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1、主題 塑膠材料與射出成型 授課老師 製造是什麼 零件 設計 功能 工程材料 金屬 金屬鍵 塑膠 凡得瓦力 陶瓷 共價鍵 合成高分子 製造 塑膠材料6大特性 l 質輕 l 加工易 l 性質可隨需要而變 l 化學穩定性好 l 絶緣性佳 l 透明性及著色易 塑膠材料分類 塑膠 熱塑性 熱固性 非結晶型 結晶型 熱塑性塑膠 Thermoplastic plastic 隨溫度的升高而熔化 隨溫度的降低而凝固 可藉由不斷升溫降溫改變其型態 隨分子結構排列不同可分為 1 結晶型 2 非結晶型 熱塑性 結晶型 非透明 局部結晶區 分子排列規則 Ordered 具有Tg及Tm值 如 PE PP Nylon 熱塑
2、性 非結晶型 特性 透明 無結晶區 分子排列呈隨機狀 Random 有玻璃轉脆溫度 Tg 無熔融溫度 Tm 如 PC PMMA PS 熱固性塑膠 Thermosetting plastic 分子呈長鏈狀排列 而長鏈間存在共價鍵 交織而 形成類似網狀結構 加溫加壓使其固化 Curing 後 分子之間會產生 架 橋反應 使得塑膠結合緊密且堅硬 即使加溫也 無法熔融或是回復到原來的樣子 如 POM PF UF UP 等 五大泛用塑膠及用途 容器 塑膠袋 膠膜 管子 等 膠管 膠布 膠膜 等 外殼 玩具 壁磚 等 瓶子 塑膠管 薄膜 保鮮膜 等 汽車保險桿 儀表板 纖維 等 1 低密度聚乙烯 LDPE
3、 2 高密度聚乙烯 HDPE 3 聚苯乙烯 PS 4 聚氯乙烯 PVC 5 聚丙烯 PP 工程塑膠 起源 自1956 年杜邦推出Derlin 商名新塑膠 宣稱可取代金屬 工 程塑膠之名由此開始 特性 1 機械強度高而且有適當平衡 2 耐熱 耐久或具特殊機能 3 加工性良好 4 價格合理且工程性良好 泛用工程塑膠 尼龍 Nylon PA 聚縮醛 Polyacetal POM 塑鋼 聚對苯二甲酸丁二醇 Poly Butylene Tertephehalate PBT 聚對苯二甲酸乙酯 Polyethylene Terephthalate PET 聚碳酸酯 Polycarbonate PC 聚二氧苯
4、 Polyphenyl Oxide PPO 塑膠材料的重要性質 玻璃轉折溫度 Glass Transition Temp Tg 非結晶型材料在升溫時產生之現象 T Tg 材料軟化 T Tg 以壓力將其成型至與 模穴相同的形狀 待冷卻後經後處理 如 裁邊 即得所須之產 品 夾持加熱加壓成型冷卻裁邊 應用 免洗餐具 冰箱內槽 戰機座艙罩 等 製程 熱壓成型 製品 熱壓成型兩大種類 1 Thermoforming 巨觀外形成型 2 Hot embossing 微觀表面成型 塑膠加工成型方法 7 滾壓成型 利用滾輪把熱塑性塑膠壓延 用來製作薄板 塑膠加工成型方法 8 複合成型 原理 多種材料以塗層方式
5、 重覆塗層次數至達到所需厚度而得成 品的方法 以船體結構為例 1 備模 2 塗佈脫模劑層 3 塗佈純樹脂層 0 3 0 4mm 4 塗佈玻璃纖維層 5 thermoset resin brushed on 熱固性塑膠 纖維 6 輥輪均施壓 使層間結合緊密 7 重覆3 6步驟至達到所需厚度 複合成型 製品 射出成型 Process time CoolingFillingPacking 為何稱為 射出成型 因融膠黏性高 要成形必需以高壓射入模 具 故稱之 l射出成型 三階段 1 充填 Filling 2 保壓 Packing 3 冷卻 Cooling 充填 保壓 冷卻 射出成型的重要性 1 3D複
