塑胶模具之设计制作与管理.pdf

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1、塑胶模具之设计制作与管理1/14 塑膠模具之設計製作與管理自學連載(7)澆道系統之實用化與效果(一)熱澆道模具的技術隨著塑膠出成形的快速發展，近年來其優越性已受到重視，不論在量方面，在質的方面，均有快速的增長。日本亦以裝配在熱澆道模具上用的熱火嘴（hot tip）為中心，開發出種類繁多的標準零件，最近因設計技術的大致上確立，普及範圍必將日廣。無澆道成形的優缺點很多，但實際上使用熱澆道模具的目的有下列的幾種情形。類似電子、電氣零件的小型製品，一次成形的數量很多，作業上要求無人、自動化，而且不需再做加工。中、大型成形製品使用普通樹脂以便達到降低成本目的，加速成形週期，省卻材料再循環的目的時使用。對

2、於精密零件，循環週期一定，以提升製品精度為目的者。，聚酯（PET）瓶用，成形的控制除熱澆道以外，難以控制時。圖 1 三木精工的熱噴嘴裝配例圖 2 三木精工的熱噴嘴構造圖 3SEVAM System 之熱噴嘴用雷管狀組件總之，不論是以自動化，提升品質，或降低成本的任何理由為目標所做的無澆道成形，很多成形製造廠都體會到其中某些，甚或全部的結果。有關模具製造方面，可分類為，自熱澆道標準零件製造廠購入零件加以組立的方式及訂製整套熱澆道系統模具的模具製造廠兩種。本章將展望日本及國外最近熱澆道模具技術的實用化及效果。塑胶模具之设计制作与管理2/14 圖 4 直接澆口（direct gate）模具組立例（S

3、EVAM System）加熱噴嘴無澆道成形模具的其中一種方法，自古以來即有使用延長噴嘴，或使用關斷噴嘴（shut off nozzle）（有關無澆道成形的分類及歷史請參照其化文章）1)2)。熱澆道用的澆口直接裝上加熱噴嘴亦可。最近雖有一些標準零件開始銷售，但亦有只用做射出成形機先端用的細長噴嘴者。不過本文所要介紹銷售中的標準零件，還是以熱澆道模具上所使用者為考慮對象。三木精工的熱噴嘴（hot nozzle）此項熱噴嘴可直接用做延長噴嘴，或做副澆道澆口（subrunner gate）使用，如圖1 所示。此種熱噴嘴與其他類產品不同的構造如圖2 所示，採熱電偶組入式，一體化的內藏加熱器即是其與別種產

4、品相異之處。外周以帶狀加熱器（band heater）加熱的方式，在使用上不但不方便，而且模具組立亦有困難，但三木精工的產品是安裝於澆口部分，不需太大的空間，極為方便。而且因是外部加熱，有減少樹脂過熱的可能性，並由於圖 5SEVAM 系統的噴嘴樹脂流路為圓形而且平滑，所以具有樹脂流動時壓力損失少等特徵 3)。SEVAM system 在幾年前，瑞士的 Transitube International即已銷售此一系統，做為射出成形機用之噴嘴及熱澆道模具噴嘴。SEVAM system 是在噴嘴中設置圖 6(a)TGK 之熱火嘴構造圖圖 6(b)TGK 之新形 A 型噴嘴（附熱電偶）圖 7 噴嘴氣缸

5、之選定指南小的雷管（torpedo）狀組件，在此一雷管狀組件中再裝入具有閥之作用的細針狀銷進退用彈簧，構造有如精密機械，如圖3 所示。針狀閥於承受射出壓力時，後退並打開樹脂流路，壓力放開後，藉彈簧的復原力關閉樹脂流路或澆口。現在日本亦有使用法國銷售的SEVAM，但最近形狀有稍微改變。在內藏彈簧的雷管中，擔任閥之角色的針狀銷可以用螺紋安裝，而將此又分為標準形、標準長形、接觸形（contact type）三種。每一種的噴嘴端部都有塑胶模具之设计制作与管理3/14 殼套，可依針狀閥的動作壓力及使用目的選用。使用接觸式熱澆道具之組立應用例，如圖 4 所示。所使用的噴嘴有小零件成形用的#45（115cm

