塑膠材料與射出成型

1、主題 : 塑膠材料與射出成型,授課老師 : 楊申語 教授,模具設(shè)計,製造是什麼 ?,工程材料,製造,塑膠材料6大特性,質(zhì)輕 加工易 性質(zhì)可隨需要而變 化學(xué)穩(wěn)定性好 絶緣性佳 透明性及著色易,塑膠材料分類,塑膠,熱塑性塑膠(Thermoplastic plastic),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(tài)。 隨分子結(jié)構(gòu)排列不同可分為 1.結(jié)晶型 2.非結(jié)晶型,熱塑性結(jié)晶型,非透明 局部結(jié)晶區(qū) 分子排列規(guī)則(Ordered) 具有Tg及Tm值 如:PE、PP、Nylon。,熱塑性非結(jié)晶型,特性 透明 無結(jié)晶區(qū) 分子排列呈隨機(jī)狀(Random) 有玻璃轉(zhuǎn)脆溫度(Tg)

2、 無熔融溫度(Tm) 如:PC、PMMA、PS。,熱固性塑膠(Thermosetting plastic),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(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。 加溫加壓使其固化(Curing)後，分子之間會產(chǎn)生”架橋反應(yīng)”，使得塑膠結(jié)合緊密且堅硬。即使加溫也無法熔融或是回復(fù)到原來的樣子。如:POM,PF,UF,UP等。,五大泛用塑膠及用途,容器、塑膠袋、膠膜、管子等。 膠管、膠布、膠膜等。 外殼、玩具、壁磚等。 瓶子、塑膠管、薄膜、保鮮膜等。 汽車保險桿、儀表板、纖維等。,1.低密度聚乙烯(LDPE),2.高密度聚乙烯(HDPE),3.聚苯乙烯(PS),4.聚氯乙烯(PVC),5.

3、聚丙烯(PP),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(jī)械強(qiáng)度高而且有適當(dāng)平衡2.耐熱,耐久或具特殊機(jī)能3.加工性良好4.價格合理且工程性良好,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(Poly Butylene Tertephehalate , PBT) 聚對苯二甲酸乙酯(Polyethylene Terephthalate , PET) 聚碳酸酯(Polycarbonate , PC) 聚二氧苯(Polyphenyl Oxide , PPO),塑

4、膠材料的重要性質(zhì),玻璃轉(zhuǎn)折溫度(Glass Transition Temp.，Tg.)非結(jié)晶型材料在升溫時產(chǎn)生之現(xiàn)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(shù),塑膠材料的機(jī)械性質(zhì),1.單軸拉伸-與鋼鐵應(yīng)力/應(yīng)變曲線的比較,塑膠材料的機(jī)械性質(zhì),2.塑膠模數(shù)隨溫度的變化,塑膠材料的機(jī)械性質(zhì),3.潛變曲線比較,塑膠加工成型方法,1. 壓縮成型 2. 轉(zhuǎn)注成型 3. 射出成型 4. 擠出成型 -4.1 吹瓶成型 - 4.2 吹膜成型 - 4.3 Coating,5. 旋轉(zhuǎn)成型 6. 熱壓成型 7. 滾壓成型 8. 複合成形,塑膠加工成型方法-1 壓縮成型,壓縮成型是將塑料置

5、於模具加熱軟化後，再施加壓力成型。,塑膠加工成型方法-2 轉(zhuǎn)注成型,製程: 以熱固性塑膠為主材配合陶瓷粉末,以轉(zhuǎn)注成型技術(shù)提供IC與外界隔絶的保護(hù)層。,塑膠加工成型方法-3 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(tài)，而後將其射入模具中，再行冷卻、凝固即成零件。 應(yīng)用:90%生活日常用品(塑膠)!,圖片來源,射出成型- 製品,相機(jī),汽車側(cè)板,家電用品,日常用品,主機(jī)外殼,螢?zāi)煌鈿?塑膠加工成型方法-4 擠出成型,原理: 將熔融的塑膠自模具內(nèi)以擠壓的方式往外推出，而得與 ?？谙嗤瑤缀涡螤畹牧黧w，冷卻固化後，得到所要的零件。 應(yīng)用: 1.截面相同的零件。Ex:

