緒論

1-1 前言

射出成型為一個成本低且可大量生產塑膠相關製品的製造方法，凡舉生 活週遭的塑膠產品，幾乎都是透過射出成型的生產過程製作出來的。由於 發展已有多年，各方面技術也相當成熟。近年來由於科技業發展蓬勃，消 費性電子、電腦、通訊之 3C 產品、光電、生物科技等都朝著「輕薄」以及

「精密」方向發展。射出成型是製造業重要基礎之一，如此成熟的技術也 能應用在各個領域中，例如製作生物檢測晶片、光學干涉元件、背導光板 等。[1]由於射出成型大多製作生活周遭日常用品這類較大型的成型品，但 短小輕薄是現行產品追求的目標。塑膠元件具有質量輕、易加工、生產快 速、成本低廉、生物相容性高等優點，所以適合應用在薄殼產品以及微流 體生物晶片等輕薄產品上。

1-2 研究簡介

1-2-1 微射出成型技術[2]

射出成型為製造業進行大量複製的一項技術，而「微」射出成型與一般 射出成型相異處在於成型品是否具有微小件、精準或是微結構物的特徵，

符合其中一項特徵，則可稱為微射出成型，可以將微射出成型成品定義分 類為四類：(1)微小且精準件:成品質量極小以毫克為單位，尺寸大小亦只有 毫米大小，精準度也到達微米之水準；(2)微小件：成品質量以毫克為單位，

尺寸大小只有毫米大小，但精準度不一定達到微米水準；(3)精準件：品質 量以克為單位，成品大小與一般射出成型相同，精準度需到達微米範圍；(4) 具有微結構件:成品質量以克為單位，成品大小與一般射出成型相同，表面 具有微結構物，微結構物如孔或槽頇達微米水準。

射出成型是將高溫熔融的高分子塑膠材料，以巨大的壓力高速充填模具 的模穴，利用模穴中幾何形狀限制塑料流動範圍，等其冷卻後，複製與模 穴空間相同的成品，可將 3D 複雜形狀零件一體成型，且週期時間短，容易 自動化。射出成型主要是由充填(Filling)、保壓(Packing)、冷卻(Cooling)及 脫模(Demold)四項流程所組成，為一具有週期性週而復始的生產過程，由於 整個射出成型過程是隨時間變化的，所以是一個非穩態的週期程序。典型 射出成型的程序是由五步驟所組成：

(1) 預熱(Preheating)

預先加熱料管及熔融塑膠材料。

(2) 充填(Filling)

模具閉合，螺桿或柱塞前進射出熔融塑料進入模穴直到模穴充填滿。

(3) 保壓(Packing)

充填停止，模穴內塑料開始冷卻收縮，螺桿持續以固定壓力將額外塑料 擠入模穴，保持模穴內塑料壓力，使塑料能夠持續施力於模穴表面。

(4) 冷卻(Cooling)

塑料開始冷卻，塑料所保持的壓力也由於收縮效應開始減少。

(5) 脫模(Demold)

模具打開，並頂出成型品。

1-2-2 造成射出成型精度誤差之因素

塑 膠 製 品 能 有 現 在 的 普 及 性 ， 具 有 大 量 生 產 性 能 的 射 出 成 型 技 術 實 有 不 可 磨 滅 的 貢 獻 。 但 在 製 程 中 有 許 多 干 擾 因 素 造 成 成 品 品 質 不 良 ， 例 如 翹 曲 (Warpage) 、 收 縮 (Shrinkage) 、 凹 陷 (Sink mark)和 殘 留 應 力 (Res idual stress ) 等 ， 這 些 缺 陷 對 產 品 品 質 和 精 度 有 極 大 的 影 響 。 由於對產品之品質與外觀要求日趨重要， 預測與預防 成型件的收縮與翹曲是很重要的課題。 一般射出成型品主要考量的因素 有：(1) 收縮變形、(2) 翹曲變形、(3) 殘留應力。

