精密塑胶模具设计实务.docx
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精密塑胶模具设计实务
一、模具概論
模具必須具有堅固的”複製空間”結構體。
在操作中,它必須呈密閉空間以確保熱熔樹脂在射出壓力與速度下,填充並擠壓模腔空間時,不發生脹裂或溢料。
此外還需在適當的地方具有透氣孔,以便在射出填充的短時間內,能讓熔融樹脂快速的取代這個複製空間。
在成形週期末了,融熔樹脂已固化時,可依分模線處打開,在平行開模方向上,沒有任何嵌口(undercut)情況下,將成品頂出來。
1.模具的設計與製作流程
(1)決定模穴數
(2)決定分模線、流道及澆口
(3)處理嵌口部分及頂出方法
(4)模穴及心型材料及其加工方法
(5)溫度控制方法
2.熱流板(manifold)設計
(1)設計注意事項:
●流道直徑是否正確。
●加熱管直徑是否正確。
●加熱管的瓦特數(wattage)是否足夠。
●加熱管的分部位置是否均勻。
●加熱管與配合孔的鬆緊度是否適中。
●支撐塊柱的位置是否正確。
●支撐塊柱的大小是否正確。
●鋼材的選擇。
●熱電偶的擺設位置是否適中。
(2)熱流板的選用:
●熱流板所需之熱量計算
●樹脂溫度
●熱流板的熱處理
●熱流板形狀的決定
●熱流板尺寸的決定
3.塑膠材料
所謂塑膠是指分子量非常大(又稱高分子聚合物)的有機化合物,加上添加物後,以熱、壓力等,使其具有流動性而成為最終的固體狀態。
塑膠在化學構造的性質,大致可分為熱固性(thermosets)及熱塑性(thermoplastics)塑膠兩種:
(1)熱固性塑膠:
酚樹脂(電木)
尿素樹脂
三聚氰胺樹脂
多元樹脂(FRP)
環氧樹脂
脲脂樹脂
(2)熱塑性樹脂:
氯化乙烯樹脂(PVC)
苯乙烯樹脂(PS)
ABS樹脂、AS樹脂
丙烯酸樹脂(壓克力)
聚乙烯(PE)
聚丙烯(PP)
氟素樹脂
聚醯胺樹脂(尼龍)
縮醛樹脂
聚碳酸脂樹脂(PC)
纖維素系樹脂
二、熱澆道模具理論
1.何謂熱澆道:
在塑膠射出成形時,利用方法保持豎澆口(sprue),橫澆道(runner)之塑膠於融熔狀態,脫模時,仍保持在塑模中,此即謂熱澆道射出成形。
2.採用熱澆道的理由:
(1)成本:
因採用熱澆道時,無廢料產生,可大為降低材料成本及處理費用,又可縮短射出時間,降低成本。
(2)品質:
因使用小澆口,成品內應力小,外觀良好,又無二次料之循環使用,塑料不致劣化,各成形品溫度壓力一致,縮水率容易控制。
3.熱澆道成形的優點:
(1)橫澆道中的壓力損失小,可降低樹脂溫度,減低射出壓力。
(2)可用針閥作為射料完成後之組件。
(3)可用針口澆口代替三板模方式,延長塑模壽命。
(4)可使用側面澆口成形,一次單個或多個成形。
4.適合熱澆道成形之塑料:
(1)對溫度不敏感,再低溫時,容易流動。
(2)對壓力雖敏感,再低壓力時卻易流動。
(3)熱變形溫度較高,射出後可迅速開模。
(4)熱傳率較高,可迅速冷卻成形品。
(5)塑料比熱低,加熱冷卻均容易。
三、氣體輔助射出成形理論
近兩年來,氣體輔助射出成型(Gas-assistedInjectionMolding,GIM)技術,在國內塑膠成型業界、學術界及模具業界非常受重視,氣體輔助射出成形技術對於塑膠成形製品帶來相當大的衝擊,解決了多年來射出成形品厚件、薄件不易同模成形,及結構易翹曲變形的困難,除可節省塑料50%,縮短製造週期20%,減少零件數70%,降低總成本20%外,並可減少產品翹曲度30%,克服表面易凹陷及收縮變形,增加產品結構性能,提升成品品質;其應用範圍亦相當廣泛,預估可佔射出成型15%以上的市場。
尤其對國內電腦資訊產業、家電工業、汽機車零組件製造業等,都將產生相當大的衝擊。
1.何謂氣體輔助射出成形:
氣體輔助射出成型技術主要是在傳統射出成型過程中,先射入固定量的熔態樹脂,在以高壓氮氣迅速注入,利用氣體快速又有效地繼續將熔態樹脂推進填滿模穴,並繼續保持氣體壓力,直到產品成形。
目前材料所利用此技術已開發出的產品包括:
汽車把手,電腦監視器外殼,嬰兒車把手,電視外殼,及辦公資料櫃弧形面板等等。
氣體射出成型(GIM)是在塑膠充填部份階段後,繼續以惰性氣體(通常為氮氣)完成填滿及保壓。
氣體之功能有兩種-
●驅動塑料流動以完整填滿模穴。
●形成中空管道,減少塑料用量,減輕成品重量,縮短冷卻時間及更有效傳遞保壓壓力。
由於成型壓力可降低而保壓卻更為有效,更能防止成品收縮不均及變形。
氣體輔助射出成形示意圖
2.氣體輔助射出成形的優點
(1)較低的射出壓力。
(2)較小的殘留應力與變形。
(3)較小的鎖模力。
(4)節省材料。
(5)縮短冷卻時間。
(6)減少凹陷痕跡。
3.產品設計的原則
氣道是引導氣體穿透的走道,它同時也是產品的一部份。
因此要成功地開發氣輔產品,必須要了解氣輔射出成型的特性以及氣道設計的原則。
影響氣體穿透在產品設計上的主要因素包括:
(1)氣道的厚度與形狀:
氣道形狀需避免銳角,也不可太薄。
氣道厚度約為產品肉厚的二至四倍之間,太厚的氣道,則會造成「跑道效應」─塑料在充填時因氣道之厚度大,有引導塑料加速流動的趨勢。
(2)氣道的位置安排:
氣體易取最短路徑從高壓往最低壓(最後充填處)穿透。
如果氣道佈置不符合此原則,則氣體很容易脫離氣道滲透至薄壁。
傳統射出成形與氣體輔助射出成形之射壓對於熔膠流動的變化
四、電腦輔助軟體應用
由於塑膠材料本身易產生收縮、翹曲,在使用CAD軟體繪製外型後,若能繼續以CAE軟體分析,便能隨時發現錯誤,回饋至CAD再修改電腦輔助工程(ComputerAidedEngineering),一般簡稱為CAE,其為有限元素法(FiniteElementAnalysis)分析發展而來。
CAE(ComputerAidedEngineeringAnalysis):
電腦輔助工程分析,利用電腦系統的高速運算機能,藉著數值分析或有限元素分析軟體,進行產品製程或模具製程之模擬分析,以便就局部性修改設計,達到更佳化結果。
近年來由於工作站及個人電腦在運算上有驚人的發展。
CAE也不只是用來驗證產品設計,減少實驗花費時間,更是進一步用來優化產品品質、縮短產品開發週期的積極角色。
CAE最大的功能是在於將設計原型在電腦上進行仿真分析,而不必經由實體測試,或減少實測次數,而可節省大量測試所需資金與時間的浪費。
此外,有些無法經由測試取得之數據,亦可經由CAE之分析預測其結果,故對於降低成本、提高產品品質及縮短產品開發時程有很大的助益。
五、結論
模具是近代工業產品大量生產所依賴的一項重要工業與技術。
模具製造的精密程度和技術層次,對於生產成品的品質,生產原料的有效應用,以及生產率的提高等方面,均有絕對性的影響。
模具設計是機構工程師必須接觸的一項專業技術,深入了解此項技術,才能配合協力廠商,如模具廠、射出廠等,製造出高品質的塑膠產品。
所謂”工欲善其事,必先利其器”,因此,擔任機構設計工作的人員若能廣泛接觸以下專業領域,在工作上必更能發揮所長:
1.模具技術:
包含塑模成形的種類與原理,塑膠產品設計基本理論,模具各元件設計(流路系統、冷卻系統、頂出系統、強度計算、模座選用),模具加工等。
2.射出成形技術:
包含射出成形製造流程(鎖模、射出、保壓、冷卻、開模),射出與塑化方法(如柱塞式、柱塞預塑式、螺桿預塑式及螺桿式等射出成型機),射出參數之決定與射出不良判斷及改善。
3.週邊技術:
如熱澆道應用,氣體輔助射出成形技術,射出壓縮成形技術、模內塗裝技術等。
4.電腦輔助設計、分析、製造:
包含設計、製造軟體的操作應用,模流分析軟體的操作應用及分析結果的判讀等。
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