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新聞快訊

BBCode | 人氣2173
paul0938803 - SBIR專欄 | 2014-11-08 11:46:18

 

塑膠射出零件由模具設計開發到試模完成,專業人員分層負責機械設備、精密的量測儀器製造射出成型與沖壓生產塑膠模具

製程:
2D & 3D部品圖面討論模具圖面設計模具圖認可備料模仁六面加工模仁鑽孔加工CNC銑床加工火花機線切割鉗工製作組立合模表面打光尺寸檢查試模檢討修正噴砂、咬花、彫刻、電鍍熱處理合格驗收量產

 

 

高分子塑膠依照製造方式可分為兩大類:第一類是將塑料放置於預熱設備中加熱,透過熱量使其化學性質發生改變,因此產生聚合反應而硬化,此類型稱為熱固性塑膠材料(thermosetting resin),這種方式將會使分子結構更為緊密,但不具有重覆可塑造的性質。第二類則是分子以線狀結構方式排列而成的聚合物,其具有遇熱軟化的可塑造性特性,待冷却一段時間後而凝固硬化,此類稱為熱塑性塑膠材料(thermoplastics),本文所討論之塑膠射出成型製程時間最佳化,即屬於此類。

首先將針對塑膠射出成型之製程作一概略介紹,接著將討論常見之射出成型不良問題,最後則提出製程中工程師可控制之製程變數,並由射出成型不良問題之工程師解決經驗中,整理、建立出塑膠射出成型之最佳化數學模型。

2.1塑膠射出成型製程

塑膠射出成型為一循環性之製造程序,主要可分為六個步驟:關模、射出充填、保壓、冷卻靜置、開模及頂出等,以下分別就各製程步驟做概要說明[1, 2]

(1) 關模步驟

射出前置第一動作,就是利用射出機的液壓系統傳遞關閉模具的能量,讓可動側模具確實與固定側模具作閉合狀態,如圖2-1關模步驟示意圖所示,這個狀態將會持續保持,直到成品冷卻階段完成。

2-1. 關模步驟示意圖

(2) 射出充填步驟

射出充填步驟是透過設定適當的射出壓力及射出速度,使得熔融塑料完全填充於模穴內。在熔融塑料剛進入模穴內時,因為模具和射嘴的溫度差異太大,所以先接觸到模穴周圍邊界的熔融塑料會立即凝固,於是高分子性質的塑料將會以噴泉流動的方式進行充填。如圖2-2所示為射出充填步驟之示意圖,圖2-2(a)為射出充填前,當射出充填開始,驅動馬達驅動迴轉螺桿使螺桿前進,進而將塑料由射嘴送入模穴中充填,如圖2-2(b)所示。

(a) 射出充填前

(b) 射出充填狀態

2-2. 射出充填步驟示意圖

(3) 保壓步驟

在完成射出充填階段之後,由於冷卻效應會使得成品體積收縮,故必須藉著維持一定的壓力,並將未填充完全的區域作補償動作。此時迴轉螺桿將會持續以強迫方式繼續輸送熔融塑料進入模穴內,直至充填末端逹至最大壓力,如圖2-3所示。

由於熔融塑料的溫度持續下降,所以將會表現出相當不穩定的高分子流動狀態,很容易讓成品發生不良現象。相較於射出充填步驟,保壓步驟的充填速率較低而固化速率較快,有時製程工程師會依照塑膠成品的形狀大小,由其經驗決定是否要省略這個步驟,以便節省工作時間和降低產品的報廢率。

2-3. 保壓步驟示意圖

(4) 冷卻靜置階段

在經過射出充填及保壓步驟後,模穴內部已經不再需要施加額外的射出壓力,所以在模具中的熔融塑料,將會持續保持冷卻狀態直到完全凝固。透過冷卻系統控制溫度與冷卻速率,抑或藉由模具本身溫度自然冷卻是常見的兩種冷卻靜置方法。如圖2-4所示為成品冷卻靜置步驟之示意圖。