塑料是以高溫熔融狀態進入模穴內，熔膠體積膨脹得相當大，而在成 品冷卻凝固時，體積便會收縮，使得尺寸略小於模具尺寸，影響成品精度。

若成品收縮不均勻、冷卻不均勻或正負模面溫差大，也會造成顯著地翹曲 變形發生。收縮變形影響產品的尺寸大小，而翹曲變形則產生形狀的變化。

殘留應力則是一材料經加工後，仍殘留於材料內部機械性之內應力，無外 來負荷作用下依然存在。 依不同的產品其主要的考量因素均不同，如光碟 片則必需考量成品的直徑及厚度變化，但最重要的是翹曲變形。 對於光學 產品而言，為求良好光學特性，殘留應力是重要的一項考量。 [3]

1-3 目的

具有微流道之塑膠件非常具有發展與應用價值，例如使用在用來檢測 DNA/RNA 之生物檢測晶片上。對微結構來說，由於本身的尺寸大概都只有 幾百微米的大小，若成品尺寸上有些微的變化對微結構來說是影響卻是非 常可觀的。目前並無系統之研究探討製程對微結構寬度方向尺寸的變化，

故本研究希望藉由探討射出成型製程及微結構與微結構之間距對成型之尺 寸變化影響結果，提供製作生物晶片或設計具有微流道之塑膠製品在製程 方面的參考，以提高產品生產的精準度。

1-4

在整個射出成型的過程中，使用的材料、製程參數的設定以及模仁的設 計都有可能影響成品製造的結果。探討使用不同塑膠材料製造具有微流道 之塑膠產品時的精確度研究中發現 PP 和 COC 材料之成形性最佳，而相較 於其他材料 PMMA 的結果較為不佳。Larisa 等人[4]在 1997 年提出一簡易

製程技術，利用矽晶片母模將微流道圖案轉寫在 PMMA 材質上，轉寫在 PMMA 上之微流道，具有相當好的均一性。Shen[5]在 2004 年利用 3D 模 擬分析來探討不同材料(PP、PA、POM)配合不同的參數(成型時間、模溫、

料溫、射壓)之微流道的尺寸變化情形，並使用田口法(Taguchi method)來討 論微射出成型各個參數之影響，研究結果顯示 PP 材料成型性最佳，且發現 模溫影響最大。而 Chen 等人[6] 在 2010 年使用 COC、PC、PMMA、PS 等 材料去探討材料及射出成型製程對微結構成型之影響。其結果顯示寬度與 深度方向的精確度隨模溫、料溫、射速及保壓影響，且 COC 有最佳之成型 結果因其有低黏滯係數及等向性收縮的特性，而 PS 在特定參數設定下之成 型也在可接受的範圍內。

而在探討射出成型製程中造成微結構收縮因素的研究中，在模擬方面 Chang[7]在 2001 年使用田口法來分析 ABS、GPS、HDPEH 材料於不同參數 設定下對射出成型之流動收縮及側向收縮之影響，研究結果顯示模溫、射 速、保壓及保壓時間為影響收縮最重要的因素。

在實驗方面， Jansen[8] 在 1998 年提出保壓為最主要的影響因素，其 次是料溫。而射速和模溫在使用不同的塑料的情況下影響結果皆不同。而 Chien[9]在 2006 年設計具有深度 27μm、寬度 110μm 之微結構矩陣的模仁，

探討射出成形與熱壓模之製程對成型結果的影響。其中，熱壓模之基材為

料溫、射速及保壓增加而改善，且都可到達可接受範圍以內。但與熱壓模 比較，射出成型的結果在寬度方向的成型上較不佳。

除了射出成型製程會對微小產品造成收縮之影響外，幾何形狀之影響 也被提出來探討。Sha 等人[10] 在 2007 年設計不同幾何形狀及間距的微結 構，使用不同塑料探討其對微結構表面成型之影響。其結果發現升高料溫、

模溫及射速可改善微結構之充填結果，但對不同的塑料得到的結果並不相 同。且改變微結構之間的距離對充填並無影響。

1-5 研究方法

本研究實驗部分分別設計了兩副模仁，第一副模仁用來探討射出成型製 程對微結構成型之寬度方向尺寸變化之影響；第二副模仁將微流道與微流 道之間的間距縮減至一半，用來探討微結構之間間距對微結構成型之尺寸 變形的影響。設計之模仁使用共軛焦 3D 光學表面形貌量測儀(Nano-focus) 進行表面輪廓量測，而射出成型實驗之塑膠成品則使用新表面粗度儀 (New Alpha-step) 來量測表面輪廓，再將之和模仁的量測結果進行比對，算出應 變及變形量。

