1、1,注塑成形百科,葉崑鈺 著,嘉聯精密五金工業公司 技術副總經理,知 ,圖日本住友工業電動注塑機,塑膠材料被廣泛應用在我們的日常生活和現代工業中。注塑成形又是被最常採用的注塑生產方式。本書將以實際範例搭配簡單易懂的插圖，告訴你所有你想知道的有關注塑成形的理論與實際應用，是一本對於塑膠注塑初學者的最佳參考書！,2,前言 ,2009 年 4 月,塑膠製品在我們的周遭十分地常見，從各類塑膠容器，PET類保特瓶、汽車、電器、消費性產品、手機、冰箱、洗衣機、電腦等。塑膠和相關的石化材料在很多地方的應用上，已經成功地取代金屬，成為最普遍被應用的工業材料。塑膠有可塑性高、可回收、可按產品功能需要低成本地以添
2、加、合成等方式衍生出新的複合材料（例如耐衝擊和適用表面塗裝的 PC+ABS、加纖維的各類塑膠原料)。然而，在大量依賴塑膠成品的我們，對於這個產品的製作過程、以及所需要的技術知識卻又少之又少。學校也限於師資和經費，也只能普遍偏重於原材料物性等的研究，對於製造過程以及注塑成形技術經常是空有理論而無法讓學生在實踐中學習。注塑成形技術（日文：射出成形 Shashutsu Seikei) 的層面是非常廣泛的。某種程度上甚至是頗具挑戰性的。要完全掌握全面的注塑技術，還需要搭配機械、電子、模具、材料、化學、力學、工業工程等各方面的輔助和專業知識才行。對於注塑成形生產技術有興趣的初心者，單靠學校的教育課程內容
3、以及現場生產的實際經驗，往往不能將這些知識以系統化、明理化的彙整與有效的傳授。絕大多數的注塑成形的經驗，還必須要搭配實際工作體會，但是這樣也就拖長了整個必要的學習曲線。個人從事射出成形行業三十餘年以來，一直有著一個深切的信念；感覺這個業界正急迫地需要一本能夠針對有興趣的初學者，以及初入注塑成形行業的社會新鮮人，一個廣泛、簡單、完整地涵蓋整個注塑成形技術的參考書籍。更重要的是，這本書必須是要有系統地、以淺顯易讀的方式整理出所有注塑成形的相關知識。因此，僅以個人手邊在三十多年來收集的手稿、筆記，搭配插圖、說明，期盼能夠完整地給初學者作一個綜合性地介紹。在完成自己三十年前剛進入塑膠行業初時，所對自己
4、設下期許的同時，並希望能夠將注塑成形知識與技術作一個完整地傳承。這本圖解注塑成形百科可以搭配同系列的圖解注塑模具百科一併閱讀參考。同時為了配合書中內容書寫，中文的注塑、或台語、日語的射出成形兩個同義詞會互相替換地使用，請讀者注意。塑膠的技術領域像一座挖不完的寶山。每一天，有新的塑膠材料、注塑技術被開發或公開出來！本書書名雖為圖解注塑成形百科，但是個人卻不敢承認是整個塑膠知識的匯總大全。反而是希望藉著簡單、易懂的重點圖解，引發讀者對注塑成形和注塑工藝的興趣，並協助現代工業累積及貢獻更深入的製造技術。對於書中不完善的部分及說明，以及新技術的更新，更請業界先輩及同好不吝指教。,3,1. 有關注塑成形
5、的初步認識 I,注塑成形是塑膠原料成形工藝中最常被應用的工業製造技術。而今天我們所謂塑膠，在最通俗的定義則是指工業合成（多數為石化物）的高分子物質(Industrial Synthetic Polymer)。 塑膠的英文Plastic則 源自於希臘文，Plasticos 原意為可塑造成形的物質。今日我們所常見到的人造或工業合成石化物塑膠原料的發展是19世紀以後的事情，但是在數千年前，當人類文明初初啟萌的時期，由天然樹脂行程的橡膠 (Rubber) 和琥珀 (Amber) 早已經被用來作各類日常生活的應用以及裝飾。日文漢字至今仍沿用合成樹脂(Kosei Jushi) 的名字來指稱我們中文所謂的塑
