射出成型产品设计.docx

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射出成型产品设计

2-1通论

产品设计是利用材料，经设计成为新创的外形或结构，以制成指定作用或目的的产品。

其所须具备之条件为：

1.在功能上：

要能符合使用者的需求。

2.在使用操作上：

要能符合使用者的习惯与身份。

3.在外型上：

要能合乎简单的制造原则并满足使用者的喜好。

4.材料应用与加工方法上：

要合乎经济与合理的原则，并能求得最适化而降低成本。

即任何一新产品，从构思到生产，对一公司而言，其考量前题为以下所列各项：

·　将来性：

公司未来发展领域的配合，成长性。

·技术性：

与该公司现有技术之关系，原料设备获得之难易及技术上成功的可能性。

·领先性：

是否可申请或抵触专利及制品是否具独特性。

·销售可能性：

产品的展望，推出市场之难易，销售网的建立及有无商品特征等可能性。

·经济性：

研究经费人员的多寡，开发期间的长短，设备投资额之获得及获利率的大小。

其它如材料之选择、加工方式、模具的设计、二次加工方式及安全规范、法令等，皆须详加考虑。

通常塑料新制品产生的方式可分为三种：

1.再设计（redesign）：

就是将现有产品的部分，做一些改变或修饰，使成为更具价值与流行的新产品。

现今市场上约莫80％，属于此类。

2.组合（combination）：

结合两种以上不同功能，发展而成之新制品。

例如PC制成的潜水镜再贴上防雾膜，而成为价值更高的新产品。

此类新产品约占10％。

3.创新（innovation）：

剩下的10％即为发明前所未有之新制品，此类产品由于须花费较长的时间在宣传及消费者的接受性上，所以通常这方面之设计比例较低。

塑料产品设计者与其它设计者最大的不同是，前者必须详加考虑塑料之各种物性，尤其是环境变化对物性之影响及在长时间负载下对产品之影响。

通常，塑料之物性数据是在实验室的环境下，依照美国标准测试方法（ASTM）而测得。

而所设计的塑料产品并不会正如测试样品在同样条件下成形或被加应力。

其它如：

·　肉厚及形状。

·　所加负载之速率及时间长短。

·　玻纤之排列方向。

·　缝合线。

·　表面缺陷。

·　成形参数。

以上这些；都会影响到塑料产品之强度及韧性。

设计者亦须考虑到温度，湿度，阳光（紫外线），化学药剂等之影响。

所以了解其产品的最终目的而探讨相关的物性是非常重要的。

下表2-1为一标准的设计检查表（designchecklist）。

2-2　原型之设计

为了能将实物从设计的阶段到真正的商品化，我们通常是建一原型而加以测试并修正。

最好的方法是尽可能的将原型与将商品化制造的加工方式相近。

大部份的工程塑料产品是由射出成型所制出，所以原模必须为一单模穴原型模具所制得。

以下将讨论各种制造原型之方法及其优缺点。

2-2-1　机械加工圆杆或平板、块法（machiningfromrodorslabstock）

此法是当所允许的设计时间非常短及只须少量的原型和物体的形状非常简单的时候，我们可将其经机械加工而得。

这样不仅能帮助发展至固定的设计，亦能做为有限度的测试结果条件；但千万不能将其做为最后商品化的标准，其原因如下：

·　其物性如强度，韧性及伸长量可能会小于真正的成形品，因为机械加工会在原模上留下痕迹。

·　强度及韧性可能会高于成形品，因为圆杆或平板块具较高的结晶度。

·　若是加了玻纤的产品，则玻纤的方向性影响会误导了结果。

·　成形品的特性如顶出针痕，浇口痕及不定形的表面结构将不会出现在原型上。

·　无法探讨缝合线及接合线之影响。

·　由于内应力之不同，尺寸稳定性会被误导。

·　在圆杆或平板，块的中间常有包气现象，以致减少了其强度。

同理在成形品的较厚肉处亦有此现象，而无法做一致的评估。

·　只有少数的圆杆或平板，块材料可供选择。

2-2-2铸模法（diecastingtool）

