我的報告大部分都是參考很多資料寫出來的，也都將參考資料寫出來附在最後面，但是我必須承認，都是這些作者寫的好，造福了我們這些學生可以順利完成作業。
一、 前言
一個設計者的目標在於創造出具有高度可靠性且能夠經濟量產並發揮應有功能的產品。然而現今材料種類繁複，除了單純的金屬材料外，也發展了許多的高分子複合性材料，但由於工程塑膠具黏彈性，又可做多種比例的混合，相較於金屬的產品設計也就更加複雜。由於塑膠的快速演進種類繁多，其各種應力─應變曲線的資料庫尚未齊全，使得在設計的應用選擇上有很大的困難度，許多設計者是以直覺來做應用的。
現今工業及社會，對於產品設計至少有下列的標準：
1. 增加高度可靠性
2. 可更快速的產品設計循環，以應付市場的改變
3. 更複雜的廣泛的應用
4. 降低對社會環境污染的負擔
因此好的工程設計是需要一個有邏輯、有系統的方法：
1. 清楚定義所有的設計限制
2. 小心地選擇材料
3. 選擇適合的加工方式
4. 分析產品的結構
5. 對樣品作各項試驗以確保符合設計所需
本文就金屬與塑膠材料的特性比較，來提出設計時材料應用上的考量及有系統的設計程序方法。
二、 金屬與塑膠特性的比較
設計基本上就是在預測產品性能的工作，因此塑膠零件的設計者本身對塑膠材料的知識須有一定的了解，如此才能預測當塑膠材料遭受到機械與環境應力時的應變情況。
1. 機械應力反應
由金屬與塑膠的應力—應變圖，可知塑膠材料與一般金屬材料在遭遇應力時不同之處，如下圖所示：
Ultimate strength Yield stress Proportional limit Strainà 圖一 金屬材料之應力應變圖 Increasing strain rate and decreasing temperature moves curve in this direction Room temperature and “normal” strain rate Decreasing strain rate and increasing temperature moves curve in this direction Strainà 圖二 工程塑膠材料之應力應變圖
由圖一與圖二中可清楚的比較出金屬材料有明顯的彈性限、降伏點，有固定的材料特性，因此對於設計者而言較容易掌握，而塑膠則較無明顯的分界，且塑膠的應力─應變的關係會隨溫度的增加或減少而有巨大的變化，此一特點對於設計者而言，須更嚴謹的考量材料的使用狀況，如材料使用的環境溫度之限定，及特殊環境下材料所能遭受的應力的估算等。因此就依材料的特性而言，塑膠材料在對應力的應變金屬材料更較之複雜許多。
(i) 短期荷重負載
為了解塑膠遭受應力時所表現出的特性，得由了解塑膠材料的分子結構開始，以熱塑性塑膠為例，當以靜應力作用於此類塑膠（固狀）時，即做拉伸試驗，因分子間的結合力的關係，可抵抗一定程度的應力，隨著應力的增加，分子間的鏈結會被拉長，因而使得分子間的結合力減小，而使得變形的產生。即使在定應力下，熱塑性塑膠亦會隨著時間的增加而產生變形，此一現象的解釋與金屬之潛變的現象相同。
(ii) 長期荷重負載
雖然塑膠的機械性質相當的複雜，一般的設計方程式不一定能真正的滿足它的要求，但是在適當的環境及受力狀態下我們仍能一些常用的方程式來作為估算的準則。當以一長時間的負載作用於塑膠時，若此一負載並未超過塑膠材料的降伏應力時，此時對於材料受力的狀態所需考量的是潛變對產品所造成的影響。在一般的狀態下我們可以以標準的設計方程式來估計潛變的大小。但通常以潛變模數來計算產品在某一狀態下的潛變情形。關於潛變的計算方法，以下圖說明：
Design creep modulus Design life (a).Log, timeà (b).Log, timeà 圖三 潛變模數的大小
