UG塑胶模具设计－热浇道知识

二、熱澆道與模具業
　　由於時代的巨輪不斷的、快速的，而且很殘酷的往前快速邁進，加上我國內近來的幾項福利政策業已開始：「全民健保」、「國民年金」……等相關實施，不只使得以人力為主的模具業成本大增，更糟糕的是人力市場難求，模具業普遍缺人的現象……令人心憂！因此在有限的人力資源之下，如何提高您的模具利潤以應付日益增加的成本，乃是目前大家面臨的主要問題，提高精密度，自動化製模……，固然是一種很好辦法，不過需要投入大量資金購買設備、訓練人員……，針對以上情況，最簡單，最容易達成的方式，莫過於對「熱澆道之使用」做透徹的瞭解。

三、塑膠材料特性之介紹
　　射出成形之加工就是（溶化）→（流動）→（成形）→（固化結晶化）的工程。
　　因此對於塑料的特性，就格外重要了。例如：溶解溫度、壓力、黏度、比熱……等都必須予以重視。由於塑料之領域非常廣闊，於此無法深入其間，不過我們將針對其常識部份加以說明。
1.可塑化
　　塑膠之所以能夠成形加工，是由於它在溫度與壓力的作用下產生變形，依受熱的溫度不同，可分為四種狀態，即玻璃狀態、高彈性狀態、可塑化狀態、分解狀態，如圖示：

玻璃狀態：0～T1，分子在凍結狀態，硬且脆，遇壓力則易破裂。
高彈性狀態：T1～T2，因外力可變形，未達溶化狀態不易成形。
可塑化狀態：T2～T3，可隨意加工成形。
分解狀態：T3，塑膠開始裂解，出現氣體分解物，甚至達燒焦狀態。

2.成形條件：
(註)以下為一般形塑料之成形條件
　對於每一種不同塑料，其相對的成形區域或有不同，不過其過程分析皆相同。因此對於優秀的模具設計者而言，應確實了解每一種塑料之成形區域及加工特性。

3.熔化塑膠的流動性
　　一般的流體（例如：水、油……）其流動狀態，皆依照牛頓定義進行。而塑膠熔液看似普通的流體，其實乃是非牛頓流體。例如：在牛頓流體中，雖然剪斷應力有變化，但其粘度卻不變。而塑膠熔液，當剪斷應力發生變化時，粘度也有明顯的變化產生。例如：在牛頓流體中，壓力從1增加到了10的時候，則流出量增加了10倍。以塑膠熔液來做同樣的實驗，當壓力從1增加到10，其流出量可能增加了100倍，或500倍，甚至1000倍（依照不同的塑膠而定）。
　　因此在這種非牛頓流動中，壓力增大則流動抵抗減小。因此射出成形時，雖然澆口相當狹小，但卻很容易填充於模穴內，至於牛頓流體，再加分類有兩種，如圖：
射出成形是將塑膠溶液採用高速度使其產生變形的一種加工法，因塑膠溶液有壓縮性，在高速的流動下，容易引起彈性的壓力變動。這個現象，當流動阻力有急速變化時，即可看出這種彈性的壓力變動變生後，流體前端的擴散方向極為混亂不安定。但是採用高速填充時，塑膠溶液又像是非壓縮性的現象。這種彈性的壓力變動（不安定的脈動）是因何而起的？以下分析如圖所示：
【當塑膠溶液之流動類似層流狀態時，即模穴在正常且安定的狀態下填充】
　　在圖中，富有壓縮性的塑膠溶液以螺旋狀的彈簧表示，敘想在彈簧施加壓力，使往管子中央移動時，當用一樣的速度使彈簧由左往右移動的活動，這是理想的層流狀態，由於射出壓力與阻力在平衡狀態時，彈簧的移動很平滑。【如C】
　　可是在某些情況，必需以急速填充時，射出壓力及速度也就異常的增高。因此富有彈性的塑膠溶液（彈簧），頭一瞬間時承受過程的壓縮，第二瞬間時引起強大的阻力，其原因是壓力的起伏變動和流動體前端的亂流所發生的，這種流動狀況稱為彈性亂流。

4.塑膠材料之選擇：
　　設計製品之初即應選擇所用塑料，但大都未將模具併入考慮。但可能的話，所選用的材料應使模具之製造簡單才好。
　　成形收縮率小者（PS、ABS、PC）的尺寸精度較易達成。而成形收縮率大者（PP、PE、POM）較難做到尺寸精度（模具的公差為成形品公差之1/6）。
流動時黏度比較大者（ABS等），溶液較不易流入縫隙中，但黏度小者（如PA、POM）即使間隙很小溶液亦易於進入。
成形時之溫度較低者(PS等)較易成形且成形週期亦快，但成形溫度高者(PC)則較慢。
　　成形時不易變質或分解者（PS、PE、PP等），量產時不易引起品質不穩的不良品，但成形時易發生變質或分解者，若不嚴格要求成形條件（模具可以精密控制成形條件）則無法量產。此在熱澆道之情形下問題尤其嚴重。