2-4. 成品冷卻靜置步驟示意圖

(5) 開模步驟

冷卻靜置完成後,即可打開模具取出成品,此步驟中需設定可動側模具的開模定點位置,其行程必須大於將成品頂出之距離。圖2-5所示為開模步驟示意圖。

2-5. 開模步驟示意圖

(6) 頂出步驟

頂出步驟為射出成型製程之最後一步,為使成品能順利脫離模具,在模具開啟後,利用頂出銷將成品頂出模具,如圖2-6所示。

2-6. 成品頂出步驟示意圖

2.2 塑膠射出成型常見之成品缺陷

不良品的產生會導致原料浪費以及生產效率降低,塑膠射出成品是否合格,一般是以外觀目視作為判斷標準。常見的成品不良現象,以及改善方式說明如下[2, 3, 4, 5]

(1) 充填不足

充填不足是指熔融塑料無法完全充滿模穴內部,致使固化後之成品幾何外型有缺陷,如圖2-7所示為一成品因充填不足導致缺陷之例子。充填不足之主要原因為塑料供給量不足及塑料本身流動性不佳,使得在充填過程時流動狀態即已中止。這種情形常發生在生產人員為了縮短該項產品的生產週期,所以刻意將射出充填時間及冷卻時間減少,又或者是因為選用到流動性不佳的塑膠材料所致。

充填不足之改善方式,除了選擇流動性良好的塑膠,還必須適度將射出時間、射出壓力、射出速度、熔融溫度、模具溫度等製程參數數值增加,使熔融塑膠能儘速流進模穴內。

2-7. 成品產生充填不足之缺陷

(2) 凹塌

在射出成型製成成品中,凹塌是經常可見到的缺陷,絕大多數是因為當熔融塑料注入模穴時,由於成品厚薄部位的凝固時間不同,使得模穴內熔融塑料與固化塑料之密度有所差距,而導致收縮程度有差異性,當差異性過大時就會發生凹塌缺陷,如圖2-8所示為一成品凹塌的例子。

可透過提高射出時間、射出壓力、射出速度等製程參數之數值,並有效降低熔融溫度,讓模穴內剩餘未充填的部分能完全充滿為止。

2-8. 成品產生凹塌之缺陷

(3) 銀絲紋

銀絲紋的成因是因為所使用的塑料摻雜了水氣或其他揮發性的氣體,亦或是預熱溫度過高,而分解出塑料本身水分,使得模穴內產生流動型態的熔膠氣泡,並且隨著熔膠流動方向出現銀白色條紋,如圖2-9所示。

銀絲紋現象之改善方式,除了將塑料利用預熱料筒乾燥之外,並將射出壓力及射出速度降低,同時提高模具溫度,可有效阻止這種不良情形產生。

2-9. 成品產生銀絲紋之缺陷

(4) 流痕

流痕現象通常發生在以成品中心作為澆口時,當射出成型製程完成後,在成品表面所形成之格紋狀紋路,如圖2-10所示。造成流痕現象的主要原因為熔融塑料的溫度太低或是粘度過高,使得塑料和模穴的表面發生摩擦、推擠而導致。

有效消除流痕的方法,可以將加快射出壓力及射出速度,以及將熔融溫度與模具溫度作適當增加。

2-10. 成品產生流痕之缺陷

(5) 熔合線

熔合線是指在射出成型過程中,當兩個以上的流動塑料交會時,因為無法完全融合所產生的現象,熔合線缺陷常發生於成品的孔洞部分,或是成品的邊界交會處,如圖2-11所示。

解決熔合線現象之方法,可將射出壓力、射出速度、熔融溫度與模具溫度作適當增加。

2-11. 成品產生熔合線之缺陷

(6) 光澤不均

光澤不均為成品表面光澤異常的一種現象,可能的原因是模具溫度過低、模具內面研磨不光滑或是脫模劑用量過多所導致,如圖2-12所示。

成品光澤不均的改善方式,除了使用容易顯現出光澤的高流動性材料,並可將射出壓力、射出速度減少和模具溫度等射出條件數值提高。

2-12. 成品產生光澤不均之缺陷

(7) 翹曲

翹曲主要是因為收縮不均勻所造成,然而單以收縮情形而言,並不會造成翹曲現象發生,完全均勻的收縮只會導致成品的尺寸變小,造成翹曲形成的主因是由於成品在射出製程中,熔融塑料流動方向與流動垂直方向的成形收縮率不同,造成固化後殘留應力直接影響成品收縮狀態而成,如圖2-13所示。

