塑膠射出成型進階教程 诚信机械技术网 www.cxjx8.com
塑膠射出成型進階教程 目 錄 第一章:射出成型原理探討 第二章:安定成型的參數設定 第三章:低壓成型技術概述 诚信机械技术网 目 錄 第一章:射出成型原理探討 第二章:安定成型的參數設定 第三章:低壓成型技術概述 诚信机械技术网 www.cxjx8.com
塑膠射出成型進階教程 第一章:射出成型原理探討 1.前言 熱可性塑膠加熱熔解后 在塑形過程中及完了後又漸漸冷卻至定形, 這幾 乎是所有塑膠成型加工法的必要程序. 受熱熔解 ,冷卻固化, 意味著塑膠分子鏈團的被解開與再集合, 但射出成型 加工的過程,絕非如此而已,它必需在模腔被充滿後, 為補嘗冷卻後的容積收縮, 而在塑料尚在高溫時, 适時適量地補充注入. 一定容積的模腔,要擠入較多的塑料, 必定對熔融的塑料形成壓縮, 壓縮使 塑料產生抵抗(模腔內壓), 在抵抗仍然存在的時間內适當的保持壓力的對抗(避 免模腔內塑料逆流)是不可避免的. 模腔的充填速度如果太慢 , 則因塑料溫度的降低(流動阻抗增加), 有可能 使充填無法完全(短射), 或充滿後的壓縮變成困難, 但充填速度太快,則又容易形 成外觀上不良的等問題. 綜上所述,溫度, 壓力, 速度, 時間和量等五大參數, 對射出成型工程的影響是 我們所必需探討的. 诚信机械技术网 www.cxjx8.com
塑膠射出成型進階教程 第一章:射出成型原理探討 2.壓力--比容積--溫度 (1)塑料的熱舉動 觀察因溫度變化,塑料的轉態及比容積的變化,熱可塑性塑膠可分為 兩大鼉----不定 形(amorphous)及結晶性塑膠.(partially crystalline) 結晶性塑膠在低溫形成的緊密而規則的分子鏈纏集結構(結晶區域), 必需被加溫到熔解溫度(TM)以上,分了鏈鏈才會散開如同下定形塑膠,這時 它才發生熔融而能流動,射出成型的充填和壓縮也必需在這個狀態下完成 不可. 液態 比容積(v) 橡膠態 玻璃態 部分結晶 Tg Tm 溫度 诚信机械技术网 www.cxjx8.com 溫度--比容關係圖
塑膠射出成型進階教程 第一章:射出成型原理探討 (2)受熱下的熱舉動 射出成型過程中,塑料的比容積除因溫度變化而隨著改變外,也會因受 到壓縮而改變,它們之間的關係如圖: 1.2 壓力 300 比容積 1.2 比容積 1.1 600 900 壓力 1200 1.1 1.0 300 1500 600 1.0 0.9 800 1000 0.9 0.8 0 50 100 150 200 250 0 50 100 150 200 250 溫度(0C) 溫度(0C) 不定形塑膠p-v-t示意圖 結晶性塑膠p-v-t示意圖 诚信机械技术网 www.cxjx8.com
塑膠射出成型進階教程 第一章:射出成型原理探討 檢視p-v-t圖,必需要加以注目的就是,無論不定形塑膠或結晶性塑膠,其軟 化或熔解的溫度都會因受壓程度愈大而形成愈高,因此,加工溫度的設定不能只 考慮塑料在加熱筒內的熔融而已,必需也要將在模腔內被壓縮的因素也一並考 量. 尤其,結晶性塑膠的溫度一降到Tm以下時,就會由熔融狀態再度形成結晶 的結構,使得流動阻抗大幅的上升,甚或不能流動. 在熔融狀態下的塑料,具有相當大的可被壓縮性,以大部份射出成型機的 能力而言,強制地將過剩的塑料壓擠入模腔,內並非難事,在暈樣條件下,成型品 將會殘留相當大的內部應力下被冷卻固化,當然如此一來,成型品的性能將受到 影響,如受些許外力或受化學藥品的作用,容易受到破壞,甚者在開模離型的瞬間 就會發生破裂. 诚信机械技术网 www.cxjx8.com
