熱傳導係數 (Heat Transfer Coefficient, HTC)

模具熔膠接觸熱傳導效應 (Mold-Melt Contact Heat Transfer Effect)

在射出成型的充填階段 (filling)，由於模具與熔膠之間存在接觸熱阻 (thermal contact resistance)，模具-熔膠交界面溫度 (T_mt) 通常比設定的模溫 (T_mb) 還高。T_mb 與 T_mt 之間的差異量值不但與金屬模具及熔膠的材料熱性質相關，也與加工設定相關。

使用固定溫度邊界條件的限制

對於一般的情況，T_mt 也許與 T_mb 沒有明顯不同，表示使用者在 CAE 成型模擬時可以直接以 T_mb 取代 T_mt。然而，對於一些薄件或者高速充填的產品，甚至於是黏度有高溫度相依性的材料，使用 T_mb 可能導致低估模具-熔膠交界面溫度，進而得到高估的射壓預測結果。

熱傳係數的需求

根據牛頓冷卻定律來的熱傳係數 (heat transfer coefficient, HTC) 是很方便使用的:

q = h(T_mt - T_mb)

在塑件與模座之間的熱傳係數 (h) 與材料、溫度、加工條件相關。一般而言，h 的範圍落在 1000 到 25000 (W/m²∙K) 之間。當使用較高的 h，熱通量比較大,溫度 T_mt 將會很接近模具溫度 T_mb。相反的，當使用比較低的 h，溫度 T_mt 將會大幅的高於模具溫度 T_mb。


Source: Moldex3D Help 2020.

射出成型系列文章 (Series Articles in Injection Molding)

射出成型 (injection molding) 為生產複雜幾何產品之重要技術，近期將陸續翻譯 T. Osswald 所著 Understanding Polymer Processing 書中的第六章，主題包括:

1. 射出型週期 (the injection molding cycle)
2. 射出成型機 (the injection molding machine)
3. 特殊射出成型製程 (special injection molding processes)
4. 射出成型之電腦模擬 (computer simulation in injection molding)

(見於部落格文章分類 - 高分子加工 Polymer Processing，或以關鍵字搜尋站內文章)

Ithaca, NY

Reference: Chapter 6 in T Osswald, Understanding Polymer Processing: Processes and Governing Equations, 2nd ed (Hanser 2017).

射出成型之電腦模擬 (Computer Simulation in Injection Molding)

高分子製程之電腦模擬提供了很多方面的巨大優勢，設計者和工程師幾乎可考慮任何幾何和加工選項 (geometric and processing option)，卻不會產生相關的費用，包括雛型模具 (prototype mold)、模具製造 (die making)、材料 (耗時的反複試驗程序)。在電腦上嘗試新的設計或概念，讓工程師有機會在生產開始之前檢測並修復問題 (detect and fix problems)。此外，製程工程師可以確定加工參數 (processing parameters) 對最終產品品質和性質的敏感性。例如，當設計射出成型時，電腦輔助工程 (CAE, computer-aided engineering) 提供設計人員一定的彈性，決定不同澆口方案 (gating scenarios)、流道設計 (runner designs)、冷卻線位置 (cooling line location) 的效應。例如，在工業上不斷減少射出成型塑件的厚度，而厚度的減少會增加模具充填期間的壓力需求，典型的壓力值可達到 2,000 bar (或 200 MPa)，這樣的壓力對熔體的黏度和熱性質具有巨大的效應；大部分市售軟體並沒有考慮這些影響。

CAE 在製程設計和最佳化的第一步是將實體模型 (solid model) 轉換成模擬軟體套件可以使用的有限元素網格 (finite element mesh)，例如 Fig. 6.26 中所示的 PA6 外殼。通常情況下，三維幾何模型被轉換成一個中平面模型 (mid-plane model)，此模型實質上是一個在三維空間排向的二維幾何 (a 2-D geometry oriented in 3-D space)，然後一個有限元素模型在中平面表面生成。基本上，最常見的射出成型模型使用這種方法來表示塑件的幾何形狀，儘管這樣的模型 (Hele-Shaw 模型) 足以代表大多數薄且平坦 (thin and planar) 的射出成型零件，但是當射出成型零件的高寬比 (aspect ratios) 較小或具有三維特徵時，這些模型將失效。

現代的射出成型模擬套件被用於設計模穴的熱配置 (thermal layout)

模具充填模擬 (Mold Filling Simulation)

結合有限元素網格 (Fig. 6.26) 和控制體積方法 (control volume approach)，模擬套件透過求解耦合的能量與動量平衡 (coupled energy and momentum balance)，得到模具充填的圖案 (pattern)，它不但包括高分子熔體在流動時存在的非牛頓效應 (non-Newtonian effects)，也包括冷卻對模腔內部熔體流動的影響。

模具充填分析和最終的填充圖案可用於預測熔接線 (weld lines) 的形成 (或處理纖維增強複合材料時的接合線 (knit lines)) 和氣體截留 (gas entrapment)。這些將造成薄弱點和表面光潔度問題 (weak spots and surface finish problems)，導致最終零件的破裂和故障 (cracks and failure) 以及美學問題 (esthetic problems)。Figure 6.27 展示了預測的 60% 模具零件充填和 Fig. 6.26 的澆口。壓力和夾緊力要求也是零件和製程設計期間需要的訊息，兩者都是由商業射出軟體計算得來。在模擬中，材料的流變、幾何形狀、加工條件均是被明確定義的，在這種情況下，模擬的精度可以非常高。Figure 6.28 展示了一個實驗和預測短射 (short shots) 的比較；可以看出，預測和模擬是一致的。

