射出成型技术

1 陳彥成 2006/10/04 射出成型技術 誰是良好的成型模具管理者? 2 重要塑料參數 n 黏度參數 (Viscosity) n 容積參數 (P-V-T) n 比熱參數 (Specific Heat )Cp n 熱傳參數 (Thermal Conductivity )K n 楊氏模數 (Young`s Modulus) n 膨脹係數 (Bulk Modulus) 黏度參數 n 黏度參數：考慮溫度、剪切率對黏度影響 n 溫度曲線間隙大，表黏度對溫度敏感 n 曲線斜率大，表黏度對剪切率敏感 n MI值為一定壓力及溫度下之塑料流動長度(質量) n 若為常數時，表任何狀態下，黏度為定值 黏度 Viscosity 剪切率 Shear Rate 較高溫 較低溫 Lower Temp. Higher Temp. 未被配向之高分子鏈 被配向之高分子鏈 unoriented molecular chains oriented molecular chains 切變致稀性 (shear-thinning) 3 容積參數 n 容積參數 ：考慮溫度、壓力對比容影響 n 比容為密度倒數 (1/Density) n 高溫下，自由體積大，比容大，即密度小，反之同 n 結晶性塑料，熔點附近有跳躍式變化 n 若為常數時，表任何狀態下，比容為定值(不可壓縮) 結晶性塑料 Crystalline 非結晶性塑料 Amorphous 容 比 溫度 (Temperature) 比熱參數 n 比熱參數：考慮溫度對比熱影響 n比熱為溫度上昇1℃所須熱量 n比熱愈高，代表塑料溫度愈不易變化 Tg Tm 不連續性變化 溫度 比 熱 非結晶性高分子 結晶性高分子 4 熱傳參數 n 熱傳參數：考慮溫度對熱傳影響 n熱傳為塑料熱傳導特性度量 n熱傳愈高，代表熱傳導效果愈佳，即冷卻較 快 溫度 熱 傳 導 係 數 非結晶性高分子 結晶性高分子 楊氏模數 n 楊氏模數 n 定義：E=拉伸應力/拉伸應變 n楊氏模數為材料韌性的度量 n楊氏模數愈高，代表材料抗拉伸能力愈高 n典型值： 塑料Polymers 楊氏模數值 E, N m/ 2 Natural rubber 10 5 105. ´ PE 0 2 109. ´ Nylon 19 109. ´ PMMA 32 109. ´ PS 33 34 109. .- ´ Epoxy 25 109. ´ PP 311 109. ´ PC 2 109´ 5 誰是良好的成型模具工程管理者? ÊBack 時間 流率 壓力 •在此一階段塑料不再充填，產品開始冷卻固化。 •螺桿鬆退以進行下一週期成型準備。 冷卻過程說明 6 •當產品固化到足以頂出強度時，射出成型機台之頂出單元便行頂出。 •頂出後便進行閉模動作，為下一週期準備。 ÊBack 頂出階段說明 塑件冷卻過程 n 塑件冷卻過程 熱傳導 熱傳導 熱對流 模具本體 冷卻水管 模穴(塑件) Mold Base Cooling Lines Heat Conduction Heat Convection Heat Conduction Cavity(Part) 7 模溫週期變化 n 模溫週期變化 n 合模時間 n 充填時間 n 保壓時間 n 冷卻時間 (佔成型週期最長) n 脫模時間 (熱變形溫度下頂出) 20 35 最高模溫 最低模溫 平均模溫 模溫 時間 射出 開模 成型週期 影響冷卻速率因素 n 塑件厚度設計 n 約和厚度成平方比 n 冷卻方式 n 模材選擇 n 冷卻管配置 n 冷卻液性質 n 冷卻液流速 n 塑料種類 n 加工參數 2htc µ 8 冷卻時間粗估 n 平板型塑件 n 圓型塑件 L W h ú û ù ê ë é ÷÷ ø ö çç è æ - - = we wm c TT TTht pap 4ln2 2 L d=2R ú û ù ê ë é ÷÷ ø ö çç è æ - - = we wm c TT TTRt 6023.1ln173.0 2 a Tm = 