在計算潛變模數之前，必須先知道作用於物件上之應力及選擇一設計週期，假設需要的變數都已知道，則可用一般的方法（內、外插法）來求得潛變模數，再由潛變模數求得潛變應變。
(iii) 衝擊負載
設計者在一般的設計中亦會考慮衝擊負載對產品所造成的影響，如：在裝配時，難免都會敲敲打打的。塑膠的耐衝擊能力的檢定我們人可使用與金屬相同的檢測方式來進行測定。一般的測定法有Izod衝擊試驗法、拉伸衝擊試驗法、鋼標衝擊試驗法及最終產品試驗法等方法來測定材料的耐衝擊性。其中Izod法為最常使用的方法，其乃是以一重錘為衝擊刀片，並將材料試片以懸臂樑的方式放置於材料放置處，將重錘提至某一高度後放下重錘，待重錘停止擺動後由指針讀出衝擊指數，在換算後即可得到產品的耐衝擊能力。但塑膠材料的特性議會隨著為度的改變而有所變化，因此對於使用環境的因素也應列入考量。
(iv) 循環負載
一般塑膠零件受循環負載時可分兩種模式來探討，因黏滯性所產生的熱及零件遭受長期負載所造成的疲勞。
當一應力加於一塑膠零件時，因為塑膠為一高黏滯性之流體，故會吸收部份的機械能並轉能熱能，隨著時間的增加此一熱效應對此塑膠零件之影響將會比疲勞應力所造成的影響還大，此一零件因受力而產生的熱能與循環負載的強度、循環週期、零件外型及熱傳情況有關。減少零件因循環應力所產生之熱負載的方法有以下三種。
(a) 使用低黏滯係數的材料，以降低因為黏滯性所產生之熱能所造成的熱效應。
(b) 減少機械能的輸入或降低循環負載的週期。
(c) 使用良好的散熱系統將於零件上的熱除去。
(v) 疲勞
疲勞壽命（fatiure life）定義為在一應力或應變作用之下，試片破碎所需的振動週期數目N。由於疲勞壽命為最大應力的函數，疲勞曲線通常以應力—週期數目圖形表示。疲勞測試的儀器種類很多，包括固力變形或應力作用下，抗張或彎曲測試，以及旋轉臂儀器。當利用塑膠代替金屬作為許多關鍵性的材料時，疲乏測試就相當重要。主要原因之一是材料在週期性的負荷之下，只能夠承受抗張強度的一部份。因此，典型的機械測試無法顯示該材料在振動或重覆變形（repeated deformation）下的使用壽命。對所謂的工程塑膠（engineering plastic）而言，因為必須承受長時間的負荷，所以疲乏測試顯得分外重要。（圖四）是一個典型的疲乏壽命曲線。當應力很大時，試片在數個循環即破裂。當應力下降時，用來做為疲乏壽命指標的破裂前之循環數漸漸增加。在某一極大應力值以下，稱為疲勞或耐久限度（fatigue or endurance limit），曲線漸趨於平緩，在此應力值以下，材料可承受無數次的負荷。不過要特別注意的是，每一條疲勞壽命曲線都只適用於一個特定溫度以及每秒循環數的特定疲勞測試。當振盪頻率增加時，通常會使疲勞壽命減短，不過在低頻率之下，此一影響並不顯著。
疲勞會逐漸降低材料強度，因為疲勞會使得積聚於聚合體內的結晶、分子鏈等產生變化或是斷裂，而使得材料的強度漸漸變化。當疲勞為此零件設計時的重要參數時，預測零件所能承受之疲勞應力大小是非常需要的，塑膠零件的疲勞應力預測仍與金屬相同，我們可將塑膠材料所製成之試棒置於疲勞試驗機上求出其S-N曲線，設計者可由此一曲線中得出在某一應力下所能忍受的次數如下圖之S-N曲線圖所示。
Allowable design stress Number of cycles in design life Log,N cycles 圖四、典型塑膠疲勞(S-N)曲線
(vi) 衝擊測試
衝擊測試是高速度的破裂（fracture）測試，用來度量使材料斷裂（break）所需之能量。在Izod及Charpy衝擊測試，具有鎚狀的重量頭連於擺（pendulum）頭上，打擊一試樣（有刻痕或無刻痕的桿），而斷裂試樣所需的能量是由擺的動能消耗來決定。在落球式（falling ball）或falling dart耐衝擊測試，斷裂一片狀（sheet）或板狀（plate）所需的能量是由求的重量及球落下之高度來決定的。令一種的耐衝擊測試為量度在高數度抗張應力—應變測試實驗得到之曲線下之面積。