現今的 CAE 射出成型套件可以精準預測模具充填圖案

排向預測 (Orientation Predictions)

分子和填料的排向對最終產品的性能產生深遠影響，分子排向不僅會影響高分子的機械性質，也會影響光學性質。例如，雙折射率 (birefringence) 受控於分子排向性，對於某些需要光學特性的產品 (例如，鏡片)，雙折射率必需非常小。Folgar-Tucker 模型已見於各種市售的射出和壓縮模具充填模擬程式。Figure 6.29 呈現預測與實驗雙折射圖案的比較，對於圖中所示的聚碳酸酯透鏡 (polycabonate lens)，雙折射圖案與分子排向直接相關。

收縮和翹曲預測 (Shrinkage and Warpage Predictions)

收縮和翹曲與殘餘應力 (residual stresses) 直接相關，此應力源自於製程中的熟化 (curing) 或固化 (solidification) 階段發生的不同應變場 (varying strain fields)。這種應變梯度是由不均勻的熱機械性質 (nonuniform thermomechanical properties) 和模腔內部溫度差異 (temperature variations) 引起。熟化造成的收縮也在熱固性高分子 (thermosetting polymers) 的殘餘應力發展中起主導作用，也對纖維增強的熱固性塑料 (fiber reinforced thermosets) 很重要；當縮痕 (sink marks) 出現在較厚的部分或肋狀 (ribbed) 零件，收縮也是一個問題。在加工熱塑性材料時，最終產品的收縮和翹曲取決於加工過程中形成的分子排向和殘餘應力。分子或纖維的排向以及內部的殘餘應力又取決於射出成型製程的模具填充、保壓、冷卻階段的流動和熱傳。為了預測最終產品的殘餘應力，現代軟體套件使用材料的 pvT 行為，表徵高分子從熔體到室溫的熱機械響應，以及溫度相關的應力應變行為。Figure 6.30 展示了 Fig. 6.26 零件在冷卻和脫模之後的翹曲幾合圖。翹曲通常以圖形方式描繪為整體偏斜量 (deflection)，以及將偏斜零件幾合疊加於模具幾何。翹曲的最小化是設計工程師最關心的問題之一，有時可以透過更改樹脂配方來實現。進一步的翹曲減少可以透過更改澆口的數量和位置。儘管試誤法 (trial-and-error solutions) 仍然是當今最常見且可行的解決方式，電腦最佳化通常可以降低成本。

翹曲是塑件製造常見的問題，現代軟體套件可以精確預測最終產品的翹曲

Reference: T Osswald, Understanding Polymer Processing: Processes and Governing Equations, 2nd ed (Hanser 2017).

特殊射出成型製程 (Special Injection Molding Processes)

射出成型 (injection molding) 的製程有很多種，其中許多仍在開發中。此外，由於這些特殊射出成型的多樣性，沒有獨特的方法對其進行分類。Figure 6.15 嘗試用示意圖將用於熱塑性塑料 (thermoplastics) 的特殊射出成型製程分類，最常見的特殊射出成型是多成份射出成型 (multi-component injection molding)、共注射成型 (co-injection molding)、氣體輔助射出成型 (gas-assisted injection molding, GAIM)，射出壓縮成型 (injection-compression molding)，反應射出成型 (reaction injection molding) 和液態矽橡膠射出成型 (injection molding of liquid silicone rubber (LSR))。

1. 多成份射出成型
(Multi-Component Injection Molding)

在成型製程中，當兩個或多個成份在不同階段通過不同的流道和澆口系統被注入，稱為多成份 (或多色) 射出成型。每個成份都使用自己的塑化單元進行注射，且模具通常置於轉盤上。多色汽車剎車燈就是透過這種方法成型。在多成份製程中，通常使用兩種不相容的材料成型 (two incompatible materials)，或者其中一個成份被充分冷卻而不會與另一個成份相互附著。例如，要成型一個滾珠和插座系統 (a ball and socket system)，不是滾珠就是連桿插座 (socket of the linkage) 先被成型。在第二個成份成模前，先被注入的成分會進行冷卻，所以可以產生完美可移動的系統。如果先注入插座，則組裝會鬆動；如果滾珠先被成模，則組件會緊緊固定 (因為插座在滾珠上收縮)。這種類型的射出成型被用來取代乏味的組裝工作，並在勞動力成本高昂的國家變得越來越流行。因此，這種類型的製程稱為組裝射出成型 (assembly injection molding)。

如 Fig. 6.16 所示，一個常用的多成份射出成型利用一個旋轉模具和多個射出單元，一但嵌件 (insert) 成模後，液壓或電動伺服驅動器將核心 (core) 和零件 (part) 旋轉 180 度 (對於三射零件，則為 120 度)，從而允許高分子交替被注射。這是最快且最常見的方法，因為兩個或多個零件可以在每一個週期成型。當嵌件仍在模具中，多成份射出成型的另一種變化涉及使用可伸縮 (可移動) 的芯 (cores) 或滑塊 (slides) 自動擴展原始腔體的幾何形狀 (如 Fig. 6.17 所示)，這個過程叫做抽芯或回芯 (core-pull or core-back)。具體來說，當嵌件固化形成開放體積 (open volume)，芯回縮使第二種材料得以填充至同一個模具中。

