精密射出成型技術－模具

精密射出成型技術

射出業近況

    塑膠射出成型制品因具有优异的特性﹐使用量正逐年增加﹒根据工業局的統計資料顯示﹐國內塑膠加工業厂家數目近一萬家﹐從業合佔制造業總人數的11%﹐產值約佔總產值的9.5%﹒但員工人數在50人以下的厂家﹐竟佔了85%﹐可見塑膠射出成型加工業﹐屬中小企業的佔絕大多數﹒

業界追求的精密射出技術

    如何提升技術﹑創造產品的附加价值﹐乃成為業界首要努力的目標﹒精密射出成型技術也因此逐漸受到重視﹒

    何謂精密射出成型﹖顧名思義﹐就是以較高的射出成型技術﹐制造出精度高的塑膠制品﹒

    談到精密射出成型﹐應從二個層面來思考﹒一种是在設計開發階段﹐就先擬定一套完整的生產技術﹐掌握這些生產因素﹐使做出來的成品精度﹐控制在預測的精度范圍內﹒這种技術層次較高﹐似屬于研究開發的技術﹒

    另外一种是在生產前﹐尚無法确保掌握在生產過程中﹐制造出來的成品精度到底是多少﹖只知道它大概在某個程度范圍內﹒有時﹐甚至無法預知制品的精度到底是偏上限﹐還是下限﹖但是在試做過程中﹐可以根据投入的生產因素及得到的制品精度范圍﹐再來調整﹑修正投入的生產條件﹐使制品精度更能符合需求﹐并且更希望在往后的每一次量產中﹐都能得到品質穩定性﹑再現性很高的產品﹒

    以上兩种方式﹐應該都市目前業界所追求的精密射出成型技術﹒

何為“精密“射出成型

    本文所談到的精度﹐除了尺寸﹑公差精度外﹐應包括制品表面精度（縮水﹑凹痕﹑接合線﹑光澤度﹑平坦度……等）﹒

    就塑膠制品尺寸縮水來說﹐層次較高的精密射出成型技術﹐應該在模具設計之初﹐就能根据制品大小﹑形狀﹑塑膠原料﹑澆口大小﹑流動方嚮﹐決定一個很精确的縮水律﹐而模具尺寸即依此縮水律來設計﹑加工﹒在射出成型時﹐再依環境﹑原料的處理﹐決定最佳的成型條件﹐使做出來的制品尺寸經過縮水后﹐正好符合成品圖上所要求尺寸精度﹒

    層次較低的精密射出成型技術﹐就是在模具設計時無法精确的決定縮水律等﹐預知射出后的成品品質﹒只能在以后生產時﹐根据做出來的制品品質的變化清醒﹐修正生產因素（包括料的干燥﹑射出條件的調整……等）﹐使制品的最終品質接近成品圖的要求﹐並控制在以后每次生產都能達到這個精度﹒

    因此精密射出成型技術﹐就是（1）無人化全自動（2）成型周期一定的生產技術﹒本文僅就目前業界較迫切需要改進的后半段加以探討﹐我想應有事半功倍之效﹒

業界優先改善項目

    目前﹐許多業者認為要達到精密射出成型﹐最迫切需要優先改善的是﹕精密的模具與高精度自動化射出成型機﹒其實這二個因素﹐只是精密射出成型技術中很小的一環﹐還有許多很重要的部分被我們忽略了﹒

    過分的強調模具及成型機的重要性﹐反而使我們不去重視其他更重要﹑且更應該多注意的部分﹒

    精密成型技術是一种連續性﹑相互關聯的﹑許多技術的組合﹐它代表企業整体的技術能力與水准﹑不良率的高低﹐是整個企業能力的總表現﹐并非某個單位﹑某個人的能力表現﹒品質差﹑不良率的產生﹐也不是某個員工的不對﹐因為沒有員工愿意作出不良品﹒

