双料共射出成型

1、 雙 料 共 射 射 出 成 型 C o - Injection Molding ，又 稱 三 明 治 射 出成 型 製 程 Sandwich Injection Molding是 新 近 革 新 性 射 出 成 型 加 工 技術 之 一 。 其 操 作 原 理 是 在 傳 統 射 出 機 多 加 一 根 料 管 和 改 良 式 噴 嘴 Nozzle 。在 熔 膠 射 出 過 程 可 以 同 時 或 間 隔 式 順 序 將 熔 膠 射 入 成 型 模 穴 中 ， 其 成 型 示 意 圖 如 圖 一 所 示 ， 也 就 是 共 射 出 成 型 製 程 是 將 二 種 相 同 或 相 異 但 具

2、相 容 性 高 分 子 熔 膠 ， 先 行 將 皮 層 料 A 料 射 入 成 型 模 穴 一 定 量 ， 再 將 核 心 料 B 料 利 用 同 時 A-B/A-A 或 間 射 A-B-A 順 序 控 制 方 式 ， 形 成 一 種 核 心 料 被 皮 層 料 所 包 覆 的 成 型 製 程 。 圖一雙料共射出成型示意圖 比 起 傳 統 射 出 成 型 ， 雙 料 共 射 射 出 成 型 製 程 有 如 下 的 優 點 ： 1. 核 心 料 可 以 使 用 低 黏 度 的 材 料 來 降 低 射 出 壓 力 。 2. 從 環 保 的 考 量 ， 核 心 料 可 以 使 用 回 收 之 二 次

3、 料 。 3. 因 應 不 同 使 用 特 性 ， 如 厚 件 成 品 皮 層 料 使 用 軟 質 料 ， 核 心 料 使 用 硬 質 料 或 者 核 心 料 可 以 使 用 發 泡 塑 料 來 降 低 重 量 。 4. 利 用 較 低 品 質 之 核 心 料 以 降 低 成 本 。 5. 皮 層 料 或 核 心 料 可 使 用 價 格 昂 貴 且 具 特 殊 表 面 性 質 ， 如 防 電 磁 波 干 擾 、 高 電 導 性 等 材 料 以 增 加 產 品 性 能 。 6. 適 當 的 皮 層 料 和 核 心 料 配 合 可 以 減 少 成 型 品 殘 餘 應 力 、增 加 機 械 強 度

4、或 產 品 表 面 性 質 。 雙 料 共 射 出 成 型 機 由 於 機 械 結 構 改 變 和 控 制 系 統 的 精 確 要 求 與 高 度 的 專 利 性 因 而 價 格 較 為 傳 統 射 出 機 昂 貴 ， 目 前 國 際 上 應 用 尚 未 廣 泛 但 在 應 用 產 業 上 卻 有 明 顯 成 長 的 趨 勢 。 雙 料 共 射 出 成 型 應 用 範 圍 很 廣 ， 如 車 身 、 電 子 儀 器 外 殼 圖 二 、 電 視 機 外 殼 及 座 椅 圖 三 等 。 然 而 新 的 製 程 也 引 進 了 新 的 製 程 參 數 和 複 雜 的 製 程 控 制 ， 相 對 於

5、傳 統 射 出 成 型 製 程 ， 雙 料 射 出 引 入 了 不 同 的 製 程 控 制 條 件 ， 如 皮 層 料 的 射 入 量Stroke、 皮 層 料 核 心 料 轉 換 時 間 、 皮 層 料 料 溫 、 核 心 料 溫 、 皮 層 料 或 核 心 料 保 壓 壓 力 等 。 因 此 在 針 對 雙 料 共 射 成 型 製 程 優 點 應 用 同 時 ， 就 應 瞭 解 其 製 程 特 性 與 控 制 ， 方 能 使 這 項 革 新 性 技 術 發 揮 其 優 越 性 。 a車身前緣 b電子儀器外殼 圖二雙料共射出成型應用範例引自巴頓射出機商業手冊 a電視機外殼 b花園座椅 圖三雙

6、料共射出成型應用範例引自巴頓射出機商業手冊 它 的 主 要 方 法 是 在 傳 統 射 出 成 型 過 程 中 ， 先 射 入 固 定 量 的 熔 態 樹 脂 ， 然 後 從 澆 注 口 或 是 由 預 置 的 氣 體 管 路 中 注 入 可 控 制 量 的 惰 性 氣 體 通 常 使 用 氮 氣 於 模 腔 中 流 動 熔 態 塑 膠 的 核 心 。 由 於 壓 力 在 氣 體 中 能 夠 迅 速 而 均 勻 的 分 佈 ， 因 此 藉 著 這 些 氣 體 的 輔 助 可 以 將 壓 力 導 至 遠 離 澆 口 部 份 的 模 穴 ， 來 幫 助 熔 態 高 分 子 的 成 型 。 氣 體