全部零件可以用多成份射出成型系統組裝

2. 共注射成型
(Co-Injection Molding)

對比於多成份或多色射出成型，共注射成型 (co-injection molding) 使用相同的澆口和流道系統。在這裡，首先注入形成零件外部表皮 (outer skin) 的成份，然後再注入核心成份 (core component)。Figure 6.18 舉例說明了單通道技術 (one-channel technique) 共注射成型製程之典型時序，以及模內表皮和核心材料之流動。這個製程是透過使用一台機器完成的，但該機器有兩個分開且單獨控制的注射裝置，以及一個具開關頭 (switching head) 的常見射出噴嘴阻斷 (injection nozzle block)。

由於高分子熔體的流動行為以及表皮材料的固化，高分子凍結層 (a frozen lay of polymer) 會從較冷的模具壁開始生長，而在腔中心流動的高分子仍保持熔融狀態。當作為核心的材料注入後，它在冷凍的表皮層內流動，同時推動在熱核心 (hot core) 的熔融表皮材料至腔體末端。由於前進的熔體波前具噴泉流效應 (fountain-flow effect)，在波前的表皮材料會出現在鄰近模具壁的區域，表皮材料出現在表面以及零件末端的這個過程一直持續到腔體幾乎被填滿才停止。最後，再次注入少量額外的表皮材料以清除核心材料使其遠離澆道，故在下一次的注入不會出現在零件表面。如果在注射核心材料之前沒有注射足夠的表皮材料，有時表皮材料可能在充填過程被淨空 (depleted)，導致核心材料出現在部分的表面和最後被填充部分的零件末端，稱為核心表層化 (core surfacing) 或核心穿透 (core breakthrough)。

循序的共注射成型製程 (即表皮-核心-表皮 (skin-core-skin or A-B-A)) 有其它的變化順序，特別的是，當正在注入表皮材料時，我們可以開始注入核心材料 (即 A-AB-B-A)，也就是說，多數表皮材料先被注入腔中，然後將表皮和核心材料結合注入，接著填充核心材料，最後，如前所述注入額外少量的表皮材料將整個序列結束。除了單通道技術組態，雙或三通道技術也已經被發展，其使用具同心流道噴嘴 (nozzles with concentric flow channels)，故允許同時注入表皮和核心材料。

共注射成型可以用於生產不同表皮和核心材料之零件

3. 氣體輔助射出成型
(Gas-Assisted Injection Molding, GAIM)

氣體輔助射出成型 (GAIM) 製程首先將高分子熔體以部分或幾乎全滿注入模腔 (partial or nearly full injection)，然後將惰性氣體 (通常為氮氣) 透過噴嘴、澆道、流道或直接注入腔內的高分子核心 (core of the polymer melt)。壓縮氣體行走最少阻力路徑 (least resistance)，流向壓力最低的熔體波前。結果，氣體滲透並空洞化 (penetrates and hollows out) 預先設計的厚壁氣體通道網路 (a network of predesigned, thick-sectioned gas channels)，同時取代熱核心處 (hot core) 的熔融高分子，最後填充並填滿整個腔。

如 Fig. 6.19 所示，氣體輔助射出成型以及其他流體輔助射出成型，主要基於兩個原理下的幾種變化。第一個原理是部分充填模具 (partially filling a mold cavity)，然後透過加壓流體置換熔體並完成整個模具的充填。Figure 6.20 顯示了基於此原理的氣體輔助射出成型製程週期。第二個原理是腔體幾乎或完全被充填 (nearly or completely filled)，熔融的核心被抽入第二腔體 (secondary cavity)，該第二腔體可以是側面腔 (side cavity) (於脫模後將報廢)，或者是會形成實際零件的側面腔，也可以是射出成型機塑化單元的螺桿前端熔噴腔 (melt shot cavity)。在後者，熔體可在下一個成型週期中被再利用。

在所謂的氣壓控制過程 (gas-pressure control process)，壓縮氣體以可調控的氣壓曲線被注入 (可以是恆定的 (constant)、斜坡式的 (ramped)、階梯狀的 (stepped))。在氣體體積控製過程中 (gas-volume control process)，首先將氣體導入壓縮缸 (compression cylinder) 並維持在預設的體積和壓力；然後，然後藉由柱塞移動來減少體積而產生的壓力將氣體注入。具有精確注射量控制 (precise shot volume control) 的常規射出成型機，可被修改用於氣體輔助射出成型 (帶有附加轉換設備、氣源、氣體注入控制裝置)；如 Fig. 6.21 所示。氣體輔助射出成型由於以下原因，需要對產品、工具和製程設計採取不同的方法，包括需要控制額外的氣體注入，以及氣體通道的佈局和大小 (layout and sizing of gas channels)，最終引導氣體以我們想要的方式滲透。

氣體輔助 (gas-assisted) 射出成型是更通用類別的流體輔助 (fluid-assisted) 射出成型製程的一種特殊形式，此類別下的另一個製程是水輔助 (water-assisted) 射出成型。最後者這個製程的主要區別是水為不可壓縮的，並且較空氣具有更高的熱導率 (thermal conductivity) 和熱量容量 (heat capacity)，因此，這導致週期時間的顯著減少。

