1、主題 : 塑膠材料與射出成型,模具設計,製造是什麼 ?,工程材料,製造,塑膠材料6大特性,質輕 加工易 性質可隨需要而變 化學穩定性好 絶緣性佳 透明性及著色易,塑膠材料分類,塑膠,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、
2、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),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19
3、56 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(Polyphenyl Oxide , PPO),塑膠材料的重要性質,玻璃轉折溫度(G
4、lass 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：材料如玻璃般堅硬及脆。流動性-黏性係數,塑膠材料的機械性質,1.單軸拉伸-與鋼鐵應力/應變曲線的比較,塑膠材料的機械性質,2.塑膠模數隨溫度的變化,塑膠材料的機械性質,3.潛變曲線比較,塑膠加工成型方法,1. 壓縮成型2. 轉注成型3. 射出成型4. 擠出成型-4.1 吹瓶成型- 4.2 吹膜成型- 4.3 Coating,5. 旋轉成型6. 熱壓成型7. 滾壓成型8. 複合成形,塑膠加工成型方法-1 壓縮成型,壓縮成型是將塑料置於模具加熱軟化後，再施加壓力成型。,塑膠加工成型
5、方法-2 轉注成型,製程: 以熱固性塑膠為主材配合陶瓷粉末,以轉注成型技術提供IC與外界隔絶的保護層。,塑膠加工成型方法-3 射出成型,原理:基本三步驟：熔化、流動及凝固。 首先將固體塑膠材料加熱熔解成液態，而後將其射入模具中，再行冷卻、凝固即成零件。應用: 90%生活日常 用品(塑膠)!,圖片來源http:/ 製品,相機,汽車側板,家電用品,日常用品,主機外殼,螢幕外殼,塑膠加工成型方法-4 擠出成型,原理:將熔融的塑膠自模具內以擠壓的方式往外推出，而得與 模口相同幾何形狀的流體，冷卻固化後，得到所要的零件。 應用: 1.截面相同的零件。 Ex:百葉窗扇葉截面 2.生產合膠。 Ex: PC/
6、ABS合膠,擠出成型- 製品,塑膠水管,電線被覆,配線導管,塑膠膜,百葉窗扇葉,塑膠板,塑膠加工成型方法-4.1吹瓶成型,原理:將做好的瓶胚(擠製成型)加熱至一定溫度，放於模具中，吹入壓縮空氣便瓶胚受壓而貼於模上，冷卻後開模取出。應用: 瓶子，容器。,瓶胚,吹瓶成型模具、程序圖,144腔模具,吹瓶成型- 製品,PET瓶,塑膠加工成型方法-4.2吹膜成型,先將擠製後的瓶胚向上，再吹入空氣使之膨脹以成圓筒狀薄膜,塑膠加工成型方法- 4.3 Coating,Extrusion while wire passing,塑膠加工成型方法-5 旋轉成型,原理:用二片分割之密閉模，將相當於製品重量之塑膠量注入
7、，同時以異向回轉在熔融爐內加熱，此時塑膠體即均著於內壁而熔融膠化，成為製品。,製程,應用,球體(如:浮標)大型中空件(如:塑膠溜滑梯)、工具箱。,旋轉成型製程圖,旋轉成型- 製品,塑膠加工成型方法-6 熱壓成型,原理:將膠膜或是膠板加熱到半融狀態(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。,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、8 複合成型,原理:多種材料以塗層方式，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：,備模。 塗佈脫模劑層。 塗佈純樹脂層 (0.30.4mm)。 塗佈玻璃纖維層。 thermoset resin brushed on (熱固性塑膠纖維)。 輥輪均施壓，使層間結合緊密。 重覆36步驟至達到所需厚度。,複合成型- 製品,射出成型,Process time,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。,射出成型 三階段 充填(Filling) 保壓(Packing) 冷卻(Cooling),射出成型的重要性,1. 3D複雜精密零件一體成型 2. 週期時
9、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
10、力使螺桿後退，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http:/ - 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,進料順暢 (2)加熱均勻 ：Shear Heating & 加熱區靠近加熱線圈 (3)混合均勻： Ft 分量加強混合效果 (4)加壓均勻,計量精度差：在射出時，熔融材料易順著螺旋槽而移往加熱缸後部，造成材料逆流。,鎖模單元,提供鎖模力的機構：1.直壓式2.肘節式3.肘節直壓式 功能
11、控制模具的開關、鎖模，並且頂出成品。,鎖模單元-1,直壓式 直壓式合模裝置又可分為 1.1升壓滑塊式1.2輔助缸式1.3增壓缸式。,鎖模單元-2,肘節式 -以肘節接頭將油壓缸或電動機產生的力放大，使合模力增大 。其中又分 2.1單肘節2.2雙肘節式,鎖模單元-2.1,肘節式(單肘節式),鎖模單元-2.2,肘節式(雙肘節式),鎖模單元-3,肘節直壓式 肘節直壓式鎖模裝置是組合肘節機構與直壓式鎖模缸裝置，外觀為肘節式的一種，但鎖模力的發生接近於直壓式。,鎖模單元 - 直壓式與肘節式的比較,鎖模單元 - 鎖模力,鎖模力(Clamping Force;F)的計算 F = P A (ton) P=射出壓
12、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:500700 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.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,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
13、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,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,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
14、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.
