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1、塑膠產品設計要點塑膠產品之好壞與材料選擇及加工方式之迥異而有極大之關係。對於任何欲製之塑品，其步驟為先決定何種材料能夠達到其所須之物性，再來則為選擇最適切與最經濟的加工方式，最後則視產量之多寡而決定設備。1-1塑膠材料之選擇在大約探討了塑膠材料的基本物性，以下將做更深入的分析。下面所列之各表乃是依據標準方法製成試片所測得之數據，與實際生產所製出的成品性質仍有相當大之差距，但做為不同等級材料性質之比較已足矣。下表1-1為一般常見塑料機械性質之比較。表1-2則為塑料拉伸強度之範圍，表1-3為抗衝擊強度之範圍。表1-4及表1-5，則為塑料之其他性質。參考以上各表，即大約可知塑品用何種材料可達到其用途
2、之所須性質要求。一般而言加了玻纖後，可增加拉伸力、減少拉伸量、抗磨耗力降低、撓曲力增高、熱變形溫度增加、熱膨脹降低及較不透明，而耐衝擊力則不一定。但是硬度（除非高填充）、電氣性質、抗化學性及抗天候性則甚無影響。表1-6則為一般材料之機械性質之定性趨勢表。若是依各種用途來分，所使用之塑料大概可列表如1-7所示。1-2塑膠加工方式之選擇塑膠之加工方式五花八門，隨著材料及成品而有極大之差異。以下對一般常見的加工方式，作一番簡介：1. 射出成形(injection molding)在所有之塑膠加工成形方法上，射出成形最為被廣泛使用。其法為熱塑性塑膠或熱固性塑膠導入於射出成形機的加熱筒中，俟其完全熔融後
3、，藉由柱塞或螺桿之壓力，產生熱能及摩擦熱能，將其注入於閉合模具之模穴中，固化後，再開啟模具取出成品。此種加工技術因材料、機械設計及製品要求而衍生出其他之方法，如預嵌入金屬零件之插件成形、多色及混色的射出成形，結構發泡的射出成形、氣體輔助射出成形(gas assisted injection molding)、共射出成形(coinjection)、射出中空成形及利用液態單體或液態預聚合物為原料之反應射出成形(RIM)等方法。2. 押出加工(extrusion)將熱塑性材料於押出機中加熱、加壓，再用螺桿予以押出，押出品之斷面形狀依模頭而定，可為棒狀、管狀、平版狀、異形狀等等。其他如吹膜押出、押出中
4、空成形、壓延加工，押出塗裝及混煉切粒等皆在前半段應用押出機，現今流行的趨勢是共押出加工(coextrusion)，製成多層高功能的製品。3. 壓縮成形(compression molding)此為熱固性塑膠成形法之一種，先將熱固性樹脂預熱後，置於開放的模穴內，閉模後施以熱及壓力，直至材料硬化為止。酚醛樹脂，美耐皿樹脂及尿素甲醛等樹脂常用此法成形，所製之成品為：家電製品外殼、零件、齒輪、傢俱餐具等。4. 中空成形(blow molding)其法為先將熱塑性塑膠由押出機之模頭押出，使成為薄管，此稱為型胚(parison)，再閉合模具，吹氣而後成形。此法之應用已愈來愈廣泛，如汽車業，所用之材料也由傳
5、統之PE、PP、PVC、PET等，走向高性能的工程塑膠。其優點為製造大形品方便及一次成形，缺點則為塑品之各部份肉厚不易控制。5. 迴轉成形(rotational molding)將常溫粉狀或液狀之成形材料注入於迴轉模具中，利用加熱及離心力使樹脂均勻佈滿於模壁面，冷卻後即可得中空之成形品。此法最適當做大型物品之成形，缺點則為肉厚較難控制。6. 吹膜押出(blown film estursion)一般製造薄膜之方式有二：(a)T模法(T-die method)。(b)環模法(ring-die method)。(a) T模法為平膜押出，製成之薄膜厚度較環模法製造的來的均勻。由於引取方向之拉力較大，使
