螺杆直径-国立高雄第一科技大学课件

1聚碳酸酯級射膠螺桿設計與分析參與人員：蔡宗鴻、徐啟耀、賴致佑指導教授:黃明賢教授國立第一科技大學

精密射出成形實驗室

(PIMLab)1聚碳酸酯級射膠螺桿設計與分析參與人員：蔡宗鴻、徐啟耀、賴致目錄摘要研究動機與目的射膠螺桿基本介紹研究整體架構螺桿分析模型建立與CAE參數研究螺桿關鍵設計參數最佳化之CAE實驗結果與討論目錄摘要摘要

本研究以富強鑫精密股份有限公司AF系列射出單元為架構，利用CAE技術結合田口實驗方法，以直徑66射膠螺桿配合PC塑料進行射出螺桿的設計參數最佳化研究。目標提升螺桿設計規範(A

B

C三種形式)平均塑化能力10%以上。並以實際直徑66螺桿(L/D=22)加以修正。

根據文獻回顧射出螺桿品質特性應具有四大目標:1.促進分配混煉2.改良剪切混煉3.提升塑化能力4.改善融膠溫度均勻性。計畫目標將探討射膠螺桿塑化能力以及融膠溫度差。從CAE模擬分析結果直徑66之射膠螺桿最佳參數為Hm/D=0.075，L/D=22，Lf:Lc:Lm=0.55:0.3:0.15，Cr=2.4。

3摘要本研究以富強鑫精密股份有限公司AF系列射出研究動機與目的過去對於射出螺桿多以經驗法則或試誤法進行設計，往往造成成本的浪費且效果並不顯著。若能以CAE技術建立適當的分析模型並結合品質實驗設計法，探討螺桿設計參數，即可節省時間及降低實作成本。

研究方法是以CAE分析軟體結合田口方法，針對影響射出螺桿在塑化效果與成形品質方面的關鍵設計參數，進行完整的田口分析實驗，最終使塑化能力獲得明顯的改善提升。4研究動機與目的過去對於射出螺桿多以經驗法則或試

CAE模擬分析是由Moldex3D內掛載的Screw-plus軟體所執行的。所輸入的參數有:螺桿直徑、螺桿幾何、加熱片溫度、加熱片段數、背壓以及轉數等。塑料初始溫度以Moldex3D內的塑料建議溫度做為設定溫度的範圍。將加熱片分為5大段，其中將第一大段分為10小段，讓溫度能夠均勻的上升。5均分為10小段可移動5段分別為0%

25%

50%75%100%輸出結果參考塑化率Move0%25%50%75%100%以及ΔT(融膠溫度-塑料最高溫度)。融膠溫度值CAE模擬分析是由Moldex3D內掛載的S6溫度設定背壓設定轉數設定螺桿幾何加熱片段數6溫度設定背壓設定轉數設定螺桿幾何加熱片段數射膠螺桿基本介紹一般射出成形機主要架構可分為射出單元、鎖模單元、動力單元與控制系統。其中射出單元中的關鍵零組件即是射出螺桿，它必須負責塑料的輸送、塑化、混煉、射出等功能，是影響塑化能力和成形品質的關鍵部件。7塑料隨著牙深越淺固體分佈也越少射膠螺桿基本介紹一般射出成形機主要架構可分為

入料段-負責塑料運送並推擠與遇熱。應保證入料段結束時開始熔融，預熱到熔點。壓縮段-負責塑料的混練、壓縮與加壓排氣，在此區塑料逐漸熔融。對於非結晶塑料，壓縮段應長一些，否則螺槽體積下降得太快，料體積未減會造成阻塞。

計量段-理論上到計量段之開始點，料應該完全熔融，但至少要保持4D。若太長混鍊效果佳，但易使熔體停留過久，而產生熱分解；太短則使溫度不均勻。

進料牙深與計量牙深-進料牙深越深，再進料區之輸送越大，但須考慮螺桿強度。計量牙深越淺，塑化發熱、混合性能指數越高，但須防範塑料燒焦。8入料段-負責塑料運送並推擠與遇熱。應保證入料研究整體架構9CAE田口實驗與最佳螺桿參數建立螺桿塑化關鍵參數選擇YES產出報告新式螺桿製作與實驗測試驗證產出新式螺桿設計計算書及圖面塑化能力較原始螺桿提升10%NOYES實驗測試塑化能力表現CAE參數仿真模擬研究塑化能力比對驗證模擬準確性建立射出螺桿CAE分析模型