塑膠射出成型進階教程 第一章:射出成型原理探討 (3).射出工程的p-v-t關系 在射出成型整個過程,塑料的壓縮程度(內壓),溫度的變化和其比容積 的發跡是一直互動的,我勻可以下述的過程來說明: 充填(Filling) 熔融的塑料開始被注射,直到模腔剛被充滿的階段. 這一階段,熔融塑料因流路阻 抗而輕微受壓縮,內壓緩慢上升,一 般而言較低的料溫.較低模溫,較長 流路,較薄的肉厚以及較慢的充填, 都會使流路阻抗較大,而使內壓的 上升較快.同時,這一階段由於熱料 不斷的湧入,所以在模穴的同一位 置,其料溫可視為不變,塑料的比容 積因內壓的輕微上升也緩慢的增 加. 最後進入模穴的塑膠 料溫 最先進入模穴的塑膠 壓縮結束 時間 充填開始 诚信机械技术网 www.cxjx8.com
塑膠射出成型進階教程 第一章:射出成型原理探討 壓縮(Packing) 充填結束,模穴內塑料比容積仍高,(密度低),所以必需再繼續壓擠追 注的過程. 壓縮階段在一定容積的模腔里,塑膠被不繼的壓擠,所以內壓急劇的上升, 其上升的程度主要由壓補塑料的量來決定,壓縮的量不僅影響內壓的上升,也 影響成型品的尺寸及性能. 在這一階段,熱料仍繼續進入模腔,如果其時間不是太長,則模穴同一位置 的料溫也僅輕微下降,塑料的比容積主要是因內壓的急劇上升而大幅上揚 诚信机械技术网 www.cxjx8.com
塑膠射出成型進階教程 第一章:射出成型原理探討 保持(Holding) 當模穴內塑料被適當壓縮后,應立將注射的壓力降低,以防過量,但如降 得太低,則因模穴內塑料沿處高溫高壓狀態,將發生逆流,所以必需仍以適當 的壓力加以對抗,直到入澆口冷凝封住的過程. 在保持的過程,熱料不再(或極微量)進入模穴,所以料溫較快的冷卻,模穴 內壓大致依據下式所代表的原理,逐步下降低: (P+A)(V-W)=R’T 式中P:表模穴內壓. V:表塑料比容積. T:表塑料溫度. A,W及R:是和塑料分子結構有關的系數 诚信机械技术网 www.cxjx8.com
塑膠射出成型進階教程 第一章:射出成型原理探討 在保持的,塑料的比容積已因被壓縮,僅因自然的冷卻收縮而幅 減少,模穴內壓主要是隨料降低而下降,也就是說取決於模具的冷卻 狀況 由於模穴內壓隨著冷卻逐下降,所以保持也應該相對地漸漸降低 否則將形成再壓縮的現象,而且當入澆口已冷凝封住(即使模穴內塑料 仍是較高的溫度),繼續的施以保持壓力,將成為無效 诚信机械技术网 www.cxjx8.com
塑膠射出成型進階教程 第一章:射出成型原理探討 t1 t2 t3 t4 P=Pa t4 t3 t2 熔膠推進和模穴內壓的形成 模穴內壓 靜壓損失 t4 P=Pa Pa t4 動壓損失 t3 t2 t1 Pb 流動距離 熔膠推進和模穴內壓的形成 诚信机械技术网 www.cxjx8.com
塑膠射出成型進階教程 第一章:射出成型原理探討 射出工程中熔融体P-v-T關係示意圖 內壓 時間 壓力(p) 1 2充填 2 3壓縮 溫度 4 5 3 射出工程中熔融体P-v-T關係示意圖 內壓 6 4 時間 2 1 時間 1 壓力(p) 1 2充填 2 3壓縮 3 4保壓 5 開模 6 收縮至常溫 比容積 2 5 4 6 3 Gate sealing適當溫度 诚信机械技术网 www.cxjx8.com 溫度(T)