6、3用）及大形製品成形用的#60（100200cm3），各部之尺寸如圖5（a）（c）所示 4)。日本之熱澆道用噴嘴與加熱器射出成形機用之先端加熱噴嘴，與熱澆道模具用的噴嘴，在機能上及構造上均屬同類，在第 2 節所談的噴嘴，亦可用於熱澆道上。本節要談的是熱噴嘴，而且是為熱澆道模具專用而設計製造者。以便對整體的熱澆道模具，尤其是若與一次表一樹脂、成形品、噴嘴之關係（針口澆口為對象）成形品區分成形品斷面尺寸例樹脂極小形製品小形製品中形製品大形製品10以下 103030150150以上加入玻璃纖維樹脂加入填充物樹脂C&C 型#100#20 0#300 氯化乙烯 RC 型（企劃中）難燃性樹脂#100#20

7、0#300 低發泡樹脂尼龍丙烯樹脂壬酸(nonyl)BC 型 BC 型塑胶模具之设计制作与管理4/14 聚碳鹽酸#50#100#100#200#300 聚二乙醇縮乙醛苯乙烯系樹脂ABS 樹脂AS 樹脂HIPSS型 S 型GPPS#50#100#100#200#300 聚烯(poly olefin)系樹脂聚乙烯聚丙烯取數個的歧管組合使用者，能對各公司整體系統的熱澆道模具所要求的技術請求做充分的考慮，使用時亦可做為技術資料。因此下文即將介紹在日本國內銷售的熱噴嘴製品。圖 8 熱噴嘴之溫度設定條件表二 Plagate之射出壓力與澆口之開閉射出壓力（kgcm2）差壓力（kg）彈簧之塑胶模具之设计制作与

8、管理5/14 強度（kg）澆口之開閉射出閉11029730閉12032430半開15040530開TGK 系統（東洋瓦斯機工）5)6)內部加熱形雷管式之熱澆道噴嘴，以“TGK 日熱噴嘴（hot tip）”最早在日本國內銷售，構造簡單而且模具安裝容易，所以使用極為廣泛。圖 6 為噴嘴的構造圖，噴嘴最小尺寸由 28 645 的#50型開始，以至#100、#200、#300（射出容量為 150oz程度用）種類繁多，型式亦依樹脂之種類而分別使用。表一及圖7 是選定噴嘴用。快速成形的噴嘴可區分為下列3 種。普通樹脂用：S型（有 1次取 1 個標準用，及一次取數個用，以下同。）工業樹脂用：BC 型（S 型

9、之改良，雷管的溫度均一化。）加工玻璃，添加物用：CC 型（同上及耐磨耗性改良。）利用澆口部分之冷卻及加熱+樹脂具有熱量之熱平衡，可使澆口部分保持半熔融狀態，所變化利用加熱器控制溫度最重要的是使用專用之加熱器控制器。其於以如圖 8 所示的相互關係，利用最適切的電壓，可以決定成形溫度條件。圖6（b）為新形噴嘴，熱電偶內臟的方式。圖 9NGK 的側澆口式熱豎澆道NGK 側澆口式豎澆道（日本礙子）6)該公司很早以前即開發完成熱噴嘴開始銷售。其構造如圖9 所示，將加熱器裝入於特殊鋼或不鏽鋼中，樹脂流經中央孔，途中有24 個孔在圓周上開放，成為側澆口。標準品的澆口尺寸為3 13mm 4 個。因是利用模具之

10、開閉自動切斷豎澆道，所以有關洩漏的問題可說幾乎沒有，是製造者為使用方便，經綜合設計塑胶模具之设计制作与管理6/14 技術、組立等之技術開發，與資料累積所完成的製品。Plagate系統（齊藤工機）8)Plagate噴嘴是閥式，而且其動作機構極為獨特，是採用同軸差動活塞方式，利用樹脂射出時的壓力差壓，如圖10（b）。射出壓力與澆口開閉的情形可參照圖10，此一製品內有彈簧，射出壓力為010kgcm2 之低壓時，利用彈簧的復原力關閉澆口，壓力超過150kgcm2時，彈簧受到更大的壓縮，澆口全開使樹脂流入，參照表二。此種噴嘴是以外部加熱器的外部加熱式噴嘴，使用例子是如圖 10 所示的組立情形。圖11是澆