精密射出宜考慮因素

    既然精密射出成型技術﹐是許多相互關聯技術的組合﹐所以我們應該從塑膠原料的品質﹑處理方法﹑加工環境﹑機臺性能﹑模具品質﹑射出成型條件的設定等一連貫因素來考慮﹒而這些因素有﹕

（1） 季節﹕春﹑夏﹑秋﹑冬气候的變化﹐冷卻水溫度的差异﹒

（2） 時間﹕白天﹑晚上﹑早上﹑週一﹑週六﹑週日的差异﹒

（3） 人員﹕人員熟練度﹑情緒﹑疲勞﹑注意力﹑個性﹑習性……等﹒

（4） 環境﹕天候（晴雨天﹑溫度﹑濕度的影響）﹐風的大小﹑方嚮﹐暖房﹑冷气﹑塵埃﹑冷卻水量的變動﹐水溫的變化﹐水垢的影響﹒

（5） 材料﹕材料品質的穩定性﹐廠牌的差异﹐干燥的方法（時間﹑溫度的控制……）﹐染色配色的方法等﹒

（6） 机械及周邊裝置﹕機臺的性能﹑廠牌的差异﹑機臺的磨耗﹑劣化﹑使用方法﹑計測儀器﹑計器方法﹑溫度控制器的种類﹑性能﹑冷煤（油﹑水）﹑冷煤的流速﹑流量及電壓的穩定性……等﹒

（7） 模具﹕模穴多寡﹑流道系統﹑尺寸精度﹑模具材質﹑磨耗﹑強度﹑冷卻回路的設計……等﹒

（8） 成型條件﹕作動油的溫度﹑成型壓力﹑速度﹑周期﹑成型條件的穩定性……等﹒

以上僅就其中較為業界疏忽的几項﹐提出來供大家參考﹐並請指正﹒

先從外在的因素（風﹑室溫環境﹑時間）來談﹕

風

    如果從射出成型加工材料溫度的變化過程來看﹐模具可說是一部熱交換機﹐塑膠原料經過加熱﹑混烘﹐經過模具成型后﹐呈急速的冷卻﹐應該有一定的規則﹐否則結晶化的溫度﹑時間﹑速度﹐都會受到影響﹒

    塑膠料冷卻的變化﹐與制品的收縮率有密切的關系﹒大家都注意到機臺的3段﹑4段的溫度控制﹐而沒有注意風向与速度對射嘴﹑模具的影響﹒因此嚴格說起來﹐工厂里的電風扇應受到管制﹐不能任意使用﹒

室溫

    塑膠原料加熱注入模具后﹐急速冷卻﹐一部分的熱量由冷媒帶走﹐一部分散入大气中﹔同時加熱料管亦散播出大量的熱到大气中﹒熱的空气往上升﹐如何在厂房的上層适度的抽風﹐或籍大气空气流動帶走上面的熱空气﹐并且在厂房的底層部注入冷空气（同時將熱空气往上擠）﹐有待改善﹒

    适當的空調﹐控制厂房溫度在27°C左右﹐乃為精度成型必要的條件之一﹒

環境

塵埃的去除﹐料筒的加蓋（及靜電除塵）﹐地面的清拭﹐循環水流壓力大小﹐電壓的穩定性……等﹐亦不可疏忽﹒

時間

    如果白天﹑晚上產生品質有差异﹐或者週一﹑週六產生品質上有差异﹐這种情況几乎可以判定﹐問題出在模具溫度的不穩定﹒在休假日后開机生產﹐模具溫度還沒有上升到固定范圍內﹐就開始生產﹐如此作出來的東西﹐很少會有合格品﹒

    以上四項為外在的間接因素﹒接著討論與射出成型有直接關系的其他因素﹕

材料

    高精度制品的流痕﹑光澤度﹑透明度﹐有求比較嚴格﹐對于材料的干燥技術也特別講究﹒大使一般都只注意到干燥的溫度與時間﹐甚至為了達到干燥的效果﹐不惜提高干燥溫度﹑這事絕對錯誤的﹐溫度提高﹐易造成材料分解變質﹐尤其對熱較敏感的材料﹐如PA﹑PVC等﹐泵為嚴重﹒正确的方法﹐應該是稍微降低干燥溫度﹐延長干燥時間﹒