塑膠射出成型進階教程 第一章:射出成型原理探討 PD: A點和C點間,在充填結束時的 動壓損失. PS: A點和C點間,在壓縮后的靜壓 B C A 內壓 B 2 Ps C A B PD 1 C 1.充填完了 2 .壓縮后 距離 A Ps B C PD C B A 诚信机械技术网 www.cxjx8.com V Temp
在168小時以後,成形品的寸如再繼續發生變化,這時就 稱為後收縮,一般以Ns表示.後收縮的發生,尤其以結晶性塑 塑膠射出成型進階教程 第一章:射出成型原理探討 3.成型收縮解析 (1).成型收縮與後收縮. 控DIN16901的定義,在成型後的24~168小時內,並于23 2度的環境 下,量測成形品對其模型尺寸差異量的百分比,稱為成形收縮率. Mw-MF Vs= *100% Mw Mw: 模型的尺寸 M f: 成形品的尺寸 在168小時以後,成形品的寸如再繼續發生變化,這時就 稱為後收縮,一般以Ns表示.後收縮的發生,尤其以結晶性塑 膠更為顯著(也稱為後結晶),後收縮是因為很多复雜原因出 現,但一般可以較高的模溫,或是成形後加以適當的熱處理來 減少. 诚信机械技术网 www.cxjx8.com
塑膠射出成型進階教程 第一章:射出成型原理探討 v vm vf (2).比容積和收縮的關係. 在成形品的某一特定位置,其成形過程及成形後的p-v-t關係假設如圖,則 在該位置的體積收縮率可如下: 壓力(p) v vm Sv vf 目標收縮率 Gate sealing適當溫度 溫度(T) 期望比容積 Vm Vm-Vf m(v M-v F) v F Sv(體積收縮率)= = =1- Vm m v M V M 诚信机械技术网 www.cxjx8.com
塑膠射出成型進階教程 第一章:射出成型原理探討 在開模瞬間,成形品的容積可視為約等於模型的容積 ,所以VM(模型的 容積)等於成形品的重量m乘 以開模當時的比容積v m. 當成形品經完全冷卻收縮,其比容積由v M降低到VF(密度增加),可是其 重仍然是不變的,,所以收縮後的成形品容積 VF就等於m乘以V F. 而V F是塑料在常溫安定時的比容積,可視為一定,所以體積收縮率就成 為是由VM的大小來決定的,開模時,成形品的比容積愈大,則其體積收縮就愈 大. 由前面的知識我們可知在開模的瞬間,成形品的不同位置有不同的比容 積,所以各位置的收縮率當然也各自不同,一般而言,離澆口愈近,開模時的比 容積愈小,所以其收縮率也愈小. 成形品的不同位置,收縮率不相待的現象,也是使成形品容易變形變形的 主要原因之一,所以如何讓成形品各位置比容積的差異減小,是成形技術探討 的很重要課題. 事實上,使成形品不同位置有不同的收縮,也不只是比容積分佈的差異而 已,其他如射出後的塑料分子配向,模溫的分佈(影響冷卻的快慢),成型品的形 狀等等也都影響收縮的異至巨 诚信机械技术网 www.cxjx8.com
塑膠射出成型進階教程 第一章:射出成型原理探討 (3).比容積變化的要因分折 開模時比容積的大小,決定成形收縮率已如前述,因此為正確地設定成 形工程參數,必需先探討其影響要因: 保壓切換時机 太遲----產生很高內壓,如鎖模力足夠,則發生過度的充填,收縮減少,尺寸增 大. 太遲----如鎖模力不足,模具將被頂開,內壓因而降低,也不致使成形品有太 小的比容積,但成形 品分離面將會有溢 料毛邊. 太早----在沿未足夠的壓縮, 就切換成保壓,則因 保持壓較低以及螺 杆前進速度也已減 緩,而使模穴內壓無 法再上,升形成比容 積較高 VA:期望比容積(開模時) 1.切換保壓太遲,過飽和. 2.切換保壓太遲,溢料. 3.太早切換保壓,壓縮不足 P 3 V 2 VA 1 诚信机械技术网 www.cxjx8.com T