6、雜精密零件一體成型 2 週期時間短 能量低 3 容易自動化 射出成型機介紹 射出單元鎖模單元 射出成型機主要組成單元 射出單元 組成與功能 組成 主要由入料筒 加熱管 螺桿 等組成 功能 進料 融解 混和 升壓射出 分二大類 1 柱塞式 2 螺桿式 射出單元 1 柱塞式 a 柱塞往復運動並計量 b 計量終了 柱塞前進 c 材料通過加熱缸內面與魚雷間通道 在此充分加熱成熔融狀 態 d 從噴嘴部射出於模具內 射出單元 2 螺桿式 a 加熱 由螺桿混煉產生磨擦熱 同時材料被外周的加熱器加熱 b 熔融輸料 沿其螺旋槽送材料至加熱缸前端部 使材料熔融並貯存於 加熱缸 前端 c 計量 由材料的反作用力使螺
7、桿後退 利用背壓並配合限制開關限定 後退量 在一定位置停止螺桿的旋轉 d 射出 藉射出裝置後部的油壓缸 對螺桿施加高壓射出 圖片來源 射出單元 螺桿式與柱塞式的差異 螺桿式較柱塞式多一旋轉動作 產生分力 Ft 可使材料在螺旋槽間產生混煉作用 增加可塑化能力 射出單元 螺桿式優點 缺點 a 優點 b 缺點 1 進料順暢 2 加熱均勻 Shear Heating F 的計算 F P A ton P 射出壓力 Kgf cm2 A 零件垂直射出方向投影面積 cm2 日常用品 400 Kg cm2 精密零件 500 700 Kg cm2 射出成型模具 模具的功能及組成 功能 1 成型 2 融膠傳輸 3
8、冷卻 溫控 4 合模 閉模 鎖模 5 頂出 主要分為二類 二板模 三板模 二板模 模具構造簡單 製作容易 所有射出成形用模具的基本 製作與射出原理都以此為出發點 二板模動作流程 射膠 鎖模 關模 頂出開模 冷卻 保壓 充填 三板模 與二板模的差異 在兩板模具中再加一塊 流道模 目的 可在零件中間多點進澆 三板模動作圖 模具評估問題討論 Apple公司打算生產新型電腦外殼 工程師 將已設計好的產品設計圖交付給十家模具 廠加工 並進行試模 假如你是Apple公司 的工程師 你如何評比出這十副模具的高 下 模具性能的評估 合乎規格 1 尺寸合乎規格 沒有缺陷之前提下 成本低 2 成本低 操作窗大 3
9、 操作窗大 何謂操作窗 T P 對於同一付模具 在不同融膠溫度與射出壓力下 可以順利射出成型的範圍 稱為操作窗 操作窗 毛邊 短 射 材料劣解 毛邊 短 射 高性能模具 一副高性能模具必須具備下列三個高性能系統 的配合 1 高性能 充填 系統 2 高性能 保壓 系統 3 高性能 冷卻 系統 充填系統 功能 引導從射出機噴嘴所射出的熔融材料進入成型空間 模穴 中成型 組成 注道主流道支流道澆口 流道系統的設計是否適當 直接影響成形品的外觀 物性 尺寸精度和成形週期 充填系統 示意圖與實品 充填系統 流道形狀 主要分三種 1 圓形3 圓弧梯形2 梯形 周長 面積 值最小 不易凝固 容易製造 綜合兩
10、者優點 充填系統 1 直接澆口 熔膠由豎澆道直接進入模穴 單穴成品射出成型時 係經由模具中 心射出 因此澆口痕跡將殘留於成品中央 示意圖實品圖 2 方形邊緣澆口 3 搭接澆口 此型澆口與方形邊緣澆口唯一不同點是熔膠間接進入模穴 可減 低一部份冷膠痕跡 但澆口去除常造成困擾 因為加工不易 因 此除了硬質PVC 外 均適用 示意圖 實品圖 4 扇形澆口 此澆口可使大型產品在短時間內充填完成 示意圖 實品圖 5 薄膜澆口 常見場合 1 大而薄的成品 2 塑膠的縱向與橫向收縮率有較大差異 且無法從產品中央位置做澆口設計時 示意圖 實品圖 6 圓盤澆口 單穴原筒狀產品可以考慮使用此種澆口 7 點狀澆口
11、亦稱為Pin point Gate針點澆口 可以使流道和澆口在開模或頂出 過程中與產品自動分離 示意圖實品圖 8 潛狀澆口 亦稱隧道式澆口 Tunnel Gate 特點 澆口痕跡小 位置易設置在產品不重要的部位 成品頂出過 程中 同時將澆口切斷 可以達自動化的效果 示意圖 實品圖 充填系統 澆口形式 l直接澆口 l方形邊緣澆口 l搭接澆口 l扇形澆口 l薄膜澆口 l圓盤澆口 l點狀澆口 l潛狀澆口 充填系統 設計目標 一 避免問題 每一付模具都可能有它產生的充填問題 常見充填問題 1 8 過度保壓 over packing 1 原因 當充填系統設計不良或操作條件不當 使 得融膠在模穴中保壓時間