6、百葉窗扇葉截面2.生產(chǎn)合膠。Ex: PC/ABS合膠,擠出成型- 製品,塑膠水管,電線被覆,配線導(dǎo)管,塑膠膜,百葉窗扇葉,塑膠板,塑膠加工成型方法-4.1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(yīng)用:瓶子，容器。,瓶胚,吹瓶成型模具、程序圖,144腔模具,吹瓶成型- 製品,PET瓶,塑膠加工成型方法-4.2吹膜成型,先將擠製後的瓶胚向上，再吹入空氣使之膨脹以成圓筒狀薄膜,塑膠加工成型方法- 4.3 Coating,Extrusion while wire passing,塑膠加工成型方法-5 旋轉(zhuǎn)成型,原理: 用

7、二片分割之密閉模，將相當(dāng)於製品重量之塑膠量注入，同時以異向回轉(zhuǎn)在熔融爐內(nèi)加熱，此時塑膠體即均著於內(nèi)壁而熔融膠化，成為製品。,製程,應(yīng)用,球體(如:浮標(biāo))大型中空件(如:塑膠溜滑梯)、工具箱。,旋轉(zhuǎn)成型製程圖,旋轉(zhuǎn)成型- 製品,塑膠加工成型方法-6 熱壓成型,原理: 將膠膜或是膠板加熱到半融狀態(tài)(Tg)，以壓力將其成型至與模穴相同的形狀，待冷卻後經(jīng)後處理(如:裁邊)即得所須之產(chǎn)品。,應(yīng)用免洗餐具、冰箱內(nèi)槽、戰(zhàn)機(jī)座艙罩等。,製程,熱壓成型- 製品,熱壓成型兩大種類,1.Thermoforming:巨觀外形成型 2.Hot-embossing: 微觀表面成型,塑膠加工成型方法-7 滾壓成型,利用滾輪

8、把熱塑性塑膠壓延，用來製作薄板,塑膠加工成型方法-8 複合成型,原理: 多種材料以塗層方式，重覆塗層次數(shù)至達(dá)到所需厚度而得成品的方法。 以船體結(jié)構(gòu)為例：,備模。 塗佈脫模劑層。 塗佈純樹脂層 (0.30.4mm)。 塗佈玻璃纖維層。 thermoset resin brushed on (熱固性塑膠纖維)。 輥輪均施壓，使層間結(jié)合緊密。 重覆36步驟至達(dá)到所需厚度。,複合成型- 製品,射出成型,Process time,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),射出成型

9、的重要性,1. 3D複雜精密零件一體成型 2. 週期時間短，能量低 3. 容易自動化,射出成型機(jī)介紹,射出單元,鎖模單元,射出成型機(jī)主要組成單元,射出單元 - 組成與功能,組成 主要由入料筒、加熱管、螺桿等組成 功能 進(jìn)料、融解、混和、升壓射出。 分二大類 1.柱塞式 2.螺桿式,射出單元- 1. 柱塞式,a.柱塞往復(fù)運(yùn)動並計量。 b.計量終了，柱塞前進(jìn)。 c.材料通過加熱缸內(nèi)面與魚雷間通道，在此充分加熱成熔融狀態(tài)。 d.從噴嘴部射出於模具內(nèi)。,射出單元- 2. 螺桿式,a.(加熱):由螺桿混煉產(chǎn)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

10、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(guān)限定後退量，在一定位置停止螺桿的旋轉(zhuǎn)。 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,射出單元 - 螺桿式與柱塞式的差異!,螺桿式較柱塞式多一旋轉(zhuǎn)動作，產(chǎn)生分力(Ft)，可使材料在螺旋槽間產(chǎn)生混煉作用， 增加可塑化能力。,射出單元 - 螺桿式優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn),進(jìn)料順暢 (2)加熱均勻 ：Shear Heating F)的計算F = P A (ton)P=射出壓力(Kgf/cm2)A=零件垂直射出方向投影面積(cm2),日常用品:400 Kg/cm2 精密零件:500700 Kg/cm2,

11、射出成型模具,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 主要分為二類 二板模 三板模,二板模,模具構(gòu)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(fā)點(diǎn)。,二板模動作流程,三板模,與二板模的差異在兩板模具中再加一塊”流道?！?。 目的 =可在零件中間多點(diǎn)進(jìn)澆,三板模動作圖,模具評估問題討論,Apple公司打算生產(chǎn)新型電腦外殼，工程師將已設(shè)計好的產(chǎn)品設(shè)計圖交付給十家模具廠加工，並進(jìn)行試模，假如你是Apple公司的工程師，你如何評比出這十副模具的高下 ？,模具性能的評估,何謂操作窗 ？,T,P,對於同一付模具，在不同融膠溫度與射出壓力下，