塑膠射出成型進階教程 第一章:射出成型原理探討 保持壓力和保持時間 無論保持壓力太低或保持時間不足,都會使模穴內塑料發生逆流,而形成 比容積比期望值高. 如果保持壓力太大則會造成過飽和,而保持時間太長則為無意義的浪費. VA:期望比容積(開模時) 1.保持壓力不足. 2.保持時間不足. P 2 V 1 VA 诚信机械技术网 www.cxjx8.com T
塑膠射出成型進階教程 第一章:射出成型原理探討 冷卻速度 模溫如果設定太低,將使進入模穴的塑料冷卻太快,其影響說明如下: 1.在充填壓縮階段 因流動阻抗的增加,容易發生短射,接合線明顯,脆弱,流紋,表面失去光澤 等等不良現象. 同時,也可能使塑料提早發生收縮或結晶,由於收縮使分子鏈結合力提高, 對抗充填或壓縮壓力的結果,使產生較高的應力殘留. VA:期望比容積(開模時) 1.急速冷卻,阻礙了正常的收縮. 2.後收縮. P V 1 VA 2 诚信机械技术网 www.cxjx8.com T
塑膠射出成型進階教程 第一章:射出成型原理探討 2.在保持及冷卻階段 較快速的冷卻,阻礙了塑料正常的收縮或結晶,也就是說得到的成形品 的比容積將比正常的稍高(密度不足),所以尺寸較大,但由於其結構的不穩 定,日後或接触較高溫度後,將再發生後收縮. 以低模溫盛開的產品,除容易發生立可崢的外觀不良外,其充填應力的 殘留或收縮的不全,是使成形品發生裂紋,變形,彎曲及性能低劣的最重要 原因 诚信机械技术网 www.cxjx8.com
塑膠射出成型進階教程 第一章:射出成型原理探討 4.不均勻對策 成形品的形狀,模溫分佈,成形品的總體分子配向以及成形品各位置的 比容積分佈是使成形品無法均勻收縮的主要原因,後者之對收縮的影響已 如前述,現僅就前三者對收縮說明如下: (1)成形品形狀的影響 肉厚--肉厚增加,則收縮也相對加大. 端部,邊沿,薄肉部--在仍受壓縮之階段,就已先行固化,收縮率較小. 流路長度--離澆口愈遠,壓力損失愈大,所以收縮也愈大. (2)模溫分佈的影響 一般而言,模溫較高部位,由於較慢收縮,所以收縮會較大,但如因而改 善壓力的傳達者,相反地收縮率會減小,尤以離澆口較遠部位更為顯著. (3)分子配向的影響 塑料的分子鏈在流動場中,受流動切割力的影響,會形成沿流動方向的 排列,這樣的排列會在受壓結束後,發生鬆弛. 因為受分子配向及鬆弛的結果,使得沿流動方向的收縮率會大於垂直方 向,但如果塑料加有無機纖維,則因無機質收縮較小 之故,視其添加量的多 寡,有可能形成的狀況. 诚信机械技术网 www.cxjx8.com
塑膠射出成型進階教程 第一章:射出成型原理探討 模腔內壓傳達的改善 因此容積分佈引起的收縮不均,當其對策方法應由減小比容積差異來著手, 其方法和原則大對有以下二者: (1)改善模穴內壓的傳達 提高充填速度模溫或加 大澆口,都可使塑料在模穴的 流動或壓縮,其壓力損失,因而 使模穴各部位的內壓分佈較 一致.(比容積分佈也較一致) 惟模溫及澆口的提高或 加大,勢必延長保壓及冷卻的 時間,而較快的充填速度,也需 避免引起外觀或結構上的不 良(如毛邊,流痕,噴痕等) T1 T2 P V2 V C C’ A V1 大澆口或高模溫 小澆口或低模溫 P 模腔內壓傳達的改善 诚信机械技术网 www.cxjx8.com 充填速度