本研究除了實驗部分以外，還使用理論推導來試算塑膠成品之應變及變 形量，藉由定性分析與探討是否有其他機制影響微結構寬度方向尺寸之變 化。過程中也使用 Moldflow 模流分析軟體去進行射出成型過程之模擬、計

算模內之殘留應力大小，及壓克力應力應變曲線去反推殘留應力大小，再 將其與實驗結果做比較。

第二章、理論簡介、模擬與射出成型介紹

本 章 將 針 對 本 研 究 中 所 使 用 的 基 本 原 理 做 介 紹 。 第 一 部 分 為 定 義 探 討 微 結 構 寬 度 方 向 尺 寸 變 化 之 應 力 與 應 變 關 係 式 ， 其 次 介 紹 使 用 Moldflow 模 擬 之 方 法 及 流 程 ， 最 後 是 介 紹 射 出 成 型 實 驗 原 理 。

2-1 理論推導

在本研究中，探討射出成型模具溫度與保壓壓力之改變對塑膠件寬度方 向尺寸變形之影響，在理論方面假設其為一維之均值且為等向性之彈性結 構體，考慮溫度造成之熱應變及保壓壓力階段施加壓力產生之殘留應力的 影響，其應力與應變的關係式為

σ = E ε − α∆T + σ₀ (2.1)

其 中 E 為 彈 性 係 數 (Modulus of elasticity) 、 α 為 線 性 熱 膨 脹 係 數

(Coefficient of thermal expansion)、σ0為殘留應力(Residual stress)，ε為應變，

T 為溫度變化。

在比較塑膠件尺寸變化時，將微流道的部分分成(1)頂部(Wt)與(2)底部 (Wb)兩部分去進行討論，其示意圖如圖 2-1。

圖 2-1 探討微流道尺寸變形位置示意圖

(1) 微結構頂部 (Wt)

在微結構頂端的部分，其變形主要受到兩邊之塑膠材料膨脹或收縮之影 響而造成其寬度尺寸之變化。假設其只受溫度造成之熱脹冷縮的影響，殘 留應力 σ0為零，且由於開模前模內應力總和 σ 為零，可將 2.1 式轉換成應 變的表示式

ε = α

i∆T_i, i = 1, 2, 3 (2.2)

L

L

其中，由於線性熱膨脹係數與溫度採分段方式去計算，i 之值 1、2、3 分 別 代 表 塑 料 由 料 溫 (Melt temperature) 降 溫 至 玻 璃 轉 移 溫 度 (Glass

transition temperature)、玻璃轉移溫度降至模溫(Mold temperature)，再由模

溫降至室溫(Room temperature)之間的溫度差及所對應之熱膨脹係數，其值 如表 2-1 所示

表 2-1 PMMA(CM-205)之線性熱膨脹係數[11]

Temperature ( ) Coefficient of thermal expansion (α) 29~60 10.6 × 10^{-5 m}

m℃ 60~104 9.7 × 10^{-5 m}

m℃ 104~ 12.8 × 10^{-5 m}_m℃

另外，由於 2.2 式之應變 ε 為微結構之間塑膠材料部分所受之應變，而 在計算微結構頂端寬度尺寸變化時，則將其乘上微結構之間之實際寬度後 代入以下之公式

∆W_t =^∆Lt_left

2 +^∆Lt_right

2 (2.3)

(2) 微結構底部 (Wb)

在微結構底部的部分，因其與模壁接觸面積較大，流相變化較劇烈，且 承受保壓而有殘留應力之影響，故在探討微結構底部底部之尺寸變形時保 留殘留應力 σ0項，其應變之表示式如下

在微結構底部的部分，因其與模壁接觸面積較大，流相變化較劇烈，且 承受保壓而有殘留應力之影響，故在探討微結構底部底部之尺寸變形時保 留殘留應力 σ0項，其應變之表示式如下