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技術專題:POM-射出加工之模具設計模具的設計要分別從成品的形狀設計和模具設計兩方面分別檢討。在決定形狀設計前，必須先瞭解對成品的品質要求如何。對於所要求品質最好以如同下表的重點加以檢討。要作成符合要求品質的成形品，在形狀上要從各種角度加以檢討。例如下表就是以「POM」為材料，在形狀設計時必須加以檢討的重點。決定成品的形狀後，其次再決定?狳膋犖c道。其檢討的順序如下表。品質要求的著眼點著眼點要求品質什麼是外觀上的問題？通常是皺紋、燒焦、顏色、收縮、接合縫皺紋、光澤、褶皺加工等。尺寸公差的標準程度如何？亦即甚麼程度對塑膠才算合理？變形的容許範圍？真圓度、平面度、歪倒、彎曲。氣泡之處理？厚度過大為容易引起氣泡的原因。成形品的必要強度如何？形狀設計的著眼點表著眼點成形品形狀設計厚度均一嗎？過厚處不能刪掉嗎？有銳角嗎？盡力擴大彎曲度。有下部切去(undercut)嗎？必要時，下部切去過大嗎？是否考慮到扳稍問題？有不對稱形狀的地方嗎？若有，不能改為對稱嗎？或者考慮補強方法使之平衡，解除不對稱。圓筒狀成形品，長度／直徑比不太大嗎？太大時，考慮模心冷嗎？箱型成形品內側，容許變形程度如何？ㄈ字型成形品寬度／高度比否太小？太小時，考慮模心冷嗎？直角部歪斜嗎？使用插入金屬方式嗎？考慮插入形狀、樹脂厚度、長期使用所發生的裂痕嗎？有無後加工？機械加工、溶接、表面裝飾。塑模設計程序程序考慮重點決定塑模構造接合線的位置、成形品取出方式、氣體如何排出、如何冷?？決定閘門方式、閘門位置、閘門大小考慮外觀、變形、接點、成形時間、自動脫膜等。決定主流道、分流道大小、配置分流道發生比率如何？不能使用熱分流道嗎？多數個時能同時充填嗎？決定塑模溫度考慮後收縮、皺紋、成形時間、成形彎曲。溫度調節方式如何。估計成形收縮率設定了塑模溫度、樹脂溫度、射出壓力、成形時間等成形條件而估計成形收縮率。根據日常經驗或類似形狀的實際經驗而估計成形收縮率。根據後收縮的容取值，考慮退火與否，而修正上述的收縮率。分流道分流道尺寸，是以能夠讓溶融的樹脂在未冷卻之前能順利流入模槽，同時壓力損失減少到最小的程度，最為理想。但是如按照這理想所設計的尺寸，分流道所估用的材料重量對成品重量的比例會很大。雖分流道可經粉碎後再使用，還是不經濟的。還有分流道的尺寸過大時，其冷卻時間延長成形週期時間也必須隨延長。影響生產效率，所以為了提高生產效率，對於上述的理想常常作若干的犧牲，使分流道的尺寸，較遷就於現實。作合理化的檢討，減小分流道的尺寸，或改為熱分流道(HotRunner)的方式。分流道的形狀以斷面為圓形比較不易冷卻為佳。但在製造模具，需分別在固定板和移動板控堀溝道，在製作上有所不便，則以梯形狀的分流道替代。梯狀分流道的尺寸標準如下：上底的長度=(0.6~7)×下底的長度高≒上底的長度半圓形狀的分流道最不理想，儘量避免採用這種形狀。又分流道的內壁，通常比較粗燥，對流動性有不利的影響，必須加以研磨。冷分流道的尺寸分流道的大小，是以容許多少的壓力損失來決定其尺寸。以高速高壓成形的話，分流道可減少到相當小的尺寸。但是考慮到成品尺寸的變動，以及強度要求嚴格時，模具就不能設計太細小的分流道。關於分流道的大小，以分流道的長度以及考慮對品質的要求來決定。但概略的情形如下圖所示。例如被要求以M90精密成形，從圖上M90精密成形直線與分流道最遠處的長度之交差處，所示的分流道尺寸為一般分流道的大小，下圖是以壓力損失5~10%程度為條件，有時候以更小的尺寸也未嘗不可。分流道長度簡易設計圖從上圖也可以得知儘量的減少分流道的長度也是減少分流道尺寸的方法之一。熱分流道設計為熱分流道方式，對節省材料、自動化等方面會有相當的效益。但是對於壓力損失，以及滯留於分流道處的材料變色，更換顏色，或附帶設備裝置等等也有不便之處。所以在採用此方式之前須作充分的考慮檢討。