液體輔助射出成形新式高流量水針成形性探討

为情所困

液體輔助射出成形新式高流量水針成形性探討一、前言
液體輔助射出成型的構想在70年代首先由日本人安池(Yasuike)提出【1】，在熱塑性塑料發泡範圍中研究用液體輔助射出成型製造中空件。所使用的工作介質種類有液態氮、酒精、水等流體。阿亨(Aachen)工業大學塑膠加工研究所(IKV)重新研究開發，並採用水為工作介質，開發出水輔助射出成型技術(Water-assisted Injection Moulding)迄今並開發出專用水輔機台，且將技術轉移至廠商期以將其商用化。

液體輔助射出成型與傳統射出成型相較，具有以下優點：
1. 成型性方面：射出壓力不需很大，低壓即可成型，且有較均勻的壓力分佈，並且具有良好的冷卻效果，可縮短成型週期。
8 a6 L* F( Q5 q2. 生產設備方面：由於所需鎖模力較小，可以使用較小噸數的射出成型機，節省設備成本。
3. 成品形狀方面：可用於粗厚產品，掏空中心截面，以節省材料。可應用於具補強肋之塑件，增加強度。
& H$ Y6 J9 F' G8 G4. 成品品質方面：可避免成品表面凹痕，有較低的內壓力，具有均勻的收縮性，產品尺寸安定，變形較小。
+ N' e. Q9 Q( X5 t, _0 _5 n5. 經濟觀點：可節省材料、機台設備等費用，且縮短成品生產週期，提高生產效率。

二、實驗設計
2 y9 U$ M& F( l6 W5 K? 第一代水針設計
& P9 E& h& H7 M( r1 ?* K環形水針（Ring Type）環形水針共分兩部分一為調節螺絲孔，另一為水針本體，高壓液體即經由水針本體底面流進調節螺絲孔底端並自水針本體頂面加工凹槽處噴出，完成充填動作；環形水針因進水及出水孔尺寸過小，造成水壓壓降過大且單位時間內流量不足，且成形過程中於短射階段融熔塑膠會流進出水孔造成堵塞，故成形效果並不佳。
+ U' o" y: Y2 \孔型水針（Orifice Type）（如圖一(a）所示)：孔型水針主要也可分為調節螺絲與水針本體，經由實驗發現孔徑0.5㎜的水針可適合液體輔助成形成形需求；而無論環形或孔型水針皆會因為液體充填塑料完畢後，水針本體周圍塑膠冷卻收縮造成水針本體與射出成形工件的間隙，使後續保壓階段的液體自間隙流出影響後續保壓效果且造成模具及機台的污染與鏽蝕，根據上述問題研究針對現有水針做改良
' ]' L2 r7 d( b+ w8 `/ }? 第二代水針（高流量水針）
根據使用第一代水針的經驗，歸納出第一代水針具有保壓時液體洩漏及出水孔容易遭射出流動融膠背壓堵塞，根據上述缺點而設計新式水針，設計概念則有下列三項：（1）加大出水處的孔徑藉以進而加以提高流量減少因管徑差損失使充填壓力降低與同時可防止因融膠背壓造成出水孔堵塞；（2）能減少因洩漏而造成的污染；（3）可配合未來所發展的排水設備將充填液體於成形過程後直接予以排除提高液體輔助射出成形技術生產效益降低週期時間；故新式水針出水方式主要考慮以下兩部分設計（如圖一 (b)）：
8 D% d& n' }/ d* t網狀結構：以高密度不銹鋼網（孔徑0.7μm），採用高密度不銹鋼篩網結構，因具細小且多孔且孔徑均勻的特性故能有效防止融熔塑膠流入水針本體中，出水孔徑並可加大至5.5mm
" t* w5 B0 ]- _, X3 d多孔性材料結構：以球銅與不銹鋼粉末金屬燒結的多孔性材料（0.7～0.4μm），粉末冶金燒結多孔性材料因具備孔徑細小且多孔的特性外，並具厚度具備剛性使在承受高水壓時與射出背壓時部因反覆壓力導致變形，出水孔徑亦為5.5mm
? 液體輔助射出設備：本研究中所使用之液體輔助射出設備為本實驗室自行設計開發，由液體增壓幫浦、空氣調壓閥、液體壓力錶、水針、恆溫循環槽、計時器、蓄壓器所組成，作動原理與設備實體如圖二所示，各部分元件規格說明如下：
? 實驗模具: 本研究分析藉由截面為具半圓形肋的板件與浮標型管件及長距離彎管的模具探討水針的掏空率影響採兩種不同形狀
- \# ?: o5 R3 I+ z% d' Y0 c* V9 e# o2 H? 實驗設備: 實驗所使用之射出成形機為台中精機Victor-7000/Vs-80型射出機（此機台射出單元之螺桿直徑為32mm，最大熔膠量104cm3、最大射出壓力為2400kg/cm2，鎖模單元為油壓雙曲肘上下平衡五點式設計，最大鎖模力可達80噸。

