第三章异型押出之产品设计

1/5第三章异型押出之产品设计3-1概论押出是将热塑性材加工成形成薄板、管子或不规则而具固定横截面的形状物。当押出物离开模头后，藉由传送带或其它的拉引机构，将其穿越过一冷却媒介（空气或水），而依模头开启的横截面形状冷凝而成。从模头拉引押出物的速度必须快过挤制出的速度，方可维持押出物在冷却固化时仍成一直线。它亦可藉由拉引速度之改变来轻微的调整押出品的大小，模头大小对最终产品之大小比值，被称为拉引比(drawdownratio)。管子或横截面具中空的押出物，其制造法为：模头具蕊孔，空气可灌入于其内以防止中空押出押出物冷却时塌陷。通常制管子时，还需加一定形模以维持产品之尺寸一致。异形押出品常须做二次加工，为了省时方便，亦可在同流程上做，如定长度切割、打洞、压花、仿木纹及组装等等。几乎具固定横截面的任意形状物，从小到纤维或大到12英寸的管子皆可由押出法制得。两种材料从两不同之押出机挤压出而在模头处会合再押出之加工方式称为复合押出，如坚硬的热塑性塑料与柔韧的乙烯基物(vinyl)。坚硬部分可保持异形物之整体形状。而柔韧部分则可用于密封或垫材。嵌入金属条于押出物内亦为常见的异形押出法，其好处为，它可提供整体结构的永久性。押出加工最适宜制造大量的塑料产品，因为加工成本低。然而为使最终产品其尺寸达到要求，常须经过多次的尝试错误法，所以制造少量的押出塑品是较不经济的。押出加工的制品率非常快，视押出机的规格而定，可从5kg/hr到200kg/hr。3-2材料之考虑为了成形各种异形押出品，材料之选择对成形之难易及物性影响极大。HIPS是所有塑料里最易押出的，纤维素类及压克力则次之，最难押出的为Nylon。软质塑料之押出，其紧密公差较硬质塑料为差。依照一般的经验，如PS、PMMA、硬质vinyl及醋化纤维素，在拉引及冷却时，不可在冷水中急速冷却，因为这样会产生额外的应力及使塑品表面之外观不良。而结晶性之塑料如PE、Nylon、PP及PVDC则须在冷水中冷却。对一个非对称的模头而言：Vinyls、ABS及PS较PE及PP容易被押出。因为后者之熔融强度较低，黏度也低较不易控制。如果两种用于复合押出之热塑性塑料不相同的话。则两者之间的连接力可能会有问题。这时在设计上常须加上凹槽、扣接角或机械式的嵌点以补强之。吾等亦须注意两者之化学不兼容性问题，例如有加塑化剂的软质vinyl与PS就不兼容，因为塑化剂会慢慢的潜行到PS上。表3-1为各种塑性塑料之押出性与用途比较：2/53-3设计之建议3/5虽然本质上任何异形品皆可能由热塑性塑料押出制得，但仍有许多影响极大之设计因子须考虑之。首要者为异形品之肉厚。具均匀肉厚的异形品最易制造，若是肉厚不均匀会造成塑流不平均，使得各部分之冷却速率不同，如此较厚肉部分易产生翘曲。如果不均匀的肉厚真的无法避免，最好于厚断面部分给予额外的冷却。当然这样一来，加工工具变得复杂，生产成本也增加了。另外，非均匀肉厚的产品，其尺寸公差需为均匀肉厚产品的一倍。另一个常见的问题为凹痕常发生在厚肉断面对面的平坦表面上，这时最好将产品重新设计如图3-1所示，(a)图极易产生凹痕，(b)图则将其凹槽化，以消除厚肉断。热塑性的中空押出品并不像金属般的那么难制出。然而，此举会增加模头之制造成本及灌入空气于中空部分之加工成本。所以，可能的话，最好减少或消除中空的产品。如果产品之设计可选择包含中空或不平衡之异形时，这时最好选择中空（图3-2），当然含中空之异形品，其尺寸公差较不含中空者为大。