塑膠射出成型進階教程 第一章:射出成型原理探討 (2).逐步降低保壓法 保壓設定對比容積變化的影響 P A V C Vc VA3 3 VA2 時間 1 1 P1 P2 射出壓力 Temp P1 2 P2 1.成形品不同位置密度差異大. 2.保壓逐步下降,可使不同位置的密度差異減少. 3.保壓時間大幅降低,可使不同位置的密度差異減 少,但澆口附近部位因材料逆流而發生凹不足. P3 P4 3 P1 P2 诚信机械技术网 www.cxjx8.com 保壓設定對比容積變化的影響
塑膠射出成型進階教程 第一章:射出成型原理探討 當壓縮切換至保壓后,模穴內 壓將隨著料溫的降低而漸漸減低, 如保壓一直保持一定(如上圖之1), 則勢必使塑料繼續壓入模穴,這時 因為離澆口部位已漸冷卻固化,多 餘的塑料大體均擠在離澆口較近 部位,因而使比容積的差異更加擴 大. 為避免多餘塑料的繼續壓入, 如果將保壓時間縮短(如上圖之3), 雖可減少比容積分佈的差異,但因 澆口附近的逆流,將使該部位發生 凹陷或尺寸不足. 收縮不均勻所導致的尺寸差 異,可以由模具的祉正加以解決(如 能正確掌握其差異量,並能保持安 定的話),但因而形成的凹陷,變形, 彎曲卻不是簡單可以解決的. 加工條件 效 果 收 縮 提高熔融溫度 1.增加材料的膨脹 2.改善壓力的傳達 (1) (2) 提高模溫 1.表面硬化較慢 2.改善壓力的傳達 (1) (2) 提高充填速度 改善壓力的傳達 提高保持壓力 較充份補充收縮的容積 延長保持時間 1.在澆口冷卻封住前 2.在澆口冷卻封住後 澆口加大 減少壓力損失 诚信机械技术网 www.cxjx8.com
塑膠射出成型進階教程 第一章:射出成型原理探討 4.熔融體的流動 1.非牛頓粘性和分子配向 有理論說,高分子熔融體的粘度和它的分子鏈纏繞程度相關,當溫度降低 或受到壓縮,熔融體的自由體積減少,分子鏈纏繞增加,所以粘度提高. 聚合物熔融體和一般流體不一樣的,就是在流動場中它的分子鏈纏繞也 受延伸力或剪切力的作用減少,所以粘度也會降低,此稱為非牛頓粘性現象. 在流動場中,剪切力不僅使聚合物熔融體的粘度降低也使分子鏈沿流動 方向排列此稱為分子配向. 分子配向使成形品產生在不同方向會有性質及收縮上的差異. 牛頓流體 粘度 非牛頓流體 剪切速率 诚信机械技术网 www.cxjx8.com
塑膠射出成型進階教程 第一章:射出成型原理探討 流動場中分子鏈受剪切力的作用 延伸 剪切 熔融體的流速分佈 诚信机械技术网 www.cxjx8.com
塑膠射出成型進階教程 第一章:射出成型原理探討 2.粘彈性及分子配向的鬆弛 高分子化合物由於分子鏈的結構,使得它不僅具有粘性也兼帶彈性,粘性 存在,使得受力流動會有能量的損失,而彈性的存在,使得它受力時也會將部份 能量儲存,伺機再釋出而發生所謂的回復. 在射出成形的過程,融體受力延伸,受剪切力發生分子配向或受壓縮密度 提高,這些現象都會在外力消失時,因彈性回復而鬆弛. 分子配向 鬆弛 分子配向的鬆弛 诚信机械技术网 www.cxjx8.com
塑膠射出成型進階教程 第一章:射出成型原理探討 所謂鬆弛(Relaxation),事實上就是所受的應力再釋出回其最安定 的原狀,可是如果射出壓力的時間較,長或因熔融體溫度的降低,則鬆弛 是無法完全的,而成為有應力殘留及有方向性的成形品. 這种受壓制時間較長,而失去鬆弛能力的現象,也稱為“記憶消退”, 記憶消退愈嚴重,則成形品的體配向及應力殘留也就愈嚴重,而射出時間 較長,模溫低,流路長,肉厚較薄及塑料粘度高者會增長這種情形. 诚信机械技术网 www.cxjx8.com
