射出成型的充填過程

江边鸟

射出成型的充填過程(Filling Stage)指的是塑料填模(Mold Filling)的過程。在射出機的動作上，射出機射嘴(Nozzle)開啟，處於鬆退狀態螺桿向前推進，將位於儲料區(Reservoir)已塑化(Plasticated)完畢而呈現熔膠(Melt )狀態的塑料射進模穴中。對於單模穴(Single Cavity)模具，塑料熔膠通常透過注道(Sprue，或叫豎流道)由澆口(Gate)填入模穴或模腔(Cavity)中;對於多模穴(Multi-Cavity)模具通常需利用流道系統將塑料分配到各模穴中。

通常螺桿依設定的行程曲線(Ram-Speed Profile)以及射壓曲線(Injection Pressure)前進，由於塑料黏度甚高，因此加工溫度需高於熔點(一般在180oC以上);射壓(指射嘴處壓力)高達150~250MPa (也就是1500~2500 atm 或or 21,000~36,000 psi)。模溫一般採用冷模(如60oC)。充填時間短則0.5秒~1秒;長則5~10秒，視模穴數目及模具大小而定。

在充填過程中，由於模穴尚未填滿，塑料前緣為大氣壓狀態(或是抽真空)。在正常充填過程下，若射壓夠高，塑料將以設定的流量曲線(或是螺桿行程曲線)順利填模。此階段稱為流率控制 (Flow-Rate Controlling ) 階段。但隨著充填範圍增加，塑料填模的流動阻力將逐漸增加，反映出來的就是模穴壓力(Cavity Pressure)的增加。模穴壓力是一種背壓(Back Pressure)，是塑料流動阻力的表徵:模穴壓上升越快，代表流動阻力越大。塑料在充填過程中需能克服流動阻力迅速填滿模穴;否則若射壓不足，射速不夠，流動就會停止造成短射(Short Shot)。
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7 d! t" G6 T  s; C0 L# f6 a2 Z在模穴將填滿時，模穴壓會發生上昇的現象，此時已經難以流率控制螺桿前進。一般會將操作切換至壓力控制(Pressure-Controlling)階段，而操作過程也切換至保壓(Packing)階段。

充填過程是塑料在模穴中成型的起始步驟，因此是一個十分重要的過程。由於牽涉塑料流動以及傳熱，塑料性質會隨溫度壓力及剪切率等變量分布而異，加上熔膠波前(Melt Front)是隨時間而異的自由面流動(Free Surface Flow)，因此也是一個十分複雜的過程。

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充填過程的影響

1.
塑料黏度：塑料黏度影響其加工性(Processability)，與溫度、壓力、剪切率等變量分布有關。
1 Z1 E% n0 e5 L: o- L- h% Y因此隨產品/模具設計及充填加工參數設定而有所差異。塑料黏度分布是造成流動阻力差異，以及充填過程塑料流向不同的主因。

5 A; C6 }* I% M2.
1 [# k- c! D- I4 I- W- ?塑件表面分子鏈配向(Molecular Chain Orientation)：在射出過程中分子鏈大體延主要流動方向配向，使其物性產生流動方向以及垂直流動方向的差異性，也使塑料在射出後性質與原料有所差異。分子鏈配向性影響塑件翹曲狀況以及機械性質。對於摻拌玻璃纖維強化(Glass Fiber-Reinforced)的塑料，纖維配向(Fiber Orientation)更是對塑件性質有所影響。
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3.
8 |$ A% H' N& x4 m: d塑料結晶度(Crystallinity) : 對於結晶性塑料在充填過程中，有時會因為分子鏈排向結果造成再結晶。這種流動引發結晶(Flow-Induced Crystallization)會釋出結晶熱影響溫度、造成塑件變色黃化、以及影響塑件翹曲性質等。

  }% J7 O0 y8 m: [- a' O4.
" J- y; {1 |3 x# N塑料熱劣解(Thermal Degradation) : 在充填過程中由於高剪切率摩擦所造成的黏滯加熱(Viscous Heating)會使塑料產生局部升溫的效果。若溫度超過塑料的熱劣解溫度，會使塑料發生燒焦劣化的問題。

+ F7 P5 F: D$ E+ M$ ^5.
& a) c' h1 _; p$ G: S塑件外觀(Appearance)及表面品質(Surface Quality) : 是充填過程影響塑件性質的主要部分。不良的充填問題如噴流(Jetting)、包封(Air Trap)、流痕(Flow Mark)以及縫合線(Welding Line)等，都會對塑件外觀及表面性質造成不良影響。
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6.
塑件強度(Strength) : 縫合線等充填問題會造成缺陷、形成應力集中(Stress Concentration)，降低成型塑件機械強度。

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以模流分析模擬充填動態

  `$ N! l, _: [& z- u利用實驗方式獲知充填動態的缺點是需以實際模具或試驗模進行試模，較為耗費時間及金錢。同時某些變量量測困難，加上實驗可能誤差。由此因素考慮，利用CAE模流分析技術來模擬充填動態不失為一準確而有效率的工具。

2 g/ Q/ |* @& o- J0 _" G7 X以Moldex-Flow而言，可以利用[結果]顯示功能顯示充填結束瞬間各種變量的分布情形以及塑料熔膠波前隨時間變化的動態。利用感測節點(Sensor Node)的設置可以得知該點變量(溫度、流量、壓力、剪切率、剪切應力等)隨時間的變化歷程曲線，提供設計及參數變更的有用數據。圖4顯示一個典型案例，以Moldex-Flow所得的流動波前動態及模穴中感測節點的溫度變化歷程。

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建圖與分析技巧

1.
( F  D9 H" N9 S. r3 F9 z6 L充填過程的分析與模擬主要採用Moldex-Flow模組，需輸入產品幾何模型的有限元素網格檔(.msh檔)、加工條件檔(.pro檔)，以及材料物性參數檔(.mat檔)。在Moldex中可利用以上三種不同檔案組合成一個組別(Run)，藉助Moldex批次執行(Batch Run)的功能即可得到各組別分析結果。比較研判不同組別分析結果即可對各設計參數/成形參數影響做出評估。

2.
3 r; y7 f$ d5 @8 ?8 a+ g亦可藉助專家系統Moldex-Expert協助找出影響充填品質因素的顯著因子(主要影響因素)，從而指導設計變更或參數設變的方向。
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( q+ c3 F" Z' q+ m1 V3.
1 g( v' s# h2 k充填過程的複雜性除了塑料物理性質隨成形的變化、模具本身幾何形狀的複雜、以及波前自由面流動的解析困難外，最主要的複雜性來自流動-熱傳-物性三者之間的相互耦合(Coupling)，也就是三種機制的相互影響，如下圖所示。由於此一過程的複雜，憑藉傳統解析方法無法分析;而過度簡化後的理論模型又無法準確描述此程序的動態過程。實驗方法進行不易(高溫高壓的密封環境);因此運用CAE技術以數值方法(Numerical Method)求解充填過程較為完備的理論模型，以評估不同參數設定的影響，是一個相當有力的分析工具。