材料與加工 授課者：郭鶴琳 班級：工設四日二A -100 101/3/8

成型技術 塑膠押出成型 射出成型 金屬射出成型 第03週

塑膠押出成型 第03週

塑膠押出成型 塑膠押出成型 (或稱 塑膠擠出成型) 具(相同幾何斷面)連續長度的成品由單一材料以塑膠押出製程製作，或由多種材料利用共押出製程生產，這些都是大量生產的製程，用來製造窗框、排水溝管、襯墊、膠帶、薄片薄膜等，許多種類熱塑性塑膠及彈性體都可利用塑膠押出成型。 第03週

Solidified part cut to size 硬化成品裁切 塑膠押出成型 什麼是塑膠押出成型(擠型)? 與射出成型(見課本38頁)相同，聚合物顆粒狀成型材料(塑膠原料)由料筒餵入機器(進料)，在合成槽內同時被加熱、攪拌然後由螺桿以旋轉方式推向模具(擠出)。 熔化的塑膠受高壓推擠後流動穿越模具截面輪廓成型，經過密封的冷卻水槽後聚合物硬化成型，再經履帶或定型滾輪拉伸後成品完成。 薄膜及薄片押出成型在冷卻成型過程以冷卻滾輪取代冷卻水槽，這樣對控制工件肉厚與加上表面紋路有利，押出成型後成品依材料柔韌性與應用性，可按所需長度裁切分段或捲曲成卷。 Solidified part cut to size 硬化成品裁切 Motorized screw and hydraulic ram 動力螺桿與液壓缸 Hopper 料筒 Polymer granules 顆粒狀聚合物 Heater bands 加熱圈 Die 模具 Cooling process 冷卻工序 Pulled through 拉伸 第03週

塑膠押出成型 Notes for Designers 給設計師的提醒 品質 押出成型的表面通常是半亮面，這取決於押出成型材質特性與冷卻程序，共押出成型的多重材料於成型模具內熔合，所以形成一種強固而緊密的結合，共押出成型最多可押出五種材料，它的應用通常在於例如改變單一材質的抗紫外線(Ultraviolet簡稱UV)特性、增加柔軟觸感或提供防水與水密特性。 材料 大部份熱塑性塑膠可利用押出成型。 一般應用 押出成型的成品長度不受限制，經常應用於營建產業生產排水管及門框，其他例如，塑膠管材、薄膜、膠帶、薄片與電線皮膜等都利用押出成型生產。 環境衝擊 押出成型所產生熱塑性塑膠廢料可直接回收，大部份回收材料具有多用途，惟禁止使用於醫療及飲食產品上。 成本與生產速度 模具費用中等遠低於射出成型，成型速度快一旦機器啟動，連續性的直線流程快速展開，人工成本相對低廉，當然，人為操作越多的制程成本越高。 第3週

塑膠押出成型 押出成型截面構造 當成品肉厚相對一致且截斷面線條構成是延續不中斷時，塑膠押出成型可以具有許多構造型式與顏色，大型截斷面工件可將內部中空化設計，在成型模具中置入銷或心軸，共押出成型可押出多重材料及包覆押出在硬質基材上，例如電線內的金屬。 第03週

塑膠押出成型 Case Study 案例研究 押出成型窗框 第03週 (圖1) (圖2) 提供廠商 Ajin www.ajinpre.com 這是個家用窗框，由聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride簡稱PVC)押出成型，其中兩件主要零件(如圖1)。 聚氯乙烯材料顆粒(如圖2)先乾燥後置入料筒(儲料)，當材料進入合成槽內時由螺桿以旋轉方式推進(進料 >混料 >壓縮)，並經合成槽內可分別控制各區域溫度的加熱器準確加熱(如圖3)。 模具由工具鋼製成能承受高溫，通常模具由兩部份組成，圖示為組成兩部份中的上半部(如圖4) 。 複雜的成型截面具有倒勾與中空工件，模具不僅構造更複雜其製作費用也更高。 成型中的塑膠工件被推向模具，同時也被拉伸以維持均勻肉厚與防止成品外觀輪廓塌陷變形(如圖5)。(押出) (圖2) (圖3) (圖5) (圖4) 第03週

