射出成型

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1.螺桿擠出 2.料斗 3.顆粒 4.貼合組 5.加熱元件 6.模具
Injection Molding Machine
單色射出機。

射出成型是一種生產由熱塑性塑膠熱固性塑膠所構成的部件的過程。射出成型就是將塑膠(一般為粒料)在射出成型機的料筒內加熱熔化,當呈流動狀態時.在柱塞或螺桿加壓下,熔融塑膠被壓縮並向前移動,進而通過料筒前端的噴嘴以很快速度注入溫度較低的閉合模具內,經過一定時間冷卻定型後,開啟模具即得製品。這種成型方法是一種間歇操作過程。它包括兩個主要部分,一個注射裝置和夾緊裝置。射出機中的模具可以固定在水平或垂直位置。大多數機器是水平方向的,但垂直機器用於一些特殊應用,此過程類似鑄造,材料被注入到一個被加熱的桶,混合(由固態熔化成粘稠的液態)後被擠進鑄模。材料可以在鑄模(型腔)中冷卻凝固成鑄模的形狀。通常是由工業設計者或者工程師完成產品設計,射出用鑄模是由鑄模製造者(或工具(模具)製造者)所製造,通常是以一類的金屬製成,而所期望的部件的外形特徵由精密機械加工而成的型腔來形成。射出成型廣泛用於製造各種零部件(絕大部分的塑膠製品),從汽車的最小的部分到汽車的車身面板。

歷史[編輯]

在1868年,海雅特開發了一個塑膠材料,他命名為賽璐璐。賽璐璐已經於1851年由亞歷山大・帕克斯發明。海雅特改善它,使它能夠被加工為成品形狀。海雅特同他的兄弟艾賽亞於1872年,註冊了第一部柱塞式注射機的專利權。這個機器比我們現在用的機器相對地簡單。它運行起來基本地像一個巨大的皮下注射器針頭。這個巨大的針頭(擴散筒)通過一個加熱的圓筒注射塑膠到模具裏。

在20世紀40年代第二次世界大戰做成了對價格便宜、大量生產產品的巨大需求。,價格低廉,大量生產的產品。

1946年,美國發明家詹姆斯沃森亨德利建造的第一個射出機,這使得更精確地控制注射速度和質量產生的物品。本機還使材料混合注射前,使彩色或再生塑膠可被徹底混合注入原生物質。1951年美國研製出第一台螺桿式注射機,它沒有申請專利,這種裝置到現在還是持續在使用。

在20世紀70年代,亨德利接著開發了首個氣體輔助射出成型過程,並允許生產複雜的、中空的產品,迅速冷卻。這大大提高了設計靈活性以及力量和終點製造的部件,同時減少生產時間、成本重量和浪費。

設備[編輯]

機器[編輯]

射出成型機的分類[編輯]

射出成型機按外形特徵可分為立式、臥式、直角式、旋轉式和偏心時等多種,目前以臥式最為常用。按照工程塑膠在料筒中熔融塑化的方式來分,常用的有柱塞式和螺桿式兩種。柱塞式注射機由於存在塑化能力較低,塑化不易均勻,注射壓力損耗大,注射速度較低等缺點,近年來很少發展。目前應用最廣泛的是往複螺桿式注射機。

模具[編輯]

利用本身特定形狀,使塑膠(或聚合物)成型為具有一定形狀和尺寸的製品的工具稱模具。模具的作用在於:在塑膠的成型加工過程中,賦予塑膠以形狀,給予強度和性能,完成成型設備所不能完成的工作,使它成為有用的型材(或製品)。 對下同的成型方法,採用原理和結構特點各不相同的模具;按照成型加工方法把根具分為:壓制模具(壓模)、壓鑄模(傳遞成型模)、中空吹塑模具、真空或壓力成型模具、擠出模具(機頭,)及注射模具等。其中最主要的是擠出模具及注射模具。用於射出成型的模具,出於製品結構、成型設備及原材料性質的不同,其具體結構可以千變萬化,然而其基本結構都是一致的。注射模具主要由澆注系統、成型零件和結構零件三大部分所組成;澆注系統是指塑膠熔體從噴嘴進入型腔前的流道部分.包括主流道、分流道、澆口等。成型零件系指構成製品形狀的各種零件;包括動、定模型腔、型芯、排氣孔等。結構零件,是指構成模具結構的各種零件;包括執行導向、脫模、袖芯、分型等動作的各種零件。

