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主題 塑膠材料與射出成型 授課老師 楊申語教授 模具設計 1 製造 零件 工程材料 設計 功能 金屬 金屬鍵 塑膠 凡得瓦力 陶瓷 共價鍵 合成高分子 2 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 3 塑膠材料分類 塑膠 非結晶型 熱塑性 熱固性 結晶型 4 熱塑性塑膠 Thermoplasticplastic 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 結晶型 非結晶型如 PC PE PVC PET PS 等 5 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 PMMA PS 6 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 7 熱固性塑膠 Thermosettingplastic 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 8 五大泛用塑膠及用途 低密度聚乙烯 LDPE 容器 塑膠袋 膠膜 管子 等 高密度聚乙烯 HDPE 膠管 膠布 膠膜 等 聚苯乙烯 PS 外殼 玩具 壁磚 等 聚氯乙烯 PVC 瓶子 塑膠管 薄膜 保鮮膜 等 聚丙烯 PP 汽車保險桿 儀表板 纖維 等 9 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 10 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 PolyButyleneTertephehalate PBT 聚對苯二甲酸乙酯 PolyethyleneTerephthalate PET 聚碳酸酯 Polycarbonate PC 聚二氧苯 PolyphenylOxide PPO 11 塑膠材料的重要性質 玻璃轉折溫度 GlassTransitionTemp 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 12 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 13 塑膠材料的機械性質 2 塑膠模數隨溫度的變化 14 塑膠材料的機械性質 3 潛變曲線比較 15 塑膠加工成型方法 擠出成型射出成型吹瓶成型熱壓成型旋轉成型IC封裝複合成型 16 塑膠加工成型方法 1 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 ABS合膠 17 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 18 塑膠加工成型方法 2 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 19 射出成型 製品 相機 汽車側板 家電用品 日常用品 主機外殼 螢幕外殼 20 塑膠加工成型方法 3 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 21 吹瓶成型模具 程序圖 144腔模具 吹瓶程序 22 吹瓶成型 製品 PET瓶 23 塑膠加工成型方法 4 熱壓成型 thermoforming 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 製程分類依成形件厚度分兩種 連續式加工 非連續式加工 應用免洗餐具 冰箱內槽 戰機座艙罩 等 製程 24 熱壓成型 製品 25 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 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 26 旋轉成型製程圖 27 旋轉成型 製品 28 塑膠加工成型方法 6 IC封裝原理 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 製程 目的 提供IC外殼保護 避免與空氣接觸 提供機械強度 以便後續處理 提供散熱通路 以免晶片過熱 提供訊號通路 連結晶片 電路板 29 塑膠加工成型方法 7 複合成型製程原理 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 3 0 4mm 塗佈玻璃纖維層 thermosetresinbrushedon 熱固性塑膠 纖維 輥輪均施壓 使層間結合緊密 重覆3 6步驟至達到所需厚度 30 複合成型 製品 31 射出成型 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 Processtime Cooling Filling Packing 32 在這門課我能學到射出成型的哪些知識 認識射出成型機功能及結構認識射出模具構造了解射出成型原理了解成型時所會遇到的問題 33 射出成型機介紹 34 射出成型機主要組成單元 射出單元鎖模單元 35 射出單元 1 5 組成主要由入料筒 加熱管 等組成功能進料 融解 混和塑料 升壓射出 分二大類1 柱塞式2 螺桿式 36 射出單元 2 5 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 37 射出單元 3 5 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 38 射出單元 4 5 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 39 射出單元 5 5 螺桿式優點 缺點a 優點 藉螺桿的混練作用 材料內部也發熱 均勻可塑化 可塑化能力大 由於加熱缸的壓力損失 可使用較低的射出壓力 亦能成型 加熱缸內的材料滯留處少 熱安定性差的材料也很少因滯留而分解 