塑膠押出成型 關聯工法 押出吹膜成型(Blown Film Extrusion) 共押出成型(Co-extrusion) (圖1) (圖3) (圖2) 第03週

射出成型 射出成型 射出成型是塑膠製品大量生產最重要的應用技術，它被用以生產種類極為繁多的日常生活用品，它能成型複雜形狀且尺寸差異大的產品，從大件的家具到很薄的小玩意兒。 第03週

射出成型 什麼是射出成型? 顆粒狀聚合物(塑膠原料)由料筒餵入混料槽內(進料)，同時加熱與攪拌並藉由內部螺桿旋轉擠壓，將熔融狀聚合物移向模具(壓縮)。 熔融狀塑膠經由注料口以高壓射入模穴內。(射出) 退出成品時(退模)模具先分離，接著模仁後縮移動，藉由模穴內設置之退模頂針，將成品與模具表面分離。(頂出) >> 夾出 >> 定型 >> 去毛邊 >> 檢查、包裝。 模具與模仁通常由鋁材或鋼材由機械加工成型，少數模仁由青銅加工製成，青銅的熱傳導能力遠優於鋁或鋼。(鈹銅) 花費較低的射出成型模具通常由公模與母模兩部份組成。 第03週

射出成型 Notes for Designers 給設計師的提醒 品質 高壓成型能確保成品表面品質、細節與極重要的優良重製性，缺點部份由於高壓成型後塑膠凝固時較易縮水變形。 材料 大部份熱塑性塑膠都可應用於射出成型，部份熱固性塑膠、金屬粉末與陶磁粉末也可利用射出成型。 一般應用 射出成型成品應用在所有的商品市場，特別是在汽車、產業與家庭用品，包括產品如購物籃、文具用品、庭院家具、鍵盤及消費電子產品外殼等。 環境衝擊 熱塑性塑膠廢料產生於射出成型可直接回收利用，有一些射出成型應用可容許使用最多50%的回收料，然而，醫療用品及食物容器則需要使用較多的一次原料(virgin material)。 成本與生產速度 模具費用高並依其設計複雜程度而定，加工成型時間一般約30至60秒之間，人工成本相對較低，但是，屬於人力操作密集的模具準備與脫模部份則會相對增加成本。 第3週

射出成型 射出成型之特殊製程 (二次加工(塗裝/整形/除料……)/雙色射出/多色射出……) 數位電視盒面板(如下圖左) 不同顏色的面板由同一射出成型成品，利用噴漆塗裝以完成高品質表面處理，高亮度的表面處理除噴漆塗裝外，也能直接於射出成型時完成，但是模具成本較高。 射出成型電視面板(如下圖中) 射出成型可製造複雜單件成品，從大型汽車擋泥板到小玩意兒，這件電視面板由單一材料射出成型，面板表面經遮蔽技術由噴漆塗裝成黑色與銀色，以符合色彩對比的設計要求(如下圖右)。 第03週

射出成型 Case Study 案例研究 射出成型數位電視盒 第3週 www.youngsungtis.co.kr 消費電子產品零件射出成型通常是全自動化的，聚合物被熔化攪拌後射入模穴中，當模穴被填滿且聚合物完成固化後，由兩部份組成的模具打開(如圖1)，成品由模內退模頂針協助脫模(頂出)，並由機械手臂夾持移開(如圖2)(夾出)。成品被放置於輸送帶上(如圖3)，預備接下來噴漆塗裝成金屬粉銀色(如圖4)後組立(如圖5)。數位電視盒由許多零件組成(如圖6)，所有塑膠零件均由射出成型製作。 (圖1) (圖2) (圖3) (圖6) (圖4) (圖5) 第3週

