射出成形原理.ppt

射出成形原理 內容 一 射出成形機介紹射出成形機構造射出成形機的性能介紹二 射出成形原理各階段的成形原理各階段的操作條件設定 射出成形機構造 射出成形機的構造 射出單元功能 a 將塑料輸入料缸 並加熱塑化 b 將熔膠射入模穴直至填滿 c 進行壓縮使模穴內的熔膠密度升高 並且持續續壓動作 直到澆口處不發生流動 避免冷卻收縮 柱塞式的特色 1 外部加熱 塑化效果不佳 2 藉魚雷使塑料流經間隙而受熱 3 柱塞射出 計量準確 射出單元功能 螺桿式的特色 1 進料時 螺桿旋轉且後退 摩擦生熱 塑化效果佳 2 射出時 螺桿不旋轉且直接向前 熔膠高壓射出 但會因逆流而使計量不準 預備可塑化射出成形機 特色 1 以螺桿塑化膠料達到塑化均勻的目標 2 以柱塞進行射出達到精確計量的目標 不同射出單元的比較 塑料塑化的關鍵 螺桿 螺桿前端構造 進料區 熔化區 計量區 止逆閥的作用 進料時止逆閥上的滑動環向前 熔膠由滑動環內側流經溝槽 蓄積在螺桿前端 射出時螺桿向前 螺桿前端壓力劇增 滑動環向後抵住環座 產生止逆作用 防止熔膠逆流 標準型螺桿構造1 a 固體輸送區 solidconveyingzone 固體輸送區 又稱進料區 的功能是將藉由重力落入此一區域的塑料顆粒擠壓成成固體床並以塞狀向前移動 其主要的驅動力是塑料與套筒內側表面的摩擦力 F1 及塑料與螺桿表面的摩擦力 F2 之差 即F1 F2 當F1愈大於F2 則輸送能力就愈高 若固體塑料的孔隙度較大 則整體密度 Bulkdensity 較低 因此在進料區必須有較深的螺桿溝深 以利吃料並維持輸送量的穩定 b 熔化區 meltingzone 從熔融池的出現到固體床完全熔化 此段區域稱為熔化區 其功能主要是藉由摩擦熱及套筒加熱將固體塑料熔化 凡舉螺桿熔化速率 背壓高低及熔化是否完全 在此段均受到決定性的影響 當固體塑料熔化時 由於孔隙度消失體積會縮小 因此必須縮小螺桿與套筒之間的流道斷面以維持塑料的壓縮效果 通常可由溝深縮小或導程 pitch 縮小來達到目的 熔化區的長度取決於塑料熔化的速度 例如結晶性材料 如尼龍 熔化速度快 熔化區的長度較短 非結晶性材料 如PVC 熔化速度慢 熔化區的長度較長 不過一般而言 較長的熔化區有較佳的排氣及混煉效果 c 熔融傳送區 meltconveyingzone 又稱計量區 meteringzone 主要功能是促進熔融物的混合及增壓效果 熔膠在此區域的流動主要包括螺桿旋轉所產生的拖曳流及螺桿前端壓力所產生的逆向流 此兩種流動方向相反 因此具有混合功能 當轉速增加時會因拖曳流的增加而使熔膠流速增快 但固體塑料若來不及在熔化區結束時完全熔化 因而進入計量區將使計量區的混合效果降低 且易造成塑化不均的現象 同時 在轉速增加時塑料的剪切效果提高 亦有可能導致溫度過熱或剪應力超過臨界值 d 螺旋溝槽的深度比 hf hm 稱為壓縮比 通常為2 3 螺桿全長與螺桿外徑比L D常用20 熔融材料從噴嘴射出時 由於施加於材料的射出壓力之反作用力 材料的一部份經螺旋溝槽逆流到後方 為了防止逆流 可用逆流防止閥 標準型螺桿構造2 一般熱塑性塑料的螺桿設計尺寸 螺旋溝槽的深度比 hf hm 稱為壓縮比 通常為2 3 螺桿全長與螺桿外徑比L D常用20 加熱缸與噴嘴 1 加熱缸內裝螺桿 外圍由數組帶式加熱器直接將內部材料加熱 帶式加熱器一般分為3 4組 各組有獨立的溫控 並藉熱電偶保持適合的溫度設定 2 噴嘴是連接模具與加熱缸的接合部 通常噴嘴部份也裝置獨立的帶式加熱器 直接控制射出材料的熔融溫度 