為什麼產品開發團隊總在壓鑄階段碰壁？
身為產品開發負責人或設計工程師，您是否遇過這些情況：
- 設計變更：設計圖明明沒問題，送到壓鑄廠後卻被告知這個結構做不出來或良率會很低？
- 品質不穩：樣品完美，量產後卻頻繁出現氣孔、冷隔、縮孔等缺陷？
- 成本超支：每次修模都是一筆不小的成本，專案時程一再延誤？
這些問題的根源，往往來自對金屬液流動行為的認識不足。壓鑄不是單純的把金屬倒進模具，而是一場高速、高壓、高溫下的流體力學競賽。
理解金屬熔湯如何流動、如何填充、如何凝固，是避開開發陷阱、降低試錯成本的關鍵。
壓鑄的本質：在毫秒內完成的精密填充
壓鑄製程可以拆解為三個連續階段，每個階段都直接影響最終產品品質：
1. 填充階段
- 時間範圍：0.01-0.1秒
- 行為：金屬液以 10-100 m/s 的高速注入模穴
- 關鍵挑戰：避免捲氣、確保流動前鋒平穩
2. 增壓階段
- 行為：壓力提升至 500-1500 bar
- 目的：補償金屬凝固收縮
- 關鍵挑戰：壓力能否有效傳遞至最後凝固區域
3. 凝固階段
- 行為：金屬從液態轉為固態
- 目的：決定組織結構與機械性質
- 關鍵挑戰：控制冷卻速率、避免內部缺陷
影響壓鑄成敗：金屬液流動的四大物理特性
1. 黏度與溫度的競爭關係
金屬熔湯的黏度決定流動性。以鋁合金 ADC12 為例：
- 在 660°C（剛熔化）：黏度約 1.3 mPa·s
- 在 700°C（過熱 40°C）：黏度降至約 1.1 mPa·s
開發者痛點：溫度過低會導致薄壁區域填充不滿 (欠鑄)，但溫度過高又會加劇模具黏著磨耗。最佳溫度窗口通常只有 30-50°C 的範圍。
2. 紊流導致的氣體捲入
在高速注射下，金屬液容易產生紊流（雷諾數 Re > 2000），造成：
- 空氣被捲入金屬液內部形成氣孔
- 氧化夾雜物增加
- 表面粗糙度惡化
關鍵數據：當注射速度超過 40 m/s 時，氣孔缺陷率可能增加 30-50%。
3. 凝固潛熱的釋放時機
金屬從液態轉為固態時會釋放大量潛熱（鋁合金約 389 kJ/kg）。這些熱量必須快速由模具帶走，否則會造成：
- 局部過熱導致晶粒粗大
- 冷卻不均形成內應力
- 後凝固區域產生縮孔
4. 壓力傳遞的路徑依賴性
增壓階段的壓力能否有效作用在需要補縮的區域，取決於：
- 澆道系統的阻力：每個轉折、變徑都會損失壓力
- 凝固前鋒的位置：若進料路徑提早凝固，壓力就無法傳遞
- 肉厚差異：厚薄交界處容易形成壓力梯度
實務經驗：若壓力損失超過 40%，厚壁區域的縮孔率可能上升 2-3 倍。
壓鑄設計必懂：流動與成形的五大關鍵原理
原理一：最小阻力路徑優先
金屬液總是選擇阻力最小的路徑流動。這意味著：
- 薄壁區先填滿：肉厚 2mm 的區域會比 5mm 的區域更快填滿（若壓力足夠）。
- 寬闊處流速慢：截面積突然擴大時，流速驟降、容易冷卻。
- 設計建議：避免極端的肉厚變化（變化比應小於 1:3），並利用溢流槽引導最後填充位置。
原理二：冷金屬層效應
金屬液接觸模具瞬間，表面會形成 0.1-0.3mm 的快速凝固層。這會造成：
- 有效流道變窄：實際可流動的截面積減少。
- 流動阻力增加：後續金屬液必須克服更大摩擦力。
- 冷隔缺陷風險：兩股流動前鋒若帶著冷卻層相遇，無法良好熔合。
量化影響：在薄壁產品（1.5mm 以下）中，冷金屬層可能佔據流道 20-30% 的截面積。
原理三：凝固收縮的補償窗口
金屬凝固時的體積收縮率（鋁合金約 6-7%）。要成功補縮，必須滿足：
- 時間條件：增壓時該區域仍為液態或半固態
- 路徑條件：進料通道未提早凝固
- 壓力條件：增壓力足以克服流動阻力
失敗案例：若厚壁區的進料通道肉厚不足，可能在增壓前就已凝固，導致無法補縮而產生縮孔。
原理四：熱節效應與縮孔位置
熱節是指肉厚較大、冷卻較慢的區域。這些位置會最後凝固，需要最多的補縮料，也最容易產生縮孔。
縮孔預測規則：
- 肉厚最大處
- 多條肋條交匯處
- 遠離澆口的厚壁區
原理五：流動長度與肉厚比
金屬液的流動能力可用流動長度/肉厚比值評估：
- 鋁合金 (ADC12)：比值應 < 150
- 鋅合金 (ZA-8)：比值應 < 200
- 鎂合金 (AZ91D)：比值應 < 120
實務應用：若產品流動距離 300mm，鋁合金肉厚至少需要 2mm 才能確保填滿。
實戰應用：從壓鑄 DFM 到缺陷溯源
1. 給設計工程師的 DFM 檢查清單
在 3D 設計階段就導入 DFM觀念：
- ✓ 肉厚均勻性
- 全產品肉厚變化控制在 ±30% 以內
- 避免孤立的厚肉區
- 從澆口到末端肉厚應漸減
- ✓ 拔模角與圓角