影響的材料特性[編輯]

成型試驗[編輯]

最佳的品質和生產的射出成型,相關參數設置嚴重影響成本。

  • 保壓,以防止縮痕,持續時間應用的基礎上保壓壓力,越厚的一部分,保壓時間越長。反之越薄越短。
  • 冷卻時間,一旦開始注射階段已完成。熔化塑膠的溫度越高冷卻時間越長,越厚的部分產生的冷卻時間越長。

射出成型工藝條件[編輯]

射出成型最重要的工藝條件是影響塑化、流動和冷卻的溫度、壓力和相應的各個作用時間等。

溫度[編輯]

射出成型過程中需要控制的溫度有料筒溫度、噴嘴溫度和模具溫度等。前兩種溫度主要影響塑膠的塑化和流動,而後一種溫度主要是影響塑膠的流動和冷卻。

料筒溫度[編輯]

料筒溫度的選擇一般應保證物料塑化良好,能順利實現注射又不會引起塑膠分解。影響料筒溫度的主要因素有:不同種類塑膠的特性、塑膠製品的厚薄及形狀以及射出成型機的類型。

噴嘴溫度[編輯]

噴嘴溫度通常要略低於料筒最高溫度,這是為了防止熔料在直通式噴嘴發生流延現象。但是,噴嘴溫度也不能過低,否則將會造成填充壓力增加,或無法射出。

注射系統[編輯]

注射系統是射出機的主要部分,其作用是使塑膠均勻地塑化並達到流動狀態,在很高的壓力和較快的速度下,通過螺桿或柱塞的推擠注射入模。注射系統包括:加料裝置、料簡、螺桿(或柱塞及分流梭及噴嘴等部件。

加料裝置[編輯]

射出機上設有加料斗,常為倒圓錐形或錐形,其容量可供射出機1—2小時之用。很多射出機的加料裝置中有計量器,以便定量或定重加料;有的還有加熱或乾燥裝置。

料筒[編輯]

與擠出機的料筒相似,但內壁要求儘可能光滑,呈流線型,避免縫陝、死角或不平整處;各部分機械配合要精密。料筒大小決定於射出機最大注射量。柱塞式射出機的料筒容量常為最大注射量的4—8倍;螺桿式射出機因有螺桿在料筒內對塑膠進行攪拌和推擠作用,傳熱效率高,混合塑化效果好,因而料筒容量一般僅為最大注射量的2—3倍。料筒外部有加熱元件,可分段加熱,通過熱電偶顯示溫度,並通過感溫元件控制溫度。

分流梭和柱塞[編輯]

都是柱塞式注射機料筒內的主要部件。分流梭是裝在料筒靠前端的中心部分,形狀似魚雷的金屬部件。其種類很多,下圖所示為常見的一種。其表面常有4—8個呈流線型的凹槽,槽深隨注射機容量而變化,一船約為2—10毫米,分流梭上有幾條凸出筋;將其支承於料簡上,起定位和傳熱作用。

分流梭的作用[編輯]

分流梭的作用是將料筒內流經此處的塑膠分成薄層,使塑膠產生分流和收斂流動;以縮短傳熱導程,加快熱傳遞,有利於減少和避免接近料筒壁面處塑膠過熱引起的熱分解現象。同時塑膠熔體分流後,在分流梭表面流速增加,剪切速率加大,從而產生較大的摩擦熱,使料溫升高.粘度下降.塑膠得到進一步混合和塑化,這就有效地提高了柱塞式射出機的生產率和製品的質量。