材料更換 換色操作容易 b 缺點 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 40 鎖模單元 1 8 提供鎖模力的機構 有直壓式 肘節式及肘節直壓式三種 功能控制模具的開關 鎖模 並且頂出成品 41 鎖模單元 2 8 直壓式直壓式合模裝置又可分為1 升壓滑塊式2 輔助缸式3 增壓缸式 其構造如右圖所示 42 鎖模單元 3 8 肘節式 1 3 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1 單肘節2 雙肘節式 43 鎖模單元 4 8 肘節式 2 3單肘節式 44 鎖模單元 5 8 肘節式 3 3雙肘節式 45 鎖模單元 6 8 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 46 鎖模單元 7 8 直壓式與肘節式的比較 47 鎖模單元 8 8 鎖模力 ClampingForce F 的計算F P A ton P 射出壓力 Kg cm2 A 零件垂直射出方向投影面積 cm2 日常用品 400Kg cm2精密零件 500 700Kg cm2 48 射出成型模具 49 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 頂出基本組成元件模板 上 下模板 導銷 導銷襯套 頂出銷 頂出套筒 歸位銷 止銷 頂出桿 定位環 豎澆道襯套 豎澆道 流道 拔料銷 主要分為二類二板模三板模 50 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 51 三板模 與二板模的差異在兩板模具中再加一塊 脫模板 目的處理豎澆道及橫澆道的拔模與脫料 52 模具性能的評估 合乎規格成形加工成本 成形週期 廢料 後加工 操作窗 愈大愈好 53 操作窗 54 二板模動作流程 55 三板模動作圖 56 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 57 充填系統 功能引導從射出機噴嘴 Nozzle 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 58 充填系統 示意圖與實品 59 充填系統 流道形狀 主要分三種 1 圓形 2 半圓形 3 梯形 60 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 並有下列幾種形式 61 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 62 2 方形邊緣澆口 63 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 64 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 65 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 66 6 圓盤澆口 單穴原筒狀產品可以考慮使用此種澆口 67 7 點狀澆口 亦稱為Pin pointGate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 68 8 潛狀澆口 亦稱隧道式澆口 TunnelGate 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 69 充填過程 充填階段時 當熔膠流入模穴時與冷的腔壁接觸 會形成薄的凝層 靠近壁上的熔膠溫度會降低 在熔膠流動的峰前 由於噴流效應 FountainFlowEffect 熔膠從中心往兩模腔壁流動造成等速的熔膠流動 同時熱熔膠從中心帶至前緣及兩邊模腔壁 在熔峰後端之熔膠則是層狀流動 在中心的流動速度最大 而凝固層邊的流速為零 充填過程中熔膠流動方向剖面流速分佈圖 熔膠流峰顯示噴流效應 FountainFlowEffect 70 常見充填問題 1 過度保壓 overpacking 過度保壓會增加內應力 使產品密度較大 甚至出現毛邊 保壓不足 underpacking 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 71 常見充填問題 2 縫合線 weldline 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 停滯效應 融膠會挑好走的路走 所以融膠會容易在薄的地方產生停滯 會傾向將別的部分先充填完 72 常見充填問題 3 兢流道效應 racetrackeffect 融膠欲流向阻力較小的流道 因此充填厚度不均勻的工件 厚度大的地方融膠流得快 凝固層 frozenlayer 凝固層出現時 射出產品會材質不均勻 表面較不平順 較嚴重的還會發生短射 73 常見充填問題 4 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 暗逆流 較接近主流道的入口 射出的融膠壓力較大 而壓力較大的歌膠會壓迫旁邊壓力較小的融膠 將造成逆流的現象 74 充填系統 設計目標 避免問題保壓不足 保壓過度 等 同步充填流動平衡設計 管流 板流 流向單純如右圖 75 圓管流的公式 圓管流及平板流的公式 流道設計時都會考慮進去 計算壓力 P 與流量 Q 的關係 以便達到同步充填 76 平板流的公式 77 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 78 充填系統設計利器 進點數目 位置 各流道路線 形狀 截面 相對大小 局部導流道或偏流道設計 導流道 Flowleader 在模穴處局部加厚以增加該方向流量 偏流道 Flowdeflector 在模穴處局部減薄以減少該方向流量 79 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 80 保壓系統 設計目標 按規格控制收縮 1 Atdetachmentpoint T Tg2