中空区内之脚或凸起部须尽量减少或消除，因为其在冷却时，无法固定形状，于是增加了尺寸之变异性。若是内凸起部无法避免，则其设计应以不超过环绕中空之肉厚为原则，如图3-3所示。4/5中空区内再一小中空，此种情况应极力避免，因为不仅成本高而且尺寸公差之控制不易，如图3-4所示。陡峭的边角塑品，极不易被押出且容易成为应力集中点而遭破坏。所以设计内外边角半径时，最好其值为壁厚之一半以上，并且内外边角半径同圆心以防止冷却时造成应力，如图3-5所示。模头里面有大的无支撑区，押出时须要大的模头力量及在模头入口处要能流线化，因此增加了加工困难性及成本。所以最好能修饰原设计以增加强度，如图3-6所示。5/53-4发泡异形押出具有泡孔状内部构造的异性押出品是为了要节省材料及增加产品之挺性。此加工方法是加了发泡剂，然后在小心的控制下押出。发泡剂通常为干燥的化学粉末，在塑料的熔融温度下分解，而放出气体膨胀，定形模或其它辅助设备常接于模头后，以帮助押出物之表面形成固态皮层。有时发泡之异形押出是利用共押出的方法，即固态皮层是由标准材料押出制得，而泡孔材料则是由另一台押出机制得，于共享模头内会合再押出。当异形押出物极大或极厚时，结构发泡押出变得非常实用，因内部之发泡可节省许多材料费。例如用仿木的异形发泡品以取代木浆成形；及如排气、排水渠用的发泡管或是低压用的电话线管等。另外具固体皮层的押出发泡板，可用热成形(thermoforming)制成行李箱、船体及休闲车体等。所有的热塑性塑胶皆可以用发泡的方式押出，最常用于结构上应用的为PVC、ABS、PS及HDPE。在设计上，异形发泡押出较固体之异形押出有较小的限制，因为厚断面之收缩在发泡上已减少了许多。设计者在厚肉及非均匀肉厚之发泡上，有较多之设计自由度。其它的一些设计建议大体上与发泡及固体异形品相同。一般发泡异形押出，其成形品比重在0.6到0.95之间，发泡倍率为1.3到2倍；螺杆的L/D约20到28，压缩比最好约2～2.5。3-5拉挤成形(pultrusions)拉挤成形之产品形状极似异形押出之产品，只不过前者是由群集的玻纤与聚脂产生饱和而制成。拉挤成形之加工方式也与押出不同，它是由加热的模头中拉出，模头将玻纤与原料紧压在一起而成连续式的形状并且热化。当热固性材料硬化后，由于有拉延方向之力量存在，所以能制造出高强度／重量比的产品。其它纤维，如从硼、纸及石墨中制得或是金属线也可用于拉挤成形，而环氧树脂或silicone可取代聚脂原料，但一般而言，玻纤－聚脂之组合，至今还是最普遍的。玻纤－聚脂之拉挤成形品，其好处为高强度、重量轻、防侵蚀、及良好的电气绝缘，故其常应用于结构体上如工型梁、杆子、管子及通道等，以取代木头或金属，特别是在须要寿命长及恶劣的使用环境下时。常见的产品如滑雪杆、露营用之短棒、工具把手及楼梯旁的扶手等。拉挤成形品之横截面。特别形状之横截面，最少须要制得25000到100000尺的量，以摊还加工工具之成本。即使是大量生产，拉挤成形之成本还是比其它制成同样大小产品的加工方式高。虽然拉挤成形允许设计者能发挥很大的自由度，但仍有一些基本的原则须要遵守，即尽量避免陡峭的边角、遽变的肉厚。除了实心杆及棒之外，断面肉厚不可超过1/2英寸，而最小可容许的肉厚为1/16英寸(1.5mm)。另外用拉挤成形之塑品，其表面通常较粗糙，如果模头含分模线的话（通常非圆形产品皆有），最好将其设计在隐藏的角落或次要的表面上。