模流分析基礎知識

一、塑料如何流動？

熔融的熱塑性塑料呈現黏彈性行為(viscoelasticbehavior)，亦即黏性流體與彈性固體的流動特性組合。當黏性流體流動時，部分驅動能量將會轉變成黏滯熱而消失；然而，彈性固體變形時，會將推動變形的能量儲存起來。日常生活中，水的流動就是典型的黏性流體，橡膠的變形屬于彈性體。一、塑料如何流動？

除了這兩種的材料流動行為，還有剪切和拉伸兩種流動變形，如圖1-1(a)與(b)。(a)剪切流動；(b)拉伸流動一、塑料如何流動？

在射出成形的充填階段，熱塑性塑料之熔膠的流動以剪切流動為主，如圖1-1(c)所示，材料的每一層元素之間具有相對滑動。另外，當熔膠流經一個尺寸突然變化的區域，如圖1-1(d)，拉伸流動就變得重要多了。(c)模穴內的剪切流動(d)充填模穴內的拉伸流動一、塑料如何流動？

熱塑性塑料承受應力時會結合理想黏性流體和理想彈性固體之特性，呈現黏彈性行為。在特定的條件下，熔膠像液體一樣受剪應力作用而連續變形；然而，一旦應力解除，熔膠會像彈性固體一樣恢復原形，如圖1-2(b)與(c)所示。

一、塑料如何流動？

熱塑性塑料之熔膠就像液體一樣，在剪切應力作用下而連續變形。然而，一旦應力解除，它就像彈性固體一般，部分變形會恢復原形。

二、熔膠剪切黏度

熔膠剪切黏度(shearviscosity)是塑料抵抗剪切流動的阻力，它是剪切應力與剪變率的比值，圖1-2。聚合物熔膠因長分子鏈接構而具有高黏度。通常的黏度范圍介于2~3000Pa（水為10-1Pa，玻璃為1020Pa）。

以簡易之剪切流動說明聚合物熔膠黏度的定義二、熔膠剪切黏度

水是典型的牛頓流體，牛頓流體的黏度與溫度有關系，而與剪變率無關。但是，大多數聚合物熔膠屬于非牛頓流體，其黏度不僅與溫度有關，也與剪切應變率有關。

二、熔膠剪切黏度

聚合物變形時，部份分子不再糾纏，分子鏈之間可以相互滑動，而且沿著作用力方向配向，結果，使得聚合物的流動阻力隨著變形而降低，此稱為剪變致稀行為（shearing-thinningbehavior），它表示聚合物承受高剪變率時黏度會降低，也提供了聚合物熔膠加工便利性。

例如，以兩倍壓力推動開放管線內的水，水的流動速率也倍增。但是，以兩倍壓力推動開放管線內的聚合物熔膠，其流動速率可能根據使用材料而增加2~15倍。

二、熔膠剪切黏度

射出成形時模穴內的剪變率分布。一般而言，材料的連接層之間的相對移動愈快，剪變率也愈高，所以，典型的熔膠流動速度曲線如圖1-3（a），其在熔膠與模具的界面處具有最高的剪變率；或者，假如有聚合物凝固層，在固體與液體界面處具有最高的剪變率。

相對流動元素間運動之典型速度分布曲線二、熔膠剪切黏度

另一方面，在塑件中心層因為對稱性流動，使得材料之間的相對移動趨近于零，剪變率也接近零，如圖1-3（b）所示。剪變率是一項重要的流動參數，因為它會影響熔膠黏度和剪切熱（黏滯熱）的大小。射出成形制程的典型熔膠剪變范圍在102~1051/s之間。

射出成形之充填階段的剪變率分布圖二、熔膠剪切黏度

聚合物分子鏈的運動能力隨著溫度升高而提高，如圖1-4所示，隨著剪變率升高與溫度升高，熔膠黏度會降低，而分子鏈運動能力的提升會促進較規則的分子鏈排列及降低分子鏈相互糾纏程度。此外，熔膠黏度也與壓力相關，壓力愈大，熔膠愈黏。材料的流變性質將剪切黏度表示為剪變率、溫度與壓力的函數。聚合物黏度與剪變率、溫度、及壓力的關系圖1-4三、熔膠流動之驅動--射出壓力

射出機的射出壓力是克服熔膠流動阻力的驅動力。射出壓力推動熔膠進入模穴以進行充填和保壓，熔膠從高壓區流向低壓區，就如同水從高處往低處流動。三、熔膠流動之驅動--射出壓力

在射出階段，于噴嘴蓄積高壓力以克服聚合物熔膠的流動阻力，壓力沿著流動長度向聚合物熔膠波前逐漸降低。假如模穴有良好的排氣，則最終會在熔膠波前處達到大氣壓力。三、熔膠流動之驅動--射出壓力

壓力分布如圖1-5所示。

圖1-5壓力沿著熔膠輸送系統和模穴而降低三、熔膠流動之驅動--射出壓力

模穴入口的壓力愈高，導致愈高的壓力梯度（單位流動長度之壓力降）。熔膠流動長度加長，就必須提高入口壓力以產生相同的壓力梯度，以維持聚合物熔膠速度，如圖1-6所示。圖1-6熔膠速度與壓力梯度的關系三、熔膠流動之驅動--射出壓力