不同方式耐衝擊測試所得結果是不一致的，不同的測試經常使一系列的高分子材料其測得結果有不同的次序（order）。不同的測試法結果的不一致指出耐衝擊測試是被兩個物理性質所控制。兩個關連著耐衝擊行為的因數為起始裂縫的能量及裂縫（crack）傳播時所需之能量。
2. 環境應力的反應
1. 化學性質
塑膠材料不論對氣體、液體、中性化學藥品或強烈化學藥品都具有高度的抗滲透性，故塑膠的應用範圍廣大。如聚乙烯具有高度不透性之性質，因此用於產品包裝上有很大的幫助。而塑膠材料之可燃性（flammability），乃由試片的燃燒速率來測量，如材料不燃燒，則稱為不燃性，如在途中火焰會自滅，則稱為自熄性（self extinguishing），自熄性對很多產品具有重要意義。
2. 電氣性質
塑膠材料一般為絕緣體。一般塑膠的電氣性質檢驗包括表面抵抗、體積抵抗、介電常數、介電強度、介電損失係數。燃燒性質如高電壓的耐電弧性，高電流的耐電弧性等等。例如聚乙烯具有極好的電氣性質，特別適用於電線和電纜的包膠，以及在高壓傳遞和低電壓的電力供應中作為良好的絕緣體。由於塑膠有絕緣性和低導電性，故其在日常生活周遭環境中運用極廣泛，例如高壓隔離的場合、防止電流過熱造成破壞的場合、防止過熱形成電流操負荷的場合等。但是，一切並非如此的完美，就如吾人所知塑膠有絕緣及低導電性，然其並非完全的絕緣，所以，有時又可用它來作電路之旁路用途。
三、 塑膠零件的設計方法
由於工程塑膠具黏彈性和複雜的性質，使零件設計成為一個具挑戰性的問題。考量設計變數的系統方法，可以得到最佳的結果，這些系列的步驟如下：
1. 準備一個完整的設計拘束表格
2. 做材料與製程方法的初步選取
3. 詳細描述此設計，執行結構的分析，考量黏彈性的系列
4. 建立足夠數量的原型品供測試用，以提高設計品質
5. 在生產的零件上執行適當的測試，以全面評估和驗證設計。
若在測試時發現未滿足初步設計，則須回到第二步驟，重複此程序。
發展設計時，使用工程塑膠比使用金屬，更需要樣品與測試程序。對塑膠來說，有一個最重大的因素是機械或化學抵抗性的設計資料庫不足。當發展一個可接受的設計時，系統化的考量所有設計變數是一個減少重複程序次數的方法。
1. 設計限制
準備一個完整的設計限制表格是塑膠零件設計決定性的第一步，否則會導致錯誤。在設計專案的最後階段的窘境是可以避免的，因此準備一個完整目錄的設計限制檢查清單是非常重要的，若塑膠零件設計失敗，將會導致成本損失，這是我們最不願意看到的結果。例如一種常常發生的情況，工程師可能需要一個昂貴的射出模具，而設計者設計一個特別收縮因素，與最初設計時之材料無法配合，由此可知，設計限制的考慮是非常重要的。以下是一些設計時須注意之方向與原則。
u 結構上考量：如短期間負載、長期間負載、疲勞負載、衝擊負載、耐用年限、臨界尺寸公差、零件可靠度等。
u 環境上考量：易燃性、絕緣性、正常的溫度變化、破壞溫度、化學的曝曬、濕度、其他。
u 外觀上考量：透明度、顏色、表面粗度、光滑。
u 裝配上考量：裝配方法。
u 管理機構考量：要求批准、特殊合適測試。
u 經濟上考量：目前的零件成本、期刊、其他。
2. 初步的材料及製程的選擇
當設計限制都已經完備時，我們可列出一些候選材料和加工方法。而在候選材料及加工方法的選擇時，我們需考慮材料的成本。舉個例子來說，有兩個材料，A材料比較貴，但其具有較高的彈性係數；若我們的目標是要製造薄斷面且高韌性之產品，我們為了考量其經濟性及其產品功能性，就可能會選擇較貴的材料。同樣的，在製造程序上的選擇也是一樣要考慮到成本，及現有機器是否有達到我們所需要的品質。
3.
