注射成型

**射出成型** （injection moulding）是一種生產由熱塑性塑膠或熱固性塑膠所構成的部件的過程。射出成型就是將塑膠（一般為粒料）在射出成型機的料筒內加熱熔化，當呈流動狀態時．在柱塞或螺杆加壓下，熔融塑膠被壓縮並向前移動，進而通過料筒前端的噴嘴以很快速度注入溫度較低的閉合模具內，經過一定時間冷卻定型後，開啟模具即得製品。這種成型方法是一種間歇操作過程。它包括兩個主要部分，一個注射裝置和夾緊裝置。射出機中的模具可以固定在水平或垂直位置。大多數機器是水平方向的，但垂直機器用於一些特殊應用，此過程類似鑄造，材料被注入到一個被加熱的桶，混合（由固態熔化成粘稠的液態）後被擠進鑄模。材料可以在鑄模（型腔）中冷卻和凝固成鑄模的形狀。通常是由工業設計者或者工程師完成產品設計，射出用鑄模是由鑄模製造者（或模具製造者）所製造，通常是以鋼或鋁一類的金屬製成，而所期望的部件的外形特徵由精密機械加工而成的型腔來形成。塑膠射出成型能製作的物品廣泛，舉凡生活用品、汽車零件、醫療器材、電子產品、嬰幼玩具等等都是製造的範圍。可使用的材料與應用範圍廣，因為鋼模可以製作複雜、高精度、多樣的成品，但相對的開模成本也高，因此通常會提高產量來分攤模具成本。

## 歷史

在 1868 年，海雅特開發了一種他命名為賽璐璐的塑膠。雖然賽璐璐已經於 1851 年由亞歷山大・帕克斯發明，但海雅特改善它，使它能夠被加工為成品形狀。海雅特同他的兄弟艾賽亞於 1872 年，註冊了第一部柱塞式注射機的專利權。這個機比現代使用的機器相對簡單。它運行起來基本地像一個巨大的皮下注射器針頭。這個巨大的針頭（擴散筒）通過一個加熱的圓筒注射塑膠到模具裏。

在第二次世界大戰期間，注射機生產了大量價格低廉的塑膠產品。

1946 年，美國發明家詹姆斯沃森亨德利建造了第一個射出機，這使得更精確地控制注射速度和質量控制成為了可能。射出機使材料在注射前混合，使彩色或再生塑膠可被徹底與原生材料混合。1951 年美國研製出第一台螺桿式射出機，它並沒有申請專利，至今仍被使用。

## 設備

### 機器

#### 射出成型機的分類

射出成型機按外形特徵可分為立式、臥式、直角式、旋轉式和偏心式等多種，目前以臥式最為常用。按照工程塑膠在料筒中熔融塑化的方式來分，常用的有柱塞式和螺杆式兩種。柱塞式注射機由於存在塑化能力較低，塑化不易均勻，注射壓力損耗大，注射速度較低等缺點，近年來很少發展。目前應用最廣泛的是往復螺杆式注射機。

#### 模具

利用本身特定形狀，使塑膠 (或聚合物) 成型為具有一定形狀和尺寸的製品的工具稱模具。模具的作用在於：在塑膠的成型加工過程中，賦予塑膠以形狀，給予強度和性能，完成成型設備所不能完成的工作，使它成為有用的型材 (或製品)。
對下同的成型方法，採用原理和結構特點各不相同的模具；按照成型加工方法把根具分為：壓制模具 (壓模)、壓鑄模 (傳遞成型模)、中空吹塑模具、真空或壓力成型模具、擠出模具 (機頭，) 及注射模具等。其中最主要的是擠出模具及注射模具。用於射出成型的模具，出於製品結構、成型設備及原材料性質的不同，其具體結構可以千變萬化，然而其基本結構都是一致的。注射模具主要由澆注系統、成型零件和結構零件三大部分所組成；澆注系統是指塑膠熔體從噴嘴進入型腔前的流道部分．包括主流道、分流道、澆口等。成型零件係指構成製品形狀的各種零件；包括動、定模型腔、型芯、排氣孔等。結構零件，是指構成模具結構的各種零件；包括執行導向、脫模、袖芯、分型等動作的各種零件。

## 影響的材料特性

### 成型試驗

最佳的品質和生產的射出成型，相關參數設置嚴重影響成本。

* **保壓**，以防止縮痕，持續時間應用的基礎上保壓壓力，越厚的一部分，保壓時間越長。反之越薄越短。
* **冷卻時間**，一旦開始注射階段已完成。熔化塑膠的溫度越高冷卻時間越長，越厚的部分產生的冷卻時間越長。