通常我们能够修正射出成形的原型，如果具有铸模模具的话。

利用此铸模模具可减少对制造原型工具的须要及以低成本提供所须的前测试。

然而，此法也许也无甚助益，因为原来的模具可能是为金属铸模而设，而非塑料。

所以，外壁及肋将不会最适化；浇口通常会过大及位置不合；并且无

法有效的冷却塑料产品，造成质量具甚大的相异性。

2-2-3原型模具法（protoypetool）

特别是对塑料产品设计而言，利用便宜的铝，黄铜或是铍铜合金制成原型是个不错的方法。

因为基本的讯息如收缩度，玻纤方向性及浇口位置皆可得之。

但由于此模具只能承受有限度的射压，所以无法正确的估算出成形周期（cycletime），而且模具冷却性被限制，甚至不存在。

可是，在另

一方面而言，其好处为此形式能够有效的提供样品做最终的目的测试及快速的修正外形尺寸。

2-2-4生产试模法（preproductiontool）

对设计的未来发展及产品的准确性而言，最好的方法是制造钢铁试模。

它可以为单模穴模具或以多模穴模具为体的单模穴模具。

此模穴已经机械加工完成，只是未做硬化处理，所以仍可做一些修正。

其好处为它具有与生产模具相同之冷却效果，收缩与翘曲可被探得；还有因为具有适当的顶

出鞘，模具能够如生产线般的循环，于是能够探得其周期。

当然，最重要的是这些样品能够如最终产品般的做强度，抗冲击，磨耗及其它物性等之测试。

以上各法都是为了能在正式大量商品化前，做最低成本及最有效的预估分析。

当然，我们不能本末倒置，忘记了最终产品的真正须求。

最好是写下一标准产品所须表，如功能，外观，可容许的公差等，做个最完美的设计者。

2-3　产品设计

虽然塑料之产品设计非常复杂，但总有一些基本之原理方法来减少一些成形上及产品功能上所发生的问题。

以下所探讨的是在设计上所须注意的基本细节，俾能在未来更复杂的产品设计上有所助益。

2-3-1壁厚（wallthickness）

通常产品必须具均匀的壁厚，如果变化不可避免，则利用转换区的方法来防止突然的遽变如图2-1，且浇口位于较厚处以防止充填不满。

不均匀的壁厚会造成严重的翘曲及尺寸控制的问题。

如果产品须要较高的强度，从成本的观点上来看，用肋（ribs）比增加壁厚要好的多。

但如果产品须要好的外观表面时，则因凹陷痕（sinkmarks）会在表面上产生，故须避免之。

若非得用肋不可时：

则应尽量让凹陷痕出现在肋的另一面或较不显眼处。

图2-2与2-3为使壁厚均匀的一些方法，图2-2乃利用肋及浮凸物（boss），图2-3则为利用铸空法（cornig）使设计更好。

总之，一般的原则就是能够利用最少的壁厚，完成最终产品所须具备的功能。

表2-2为一般热塑性树脂制品之厚度表，表2-3则为热固性塑料制品之厚度表。

2-3-2半径（radii）

切莫将产品设计成具尖锐的边角，因为其刻痕（notch）状会造成应力集中，以致减少了产品之抗冲击力。

为了保证设计在安全的应力范围内，我们须计算每个边角的应力集中因子。

如图2-4为悬桁（cantilever）的情形下，应力集中因子对半径／壁厚之图。

为了增加边角的强度及增进充模的能力，半径必须在壁厚的25％到75％之间，通常为50％，如图2-5所示。

2-3-3倾斜角（draftangle）

为了使产品能够轻易的从模具内顶出，外壁必须设计成具倾斜的斜角，如图2-6所示。

通常每一英寸，0.5度的倾斜角是达成有效结果所能容许之最小值。

一般而言每一英寸1度是标准的做法。

如果产品的深度须要增加，通常每增加0.001英寸之深度，须要增加1度额外之倾斜角。

2-3-4肋及角板（gussets）

肋及角板能够有效的增加产品之刚性与强度。

适当的利用肋与角板不仅能够节省材料，减轻重量及减短成形周期，更能消除如厚横切面所造成的成形问题。

设计肋及角板时，我们有一些基本之原则必须遵守，如图2-7与图2-8。

与壁厚比较，如果肋或角板太厚的话，则可预期的会产生凹陷痕，包气、翘曲、缝合线（造成内应力）及较长的成形周期。

