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射出成型三要素、五原則

(一)    前言:

    射出成型必須配合為因應產品而設計製作的模具來完成,首先將塑膠原烊經由螺旋杆轉動推進料管內,在料管內利用電熱片加熱傳導塑料,以及螺旋杆轉動時的壓縮摩擦熱力予以熔化、再經由可調整壓力和速度的射出動作將熔化的原料擠壓射進模腔內,待冷卻后開模取出產品即完成射出成型循環動作.

    由於射出機的進步,各種動作均已數據化,故成品再現性高,可完全自動的生產出极精密的產品,以下就相關重點及射出原理作概略說明.

(二)    射出成型三要素、五原則說明.

一、    三要素即:機器、模具、原料.

二、    五原則即溫度、壓力、速度、時間、位置.

1.溫度

(1)        料溫:

    料管的控制溫度和單位時間內使用的塑料重成正比,但也必須配合塑料原料種類不同而設定適合射出成型的溫度,是最重要的一項成型條件.

    每一種原料的開始融化溫度和分子結構受熱破壞的開始劣化溫度均有一定值,而其間的溫度分布區間稱為成型溫度帶,一般而言,成型溫度帶範圍寬的一般性原料較易加工,射出成型調整也較容易;反之,成型溫度帶範圍較窄的工程塑膠,則較不容易加工,射出成型調整也較困難,有賴於料管容量較適中,以及射出成型機臺大小規格,射出壓力取向的選擇加上調整的更具理論基礎和準確性加以整體配合,才能完成相對標準的射出成品.

(2)        模溫:

    模具溫度調高可提高塑膠在射出時的流動性,使成型更容易,一般在較薄成品可妥善運用,此外在需要尺寸很安定的成品也可運用此方法達成目的.另外如PC等流動性不良的塑膠,也可以模溫控制予以輔助射出,可相對減少所需的射出壓力.

    妥善運用模溫可增加效率,提高產品品質,一般是加裝模溫機以熱油平均加溫,少數情況用電熱棒和電熱片作局部加溫,也是常用的辦法.

(3)        油溫

    射出要大多是以油奪驅動的機械,油壓的穩定是成型安定的主因,而油溫直接影響油壓的穩定度,故須加適當流量的冷卻水配合冷卻器加以冷卻,油的適溫約在攝氏45˚C-55˚C之間,不同的射出壓力及狀況,油溫升高值會不同,油溫的控制一般取決於射出機冷卻器熱交換效率的設計容量,以及射出機內冷卻水系統足夠與否,如果油溫過高即必須加以檢討以上原因,以及檢查冷卻器是否受水垢阻塞等,以免油溫升高導致射出品質降低.

2.壓力

(1)        射出壓力

    射出壓力是最直接關系射出品質的因素,一般要求精密加工還分為數段射出壓,目前電腦機已設計到七段以上.射出壓力因成型產品的厚薄,投影面大小,形狀複雜或簡單以及塑膠種類的不同而有不同調整方法,因應特殊情況可使用多段壓力,藉不同位置不同壓力、速度控制品質.

    射出機的射出壓力一般均設計在1300kg/cm²-2000kg/cm²之間,特殊料流動性較不好,適用於較高的射出壓力,甚至被要求達到2400kg/cm²以上,某些高分子原料更達3000kg/cm²以上的要求這是俗稱的高壓出法,藉由高壓定型成品所要求的尺寸,或不穩定分子的固定化,有助於該類成型品的精密化和高安定性.

    但若使用在軟性塑膠如PP、PE,軟性PVC、EVA……等原料,如未充分達到融化溫度,而以高壓射出,將造成成型品翹曲、變形,反而不利於品質的穩定性,這是射出成型常被忽視的重點.

    射出壓力在原料射入模腔的填充階段只是作為射速的支撐之用,作用並不明顯,反而是在模腔填滿開始進入擠壓階段,壓力亦急速升高,射壓乃成為控制成品品質的重要原因,現在的射出機均設計了二至四段的保壓壓力,即是因應射出品的高級化而產生,一般而言薄成品或硬質原料只需一至二段保壓即可,厚成品或軟性原料較可能用到二段以上的保壓功能,厚成品是為達成品厚度內的應力均勻以及末段降壓安定尺寸之用,軟性原料則是考慮其定型安定性較差,有必要采用逐段升降方式以使穩定性達到需求.

(2)        開模壓力

    開模壓力使用適當與否亦直接影響成品的品質.過高的開模壓是不必要的,只會造成機構能源浪費,曲肘及模板增加耗損,而減低使用年限,但是如果關模壓力太低,不足以承受射出壓力,透過原料傳達於模具上的壓力,則會形成撐模效應,增加原料使用量,成品不穩定或形成不良品,並增加射出調整的難度等不良后果.

    成品平面投影面愈大,關模力須較大,較薄或流動性不好的原料,也應適度增加關模力加以因應.