6、得縱向強度較橫向強度大的多，故很多已用雙軸延伸的方法來製膜。(b) 吹膜押出是採用環模法的操作方式，押出之熔膠經環形模，用空氣吹成管膜，再予冷卻即成膠膜。聚烯烴類之塑料常以此法製造各種垃圾袋，收縮膜及食品包裝膜等。現在之高級包裝膜則為利用共押出之方法來製造多層膜。7. 熱成形(thermoforming)此法為將熱塑性塑膠板加熱軟化後，用真空、空氣或套合之金屬予以加壓成形。其強度與塑板之厚度有關，產生之製品須經裁剪，多餘的邊料再予以回收。8. 押出塗裝與積層(extrusion coating & lamination)其法為用押出機將熱塑性塑膠熔化押出，經過T形模頭後形成淋幕，然後塗佈於連續
7、移動的板狀或膜狀基材上，常用於日用品及食品之包裝。9. 轉移成形(transfer molding)為用於熱固性塑膠的成形法，塑膠料先於加熱室（轉移室）內加熱軟化，然後藉由轉移衝柱之高壓，迫使熔融材料穿過流道及澆口進入模穴中進行硬化反應。此法非常適合於有金屬插件時之情形且成形品精密度比壓縮成形高者，但模具設計則較複雜且成品之機械強度較低。10. 鑄塑成形(casting)此法為將液狀樹脂配合硬化劑後，注入至開口之模具中，使其流至模具表面，在常壓下使其乾燥完成聚合反應的成形法；或者是將液狀樹脂塗佈於移動之皮帶上，或是在化學溶液中沉澱之，以獲得塑膠薄膜的方法。11. 輪輾塗裝(calender c
8、oating)利用滾輪表面之熱，使熔融塑料塗佈於布、皮或紙上的加工方法，PVC皮布是最常被輪輾加工之產品。12. 粉末塗裝(powder coating)此法是在被塗物上放置粉末，然後加熱使粉末熔融的連續塗佈法，可分為下列三種方式：(a) 焰噴法：將塑膠粉末以丙烷或乙炔燃料氣之火焰噴射，再熔化附著於受質體表面。(b) 靜電塗裝：為利用靜電將塑膠粉末附著於受質體表面，再加熱使之熔解。(c) 流動浸漬塗裝：將塑膠粉末在流動床中浮動，再浸入加熱過的金屬物體，使熔著一層塑膠覆膜。一般我們常用之塑膠粉末為PE、PP、PVC、Nylon及Epoxy等。13. 發泡加工(foaming)發泡材料為含有氣泡之
9、材料，其假比重較實質密度為低。依發泡法之分類有：常壓加熱法、加壓發泡法、押出發泡法、射出發泡法、二液混合法及二段發泡法等。一般押出發泡法所用之模頭可分為T形模及環形模，後者常被用於聚苯乙烯發泡板，但如果是厚度大於5mm，則須使用T形模頭來發泡。常見之發泡材有PE、PP、PS、PVC、CPE、ABS及PC等。結構發泡之設計，在本書第六章會另做詳細說明。14. 拉擠成形(pultrusion)此加工方式是玻纖補強產品產生的一種，藉由加熱模頭，連續式的拉出經過補強及硬化的樹脂，而後成形。其實一個最佳的塑膠加工方式之選擇，主要之決定在於材料之種類、產品之外形，產量之多寡及最重要的成本效益。而往往一個同
10、樣之產品，可經由各種不同之加工方式而產生，如表1-8所示。至於常用的塑膠加工方法與所選擇的熱固性及熱塑性材料則可藉表1-9，做個比較參考。 若產品之形狀較為複雜及須要做內部之加工，則加工方式之選擇可參考表1-10。至於各加工方式、成本及產率之關係，可參考表1-11。2-1 通 論產品設計是利用材料，經設計成為新創的外形或結構，以製成指定作用或目的的產品。其所須具備之條件為：1. 在功能上：要能符合使用者的需求。2. 在使用操作上：要能符合使用者的習慣與身份。3. 在外型上：要能合乎簡單的製造原則並滿足使用者的喜好。4. 材料應用與加工方法上：要合乎經濟與合理的原則，並能求得最適化而降低成本。即