6、膠。而人類所創造的第一種塑膠應該是由英國的一位攝影師帕克斯 (Alexander Parkes, 1856)，在研究玻璃底片塗層的時候偶然發現的帕克辛(Parkesine)的新材質。帕克辛和後來改良的賽璐珞(Cellulose) 人造象牙開始被廣泛地應用於各類生活用品；梳子、筆、鈕釦、珠寶裝飾和撞球。而1906年由美國貝克蘭德（Leo H. Bakeland)所發明的 (Bakelite)更是第一個完全以人工合成，可耐熱的塑膠原料（俗稱電木粉）至今仍是許多電器製品不可或缺的材料。接下來第二次世界大戰（193945），由於戰爭導致全球資材不足，西方國家只好卯足全力研發塑膠，希望能代替橡膠等天然材
7、料。 其中以美國投入最深，原因是日軍佔領中南半島，截斷馬來西亞天然橡膠輸出管道，美國被迫加緊開發合成橡膠。 沒想到研發結果豐碩，不只合成橡膠 (TPR)，連尼龍纖維（Nylon Fiber)及聚丙烯（俗稱百折膠）,聚氯乙烯 PVC 等新型態塑膠原料，都很快進入實用化階段。到了1960年代，各種高耐撞性、高耐熱性與高耐藥性的塑膠產品陸續開發成功， 例如俗稱防彈膠的聚碳酸脂 (PC)，就常用於工場護目鏡及家庭電器外殼。 然後，玻璃纖維、碳纖維等做成的纖維強化塑膠（FRP）具有導電特性可做訪金屬塗裝的 ABS陸續登場，直到今日，碳纖維與環氧樹脂等的複合劑，更具有不下於鐵或鋁的強硬度， 今天塑膠原料的
8、發展技術已經十分成熟，塑膠可以在很低的溫度加熱，就能使它變軟，隨心所欲地做成各種形狀的東西，或加予組合。塑料製品色彩鮮豔，重量輕，不怕摔。又因為注塑模具技術的進步，使得塑膠成品的成本大幅降低，產品安定性及品質大幅提高，為我們的生活帶來數不盡的便利。,然而，由於塑膠原料是由石油提煉取出的人工化學石油產品，一旦生產出來，就很難被自然分解。塑膠埋在地下200年也不會腐爛，而在我們享受塑膠給我們帶來便利生活的同時，也給環境帶來難以收拾的災難。因此，我們也必須以正面與積極的態度，面對因為大量塑膠製品使用後給人類生存環境及資源所帶來的衝擊！參考資料 ： 杉本賢司(塑膠新世界),4,1. 有關注塑成形的初步
9、認識 II,塑膠在加溫溶解成形的過程與工藝中，可以分為幾種方式來區分，例如：,其中，注塑成形 (Injection Molding) 是塑料加工中最普遍採用的方法。該方法適用於全部熱塑性產品和熱固性塑料，注塑製品數量之大是其它成型方法望塵莫及的，作為注塑成型加工的主要工具之一的注塑模具，在質量精度、製造週期以及注射成型過程中的生產效率等方面水平高低，直接影響產品的質量、產量、成本及產品的更新，同時也決定著企業在市場競爭中的反應能力和速度。,塑膠壓縮成形機,5,1. 有關注塑成形的初步認識 III,擠壓成形的特性在於可拉伸，可連續成形，適用於生產薄膜、管狀產品,冷卻套筒負責控制水管外徑 冷卻心軸
10、負責控制水管內徑,6,1. 有關注塑成形的初步認識 IV,各類注塑擠壓成形的應用,1. 塑膠薄版的生產,3. PVC管的生產,2. 電纜包覆注塑說明,4. PE 包鮮膜的生產線簡圖,擠製成形,輪壓成形也採用類似的生產線規劃,7,1. 有關注塑成形的初步認識 IV,吹入成形的原理與應用 Blow Molding,8,1. 有關注塑成形的初步認識 V,塑膠薄膜,9,1. 有關注塑成形的初步認識 VI,旋轉鑄塑生產設備範例,將達到可塑化溫度的塑膠材料裝在密閉式的模具裡，透過鑄塑機械的旋轉及轉速將塑料藉重力附著於模具的內壁上，加以加熱並等待冷卻後硬化成形，即可取出中空的塑膠產品，遊樂場公園內的大型玩具