肋之形状最好设计成如图2-2所示，乃因用窄形之肋骨以代替大而厚之肋骨，可减少塑料之消耗。

并且肋及角板必须被置于能够方便流动的位置，如此才能够帮助产品的充填犹如内流道之作用。

否则，常会造成最后产品有烧焦之痕迹及包气等问题。

※注：

角板乃是用作于边缘的支架，以提高强度。

2-3-5浮凸物（bosses）

浮凸物之目的是用来连接组合螺丝钉、导销、栓或迫紧（force-fits）等作用。

设计浮凸物的最重要原则为避免其无支撑物，并尽量让其与外壁或肋相连如图2-9所示：

一般而言，肋外径须为圆孔直径的2至2.5倍，以保证有足够之强度。

如果肋本身即与外壁间隔相当远，则最好加上角板如图2-10所示。

图2-11及图2-12为肋靠近外壁及远离外壁时，浮凸物之设计：

图2-13为浮凸物设计之范例：

2-3-6孔洞及铸空（holes&coring）

在塑物上开孔洞或切口可使其和其它零件组合以达成更多之功能及更具吸引力。

图2-14为孔洞的一般类型。

全穿孔洞比半孔洞易于加工，因为前者之穿孔销可在两端寻得支撑，而后者由于只有一端获得支撑，易被熔融之塑流进入模穴时，使穿孔销偏心而造成误差。

所以，一般半穿孔之深度以不超过穿孔销直径两倍为原则。

若要加深半穿孔洞之深度则可用层次孔洞如图2-15所示。

由于塑流常会在穿孔针旁形成缝合线之故，我们可以将其先做成凹痕或小凹洞，成形后再以钻孔针予以钻孔，如此可防止缝合线造成之强度减少亦可降低模具成本如图2-16所示。

于成型大多数之热塑性塑料时，在洞壁和塑物外壁间之宽度至少要和孔洞之直径相等及孔洞与孔洞内壁间之厚度至少要和孔洞之直径相等如图2-17所示。

若为半孔洞，则其底部之壁厚至少须为其孔洞直径的1/6，否则模制后会膨胀如图2-18所示。

2-3-7螺纹（threads）与嵌入物（inserts）

不管是外螺纹或内螺纹，皆可在模具内成型，避免了利用机械加工之麻烦。

设计内，外螺纹时，其基本规格设计须如图2-19所示。

内螺纹底部未螺纹化的直径必须等于或小于螺纹的最小直径如图2-19（a），A≧B。

若是外螺纹，则其底部未螺纹化的直径必须等于或大于螺纹的最大值径如图2-19（b），B≧A。

成型螺纹必须避免具有如羽毛般的边，以免造成应力集中，使该区域强度变弱如图2-20。

用于塑料品的金属嵌入物，通常用以承担产品被磨损、撕裂的力量或用以与电气相连及装饰用。

嵌入物之类型有两种，一种为成型前模内插入物，另一种为成型后插入物。

前者具中等或极粗的刻痕以提供足够的力量防止滑动，后者可螺纹化或是藉由热，超音波的方法来装置。

通常模制嵌入物时，我们须考虑以下几个因素：

·　插入物须能提供所需要的机械强度。

·　在所有的塑料中，塑模的嵌入物须不具挠性。

·　固定的壁厚必须围绕嵌入物之四周，以防止塑料冷却时发生裂化。

·　当插入物嵌入塑物中后，可能须要再修饰，二次加工等耗费金钱的步骤。

嵌入物必须与塑模打开或关闭的移动方向平行。

因为直角或斜角之插入物在模制时是非常困难且费成本的如图2-21所示。

不管是阴或阳之嵌入物，皆须要有一肩座，以防止塑料化合物流入螺纹中如图2-22所示，（a）不具肩座嵌入物，须避免之。

（b）为单一封合肩座。

（c）双封合肩座，此种最理想，但成本较高。

犹如孔洞设计的位置一样，插入物的位置设计方法与其大同小异。

设计插入物时除考虑机械应力外，由于嵌入物本身之高热膨胀系数，造成塑物之热应力亦须考虑。

所以当塑物冷却时，塑料会比金属收缩的还多，造成应力集中以致尔后插入物周遭龟裂。

预防的方法是，提供足够之塑料于插入物的四周或是增加嵌入物与外壁之距离。

表2-4为一些常用的塑料于嵌入物四周所须之最小厚度以避免龟裂。

2-3-8尺寸公差（dimensionaltolerance）

大部分的塑料成形品皆能维持相当紧密之尺寸公差，除了高收缩性的材料之外如PE，PP，Nylon，POM，EVA及软质PVC，其收缩率达到2％至3％，而一般热塑性制品的商业许可公差为±0.5％。