- 拔模角至少 1°-3°（深腔需更大）
- 所有內角 R≥0.5mm（避免應力集中與流動阻滯）
- ✓ 肋條設計
- 肋條厚度為相連壁厚的 50-70%
- 避免多條肋在同點交匯
2. 給專案管理者的風險評估
高風險特徵識別：
- 流動長度/肉厚比 > 100
- 肉厚變化超過 3 倍
- 大面積薄壁（<1.5mm 且面積 > 100cm²）
- 深腔結構（深度/開口直徑 > 2）
建議行動：提前與壓鑄廠進行 DFM 審查，並預留模流分析的時間與預算。
3. 給品質工程師的缺陷溯源
壓鑄的數位模流分析
模流分析軟體的價值
現代 CAE 軟體（如 ProCAST、FLOW-3D、AnyCasting）可以模擬：
- 填充過程：預測流動路徑、速度分佈
- 溫度場：識別過熱區與冷點
- 縮孔傾向：標示高風險區域
- 氣孔分布：評估捲氣機率
投資效益：
- 減少試模次數：平均可省 2-3 次修模
- 縮短開發週期：提前 2-4 週發現問題
- 降低報廢率：量產初期良率可提升 10-20%
何時該投入模流分析？
- 高建議情況：新產品開發（複雜結構）、肉厚差異大、品質要求極高（如安全件）、預計產量大。
- 可暫緩情況：簡單幾何形狀、已有類似產品經驗、開發時程極緊迫（但風險較高）。
實戰案例：電動工具外殼的流動優化
- 原始設計問題：肉厚 1.5mm 至 5mm（螺絲柱），流動距離 420mm。初期良率僅 65%。
- 主要缺陷：螺絲柱縮孔、薄壁區冷隔。
- 流動分析發現：薄壁區 L/t 比達 280（遠超建議值 150）；螺絲柱成熱節孤島，無法補縮。
- 優化方案：
- 調整澆口：改為中央進澆，縮短最長流動距離。
- 漸變肉厚：薄壁區增厚至 2mm，螺絲柱根部設計加厚過渡區。
- 增加溢流：在冷隔好發處設置溢流槽。
- 設計補縮通道：確保螺絲柱在增壓時仍暢通。
- 優化成果：良率提升至 92%，縮孔與冷隔缺陷幾乎消除。
成本 vs. 品質：壓鑄設計的平衡策略
過度設計的隱藏成本
盲目追求零缺陷可能造成：
- 材料成本增加：肉厚過大、重量上升
- 模具成本飆升：結構過於複雜、維護困難
- 製程窗口過窄：對參數變動敏感、良率不穩
務實的品質策略
- 依功能分級：結構件可接受小氣孔，外觀件需高表面品質。
- 設定合理標準：例如「氣孔直徑<2mm 且數量<5個/件」而非「完全無氣孔」。
- 預留後處理空間：CNC 加工面可放寬壓鑄精度要求。
跨部門協作：建立設計與製造的共同語言
設計 vs. 製造的常見衝突
- 場景一：這個肉厚太薄了
- 設計思維：輕量化、節省材料。
- 製造現實：流動性不足、容易欠鑄。
- 解決方案：進行流動性測試模，用數據決定最小可行肉厚。
- 場景二：螺絲柱為什麼一直有縮孔？
- 設計思維：按強度需求設計柱徑。
- 製造現實：熱節無法有效補縮。
- 解決方案：在柱根部設計補縮通道，或改為壓入式螺母。
建立共同語言
開發團隊應建立：
- 流動性指標（如 L/t 比）
- 縮孔風險等級（用顏色標示高風險區）
- 製程能力範圍
從試錯到預測的思維轉變
理解金屬液流動與成形原理，不是為了讓產品開發人員都變成壓鑄專家，而是要建立可預測性：
- 在設計階段就能判斷這樣設計能不能做
- 遇到缺陷時能快速定位問題出在哪個環節
- 與供應商溝通時能用同一套邏輯討論如何改善
您的下一步行動建議
- 盤點現有產品：檢視是否有高風險特徵。
- 建立 DFM 檢查表：將流動原理轉化為設計規範。
- 投資必要工具：評估是否需要模流分析軟體。
- 強化協作機制：讓設計、品質、採購、供應商能有效對話。
壓鑄成型的品質，從設計圖的第一條線就已經開始決定。
壓鑄成型常見問題 (FAQ)
Q1：什麼是壓鑄？
A1：壓鑄是一種金屬成型技術，將熔融的金屬（如鋁合金、鋅合金）在高壓下高速注入精密模具中，冷卻凝固後形成所需形狀的零件。它適合大量生產結構複雜、精度要求高的產品。
Q2：壓鑄最常見的缺陷有哪些？
A2：最常見的缺陷包括：縮孔（因體積收縮補縮不足）、氣孔（因捲氣或排氣不良）、冷隔（兩股金屬流熔合不良）、欠鑄（填充不滿）、毛邊（金屬溢出）等。
Q3：模流分析一定要做嗎？
A3：不是強制，但強烈建議。對於新產品、複雜結構或高品質要求的零件，模流分析能 在開模前預測填充模式、縮孔位置等潛在問題，大幅減少試模與修模次數，降低整體開發成本與風險。
Q4：如何避免壓鑄縮孔？
A4：避免縮孔的關鍵在於補縮。
設計上應：
- 肉厚均勻：避免局部過厚的熱節。
- 漸進凝固：讓產品從遠端向澆口方向漸次凝固。
- 補縮通道：確保澆口和流道在增壓時仍未凝固，能將壓力傳遞至厚壁區。
- 參數優化：足夠的增壓壓力與時間。