7、輔 助 射 出 成 型 的 示 意 圖 如 圖 四 說 明 。 成 型 應 用 案 例 如 圖 五 所 示 。 圖四氣體輔助射出成型示意圖 動態解說圖五 (a)氣體輔助射出成型四分之一卡車引擎蓋。箭頭所示為氣體通道設計攝自AC Technology公司，Ithaca, N.Y.圖五(b)氣體輔助射出成型冰箱Drain Cover成品之上視圖攝自 AC Technology 公司，Ithaca, N.Y.圖五(c)氣體輔助射出成型冰箱Drain Cover成品之下視圖。攝自 AC Technology 公司，Ithaca, N.Y. 傳 統 的 射 出 成 型 ， 射 出 的 壓 力 與 熔 態

8、 樹 脂 的 流 動 長 度 成 正 比 ， 因 此 當 成 品 愈 大 、 流 動 長 度 愈 長 ， 噴 嘴 所 需 的 射 出 壓 力 也 隨 之 增 高 。 在 氣 體 輔 助 射 出 成 型 時 ， 當 氣 體 導 入 模 腔 後 ， 氣 體 峰 前 Gas Front 與 熔 膠 峰 前Melt Front 的 相 對 長 度 不 僅 不 會 增 加 反 而 會 減 短 ， 因 而 所 需 的 射 出 壓 力 不 但 不 需 要 增 加 ， 有 時 更 可 以 降 低 ， 這 種 情 形 可 由 示 意 圖 六 來 說 明 所 示 。 圖六傳統射出成型與氣體輔助射出成型之射壓對於熔

9、膠流動的變化 動態解說 從 氣 體 進 入 模 穴 至 熔 膠 充 填 完 成 ， 稱 為 氣 體 的 一 次 穿 透 或 是 主 要 穿 透 Primary Penetration。 在 後 續 的 保 壓 過 程 中 由 於 熔 膠 的 收 縮 ， 氣 體 峰 前繼 續 往 前 移 動 ， 這 個 時 期 氣 體 的 運 動 稱 為 二 次 穿 透 Secondary Penetration如 圖 七 所 示 。 圖七氣體一次穿透以及二次穿透示意圖 動態解說 相 對 於 傳 統 射 出 ， 氣 體 在 二 次 穿 透 時 ， 壓 力 能 夠 從 肉 厚 的 核 心 有 效 而 且 均 勻

10、的 施 於 成 品 的 表 面 ， 對 於 成 品 的 收 縮 率 和 表 面 凹 痕 的 改 善 有 很 大 的 助 益 。 綜 合 言 之 ， 這 種 新 的 製 程 技 術 歸 納 起 來 具 有 下 列 的 優 點 ： . 對 於 大 而 薄 的 成 品 可 使 用 較 均 勻 而 低 的 壓 力 ， 即 可 完 成 射 出 ， 因 此 可 以 減 少殘 留 應 力 及 翹 曲 變 形 ， 並 增 加 其 機 械 強 度 。 . 成 品 肉 厚 的 中 央 是 中 空 的 可 以 節 省 塑 料 、 降 低 成 本 。 . 可 以 減 少 肋 骨 或 輪 轂 等 結 構 的 收 縮 凹

11、 陷 ， 改 進 成 品 表 面 的 品 質 。 . 可 以 降 低 樹 脂 的 收 縮 率 ， 提 高 射 出 成 型 品 的 精 密 度 。 . 大 量 減 少 鎖 模 力 ， 可 用 小 噸 位 射 出 機 取 代 原 生 產 用 的 大 噸 位 射 出 機。 . 利 用 氣 體 管 道 的 設 計 來 加 強 成 品 的 結 構 和 強 度 。 . 減 少 流 道 數 目 ， 節 省 塑 料 的 使 用 。 . 縮 短 射 出 成 型 週 期 。 . 改 變 傳 統 成 品 設 計 觀 念 及 限 制 可 以 使 用 大 的 成 品 厚 薄 比 。 . 改 變 傳 統 成 品 設 計