    但是有一點必須特別注意﹕在密閉的容器內干燥﹐水气沒有過濾去除﹐而進入的空气並沒有除濕﹐經過加熱后﹐空气的相對濕度降低﹐絕對濕度卻沒有改變﹒由于在空气沒的水分並沒有減少﹐如何能叨叨干燥的效果﹖

    因此﹐如何做到除濕干燥﹐乃為精密成型技術不可或缺的一環﹒

機臺（制品重量）

    自動化的射出成型機﹐可彌補射出成型技術的不足﹒但如果具備熟練﹑高深的射出成型技術﹐並不一定需要自動化的射出成型機﹒目前業界使用機臺較常疏忽的有兩項﹕

    一是使用過大的機臺來成型﹒因為機臺過大﹐料筒的容積也隨著加大﹐使得料在料筒內停留的時間過長﹐因加熱時間過長而變質﹐直接影響制品的精度﹒

    另一項被業界所疏忽的﹐就是未能注意機臺規格中的最大射出量﹕x g﹒假設某機臺的最大射出量是50g,今制品的重量是30g﹐認為這种搭配万無一失﹐其實卻忽略了最大射出成型量的單位時間是g/分﹒因此﹐還須再計算制品每分鐘的生產重量﹐是否超過此界限﹖如果違反此規則﹐會造成材料在料筒內有混煉不均的現象﹒沒有充分混煉熔融﹐就被擠出成型﹐結果品質當然不好﹒

料溫

    為使料在料筒內充分熔融﹐提高溫度有助于混煉的程度﹐但是卻因溫度的提高﹐造成材料的變質﹒最好是适度的降低料溫﹐比平常用的溫度再降5~10%﹐不足的部分﹐改由提高rpm的方式來補足﹒因為rpm的提高﹐可以增加料的剪斷摩擦熱﹐此熱適足以彌補溫度不足的部分﹒由于摩擦生熱只是瞬間﹐料無變質之虞﹐并且因料筒旋轉產生的摩擦熱比較均勻﹐不會有局部過熱的情形發生﹐值得業界一識﹒

流道系統

    這里所稱的流道﹐包括澆口的設計﹒通常﹐材料由高溫進入溫度較低的模具中﹐為使受到相當程度冷卻的塑膠原料能順利的流進模穴內﹐並減少制品的充填不足﹑接合線﹑縮水﹑凹陷……等不良狀況﹐都想盡量加大流道的截面積﹐也相對加大﹒其實這正犯了下述二項的錯誤﹕

    一是流道截面積加大﹐而料的流速成平方關系﹐呈倍數的下降﹔流速下降﹐料在流道停留的時間成平方倍數的增加﹐適足以增加料的冷卻﹐如此反而阻礙料的流動﹒

    如果我們檢討一下澆口的截面積那么小（比流道的截面積小了很多）﹐料照樣可以流進模穴內﹐為什么流道需要那么大的截面積﹗

    二是流道截面加大﹐流速減緩﹐較易冷卻﹐相反的﹐如果將傳統的流道截面積取小﹐會因料在流道中的流速成平方關系的增加﹐速度加快﹐摩擦所產生的熱﹐適足以改善料的流動性﹒

    因此流道截面積取小﹐反而有助于料在流道中的流動﹒因溫度的上升﹐在模穴充填過程中所生的品質不良點（如接合線……）﹐可減至最低的程度﹒

    至于澆口的設計﹐應少用側澆口﹐因料由較大的截面積﹐忽然進入較小的截面積時﹐會有短暫停留現象﹐且因截面積逐漸變小﹐而有加速流動（生熱）的現象﹐因無冷料發生﹐可以得到精度較高﹒

