精密塑胶模具设计实务.doc

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-assisted Injection Molding,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，縮短製造週期，減少零件數，降低總成本外，並可減少產品翹曲度，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（ Computer Aided Engineering ），一般簡稱為CAE，其為有限元素法（ Finite Element Analysis ）分析發展而來。 CAE( Computer Aided Engineering Analysis):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。