   螺杆式注塑机通常不需分流梭,因螺杆的均化段已具上述效果

螺桿[編輯]

它的作用是送料、壓實、塑化、傳壓。當螺桿在料筒內旋轉時,將從料斗來的塑膠捲入,並逐步將其壓實。排氣和塑化,熔化塑膠不斷由螺桿推向前端。並逐漸積存在頂部與噴嘴之間,螺桿本身受熔體的壓力而緩慢後退,當積存熔體達到一次注射量時,螺桿停止轉動,傳遞液壓或機械力將熔體注射入模。螺桿的形式和結構與擠出機螺桿相似。 但注射螺桿的長徑比L/D較小,約在10一15之間,壓縮比較小,約為2—2.53,與擠出機螺桿比較.注射螺桿的均化段長度較短,螺槽較深(約深15—25%);但螺桿加料段長度則校長;同時螺桿頭部呈尖頭形(擠出螺桿為圓頭或魚雷頭形)。與擠出螺桿的作用相比,注射螺桿只起預塑化和注射兩個作用,對塑化能力、壓力穩定以及操作連續性和穩定性等的要求沒有擠出機螺桿那麼嚴格。同時注射螺桿既可旋轉又能前後移動,從而能完成對塑膠的塑化、混合和注射作用。推動螺桿或柱塞對熔融塑膠施加的壓力主要來源於液壓力或機械力,由於液壓傳動平穩、保壓好和可調節壓力等優點,故絕大多數注射機都採用液壓傳動。

噴嘴[編輯]

噴嘴是連接料筒和模具的重要橋樑,主要作用是注射時引導塑膠從料筒進入模具,並具有一定射程。所以噴嘴的內徑一般都是自進口逐漸向出口收斂,以便與模具緊密接觸。由於噴嘴內徑不大,當塑膠流過時速度增大,剪切速率增加,能進一步混合塑化。

射出過程、控制參數[編輯]

射出週期[編輯]

在成型週期區分5個主要步驟:[參 1]

整個程序中的一開始塑膠注入模具到塑膠完成品稱為射出週期。

1.模具合起。(合模)
2.然後注入塑膠到模腔充滿後,保壓保持用以彌補材料收縮。(填充)
3.螺桿旋轉,讓塑膠填充到待注室至滿載,讓螺桿退至後段已準備下一次注入模具所需塑膠的量。(保壓/計量)
4.一旦塑膠完成品充分冷卻。(冷卻)。
5.模具打開即可頂出塑膠完成品。(頂出)

時間函數[編輯]

所花費的時間,使產品採用射出成型計算:
模具打開 /關閉時間(2M)
+
注射時間(T)
+
冷卻時間(C)
+
頂出時間(E)

其中要找出T是要:
模具尺寸(V)/ 流動率(R)


總共時間 = 2M + T + C + E
T = V/R

V = 模腔尺寸 (in3)
R = 物質流率 (in3/min)

不同類型的射出成型過程[編輯]

公差和表面[編輯]

隱藏的成本要素,射出成型製品不可能跟機械加工製品一樣,雖然大多數人都意識到這一點,但還是常常被要求到無法達成的標準,或使模具成本效益變低,致使生產困難。成型誤差有一個指定的容許值,對差的參數,如尺寸、重量、形狀或角度等,以最大限度地控制在設定的公差通常有最低和最高限額的厚度。

模具類型 通常(英吋 可能(英吋)
熱塑性 ±0.008 ±0.002
熱固性 ±0.008 ±0.002

潤滑[編輯]

潤滑很重要

冷卻[編輯]

模具必須進行冷卻,以便為生產得以進行。由於相當廉價,所以水是作為初級冷卻劑來冷卻模具,水可以通過引導模具縮短快速冷卻時間。通常較冷模具更有效,因為這樣可以有更快的生產週期時間。但是,這不一定是正確的,因為部分材料太冷反而有反效果。[參 2]