11、口的使用例。銷售10 年以來應用極廣，所使用的樹脂種類也很多，Plagate噴嘴亦朝向這些用途而開發各種形式、大小，目前已達 173 種之多。圖 10 最近做為工程樹脂成形用的噴嘴耐久性已有極顯著的提高。採用硫氮化處理過的特殊鋼，成形材料為加入30玻璃纖維的樹脂時，壽命可以達到100萬次射出的目標。Plagate的主要特徵為提高瞬間射出率，提高零件精度，不必調整射出機與噴嘴澆口之開閉時間，耐久性極佳等6)。對於歧管的熱膨脹對策Plagate所採取的方法有 2。一體方式歧管板為一體構造，所以一次取數個時最理想，如圖12（a）。分割方式對於澆口間距大，例如500mm 以上取 2 個，或 2 點澆口

12、特別有效。將歧管分割製造，使用連接管聯澆道的方法，如圖12（b）。兩種方式都使用專用多重法蘭（multiflange）以達成完全的對策。噴嘴的種類大致上可分為無頂形（topless type）及有頂部形（top type），如圖 11（a）、（b）所塑胶模具之设计制作与管理7/14 示。依據澆口直徑、長度、澆口部形狀等而製造有很多規格化製品，所以可圖11Plagate系統圖 12Plagate系統的熱膨脹對策輕易的自標準品中選定適用的製品。詳細情形可參照製造廠商的資料。適用的成形樹脂有PS系、聚烯系、PA、PMMA、POM、PC，加入 30的玻璃纖維樹脂，而難燃材料因溫度範圍小，所以需要高度的

13、成形技術8)。杜邦公司（Du pont，美國），Du pont Far East日本的熱澆道方式此為杜邦公司以自己使用為主，獨自開發用於工業樹脂成形用的熱澆道方式。圖13 表示附加熱器雷管上下運動，用盤形彈簧復原，以樹脂壓力打開閥澆口的構造。其特徵為歧管上有分模線，特別訂製者亦可能以加熱器加熱，普通是以粗的絕熱澆道，以保持連續成形樹脂流路的流動溫度，機械停止後打開另外一個歧管的分模線，可以隨時取出，除去固化了的澆道。銷售方式很特殊，使用對象有限制，有關日本的實施例詳細情形不詳。可以使用此種系統成形的材料有低熔點的丙烯酸樹脂、高熔點的尼龍、二乙醇縮乙醛單質聚合物（acetal homop oly

14、mer）、聚酯（polyester）等 9)。圖 13Du Pont的無澆道系統（工業樹脂用）圖 14 旭化成的熱澆道成形（小製品一次取數個用之模具例）旭化成的熱澆道方式旭化成公司有銷售尼龍、苯乙烯脂、二乙醇縮乙醛等樹脂，因處理所有的普通樹脂與工程樹脂，所以由自己公司的化成品樹脂應用研究所進行熱澆道模具之開發，以適合於該公司自己樹脂使用的熱澆道系統，但亦提供一部分給使用者，最近發表的一個例子是小形（澆口間距5mm）而一次取數個的模具10)。圖 14 即表示此一模具的構造，冷卻時堵塞的澆口在模具打開中，以預熱塊加熱熔融方式將之熔化，所以澆口之溫度控制精度可以不必太高。而且冷卻中充分冷卻而能使澆口

15、完全密封。萬一澆口堵塞，若暫時打開模具利用預熱塊加熱澆口而熔融之，塑胶模具之设计制作与管理8/14 可以簡單而快速的恢復原狀，是一種動作安定性佳的系統。INCOE 公司（美國）的熱澆道系統11)該公司最早銷售熱澆道模具用的標準噴嘴，其經技術改良而有製品問世，在歐美地區使用情形最普遍。即意味著熱澆道模具之普及結果占極重要角色。最近在製品種類及尺寸都有增加，目前所銷售的製品可區分如表三所示。熱火嘴襯套此種方法是內部裝有加熱器的加熱雷管之熱火嘴，如圖15（a），此為 INCOE 公司的最初產品。此種噴嘴的變形防止，有端部無殼套的“無頂”（模具模穴之澆口側直接機械加工）型，如圖15（b）。標準型與無頂

16、型之差異在於該公司賦予無頂型下列之優點。（A）熱火嘴的外側本體端部已缺少，因不會如標準型造成空穴面，所以在成形品之澆口周圍沒有殼套的痕跡。（B）增加澆口選取方式的自由度，在成形品的肋上，轉角或不規則形狀之表面上都可使用。（C）模穴之澆口四周之模具厚度可以變厚，因此耐壓力變大。（D）無頂部火嘴配合精密的溫度控制，可以最小的澆口進行成形。表三 INCOE 公司的熱澆道標準零件型式製品型式內部加熱方式（雷管）熱火嘴襯套系列（Hot Tip Bushing Series）標準型無頂型外部加熱方式（襯套）直流系列（Straight Flow Series）電氣豎澆道襯套（Electric 塑胶模具之设计