NO第一階段第二階段第三階段研究整體架構9CAE田口實驗與螺桿塑化YES產出報告新式螺桿CAE與定點擠出塑化能力表現以AF-100射出螺桿（直徑28mm）為分析載具，根據原有螺桿及料管設計參數進行設定。並建立螺桿分析模型

Screw-Plus輸入參數，模擬相同材料及實際成形條件進行分析。將螺桿定點、固定背壓加料擠出，以流出融膠重量/時間計算，螺桿位於0mm實驗可得最大塑化率；與CAE分析螺桿Move0%

之數據做為比較基礎。10第一階段CAE與定點擠出塑化能力表現以AF-100射出螺桿（直徑28射出機台：AF-100(螺桿直徑28mm)理論射出容量92cm3計量行程150mm實驗材料：日本Kuraray型號GH-1000S的PMMA量測儀器：電子磅秤，射出融膠重量量測接觸式溫度感測器，射出融膠中心溫度值量測11實驗設備第一階段射出機台：AF-100(螺桿直徑28mm)11實驗設備步驟一、座退至最後，並確認射嘴口無阻塞。步驟二、清料三次，確保料管內融膠完全融化。成型條件為實驗溫度、轉速(

ex.240°C、80PRM)螺桿位置由60mm射出至0mm步驟三、將螺桿射出至螺桿位置3~5mm以降低誤差；計量背壓設定至加料時螺

桿不後退。步驟四、螺桿定點加料擠出融膠1min並去除之，此步驟視為穩態前加料。步驟五、與前項步驟連續進行加料，計時30秒後剪斷融膠；此步驟連續重複五次

。步驟六、紀錄由射嘴口流出之融膠量

(g/30s)，並換算塑化率

(Kg/hr)。步驟七、以接觸式溫度感測頭量測融膠溫度，在吐出融膠瞬間立即量測融膠中心溫度值，待溫度顯示達穩定後即可。步驟八、變更螺桿轉速回到步驟三；變更塑料溫度回到步驟二。12實驗步驟第一階段步驟一、座退至最後，並確認射嘴口無阻塞。12實驗步驟第一階段結果與討論分析結果平均塑化率誤差(Qerror)分布於32~52%，與溫度成正比，與轉速成反比；實驗數據與模擬結果趨勢相同。吐出融膠溫度誤差(Terror)小於4°C。溫度誤差極小，可增加實驗數據提升可信度。CAE塑化率之誤差修正，建議以塑化率分析結果*修正係數來取得，而不以修改輸入參數模型進行。13第一階段結果與討論分析結果13第一階段由AF-100塑化能力表現—定點擠出實驗得知分析趨勢相近，為建立高準確度之分析程序與技術，利用田口法簡化實驗組數，單螺桿=L9x兩種材料(PC,PMMA)。將進行塑化率修正係數Kq之建立，並以各因子之貢獻度，決定對塑化率影響最大之前二因子；納入趨勢修正係數之計算。註:塑化率趨勢修正係數

Kq:模擬塑化率Qcae*Kq=實驗塑化率QexpKq

以曲面圖方式呈現，以內差法求出預測數值。14AF-100塑化率修正系數第一階段-AF-100塑化率修正系數由AF-100塑化能力表現—定點擠出實驗得知PartBPartA15選擇實驗螺桿、材料決定田口L9因子水準田口L9實驗

(取得Qexp)

ANOVA分析

確定前二因子繪製Kq曲面圖取得專用螺桿*材料之塑化率趨勢修正係數進行二因子三水準

實驗及模擬田口L9模擬

(確定水準合適並取得Qcae)實驗驗證Kq*Qcae

誤差率<10%NoYesNoYes實驗流程第一階段-AF-100塑化率修正系數PartBPartA15選擇實驗螺桿、材料決定田口L9因塑化率Q=F(螺桿幾何,成形條件,材料係數)螺桿幾何：可選擇不同直徑、相同系列設計參數之螺桿成形條件：料管溫度、螺桿轉速、加料背壓材料係數：PC、PMMA塑化行為：往復式射出、定點擠出(根據第一次AF-100PMMA塑化率實驗，模擬與實驗趨勢相近，為簡化實驗故省略定點擠出實驗)16AF-100

