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1、第六章 模具設計6-1 流道系統流道系統(runner systems)將熔膠從豎澆道引導到模穴內，要推動熔膠流過流道系統就需要額外的壓力。當熔膠流經流道系統時，產生的剪切熱（摩擦熱）使熔膠溫度昇高，有助於熔膠的流動。雖然適當的流道尺寸對於一個塑件和模具設計有許多好處，但因為其基本原理尚未廣泛深入瞭解，所以流道尺寸設計問題經常被忽略。一般認為，大尺寸流道可以使用較低壓力推進熔膠流動，但是卻需要較長的冷卻時間，會產生較多的廢料，也需要較高的鎖模力。反之，適當的小尺寸流道在使用原料和消耗能源等方面可以達到最高效率。流道尺寸的縮減極限在於射出成形機的射出壓力規格。模流分析的流道平衡功能可以找出最佳化
2、的流道尺寸，提供良好的流道系統，以合理的壓力降充填平衡的流道和模穴。設計良好的流道系統有下列好處： 可以決定最佳的模穴數目 確定熔膠可以填飽模穴 可以達成多模穴系統之平衡充填 可以達成多澆口之模穴的平衡充填 可以使廢料最少化 使塑件頂出較容易 達成能源使用效率最佳化 可控制充填時間保壓時間成形週期時間6-1-1 模穴數目之決定模穴數目的多寡取決於可應用的生產時間、射出機射出量的大小、所需之塑件品質、射出機塑化能力、塑件形狀與尺寸，以及模具成本等因素。以下三組簡單的公式可以協助決定模穴數目，應選取三組公式所獲得之最小值作為設計模穴數目。(1) 產品數量假如塑件尺寸公差的要求不甚嚴格，而且需要大量
3、的成品，則選擇多模穴較恰當。模穴數目取決於供應一定量塑件所需的時間（tm）、每批次的塑件數量（L）、生產一模塑件所需的時間（tc）、和淘汰因子（K），其中，K = 1/（1 - 不良率） 模穴數 = L K tc / tm(2) 射出量能射出機的射出量能也是決定模穴數目的一個重要因素，取射出量能的80為射出重量(S)，再除以塑件重量（W），即可計算出模穴數目。模穴數目 =S / W(3) 塑化能力射出機的塑化能力是影響模穴數目的另一個重要因素。將射出機的塑化能力（P）除以每分鐘估計的射出次數(X)和塑件重量(W)，即可計算出模穴數目。模穴數目 = P / ( X W)6-1-2 流道配置多模穴
4、系統的基本流道配置方式如圖6-1，包括： 標準流道系統（standard，或魚骨形Herringbone） H形流道系統（H-bridge，或分枝形branching） 輻射流道系統（radial，或星形star）H形和幅射流道系統提供自然平衡，亦即從豎澆道到所有的模穴都有相同的流動距離和流道尺寸，所以各模穴都有相同的充填條件。至於魚骨形流道系統，雖然不是自然平衡，卻比自然平衡系統可以在相同的模具內塞進更多模穴，造成最小的流道體和最低的模具加工成本。除了採用自然平衡的流道系統之外，不平衡的流道系統也可用人工改變流道直徑與長度，或是在各個子流道加裝流量調節螺絲，以調整獲得平衡的系統。模流分析軟體
5、的流道平衡分析可以自動化完成流道平衡。6-1-3 豎澆道尺寸之決定豎澆道尺寸主要決定於塑件尺寸，特別是塑件的肉厚。豎澆道的設計必須能夠方便可靠地讓塑件脫模，於射出成形時，豎澆道不可以比塑件其他部分的截面更早凝固，如此才能夠有效圖6-1 基本的流道系統之配置圖 6-2是建議的豎澆道設計規範。不具有銳角的系統有助於塑料的流動，所以，應該將豎澆道根部設計成半徑 r2的圓角。其他的設計規格如下列：Dco tmax + 1.5 (mm)Ds Dn + 1.0 (mm) 1 2tan() = (Dco D) / 2L圖6-2 豎澆道根部的圓角可以改善熔膠的流動6-1-4 流道截面之設計常見的流道截面如圖
6、6-3，包括： 圓形流道 梯形流道 改良梯形流道（圓形與梯形之組合） 半圓形流道 長方形流道通常建議採用前三種流道截面設計。就最大的體積與表面積比值而言，圓形流道最佳，也具有最小的壓力降和熱損失，然而，卻必須在兩側模板都進行加工，模具加工成本通常較高昂，而且合模時兩側的半圓也必須對齊。相對地，梯形流道只在母模側加工，其效能也很好，梯形流道通常應用於三板模，因為三板模如果採用圓形流道時，可能無法順利脫模，而且模具可能在分模線造成圓形流道與模板滑動件之間的干涉。圖6-3 常用的流道截面形狀對於不同形狀的流道，可以使用做為流動阻力指標的水力直徑(hydraulic diameter)進行比較。水力直
7、徑愈大，流動阻力愈低。水力直徑定義為：其中，Dh = 水力直徑A = 截面面積P = 周長圖 6-3比較各種流道形狀之等效水力直徑，這些係數正好是C-mold軟體之形狀因子(shape factor)的倒數。圖6-3 各種流道形狀的等效水力直徑6-1-5 流道尺寸之決定流道的直徑和長度會影響流動阻力。流動阻力愈大的流道，充填就會造成愈大的壓力降。加大流道直徑可以降低流動阻力，但是會耗用較多的樹脂材料，也需要更長的冷卻時間，才能頂出塑件。設計流道直徑最初可以根據實驗數據或是下列方程式進行，然後應用模流分析軟體微調流道直徑，最佳化熔膠傳送系統。最初估算的流道直徑為：其中，D = 流道直徑 (mm)