射出成型 什麼是氣體輔助射出成型? 氣體輔助射出成型使用經改造的射出成型設備，第一階段，熔融狀塑膠射入模穴內但未完全填滿，第二階段，氣體接著被射入模穴內並在熔融狀塑膠內形成氣泡，然後由壓力迫使充滿整個模穴，塑膠與氣體射出循環重疊，這樣的安排能使成品保持均勻肉厚，因為當更多的塑膠注入模穴內時，空氣壓力會猶如具黏性氣泡，推動熔融狀塑膠在模內移動，而氣泡會在模內狹長與窄的各部位維持均壓，成品肉厚可達3毫米(0.118英吋)或更厚。 模穴局部填充 中空氣室 修改射出成型設備 射出延續 氣體射出 第一階段:射出成型 第二階段:氣體射出 第03週

射出成型 氣體輔助射出成型範例 範例中看到的是一段被切下的Magis公司Air桌桌腳，顯示出兩種製造技術，第一種是氣體輔助射出成型用來成型中空的結構，第二種製造技術是薄肉厚的整體表層，表層的單純聚丙烯與內層添加玻璃纖維的聚丙烯之間涇渭分明，使用兩種材料的主要理由是，產品表面的美感要求以致無法添加玻璃纖維，另一方面，單純聚丙烯材質卻無法滿足座椅結構強度要求。 Magis Air椅 Air椅由傑士伯‧莫里森(Jasper Morrison)設計，自2000年開始在意大利生產。 中空氣室 修改射出成型設備 第03週

射出成型 Case Study 案例研究 第03週 氣體輔助射出成型Magis Air Chair www.magisdesign.com 氣體輔助射出成型製程約3分鐘，聚丙烯(Polypropylene，簡稱PP)被射入分為兩部份的模具內(如圖1)，接著射入空氣，空氣會在模具內熔融狀的聚丙烯內形成氣泡，模內空氣壓力會將聚丙烯推向模穴內各處而不產生漏洞，待冷卻後模具分開，椅子被移開(如圖2)後放置於輸送帶上(如圖3)。 氣體輔助射出成型技術製造出一張表面處理極佳的塑膠椅(如圖4)，它雖僅重4.5公斤(9.92磅)卻能承極高體重者使用。 (圖1) 中空氣室 (圖3) (圖2) (圖4) 第03週

射出成型 什麼是多重射出成型? 能同時射出成型兩種以上塑膠，稱為多重射出成型或包覆射出成型，多重射出成型能同時最多射出六種不同塑膠。 階段一，聚合物A與B同時被射入不同的模穴中，熔融狀的聚合物在壓力下融合能形成強固的結合。 階段二，模具開啟後成型後之聚合物A射出注入口移開，同時，在上模穴中射出成型完成成品脫模彈出，旋轉模座旋轉移動將成型完成的聚合物A對準上模穴，然後整個多重射出成型工序重新啟動。 (B旋至A穴位至等待射入A塑料) 聚合物A顆粒 聚合物B顆粒 移動與旋轉 模座 熔化聚合物A注入下模模穴 熔化聚合物B 射出包覆已定 型之聚合物A 靜置模座 成品退模 射出流道 (進料頭) 剪除 階段一:射出 階段二:退模 第03週

射出成型 二次射出成型範例 第03週 二次射出成型行動電話 這些行動電話零件通常由堅固的聚碳酸酯(Polycarbonate，簡稱PC)，或丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物(Acrylonitrile Butadiene Styrene，簡稱ABS)，與具彈性的熱塑性彈性體(Thermoplastic Elastomer，簡稱TPE)製造，這些材質的特性透過多重射出成型製造整合。 PC與ABS樹脂能提供產品硬度、強度與耐衝擊性，TPE樹脂則提供必需的特性如密封性(按鍵部份)與更進一步的耐衝擊性提昇。 第03週