加熱溫度要求[編輯]

在這個過程中所需的溫度取決於射出物品,不同材料之間使用,需求取決於「物質的比重,熔點,導熱係數,零件尺寸和成型率。下表將提到有關最常用的材料。

材料 比重 熔點 (°C)
環氧樹脂 1.12 to 1.24 120
酚醛樹脂 1.34 to 1.95 120
尼龍 1.01 to 1.15 194 to 265
聚乙烯 0.91 to 0.965 110 to 117
聚苯乙烯 1.04 to 1.07 170

添加劑[編輯]

添加劑有很多種,有潤滑劑、氧化防止劑、熱穩定劑、強化劑等等。部份原料必須加入添加劑才能做的出塑膠成品。

塑膠射出成品的缺陷與補救[編輯]

大部分問題的原因及對策大多數與周期的穩定有關。

成型上缺點,有些發生在機器性能、模具設計或是原料特性本身外,大部分問題可靠調整來解決。有些缺點及原因僅限於某些原因,有些缺點是同一原因之過與不及。[參 3]

充填不足(缺膠 /短射 / 走水不齊)
  1. 與射出機有關:降低射出速度並增加註塑壓力、噴嘴堵塞、噴嘴過小、塑膠計量過少、料管溫度低。
  2. 與模具有關:澆口位置不適當、結合方法;澆道設計;排氣不良、模具溫度過低、成品厚度太薄、包封。
  3. 與塑膠有關:塑膠流動性不良、潤滑不足。

調高料管溫度設定,放大進澆口尺寸,適當調整流道比例或尺寸,提高壓力和保壓。

縮水、凹陷

使用最快的射出速度使塑膠碰上模具表面已開始硬化,無法補充縮水。

  1. 降低射出速度並增加註塑壓力,模具排氣等
  2. 增加塑膠計量並提高射出壓或是增加保壓時間
  3. 降低模溫
  4. 提高保持壓力或填充壓力
末端焦黑

槽內空氣受到壓縮而產生高溫,若射壓不足則出現充填不足而提高壓力即出現燒黑。

  1. 改善氣孔
  2. 降低末端射速及塑膠溫度
  3. 避免使用再生材料
  4. 澆道加大
焦痕

充填過程中,殘留於模穴內的空氣會阻擋塑膠的充填狀況,被困在模穴內的空氣會因為受到塑膠加壓加熱而升溫,反而會讓其周圍的材料發生焦痕。

  1. 降低射出速度或射出壓力
  2. 降低溫度
  3. 減少二次壓時間
  4. 改善模穴排氣
  5. 變換澆口位置或增大其尺寸
銀線、氣瘡、噴射紋

成型品表面因射出時塑膠流動所產生銀白紋現象,這是塑膠內水分被壓縮而成氣狀,所以原料內水分乾燥完全就能防止發生。

結合線、接合線、熔合線、熔結線

塑膠流經孔穴時,經分割後再行結合,受空氣阻擋而產生,或是離型劑過多。

  1. 提昇塑膠溫度或將塑膠經孔洞之速度提高
  2. 提高模具溫度或使用流動性較佳等級之材料
  3. 增加射速及射壓
  4. 延長射出前進時間
  5. 改變料口位置,以改變樹脂流動,進而改變結合線的位置。
變形