## 射出成型工藝條件

射出成型最重要的工藝條件是影響塑化、流動和冷卻的溫度、壓力和相應的各個作用時間等。

### 溫度

射出成型過程中需要控制的溫度有料筒溫度、噴嘴溫度和模具溫度等。前兩種溫度主要影響塑膠的塑化和流動，而後一種溫度主要是影響塑膠的流動和冷卻。

#### 料筒溫度

料筒溫度的選擇一般應保證物料塑化良好，能順利實現注射又不會引起塑膠分解。影響料筒溫度的主要因素有：不同種類塑膠的特性、塑膠製品的厚薄及形狀以及射出成型機的類型。

#### 噴嘴溫度

噴嘴溫度通常要略低於料筒最高溫度，這是為了防止熔料在直通式噴嘴發生流延現象。但是，噴嘴溫度也不能過低，否則將會造成填充壓力增加，或無法射出。

## 注射系統

注射系統是射出機的主要部分，其作用是使塑膠均勻地塑化並達到流動狀態，在很高的壓力和較快的速度下，通過螺杆或柱塞的推擠注射入模。注射系統包括：加料裝置、料簡、螺杆 (或柱塞及分流梭及噴嘴等部件。

### 加料裝置

射出機上設有加料斗，常為倒圓錐形或錐形，其容量可供射出機 1—2 小時之用。很多射出機的加料裝置中有計量器，以便定量或定重加料；有的還有加熱或乾燥裝置。

### 料筒

與擠出機的料筒相似，但內壁要求儘可能光滑，呈流線型，避免縫陝、死角或不平整處；各部分機械配合要精密。料筒大小決定於射出機最大注射量。柱塞式射出機的料筒容量常為最大注射量的 4—8 倍；螺杆式射出機因有螺杆在料筒內對塑膠進行攪拌和推擠作用，傳熱效率高，混合塑化效果好，因而料筒容量一般僅為最大注射量的 2—3 倍。料筒外部有加熱元件，可分段加熱，通過熱電偶顯示溫度，並通過感溫元件控制溫度。

### 分流梭和柱塞

都是柱塞式注射機料筒內的主要部件。分流梭是裝在料筒靠前端的中心部分，形狀似魚雷的金屬部件。其種類很多，下圖所示為常見的一種。其表面常有 4—8 個呈流線型的凹槽，槽深隨注射機容量而變化，一船約為 2—10 毫米，分流梭上有幾條凸出筋；將其支承於料簡上，起定位和傳熱作用。

#### 分流梭的作用

分流梭的作用是將料筒內流經此處的塑膠分成薄層，使塑膠產生分流和收斂流動；以縮短傳熱導程，加快熱傳遞，有利於減少和避免接近料筒壁面處塑膠過熱引起的熱分解現象。同時塑膠熔體分流後，在分流梭表面流速增加，剪切速率加大，從而產生較大的摩擦熱，使料溫升高．粘度下降．塑膠得到進一步混合和塑化，這就有效地提高了柱塞式射出機的生產率和製品的質量。
螺杆式射出機通常不需分流梭，因螺杆的均化段已具上述效果。

### 螺杆

它的作用是送料、壓實、塑化、傳壓。當螺杆在料筒內旋轉時，將從料斗來的塑膠捲入，並逐步將其壓實。排氣和塑化，熔化塑膠不斷由螺杆推向前端。並逐漸積存在頂部與噴嘴之間，螺杆本身受熔體的壓力而緩慢後退，當積存熔體達到一次注射量時，螺杆停止轉動，傳遞液壓或機械力將熔體注射入模。螺杆的形式和結構與擠出機螺杆相似。
但注射螺杆的長徑比 L／D 較小，約在 10 一 15 之間，壓縮比較小，約為 2—2．53，與擠出機螺杆比較．注射螺杆的均化段長度較短，螺槽較深 (約深 15—25％)；但螺杆加料段長度則校長；同時螺桿頭部呈尖頭形 (擠出螺杆為圓頭或魚雷頭形)。與擠出螺杆的作用相比，注射螺杆只起預塑化和注射兩個作用，對塑化能力、壓力穩定以及操作連續性和穩定性等的要求沒有擠出機螺杆那麼嚴格。同時注射螺杆既可旋轉又能前後移動，從而能完成對塑膠的塑化、混合和注射作用。推動螺杆或柱塞對熔融塑膠施加的壓力主要來源於液壓力或機械力，由於液壓傳動平穩、保壓好和可調節壓力等優點，故絕大多數注射機都採用液壓傳動。