(螺桿直徑28mm),材料PMMA,Kuraray,GH-1000SControlFactor123Note(A)料管溫度(°C)240250260根據實驗材料選用適合成形溫度(B)螺桿轉速(RPM)80100120根據實驗螺桿直徑選用合適轉速範圍(C)加料背壓(Kg/cm2)01020常用之加料背壓範圍(D)計量行程位置(D)1.534.5評估螺桿作用長度(成型載具體積)對塑化率影響實驗設計第一階段-AF-100塑化率修正系數塑化率Q=F(螺桿幾何,成形條件,材料係數)16田口L9實驗–塑化率誤差望大17因子變動自由度變異純變動變異比貢獻度(Sx)(fx)(Vx)(Sx')(FA)(r)%(A)料管溫度28.28214.1428.28-27.70%(B)螺桿轉速1.6720.841.67-1.64%(C)加料背壓67.81233.9067.81-66.42%(D)計量行程4.3222.164.32-4.24%e誤差0000-eT調合誤差0000-T總和102.0877

100.00%第一階段-AF-100塑化率修正系數由結果塑化率誤差Qerr望大得知：(

B

)螺桿轉速及(D)計量行程之趨勢相近，對塑化率之誤差影響不大。(A)料管溫度及(C)加料背壓所占貢獻度達94.12%。田口L9實驗–塑化率誤差望大17因子變動自由度變異純18結果與討論

第一階段-AF-100塑化率修正系數

Item

#5

#10NoteQ.cae15.7813.92塑化率(CAE值)Kq0.640.65塑化率修正係數；#5Kq(250,10),#10Kq(260,5)Q.fix10.158.99塑化率(CAE修正後)Q.exp10.678.89塑化率(實驗值)Q.err-4.84%1.11%誤差值[(Qfix-Qexp)/Qexp]CAE預測實驗輸入參數Exp.(A)料管溫度(°C)(B)螺桿轉速(RPM)(C)加料背壓(Kg/cm2)(D)計量行程位置(D)#5250100103#102608051.25塑化率修正系數Kq驗證

塑化率修正係數Kq可有效降低CAE

塑化率誤差。由#5,#10以修正後之CAE數據(Qfix)與實驗比較，Qerr

小於±5%

。若增加反應曲面實驗水準數，相信可有效降低修正係數之誤差值。18結果與討論第一階段-AF-100塑化19第二階段-螺桿關鍵設計參數最佳化之CAE實驗

參數選用根據螺桿設計規範及經驗公式，設計一組L18實驗因子水準表，並以材料黏度（預設值及±10%）作為CAE分析輸入雜訊。模擬結果以採用(A)Hm/D(B)

L/D

(C)La:Lb:Lc(D)

Cr水準進行L9的模擬實驗。19第二階段-螺桿關鍵設計參數最佳化之CAE實驗參數選用實驗設計–田口L9因子水準20其他參數設定如下：射出機AF-450(f66)螺桿直徑66mm

最大螺桿行程300mm射出量943g最大射壓192.67MPa最大流率1336cm3/s成型載具體積：3.5D(計量行程)實驗材料PC,IDEMITSU,LC-1500成型參數：螺桿轉速70(RPM)加料背壓1.472(Kg/cm2)料管末端溫度Moldex建議料溫材料初始溫度：慣用烘料溫度L9ControlFactorLevel123(A)Hm/D0.0550.0650.075(B)L/D19.52224.5(C)Lf:Lc:Lm0.4:0.45:0.150.5:0.35:0.150.55:0.3:0.15(D)Cr2.152.2752.4第二階段-螺桿關鍵設計參數最佳化之CAE實驗

實驗設計–田口L9因子水準20其他參數設定如下：實驗材料CAE分析輸出項目21輸出項目：塑化率Q(kg/hr)望大(末端融膠平均溫度–料管溫度設定值)望小

註:Q將參考模擬輸出值Move0%25%50%75%100%

這五點平均值。項目單位項目說明Q(kg/hr)固定成型條件下的質量流率(kg/hr)固定成型條件下的質量流率：與實際值比較，判斷模擬分析的準確性，並作螺桿的特性曲線。Bulktemperature(°C)融膠平均溫度整體溫度沿螺桿軸向的變化；了解整體溫度的變化，可作為料管溫度設定的參考。第二階段-螺桿關鍵設計參數最佳化之CAE實驗

CAE分析輸出項目21輸出項目：項目單位項目說明Q(kg/hPC-塑化率CAE分析結果

22因子變動自由度變異純變動變異比貢獻度(Sx)(fx)(Vx)(Sx')(FA)(r)%(A)Hm/D7.3123.67.31-98.72%(B)L/D0.0720.030.071-0.96%(C)La:Lb:Lc

0.0220.010.02-0.30%(D)Cr0200-0%e誤差0000-eT調合誤差0000-T總和7.41

100%1.PCQ望大最佳參數為A3B3C3D2最大可達到142.5kg/hr，其中Hm/D貢獻度高達

99%。

2.根據文獻探討Hm/D越深塑化量Q也會越大。