塑胶模具概论.docx

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塑胶模具概论

塑膠模具概論

報告內容:

1.前言

2.塑膠模具種類、結構及溫控系統

3.塑膠模具設計流程及管制重點

4.塑膠模具製造流程及管制重點

5.後續研究方向規劃

6.參考書籍

1.前言

塑膠射出成型主要可分成三個範圍來介紹：

（1）射出成型機

（2）成型材料

（3）模具

一般而言，射出成型機及成型材料都是現成的，故欲得到所希望的成型品時，關鍵就在如何設計與製作模具。

2.塑膠模具種類、結構及溫控系統

2-1.塑膠模具種類

大致上可將模具分成三大類：

（1）二板式模具、

（2）三板式模具、（3）無流道模具。

模具類型

主要結構差異說明

優缺點比較

二板式模具

由固定側型模板及可動側型模板構成，如圖，所有射出成型之模具的基本製作與設計原理都以此為出發點。

分成側向澆口、直接澆口、潛入式澆口三類。

側向／直接澆口：

優：

構造簡單、製作容易、模具製作費用低

缺：

成形後，澆口部切除作業較費時費力。

潛入式澆口：

優：

可於模具內自動將澆口部切除。

缺：

澆口部固化閉鎖快速，保壓效果不良，成形收縮程度大。

三板式模具

由固定側型模板、流道剝料板及可動側型模板構成，如圖所示。

優：

（1）可於模具內自動將澆口部切除。

（2）澆口四周的殘留變形少。

缺：

（1）模具設計／製造上較複雜，成本較高。

（2）需使用較大行程之成形機來生產。

無流道模具

又稱熱流道模具，並非真正無流道，而是模具內部在成形時，塑膠經常維持著溶融的狀態，而未排放至模具外部。

優：

（1）沒有注道、流道的排出，不會浪費材料，同時易不用擔心次料混入的問題。

（2）可縮短塑化及射出時間

（3）流道內部之材料維持在熔融狀態，故可減少流動損失，材料充填狀況較佳。

缺：

（1）模具製作成本高。

（2）固定側的模具厚度增加，較不易安裝於標準形射出成形機台上。

（3）熔融狀態易熱分解，故成形溫度範圍小的材料（PVC）不適用。

（4）更換材料顏色時相當費時。

2-2.模具各部結構件之功能

（1）固定側固定板：

將固定側型模板、定位環、注道襯套、導銷襯套等固定在此板上，然後利用此板將整個模具之固定側固定在成形機之固定盤上。

（2）固定側型模板：

為固定側之主體，用來裝置型穴。

（3）可動側型模板：

心型、導銷、流道、澆口、回位銷孔、注道抓銷孔等都設計在此板上，和固定側型模板之接模面即為模具的分模面。

（4）承板：

裝在可動側型模板的後面，具有補強之功用。

（5）間隔塊：

此板裝置在承板與可動側固定板之間，其功用為確保成形品的頂出距離。

高度＝頂出銷固定板之厚度＋頂出銷定位板之厚度＋停止銷之凸緣高度＋頂出距離＋8~10mm。

（6）頂出銷定位板：

功用為使成形品頂出的方位正確平衡，並使頂出銷、回位銷、注道抓銷等確實定位。

（7）頂出銷固定板：

此板與頂出鎖定位板以螺栓固定成一體，整個頂出機構即是靠此二板將頂出銷、注道抓銷、回位銷之位置確實固定而組成。

（8）可動側固定板：

此板將整個模具之可動側固組裝起來，並將其固定在成形機上之可動盤上。

此板與間隔塊及承板構成頂出空間。

（9）心型：

與型穴構成模具之成形空間，成形結束後，成形品必須固定在心型上，再藉由頂出機構將之頂出。

（10）定位環：

整個模具是藉由定位環與成形機固定盤上之定位環孔配合在一起，使得成形機之噴嘴與注道套襯得以對正。

（11）注道套襯：

與成形機之噴嘴銜接在一起，熔融塑膠即由此進入流道、澆口至成形空間。

