環旭電子 | 選用塑膠材料在機構設計上的挑戰

07/01/2021

選用塑膠材料在機構設計上的挑戰

作者：蕭吉助/第二工程總處模具開發暨材料應用部

在機構設計上，材料的應用往往扮演關鍵的角色，選擇正確的材料可以使產品符合預期的功能並確保應有的品質，其中塑膠材料又因優異的成型加工性、輕量化等原因成為大多數機構件產品的選擇材料。

如何選擇塑膠材料
塑膠為高分子化合物，一般分熱塑性塑膠和熱固性塑膠，電子產品大多使用工程塑膠(PA、PC、PC/ABS、POM…)及部分泛用塑膠(PP、ABS、PMMA)。高性能塑膠由於價格昂貴且成型不易，除部分內部結構件有使用外，大部分產品較少使用。

選擇塑膠材料時，首先會依據產品使用要求，參照材料物性表選擇適合的材料，產品使用要求大致可分為機械物性要求、使用環境要求、功能性要求、二次加工要求、成本要求、認證需求等等…。一般塑膠材料物性包含機械性質、衝擊性質、耐溫性質、物理性質、電氣特性、防火等級、成型建議條件，透過塑膠材料物性比較表，可以了解材料間的優劣、決定材料的優先度並安排試模驗證。

再來，應依照產品的使用情境，以及該材料可能帶來的影響，例如耐燃防火材料因多加防火劑，通常使材料耐衝擊變差。如果在抗翹曲材料常添加玻纖，易使產品表面出現浮纖，影響外觀。塑膠材料在某些特性上的強化往往伴隨其他相對特性的取捨，若選擇材料時僅從單一面向考慮，易造成產品後續的可靠度或認證出問題。材料選擇不當所導致的問題，可能會產生不小的損失。不同材料間的縮水率、成型條件皆不同，在開發後期更換材料通常需修模、重開模，甚至需更改設計來配合。

從USI環旭電子的調查，我們看到過去幾年產品塑膠材料的需求主要以耐燃材料最常見(43%)、其次為耐衝擊(36%)及抗翹曲(19%)。自2020年以來塑膠材料的運用越來越多元，由於環保意識抬頭及疫情因素，抗菌材料、消費後回收料(PCR)需求增多，生物相容性材料的使用也由於穿戴式產品需求而增加。

圖1 2010-2019產品在塑膠材料需求分布

圖2 2020~2021產品之塑膠材料需求

塑膠替代料選擇要點
自2020年末以來，由於COVID-19疫情、德州冰風暴、中東石油減產等因素，許多產品出現塑膠原料短缺問題，我們看到防火材料的短缺對生產的影響最大，而導入替代料是解決此問題的一個有效方案。在選擇替代料時有兩個要點：

材料特性需符合原本的安規與可靠度要求，防火等級、機械特性、耐熱性等需與原材料相似
成型條件如縮水率、流動性、料溫、模溫等需與原材料相似，減少換料時的成型問題，例如，流動性若比原材料低，成形時易造成短射、尺寸縮小、產品表面瑕疵等問題，若是提高料溫、射壓使產品尺寸達到規格，又容易造成材料裂解使機械強度降低，因此，選擇替代料時應選擇流動性與原材料相似的材料。流動性可由測試材料熔融指數得到，熔融指數越高，材料流動性越好。

另外在選擇替代料時，應盡量選擇與原材料相同基材，避免配色或二次加工問題，例如PC原色為透明或半透明，PC/ABS原色為米黃色，若選擇PC做為PC/ABS的替代料將難以配到相近的顏色。

總體來說，選擇替代料會比在設計初期選擇材料相對來的嚴苛，不僅機械特性需配合，由於模具已開好，成型條件也必須配合，通常還需1~2次的試模驗證尺寸、外觀、組裝與二次加工，安規認證、可靠度也要重新測試。