3.速度

    塑料填充模腔階段由於射出速度的不同,會形成產品外表或內部不同的流動狀況,故必須以改變速度加以因應,分段以不同速度配合射出壓力加以成型,會得到較良好的成品,一方面是此時由於填充未完成,射出壓力尚未升高,只作為支撐射速不受阻滯的助力,反而是射出速度直接負起塑料通過模腔時對抗體積變化順利與否和任務,如果速度太慢,就可能射出不足,或成品凹陷等不良情況發生,精密成型所要求的成品尺寸的穩定性,更有賴射速的提昇,使原料射入點和射終點受模具冷卻產生的塑料溫差現象減至最小,從而不產生翹曲或不穩定的情況.進入保壓段時,由於模腔已近填滿階段,速度則只作為支撐射出保壓壓力的作用,可以減速或定速配合即可,有些大型機械為求省電,設計了大小流量泵浦,在此時即以小泵浦輸出以減少能源損耗,仍然達成一樣保壓效果.

    基於作用力=重量×速度²的公式,可知射速的重要性,速度增加可使塑料在穿梭模腔時所受阻滯力降低,可降低射出壓力即可達到一樣效果,於保壓階段亦由於速度增加使塑料更迅速到達模腔各角落,塑料溫差減至最小,以及成型料溫亦可相對降低,均可使保壓壓力降低即可達到一樣甚至更高品質的成品.

    至於某些特殊射出法,如极厚物或壓克力(PMMA)厚成品等,為防止空洞或氣泡現象及接合線等狀況,必須以极慢速射出時,則考驗射出速度的慢速穩定性,射出機構的精密以及油路系統的穩定均為重要因素.

    貯料時的速度在特殊原料如PC等,由於熱敏感度較高,亦被要求在120RPM以下,分段調速則較少被使用,一般塑料則愈快速愈能提高效率,節省成本,螺杆壓縮比的適當設計亦能節省貯料的時間,達到快速貯料的目的,則是在射出機設計中較常被忽視的課題.

4.時間

(1)        射出時間

    射出時之設定原則,以配合最適射速完成填充階段以及在最適合位置進入保壓階段,配合保壓壓力的設定足以使成型品穩定又不浪費時間為原則,進入保壓后由保壓時間決定射出動作的長短,因此一般而言射出時間的設定均略高於實際射出的時間,是作為射出不足而未進入保壓時間時,發出警報之用.

    以此方式設定會有較好的射出品質,當然仍可以傳統的方式,以射出時間完成后進入保壓時間,此時射出時間就真正反映射出動作的長短,這種方式的保壓切換點是較不準確的.

    另外,也有較先進的方式,是以設定的壓力值作為切換至保壓壓力的方式,可排除塑料的密度不均的差異性,是最準確的切換方式.

(2)        週期時間

    開模開始,經射出、貯料,冷卻到開模及托模完成的循環時間,時間的確定不變,會影響溫度的設定,故應力求足以使成品完整又不浪費的經濟性原則.在工業工程(IE)的探討領域,週期時間是非常被重視的,當每一次週期時間不確定時,事實上包括溫度壓力……等各項設定條件均因此成為變數,設定基礎亦失去意義,成型品的品質穩定亦實質上不可能達到,因此運用機械手取物中全自動生產就變的非常重要,否則如必須以人取物,也必須盡量以標準動作使取物時間正常,週期時間固定,所有調整設定才有意義,成型品質也才能確保,如何使週期時間固定永遠是管理工作上的重要課題.

5.位置

(1)        射出方面

    射出填充階段為因應成品要求而以射出速度的切換來配合,各切換點就是所要調整的位置,一般均以經驗加以調整,亦可用料管容積計算長度以確定切換位置,機械方面現已大多采光學尺加以調整,以求更精確及數據化.

(2)        其他方面

    以開關模為主,最重要是配合成品長短,托模后可以順利下成品為調整原則,特殊情形還有配合中子,絞牙使用位置等.現已大多使用光學尺調整,以便數據化.其他還有托模,射座,貯料等之調整位置等.

(三)    結語

    展望未來,射出成型除廷續過去所創造的技術成果與市場規模所帶來的商業利益,更須能全面提昇競爭力,以配合日新月異的新塑料開發與利用,以及市場對射出成品品級的高度要求,加上生產更快速,要求物美價廉時代的到來,精益求精勢必成為必要的趨勢以及成功的必要條件,以下是對於射出成型持續發展的幾點意見:

1.     射出成品應朝向高精密化及高品質的方向開.

2.     面對塑膠塑料多樣化及復合塑料的技術挑戰.

3.     射出成品的大型化及高資本化傾向.

4.     自動化以及因應勞工短缺的全面管理提昇問題.

5.     上下游產業技術整合及策略聯盟的重要性加以考量.

6.     開發產品,提昇技術,增進附加價值的必要性提昇.

7.     相關技術及管理資訊的快速取得更為迫切.

8.     如何在各實際管理層面全面整合以降低成本.