射出成型穩定的關鍵：淺談塑料流動阻力
■ 龍成塑膠 / 林義閔 工程師
前言
影響塑膠射出的流動阻力，可以從產品設計、原料選擇、模具設計、射出參數等四個面向來探討。而射出成型穩定的關鍵，也來自於塑料流動阻力的大小與變化。換句話說，塑料在射出過程中的順暢度，與流動阻力的大小有著密不可分的關係。造成流動阻力增加的原因可分為 6 大類，分別為：料溫太低、模溫太低、射速太慢、澆口太小、排氣不良、流長比太長。
料溫設定
塑膠流動的六大阻力中，「料溫設定」的影響程度最大。塑膠原料在料管裡熔融的狀態，可以想像成塑膠的分子鏈變鬆散的狀態，假設原料在料管中的溫度為200 度，當溫度升高至 220 度時，分子鏈糾纏的狀況會更為蓬鬆。簡單來說，當溫度上升時，塑料的黏度就會下降，而當黏度下降時，流動性就會提高。舉個例子，假設將 ABS 原料分別用 200 度及 220 度充填，料溫 220 度的 ABS 會跑得比較快。因此，適度地提高料溫，能改善流動性，進而降低流動阻力。不過，在使用高料溫生產時，需注意以下 3 點：原料種類、產品顏色、生產週期。
1. 原料種類：在射出成型時，如使用的原料為「防火料」、「熱穩定性較差的料」及「酸性料」，在進行料溫加熱時，反而能低就不要高。由於這三類的原料，容易因為高溫造成「原料裂解」或「物性降低」等風險。此外，也容易在加工過程中，揮發有毒氣體，對人體產生傷害。
2. 產品顏色：當射出的產品顏色為白色、透明色或淺色時，容易因為料溫較高的因素導致成品出現色差、或是有輕微黃化的現象。因此，在使用高料溫時，也需要特別注意。
3. 生產週期：為確保生產品質，任何一種原料都不能在料管中停留太久，建議塑料在料管中停留的時間，以不超過 3 至 5 分鐘為原則，熱敏感度愈高的原料，能停留的時間會愈短。
模溫設定
增加流動阻力的第二個因素：「模溫太低」。當模具的溫度較低時，皮膚層增厚的速度快，流動阻力的增加也快。反之，使用高模溫時，流動阻力增加慢，塑料較容易充填模腔，也就是比較容易射出。一般來說，原料的加工溫度愈高，或加工溫度範圍愈小時，經常會使用高模溫來射出，比方說，塑膠尼龍 (Nylon) 或PC 料，在生產時大多需要使用高模溫；另外，當產品肉厚太薄時，為了降低流動阻力，往往也會使用高模溫進行生產。而在射出成型過程中常見的三種水式冷卻方式，分別為常溫水、冷凍水及模溫水。
1. 常溫水：所謂常溫水，顧名思義就是接近當下環境溫度的水，水溫大約在 28 至 35° C 左右。大多數的射出廠，為了節省成本，最常使用「常溫水」來作為模具冷卻的循環水。但常溫水容易因為氣候因素導致溫度上的落差，當水溫不穩定時，塑料在模具內產生的皮膚層的速度就會不同，射出時的流動阻力也會不同，最終影響生產品質的穩定性。
2. 冷凍水：冷凍水指的是經過冷凍機降溫後的水，水溫大約為 12 至 17° C。冷凍水的優點，則是可以幫助射出時快速地建立皮膚層，並縮短生產週期，但射出阻力會較大，需要看產品的肉厚設計，以及產品是否可以符合外觀要求。
3. 模溫水：模溫水指的是經過模溫機加熱後的水，水溫大約為 60 至 120° C。雖然水溫提高有助於射出成型，但溫度上限最好是設在該原料「熱變形溫度」下 10° C，以避免頂出變形或冷卻時間過長。
除了常溫水的溫度會隨氣候變化之外，模溫水和冷凍水都是屬於定溫式，如果非常在意模具溫度變化的產品，也可以透過這兩種冷卻設備控制模具溫度，如此一來也能提高生產穩定的精度。
射出速度
增加流動阻力的第三個主要因素：「射速太慢」。因為塑膠屬於「非牛頓流體」，會呈現「剪切致稀」的狀態。不同的產品設計與不同的原料，對於射速的需求都不一樣。但只要射出的速度太慢時，就不容易產生剪切致稀，也不容易有剪切熱，這會造成塑料的流動性較差，加上模具的溫度相對於塑料較為冰冷，因此，所產生的冷卻固化層就會比較厚。