12、過長或是承受壓力過大就 會過度保壓 2 結果 過度保壓會使產品密度較大 增加內應力 甚至出現毛邊 常見充填問題 2 8 l保壓不足 under packing 保壓不足的產品在融膠冷卻後會收縮 使產品不合 規格 在局部較厚的部分 其背面會出現凹陷 常見充填問題 3 8 l縫合線 weld line 融膠遇到阻礙就必須繞行 融膠會分流 當分流的融膠重新會合時 會 留下一道痕跡 就是所謂的縫合線 縫合線的存在主要會影 響外觀 使得產品的表面 較差 而出現縫合線的地 方強度也會較差 常見充填問題 4 8 l停滯效應 融膠會挑好走的路走 所以如下圖的 工件 融膠會等到其他部分都充飽了 才心不甘情 不願
13、的往薄的地方流 常見充填問題 5 8 l兢流道效應 race track effect 融膠會挑好走的 路來走 所以當充填厚度不均勻的工件時 厚度大 的地方融膠流得快 於是就發生如下圖的現象 競流效應存在時 產品容易出現縫合線 甚至發生包風或逃 氣困難的問題 常見充填問題 6 8 l凝固層 frozen layer 當融膠在流道或模穴中散熱過快 使得融膠容易在 特薄處凝固 凝固的融膠變成障礙物阻礙液態融膠 的前進 若出現凝固層 射出品會材質不均勻 表 面較不平順 較嚴重的會發生短射 常見充填問題 7 8 l流向雜亂 流向雜亂會使工件強度較差 表面的 紋路也較不美觀 常見充填問題 8 8 l暗逆
14、流 較接近主流道的入口 綠色 所射出 的融膠壓力較大 而壓力較大的融膠會壓迫旁邊壓 力較小的融膠 造成逆流的現象 暗逆流存在時 流向變得不單純 會使得產品的表面不平順 強度 降低並增加內應力 充填系統 設計目標 一 避免問題 二 同步充填 一模多穴情形下 同步充填的意義就是要讓進入每一 個模穴的融膠能夠同時到達 而且使每個模穴入口的 壓力相等 圓管流的公式 圓管流壓力 P 與流量 Q 的關係 平板流的公式 平板流壓力 P 與流量 Q 的關係 澆口的位置 為了達到同步充填的目的 澆口的位置選定也很重要 選 定的原則如下 a 流動比必須在材料特有數值以下始可 b 防止噴流紋 jetting 的產生
15、 c 減少熔接線所引致的缺陷 d 成形材料流動線的平滑 可減少成形品的變形 e 選定在不要求機械強度的位置 f 考慮成形品外觀的不良 要設定在容易加工的位置 充填系統 設計目標 一 避免問題 二 同步充填 三 流向單純 1 流向單純是指融膠進入模穴後 能夠很平順的流到它該抵 達的位置 而不需要繞過障礙物 2 充填時若能保持流向單純 則射出件質地較細緻均勻 縫合線較少 自然產品的強度也會提升 充填系統設計利器 1 進點數目 位置 2 各流道路線 形狀 截面 相對大小 3 局部導流道或偏流道設計 導流道 Flow leader 在模穴處局部加厚以增加該方向流量 偏流道 Flow deflector
16、 在模穴處局部減薄以減少該方向流量 保壓系統 目的 為了彌補收縮 用高壓 高溫迫使融膠流入降低比容 包括 澆口 gate 形狀 尺寸 冷卻水管 一般射出 精密射出 關鍵步驟重視 充填 保壓 冷卻 完全充填 收縮控制 內應力小 保壓系統 設計目標 2 均勻收縮 1 At detachment point T Tg 2 收縮量控制 1 按規格控制收縮 保壓系統 設計工具 1 澆口形狀 尺寸 保壓系統 設計工具 2 冷卻水管的佈置 保壓系統操作參數 1 保壓壓力 2 充填保壓轉換點 3 保壓時間 如何測 gate freeze點 l由mass time diagram l由P t 圖 P t 冷卻系統 冷卻水管為主 模仁材料為輔 冷卻系統設計程序 計算週期內需帶走熱量 估計模溫機允許的冷卻管徑 長度 配置冷卻管以達到控制收縮量以均勻收縮的目 標 冷卻系統原理 1 熱傳導 2 熱對流 3 熱輻射 冷卻系統設計目標 快速 均勻 收縮 1 與保壓系統配合 以達所要求之精度 2 在週期內將射入之融膠熱量帶走 亂流的場合 雷諾數 Re 4500是紊流和層流的分界點 Reynolds Laminar f