根據古典流體力學的簡化理論，充填熔膠輸送系統（豎澆道、流道和澆口）和模穴所需的射出壓力與使用材料、設計、制作過程參數等有關系。三、熔膠流動之驅動--射出壓力

壓力分布如圖1-7所示。

圖1-7顯示射出壓力與各參數的函數關系。三、熔膠流動之驅動--射出壓力

使用P表示射出壓力，n表示材料常數，大多數聚合物的n值介于0.15~0.36之間，0.3是一個適當的近似值，則熔膠流動在豎澆道、流道和圓柱形澆口等圓形管道內所需的射出壓力為：

三、熔膠流動之驅動--射出壓力

熔膠流動在薄殼模穴之帶狀管道內所需的射出壓力為：三、熔膠流動之驅動--射出壓力

熔膠的流動速度與流動指數有關。流動指數是塑件幾何形狀（例如壁厚，表面特征）及熔膠黏度的函數。流動指數隨著肉厚增加而降低，但是隨著熔膠黏度增加而降低（圖1-8）。圖1-8流動指數相對于壁厚與黏度關系三、熔膠流動之驅動--射出壓力

射出成形時，在特定的成形條件及塑件肉厚下，熔膠可以流動的長度將根據材料的熱卡性質與剪切性質而決定，此性質可以表示為熔膠流動長度（圖1-9）。圖1-9熔膠流動長度決定于塑件厚度和溫度三、熔膠流動之驅動--射出壓力

將射出成形充填模穴的射出壓力相對于充填時間畫圖，通常可以獲得U形曲線（圖1-10)其最低射出壓力發生在曲線的中段時間。

圖1-10射出壓力相對于充填時間之U形曲線三、熔膠流動之驅動--射出壓力

要采用更短的充填時間，則需要高熔膠速度和高射出壓力來充填模穴。要采用較長的充填時間，可以提供塑料較長的冷卻時間，導致熔膠黏度提高，也需要較高的射出壓力來充填模穴。射出壓力相對于充填時間的曲線形狀與所使用材料、模穴幾何形狀和模具設計有很大的關系。三、熔膠流動之驅動--射出壓力

必須指出，因為熔膠速度（或剪變率）、熔膠黏度與熔膠溫度之間交互作用，有時候使得充填模穴的動力學變得非常復雜。注意，熔膠黏度隨著剪變率上升及溫度上升而降低。高熔膠速度造成的高剪變率及高剪切熱可能會使黏度降低，結果使流動速度更加快，更提高了剪變率和熔膠溫度。所以對于剪變效應很敏感的材料本質上具有不穩定性。四、充填模式

充填模式(FillingPattern)是熔膠在輸送系統與模穴內，隨著時間而變化的流動情形，如圖1-11所示。圖1-11計算機仿真之熔膠充填模式的影像四、充填模式

理想的充填模式是在整個制程中，熔膠以一固定熔膠波前速度(meltfrontvelocity,MFV)同時到達模穴內的每一角落；否則，模穴內先填飽的區域會因過度充填而溢料。以變化之熔膠波前速度充填模穴，將導致分子鏈或纖維配向性的改變。

四、充填模式

熔膠波前的前進速度簡稱為MFV。推進熔膠波前的剖面面積簡稱為

MFA，MFA可以取熔膠波前橫向長度乘上塑件肉厚而得到，或是取流道剖面面積，或者視情況需要而取兩者之和。容積流動率

=熔膠波前速度(MFV)×熔膠波前面積(MFA)

四、充填模式

圖1-12顯示在鑲埋件(insert)周圍熔膠波前速度增加，使鑲埋件兩側產生高壓力和高配向性，造成塑件潛在的不均勻收縮和翹曲。圖1-12熔膠波前速度(MFV)和熔膠波前面積(MFA)。四、充填模式

MFV之差異會使得塑料分子(以點表示)以不同方式伸展，導致分子與纖維配向性的差異，造成收縮量差異或翹曲。四、充填模式

在射出成形的充填階段，塑料材料的分子鏈或是填充料會依照剪應力之作用而發生配向。由于模溫通常比較低，在表面附近的配向性幾乎瞬間即凝固。分子鏈和纖維的配向性取決于熔膠之流體動力學和纖維伸展的方向性。四、充填模式

在熔膠波前處，由于剪切流動和拉伸流動的組合，不斷強迫熔膠從肉厚中心層流向模壁，造成噴泉流效應(fountainfloweffect)，此效應對塑件表層的分子鏈／纖維配向性的影響甚巨。圖1-13塑件表層與中心層之纖維配向性四、充填模式

塑件成形之MFV愈高，其表面壓力愈高，分子鏈配向性的程度也愈高。充填時的MFV差異會使得塑件內的配向性差異，導致收縮不同而翹曲，所以充填時應盡量維持固定的MFV，使整個塑件有均勻的分子鏈配向性。