所以对于这些高收缩性材料必须指定较大之容许公差方行，因为其尺寸公差很难藉模具设计予以补救。

产品设计者在选定尺寸公差时要考虑使用之塑料材料、产品形状及将来之使用条件等。

随著公差的严格要求，其制造加工精度与模具价格亦相对提高，所以产品设计者于图面上记入公差时，要审慎的设定适用于此公差的使用条件。

因此，产品设计者所设定之总公差应该包含了使用条件和环

境条件下的尺寸变化。

塑料成形品除了尺寸公差以外，对于一些精密成形更须考虑形状公差，因为浇口的种类和位置或是模具温度调节系统之决定，皆须根据这些资料来设计之。

2-4模具设计

适切的射出成型模具设计乃为制造成功的塑料产品的先决条件。

因为模具设计的好坏不仅影响到产品之质量，产能，操作难易，更直接关系到整个成本结构。

所以，以下我们将就模具各个重要构造，予以探讨。

2-4-1浇道衬套及其拉出机构（spruebushings&spruepullers）

浇道衬套乃连接射出成型机的喷嘴及模具的流道系统之机构。

理想的浇道应该愈短愈好以减少材料的浪费及缩短成型周期。

为了确保浇道与衬套能够完全分离，衬套内部必须非常光滑及予以弧度化，并且使用有效性的拉出机构，如图2-23为常见的浇道（冷料）拉出机构之三种设计：

（a）沟槽型：

此乃在浇道的侧壁开设几个沟槽，以便塑料冷凝时，能留住冷料。

此结构中亦采用浇道顶杆将冷料从冷料井中顶出，此时浇道顶杆直接切过槽里之塑料，使之仍留在槽沟里，在下一次注射周期里，注入之熔融塑料又与槽沟内之冷料融合在一起。

（b）倒锥型：

倒锥面之冷料井是最简单之浇道拉出设计。

其锥型冷料井之小端朝注口套，大端则顺冷料之拉出方向构成凹槽。

浇道顶杆，其结构与顶出机构的顶杆相同，位于冷料井之后方，以便在进行顶出时，冷料井之冷料与注口和流道的冷料一起被顶出。

（c）Z型：

此结构中，浇道顶杆之头部被加工成Z型状，在模具打开时能把冷料钩住，随顶出行程而向前移动再把尾料顶出。

2-4-2传统之模具（conventionalmolds）

2-4-2-1流道（runner）之形状

流道是传动塑料从浇道到浇口的系统。

流道应该具有最大之横切面积及最小的周长，亦即具高的体积对表面积比，或截面积对圆周长比值。

如此的流道方可使热散失，压力降的变化减到最少及预防塑料在流道内过早固化。

所以圆形与正方形截面之流道结构最好，而半圆形和梯形的截面则稍差，六角形则介于其中间，如图2-24所示。

（a）圆形流道：

此为最具效益性的流道，但成本也最高，因为流道须被切成两半，各在模子的一方，精确度之要求非常高。

（b）梯形流道：

由于正方形截面之流道非常难脱模，所以将两面倾斜2～5度而成梯形流道，此流道较便宜而仍能发挥有效的塑流传送，通常将其深度与梯形底部之长相等，以保有最大之体积对表面积比。