分流道的排列與閘門的平衡性多數個模槽的單一模具，其分流道長度的設計，是以能夠使材料同時間充填入各階槽為原則。下圖所列的即為一例。如果無法在同時間內將材料充填入各模槽時，亦即閘門的均衡度不良時，容易使各模槽間的成品發生，在尺寸、強度或表面波紋等品質不均的現象，成為問題的原因。分流道配列之例BGV=Sg/(lg×lG)1/2BGV：閘門均衡度(對通過閘門的材料重量比)lg：分流道的長度lG：閘門長度SG：閘門斷面積但是上面的公式有它適用的條件。因為分流道過分細小的話，一般都是先流入分流道後，依次開始流入最接近主流道的模槽，所以在離主流道最遠模槽依據上面公式將閘門加大，也不能讓材料同時流入模槽。在這種情形作了如下圖的試驗模具，以改變分流道的大小，來測定各個模槽的流動性，得到如下圖的結果。像這樣，分流道細小的情形，不能適用BGV的公式，分流道大而閘門小時，則材料先充滿了分流道，然後開始流入各模槽的情形，比較能適用於BGV的公式。用於檢討閘門平衡的試驗模具閘門一定時各模槽之流動長(射出速度快的情形)閘門改變時模槽之流動長閘門閘門有形形色色的種類，通常是依形成品品質，生產性、自動化等情況，而決定使用何種形態的閘門。又閘門的位置也會影響成品的強度、與外觀，所以選擇閘門的位置須事先加以檢討。閘門尺寸的大小如果考慮到成品的外觀、強度等品質的要求，閘門的厚度以成品厚度的60~70%為宜。閘門的寬為厚度的1~1.5倍最為普遍，有時也有到2倍。但如果在品質上不會有問題，為了提高成形速度、或自動化等目的，使用稍為小的閘門亦未嘗不可。即厚度3mm左右以0.8~1mm程度的閘門也可以。甚至於更小0.5~0.6mm程度也可能成形，但是必須注意將於後述的「成形品質」項下的成形條件。閘門的形狀POM並不需要特別形狀的閘門。一般常用的形狀即可。以下所述形狀可作參考：針孔閘門；隧道閘門；閘門處所不需整修有利於自動化。小翼閘門；扇狀閘門；如果表面波紋成為題，為了使材料流入模槽的速度緩和，可採用此形狀。盤狀閘門；成形圓筒形成品而縫合線處容易產生強度的問題，此形狀對防止這些問題的發生相當有效。使用隧道狀閘門，當閘門切斷後，往往在隧道中容易殘留碎片，這些碎片常常在下一次的射出工程中流入模槽，造成破損的問題。這種情形隨閘門形狀的不良是原因之一。POM的隧道閘門狀下圖。隧道閘門的形狀脫模鈄度POM的成形收率較大。模具的脫模斜率度比一般非結晶性塑膠小一點也可以。但從離模性來考慮的話在許可範圍內以採取較大的斜度為佳。至少要有1/4°~1/2°的斜角，最好有1°的程度。下表即為成品斜度與成品深度與斜角度之關係。脫膜斜度斜度度數與尺寸之關係(單位：mm)下切如純以生產性來著眼，最好在形狀設計時要避免有下切的形狀。但是如利用壓入組合方式的成品，因有下切的形狀，成品會發生強制取出的現象，這種情況，其下切差在圓筒狀時約為2.5~3%。通氣閥模槽內如有空氣、瓦斯等氣體存在時，在灌充材料會被這些氣體冷卻，在強度、外觀上，會發生間題，或引起瓦斯燃燒。又如通氣閥不良時，也易產生如前已述模垢問題。以從模具的接合線處，將氣體迫出的方式，其構造如同寸圖所示，從成品外周全面將氣體排出。亦即在離成品外周約數mm處，將模具弄出1/100~2/100的粗度，然後作成3mm程度的溝將氣體導出模具外面。氣閥設計之例模溫調整模具溫度對成形週期，成品品質有很大的影響。其溫度的調整方法，必須如同分流道、開門、頂出方式等，在製作模具前必須事先考慮。冷卻孔的傳熱面積(內壁面積)模具中的冷卻孔必須具有充足的傳熱面積以便使在成形當中每一次的射出，由材料傳入模具的熱量，能充分地消除去。傳入模具中的熱量(必須消除之熱量)下圖所示，係以列計算式，算出每小時材料消費量與傳入模具中熱量之關係。所傳入的熱量係受材料本身溫度，與成品取出時溫度之溫度差所支配，這種溫差越大，所傳入模具的熱量也越高。W=3.6(W/ta)W：每小時材料消費量(kg/hr)w：每次射出成品之重量(g)ta：全成形週期時間(sec)流入模具之熱量冷卻液量的最少流量為了使冷卻液能經常以一定的溫度在模具中循環。