主要的流體輔助 (fluid-assisted) 射出成型製程包括氣體轉助 (gas-assisted) 射出成型和水輔助 (water-assisted) 射出成型

4. 射出壓縮成型
(Injection-Compression Molding)

射出壓縮成型 (ICM) 是傳統射出成型的延伸，ICM 結合模具壓縮動作 (mold compression action) 來壓實高分子材料，故可用於生產具有尺寸穩定性 (dimensional stability) 和表面精度 (surface accuracy) 的零件。在過程中，模腔最初具有擴大的橫截面，從而允許高分子熔體在相對較低的壓力下能夠流至腔體的末端。在充填過程中或充填後的某段時間，透過合模運動 (mold-closing movement) 使模腔厚度減小，迫使熔體填滿整個腔體。相較於常規的射出成型，這種模壓縮動作使模具內的壓力分佈更加均勻，導致更均勻的物理性質以及更小的收縮 (shrinkage)、翹曲 (warpage) 和模壓應力 (molded-in stresses)。

Figure 6.22 圖示射出壓縮成型過程。兩階段依序的 ICM 具有的潛在缺點是流動停滯 (flow stagnation) 導致的延遲 (hesitation) 或可視痕跡 (witness mark)。為了避免這種表面缺陷並促進高分子熔體連續流動，同步 ICM (simultaneous ICM) 在樹指注入的同時啟動模具壓縮。ICM 的主要優勢是能夠在低壓力下、低夾緊噸位 (clamp tonnage) (通常比射出成型低 20-50%)、縮短的生產週期情況下，生產尺寸穩定、相對無應力的零件。對於薄壁的應用，難流動的材料，例如聚碳酸酯 (polycarbonate)，可以被模製成薄至 0.5 mm。另外，圓形的給料 (circular charge) 也可顯著降低分子配向 (molecular orientation)，因此導致較低的雙折射 (reduced birefringence)，改善了成品零件的光學性能。ICM 是最適合生產高品量和具成本效益的 CD-audio/ROMs、許多類型光學鏡頭之最佳生產技術。

5. 反應射出成型
(Reaction Injection Molding, RIM)

反應射出成型 (RIM) 在將低黏度混合物以相對較高的速度注入模具前，需先將兩種反應液 (two reacting liquids) 在混合管 (mixing head) 中進行混合，液體在模具中反應形成交聯的固體零件 (cross-linked solid part)。Figure 6.23 是高壓聚氨酯 (high pressure polyurethane) 射出系統的示意圖，兩成份於高速下的混合發生於衝擊的混合管 (impingement mixing heads)；低壓聚氨酯系統如 Fig. 6.24 所示，需要機械攪拌裝置的混合管。短週期時間短、射出壓力低、夾緊力小，再加上優異的零件強度 (part strength) 以及成型零件的耐熱性和耐化學性 (heat and chemical resistance)，使得 RIM 非常適合快速生產大型複雜零件，例如汽車保險桿蓋和車身面板。

反應射出成型是一個直接從單體 (monomers) 或寡聚物 (oligomers) 快速生產複雜零件的製程，與熱塑性塑料射出成型 (thermoplastic injection molding) 不同的是，固體 RIM 零件的成型透過模具中聚合 (polymerization) 的發生 (交聯或相分離 (cross-linking or phase separation)) 而不是固化 (solidification)。RIM 亦不同於熱固性塑料射出成型 (thermoset injection molding)，其聚合反應是透過化學混合 (chemical mixing) 而不是透過高溫模具的熱活化 (thermally activated by the warm mold)。在 RIM 製程中，兩種液體反應物 (例如，多元醇和異氰酸酯 (polyol and isocyanate)，它們均為聚氨酯 (polyurethanes) 的前驅物) 以正確的比例進入混合室，並且在注入模具前，便於該處進行聚合反應。因為反應物的黏度很低，即使射出速度相當快，射壓通常非常低。由於反應速率快，最終零件的脫模通常少於一分鐘。

RIM 製程有幾種變化，例如，在所謂的增強反應射出成型中 (reinforced reaction injection molding, RRIM)，填料 (例如，短玻璃纖維 (short glass fibers) 或玻璃片 (glass flakes)) 已用於加強剛度 (stiffness)、保持尺寸穩定性、降低材料成本。RIM 的另一種改良稱為結構反應射出成型 (structural reaction injection molding, SRIM)，可用於生產複合材料零件 (composite parts)，SRIM 將固化樹脂 (curing resin) 填滿具強化玻璃纖維預形體的模具 (preform))。樹脂轉注成型 (resin transfer molding, RTM) 與 SRIM 非常相似，RTM 同樣使用強化玻璃纖維預形體 (reinforcing glass fiber-mats) 生產複合材料零件，但是 RTM 使用的樹脂則被刻意調製成反應緩慢，且需被熱活化 (如同熱固性塑料射出成型)。