冷卻初塑料溫度℃ Tw = 模具溫度℃ Te = 塑料頂出溫度℃ 冷卻設計重點 n 預估冷卻時間及成型週期長短 n 冷卻系統設計的最佳化 n 使塑件各部的冷卻效果均勻而有效率 n 因冷卻不均造成塑件的翹曲變形 9 冷卻所需物性資料 n 塑膠材料熱物性質 n 密度(density) n 比熱(specific heat)或熱容量(heat capacity) n 熱傳導係數(thermal conductivity) n 冷卻液性質 n 黏度(viscosity), 密度,[g/cc] n 比熱,[erg/g-K]，熱傳導係數,[erg/sec-cm2-K] n 模座熱物性質 n 密度,[g/cc]，熱傳導係數 ,[erg/sec- cm2 -K] ÊBack 冷卻水管參數的設定 n 冷卻液流量的設定應該儘可能達到紊流 (turbulent flow)狀態,使熱傳效果較佳 雷諾數(Reynolds Number) Re º 4Q D r p h 管徑D,[cm] 冷卻液密度及黏度 = 冷卻液流量= Q,[cc/sec] r h, 單位分別為[g/cm3],[poise] F雷諾數在4000以上為紊流,欲達良好的熱傳效果, 應控制在10,000以上,如縮小管徑或提高流速 ÊBack 10 射出成型之收縮探討 n 射出成型之收縮探討 n 充填階段收縮 n 溫度壓力變化，引發的塑料比容跟密度發生變化 n 保壓階段收縮 n 受到保壓壓力及保壓時間影響 n 冷卻階段收縮 n 塑件重量保持固定，體積逐漸收縮使塑件密度提高 n 脫模至使用階段收縮 n 來源為加工過程中之流動殘餘應力及塑件脫模溫度 與使用環境溫度差造成的熱應力 成型過程中P-V-T變化探討 壓力 時間 模穴壓力 融膠溫度 溫度 1 2 3 4 5 67 8 壓力及溫度變化 比容 溫度 壓力增加 常壓 1 2 3456 7 8 體積收縮 室溫 融膠溫度 射壓 保壓 P-V-T 變化 11 塑件收縮理論 n 塑件收縮理論 n 定義體積收縮率 n 假設X、Y、Z為均向收縮 n線性收縮率為 VL SS 3 1 » CC C V V V V VVS -=-º 1 影響收縮因素(二) n 產品設計方面 n 塑件尺寸 n 肉厚分佈 n 厚度變化 n 補強肋效果 不良的設計 肉厚突然變化 (stepped transition) 較佳的設計 肉厚漸縮變 化(tapered transition) 最好的設計 肉厚逐漸變化 (gradual transition) 若情形允許，掏空(core out)肉厚較厚 處，可減少冷卻時間及收縮翹曲問題 容易產生內應力集中現象 td L L=3td 12 影響收縮因素(三) n 模具設計方面 n 澆口位置 n 澆口型式 n 流道系統 n 冷卻水管 n 加工精度 n 頂出系統 影響收縮因素(四) n 加工條件設定 n 壓力、時間 n 模具溫度 n 熔膠溫度 n 冷卻時間 n 頂出溫度 n 鎖模力 開模 保壓/靜置 階段 時間 模穴壓力 充填階段 (mold filling) 保壓/壓縮階段 (packing/compression) (packing/holding) 冷卻/模內收 縮階段 (cooling/in mold shrinkage) 開始射出 (start injection) (gate solidification) 澆口固化 (mold open) 13 翹曲變形因素(一) n 不均勻體積收縮 n 模具冷卻不均 n 造成的不對稱熱收縮 冷卻速率較低,較熱模面 冷卻速率較高,較冷模面 脫模 塑件翹曲變形 收縮量較大 收縮量較小 翹曲變形因素(二) n 流動配向造成的塑料物性各向異性 n 幾何效應造成的差異熱應變 模穴側:冷卻速率較快 料溫較低 模仁側:冷卻速率較慢 料溫較高 脫模 模穴側:收縮量較小 模仁側:收縮量較大 14 翹曲變形因素(三) n 形狀補強 n 壓力差導致變形 模穴壓力較高區域 模穴壓力較低區域 脫模 收縮率較低 收縮率較高