（12）導銷：

使固定側與可動側能迅速且確實地定位配合，裝置於可動側。

（13）導銷襯套：

使導銷之滑動順利進行，裝置於固定側。

（14）注道抓銷：

於模具開啟後，將注道部之塑膠自襯套人抓出，以便與成形品同時被項出。

（15）頂出銷：

模具開啟後將成形品頂出使之脫離心模。

（16）回位銷：

使整個頂出機構在閉模完畢後得以回復至原來的位置。

（17）停止銷：

可視需要調整頂出機構之定位位置。

2-3.流道系統

主要功用是在導引從成形機的噴嘴所射出的熔融材料，進入成形空間中，整個系統之構成如下：

噴嘴　　注道　　流道　　澆口　　成形空間　　排氣孔

滯料部滯料部

2-3-1.滯料部

射出成形機的噴嘴前端在射出後，仍有少量熔融的材料殘留，此殘留材料可能在下次的射出成形前即已固化，此可能造成澆口的阻塞，而滯料部即是用來收集這些已固化的材料。

通常滯料部設計在注道末端及流道末端兩處，一般流道滯料部的長度為流道直徑的1.5倍。

滯料部的另一功能是供注道抓銷抓取，以便在開啟模具時將注道一併拉出。

2-3-2.流道配置

從注道到各澆口的距離相等，且使其成幾何對稱之配置方式，此即稱為流道配置。

用意即是在使材料從注道可同一時間到達各成形空間完成充填，而毋需考慮澆口平衡。

2-3-3.澆口平衡

若熔融材料到達兩個以上的澆口時間不一，第一個澆口的材料可能已經開始充填，而其他澆口的材料尚未到達，常易引起充填不足或收縮下陷的現象。

改善的方式即是將遠離注道的澆口口徑加大些，而使整個成形的品質較為均勻且在可接受的範圍下，此即為澆口平衡。

2-4.模具之溫控系統

2-4-1.模具溫度控制之重要性

模具內之熔融材料，一般溫度介於150～350℃，而模具之溫度在40～120℃之間，故成形材料的溫度會逐漸使模具的溫度升高，故必須做好適當的冷卻控制。

另外對於融點高的材料，或肉厚較薄、流動距離長、面積大之成形品，一般會利用加熱器將模具部分予以適當的加熱，以確保成形品的品質。

因此模具的溫度控制包含了冷卻及加熱兩部份。

（1）就成形性及效率而言：

模具溫度高，則成形空間內之熔融材料流動性好，充填效果佳。

但就整個成形的CycleTime來說，溫度宜適當降低，以縮短材料冷卻固化的時間，此亦是影響CycleTime最重要的管制點。

（2）就成形品的物性而言：

若模具溫度低，則不利充填，故必須增大成形壓力，然此易使成形品留下殘留應力，對於硬質材料（如PC或PPO）則不適用。

（3）就防止成形品變形而言：

成形品肉厚大時，若冷卻不充分或方法不當，則易造成縮水、扭曲變形等現象。

2-4-2.模具溫度控制之設計要素

一般均是利用冷卻管孔徑的大小與分佈方式、冷卻水的流速、密度、黏度來控制模具溫度之變化，而這些參數之設計可藉由電腦輔助，使溫度控制理論解析變得容易許多。

（1）模具內熔融材料傳至模具之熱量計算

大體而言，熔融材料的熱量約有5%因輻射或對流而喪失於空氣中，而95%傳導於模具中，設此熱量為Q，則

Q=S×G×【Cp×（T1－T2）＋L】（kCal/hr）

S：

每小時的射出次數

G：

每次射出材料的重量

Cp：

材料的比熱

T1：

材料的溫度

T2：

取出時的成形品溫度，即模具溫度

L：

熔解潛熱，即材料相變化所產生的熱量

（2）模具傳至冷卻水的熱量計算

此處控制重點包括水流量大小、入水溫度、出水溫度，而為了考慮水的循環再利用，則須選用熱交換器以降低入水溫度。

另一方面若入水溫度與出水溫度相差太大時，則意味冷卻水奪走模具中的熱量過多，此將不利於模具的溫度分佈，亦即影響成形品的品質，此時可增快流速或增高注入壓力，或者增加流量。