11、、滑梯、水桶，交通用的紐澤西護欄等即為旋轉鑄塑的常見範例,塑料於加熱（移轉室）加熱軟化，然後藉由沖壓柱的高壓。迫使已經軟化熔融的塑料穿過流道和進膠口。這個成形方法被廣泛應用在 IC 晶片、半導體封裝行業。這個成形方法3非常適合有金屬導電插件和高精密度的生產需求,10,注塑成形： 接下來將要以比較多的篇幅來說明熱塑最常被應用的注塑成形（又稱 Shashutsu Seikei 日文：射出成形)。從之前的其他注塑成形方式我們瞭解到，如果我們的產品是連續式管狀的塑膠成品時，我們會選擇擠壓成形。如果我們的產品是屬於容器類的話，則必須要透過吹入成形。又如果我們的產品是尼龍布或 PE 薄膜或塑膠袋時，則輪壓
12、成形的生產方式會是最有效率的。但是最常被應用的熱塑成形方法，卻是結合高壓力合金模具與注塑機的注塑成形 (Injection Molding) 。 注塑成形被廣泛應用的裡有： 成形品形狀的自由度高，可以注塑成任何形狀、厚薄、大小，包括板狀、桶狀成品 可以大量、快速地生產以降低成本 廣泛的應用性（例如不同塑膠材料在一定的限度下，可以共用模具和注塑機）,1. 有關注塑成形的初步認識 VII,注塑機首先將塑料溶解至可塑的溫度。驅動馬達使螺管產生推力，將定量的熔融塑料注入鎖閉中模具裡面。鎖閉的模具形成保模壓力，讓熱塑成形，冷卻後，再將產品取出（手動或自動頂出）,現代主流臥式注塑機構造,適合軟膠、二次成形
13、、小量、小噸數、半自動射出的垂直立式注塑機,Multiplas Taiwan 提供,11,1. 有關注塑成形的初步認識 VIII,注塑成形有五道工序 合模 注塑 保壓、冷卻（同時準備下一次成形的塑料與劑量） 開模 成品脫出或取出,注塑必須的事前知識原料及成品的塑性變形（重複熱塑性 vs 熱固性材料） 與彈性變形、縮水率 注塑壓力與注塑推進速度 原料的流速因材質不同而不同,Key Point!,模具剖開圖,一般注塑成形所使用的壓力大約是200 500 kgf/cm2 這大概是4到10位50公斤的成年人站在一個一公分面積小角落的壓力，也大約是深海 2000-5000公尺的深水壓力，所以非常驚人！,
14、如何評估好的注塑成形機台？,控制系統的高性能與高精密度？ 射速、螺桿加速度（是否可配合高速生產？） 低噪音、省能源 機台精密性、高抗性 品牌,噸位、大小、長度、設計、開模間距 安全性配備 售後服務的配合度 維修的容易度 廠商提供的優惠條件,12,2. 注塑成形機的分解：,安全門,鎖模裝置及控制系統,進料系統 料筒,注塑砲筒、螺管裝置及控制系統,電控箱,控制系統,產品出口,注塑機內部細節,加熱管,進料系統 料筒,傳動系統,鎖模端油壓缸,砲筒,螺管,模具固定（）板,注塑端油壓缸,模具,行程拉桿,模具動作移動（）板,待注塑的熔融塑膠,注塑機有以下幾個主模機組 (Module) 組裝而成的,鎖模系統
15、模具保護裝置 模具開閉制御系統 模具支撐裝置 產品頂出裝置 製品排出滑道 鎖模端油壓缸,注塑射出系統 注嘴及螺桿 供料計量系統 注塑程序控制裝置 注塑端油壓缸,電氣系統 溫度控制系統 動作表示裝置 電力箱 各類警告探測裝置 產品頂出探測裝置,控制系統 射速、壓力、保壓制御系統 模具溫控裝置 頂出程序設定裝置 各類製程數據記憶儲存,其他系統 冷卻水路管理系統 各項安全警示裝置,13,3. 注塑成形的工序循環 Injection Cycle,首先在架模時參考過去設定資料庫資料或按經驗，設定注塑時間以及開模速度,確認模具模板接合順利，開閉運動良好後，設定鎖模壓力,啟動注塑行程，保壓、冷卻成形，同時注
16、塑端開始計量、加熱準備下一個注塑循環,模具打開，產品脫落,每一次的循環 (Cycle) 可以是數秒也可以是數分鐘，按產品大小、注塑量以及產品、模具精度而定,為什麼鎖模力很重要？,由左表看來，注塑以及保壓成形時模具內所累積所產生的壓力很大，因此在鎖模端的壓力就必須大過注塑壓力，要不然兩個力量會抵銷，模具會被推開,射出所需鎖模力量的計算,壓力 X 模具投影面積 = 所需鎖模壓力例如：某個製品射出平均壓力是300, 模具投影面積為1200 cm+2, 所需要的模具壓力就等於 300 x 1200 = 360,000 kgf/cm2 (或360噸）,14,4. 注塑機鎖模系統 Clamping Sys