RIM 的設備投資資本低於射出成型機。最後，因為最終的交聯結構，RIM 零件一般具有更好的機械和耐熱性能。由於過程中的化學反應，RIM 的模具和製程設計一般來說較為複雜。例如，緩慢的充填可能會導致過早的膠凝 (premature gelling)，從而導致短射 (short shots)，而快速充填可能會引起紊流 (turbulent flow)，從而產生內部孔隙 (internal porosity)。此外，低黏度的材料容易造成需要修整的毛邊 (flash that requires trimming)。RIM 的另一個缺點是來自於健康議題，與異氰酸酯的反應需要特殊的環境預防措施。最後，像許多其他熱固性材料一樣，RIM 零件的回收並不像熱塑性塑料那麼容易，聚氨酯材料 (剛性的、發泡的、彈性體的) 傳統上是同義於 RIM，因為它們和尿素胺甲酸乙酯 (urea urethanes) 佔 RIM 生產的 95% 以上。

6. 液態矽橡膠射出成型
(Liquid Silicone Rubber Injection Molding)

在過去的四十年中，液態矽橡膠 (LSR) 的射出成型技術已有一定程度的發展，由於材料的熱固特性，液體矽橡膠射出成型需要特殊處理，例如強化的分布混合 (intensive distributive mixing)；此外，在將物料推入加熱的腔體進行硫化之前，應保持物料的冷卻。Figure 6.25 圖示 LSR 射出成型的製程，液體矽橡膠以料桶 (barrels or hobbocks) 供應。由於黏度低，幫浦 (pump) 可以將這些橡膠運送至管道和管子，最後進入硫化設備。

這兩個成份 (在圖中標記為成份 A 和 B) 是由計量幫浦 (metering pump) 送至一個靜態混合器 (static mixer)，其中的一個成分包含催化劑 (catalyst)，通常是以鉑 (platinum) 為基礎的催化劑，著色膏 (coloring paste) 以及其他添加劑 (additives) 也可以在物料進入靜態混合區之前添加。在靜態混合器中，所有成份經過充分混合，然後轉移到射出成型機的被冷卻計量區 (cooled metering section)。靜態混合器使材料均勻，這不僅使得整個產品的每個空間位置間性質非常一致，也使得產品與產品間非常一致。這與事先混合及部分硫化的固體矽橡膠形成對比 (solid silicone rubber materials)，硬的矽橡膠透過轉注成型加工，造成較低的材料一致性和控制，導致較高的零件變異性。此外，固體矽橡膠材料在較高的溫度下加工，故需要更長的硫化時間，從射出機的計量部分開始，化合物通過冷卻的澆道和流道系統，最後進入硫化發生的加熱腔。冷流道和一般冷卻導致進料管線中的物料損失最小，故冷卻允許 LSR 成為幾乎零材料浪費的生產，消除了修整操作 (trimming operations) 並大大節省了材料成本。

矽橡膠是熱固性彈性體 (thermoset elastomers) 家族的一員，其主幹具有交替的矽和氧原子以及甲基或乙烯基側基。矽橡膠約佔矽家族的 30 %，使他們成為該家庭中最大的一群。矽橡膠能夠在很寬的溫度範圍內保持其機械性能，甲基團在矽橡膠的存在也使得這些材料具有極強的疏水性 (hydrophobic)。典型液體矽橡膠的應用包括高精度要求的產品，例如密封件 (seals)、密封膜 (sealing membranes)、電連接器 (electric connectors)、多針連接器 (multi-pin connectors)、需要光滑表面的嬰兒產品 (例如，奶嘴 (bottle nipples))、醫療應用以及廚房用品 (例如，烤盤 (baking pans)、炒菜鏟 (spatulas) 等)。

Reference: T Osswald, Understanding Polymer Processing: Processes and Governing Equations, 2nd ed (Hanser 2017).

射出成型機 (The Injection Molding Machine)

1. 塑化和注射裝置

(The Plasticating and Injection Unit)

塑化和注射單元如 Fig. 6.8 所示。塑化單元的主要任務是將高分子熔化、將熔體累積在螺桿腔中 (screw chamber)、將熔體注入模穴 (cavity)、並在冷卻過程中維持在保壓壓力。

塑化單元在射出成型機中是一個具有往復螺桿的擠出機 (an extruder with a reciprocating screw)

塑化單元的主要元素是:

∎ 料斗 (hopper)
∎ 螺桿 (screw)
∎ 加熱帶 (heater bands)
∎ 止回閥 (check valve)
∎ 噴嘴 (nozzle)
料斗、螺桿和加熱帶類似於塑化螺桿擠出機 (plasticating single screw extruder)；然而，不同於擠出機，射出成型機的螺桿可以向後、向前滑動，因此可允許熔體的累積和射出。這個特性賦予它一個名稱，即往復螺桿 (reciprocating screw)。儘管射出成型機最常見的螺桿是三區塑化螺桿 (three-zone plasticating screw)，兩階段通風螺桿 (two-stage vented screws) 也常被用於熔化階段之後的水汽及單體氣體萃取 (extract moisture and monomer gases)。

止回閥或單向閥 (check valve or non-return valve) 位於螺桿的末端，它使得螺桿能在注射和保壓過程中具有柱塞作用 (plunger)，可以不讓高分子熔體回流至螺桿通道。止回閥及其在運行期間的功能分別如 Figs. 6.2 和 6.8 所示，高品質的止回閥在注入和保壓過程，僅允許少於 5% 的熔體回到螺桿通道中。

噴嘴位於塑化單元的末端，於注入時緊貼著澆口套 (sprue bushing)。噴嘴類型為開放或關閉，開放式噴嘴最為簡單，且能使壓力消耗降至最低。

2. 夾緊單元

(The Clamping Unit)

