塑料成型与模具设计

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(design check list)。

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(machining from rod or slab stock) 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(die casting tool)

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(protoype tool)

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(cycle time)，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(preproduction tool)

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(wall thickness)

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(sink marks)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(draft angle)

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。

通常每一英吋，0.5度的倾斜角是达成有效结果所能容许之最小值。一般而言每一英吋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英吋之深度，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(dimensional tolerance)

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。随着公差的严格要求，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，皆须根据这些数据来设计之。

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品质，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(sprue bushings & sprue pullers)

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。

2-4-2 传统之模具(conventional molds)

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