原料一旦進入模具，開始接觸到模面時，也就是冷卻時間的開始。當接觸時間愈久，成品的皮膚層就愈厚，流動的芯層就愈狹小，進而造成流動阻力的增加。換句話說，模內流動的剪切熱與冷卻水在持續競爭，流動愈慢時，則熱源流失愈快。但在使用高射速時，建議可以用三段射速作為基本設定概念，以慢、快、中三種射速作為調機的參數模型。第一段的「慢速」，主要以緩慢通過進澆口位置，可避免剪切熱過高或噴流痕；第二段的「快速」，以快速充填 70 至 80% 模穴空間為主，避免皮膚層太厚；第三段的「中慢速」，目的是降速緩衝和排氣，可提升生產的穩定度和精度。而三段射速的概念，也可依產品結構與外觀要求，降為兩段或增加為四段。
流道與澆口
增加流動阻力的第四個因素：「澆口或流道過小」。一般來說，流道分為半圓形、圓形、梯形以及改良式梯形等，其中以圓形與改良式梯形的設計較佳。相較之下，圓形的流道，能讓塑料在形成皮膚層後，其流道仍保有較大的流動空間，而半圓形的流動空間則顯得較為狹小。在進行模具設計時，流道與澆口大小並不是愈大就愈好。流道的大小適中就好，當流道愈粗，料頭的重量愈重，原料的損耗與成本就會提高。
而原料經過流道在進入成品前的入口，就是「澆口」。當澆口的截面積愈小，塑料可以流動的空間就會愈小，此時就會產生流動阻力，也可以視為射出壓力的損失。常見的進澆方式有直接進澆、側進澆、搭接進澆、潛伏式進澆、扇形進澆、環狀進澆等。澆口愈大，則射出的壓力損失愈少，且澆口凝固封閉的時間較慢，對於需要長時間保壓或 L/T 比較大的產品，有明顯的效果。但大澆口的缺點則是成品與料頭的分離往往需要人工修剪，不容易做到自動料頭分離，也耗費更長的工時。
排氣不良
影響塑膠流動阻力的第五個因素就是「排氣不良」。模具排氣的良好與否，與射出末段的流動阻力有絕對的關係。模具每一次在進行合模時，即使公母模內是空的，但也會將空氣包覆進去。模具裡的空氣體積等同於整模成品的體積，因此，射出多少塑料，就應該要排出多少氣體。當塑料進到模具後會壓縮模腔內的空氣，導致模腔內壓增高，進而增加流動阻力。當模具排氣不良時，到了射出末段，流動阻力就會急速上升，甚至會因為過度壓縮熱空氣，造成最終產品出現高溫裂解或焦黑的狀況。當模具排氣的效率愈好，射出時的流動阻力就會愈低，也會愈容易成型。此外，除了模具本身的排氣要好，在生產過程中，定期地清潔模面也很重要。由於塑膠原料是由石油提煉出來的化合物，在遇到高溫時，會產生微量的氣體與油漬，也就是俗稱的「瓦斯氣」，在生產一段時間後，模具上的排氣溝會被瓦斯氣阻塞，造成氣體殘留在模具中，進而影響日後生產品質的穩定性。
流長比過長或肉厚太薄
影響塑膠流動阻力的第六個的因素便是「流長比過長或肉厚太薄」。流長比 (L/t) 就是塑料的「流動長度(T)」除以「流動厚度 (t)」。流長比的計算方式如下：L/t=L1/t1+L2/t2+L3/t3 流動比愈長，充填到成品末端時的阻力愈大。當射膠壓力小於流動阻力時，塑料就可能無法順利前進，導致成品末端出現短射的情形；而肉厚太薄時，也會有同樣的影響，因為肉厚 t 太小時，即使是短距離，其流長比也會大大地增加。皮膚層建立後，中間可流動的芯層就會相對狹小，射出阻力自然增大。流長比過長的成品，對於射出機臺的射速和射壓負擔大，容易造成生產不穩定的現象。
如果成品與模具本身的設計，已經造成較大的流長比，該如何以調機的方式來改善呢 ? 在此提供幾個簡易的方法：(1) 提高料溫，增加原料的流動性；(2) 提高射速，增加剪切熱，並與凝固層搶快；(3) 提高模溫，延緩凝固層增厚的速度。假使已經無法透過調機來克服難題，則建議可以考慮從流道、澆口、排氣等三方面調整模具狀況。
總結
影響射出成型穩定的關鍵，可以從很多面向來探討，筆者僅以流動阻力的角度，簡易地提供相關的經驗與看法。產品設計、原料選擇、模具設計、射出參數等四個方面，都會交互影響著流動阻力，因此如果可以在產品設計及模具開發階段，就降低可能產生的流動阻力，則可以有效地加大加工成型的視窗範圍，並提高量產的穩定性。■