射出成型機的夾緊裝置的工作是打開和關閉模具，並緊密合上模具，以避免在充填和保壓過程中產生毛邊 (flash)。現代射出成型機主要有兩種夾緊方式: 機械式 (mechanical) 和液壓式 (hydraulic)。

Figure 6.9 顯示了處於打開和關閉模具位置的肘節機構 (toggle mechanism)。雖然肘節本質上是一個機械裝置，它是透過液壓圓柱驅動 (hydraulic cylinder)。使用肘節機構的優勢在於，隨著模具接近閉合時，可用的閉合力會增加，且閉合會明顯減速。但是，當系統完全擴展時，肘節機構僅傳遞其最大閉合力。

Figure 6.10 顯示了處於打開和關閉模具位置的液壓夾緊裝置。液壓系統的優點是最大的夾緊力在任何合模位置 (any mold closing position) 都能獲得最大的力，並且系統可以採用不同的模具尺寸，而無需重大的系統調整。

3. 模穴

(Mold Cavity)

射出成型機的中心點是模具。模具使高分子熔體進入整個模穴、使零件成形、冷卻熔體、然後頂出成品。如 Fig. 6.11 所示，模具是訂製的 (custom-made)，並且由以下元素組成:

∎ 澆道和流道系統 (sprue and runner system)

∎ 澆口 (gate)

∎ 模穴 (mold cavity)

∎ 冷卻系統 (熱塑性塑料)

∎ 頂出系統 (ejector system)

流動路徑: 螺桿腔體 (screw chamber)、噴嘴 (nozzle)、澆道 (sprue)、流道 (runner)、澆口 (gate)、模穴 (cavity)

如 Fig. 6.12 所示，在模具充填過程中，熔體流經澆道，並經由流道分配到模穴中。Figure 6.12 (a) 中的流道系統是對稱的 (symmetric)，所有模穴同時被填充，導致高分子以相同的方式被填充至所有腔體。這種分支的流道系統的缺點是流路較長，導致較多材料和較高壓力的消耗。另一方面，如 Fig. 6.12 (b) 所示的非對稱流道系統 (asymmetric runner system)，導致零件品質不同，均等充填模穴也可以透過改變流道直徑來實現。

冷流道降低模具成本

流道系統的類型有兩種: 冷的和熱的。冷流道 (cold runners) 與零件一起被頂出，並且在離模後需修剪 (trimmed)，冷流道的優點是低模具成本 (lower mold cost)。熱流道將高分子保持在其熔融溫度，材料在零件頂出後停留在流道系統中，並在下一個週期被注入腔體。熱流道系統有兩種類型: 外部和內部加熱。外部加熱的流道具有圍繞流道的加熱元件，保持高分子恆溫。內部加熱的流道具有加熱元件沿著流道中心，保持高分子熔體中心溫度較高，並可能沿著流道外表面固化。雖然熱流道系統大大增加了模具成本，其優點包括消除了修整和較低的射出壓力。各種不同配置的熱流道如 Fig. 6.13 所示，值得注意的是在熱流道腔系統中有兩條分模線 (parting lines)，其中第二條分模線僅在模具維護期間打開。

熱流道用於減少廢料量

如 Fig. 6.14 所示，當射出大型零件時，澆道 (sprue) 有時會用作澆口 (gate)，澆口隨後必須被修整 (通常需要進一步的表面處理)。另一方面，針型澆口 (pin-type gate; Fig. 6.14) 是很小的孔口 (orifice)，故零件很容易自這種澆口折斷，只留下通常不需要加以處理的小痕跡。Figure 6.14 顯示其他類型的澆口，例如，薄膜澆口 (film gates) 用於消除方向性 (orientation)；圓盤或隔板澆口 (disk or diaphragm gates) 用於對稱零件 (例如，光碟)。

Reference: T Osswald, Understanding Polymer Processing: Processes and Governing Equations, 2nd ed (Hanser 2017).

射出成型週期 (The Injection Molding Cycle)

射出成型 (injection molding) 是用於製造塑料產品 (plastic products) 最重要的製程。現今，有三分之一以上的熱塑性材料 (thermoplastic materials) 用於射出成型，而且有超過一半以上的高分子加工設備 (polymer processing equipment) 用於射出成型。射出成型製程非常適合用於大量生產需要精確尺寸 (precise dimensions) 的複雜形狀零件 (complex shapes)。這個製程可以追溯到 1872 年，當時凱悅兄弟 (Hyatt borthers) 將纖維素 (cellulose) 注入模具 (molds)，並為他們的填充機 (stuffing machine) 申請專利。當代的射出成型機 (injection molding machine) 主要與 1956 年獲得專利的往復式螺桿射出成型機有關 (reciprocating screw injection molding machine)。Figure 6.1 顯示了現代化射出成型機最重要的元素，射出成型機的組件包括塑化單元 (plasticating unit)、模具 (mold) 和夾緊單元 (clamping unit)。

現今，射出成型機由以下國際慣例 (international convention) 進行分類

製造商類型 (Manufacturer type) T / P

其中，T 是公噸 (metric tons) 為單位的夾緊力，P 被定義為

(6.1)

其中，v_max 是立方公分 (cm³) 為單位的最大注射量 (maximum shot size)，P_max 是最大射出壓力 (bar)。對於小型機器，夾緊力 T 可以低至 1 公噸，而對於大型機器可高達 11,000 公噸。