必要時也附加各種裝置用以遮斷熔融材料的流動 以防止熔融材料在開模或機座後退時從加熱缸洩漏 如針閥噴嘴及閉鎖噴嘴 3 噴嘴的球狀外輪廓的曲率半徑 歐規10 15 20 35mm 需小於模具入口的曲率半徑 噴嘴出口半徑應小於模具的入口半徑 4 噴嘴可分開口式噴嘴及遮閉式噴嘴 下圖為針狀遮閉式噴嘴 因彈簧作用而封閉 可避免漏料 射出時當射壓高過彈簧作用力時即開啟 熔膠通過噴嘴射入模穴 針狀遮閉式噴嘴 加熱缸與噴嘴示意圖 挾模單元 1 合模裝置的功能包括開閉模具及抵抗射出時模穴內的熔膠壓力 以避免產生毛邊 2 合模裝置的構造區主要區分為肘節式及直壓式 肘節式 直壓式合模裝置的構造 肘節式與直壓式的特色說明 頂出機構 機械式頂出裝置 如下圖所示 在合模滑塊與可動盤的接合部之空間部份設置有數支頂出桿 藉頂出桿的作動 使模具的頂出板前進而將成形品頂出 如何選擇射出成形機 射出量合模力機盤尺寸開模行程射出壓力射出速率 射出壓力 射出壓力是指射出螺桿前端部作用於熔融材料的壓力 kg cm2 射出壓力正比於射出缸直徑與螺桿直徑之平方比 一般中小型射出成形機的射出缸直徑與螺桿直徑之平方比為10 20 油壓最高壓力大都為140kg cm2 射出壓力與油壓壓力之關係 射出壓力是指射出螺桿前端部作用於熔融材料的壓力 kg cm2 射出壓力正比於射出缸直徑與螺桿直徑之平方比 一般中小型射出成形機的射出缸直徑與螺桿直徑之平方比為10 20 油壓最高壓力大都為140kg cm2 射出量 最大射出量 g 最大射出容積 cm3 熔融材料的密度 g cm3 最適當的射出機選擇 進料行程的設定若約為最大射出量 型錄值 的60 70 進料行程 殘留量 充填行程 保壓行程 鬆退行程 最大行程 S 進料行程 L L S 0 6 0 7 S 4 D 射出率or射出速度 射出率通常是愈大愈好 可用於薄件成形 射出速度 mm sec 射出率 mm3 sec 螺桿截面積射出速度 350 mm sec 稱高速成型機一般成形工業零件在100噸以下的射出機 所需的射出率經換算為射出時間最好在1秒以內 EX D 40mm L 0 6 S 2 4D 96mm t 1sec 則射出體積最好約 120cm3 以PS為例約126克 一次成型的量 包括流道及成品 是比較適當的選擇 合模力 合模力乃射出機閉合模具的最大力量 通常以噸 ton 表示其單位 射出成形機所提供的必要合模力必需大於熔膠作用在模具開模方向的力量 其估算如下 其中F 必要合模力 TON A 模穴在開模方向的投影面積 cm2 PM 模穴內的平均壓力 kg cm2 可由模流分析計算得知 安全係數0 1 0 2 開模行程 1 開模行程是指成形機的可動側模盤可移動的最大距離 開模行程愈大時 在打開模具時 固定盤與可動盤之間的距離愈大 可成形高度愈大的成形品 2 開模行程應為成形品最大高度的二倍以上 否則會造成形品取出發生因難 射出成形的循環週期 1 螺桿旋轉將塑料輸入料缸 並加熱塑化 2 可動側模盤前進將模具閉合 3 螺桿前進將熔膠射入模穴直至填滿 4 進行壓縮使模穴內的熔膠密度升高 避免冷卻收縮 5 持續續壓動作 直到澆口處不發生流動 6 模穴繼續進行冷卻 螺桿旋轉進行下一週期之進料塑化動作 並逐漸後退至進料行程設定位置為止 7 模穴繼續進行冷卻直到冷卻時間結束 8 可動側模盤後退將模具打開 9 頂出機構前進將成品頂出 10 取出成品 進行必要動作如噴脫模濟 安置內插物等 再重新執行步驟 1 調控成型條件 1 速度 充填速度 螺桿轉速 開關模速度 頂出速度等 2 壓力 