則要檢討冷卻液流量的大小。使模具冷卻液的出入口之間的溫度差能儘量地縮小。下圖所示，為冷卻液出入孔間的溫差，要控制在2℃以下時必須的最少流量。冷卻液(熱媒)以最常用的乙醇與水比較水對相同的傳入熱量所必須的量少一點。模具冷卻液之必要最少流量此處所述的流量，是指對出入孔間之溫差，所必要的最少流量。至於決定實際的流量則要依照(iii)項以及以下將述及的模具表面溫度分佈等關係而決定之。境模傳熱係數所謂境膜傳熱係數，係表示在冷卻孔壁面的熱移動難易度。也就是這係的數值越大，會有越多的熱量向冷卻孔移動。所以把握這個數值是很重要的。又這個數值本身與冷卻液的物性、溫度、流量也有相關性。對傳熱面積也深的關連。下兩圖係口徑8mm或12mm冷卻孔的境模傳熱係數，和流量與冷卻液溫度間關係。在實際上液中含有灰塵、水份、或銹也會影響上面關係。必須加以注意。境膜傳熱係數(d=8mm)境膜傳熱係數(d=12mm)熱傳面積下二圖所示，為冷卻孔之總傳熱面積和傳入模具熱量的關係。冷卻孔之傳熱面積(1)冷卻孔之傳熱面積(2)上圖所示，所謂總傳熱面積，如圖(a)的實線部份所示。但實際上熱是被認為如(b)的形式流動，所以有效傳熱面積只限於(b)的實線部份。又同冷卻孔，離模槽較遠的冷卻孔就難於具有同樣的冷卻效果。所以要設計冷卻孔時，所謂傳熱面積，實際上的估計就要比上圖所的示數值大2~3倍的程度。有效傳熱面積模蕊的冷卻因為模蕊是非常容易聚集熱的地方，必須要有特殊冷卻效果的構造。對於冷卻模蕊的各種方法將於下面記述：使用水(冷卻液)冷卻使用水來冷卻模蕊是最常見的方法。下圖一是利用baffleplate使用例。下圖二是利用bubbler-tube的應用例。就熱傳導性來看，對於比較高溫的部份要有效的冷卻，則bubbler-tube的方法較理想。baffleplate使用例bubbler-tube使用例使用空氣冷卻對於比較細的模蕊，無法設置冷卻水道時，有時候則在模蕊中間開個細孔，打入壓縮空氣，同樣也有冷卻效果。使用熱傳導性良好的金屬無法設置冷卻水路時，也可利用熱傳導性良好的金屬，如鋇鋼以達冷卻的救果。如下圖只在模蕊的底部通過冷卻水以吸收頂端的熱量。鋼鋼模蕊使用例使用熱管所謂熱管是對於密閉管內的流體，經返覆的蒸發、移動凝縮、環流等動作所發生的熱量有移導效果。在裝置冷卻水路困難時，可利用這種方法。又熱管對於溫差小的情形也能發揮傳熱效果。所以不必通過低溫的冷卻水。試驗用齒輪一型的模具構造模具構造及成型條件(試驗用齒輪一型)模具構造(冷卻孔)模具材質S45C冷卻孔徑深度8mm12.5mm成形條件樹脂溫度200℃冷卻水溫度流量90℃15/min成型週期(射出+冷卻)(全)20sec24sec模具表面溫度的計算結果(成形前的狀態)模具表面溫度的計算結果(成形中的狀態)熱管使用例模具的材質對於模具材質的要求大致有如下列硬度高且耐摩耗品良好。切削加工性良好，具有放電加工性。鏡面加工性佳(容易研磨，且表面無針孔等欠陷)耐蝕性熱處理後的尺寸穩定。具有充分的強度和鋼性。當然具備所有優點鋼材是無法找尋的。只能以應模具各部門所要求的性能來選擇材質。根據各種資料整理出各種模具材質的性質如表10可作為參考。POM的模具有時會有腐蝕的問題。但以改善氣閥或成形條件的變動可以解決這種問題，如果實在不能解決，則要變更模具的材質。將各種鋼材浸漬於蟻酸，然後觀察其表面腐蝕狀況，得到以下結果，可作為選擇材質的參考：S55C＜NAK-55＜SKD-11＜SKD-12＜MAS-1＜PSL≦SUSN3MSKT-14SNC45(不良)---------------------------------------------(良)模具材料之特徵型材JIS製造廠商種類硬度HRC耐摩耗性耐腐性強度被切削性鏡面性粗燥加工性燒入性溶接性機械構造用炭素鋼G4051S45C~55C15~20CDCA++CBCA不銹鋼G4303SUS-304(SUS-