透气孔

    大家都很了解透气孔的重要性﹐遇到充填不良的問題﹐很快就會聯想到透气孔的問題﹒但是透气孔的制作﹐應該注意下列必須考慮的事項﹕

（1） 膠件前端為一种很稠的乳膠狀物質﹐极易堵塞設在分模線上的透气孔﹐尤其是鎖模力過大時﹐這种現象更明顯因此理想的透气孔﹐應設在與分模線垂直的位置上﹐如頂出銷﹑分割塊上﹒

（2） 在成型品的末端﹑心型銷上﹑鑲入塊上做透气孔比較簡單﹐如果空气堆集的部位在成品的中心﹐中央部位時透气孔便無法制作﹒此為澆口數目与位置的設置不當所致﹒

（3） 如果包風不明顯﹐只在成型品孔圓周上呈現一條接合線﹐可在心型（不論是鑲入或鑲1體式）上﹐對准接合線位置上逃一個小孔﹐來容納成型中多余的气体﹒此种方法﹐對消除接合線有很好的效果﹐值得一識﹒

成型周期

    為了節省成本﹐提高產能﹐很少有人會無緣無故的增加成型時間﹐但是在下述  三种現象會采用不當﹑過長的成型周期﹒

（1） 為了改善成型品變形及凹陷現象﹐常以增加冷卻時間（即延長成型周期）來克服﹒

（2） 使用過大的機臺﹐料在料筒內停留的時間過長﹐與成型周期過長﹐對料（因過熱）所生的破坏力相同﹒

（3） 制品肉厚不均﹒為了使厚度大的部分達到充分的冷卻效果﹐常常以延長成型周期來克服﹒

    以上三种清醒﹐都使原料在料筒內提留的時間過長﹐而破坏了原有的特性﹒

模溫控制

      由于塑膠件原料由高溫進入模具內﹐經過冷卻硬化后﹐  才由模具中取出﹐為使制品能充分硬化﹐應做好冷卻工作﹒但是﹐如果冷卻系統不佳﹐則只有延長冷卻時間（增加成形周期）﹐此實是本未倒置﹒

      膠料在模具內充分均勻并不容易﹐常因肉厚不均而有不均勻的冷卻﹒由于牽涉范圍太廣﹐不在這里說明﹒僅就模溫控制中最重要的部分敘述如下﹕

    1﹑膠件經過模具冷卻硬化后取出﹐但是千万不要把模具當作冷卻機具﹐其實在膠件充填尚未完成前﹐模具也有保溫的功能﹐因此﹐應該把模具視為一部熱交換机﹐而不能視為冷卻制品的冷卻機具﹒

    2﹑模具冷卻水路的設計﹐應該稱為模具溫度控制﹐而不能稱為模具冷卻系統﹐亦不能稱為模具冷卻回路﹒

    3﹑為使塑膠原料在充填﹑冷卻過程中﹐不因模溫的過高或過低﹐而失去應有的特性﹐應特別重視模具的溫度控制﹒

    目前因冷卻水的溫度普遍偏低﹐一般常用的話水溫為室溫及5°C左右冰冷的水﹐較應該使用的水溫低了很多﹐如此對結晶性塑膠原料﹐如尼龍﹑POM﹑PBT﹑PPS的影響很大﹒

    4﹑為了使冷卻水能充分的帶走模具中的熱量﹐正确的做法應是﹕

1） 以Re＝8000~10000（亂流的標准雷諾數）的標准﹐來計算水的流速﹑冷卻水管的表面積﹒

2） 以能產生亂流的水速帶走模具的熱量﹐而不是降低水溫﹑以大的溫差帶走熱量﹒因為溫差（模溫與水溫之差）過大﹐极易造成模溫的不均﹐導致成型品的變形﹒

3） 當模溫很高﹐接近100°C時﹐亦應使用加壓的水來做熱交換工作﹐而不能用油來冷卻﹒因為油的粘性很高﹐比重輕﹐雷諾數Re＝dvρ/μ很難達到亂流的標准﹐而在層流的情況下﹐便很難充分帶走模具的熱量﹒

    5﹑模溫的量測﹐不必深入模穴內﹐只須測量進﹑出口的水溫即可﹒