充填壓力上限 一段壓 保壓壓力 二段壓 螺桿背壓等 3 溫度 料缸溫度 噴嘴溫度 模具溫度等 4 時間 充填時間 保壓時間 冷卻時間等 5 位置 進料位置 充填 保壓轉換位置 頂出量 殘留量等 射出成形各階段的操作條件 塑料 螺桿轉速料缸溫度噴嘴溫度螺桿背壓 充填速度充填壓力上限充填時間進料位置 充填 保壓轉換位置殘留量保壓壓力 二段壓 保壓時間 熔膠 成形 成品 模具溫度冷卻時間開關模速度頂出速度頂出量 加熱熔化加壓流動壓縮及續壓冷卻固化開模頂出 精密成型的關鍵 1 2 塑化 2 3 充填 3 4 保壓 4 5 冷卻 由pvt圖看出塑料在成型過程中壓力 溫度 比容的變化 各階段的重點 塑化過程要完全熔化且溫度要一致充滿模穴時 模穴內各處溫度要一致 充滿時模穴 模穴內各處的凝固層厚度盡量小且應一致 才能有效傳遞保壓階段的壓力 充填過程波前速度要穩定 使表層分子拉伸程度一致 即剪切應力一致 保壓時 模穴各處的壓力要一致 才能有一致的收縮冷卻過程中 模穴各處的壓力應一致 各處的溫度也應有一致的降低速率 才能有一致的密度不要超越塑料的本質性質 如溫度 剪切率 剪切應力 以免破壞塑料分子 與塑料本質密切相關的加工條件 塑膠加工的注意事項 加工溫度 每種塑料有其適當的加工溫度 溫度太低則流動困難 溫度太高則可能造成熱劣解流動速度 流動時會因速度梯度而產生剪切率 流速太低則靠近模壁附近的塑料易造成滯流而形成凝固層 流速太高則會造成剪切應力的增加 將使分子過度拉伸甚至被扯斷或產生過度摩擦熱 黏滯熱效應 而造成塑料的熱劣解體積收縮 在相變化產生的比容變化 將使塑料產生體積的改變 冷卻速率 塑料冷卻應有適當的模溫 低模溫雖可縮短成形週期 但過冷卻太快將降低結晶程度 且易產生應力殘留應力殘留 流動時的分子拉伸 保壓時的壓力過剩 冷卻時因冷卻不均所造成的熱應力頂出溫度 每種塑料有其適當的頂出溫度 頂出溫度是指其肉厚中心溫度必須冷卻到使塑料具有足夠的剛性 才不會在頂出時造成變形或頂白 一般在塑料的熱變形溫度以下約10 20 各階段的操作條件設定重點 固體塑料的塑化階段 料缸溫度及噴嘴溫度 1 由第一段 入料處 到第三段 噴嘴前 逐漸升溫 每段溫度設定值約相差5 10 逐步將塑料加熱到適當的加工溫度 各種塑料有其不同的加工溫度 2 對低黏度的塑料 為避免在機座後退時造成漏料 通常可將噴嘴溫度設定成第三段溫度或略低一些 約5 但太低將會造成冷料 在射出時易生流痕 對高黏度的塑料 其設定值可高於第三段溫度約5 10 射出時可用於將流道系統加熱 3 熔膠因螺桿旋轉而摩擦生熱 常導致在第三段熔膠溫度高於加熱器的設定值 一般甚至可高出15 30 因此應避免溫度設定太高產生熱劣解 螺桿背壓 螺桿背壓一般約3 10kg cm2 背壓設定的目的主要是抵住螺桿 當進料時塑料輸送到螺桿前端 產生熔膠壓力而使螺桿緩慢後退 若螺桿背壓大 則塑料自入料口被輸送到螺桿前端 所經歷的時間較長 因此塑化程度較完全 氣體較不易進入 但在螺桿前端產生的熔膠壓力也較大 容易在機座後退時造成漏料 反之 若螺桿背壓小 則塑料自入料口被輸送到螺桿前端 所經歷的時間較短 因此塑化程度較不完全 且氣體較易進入 固體塑料的塑化階段由於螺桿在進料過程中因熔膠室的增壓而後退 因此後面進入的塑料所歷經的螺桿長度將變短 對塑料的熔化能力將會發生不足的現象 若因此使未完全熔化的膠粒進入熔膠室而成懸浮狀 將嚴重影響產品品質 因此隨著進料行程的進行 螺桿的後退速度應漸緩 且必須使後進的膠料能在螺溝內有足夠的時間熔化 為達此目地 