### 噴嘴

噴嘴是連接料筒和模具的重要橋梁，主要作用是注射時引導塑膠從料筒進入模具，並具有一定射程。所以噴嘴的內徑一般都是自進口逐漸向出口收斂，以便與模具緊密接觸。由於噴嘴內徑不大，當塑膠流過時速度增大，剪切速率增加，能進一步混合塑化。

## 射出過程、控制參數

### 射出週期

在成型週期區分 5 個主要步驟：

整個程序中的一開始塑膠注入模具到塑膠完成品稱為射出週期。

1. 模具合起。(合模) 
2. 然後注入塑膠到模腔充滿後，保壓保持用以彌補材料收縮。(填充) 
3. 螺桿旋轉，讓塑膠填充到待注室至滿載，讓螺桿退至後段已準備下一次注入模具所需塑膠的量。(保壓 / 計量) 
4. 一旦塑膠完成品充分冷卻。（冷卻）。 
5. 模具打開即可頂出塑膠完成品。(頂出) 

### 時間函數

### 不同類型的射出成型過程

### 公差和表面

隱藏的成本要素，射出成型製品不可能跟機械加工製品一樣，雖然大多數人都意識到這一點，但還是常常被要求到無法達成的標準，或使模具成本效益變低，致使生產困難。成型誤差有一個指定的容許值，對差的參數，如尺寸、重量、形狀或角度等，以最大限度地控制在設定的公差通常有最低和最高限額的厚度。

### 潤滑

潤滑除了是機器關節運作順暢的保證，同時也具備防鏽的功能。

### 冷卻

在射出成型中由於是要將塑膠加熱變爲可塑狀態，所以在注射裝置部分中設有待注壓筒（加熱器）和加熱裝置，通常在一部壓機中需要考慮冷卻的部分大致是以下四方面：

1. 模具模冷卻：模具必須進行冷卻，以便為生產得以進行。由於水相當廉價，所以水是作為初級冷卻劑來冷卻模具，水可以通過引導模具縮短快速冷卻時間。通常較冷模具更有效，因為這樣可以有更快的生產週期時間。但是，這不一定是正確的，因為部分材料太冷反而有反效果。 

2. 料栓冷卻：由於加熱裝置使待注射筒變熱，因熱之傳導關係，會引起與待注壓筒相連接料栓變熱，使在這裏之塑膠融結。爲了防止熱之傳導，在靠近料栓附近設有冷卻裝置。

3. 油的冷卻：油是壓機中液壓傳動的介質。在不斷的傳壓過程中漸漸的變熱，這個熱的結果會使啷筒中防漏油膠圈容易損壞，若溫升過高更會引起啷筒各構件膨脹得厲害，因而使壓機之效率降低， 所以在每部壓機中均設有油的冷卻裝置。

4. 柱塞的冷卻：在一些較大容量的壓機中，柱塞是要冷卻的，因爲柱塞是直接將冷的塑膠推到熱的待注壓筒中，若長期工作中也會引起溫度升高，若不冷卻則有可能將推入壓筒的塑膠拖帶回來而在料栓附近融結。故此又須冷卻。

### 加熱溫度要求

在這個過程中所需的溫度取決於射出物品，不同材料之間使用，需求取決於「物質的比重，熔點，導熱係數，零件尺寸和成型率。下表將提到有關最常用的材料。

## 添加劑

添加劑有很多種，有潤滑劑、氧化防止劑、熱穩定劑、強化劑等等。部份原料必須加入添加劑才能做的出塑膠成品。

## 塑膠射出成品的缺陷與補救

大部分問題的原因及對策大多數與周期的穩定有關。

成型上缺點，有些發生在機器性能、模具設計或是原料特性本身外，大部分問題可靠調整來解決。有些缺點及原因僅限於某些原因，有些缺點是同一原因之過與不及。

## 注釋

## 參見

## 參考文獻

* 《塑膠物性入門》，陳世春 譯，復漢出版社
* 《射出成型塑膠製品的生產》，劉大林 譯，大孚出版社

## 外部連結

* （繁體中文） 財團法人塑膠工業技術發展中心 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* （繁體中文）（英文） 台灣區模具工業同業公會 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* （英文） 塑膠的形成 - 好處及挑戰