17、tem,基本直壓式鎖模設計多數用在直立式注塑機台 臥式採用這個設計較少 設計簡單、油壓力較為直接、穩定 油壓推進的時間較長，需要較大型的油壓缸配合 軸距相對較長， 開模間距 (Daylight) 相對會被縮短,葉老師的提醒,大的油壓缸(Hydraulic Cylinder) 比小的油壓缸需要更長的軸距，因此模具開合時間會被油壓缸大小影響。小型油壓缸雖然鎖模力沒有大油壓缸大，但是有開合速度較快的優點!,2. 改良曲手 (Toggle) 鎖模系統,注塑機設計工程師在觀察我們人類的手肘的運動及運作後，想出了一個可以用較小的油壓缸達到同樣鎖模壓力的方式。 原先大油壓缸需要行走的軸程，現在由一個曲手裝置
18、 (Toggle System) 取代，當模具打開時，曲手跟著彎曲起來，當鎖模壓力推進時，這個曲手裝置也成為一直線，作用好像是油壓缸後續的軸程一樣。但是實際油壓缸軸距行程卻很短（只有在背版後面），這樣可以使開模動作更快，減少注塑時間，進而降低營運成本。而這個設計又發現開模間距 (Daylight) 也可大幅度地拉開，供更大或更複雜的模具彈性使用，因此機台的共通性、靈活性都大幅度提高，所需動力、電力則可以減少！因此已經被大多數的臥室機台所採用！,曲手式鎖模設計油壓缸與直立式鎖模系統比較 Daylight 也拉長了,15,5. 注塑機的其他部分,砲筒/料管,螺桿,射出端油壓缸,防止塑料在注塑時逆流
19、的墊圈,塑料流動示意圖,壓力範圍 PO 1,000-2,000 kgf/cm2,射出力(Fi)=射出端油壓缸壓力 X 油壓缸軸橫斷面積,射出壓力(PS)=射出力 X 螺桿橫斷面積,按這個公式來計算，一台有1,000 kgf/cm2壓力油壓缸的一般注塑機，搭配4cm 粗的螺桿，約可產生 2,230 kgf/cm2的射出壓力,機台最大射出量（VS）的計算是：料管砲筒的面積（AS）乘以油壓缸軸距長度（Xi) VS=AS x Xi,最大注塑量多數可參考機台廠商提供數據,頂出系統 (Ejection System)：用來固定模具上的頂針版的裝置，可以搭配模具運作的時間適時地推出頂針讓產品脫膜,注塑保壓（
20、等待成形）循環示意圖,模具,注塑中.,填滿/保壓切換點,16,6. 環保新趨勢：電動式/油電混合注塑機 Electric IMM and Hybrid IMM,全電動注塑機具有節能、低噪音、高重複精度、維修方便、可靠等優點，是近年來注塑機發展的趨勢。因為使用伺服馬達作為動力，同時配合滾珠絲缸和同步皮帶，結構雖然十分簡單，卻非常有效率，精度重複性高的一種傳動機構，唯一的未能取代傳統油壓注塑機台的原因為購入成本太高。目前電動機台的成本是同規格型號油壓機台的2.5倍。 電動注塑機最大的優點是能夠將注塑循環中減速階段（保壓）的能量，利用伺服馬達，轉換成電能再次利用，因而減低了運行成本，比相對的液油壓驅
21、動的注塑機台能量降低50以上，所需的電力也只是油壓的四分之一。 電動注塑機更能夠精密地控制注塑量，特別適合光學元件、醫療器材、薄片、以及潔淨度要求高的塑膠產品的生產。電動機台更可以做到高速射出（注塑循環10秒以下），達到降低生產成本的目的。此外，電動機台的低噪音約為（油壓注塑機台的2/3）也是其優點之一。,油電混合 Hybrid 注塑機雖然電動機台有種種的優點，但是卻不一定能夠完全取代油壓式注塑機台的經濟效益、機台壽命長、保壓能力強、適合厚塑膠件射出等優點。因此主要的注塑機台製造廠商也同時開發了油電混合的注塑機台，希望能夠兼顧兩種注塑機台的優點。於是，油壓機的驅動變成由伺服馬達控制，適時地於各