螺桿背壓應隨著進料行程的進行而漸增 而螺桿轉速應漸減 背壓壓力 螺桿進料行程 0204080100 溫度 噴嘴第三段第二段第一段 進料 螺桿轉速 螺桿轉速rpm快 則吃料量多 剪切熱也較高 但若太快也可能造成塑膠分子的剪斷參有玻纖的塑料 若螺桿轉速太快 會將玻纖剪斷 造成物性降低隨著進料行程的進行 為使後進的膠料能在螺溝內有足夠的時間熔化 螺桿轉速應漸減 螺桿轉速 螺桿進料行程 0204080100 模穴充填階段 a 進料行程 進料時 螺桿旋轉 同時後退 當螺桿退到進料行程的設定點時 即停止進料 進料位置應包括殘留量以及充填 保壓階段螺桿的前進量 進料行程的設定若約為最大射出量 型錄值 的60 70 是最適當的射出機選擇 進料行程若設定過多 則處於第三段高溫的熔膠量將甚多 且並須經歷許多成形週期後才得以射出 有可能因此產生變色或熱劣解 進料行程若設定過少 則每次射出後沒有足夠的殘留量 因此在保壓階段的後期將造成壓力傳遞的不穩 b 充填速度 1 充填過程中 速度快 則模穴充填滿所需要的射壓高 速度慢 則會因凝固層的產生而使得模穴充填滿所需要的射壓也高 因此在某一個適當的充填速度下 模穴充填滿所需要的射壓會最小 此時的充填速度是最洽當的 而所相對的充填時間稱為 最佳充填時間 2 充填過程中 熔膠在模具表面形成凝固層 決定了成品的表面性質 若波前速度太快 則分子拉伸嚴重且凝固層太薄 甚致因而產生滑動現象造成成品表面有亮痕 若波前速度太慢 凝固層將增厚且增加後面進入的塑料的流動阻力 因此易在表面形成波浪痕 因此在將螺桿前進速度作適當的多段控制 使熔膠波前在充填模穴的過程中能維持穩定且一致的速度將是確保成品表面品質的關鍵 例如圖的產品 由於波前面積 A1 隨充填過程不斷在變化 為使其有穩定且一致的速度 V1 則螺桿前進的速度 Vs 也必須相對變化 其關係如下 As 螺桿斷面積 是固定值 而V1在設計上也希望能維持固定 因此波前面積 A1 與螺桿前進的速度 Vs 即成正比關係 螺桿前進速度 螺桿射出行程 熔膠充填到波前面積較小的區域 螺桿進料行程 充填階段是 速度控制 螺桿依照所設定的速度向前移動 只要壓力未上升到壓力設定值 一般稱為一段壓 螺桿將以設定的速度將熔膠射入模穴 但充填過程中若壓力上升到射壓設定值 則壓力不再升高 將以壓力設定值繼續推動螺桿 因此螺桿前進的速度降低 壓力設定值 壓力變化 充填過程 螺桿速度設定值 螺桿前進速度變化 壓力變化 壓力設定值 螺桿速度設定值 螺桿前進速度變化 充填過程 壓力變化 充填時間 1 射出過程中實際的充填時間 螺桿在速度控制模式下的時間 未必是機器上所設定的充填時間 t1 實際的充填時間 t2 是螺桿前進的距離實際的充填時間 螺桿前進的速度此處所指的 螺桿前進的距離 是指螺桿由最初位置到充填 保壓轉換點之間的距離2 當t1 t2表示螺桿在t2即已到達充填 保壓轉換點 故在此即切換成保壓階段的壓力控制 但若螺桿在t1時間尚未到達充填 保壓轉換點 即t1 t2 則也會因所設定的充填時間已用盡 即在此位置切換成保壓階段的壓力控制 這就是所謂的提前切換 當t1 t2表示螺桿在t1時間到達充填 保壓轉換點 也正好在此位置切換成保壓階段的壓力控制 實例說明與分析 寬100mm 長150mm 厚度1 8mm至0 7mmPMMA加工溫度260 模溫60 剪切應力上限0 41MPa剪切率上限21000 1 sec 頂出溫度85 厚端 充填速度的影響 壓力分佈 1 2sec 95 9MPa 0 3sec 79MPa 0 8sec 74 7MPa 