USI | 选用塑料材料在机构设计上的挑战

07/01/2021

选用塑料材料在机构设计上的挑战

作者：萧吉助/第二工程总处模具开发暨材料应用部

在机构设计上，材料的应用往往扮演关键的角色，选择正确的材料可以使产品符合预期的功能并确保应有的质量，其中塑料材料又因优异的成型加工性、轻量化等原因成为大多数机构件产品的选择材料。

如何选择塑料材料
塑料为高分子化合物，一般分热塑性塑料和热固性塑料，电子产品大多使用工程塑料(PA、PC、PC/ABS、POM…)及部分泛用塑料(PP、ABS、PMMA)。高性能塑料由于价格昂贵且成型不易，除部分内部结构件有使用外，大部分产品较少使用。

选择塑料材料时，首先会依据产品使用要求，参照材料物性表选择适合的材料，产品使用要求大致可分为机械物性要求、使用环境要求、功能性要求、二次加工要求、成本要求、认证需求等等…。一般塑料材料物性包含机械性质、冲击性质、耐温性质、物理性质、电气特性、防火等级、成型建议条件，透过塑料材料物性比较表，可以了解材料间的优劣、决定材料的优先度并安排试模验证。

再来，应依照产品的使用情境，以及该材料可能带来的影响，例如耐燃防火材料因多加防火剂，通常使材料耐冲击变差。如果在抗翘曲材料常添加玻纤，易使产品表面出现浮纤，影响外观。塑料材料在某些特性上的强化往往伴随其他相对特性的取舍，若选择材料时仅从单一面向考虑，易造成产品后续的可靠度或认证出问题。材料选择不当所导致的问题，可能会产生不小的损失。不同材料间的缩水率、成型条件皆不同，在开发后期更换材料通常需修模、重开模，甚至需更改设计来配合。

从USI环旭电子的调查，我们看到过去几年产品塑料材料的需求主要以耐燃材料最常见(43%)、其次为耐冲击(36%)及抗翘曲(19%)。自2020年以来塑料材料的运用越来越多元，由于环保意识抬头及疫情因素，抗菌材料、消费后回收料(PCR)需求增多，生物兼容性材料的使用也由于穿戴式产品需求而增加。

2010-2019產品在塑膠材料需求分布

图1 2010-2019产品在塑料材料需求分布

图2 2020~2021产品之塑料材料需求

塑料替代料选择要点
自2020年末以来，由于COVID-19疫情、德州冰风暴、中东石油减产等因素，许多产品出现塑料原料短缺问题，我们看到防火材料的短缺对生产的影响最大，而导入替代料是解决此问题的一个有效方案。在选择替代料时有两个要点：

材料特性需符合原本的安规与可靠度要求，防火等级、机械特性、耐热性等需与原材料相似；
成型条件如缩水率、流动性、料温、模温等需与原材料相似，减少换料时的成型问题，例如，流动性若比原材料低，成形时易造成短射、尺寸缩小、产品表面瑕疵等问题，若是提高料温、射压使产品尺寸达到规格，又容易造成材料裂解使机械强度降低，因此，选择替代料时应选择流动性与原材料相似的材料。流动性可由测试材料熔融指数得到，熔融指数越高，材料流动性越好。

另外在选择替代料时，应尽量选择与原材料相同基材，避免配色或二次加工问题，例如PC原色为透明或半透明，PC/ABS原色为米黄色，若选择PC做为PC/ABS的替代料将难以配到相近的颜色。

总体来说，选择替代料会比在设计初期选择材料相对来的严苛，不仅机械特性需配合，由于模具已开好，成型条件也必须配合，通常还需1~2次的试模验证尺寸、外观、组装与二次加工，安规认证、可靠度也要重新测试。