15、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,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,直接澆口 方形邊緣澆口 搭接澆口 扇形澆口 薄膜澆口 圓盤澆口 點狀澆口 潛狀澆口,充填系統 - 設計目標,一、避免問題 每一付模具都可
16、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
17、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
18、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(
19、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。 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
20、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) 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,保壓系統-設計目標,2.均勻收縮,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
21、點 3. 保壓時間,如何測 gate-freeze點?,由mass-time diagram 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 flow ( Re2300 ),Turbulent flow ( Re4500)
22、,d：孔的直徑(cm)或(m),：流速 (cm/sec)或(m/hr),V,：流體的密度 (g/cm3)或(kg/m3),u：流體的黏度 (g/msec) 或 (kg/mhr),設計實例 (1),設計實例 (2),設計實例 (3),收縮與翹曲,收縮,何謂收縮？ = 工件的收縮可視為是幾何尺寸上之縮減。 可分為以下收縮的形態: 1.均勻收縮 工件不會產生變形而改變其形狀，只是變得較小而已。 2.收縮不平均 工件會產生變形並且改變其形狀，不只變得較小而已。,翹曲,何謂翹曲？ 當 內應力 材料剛度 =產生翹曲,(收縮不均),收縮不均原因-1 融膠溫度不同,不同融膠溫度之零件冷卻到室溫，何者收縮量多？
23、,收縮不均原因-2 冷卻速度不同 (晶質材料),收縮量之比較:冷卻速度快 冷卻速度慢,原因: 冷卻速度慢者分子有時間排列，所以收縮量大,收縮不均原因-3 融膠流向不同(非晶質材料),沿流向者拉伸內應力大，故收縮量大,沿流向和垂直流向，何者收縮量大？,收縮不均原因-4 尺寸不同,尺寸大與尺寸小之零件，冷卻後何者收縮大？,尺寸大者收縮量大,內應力的降低,內應力的降低均勻收縮達成如何降低內應力呢？ =了解材料結晶性質，以適當方式提高模溫。 1.結晶材如PE，提高中央模溫方式。 2.非結晶材如PS，不可提高中央模溫(因分子定向嚴重會使得內應力增大。)，以提高反收縮側模溫為主。,剛度(Rigidity)
24、,何謂剛度, 如何增加材料的剛度呢？,=在彈性範圍內剛度是零件載荷與位移成正比的比例係數即引起單位位移所需的力 =機械零件和構件抵抗變形的能力。,實例 - 模穴形狀的設計,欲得到如(圖一)所示的平版，依所使用的材料不同，其模穴將會有不同的設計型態。,圖一,實例 - conti,(PS) (PE),原因：,一. 材料冷卻時，邊緣較中心部位冷卻速度快。 二. PS為非結晶型塑膠材料，邊緣冷卻較快，將會使得邊緣較中心 部位收縮大。將模具設計 成中間凹陷，待冷卻後將可得一平整的平面 三. PE為結晶型塑膠材料。冷卻越快速，收縮越小。中心部位最慢冷卻，因此收縮量將比邊緣大。故將模具設計成中間凸起，待冷卻後將可得一平整的平面。,