充填速度太快或太慢都會導至壓力偏高 充填速度的影響 摩擦生溫 0 3sec 升溫7 1 1 2sec 升溫1 4 高速充填升溫大 且出現在充填末端低速充填升溫小 且出現在澆口附近 充填速度的影響 剪切應力 0 3sec 0 38MPa 1 2sec 0 52MPa 充填度速慢 反而因凝固層增厚導至熔膠流動空間變小 而使得剪切應力升高 超過上限值 0 41MPa 可能造成分子過度拉伸或剪斷 充填速度的影響 凝固層 0 3sec 1 2sec 充填度速慢 形成滯流 會使凝固層增厚導至熔膠流動空間變小 螺桿速度多段控制的影響 波前速度 螺桿等速度 螺桿速度多段控制 滯流區 滯流區 螺桿速度多段控制的影響 壓力 螺桿等速度 87 8MPa 螺桿速度多段控制 57 9MPa 充填速度適當的調控 將可有效降低射出壓力 螺桿速度多段控制的影響 合模力 螺桿速度多段控制 螺桿等速度 充填速度適當的調控 將可有效降低合模力 88ton 62ton 螺桿速度多段控制的影響 剪切率 螺桿等速度12 3500 1 s 螺桿速度多段控制6 7 1100 1 s 充填速度適當的調控 將可有效降低剪切率 且均勻化 表示分子被拉伸的程度較一致 d 充填壓力 在充填階段 壓力的設定基本上是一種保護措施 當壓力未達此設定值時 螺桿依照所設定的速度向前移動 但充填過程中若壓力上升到射壓設定值 則壓力不再升高 將以壓力設定值繼續推動螺桿 因此螺桿前進的速度將會降低 因此為了確保螺桿前進是依據設定的速度向前移動 可將充填壓力設定值提高 但應避免產生毛邊 充填 保壓轉換 1 一般設定在成品體積充填達80 90 到達充填 保壓轉換點時 射出機即切換成保壓階段的壓力控制 所謂的 壓力控制 是指射出機會依照所設定的壓力值 一般稱為二段壓 繼續推動螺桿前進 2 充填 保壓轉換可以螺桿位置 模穴壓力 射出壓力等作為轉換的依據 一般大多以螺桿位置作為轉換點 殘留量 1 殘留量是指充填及保壓階段都完成後 螺桿前端尚有留存的熔膠量 成品愈大 殘留量應愈多一些 一般設定約在3 15mm 2 殘留量的熔膠可視為是保壓階段壓力傳遞的介質 太少易導致保壓末段壓力傳遞的不穩 太多則使過多的熔膠長期處於高溫 易造成變色或熱劣解 影響下一次成形週期的產品品質 保壓壓力 1 壓力過大 易產生毛邊及殘留應力 壓力過小 則易產生表面凹痕及尺寸收縮2 一般設定約在充填結束時壓力的80 但隨產品肉厚及射出機合模力可作調整3 在足夠的保壓時間下 可利用保壓壓力來調整成品重量 隨著保壓壓力的增加 成品重量會漸趨於一個定值 由模穴壓力是否過剩 成品重量及表面收縮的降低可決定適當的保壓壓力 模穴壓力的變化 模穴壓力 充填 壓縮 續壓 保壓 充填 保壓轉換點 模穴填滿 冷卻 模穴填滿 澆口冷卻 模穴填滿 常見的保壓壓力設定方式 充填 保壓 充填 保壓轉換點 保壓壓力 壓力降低 待熔膠在分模線形成皮膜避免產生毛邊 充填 保壓轉換點 時間 保壓壓力 壓力提高 避免產生表面凹痕及尺寸收縮 隨凝固層的生成 壓力遞減 避免產生殘留應力 模穴填滿 保壓壓力 射出機壓力 充填 保壓 充填 保壓轉換點 保壓壓力 時間 由澆口附近的壓力變化 判段保壓壓力過大 適當或不足 壓力 澆口附近的壓力變化 保壓壓力設定 不足 適當 過大 保壓時間 1 保壓時間的設定應使澆口達到凝固 避免螺桿後退 壓力釋放 造成熔膠由澆口逆流出來 而使體積收縮劇增 2 在固定保壓壓力下 可以由保壓時間的調整來觀察成品重量的變化及澆口附近是否有明顯凹痕 以決定適當的保壓時間 3 由CAE分析澆口附近的體積收縮