11、任何一新產品，從構思到生產，對一公司而言，其考量前題為以下所列各項：將來性：公司未來發展領域的配合，成長性。 技術性：與該公司現有技術之關係，原料設備獲得之難易及技術上成功的可能性。 領先性：是否可申請或抵觸專利及製品是否具獨特性。 銷售可能性：產品的展望，推出市場之難易，銷售網的建立及有無商品特徵等可能性。 經濟性：研究經費人員的多寡，開發期間的長短，設備投資額之獲得及獲利率的大小。其他如材料之選擇、加工方式、模具的設計、二次加工方式及安全規範、法令等，皆須詳加考慮。通常塑膠新製品產生的方式可分為三種：1. 再設計(redesign)：就是將現有產品的部分，做一些改變或修飾，使成為更具價值與
12、流行的新產品。現今市場上約莫80，屬於此類。2. 組合(combination)：結合兩種以上不同功能，發展而成之新製品。例如PC製成的潛水鏡再貼上防霧膜，而成為價值更高的新產品。此類新產品約佔10。3. 創新(innovation)：剩下的10即為發明前所未有之新製品，此類產品由於須花費較長的時間在宣傳及消費者的接受性上，所以通常這方面之設計比例較低。塑膠產品設計者與其他設計者最大的不同是，前者必須詳加考慮塑膠之各種物性，尤其是環境變化對物性之影響及在長時間負載下對產品之影響。通常，塑膠之物性數據是在實驗室的環境下，依照美國標準測試方法(ASTM)而測得。而所設計的塑膠產品並不會正如測試樣品
13、在同樣條件下成形或被加應力。其他如：肉厚及形狀。所加負載之速率及時間長短。玻纖之排列方向。縫合線。表面缺陷。成形參數。以上這些；都會影響到塑膠產品之強度及韌性。設計者亦須考慮到溫度，濕度，陽光（紫外線），化學藥劑等之影響。所以了解其產品的最終目的而探討相關的物性是非常重要的。下表2-1為一標準的設計檢查表(design check list)。2-2原型之設計為了能將實物從設計的階段到真正的商品化，我們通常是建一原型而加以測試並修正。最好的方法是儘可能的將原型與將商品化製造的加工方式相近。大部份的工程塑膠產品是由射出成型所製出，所以原模必須為一單模穴原型模具所製得。以下將討論各種製造原型之方法
14、及其優缺點。2-2-1機械加工圓桿或平板、塊法(machining from rod or slab stock)此法是當所允許的設計時間非常短及只須少量的原型和物體的形狀非常簡單的時候，我們可將其經機械加工而得。這樣不僅能幫助發展至固定的設計，亦能做為有限度的測試結果條件；但千萬不能將其做為最後商品化的標準，其原因如下：其物性如強度，韌性及伸長量可能會小於真正的成形品，因為機械加工會在原模上留下痕跡。強度及韌性可能會高於成形品，因為圓桿或平板塊具較高的結晶度。若是加了玻纖的產品，則玻纖的方向性影響會誤導了結果。成形品的特性如頂出針痕，澆口痕及不定形的表面結構將不會出現在原型上。無法探討縫合線
15、及接合線之影響。由於內應力之不同，尺寸穩定性會被誤導。在圓桿或平板，塊的中間常有包氣現象，以致減少了其強度。同理在成形品的較厚肉處亦有此現象，而無法做一致的評估。只有少數的圓桿或平板，塊材料可供選擇。2-2-2 鑄模法(die casting tool)通常我們能夠修正射出成形的原型，如果具有鑄模模具的話。利用此鑄模模具可減少對製造原型工具的須要及以低成本提供所須的前測試。然而，此法也許也無甚助益，因為原來的模具可能是為金屬鑄模而設，而非塑膠。所以，外壁及肋將不會最適化；澆口通常會過大及位置不合；並且無法有效的冷卻塑膠產品，造成品質具甚大的相異性。2-2-3 原型模具法(protoype tool)特別是對塑膠產品設計而言，利用便宜的鋁，黃銅或是鈹銅合金製成原型是個不錯的方法。因為基本的訊息如收縮度，玻纖方向