塑膠射出成型進階教程 第一章:射出成型原理探討 3.充填和流動速度 射出機的螺杆,將熔融的塑料,經噴嘴注射簢模穴的速度稱為充填速度 (screw advance speed ,cm /sec),在機器上所能設定的射出速度即是. 當熔膠進入模穴,其波前(Melt front)推進的速度則稱為流動速度(Melt front velocity, cm/sec),如果充填速度保持固定,則流動速度和波前所含蓋的 截面積(Melt front Area)成反比. 3 Q(cm /sec)=V(cm/sec)*A =V1 A1 =V2 A2 3 Q V1 在模穴內的流坳速度和其波前截面積 息息相關,所以當熔膠通過澆口或狹窄 的流,路必需充填速度,以避免熔膠高束 的噴射,反之通過寬廣的通,路則必需提 升充填速度,以避免熔膠的流動太過於緩 慢,基本上射出速度即應以此原理來設定. V2 A2 A1 诚信机械技术网 www.cxjx8.com
塑膠射出成型進階教程 第一章:射出成型原理探討 4.射出壓力和充填速度的關係 在進行充填及壓縮的過程,大量的熔膠經由噴嘴,流道而一路被注射模腔 ,這時如沒有足夠的充填壓力(一般稱為一次壓力或射出壓力),則熔膠將因流阻 的增加,而使充填速度急劇下降. 熔膠的充填能夠依據所設定的充填速度,稱為機控流動(Machine-control Folw),而因壓力不足,使得流坳受到阻抗所左右,則稱為模控流動 (Mold control folw), 為了掌握射出工程的控制權,充填壓力的設定宜高不宜低. PH(a) PH PH(b) Q 希望的速度曲線 射出壓力的上升曲線 Q設定值 (a) 充填速度(Q) (b) PH設定值 螺杆前進方向 诚信机械技术网 www.cxjx8.com 射出壓力PH
塑膠射出成型進階教程 第一章:射出成型原理探討 射出油壓(PH)因螺杆向前推進時,所感應的陰力而上升,而這阻力可以因 料溫,模溫的較低,塑料的高粘度,流路的較長,肉厚較薄以及快的充填速度等 因素而顯現較大. 不同的充填速度 Q1>Q2>Q3 不同的油溫 Toil1 >Toil2 PH Q1 PH Toil1 Q2 Q3 Toil2 保持壓力 時間 時間 不同的料溫 TM1>TM2 不同的模溫 TC1>TC2 PH PH TM1 TM2 TC2 TC1 時間 時間 诚信机械技术网 www.cxjx8.com 射出壓力的影響
塑膠射出成型進階教程 第一章:射出成型原理探討 5.充填速度對模穴內壓的影響 一般而言,充填速度愈快,由於塑料在模穴內溫度降低尚不顯著時,即可 到達流路未端,所以壓力損失較小,模穴內壓的建立也較快. 壓力損失小,可改善內壓的分佈差異,而內壓的容易建立,則可以較低的 射出壓力進行所期望的充填和壓縮.而且充填的較早結束,可以獲得較充份 的分子鬆弛,對總體的配向程度的減少也會有所助益. 唯充填速度快,則易發生噴痕,流痕,排氣不良,焦痕,毛邊等不良問題. Q1 模內壓 PC Q2 PC Q3 大澆口高模溫 小澆口低模溫 P P P1 P3 P2 Q 時間 充填時間 诚信机械技术网 www.cxjx8.com 充填速度對模穴內壓的影響
塑膠射出成型進階教程 第一章:射出成型原理探討 6.充填時的一些現象 固化層的形成 熔合線的形成 固化層 低速充填 高速充填 澆口近處霧狀 氣痕 間隙 高度配向的固體層受流動剪切 力撕破 包氣 诚信机械技术网 www.cxjx8.com
第一單元完! 謝謝大家!!! 诚信机械技术网 www.cxjx8.com