4 E/ t' w* y% ]8 }/ d3 X% u6 l三、結果與討論
? 高流量水針空射測試
將舊式孔型水針與新式高流量水針（包含網狀結構及粉末冶金結構）直接裝設至現有模具中，在開模狀態下直接連接液體輔助射出成形系統空射高壓水柱並以攝影機拍攝，以直觀的方式直接記錄並觀察，由圖三可得知新式高流量水針較舊式水針具有較高的輸出水量；又以高流量水針兩種設計作進一步比較，不銹鋼網因為網狀結構較薄故剛性較差容易，因長時間受到融膠高溫之射出壓力及低溫高壓水的反覆壓力下融膠會流入網中將篩網孔徑堵塞使水針失效，故在耐用性上較粉末冶金差，最後選擇以粉末冶金材料作為高流量水針出水孔的設計，再繼續以下的水針測試。
+ e7 W8 L* B+ I) b; Q? 高流量水針壓力、流量分析結果
- M" y) Y* v7 q3 n8 F! @0 C由於液體輔助射出成形最主要的關鍵在於水針輸出的流量與壓力決定整體成形性的好壞與掏空率的大小，實驗將測試環境簡化藉由外部的空射實驗與壓力表實際量測三種不同型態水針（環形、孔型、高流量型水針）的流量，輸出壓力再根據實際成形實驗以驗證新式水針的性能。
4 E6 _+ K# y% P  X: A/ O如圖四(a)所示，由圖中量測結果我們可發現，當輸入壓力（即續壓器續壓錶壓力）提高時輸出壓力並未明顯提升（約為5～8 bar），由於孔型水針與環形水針出口面積過小故產生高壓力差使壓力損失大，而新式高流量水針則具有較小的壓力差並可隨輸入壓力提高而提高輸出壓力，故可適用於大型工件或厚件使用大型工件的，亦可針對結晶快速的工程塑膠類（如PA系列）提供較佳的成形效果
如圖四(b)所示，新式高流量水針較過去孔形及環形的水針具明顯具有大流量特性，且當續壓壓力增加時流量亦較舊型設計明顯提高，當瞬間流量大時將可在WAIM製程中流體充填階段單位時間內可推動更多融膠前進。而孔型水針及環形水針因為出口面積較小的情況下流量明顯少許多，故在工件成形性及掏空率明顯受限。
: C! M$ B  f/ N$ K? 高流量水針水道掏空率分析結果
分析水針對掏空率影響採兩種不同形狀藉由截面為半圓形水道的板件與浮標型管件圖五來比較新舊水針整體的掏空情況，由再者比較浮標管件的水針位置位於工件之中圖六，故由圖七可看出其掏空率明顯提升，高流量水針其掏空率約在27.5％與30％上下。
? 工程塑膠暨複合材料成形分析：
9 A+ M+ A& u! f+ U) I測試材料採用PA6與PA6含35％玻纖分別針對孔型水針與高流量水針做測試做比較測試，由於材料具快速結晶的特性及高加工溫度，故對於液體充填時的變化更為快速，又由於高流量水針可傳遞高壓與具高流量應可克服尼龍快速結晶的特性，其整體掏空特性如如圖八、圖九所示，孔型水針因壓力與流量明顯不足的情況下使純PA在穿透過程中造成多處隔離層，相較於高流量水針則克服此項問題使內表面平整且完全穿透且掏空均勻；在複合材料部分高流量水針與孔型水針差異不大，但玻纖分離的現象亦明顯發生，應可運用加工參數克服。
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四、結論
+ x# s7 T# [* N: _$ a1.高流量水針流量與壓力明顯較孔型水針性能佳。
2.當水道形狀較寬時(半圓、矩形），高流量水針在進澆點處(Gate)充填進入工件處較孔型水針有較佳的膨脹效果亦即對於出口角落處能有效保壓不致收縮。
0 y% M% l0 i3 W. U' X: w3.當水道形狀寬度較小時，高流量水針較易產生指影效應。
4.高流量水針與孔式水針比較具有較佳的掏空比與穿透穩定性的。
; u' y2 S3 @) T( N: [! ]1 j  y5.高流量水針因採用粉末冶金當作出水孔（每孔尺寸70- 50μm)不易遭低黏度之高分子融液堵塞。
0 j" a1 V# B6 W/ V+ ]+ v6.當使用具快速結晶材料時，高流量水針可克服快速結晶的問題而能完整掏空工件，可是和運用於管件之製作。