通常是塑膠製品於太熱時脫模或是製品切面厚薄不均勻。

  1. 延長冷卻時間或是成品的切面厚薄一致。
  2. 均勻公母模的模溫。
  3. 確認成品頂出受力是否均勻。

產品應力較大,應減小壓力注射時間,加大射膠速度,改善冷卻

缺陷種類
缺陷名稱 說明原因 改善對策
成品表面不光滑 1.射出壓力太低
2.射出速度慢
3.模具模仁粗糙
1.增大射出壓力
2.模具模仁再次拋光
黑紋、黃點、黑點 1.原料過熱部份附著料管管壁
2.料管含有雜物
3.其他樹脂殘留
1.徹底空射
2.降低原料溫度縮短加熱時間
3.拆除料管清理
4.升高料管溫度使以分解之塑膠,並使之從管壁上鬆脫。
5.來源塑膠含有雜質
6.環境太髒
氣泡 1.成型品厚薄不一之情形造成
2.塑膠本身含水份揮發或添加劑因熱分解
1.增加射壓或背壓
2.增加保壓時間
3.充分乾燥塑膠
4.增加射出量
5.減少螺桿後退的位置
6.降低料管後部的溫度
7.增高模具溫度
8.加大料道(Runner)、澆口及料口的尺寸。
9.將料口移到內壁較厚的地方。
毛頭(披鋒) 1.充填過飽
2.不當的脫模設計如角度斜位及倒扣位
3.機台的鎖模力不足
4.縮短計量長度
5.保壓切換前射出速度降低
6.模具的PL面或是靠破不良
7.射出壓力太大
1.降低射出壓力時間速度及劑量
2.修改模具
3.更換較大頓數的機台
4.減少射出時間
5.確保正確切換
開模時或頂出時破裂 1.拔模角度不足
2.次料使用比例過多
1.拔模角度加大
2.降低次料比例
成品黏模 射出壓力過高射出時間過久,造成成品劑量過多 1..降低射出時間及射出壓力
2.減少射出計量
3.降低射速
4.減少二次壓力和時間
5.調整填充緩衝量使其保持一致(constant cushion)
6.加長閉模時間
7.降低模溫
8.檢查模具是否有脫模死角(undercut)或是脫模角(draft angle)不足。
澆口黏模 1.澆口位置不當
2.澆口斜度不當
1.更改模具
2.增加澆口斜度
3.澆口襯套拋光
流紋、流痕 1.塑膠過冷
2.模溫太冷
3.澆口太小
4.射壓過低射速過低,使成型品表面呈波紋狀
5.成品柱體造成結合線
6.原料不潔
1.增加塑膠溫度及模溫
2.增加射壓射速及增加排氣
檢查原料
螺桿打滑
(無法進料)
1.料管進料段溫度太低
2.背壓調整不當
3.鬆退行程不夠
1.料管進料段溫度升高
2.調整至適當的背壓
3.增加鬆退行程
4.更改射嘴大小
漏料
(流鼻涕
1.塑膠太熱
2.射嘴不合適
3.射嘴中心不準
4.重新對準模具灌嘴
5.背壓太高
6.降低背壓或鬆退
1.降低料溫或射嘴溫度
2.更換適合的射嘴
3.射嘴中心不準
4.重新對準模具進膠口
5.背壓太高
6.降低背壓或鬆退
脆化 1.射出溫度太高造成裂解
2.螺桿迴轉速度太快造成樹脂分子鍵斷裂
3.塑膠(Resin)乾燥不完全
4.回收二次料(re-grinding)加太多
5.回收料中含有其他材料
1.降低料管得溫度
2.降低螺桿迴轉速度
3.塑膠依據規格確實乾燥
4.減少回收二次料添加
5.添加回收料時應注意是否為同一材質塑膠
6.降低背壓

注釋[編輯]

  1. ^ 《射出成型的不良對策》,歐陽渭城譯,全華圖書,2007年2月,ISBN:978-957-21-5647-6,1-1頁
  2. ^ 《射出成型模具手冊》,歐陽渭城,全華圖書,1991年9月15日,ISBN:9572101587
  3. ^ 《射出成形寶典》,胡雲宏,財團法人塑膠工業技術發展中心,2008年7月31日,ISBN:978-957-30368-1-4


相關條目[編輯]

參考文獻[編輯]

  • 《塑膠物性入門》,陳世春 譯,復漢出版社
  • 《射出成型塑膠製品的生產》,劉大林 譯,大孚出版社

外部連結[編輯]