12、觀 念 使 各 附 加 零 組 件 儘 可 能 達 到 一 體 化 設 計 和 成 型 。氣 體 輔 助 射 出 成 型 製 程 技 術 可 以 應 用 的 範 圍 很 廣 。 舉 凡 結 構 型 的 產 品 如 汽 車 保 險 桿 、 儀 表 面 板 、 塑 件 車 體 、 各 項 把 手 及 操 作 桿 ， 電 子 資 訊 產 品 如 各 型 電 腦 、 電 視 銀 幕 外 殼 、 筆 記 形 型 電 腦 鍵 盤 及 銀 幕 顯 示 器 外 框、 各 型 電 腦 的 週 邊 設 備 、 列 表 機 、影 印 機 ， 精 密 照 像 機 外 殼 以 及 家 電 產 品 如 洗 衣 機 、 電

13、 冰 箱 等 均 可 利 用 氣 體 輔 助 射 出 成 型 來 製 造 。 其 應 用 範 圍 大 約 包 含 了 原 有傳 統 射 出 成 型 百 分 之 七 十 的 領 域 ， 但 也 可 使 用 到 一 些 傳 統 射 出 成 型 無 法 製 造 的 複 雜 形 狀 成 品 ， 如 具 氣 體 輔 助 導 槽 的 物 件 。 目 前 電 視 機 外 殼 改 用 氣 體 輔 助 射 出 成 型 已 開 發 成 功 日 本 Panasonic 29 吋 ， 韓 國 Samsung 2 7 吋 及 3 3 吋 ， 對 於 台 灣 家 電 業 而 言 是 一 大 挑 戰 。 而 對 佔 有 世

14、 界 電 腦 監 視 器Monitor生 產 70% 以 上 的 台 灣 資 訊 業 而 言 ， 也 面 臨 了 未 來 技 術 提 升 的 壓 力 。 氣 體 輔 助 射 出 成 型 雖 然 有 許 多 優 點 ， 但 由 於 射 出 成 型 品 幾 何 形 狀 變 化 很 大 ， 同 時 新 的 製 程 也 引 進 了 新 的 製 程 參 數 使 得 成 型 製 程 複 雜 化 、 困 難 化 ， 例 如 ： 氣 體 管 道 截 面 幾 何 形 狀 和 尺 寸 的 設 計 ( 圖 5 ) 、 氣 體 管 道 的 排 置 方 式 ( 圖 6 ) 、 氣 體 注 入 口 的 位 置 、數 目

15、、 氣 體 起 始 注 射 時 間 、 注 射 壓 力 或 流 量 、 熔 膠 射 出 量 以 及 位 置 的 配 合 等 等 。 而 氣 體 流 動 的 特 性 更 是 和 熔 態 樹 脂 的 流 動 大 不 相 同 ， 這 些 都 是 以 往 業 者 缺 乏 的 經 驗 。 同 時 模 具 冷 卻 系 統 需 要 更 詳 細 的 規 劃 以 避 免 肉 厚 不 均 勻 ， 多 模 穴 氣 體 管 路 及 氣 體 行 徑 更 需 要 精 密 的 控 制 以 防 止 氣 體 的 突 穿 。 綜 合 來 說 ， 和 氣 體 輔 助 射 出 成 型 相 關 的 設 計 和 製 程 參 數 計 可

16、分 為 三 大 類 來 說 明 ： 1. 與 產 品 設 計 有 關 的 參 數 包 括 有 (1) 成 品 表 面 氣 道 的 佈 置 方 式 Gas Channel Layout (2) 氣 體 截 面 的 形 狀 與 尺 寸 2. 與 模 具 設 計 有 關 的 參 數 包 括 (1) 流 道 系 統 的 設 計 (2) 冷 卻 系 統 的 設 計 (3) 氣 體 入 口 位 置 、 數 目 以 及 氣 針 的 埋 置 。 3. 與 成 型 相 關 的 參 數 包 括 (1) 傳 統 射 出 成 型 製 程 參 數 熔 膠 溫 度 、 熔 膠 射 出 速 度 、 模 溫 、 保 壓 壓

17、力 等 (2) 和 氣 體 有 關 的 製 程 參 數 計 有 a. 氣 體 起 射 時 間 配 合 熔 膠 射 出 量 b. 氣 體 起 射 延 遲 時 間 Gas Delay Time c. 氣 體 射 出 壓 力 或 流 量 d. 氣 體 射 出 時 間 在 實 際 生 產 的 過 程 中 ， 產 品 設 計 者 必 須 與 模 具 廠 密 切 配 合 ， 而 且 最 好 對 於 成 型 的 製 程 有 所 瞭 解 ， 在 產 品 設 計 之 初 就 能 考 慮 成 型 之 可 行 性 ， 否 則 產 品 設 計 和 模 具 的 修 改 會 耗 費 很 多 時 程 。 圖八常用的氣體截面

