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).