22、個注塑循環中，調整所需的馬達驅動功力,雙色、三色注塑機過去的注塑往往侷限於單色、單材料設計限制，但是在企業生產成本、產品設計以及消費者要求一體成形的需求下，全自動的雙色、三色多料管的注塑機台也被開發出來。不用立式射出機台的二次加工，在同一個注塑循環裡，可以藉著模具的轉動，達到雙色、雙料的效果。牙刷、刮鬍刀軟膠部分、手機以及很多的消費性電子產品外殼、太陽眼鏡等，現在都是以自動雙色、三色注塑機生產。,17,7. 泛用塑膠原料出会,聚合物內的結晶體結構決定塑膠原料的特性： 增加結晶度會使聚合物傾向更堅硬，更抗熱、抗拉也會更脆。結晶度越接近零，會越透明，而提高結晶度，會越來越不透明，因為光會被結晶的區
23、塊所散射，同時耐衝擊性（韌性）、伸展性也會降低,泛用塑膠材料成形條件標準,18,8. 注塑模具概念 in Three Minutes！,注塑模具各部零件及的開模閉模動作分解,各種進膠口 (Gate) 設計,直接進膠方法,側進膠大水口設計,模具設計時必須考慮的產品材料縮水率,頂針,頂針板,注塑口襯套,注塑口固定環,淺進膠（submarine gate) （澆口痕跡小，成品容易分離）但製造工藝複雜，模具風險,同時進膠口應該設在產品最厚的地方，因為此處冷卻較慢，凝固比較晚，需要比較長的保壓時間。淺進膠的優點在於移動的滑塊或模仁同時扮演切削刀功能，將產品與進膠口切開分離，分離的同時，將進膠口附近可能的
24、毛邊一併削除。,流道,成品,進膠口,熱膠道設計 熱膠道多應用於較貴的材料製成的產品裡。塑膠在注入模具膠口前被加熱，之後直接進膠注入產品，因此不產生沒有用的冷支架，可以縮短生產時間，但是每一個模穴需要獨自配備一個熱膠道控制管，成本相對提高,熱膠道模具及位置側面圖,19,1. 脫模角度 Draft Angle 由於模具的尺寸以及整個的保壓過程，當成形品透過頂針作動退出的時候，如果沒有考慮一個脫模角度，產品會與模具產生摩擦、卡模或折斷在模具內的現象產生，因此模具設計裡多數要考慮一個3-5度的脫模角度，這又是一個模具與產品之間微妙不同的地方（另一個微妙的差距是縮水率）,沒有設計脫模角度造成產品不能順利
25、頂出而斷裂在模具裡,有少許的脫模角度,2. 倒角的解決方案 Under Cut,複雜形狀的成品可能沒有辦法有足夠的脫模角度，或者模具脫開的方向不一，如果強行脫模會損害到產品和模具，此時可以利用材料物性（例如軟膠或稍微有彈性的尼龍）在容許的角度下脫開，或設計滑塊並配合模具開合動作，由滑塊 Slide 先行脫開,模具需要在這三個方向打開，幾乎不可能，只能靠滑塊設計來解決,3. 模溫的控制,模溫控制系統的主要任務是冷卻融膠，幫助融膠固化以便頂出退模。冷卻時間因為很長，所以直接影響到產品成本與經濟性。模溫控制系統必須將成品由200300度C的熱膠溫度降到大約50110度之間的頂出溫度。,各種冷卻系統（
26、多數透過模具內的水路）設計,分配管、內壁、外壁設計,重點是均勻的模壁的冷卻溫度,4. 模具的排氣問題,在注塑的同時，原先模具閉合前在裡面的空氣，（約有0.01- 0.02 mm3 立方左右體積）需要排出，以便讓注塑熱膠填滿、並進行保壓。如果這些被卡在模具內的空氣不被排出的話，這些被擠壓的空氣會 倒流，產生流痕影響成品外觀品質 造成接合不良、射料不足，影響產品強度。,9. 注塑模具概念 再一分鐘！,排出模具內空氣的策略： 利用模具內仁或鑲塊件之間的空隙，或必要時要製造鑲塊、或排氣溝槽（如圖所示）件強行排出，但是鑲塊件又造成新的結合線，所以設計與實際注塑時要特別注意！,可透過模流分析來模擬並最佳化模具及產品的冷卻,20,10. 常見注塑問題和原因一覽表,產品冷卻收縮造成氣泡,冷卻不均勻造成產品彎曲,頂針印、毛邊,