5.結晶性塑膠與非結晶性塑膠
　　從分子的結構觀察，結晶性塑膠─線狀高分子，依樣其化學構造，有些分子的一部份，乃以有規則地集合，將其稱為結晶性塑膠。不是所有的分子都變成

此狀態，依據冷卻條件在重量比有40～80％程度變成結晶狀態。此程度稱為「結晶度」。結晶之內都是稱為Lamella的分子鏈彎曲、折疊，而未進入產生單位結晶之結晶部分的分子鏈存在於Lamella或球晶之間，產生非結晶部分。非結晶性塑膠……與結晶性塑膠不同，分子無法有規則地集合。這是由於形成高分子鏈之原子團太大、架橋妨礙結晶。
　　從容積變化的觀察結果，亦可將熱可塑性塑膠分為兩大類，一種是非結晶性塑膠，另一種是結晶性塑膠。對於結晶性與非結晶性之分類，在表中有關各種塑膠的習性已有註明。對於其容積與溫度間之變化，我們可由以下例子來做更進一步的了解。例如：PS（非結晶性塑膠之代表）從20℃加熱到200℃時約膨脹8.3％，以密度而言，從0.97 cm/g減少到1.012 cm/g（結晶性塑膠之代表）在同條件下有下列的變化：

　　20℃容積：1.03 cm/g

　　200℃的容積：1.33 cm/g

　　容積增加率：29％

　　已溶融的非晶性聚合物，採用現在所使用的射出成形機，可做大幅度的壓縮。因條件而異，過剩的溶融體也可強制填充於模穴內，在這種條件下做出的成形品，殘留著很大的內應力而固化。對成形品的性能有很大的影響。它會在脫模的瞬間被破壞，稍受到外力或因化學藥品的作用也很容易受破壞。

　　結晶性塑膠，因加熱使結晶完全融解，溶融體成了非晶狀態，其動作與非結晶性聚合物一樣。值得注意的是壓力變高時，從結晶質到非結晶質的轉移溫度也會提高。結晶性塑膠成形時，在成形品的品質上有一點很重要，即聚合物在非結晶狀態時必需要完成成形的動作。這件事，特別是對保壓期間而言，保壓中的變形即是因流動而引起的。

　　結晶性塑膠的溶融體急速冷卻後，成形品的某些部份，其再結晶化受到妨礙，再結晶化的現象無法瞬間完成，而隨時繼續進行，密度和結晶化程度之間有直接的關係，結晶化程度高，則密度提高。相反地，結晶化程度低，則密度降低，因急激的冷卻，而使再結晶化受到妨礙的部份，因溫度、時間因素的差異下，或多或少繼續進行後結晶化。後結晶化繼續進行，直到回復原本此部份的密度為止。因此可以了解後結晶化與後收縮是相關連的，後結晶化和後收縮也是造成成形品彎曲變形和尺寸變化（成形品變小）的原因。

　　模穴表面溫度高的話，成形收縮起初很大，熱處理時卻少有變化。因此，在很高的模具表面溫度下做出的成形品，雖然在高溫下使用，但其尺寸安定性卻很好。因此，決定結晶性塑膠的模穴尺寸時，必需要考慮後結晶、後收縮的關係，而重要的是，模穴表面溫度從成形開始就要正確地掌握。當然，要使模穴的表面溫度完全無溫度差是不可能的，但可使用有效的溫度控制系統，儘量減少溫度差。 
一 热流道模具的优点

热流道模具在当今世界各工业发达国家和地区均得到极为广泛的应用。这主要因为热流道模具拥有如下显著特点：
1、缩短制件成型周期
因没有浇道系统冷却时间的限制，制件成型固化后便可及时顶出。许多用热流道模具生产的薄壁零件成型周期可在5秒钟以下。
2、节省塑料原料
在纯热流道模具中因没有冷浇道，所以无生产费料。这对于塑料价格贵的应用项目意义尤其重大。事实上，国际上主要的热流道生产厂商均在世界上石油及塑料原料价格昂贵的年代得到了迅猛的发展。因为热流道技术是减少费料降低材料费的有效途径。

3、减少费品，提高产品质量
在热流道模具成型过程中，塑料熔体温度在流道系统里得到准确地控制。塑料可以更为均匀一致的状态流入各模腔，其结果是品质一致的零件。热流道成型的零件浇口质量好，脱模后残余应力低，零件变形小。所以市场上很多高质量的产品均由热流道模具生产。 如人们熟悉的MOTOROLA手机，HP打印机，DELL笔记本电脑里的许多塑料零件均用热流道模具制作。
4、消除后续工序，有利于生产自动化。
制件经热流道模具成型后即为成品，无需修剪浇口及回收加工冷浇道等工序。有利于生产自动化。国外很多产品生产厂家均将热流道与自动化结合起来以大幅度地提高生产效率。
5。扩大注塑成型工艺应用笵围
许多先进的塑料成型工艺是在热流道技术基础上发展起来的。如PET预成型制作，在模具中多色共注，多种材料共注工艺，STACK MOLD等。

