塑胶设计指南

●第一章塑胶材料加工方式的选择塑料产品之好坏与材料选择及加工方式之迥异而有极大之关系。对于任何欲制之塑品，其步骤为先决定何种材料能够达到其所须之物性，再来则为选择最适切与最经济的加工方式，最后则视产量之多寡而决定设备。●1-1塑料材料之选择在大约探讨了塑料材料的基本物性，以下将做更深入的分析。下面所列之各表乃是依据标准方法制成试片所测得之数据，与实际生产所制出的成品性质仍有相当大之差距，但做为不同等级材料性质之比较已足矣。下表1-1为一般常见塑料机械性质之比较。表1-2则为塑料拉伸强度之范围，表1-3为抗冲击强度之范围。表1-4及表1-5，则为塑料之其它性质。参考以上各表，即大约可知塑品用何种材料可达到其用途之所须性质要求。一般而言加了玻纤后，可增加拉伸力、减少拉伸量、抗磨耗力降低、挠曲力增高、热变形温度增加、热膨胀降低及较不透明，而耐冲击力则不一定。但是硬度（除非高填充）、电气性质、抗化学性及抗天候性则甚无影响。表1-6则为一般材料之机械性质之定性趋势表。若是依各种用途来分，所使用之塑料大概可列表如1-7所示。●1-2塑料加工方式之选择塑料之加工方式五花八门，随着材料及成品而有极大之差异。以下对一般常见的加工方式，作一番简介：1.射出成形(injectionmolding)在所有之塑料加工成形方法上，射出成形最为被广泛使用。其法为热塑性塑料或热固性塑料导入于射出成形机的加热筒中，俟其完全熔融后，藉由柱塞或螺杆之压力，产生热能及摩擦热能，将其注入于闭合模具之模穴中，固化后，再开启模具取出成品。此种加工技术因材料、机械设计及制品要求而衍生出其它之方法，如预嵌入金属零件之插件成形、多色及混色的射出成形，结构发泡的射出成形、气体辅助射出成形(gasassistedinjectionmolding)、共射出成形(coinjection)、射出中空成形及利用液态单体或液态预聚合物为原料之反应射出成形(RIM)等方法。2.押出加工(extrusion)将热塑性材料于押出机中加热、加压，再用螺杆予以押出，押出品之断面形状依模头而定，可为棒状、管状、平版状、异形状等等。其它如吹膜押出、押出中空成形、压延加工，押出涂装及混炼切粒等皆在前半段应用押出机，现今流行的趋势是共押出加工(coextrusion)，制成多层高功能的制品。3.压缩成形(compressionmolding)此为热固性塑料成形法之一种，先将热固性树脂预热后，置于开放的模穴内，闭模后施以热及压力，直至材料硬化为止。酚醛树脂，美耐皿树脂及尿素甲醛等树脂常用此法成形，所制之成品为：家电制品外壳、零件、齿轮、家具餐具等。4.中空成形(blowmolding)其法为先将热塑性塑料由押出机之模头押出，使成为薄管，此称为型胚(parison)，再闭合模具，吹气而后成形。此法之应用已愈来愈广泛，如汽车业，所用之材料也由传统之PE、PP、PVC、PET等，走向高性能的工程塑料。其优点为制造大形品方便及一次成形，缺点则为塑品之各部份肉厚不易控制。5.回转成形(rotationalmolding)将常温粉状或液状之成形材料注入于回转模具中，利用加热及离心力使树脂均匀布满于模壁面，冷却后即可得中空之成形品。此法最适当做大型物品之成形，缺点则为肉厚较难控制。6.吹膜押出(blownfilmestursion)一般制造薄膜之方式有二：(a)T模法(T-diemethod)。(b)环模法(ring-diemethod)。(a)T模法为平膜押出，制成之薄膜厚度较环模法制造的来的均匀。由于引取方向之拉力较大，使得纵向强度较横向强度大的多，故很多已用双轴延伸的方法来制膜。(b)吹膜押出是采用环模法的操作方式，押出之熔胶经环形模，用空气吹成管膜，再予冷却即成胶膜。聚烯烃类之塑料常以此法制造各种垃圾袋，收缩膜及食品包装膜等。现在之高级包装膜则为利用共押出之方法来制造多层膜。7.热成形(thermoforming)此法为将热塑性塑料板加热软化后，用真空、空气或套合之金属予以加压成形。其强度与塑板之厚度有关，产生之制品须经裁剪，多余的边料再予以回收。8.押出涂装与积层(extrusioncoating&lamination)其法为用押出机将热塑性塑料熔化押出，经过T形模头后形成淋幕，然后涂布于连续移动的板状或膜状基材上，常用于日用品及食品之包装。9.转移成形(transfermolding)为用于热固性塑料的成形法，塑料料先于加热室（转移室）内加热软化，然后藉由转移冲柱之高压，迫使熔融材料穿过流道及浇口进入模穴中进行硬化反应。此法非常适合于有金属插件时之情形且成形品精密度比压缩成形高者，但模具设计则较复杂且成品之机械强度较低。10.铸塑成形(casting)此法为将液状树脂配合硬化剂后，注入至开口之模具中，使其流至模具表面，在常压下使其干燥完成聚合反应的成形法；或者是将液状树脂涂布于移动之皮带上，或是在化学溶液中沉淀之，以获得塑料薄膜的方法。11.轮辗涂装(calendercoating)利用滚轮表面之热，使熔融塑料涂布于布、皮或纸上的加工方法，PVC皮布是最常被轮辗加工之产品。12.粉末涂装(powdercoating)此法是在被涂物上放置粉末，然后加热使粉末熔融的连续涂布法，可分为下列三种方式：(a)焰喷法：将塑料粉末以丙烷或乙炔燃料气之火焰喷射，再熔化附着于受质体表面。(b)静电涂装：为利用静电将塑料粉末附着于受质体表面，再加热使之熔解。(c)流动浸渍涂装：将塑料粉末在流动床中浮动，再浸入加热过的金属物体，使熔着一层塑料覆膜。一般我们常用之塑料粉末为PE、PP、PVC、Nylon及Epoxy等。13.发泡加工(foaming)发泡材料为含有气泡之材料，其假比重较实质密度为低。依发泡法之分类有：常压加热法、加压发泡法、押出发泡法、射出发泡法、二液混合法及二段发泡法等。一般押出发泡法所用之模头可分为T形模及环形模，后者常被用于聚苯乙烯发泡板，但如果是厚度大于5mm，则须使用T形模头来发泡。常见之发泡材有PE、PP、PS、PVC、CPE、ABS及PC等。结构发泡之设计，在本书第六章会另做详细说明。14.拉挤成形(pultrusion)此加工方式是玻纤补强产品产生的一种，藉由加热模头，连续式的拉出经过补强及硬化的树脂，而后成形。其实一个最佳的塑料加工方式之选择，主要之决定在于材料之种类、产品之外形，产量之多寡及最重要的成本效益。而往往一个同样之产品，可经由各种不同之加工方式而产生，如表1-8所示。至于常用的塑料加工方法与所选择的热固性及热塑性材料则可藉表1-9，做个比较参考。若产品之形状较为复杂及须要做内部之加工，则加工方式之选择可参考表1-10。至于各加工方式、成本及产率之关系，可参考表1-11。●第二章射出成型/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，造成品质具甚大的相异性。●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