17、制作与管理9/14 Sprue Bushing）SF型SFT 型外部加熱方式閥澆口系統（Valve Gate Series）標準型無頂型歧管系統“Direct-Flo”（R）（一次取數個用之熱澆道歧管）溫度調節計 Unit“660”組入機器 PC系列圖 15INCOE 公司的熱澆道用熱火嘴熱火嘴襯套的形狀及尺寸很多，自#1000至#7000，單一模穴用以至一次取數個用，射出之容量等共有250 種可供選擇，決定襯套的孔口澆口（orifice gate）尺寸時，其與射出量（成形品重量）之關係圖如圖16 所示。可做為概略的設計資料參考。圖 16 樹脂之種類及噴嘴口之選擇圖（INCOE 公司）外部加熱

18、襯套前面所述為內部加熱式，新的直流系列（straight flow series）外部加熱式的襯套亦有銷售。有電氣豎澆道襯套（electric sprue bushing）與 SF、SFT 型 3 種，構造各如圖 15（C）、（D）、（E）所示。是內藏線圈加熱器（coil heater）的噴嘴。澆口之取法如同圖所示。與下文所談的歧管系統組合時之成形例子，據該公司的報告是 PP、二乙醇縮乙醛、PBT（週期提高 35）、硬質 PVC（週期縮短 6 秒）、PC（42 秒減至 21 秒）、PVC 彈性體、PBT（30GF）、同難燃等級材料、PVC40+ABS60等。閥澆口系統INCOE 公司只辦理長的

19、熱平衡式之熱火嘴，1978 年伋表新的“Gate Shutoff System”，然後逐漸普及，以美國為開始使用之中心。圖17 的 zero-gate是裝入於模具上熱火嘴的部分，以閥銷（valve pin）裝入直流（straight flow）之噴嘴中，閥銷貫通歧管，利用裝於其背後的油壓氣缸來開閉。視情況在射出後保持射出壓力之間亦可關閉閥銷，立刻使送塑胶模具之设计制作与管理10/14 料螺旋迴轉以供給次一射出之材料，而且關閉模具之同時打開澆口，射出壓馬上作用在模穴上。成形品重量、形狀不同的一些零件成組製造時，亦可獨立開閉操作各個模穴。使用油壓氣缸時密封射出壓的能力可達5，000kgcm2，所以

20、通常任何樹脂都可使用。群組模具（family mold）之成組製取較舊有方式可以使成形週期加快 35，特徵如下：（A）可控制模穴填充。（B）在成形品上有頂出銷程度的澆口記號（gate mark）。（C）可適用於群組模具（family mold）。（D）可適用於成形發泡。，歧管系統從前只是採用噴嘴及襯套，最近主要裝放EBS、SF 襯套一次取數個的歧管“Direct Flo”已開始生產，歧管的形式有I、X、Y、T、H 形，一次製取數量亦有 28 個。實際使用上，PC材料（2、4 個）、難燃 PBT（2 個）、PVC-ABS（2個）、二乙醇縮乙醛（2 個）、PVC 彈性體（2 個）等。MOLD-MA

21、STERS 公司（加拿大）13)該公司經常開發熱澆道的整套系統，且將其新技術製品化。該公司在自己的射出成形工場實際應用，累積經驗，做為開發系統的基礎。自從前的閥澆口（valv gate）、熱緣澆口（hotedge gate）（如圖 18）發展，有很多新系統標準化，輸銷世界 22 國。基本構造為，以銅或鈹銅等熱傳導性優的合金埋入鑄造出加熱塊（heat block）經精密機械加工而成的被覆加熱器（sheathe heater），加熱器鑄造的製品有下列2 種系列。圖 17INCOE 公司之閥澆口模具塑胶模具之设计制作与管理11/14 圖 18Mold-Masters 公司的加熱器鑄入塊（熱緣之例）M

