材料與加工 授課者：郭鶴琳 班級：工設四日二A -100 101/3/8.

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1 材料與加工 授課者：郭鶴琳 班級：工設四日二A -100 101/3/8

2 成型技術 塑膠押出成型 射出成型 金屬射出成型 第03週

3 塑膠押出成型 第03週

4 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

5 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

6 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

7 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

8 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 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

9 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

10 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

11 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

12 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

13 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

14 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

15 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

16 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

17 射出成型 Case Study 案例研究 第03週 氣體輔助射出成型Magis Air Chair
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

18 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

19 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

20 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 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

21 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

22 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

23 射出成型 Case Study 案例研究 第03週 模內裝飾射出Luceplan 燈盤
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

24 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

25 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( 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

26 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

27 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

28 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 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

29 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

30 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

31 END 感謝您的聆聽!!