模具每小時傳至冷卻水的熱量W計算如下：

W=Q／K（T3－T4）

K：

水的熱傳導效率

T3：

出水溫度

T4：

入水溫度

2-4-3.冷卻管路的分佈實列

欲得較佳之成形品質及提高成形效率，需對成形空間、模具形狀進行適度地溫度控制，因此冷卻管路的安排就變得格外的重要，以下圖（a）及（b）舉例說明：

圖（a）大管路通以59.83℃，圖（b）小管路通以45℃的水，分別求得等溫曲線圖如圖（c）及（d）所示。

由圖可知，圖（c）之模具表面的溫度變化較小，因此成形之尺寸精度較佳且殘留應力小，變形情況亦較低。

一般對冷卻系統的設置需考慮下列原則：

（1）冷卻管的口徑、間隔以及至成形空間表面的距離需適當規劃。

大致上，若冷卻管口徑為1，則管與管間格之最大值為5，而管與成形空間表面距離為3。

肉厚較薄處，則必須縮短這些值。

（2）為儘可能保持模具溫度之均勻分佈，冷卻水應從溫度較高處流入。

注道及澆口處之溫度均較高。

另外在溫度較低的外側部份，則以循環熱交換的溫水來提高模溫。

（3）成形材料若具有較大之收縮性，則冷卻管路不宜沿收縮方向設置，以防止變形。

（4）冷卻管路應儘量沿成形空間的輪廓來設計，以保持模溫均勻分佈。

（5）冷卻管路儘可能使用貫穿孔方式，以利日後清理。

3.塑膠模具設計流程及管制重點

在進行模具設計前，必須先做好事前檢討之準備工作（所需之成形機型式、射出材料特性、成形技術、．．．．），然後再以和客戶洽商的結果及既有之模具設計規範為基礎進行模具設計，最後再依加工上必要的尺寸、加工程度、模具構造、．．．列一檢查表以做為模具設計管制之依據。