射出成型 Case Study 案例研究 二次射出成型軟握把牙刷 第03週 提供廠商 Taekwang Techno www.tkmold.co.kr 二次射出成型程序同步發生，下層的模穴內填滿彩色的硬質PP，而上層的模穴則是已成型的PP半成品，被包覆射出成型一層白色的TPE，製造完成成品由上層的模穴脫模移出(如圖1)，然後模具旋轉180度(如圖2)，如此可將下層固化定型的PP半成品，對準後置入上層的二次射出成型模穴內(如圖3)。 成品在包裝完成後預備運銷(如圖4)，兩種材質(PP與TPE)均可改變顏色以豐富產品系列。 (圖1) 中空氣室 (圖4) (圖3) (圖2) 第03週

射出成型 預先印刷PC薄膜進料 階段1:薄膜置入 塑膠膜後射出 傳統射出成型設備 階段2:傳統射出成型 什麼是模內裝飾射出成型? 模內裝飾射出成型是利用射出成型時，同步將圖案裝飾應用於成品上，以省去未來例如印刷與塗裝等二次製程。 這個製程泛用於生產現在最新款的行動電話、相機及其他應用射出成型的小型產品。 階段一，預先印刷的聚碳酸酯(PC)薄膜在射出成型前被置入模穴內，薄膜的印刷表面向內，所以，在射出成型後印刷表面會受到成型塑膠的保護。 階段二，當熔融的塑膠被射入模穴後與PC薄膜結合(這個過程與多重射出成型相似)，薄膜與被射出成型的塑膠合成一體形成完美無縫的成品。 當模具表面並非平面或稍為呈弧面時，薄膜可利用熱成型作調整配合。 第03週

射出成型 二次射出成型範例 Luceplan 公司燈盤 Luceplan 公司燈盤由亞伯多‧梅達(Alberto Meda)與保羅‧雷薩多(Paolo Rizzatto)於2002年設計，利用模內裝飾射出成型讓燈具的散光板也能具有遮光效果。 Panasonic P901iS型智慧手機 由日本Yoshida Technoworks 公司提供，這些產品由模內裝飾射出成型製造，它能整合織物、金屬薄片與皮革，也可與一般傳統印刷效果結合。 第03週

射出成型 Case Study 案例研究 第03週 模內裝飾射出Luceplan 燈盤 www.luceplan.com 圖案裝飾與操作說明都包含於模內薄膜中(如圖1)，以省去未來的二次印刷，薄膜準備完畢後以徒手置入模穴內(如圖2)。 模具以600噸(601美式噸)液壓鎖固後射出成型開始(如圖3)，射出製程完成成品退模(如圖4)，接著成品於裝配前經目視檢驗(如圖5)。 中空氣室 第03週

金屬射出成型 金屬射出成型 這個成型製程結合金屬粉末冶金及射出成型技術，通常用來製造鋼鐵、不銹鋼、磁鐵合金、青銅、鎳合金與鈷合金等小零件，有一種相仿的技術稱為粉末射出成型，主要應用在陶瓷材料與金屬合成材料成型。 第03週

金屬射出成型 什麼是金屬射出成型? 以直徑通常不超過25微米(0.00098英吋)的細金屬粉末，混合20%比例的熱塑性塑膠與蠟粘著劑。 階段一，金屬射出成型工序與其他射出成型大致相同，雖然半成品約比加熱燒結後之最終成品，各部份尺寸約大20%，這是由於燒結定型時縮水所致。 階段二，半成品置入烤爐內加熱，讓其中的熱塑性塑膠與蠟粘著劑揮發移除。(脫脂) 最後階段將半成品再經真空爐燒結成型，這時半成品內用以固結細金屬粉末的多餘部份全部移除後，最後成品較半成品約縮小15–20%體積。調整配合。 加熱燒結 射出成型 澆注口 移動模蕊 冷卻水管 液壓鎖固推臂 模穴加壓充填 模具 加熱線圈 粉末成型件 烤爐與 壓力室 支撐板 第03週