細部零件的設計
在做細部設計時，我們要完全瞭解材料性質、模具及成形加工法與樣品本身的需求條件，樣品設計之基本原則有下列幾種：
u 內壁情形：一般而言，內壁的變化率於15~25%是較佳的。
u 脫模斜度：其主要功用是使成品於模具中容易脫膜。脫模斜度是樣品的形狀、成形材料之類別、模具構造、表面精度以及加工方法而有所不同。
u 肋：其主要功用為補強、改善流動性、防止殘留應力所致之變形等，設計時肋基本上應是50~75%的邊長，高度不應超出三邊的高度，肋與肋之間的間距為兩個W的距離，肋與正常壁之間應有倒圓角，如此方能防止應力集中。
u 角牽板：不需要有一個W的寬度或2 W的高度，但是如果是用來支撐凸轂的時候，至少應凸出2W的寬度。
u 凸轂的設計：凸轂是成品的凸出部份，可彌補孔的周圍強度，可供裝配時嵌合之用。
u 孔的設計：孔有成形後再加工的，也有在模具中一體成形的，而一般又以一體成形的較多。因此設計時應注意：孔與孔的間距為孔徑之兩倍以上；孔之周邊肉厚應增加；孔與成形品邊緣之距離宜為孔徑之三倍以上，孔隅側壁之距離宜為孔徑之0.75以上；垂直成形材料流向之盲孔，其孔徑在1.5mm以下時，心型稍有彎曲之虞，故孔深不宜為孔徑之兩倍以上。
u 螺紋之設計：避免使用螺距在0.75mm以下之螺紋，而最大可使用螺距5mm；長螺紋會因收縮之關係而使螺距失正，應避免使用；螺紋公差小於成形材料收縮量應避免使用之；螺紋部應有1/15~1/25之拔模斜度；螺牙不得延長至成形品的末端，因為薄緣不利於模具強度及螺紋壽命，所以至少要設0.8mm的平坦部份。
4. 樣品製作
樣品製作為量產化的前一步驟，此一步驟可讓設計者知道產品在試製的過程中有無改進的地方，且所製成的樣品亦可供功能上的檢驗，故樣品的製作對一產品而言將是不可或缺的步驟。除此之外樣品的製作也可提供其它方面的資訊，如若製作樣品的過程與量產的流程一致時，則可由此對加工時間的預估提供更精確的預測，或者在試作的過程中發現產品原先的加工法並不合適，而可找出更好的方法來替代，諸如此類在設計的階段中沒有發現到的問題皆可在此時發現而加以改進。
四、 結論與討論
在工業上所使用的材料種類非常多，雖然金屬材料具有優良的機械性質及易於加工、處理，應用非常廣泛。但是金屬材料並不能完全滿足實際的要求，更因現今科技發達，逐漸發展出一些性質優異的非金屬材料。其中，塑膠材料是發展最為迅速，應用最為廣泛的例子。
對設計製造工程師來說，在設計的過程之中，材料的選取是極為重要的一環，廣泛的涉略各種材料的知識有助於設計的工作。本文有系統的介紹塑膠材料設計的方法，並補充一般設計製造工程師關於塑膠材料的知識，也同時增加運用塑膠材料以及製造上的技巧。
五、 參考資料
1. 洪瑞庭編著, 塑膠加工技術與工程, 高立圖書有限公司, 1987.
2. 張子成編著, 塑膠產品設計, 全華科技圖書公司, 1992.
3. 友野理平著, 塑膠金屬化加工技術, 復漢出版社, 1990.
4. 黃振賢著, 機械材料, 文京圖書有限公司, 1990.
5. 陳建安撰, 熱可塑彈性體之動態機械性質, 塑膠資訊, 塑膠工業技術發展中心, 2001/10, P1~13.
沒有留言:
張貼留言