於塑件的射出成型過程中，事件發生的順序如 Fig. 6.2 所示，稱為射出成型週期 (injection molding cycle)。週期從模具關閉開始，然後將高分子注入模穴 (mold cavity)，一但腔體被填充後，施加一個保壓壓力 (holding pressure) 以補償材料收縮 (shrinkage)。在下一步，螺桿旋轉，同時將下一個注射 (shot) 送入螺桿的前面，接著螺桿在準備下一個注射時後後回縮。一但零件足夠冷卻，模具打開並將零件頂出 (ejected)。

Figure 6.3 呈現射出成型週期發生的事件順序，該圖顯示循環時間 (cycle time) 主要被零件在模穴內的冷卻 (cooling) 所決定。總循環時間可以用下式計算

(6.2)

取決於模具和機器的大小，一般來說，關閉時間 t_closing 和頂出時間 t_ejection 持續零點幾秒至數秒。

對於具厚度 h 的平板狀零件 (plate-like part)，冷卻時間 (cooling time) 可使用下式估算

(6.3)

由上式得知，週期時間隨零件厚度平方而增加；對於直徑 D 的圓柱幾何 (cylindrical geometry)，則使用

(6.4)

在 Eqs. 6.3 和 6.4，α 代表熱擴散係數 (thermal diffusivity)、T_M 代表熔體溫度 (melt temperature)、T_W 代表模溫 (mold temperature)、T_D 代表零件平均頂出溫度 (average part temperature at ejection)。

透過平均零件溫度 (average part temperature history) 和腔體壓力歷史記錄 (cavity pressure history)，可以使用 Fig. 6.4 的 PvT 圖來追蹤和評估製程。為了在 PvT 圖上追蹤製程，我們必須匹配每個時間點下的溫度和壓力，該圖揭示了四個基本過程: 等溫注入 (0-1; isothermal injection) 並將壓力升至保壓壓力 (1-2; holding pressure)、保壓週期內的等壓冷卻過程 (2-3; isobaric cooling process)、當澆口固化之後的等速冷卻並且降至大氣壓力 (3-4; isochoric cooling) 、等壓冷卻至室溫 (4-5; isobaric cooling)。

PvT 圖可用於預測射出成型零件之厚度收縮率

PvT 圖上最終等壓冷卻開始的點 (4) 控制整個零件收縮率 △v (total part shrinkage)，這個點受到兩個主要的加工條件影響，即熔體溫度 T_M 和保壓壓力 P_H (見 Fig. 6.5)。在 Fig. 6.5 中，我們把 Fig. 6.4 與另一個具較高保壓壓力的製程比較。當然，有無數種條件組合可以達到可接受的零件 (介於最低和最高溫度和壓力)。Figure 6.6 給出了所有極限條件下 (limiting conditions) 的成型圖 (molding diagram)。熔體溫度受到一個低溫和一個高溫的約束，前者導致短射 (short shot) 或空洞 (unfilled cavity)，後者則是材料降解 (material degradation)。同樣地，保壓壓力也受到一個低壓和一個高壓的約束，前者造成過度收縮或低零件重量 (excessive shrinkage or low part weight)，後者則是毛邊 (flash)。毛邊之形成是因為腔體的壓力超過機器的夾緊力 (clamping force)，造成熔體流過分模線 (mold parting line)，因此，保壓壓力決定了所需的對應夾緊力並決定了射出成型機的尺寸。一個經驗豐富的高分子加工工程師 (polymer processing engineer) 通常可以決定哪種成型機適合特定的應用；然而，對於未經培訓的高分子加工工程師，如何找到適當的保壓壓力及其對應的鎖模力 (mold clamping force) 卻是一件因難的事。

增加保壓壓力可以滅少厚度收縮

控制和預測組件在室溫下的形狀 (shape) 和殘留應力 (residual stresses) 相當困難 。例如，最終產品中的縮痕 (sink marks) 是由冷卻過程中材料收縮引起 (material shrinkage)，而殘留應力會導致某些條件下應力破裂 (stress cracking)。

最終產品的翹曲 (warpage) 通常是由加工過程導致零件厚度上的非對稱殘留應力分佈 (asymmetric residual stress distributions through the part thickness)。射出成型零件的殘留應力之生成歸因於耦合的兩個主要因素，即冷卻和流動應力 (cooling and flow stresses)，殘留應力主要是因為快速冷卻所造成。

固化的射出成型零件在其厚度方向的拋物線溫度分佈 (parabolic temperature distribution) 會導致拋物線殘留應力分佈 (組件的外表面 (outer surfaces) 是抗壓縮的 (compressive)，而核心 (core) 是抗拉力的 (tensile))。假設在相變過程沒有殘留應力的累積 (no residual stress build-up during phase change) 並且基於拋物線溫度分佈，下方的簡單式可用於估算薄斷面 (thin sections) 的殘留應力分佈

(6.5)

其中，T_f 是零件的最終溫度、E 是模量、α 是熱膨脹係數、L 是厚度的一半、T_s 為固化溫度 (solidification temperature) (對於無定形熱塑性塑料是玻璃轉移溫度；半結晶高分子是熔融溫度)。Figure 6.7 比較 PMMA 成型品的實驗表面壓應力與 Eq. 6.5 的預測。

Reference: T Osswald, Understanding Polymer Processing: Processes and Governing Equations, 2nd ed (Hanser 2017).