8、；W = 塑件重量 (g)； L =流道長度 (mm)。範例說明：圖 6-4和圖 6-5所提供實驗數據可以用來計算流道尺寸，例如，一個 300公克重的 ABS 塑件，其厚度為 3 mm，流道長度為 200 mm，則流道直徑該是多少？1. 根據圖 6-4，在 300公克重之水平線和 3mm厚直線之交點處畫一垂直線，與橫軸交於 5.8 mm處，即為參考直徑D。2. 使用圖 6-5，在流道長度 200 mm處畫水平線與曲線得到交點，再畫垂直線與橫軸交於 1.29，即為長度係數 fL 。3. 將5.8 mm 乘上1.29，獲得之流道直徑為7.5 mm 。 圖 6-4 材料的流道直徑圖，其中，G=塑件重
9、量(g); S=塑件厚度（mm）; D=參考直徑(mm)圖 6-5 流道長度與長度係數對於流動直徑的影響一般無法填充料之塑膠的典型流道尺寸列於表 6-。表6-1 無填充料之塑膠的典型流道尺寸材料直徑材料直徑mminchmminchABS, SAN5.0-10.03/16-3/8Polycarbonate聚碳酸脂(PC)5.0-10.03/16-3/8Acetal聚縮醛樹脂3.0-10.01/8-3/8Thermoplastic polyester熱塑性聚脂樹脂3.0-8.01/8-5/16Acetate5.0-110.3/16-7/19Thermoplastic polyester (rein
10、forced)補強熱塑性聚脂樹脂5.0-10.03/16-3/8Acrylic 壓克力8.0-10.05/16-3/8Polyethylene聚乙烯2.0-10.01/16-3/8Butyrate5.0-10.03/16-3/8Polyamide聚丙烯酸脂5.0-10.03/16-3/8Fluorocarbon聚氟碳樹脂5.0-10.03/16-3/8Polyphenylene oxide6.0-10.01/4-3/8Impact acrylic耐衝擊壓克力8.0-10.05/16-1/2Polyphenylene聚丙烯5.0-10.03/16-3/8Ionomers2.0-10.03/32-
11、3/8Polystyrene聚苯乙烯3.0-10.01/8-3/8Nylon 耐隆2.0-10.01/16-3/8Polysulfone聚氟乙烯6.0-10.01/4-3/8Phenylene6.0-10.01/4-3/8Polyvinyl (plasticized)聚氯乙烯3.0-10.01/8-3/8Phenylene sulfide6.0-10.01/4-1/2PVC Rigid硬質聚氯乙烯6.0-16.01/4-5/8Polyallomer異聚合物5.0-10.03/16-3/8Polyurethane聚尿素樹脂6.0-8.01/4-5/166-1-6 熱流道系統理想的射出成形系統可以
12、生產密度均勻的塑件，而且不需要流道，不產生毛邊和澆口廢料。使用熱流道系統(hot runner systems)可以達成此一目標。熱流道內尚未射進模穴的塑料會維持在熔融狀態，等充填下一個塑件時再進入模穴，所以不會變成澆口廢料。熱流道系統也稱作熱歧管系統(hot manifold systems)或無流道成形(runnerless molding)。常用的熱流道系統包括：絕熱式和加熱式兩種。使用絕熱式流道(insulated runners) 的模具，其模板有足夠大的通道，於射出成形時，接近流道壁面塑料的絕熱效果加上每次射出熔膠之加熱量，就足以維持熔膠流路的通暢，如圖6-6(a)所示。加熱式流道
13、(heated runners)系統有內部加熱與外部加熱兩種設計。內部加熱式如圖6-6(b)，由內部的熱探針或魚雷管加熱，提供了環形的流動通道。藉由熔膠的隔熱作用可以減少熱量散失到模具。外部加熱式提供了內部的流動通道，並由隔熱組件與模具隔離以降低熱損失，如圖6-6(c)。表5-2列出三種熱流道的優缺點。表6-2 各種流道系統之優缺點熱流道種類優 點缺 點絕熱式設計較簡單成本較低 會在澆口處產生不必要的凝固層 。 必須以短週期時間維持熔融狀態。 需要較長的起動時間以到達穩定的熔膠溫度。 有充填不均之問題。內部加熱式改善熱分佈情形 成本較高，設計較複雜 。 應注意流動平衡和複雜的溫度控制。 應考慮
14、模具的不同組件之間的熱膨脹。外部加熱式改善熱分佈情形溫度控制較佳 成本較高，設計較複雜。 應考慮不同的模具組件之間的熱膨脹。圖6-6 熱流道系統之種類：(a)絕熱式、(b)內部加熱式、和(c)外部加熱式。6-2 流道平衡如果可能的話，應使用自然平衡流道系統來平衡進入模穴的熔膠流動。讓熔膠平衡地流入模穴是高品質塑件之先決條件，藉由改變流道的尺寸與長度可以達成自然平衡的流道系統。假如無法達成自然平衡之流道系統，可以改用人工平衡流道系統，經由改變澆口尺寸獲得相似的平衡充填，但是會顯著地影響澆口的冷凝時間，進一步影響塑件的均質。應用模流分析軟體的流道平衡工具，可以使人工平衡流道系統變得更節省時間和成本，並且獲得平衡充填的塑件，參閱圖6-7。圖6-7 人工平衡流道系統之成形塑件要平衡流道系統，促成熔膠流向距離豎澆道最遙遠的模穴，可以縮減充填
