易控制。
3。熱澆道成形的優點:
（1）橫澆道中的壓力損失小，可降低樹脂溫度，減低射出壓力。
（2）可用針閥作為射料完成後之組件。
（3）可用針口澆口代替三板模方式,延長塑模壽命。
（4)可使用側面澆口成形，一次單個或多個成形。
4。適合熱澆道成形之塑料：
（1)對溫度不敏感，再低溫時，容易流動。
（2）對壓力雖敏感，再低壓力時卻易流動。
(3）熱變形溫度較高,射出後可迅速開模。
（4）熱傳率較高,可迅速冷卻成形品.
(5)塑料比熱低，加熱冷卻均容易。
三、氣體輔助射出成形理論
近兩年來，氣體輔助射出成型（Gas—assisted Injection Molding，GIM)技術，在國內塑膠成型業界、學術界及模具業界非常受重視,氣體輔助射出成形技術對於塑膠成形製品帶來相當大的衝擊，解決了多年來射出成形品厚件、薄件不易同模成形，及結構易翹曲變形的困難，除可節省塑料５０%,縮短製造週期２０％，減少零件數７０％，降低總成本２０%外，並可減少產品翹曲度３０％,克服表面易凹陷及收縮變形，增加產品結構性能，提升成品品質；其應用範圍亦相當廣泛，預估可佔射出成型１５％以上的市場.尤其對國內電腦資訊產業、家電工業、汽機車零組件製造業等,都將產生相當大的衝擊。
1。何謂氣體輔助射出成形：
氣體輔助射出成型技術主要是在傳統射出成型過程中，先射入固定量的熔態樹脂，在以高壓氮氣迅速注入，利用氣體快速又有效地繼續將熔態樹脂推進填滿模穴,並繼續保持氣體壓力,直到產品成形.目前材料所利用此技術已開發出的產品包括:汽車把手，電腦監視器外殼，嬰兒車把手，電視外殼,及辦公資料櫃弧形面板等等。
氣體射出成型（GIM)是在塑膠充填部份階段後，繼續以惰性氣體（通常為氮氣）完成填滿及保壓。氣體之功能有兩種-
●驅動塑料流動以完整填滿模穴。
●形成中空管道，減少塑料用量,減輕成品重量,縮短冷卻時間及更有效傳遞保壓壓力.由於成型壓力可降低而保壓卻更為有效，更能防止成品收縮不均及變形。
氣體輔助射出成形示意圖
2。氣體輔助射出成形的優點
（1）較低的射出壓力.
(2）較小的殘留應力與變形。
(3）較小的鎖模力。
（4）節省材料。
(5）縮短冷卻時間。
（6)減少凹陷痕跡。
3.產品設計的原則
氣道是引導氣體穿透的走道，它同時也是產品的一部份.因此要成功地開發氣輔產品，必須要了解氣輔射出成型的特性以及氣道設計的原則。影響氣體穿透在產品設計上的主要因素包括：
（1)氣道的厚度與形狀：氣道形狀需避免銳角，也不可太薄。氣道厚度約為產品肉厚的二至四倍之間，太厚的氣道，則會造成「跑道效應」─塑料在充填時因氣道之厚度大,有引導塑料加速流動的趨勢.
（2）氣道的位置安排：氣體易取最短路徑從高壓往最低壓（最後充填處)穿透。如果氣道佈置不符合此原則，則氣體很容易脫離氣道滲透至薄壁。
傳統射出成形與氣體輔助射出成形之射壓對於熔膠流動的變化
四、電腦輔助軟體應用
由於塑膠材料本身易產生收縮、翹曲，在使用CAD軟體繪製外型後，若能繼續以CAE軟體分析，便能隨時發現錯誤,回饋至CAD再修改電腦輔助工程（ Computer Aided Engineering ），一般簡稱為CAE,其為有限元素法（ Finite Element Analysis ）分析發展而來. CAE（ Computer Aided Engineering Analysis）：電腦輔助工程分析，利用電腦系統的高速運算機能，藉著數值分析或有限元素分析軟體，進行產品製程或模具製程之模擬分析，以便就局部性修改設計，達到更佳化結果。近年來由於工作站及個人電腦在運算上有驚人的發展.CAE也不只是用來驗證產品設計，減少實驗花費時間,更是進一步用來優化產品品質、縮短產品開發週期的積極角色。
CAE最大的功能是在於將設計原型在電腦上進行仿真分析，而不必經由實體測試,或減少實測次數，而可節省大量測試所需資金與時間的浪費。此外，有些無法經由測試取得之數據，亦可經由CAE之分析預測其結果，故對於降低成本、提高產品品質及縮短產品開發時程有很大的助益。
五、結論
模具是近代工業產品大量生產所依賴的一項重要工業與技術。模具製造的精密程度和技術層次，對於生產成品的品質，生產原料的有效應用,以及生產率的提高等方面，均有絕對性的影響。
模具設計是機構工程師必須接觸的一項專業技術，深入了解此項技術，才能配合協力廠商，如模具廠、射出廠等，製造出高品質的塑膠產品。所謂”工欲善其事，必先利其器”，因此，擔任機構設計工作的人員若能廣泛接觸以下專業領域,在工作上必更能發揮所長：
1. 模具技術：包含塑模成形的種類與原理，塑膠產品設計基本理論,模具各元件設計(流路系統、冷卻系統、頂出系統、強度計算、模座選用），模具加工等。
2. 射出成形技術:包含射出成形製造流程（鎖模、射出、保壓、冷卻、開模）,射出與塑化方法(如柱塞式、柱塞預塑式、螺桿預塑式及螺桿式等射出成型機），射出參數之決定與射出不良判斷及改善。
3. 週邊技術：如熱澆道應用,氣體輔助射出成形技術,射出壓縮成形技術、模內塗裝技術等.
4. 電腦輔助設計、分析、製造:包含設計、製造軟體的操作應用,模流分析軟體的操作應用及分析結果的判讀等。