具背壓之黏度量測 (Viscosity Measurements with Counter Pressure)

具背壓之黏度量測: 一個對 3D 射出成型模擬重要之貢獻 

(Viscosity Measurements with Counter Pressure: An Important Contribution to the 3D Injection Molding Simulation)

對於黏度函數的壓力相依性之決定，GÖTTFERT 提供兩種程序相關的選項:
(1) 背壓腔 (counter pressure chamber)
(2) 背壓黏度計 (counter pressure viscometer)
背壓腔是 GÖTTFERT 毛細管流變儀的既定標準附加功能。此外，一項創新性的附加開發是背壓黏度計，它由兩個耦合的毛細管流變儀組成 (two coupled capillary rheometers)。

1. 具背壓腔的毛細管流變儀之構造

(Construction of the Capillary Rheometer with Counter Pressure Chamber)

毛細管流變儀的一個既有附加功能是背壓腔，它可以測量毛細管後端的壓力狀況。模組量測設備的設計類似於常規毛細管流變儀 (具有對應的壓力傳感器 P1 和毛細管)。一個背壓腔安裝於毛細管之後 (見 Fig. 1)，因此可以模擬不同的壓力程度 (different pressure levels)。毛細管下方的手動可調整節流閥 (manually adjustable outlet) 將增加毛細管出口處的壓力；但是，壓力的設定值將取決於流量 (flow)，並不受調控 (can not be regulated)。因此，需要花費大量時間進行多次的實驗量測，直到黏度函數在想要的背壓值 (desired counter pressure) 可以被決定。要測量此背壓，需要第二個壓力傳感器 P2 (見 Fig. 1)。下一步，儀器的軟體將計算背壓力係數 (back pressure coefficient)。

2. 壓力係數可用作射出成型的 3D 係數

(The Pressure Coefficient Can Be Used as a 3D Coefficient for Simulation of Injection Molding)

這樣的背壓腔使得我們可以測量高分子在其加工條件範圍內之流動特性；但是，在想要的背壓值黏度量測需要非常多的實驗工作。一種創新、更有效率的高分子黏度函數之壓力相依性決定方法是使用背壓黏度計。

3. 背壓黏度計之構造

(Construction of Counter Pressure Viscometer)

如 Fig. 2 所示，背壓式黏度計由兩個耦合毛細管流變儀組成。這類流變儀的兩個料筒 (Barrels 1, 2) 是透過一個背壓腔 (counter pressure chamber) 相互連接，其中，料筒 1 (Barrel 1) 是黏度量測發生的位置，在其末端有一個用於測量黏度的毛細管。在料筒 2 產生的背壓由壓力傳感器 P2 控制。背壓黏度計的料筒 1 和 2 是透過背壓腔 (counter pressure chamber) 彼此連接 。

料筒 1 填充有高分子顆粒 (polymer granules)。當材料均勻熔化後，恆定背壓將透過壓力傳感器 2 和料筒 2 進行控制。因此，黏度可以根據受控的反向壓力進行量測。有了這樣的背壓黏度計 (counterpressure viscometer)，可以在不同的背壓下自動進行流動曲線之量測 (flow curve)。在測量了第一條流動曲線之後，料筒 2 中的塑料可推回到料筒 1。隨後，可以在另一個背壓下測量另一條流動曲線。

4. 背壓黏度計與背壓腔之比較

(Counter Pressure Viscometer vs. Counter Pressure Chamber)

背壓黏度計提供量測週期 (measuring cycles) 的選項，以全自動方式進行黏度函數在不同壓力程度下之量測，而過程中的背壓由料筒 2 控制。確定一條流動曲線完成後，毛細管流變儀 2 的材料將被壓回毛細管流變儀 1 的料桶。隨後，可以在不同的背壓下測量另一條曲線。Figure 3 顯示了 PE-HD 在背壓為 100、500、1000、1500 bar 時的例子，各條流動曲線因背壓不同而彼此偏移，但是，量測數據可以被平移至一條主曲線上 (master curve)。

5. 背壓黏度計，可以在不同背壓程度的量測週期全自動進行

(With the Counter Pressure Viscometer, the Measuring Cycles at Different Counter Pressure Levels Can Be Carried Out Fully Automatic)

當我們欲決定高於熔點的數據時 (above the melting point)，或當剪切誘發結晶發生時 (shear-induced crystallization)，全自動量測將特別具優勢。相形之下，在背壓腔這種量測，通過毛細管的壓力損失可能會增加；另外，通過節氣閥的流動阻力可能會很大，以至於無法在恆定的設定量測條件下進行。因此，使用背壓腔進行背壓量測將非常難以執行。

6. 背壓流變量測 ，是分析 PP 和 PET 在加工條件下發生剪切誘發結晶流動行為之必備

(Counter Pressure Rheometry, the Prerequisite for Analyzing the Flow Behavior of PP and PET under Processing Conditions in the Event of Shear-Induced Crystallization)

背壓黏度計的巨大優勢在於背壓以及量測條件可以保持恆定，因此，該儀器提供了分析高分子的可能性，例如，具剪切誘發結晶的 PP 或 PET。在程序相關的領域，結晶將隨著剪切速率的增加而變得明顯。

Reference: Viscosity measurements with counter pressure: An important contribution to the 3D injection molding simulation (RHEO-INFO, GÖTTFERT).