3-1.模具設計前之檢討事項

模具設計前之檢討事項共可歸納成以下五大項：

（1）射出成形機形式之檢討：

模具設計因射出成形機的種類而異，因此須熟知射出成形機之形式及成形能力。

－成形機之形式：

◎依合模裝置的構造區分：

直壓式、肘節式、立式、臥式等。

◎依射出裝置區分：

螺桿式、柱塞式等。

－成形能力：

必須考慮成形機之射出量、合模能力、材料之標準射出壓力、頂出桿孔位是否適當、噴嘴與注道的配合關係、定位環尺寸等。

（2）成形材料性質之檢討：

無論在模具設計或製作時，都必須事先了解所選用成形材料之特性，及其是否可滿足成形品之要求，除非不得已，很難在模具設後再變更所選用之材料。

（3）模具構造類型之檢討：

可依使用的目的來加以選用所需之模具形式，設計上檢討的項目可歸納如下：

－依成形品必要數量，決定最經濟的模窩數及配置方式。

－決定分模面及滑動裝置形式。

－從模具材料與強度計算決定模具的外側尺寸。

－決定注道、流道、澆口的形式及配置。

－決定頂出方式。

－決定冷卻管路之尺寸、配置、冷卻及加熱方式。

－決定特殊加工法的使用與否，例如局部電鑄、表面處理、．．．。

（4）成形品形狀之檢討：

－將澆口或頂出銷的位置設置在不影響成形品外觀之處。

－在強度及外觀上檢討材料融合線可能發生的位置及所帶來的影響。

－成形品的尺寸SPEC在加工上及成形技術上是否能達成所要求之尺寸。

－脫模角度可否在容許的範圍內取最大值。

－頂出時，成形品有無局部受力過大之現象。

－決定模具表面之研磨加工程度。

（5）成形技術之檢討：

為將成形週期縮至最短且又不影響成形品的品質，模具設計時，亦須將成形技術列入重要的考慮要素中，包含項目如下：

－預估單位時間內的成形次數。

－流動性不佳的材料，需注意流道、澆口之設計。

－考慮成形品的頂出與取出方式，儘可能使成形品能自動落下。

－為防止成形品變形，可考慮使用治具矯正。

－模具構造上的設計，儘可能掩蓋成形品的變形、流痕、收縮等可預知的不良現象。

3-2.模具設計的程序

完成上述的檢討準備工作後，再以和客戶洽商的結果及既有之模具設計規範為基礎進行模具設計，具體的設計程序如下：

（1）決定一次射出的成形數及模穴配置：

在成形品產量少、成形品大及精度要求高的場合，通常使用單模穴。

而若採用多模穴時，則必須設計良好的流道配置及澆口平衡，才不致影響各模穴的成形結果，即獲一較平均且可接受之成形品質。

（2）決定分模線及流道、澆口：

先依成形品外觀設計之要求而決定分模線位置，接著選用最適合的澆口形式，再由成形品的大小來決定流道的尺寸。

決定了分模線、流道、澆口後，則模具的基本構造已形成，再就可能發生毛邊的位置或外觀上的問題，決定後加工的方式進行外觀上修整。

（3）死角（undercut）的處理與頂出方法的決定：

成形品若有死角時，則必須考慮以何種方式將成形品頂出，但為避免頂出後所造成的頂出銷殘留痕跡，可採用剝料板、套筒、空氣頂出或並用之。

（4）模具材料及加工法的決定：

－模具材料之選擇：

適當與否，對模具壽命、加工性、精度等有重大的影響，一般可以下列所述當作模具材料選定之依據：

◎材料取得容易。

◎機械加工性佳。

◎耐磨耗性大，耐蝕性良好，耐熱性佳。

◎組織均勻，無針孔之內部缺陷。

◎熱處理容易，熱變形須小。

◎焊接性良好。

－模具加工方法之決定：

加工法應儘可能考慮較經濟的方式，若需採用特殊加工方式，則需加以註明；表面需特別處理、研磨者，應以註明；可能磨耗的滑動部或必須淬火的部位，也勿忘註明其硬度。

（5）溫度控制方法的決定：

溫度的控制包含加熱及冷卻兩部份，此對成形品之品質及成形週期有重大的影響。

冷卻管路的設計要能確實將熔融材料的熱量由模具經由冷卻系統將之適當地排除；而另一方面，為了使材料可以做效地充填，則在流道上或模具外部又得做適當地加熱，以增加材料之流動性。

（6）模具之設計規範：

於設計之初，即須全面了解客戶之各種要求，並和客戶做充分的技術交流，進行產品需求檢討，再把檢討的項目加註在既有之設計規範表格上，做為模具設計時之依據。

3-3.模具設計檢查表

模具設計結束後，為了確認加工裝配上的必要尺寸、加工程度、模具各部構造、機能等有無差錯，除了一般性的檢查外，亦必須依檢查表所列之各項，以期模具設計、製作，以致於射出成形得以完善。

4.塑膠模具製造流程及管制重點

5.後續研究方向規劃

在本篇報告前言中即提到，塑膠射出成型主要可分成三個範圍來介紹：

（1）射出成型機

（2）成型材料／塑膠

（3）模具

故在對模具有初步的了解之後，欲進一步研讀塑膠材料之特性，並對其應用及適用範圍加以研習，以期對常用於電子工業之塑膠材料能有進一步的了解。

接著先再研讀射出成機之結構、內部機構之作動原理，然後再安排時間，實際參觀射出廠之射出成形作業方式，並進一步研究射出成形條件之設定依據及操作方式。

在了解射出成形機之架構、射出之作業方式、塑膠材料之特性及應用範圍、模具架構之後，相信對塑膠射出成形之整個流程會有較完整的了解。

另外，計劃針對射出成形不良的案例加以整理歸類，並蒐集不良之樣品，做一實物立體檔案，標註成形不良之可能真因，並進一步討論改善對策，此一不良樣品之建立將有助我們在分析射出成形不良時之需，亦可做為新人教育訓練之實際教材。

6.參考書籍

（1）實用塑膠模具學張永彥編著全華科技圖書股份有限公司

（2）射出成型現場實用技術手冊塑膠世界雜誌社