22、ASTER-SHOT series（圖 19）是銅中用細的被覆加熱器鑄造之，與樹脂接觸的外側使用耐蝕、耐磨耗性優的不鏽鋼包覆的製品。只做為熱火嘴的標準品出售。圖 19Mold-Masters 公司的熱噴嘴“MASTER SHOT”以鈹銅鑄入粗的被覆加熱器，經機械加工的系列（圖18）。此兩種系列澆口密封的方式有：（A）開放澆口（open gate）（或豎澆道澆口方式）。（B）熱火嘴澆口。（C）熱緣澆口方式。（D）閥澆口方式。圖 20Mold-Masters 公司的澆口設計圖 21 利用閥澆口的發泡成形品（Mold-Masters 公司的熱澆道）四種方法，如圖 20。對於前述的 2 種加熱器鑄品的

23、任何一種，都可以任意選擇這四種方法而構成。這些組合而成的特徵都是利用加熱器與合金金屬的優越導熱性。此處應特別注意的是鑄入方法與合金之組合，所以加熱器表面的接觸境界面與金屬形成一體化，幾乎完全的達到熱傳導作用。因此有加熱器功率（heater watt）的密度高。在標準的情形下使塑胶模具之设计制作与管理12/14 用時加熱器的壽命幾為半永久性。在實際使用上具有非常大的優點。熱是均質的傳導，所以無局部過熱現象。在加熱塊（heat block）內的熱傳導良好，所以零件材料之溫度變化極小，可以確保樹脂整條流路適正的溫度等特徵。形式、澆口方法是以成形品的形狀及樹脂之種類劃分，應用範圍由一般的普通樹脂以至工

24、業樹脂、填充材料及玻璃纖維強化樹脂，幾乎所有材料都能應用，少有的材料有玻璃（30）難燃尼龍 66、強化（sulfone）、難燃 PC、強化難燃 PBT 等。最近閥澆口用於 PET 瓶用預塑成形非常盛行。閥澆口（圖20（d）的噴嘴端部澆口之背部有純鈜金屬之熱密封環（專利），對於澆口附近的絕熱效果很大。對於發泡成形（structural foam），若有此種效果，則於發泡樹脂注入後由於形成閥密封（valve seal），如圖 21 所示的理想，可以積極的達到發泡成形。有關該公司系統的構成零件，自做為熱源的加熱器往低溫部的熱傳導與絕熱方面，是以零件形狀、尺寸為基本，於選擇構成材料時應深加注意。所使用

25、的金屬有銅、鈹銅、鉻鋼、鈦，用為絕熱的非金屬以玻璃纖維強化鐵弗龍、空氣、成形樹脂的效果較佳。如何成為熱澆道模具設計的傑出人才，基本的要件即是否能有效控制熱。（表四）表四金屬、塑膠的熱性質物質、材料熱傳導率（kcalm?hr?）比熱（calg?）金屬鈦 1350126 不鏽鋼(188)15012 鋁鋼 31011 碳鋼(02C)38400114 碳鋼(05C)43450117 鑄鐵 420117 銀 480105 銀銅(Be2.15.Ni035)68950098 塑胶模具之设计制作与管理13/14 黃銅(70Cu 30Zn)1150091 鋁 1700215 銅 3400092 空氣(20)00

26、22(200)0033 塑膠聚乙烯(LD)0290055 聚丙烯 007014046050 聚苯乙烯 01080136032035 聚二乙醇縮乙醛 0198035 ABS014402880304 尼龍 6018604 PBT(30CF)0108028 聚碳鹽酸 0165028030 熱緣澆口的應用例，如圖22 之 8 模穴，圖 23 的堆疊（多段）模具是一次取32個，且有一次取 64 個的實際經驗。閥澆口完全是機械開閉式。有利用空氣氣缸（模具內）與活塞帶動拉桿關閉閥的方式，如圖22，與最近完成使用油壓缸與活塞組合以開閉閥，如圖24。在法國有使用長度 13 呎（約 4m）、寬 0 75 吋（18mm）的主豎澆道歧管（main sprue manifold），具有 6 個閥澆口的系統，使用聚內烯為材料，且為世界第一大熱澆道模具，用於運動用品的成形製品之例子。每次射出量為88lb（40kg），射出時間為 56 秒14)。塑胶模具之设计制作与管理14/14“MASTER SHOT”是做標準零件銷售，該公司還有其他標準零件，但大都是配合製品的要求而設計製造歧管、熱火嘴、閥澆口等，並將之組合一套的熱澆道系統銷售。