12、可以順利射出成型的範(fàn)圍，稱為操作窗。,操作窗,毛邊,短 射,- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -,材料劣解,毛邊,短 射,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(tǒng)的配合 1.高性能”充填”系統(tǒng)2.高性能”保壓”系統(tǒng)3.高性能”冷卻”系統(tǒng),充填系統(tǒng),功能引導(dǎo)從射出機(jī)噴嘴所射出的熔融材料進(jìn)入成型空間(模穴)中成型 組成,流道系統(tǒng)的設(shè)計是否適當(dāng)，直接影響成形品的外觀、物性、尺寸精度和成形週期。,充填系統(tǒng) - 示意圖與實(shí)品,充填系統(tǒng) - 流道形狀,主要分三種,1.圓形,3.圓弧梯形,2.梯形,周長/面積 值最小 =不易凝固,容易製造,綜

13、合兩者優(yōu)點(diǎn),充填系統(tǒng) - 1.直接澆口,熔膠由豎澆道直接進(jìn)入模穴，單穴成品射出成型時，係經(jīng)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(shí)品圖,2.方形邊緣澆口,3.搭接澆口,此型澆口與方形邊緣澆口唯一不同點(diǎn)是熔膠間接進(jìn)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(zhì)PVC 外，均適用。,示意圖,實(shí)品圖,4.扇形澆口,此澆口可使大型產(chǎn)品在短時間內(nèi)充填完成。,示意圖,實(shí)品圖,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(chǎn)品中央位置做澆口設(shè)計時。,示意圖,實(shí)品圖,6.圓盤澆口,單穴原筒狀產(chǎn)品可以考慮使用此種澆口

14、。,7.點(diǎn)狀澆口,亦稱為Pin-point Gate針點(diǎn)澆口，可以使流道和澆口在開?；蝽敵鲞^程中與產(chǎn)品自動分離。,示意圖,實(shí)品圖,8.潛狀澆口,亦稱隧道式澆口（Tunnel Gate）特點(diǎn):澆口痕跡小，位置易設(shè)置在產(chǎn)品不重要的部位，成品頂出過程中，同時將澆口切斷，可以達(dá)自動化的效果。,示意圖,實(shí)品圖,充填系統(tǒng) - 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(diǎn)狀澆口 潛狀澆口,充填系統(tǒng) - 設(shè)計目標(biāo),一、避免問題 每一付模具都可能有它產(chǎn)生的充填問題,常見充填問題(1/8),過度保壓(over packing) : (1)原因:當(dāng)充填系統(tǒng)設(shè)計不良或操作條件不當(dāng)，使得

15、融膠在模穴中保壓時間過長或是承受壓力過大就會過度保壓。 (2)結(jié)果:過度保壓會使產(chǎn)品密度較大，增加內(nèi)應(yīng)力，甚至出現(xiàn)毛邊。,常見充填問題(2/8),l保壓不足(under packing)： 保壓不足的產(chǎn)品在融膠冷卻後會收縮，使產(chǎn)品不合規(guī)格，在局部較厚的部分，其背面會出現(xiàn)凹陷。,常見充填問題(3/8),l縫合線(weld line)：融膠遇到阻礙就必須繞行，融膠會分流。當(dāng)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。, 縫合線的存在主要會影響外觀，使得產(chǎn)品的表面較差。而出現(xiàn)縫合線的地方強(qiáng)度也會較差。,常見充填問題(4/8),l停滯效應(yīng)：融膠會挑好走的路走，所以如下圖的工件，融膠會等到其

16、他部分都充飽了，才心不甘情不願的往薄的地方流。,常見充填問題(5/8),l兢流道效應(yīng)(race track effect)：融膠會挑好走的路來走，所以當(dāng)充填厚度不均勻的工件時，厚度大的地方融膠流得快，於是就發(fā)生如下圖的現(xiàn)象, 競流效應(yīng)存在時，產(chǎn)品容易出現(xiàn)縫合線，甚至發(fā)生包風(fēng)或逃氣困難的問題。,常見充填問題(6/8),l凝固層(frozen layer)： 當(dāng)融膠在流道或模穴中散熱過快，使得融膠容易在特薄處凝固。凝固的融膠變成障礙物阻礙液態(tài)融膠的前進(jìn)。若出現(xiàn)凝固層，射出品會材質(zhì)不均勻，表面較不平順，較嚴(yán)重的會發(fā)生短射。,常見充填問題(7/8),l流向雜亂：流向雜亂會使工件強(qiáng)度較差，表面的紋路也較