二 热流道模具的缺点
尽管与冷流道模具相比，热流道模具有许多显著的优点，但模具用户亦需要了解热流道模具的缺点。概括起来有以下几点。
1、模具成本上升
热流道元件价格比较贵，热流道模具成本可能会大幅度增高。如果零件产量小，模具工具成本比例高，经济上不花算。对许多发展中国家的模具用户，热流道系统价格贵是影响热流道模具广泛使用的主要问题之一。
2、热流道模具制作工艺设备要求高
热流道模具需要精密加工机械作保证。热流道系统与模具的集成与配合要求极为严格，否则模具在生产过程中会出现很多严重问题。 如塑料密封不好导致塑料溢出损坏热流道元件中断生产，喷嘴镶件与浇口相对位置不好导致制品质量严重下降等。
3、操作维修复杂
与冷流道模具相比，热流道模具操

作维修复杂。如使用操作不当极易损坏热流道零件，使生产无法进行，造成巨大经济损失。对于热流道模具的新用户，需要较长时间来积累使用经验。

三 热流道系统的组成
尽管世界上有许多热流道生产厂商和多种热流道产品系列，但一个典型的热流道系统均由如下几大部分组成：
1． 热流道板 （MANIFOLD）
2． 喷嘴 （NOZZLE）
3． 温度控制器
4． 辅助零件
将在以后系列文章深入讨论这些零件的种类与应用。

四 热流道应用主要技术关键
一个成功的热流道模具应用项目需要多个环节予以保障。其中最重要的有两个技术因素。一是塑料温度的控制，二是塑料流动的控制。

1．塑料温度的控制
在热流道模具应用中塑料温度的控制极为重要。许多生产过程中出现的加工及产品质量
问题直接来源于热流道系统温度控制的不好。 如使用热针式浇口方法注塑成型时产品浇口质量差问题，阀式浇口方法成型时阀针关闭困难问题，多型腔模具中的零件填充时间及质量不一致问题等。如果可能应尽量选择具备多区域分别控温的热流道系统，以增加使用的灵活性及应变能力。
２．塑料流动的控制
塑料在热流道系统中要流动平衡。浇口要同时打开使塑料同步填充各型腔。对于零件重量相差悬殊的ＦＡＭＩＬＹ　ＭＯＬＤ要进行浇道尺寸设计平衡。 否则就会出现有的零件充模保压不够，有的零件却充模保压过度，飞边过大质量差等问题。热流道浇道尺寸设计要合理。尺寸太小充模压力损失过大。尺寸太大则热流道体积过大，塑料在热流道系统中停留时间过长， 损坏材料性能而导致零件成型后不能满足使用要求。世界上已经有专门帮助用户进行最佳流道设计的CAE软件如MOLDCAE。

五 热流道模具的应用范围
1．塑料材料种类
热流道模具已被成功地用于加工各种塑料材料。如PP，PE，PS，ABS，PBT，PA，PSU，PC，POM，LCP，PVC，PET，PMMA，PEI，ABS/PC等。 任何可以用冷流道模具加工的塑料材料都可以用热流道模具加工。
2．零件尺寸与重量
用热流道模具制造的零件最小的在0.1克以下。最大的在30公斤以上。应用极为广泛灵活。
3．工业领域
热流道模具在电子，汽车，医疗，日用品，玩具，包装，建筑，办公设备等各工业部门都得到广泛应用。

六 国际上热流道模具生产简况
在世界上工业较为发达的国家和地区热流道模具生产极为活跃。 热流道模具比例不断提高。许多10人以下的小模具厂都进行热流道模具的生产。从总体上讲北美，欧洲使用热流道技术时间较久，经验较多水平较高。在亚洲，除日本外，新加坡，南韩，台湾，香港处于领先地位。北美，欧洲虽然模具制造水平较高，但价格较高交货期较长。相比之下，亚洲的热流道模具制造商在价格与交货期上更具竞争性。而中国的热流道模具尚处于起步阶段，但是正在快速增长，比例不断提高。

七 世界上主要热流道生产商及总部所在地
在热流道技术领域里竞争非常激烈。许多公司在热流道产品开发上均投入巨大财力物力。 在各主要塑料，模具展览会上总能看到最新面世的热流道产品。现将世界上主要热流道生产商及总部所在地收列于此。
1．北美洲
MOLD-MASTERS 加拿大
HUSKY 美国
SYNVENTIVE 美国
CACO美国
INCOE 美国
FASTHEAT美国
D-M-E美国
HASCO美国
2．欧洲

EWIKON 德国
GUNTHER德国

SPEAR 德国
PLASTHING 英国
UNITEMP 瑞典
THERMOPLY 意大利
3．亚洲
SEIKI 日本
YUDO 南韩
4．澳洲
MASTIP 新西兰

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