解決翹曲缺陷的方法,為降低射出壓力及射出速度,將冷卻時間、熔融溫度及模具溫度增加,讓模具在射出製程中能有效保持均勻溫度。

2-13. 成品產生翹曲之缺陷

(8) 龜裂

龜裂現象是指受到模穴內部的應力,或是外在因素緣故,因而發生成品破裂或龜裂的情形,如圖2-14所示。當所設定的成形條件相當差時,或是內部變形異常大時也會發生這種缺陷,但是主要原因是因為模具設計不良而產生凹陷,或是頂出機構設計不佳,均會產生此情形。

改善龜裂現象的方法,在射出製程條件中,可降低射出壓力及射出速度,增加模具溫度,即能有效改善此類問題。

2-14. 成品產生破裂之缺陷

(9) 毛邊

毛邊是由於成形設定條件不適當,使得成品出現多餘的溢料情形,如圖2-15所示,最主要是模具本身精度不良或剛性不足再加上射出成型機之關模壓力不足的緣故。

解決毛邊方法為將射出壓力、射出速度及熔融溫度向下作調整,並增加關模壓力。

2-15. 成品產生毛邊之缺陷

(10) 氣泡

在射出成型時,因為成品是逐漸由外側邊緣開始凝固,當保壓狀態結束時,由於外側已經固化,因此在保持表面不變的情形下收縮,而其在內部將會形成真空部分,即為氣泡或空洞,如圖2-16所示。

改善氣泡缺陷之方式,增加射出時間、射出壓力、射出速度,以及適度降低冷卻時間、熔融溫度、模具溫度及關模壓力。

2-16. 成品產生氣泡之缺陷

將塑膠射出成型常見之成品缺陷,以及各缺陷之改善方法表列作比較,如表2-1所示,其中符號〝+〞表示若欲改善該類型成型不良,需減少相對應之改善方法量,反之符號〝-〞表示當欲改善該類型成型不良時,需增加相對應之改善方法量。以凹陷成型不良為例,若欲改善凹陷成型不良,可透過增加射出時間、增加射出壓力,以及增加射出速度,同時必須降低熔融溫度。

2-1 塑膠射出成型常見之成品缺陷與改善方法比較表

成型不良   改善方法

射出時間

射出壓力

射出速度

冷卻時間

熔融溫度

模具溫度

關模壓力

充填不足

 

 

凹塌

 

+

 

 

銀絲紋

 

+

+

 

+

 

流痕

 

 

 

熔合線

 

 

 

光澤不勻

 

+

+

 

 

 

翹曲

 

+

+

 

龜裂

 

+

+

 

 

 

毛邊

 

+

+

 

+

 

氣泡

+

+

+

+

 

2.3 塑膠射出成型之最佳化數學模型

本論文之研究,以獲得最短之塑膠射出成型製程總時間為目標,最佳化數學模型之目標函數表示如式1.1及式1.2。然而由於關模步驟之時間()、開模步驟之時間(),以及成品頂出步驟之時間()與成品之幾何尺寸相關,於射出製程中均未對其作調整,因此,於本論文中亦將定為設計參數,分別改以符號表示;而對於較小幾何尺寸之成品,一般並不會設定保壓步驟之時間(),於本論文中亦將之設定為0,亦即。因此式1.1與式1.2之目標函數,可以改寫為:

 ....................................... (2.1)

於表2-1塑膠射出成型常見之成品缺陷與改善方法比較表中,改善方法為工程師面對射出成品缺陷時,所進行調整之製程變數,於本論文中,此7個製程變數即為最佳化問題之設計變數,說明如下:

A.     射出時間():螺桿推動塑料進入模穴所需要的時間。

B.     射出壓力():位於螺桿最前端,將熔融塑料注入模穴所使用之壓力。

C.    射出速度():塑料進入模穴的速度。

D.    冷卻時間():經過射出充填階段之後,成品保持靜置凝固的時間。

E.     熔融溫度():是指位於螺桿注入模穴最前端的射嘴溫度。

F.     模具溫度():整個模具的平均溫度。

G.    關模壓力():阻止射出壓力將模具撐開的保護力量。

元智大學機械工程研究所魏綸群碩士論文「塑膠射出成型製程時間最佳化設計

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