（c）半圆形流道：

此种流道通常不建议采用，因为其体积对表面积之比值最小。

只有对于复杂分型面之模具而言，因为模具之两边准确对准有困难，方采用之。

（d）六角形流道：

它是由在分型面上，连接两个梯形而成。

由模具制造者之观点来看：

由于比构成圆形流动的两个半圆边配合要容易，其特别适用于直径小于1/8英寸的流道。

由于塑流经过流道时与模穴的冷表面接触，塑料温度会迅速降低而逐渐凝固，如此外围便起了绝热作用而保持了流道内中心部分塑料的高温。

所以浇口位于流道中心在线的全圆形流道和六角形流道，对射出成形而言，最具效益性。

但在多层模具里，由于机械之顶出较为困难，一般采用梯形或改良自梯形的U形流道。

2-4-2-2流道之尺寸

在决定流道之尺寸时，应考虑下列这些因素如：

塑件之体积、壁厚与流动长度、流道之长度及冷却，机台的容量能力，浇口大小及成形周期等。

由于流道之横截面积应大到足以让熔融塑料在流道内凝固定之前进入模穴，并可进行保压以补偿塑料之收缩。

一般而言，流道之直径在0.1875至0.375英寸（10mm）之间。

除了硬质PVC与丙烯酸类塑料例外，可用到直径达13mm的流道，因为其黏度较高。

但流道之横截面积也不应该太大，以免增长了成形周期。

所以，在理论上，主流道的横截面积应该等于或超过支流道横截面积之总和，可达流道尺寸之最适化。

现在，我们也可以利用计算机模具塑流模拟分析的方法算得最佳的流道尺寸。

总之，流道须大到能够使压力流失减到最少，小到使塑料产生剪切热以助其流动。

在这两者间求得一折衷。

2-4-2-3流道之布局（runnerlayout）

流道之布局取决于以下几个因素：

①模穴数，②塑物的形状，③模具为双板式模具抑是多层模具，④浇口之类型。

在设计流道布置时，流道之长度应尽可能的短以减少压力损失并且流道系统应是平衡的，即充填各模穴之时间与压力必须相同，如图2-25所示。

当然并非所有的多模穴都具相同之大小，我们可层次性的改变流通直径，及改变浇口大小来达成上述之要求。

一般之单穴型模具，由于塑料直接由浇口进入模穴，因此无需设置流道系统，但为了防止塑物之表面有注口痕迹，可采用如图2-26所示之短流道，但模穴本身必须偏置。

这样做对大型模穴而言会发生问题。

因为注射压力会产生一个不平衡之力而使塑物带毛边（flash）。

若为设计双模穴模子如图2-27所示：

流道可取两模穴之间的最短距离如图（a），但由于浇口的最适位置不一定总是在模具的中心在线，此时可用T字型流道如图（b），流道伸出模穴之一端，然后用短的支流道再与浇口相连；或采用S型流道如图（c），此时无须设置的支流道，S型流道本身即可接至两模穴的浇口。