金屬射出成型 Notes for Designers 給設計師的提醒 品質 就像射出成型，金屬射出成型利用高壓成型，能確保良好表面加工細節複製處理，更重要的是極佳的可重複性。 材料 含鐵金屬包括低合金鋼、工具鋼、不銹鋼、磁鐵合金與青銅。 一般應用 製造尺寸精準度與加工速度，非常適合於生產小零件，尤其，在航太、汽車及消費電子等產業的零組件製造。 環境衝擊 射出成型工序中產生的殘餘材料可直接回，半成品一旦經燒結定型便無法立即回收，不過，不良退件並不常見，因為通常到這階段成品大多尺寸準確。 成本與生產速度 模具費用高並依成品設計複雜度而定，射出成型部份約需30至60秒，移除固結材料與燒結定型約須2至3天，人工成本相對較低。 第3週

金屬射出成型 金屬射出成型樣品 金屬射出成型結合射出成型製程優點及金屬材料物理特性，能製造非常多樣構造的成品，如展示樣品範例中所見。無論如何，成品尺寸是重要考量，通常，重量範圍由0.1克to100克(0.0035–3.53盎士)，或尺寸長度達150釐米(5.91英吋)，上述限制主要與燒結製程考量有關，因為製程移除熱塑性塑膠與蠟粘著劑等固結材料，造成成品大幅縮水，大型及高肉厚的成品在加熱燒結製程容易扭曲變形。 第03週

金屬射出成型 Case Study 案例研究 金屬射出成型嵌齒 第03週 (圖1) 提供廠商 Metal Injection Mouldings www.metalinjection.co.uk 金屬混合粉末與熱塑性塑膠及蠟粘著劑等，在射出成型前預先成型呈顆粒狀(如圖1)，射出成型設備與使用於塑膠射出成型者類似(如圖2)。 射出成型之半成品具暗沉的淺灰色，一般被稱為‘綠色’階段，這些半成品由於含高比例金屬成份其沉重令人驚訝，接著被置入托盤堆疊後放入烤爐中(如圖3及4)。 在燒結烤爐中完全移除半成品中固結材料，高溫同時讓金屬粒子融合在一起，最後成為質地堅固極少孔隙的金屬成品(如圖5)。 (圖1) 中空氣室 (圖2) (圖4) (圖3) (圖5) 第03週

金屬粉末射出成型 什麼是金屬粉末射出成型? 金屬粉末射出成型 ( Metal Powder Injection Molding，簡稱 MIM)， 是一項結合塑膠射出成型、聚合物化學、粉末冶金與金屬材料科學等新製造技術，是由美國加州Parmatech 公司於1973年發明。近年已發展為粉末冶金產業中重要之一環並穩定地成長。是一種結合了塑膠射出及粉末冶金優點之成型技術。 原理： MIM利用微細金屬粉末，與黏結劑透過混合、混煉、造粒為射出成型原料，透過精密模具之射出成型為生胚，採用部分脫脂與真空脫脂燒結為粗胚，在經過熱處理、機械加工、表面處理等程序，製造高密度、高精度、複雜形狀之金屬結構零件。 第03週

金屬粉末射出成型 第03週 金屬粉末射出成型(MIM)之製程與優點 製程： 將微細之金屬粉末與高分子黏結劑混和加熱後，得到具流動性之射料，再經由射出機的射出成型及脫脂、燒結製程。 優點： MIM零件具備造型結構複雜、小零件、材質均勻、機械強度高、薄壁等優點。 可以自動化、大量地生產尺寸精密、且具複雜形狀之小型工件； 大部分MIM零件都是避免機械加工，只做熱處理、拋光、電鍍等處理。因此製程大大的減少傳統金屬加工的繁複程序與成本費用，因此在某些工業應用上具有一定的競爭優勢，目前已廣泛應用於機械、電子、汽車、鐘錶、光電、武器、生醫...等領域。 第03週

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