17、不美觀。,常見充填問題(8/8),l暗逆流：較接近主流道的入口（綠色），所射出的融膠壓力較大，而壓力較大的融膠會壓迫旁邊壓力較小的融膠，造成逆流的現(xiàn)象。, 暗逆流存在時，流向變得不單純，會使得產(chǎn)品的表面不平順，強(qiáng)度降低並增加內(nèi)應(yīng)力。,充填系統(tǒng)-設(shè)計目標(biāo),一、避免問題 二、同步充填一模多穴情形下，同步充填的意義就是要讓進(jìn)入每一個模穴的融膠能夠同時到達(dá)，而且使每個模穴入口的壓力相等。 。,圓管流的公式,圓管流壓力（P）與流量（Q）的關(guān)係 :,平板流的公式,平板流壓力(P)與流量(Q)的關(guān)係 :,澆口的位置,為了達(dá)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

18、數(shù)值以下始可。 b、 防止噴流紋(jetting)的產(chǎn)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(jī)械強(qiáng)度的位置。 f、 考慮成形品外觀的不良，要設(shè)定在容易加工的位置。,充填系統(tǒng)-設(shè)計目標(biāo),一、避免問題 二、同步充填 三、流向單純 1.流向單純是指融膠進(jìn)入模穴後，能夠很平順的流到它該抵達(dá)的位置，而不需要繞過障礙物。 2.充填時若能保持流向單純，則射出件質(zhì)地較細(xì)緻均勻，縫合線較少，自然產(chǎn)品的強(qiáng)度也會提升。,充填系統(tǒng)設(shè)計利器,1. 進(jìn)點(diǎn)數(shù)目、位置。,2. 各流道路線、形狀(截面) 、相對大小。,3. 局部導(dǎo)流道或偏流道設(shè)計。 導(dǎo)流道(F

19、low leader)在模穴處局部加厚以增加該方向流量。 偏流道(Flow deflector)在模穴處局部減薄以減少該方向流量。,保壓系統(tǒng),目的：,為了彌補(bǔ)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。,一般射出,精密射出,關(guān)鍵步驟,重視,充填 保壓、冷卻,保壓系統(tǒng)-設(shè)計目標(biāo),2.均勻收縮,保壓系統(tǒng)-設(shè)計工具(1),澆口形狀、尺寸,保壓系統(tǒng)-設(shè)計工具(2),冷卻水管的佈置,保壓系統(tǒng)操作參數(shù),1. 保壓壓力 2. 充填保壓轉(zhuǎn)換點(diǎn) 3. 保壓時間,如何測 gate-freeze點(diǎn)?,由mass-time diagram 由P-t 圖,P,t,冷卻系統(tǒng),冷卻水

20、管為主，模仁材料為輔,冷卻系統(tǒng)設(shè)計程序,計算週期內(nèi)需帶走熱量 估計模溫機(jī)允許的冷卻管徑、長度 配置冷卻管以達(dá)到控制收縮量以均勻收縮的目標(biāo),冷卻系統(tǒng)原理,1. 熱傳導(dǎo) 2. 熱對流 3. 熱輻射,冷卻系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo) 快速、均勻收縮,1.與保壓系統(tǒng)配合，以達(dá)所要求之精度 2.在週期內(nèi)將射入之融膠熱量帶走,亂流的場合,雷諾數(shù)(Re)4500是紊流和層流的分界點(diǎn)。,Reynolds,Laminar flow ( Re2300 ),Turbulent flow ( Re4500),d：孔的直徑(cm)或(m),：流速 (cm/sec)或(m/hr),V,：流體的密度 (g/cm3)或(kg/m3),u：流體的黏度 (g/msec) 或 (kg/mhr),設(shè)計實(shí)例 (1),設(shè)計實(shí)例 (2),設(shè)計實(shí)例 (3),收縮與翹曲,收縮,何謂收縮？ = 工件的收縮可視為是幾何尺寸上之縮減。 可分為以下收縮的形態(tài):1.均勻收縮 工件不會產(chǎn)生變形而改變其形狀，只是變得較小而已。2.收縮不平均 工件會產(chǎn)生變形並且改變其形狀，不只變得較小而已。