其它三穴型，四穴型以至多穴型模穴都是以上述类似之方法尽可能的达到平衡各模穴时间与压力的要求。

2-4-2-4冷料井（coldslugwells）

在所有流道之交界处，主流道至少须超过支流道一个直径距离以上，如图2-28所示而成一冷料井。

它可以让熔融塑流前端冷的、高黏度的高分子停留于此，使后方热的、低黏度的高分子易于进入模穴内。

所以冷料井能够防止冷料进入模穴而影响最后之产品性质。

2-4-3无浇道模具（runnerlessmolds）

无浇道模与传统模具之最大不同处在于前者延伸了熔融料筒及喷嘴（nozzle）的功能而保有与料筒内塑流相近之温度和黏度。

通常使用无浇道模具的树脂必须对温度不敏感，在低温时也容易流动及热变形温度高，以利塑品能从模具内迅速顶出，还有为了能将树脂迅速除热，热传导率宜高。

无浇道模具一般可分为绝热浇道及热浇道。

2-4-3-1绝热浇道（insulatedrunner）

与传统之模如图2-29比较，绝热浇道如图2-30所示，能让熔融塑流流入浇道，然后冷却，于浇道之内壁形成一固态塑料绝缘层。

此绝缘层会减少浇道之直径并使熔融塑料保持固定之温度，以等待下一次之成型。

绝热浇道系统必须设计成其体积不超过模穴之体积。

因为浇道内之所有熔融高分子，于每次成型时，皆会被完全射入模穴，若浇道过大会使绝缘层过厚造成熔融温度降差太大。

绝热浇道之好处在于：

·　各流通平衡的须要没有那么重要。

·　减少材料之受剪切力。

·　成形后的塑品具较一致性的体积。

·　较短之成形周期。

·　减少浇道之废料。

·　增进塑品的外观。

·　减少模具的磨耗。

相对的其坏处为：

·　较复杂的模具设计及高成本。

·　稳定的开始步骤较难掌握。

·　可能会造成熔融高分子之热裂解。

·　换颜色较为困难。

·　维护成本较高。

所以基本上，我们并不赞成用绝热浇道，如果真要用无浇道系统的话，下节所谈的热浇道系统，将是较好之选择。

2-4-3-2热浇道（hotrunners）

特别是对大型及多模穴之模具，热浇道如图2-31所示为最好之选择，其好处有如绝缘浇道，却无冗长的稳定开始步骤。

当然无可避免的，其设计较复杂，制造不易且成本极高，因为它须要装置热分流管并平衡分流管所供给之热，还有要使塑流的停滞现象减至最低。

热分流管之功能犹如喷嘴之延伸，维持从喷嘴到浇口这一段有所须之固定温度。

由于高温之关系，要注意模之热膨胀效应及分流管与浇口是否稳当连接。

2-4-4浇口（gates）

浇口是一个连接流道（浇道）及模穴的孔或通道，它必须小到能让流道与塑物很容易的分离却又须大到能够避免塑流过早凝结造成填充不足。

一般设计浇口之大小，是由小渐大直到能够填充完全，但最小的浇口其直径不得小于0.03英寸且不得超过流道或浇道之直径。

通常浇口之大小为塑件

壁厚之一半。

2-4-4-1　浇口之位置

浇口之位置与最终产品之性质关系甚钜如以下所列：

1.外观：

残留之浇口痕通常不可避免，所以尽量让其位于较不明显之处。

2.应力：

切勿将浇口设于近高应力区，因为浇口本身之附近会产生残留应力且浇口造成之粗糙表面容易导致应力集中。

3.压力：

将浇口设于塑物之较厚部位以保证充填完美并能避免凹陷及包气的产生。

4.分子方向性（orientation）：

高度的轴分子方向性会造成塑物只具单方向之强度。

所以调整浇口之位置，让塑流进入模穴后能辐射似的流动。

5.缝合线：

通常将浇口位于能使流动到模穴各部位之长度一定如图2-32（c）所示。

图（b）则为侧浇口所造成之缝合线。

而图（a）由于有插入物之关系，缝合线更为严重，解决方法为将浇口设近于插入物处，使之产生较大之涡流以减轻缝合线。

6.充填（filling）：

将浇口设于壁之对端，重迭式进料以增加涡流来消除流痕及浇口附近之毛边如图2-33所示。

总之，浇口最理想之位置是能使熔融塑料均匀的进入模穴且把模穴的各个部位同时填满。

2-4-4-2　浇口之种类

选择最好之浇口类型，其重要性犹如浇口之位置与大小。

图2-34为各种不同之浇口图。

（a）浇道浇口（spruegate）：

此为经由浇道衬套或直接制造于模穴中之锥形孔。

通常用于单模穴模具或是须要对称性流动之模具，其优点为材料之受剪应力及压力损失较低，材料温度较均匀；缺点则为须要后加工以消除明显之断痕。

（b）边缘浇口（sideoredgegate）：

此种浇口适用于双层板之多模穴模具及较厚部位的塑物。

其优点为浇口之横断面较简单，易于加工，浇口之尺寸较精确且易于修改；缺点则为浇口冷却去掉后，痕迹仍然明显。

（c）点状浇口（pingate）：

此种浇口通常用来取代边缘浇口以减少后加工之处理。

常应用于三板式、模底注料模具，就是在凹模板后再设有一块板以装置流道系统，点状浇口再直接地或通过分浇口以把模穴和流道连接在一起。

其限制为它只适用于较薄之塑件。

（d）边缘点状浇口：

犹如点状浇口，它只适用于较薄之塑件。

其优点为将浇道与成形件分开，有较不明显之断痕，缺点则为较大之压力损失，经由局部过热有损成形材料之性质。

（e）耳式浇口（tabgate）：

在模穴之一侧设置耳槽，然后在耳槽上设一个普通的矩形边缘浇口。

由于熔料进入模穴前必须先拐90°的弯，防止了直接进料所产生之喷射，因此塑料能平稳均匀的填满模穴。

（f）