18、管路資料來源：AC Technology 公司圖九常見氣體通道的排置方式資料來源：AC Technology 公司氣體流動長度在壓力30、60、120Bar的實驗過程比較 動態解說 射 出 壓 縮 成 型 (Injection-Compression Molding) 是 新 近 發 展 的 革 新 性射 出 成 型 加 工 技 術 之 一 ， 其 操 作 方 式 結 合 了 射 出 成 型 以 及 壓 縮 成 型 兩 種 成 型 技 術 。 這 個 製 程 主 要 是 在 一 般 傳 統 射 出 成 型 製 程 之 外 加 入 模 具 壓 縮 的 製 程 ( 如 圖 1 - 1) 通 常 有

19、 三 種 ， 其 中 最 普 及 為 短 射 射 出 壓 縮 成 型 如 圖 1 - 2 亦 即 在 充 填 之 初 模 具 不 完 全 閉 鎖 ， 當 部 份 塑 料 注 入 模 穴 後 再 利 用 鎖 模 機 構 閉 鎖 模 具 ， 由 模 心Core Side 模 壁 向 模 穴 內 熔 膠 施 加 壓 力 以 壓 縮 成 型 來 完 成 模 穴 充 填 。 此 種 成 型 方 式 不 但 可 以 降 低 充 填 模 穴 所 需 之 射 出 壓 力 ， 且 由 於 均 勻 加 壓 使 得 整 個 成 型 製 程 可 以 在 低 壓 的 環 境 下 完 成 而 得 到 模 穴 內 熔 膠

20、均 勻 的 壓 力 分 佈 ， 因 此 在 成 品 收 縮 率 可 以 得 到 良 好 的 控 制 。 圖 、 圖 分 別 表 示 代 表 在 P - V - T 圖 上使 用 傳 統 射 出 成 型 及 射 壓 成 型 成 品 收 縮 之 變 化 。 比 起 傳 統 的 射 出 成 型 ， 射 出 壓 縮 成 型 具 有 以 下 優 點 ： 降 低 射 出 壓 力 降 低 殘 餘 應 力 減 少 分 子 定 向 均 勻保 壓 減 少 不 均 勻 收 縮 。 克 服 凹 陷 、 翹 曲 。 減 少 成 品 雙 折 射 率 差 。 緩 和 比 容 積 變 化 。 增 進 尺 寸 精 度 。 基

21、於 以 上 優 點 ， 射 出 壓 縮 成 型 在 目 前 國 際 上 的 應 用 著 重 在 需 要 高 精 度 尺 寸 以 及 考 慮 光 學 性 質 的 光 學 用 精 密 塑 件 ， 例 如 鏡 片 、 光 碟 片 基 底 等 製 造 的 製 程 。 以 C D 基 底 為 例 ， 其 原 理 乃 利 用 雷 射 光 透 過 具 有 凹 槽 Pits with 0.1 mm Deep之 塑 膠 基 座 上 的 極 小 點 Order of Sub-Micro Spot被 精 確 地 反 射 回 來 以 便 讀 取 數 位 訊 號 ， 因 此 就 如 同 光 學 用 鏡 片 的 對 焦

22、問 題 一 樣 ， 任 何 的 光 程 差 或 雙 折 射 率 差 值 都 必 須 控 制 到 一 定 的 標 準 以 確 保 感 測 器Sensor精 確 地 讀 取 反 射 回 來 的 數 位 訊 號 。 使 用 射 出 壓 縮 成 型 的 製 程 可 以 降 低 成 型 品 的 收 縮 率 、 殘 餘 應 力 及 分 子 排 向 以 控 制 雙 折 射 率 差 值 。 然 而 使 用 新 的 製 程 技 術 也 引 進 了 新 的 製 程 參 數 ， 如 射 出 過 程 熔 膠 射 出 量 、 熔 膠 射 出 時 間 、 模 穴 厚 度 、 壓 縮 過 程 的 壓 力 及 速 度 ， 同 時 製 程 控 制 的 複 雜 性 也 相 對 的 提 高 了 ， 如 果 製 程 上 之 變 數 無 法 精 密 控 制 或 成 品 尺 寸 之 誤 差 不 能 在 容 忍 的 範 圍 內 ， 則 會 影 響 品 質 與 生 產 良 率 ， 這 是 目 前 業 者 面 臨 之 困 境 。 因 此 更 需 要 長 期 而 廣 泛 地 深 入 研 究 ， 才 能 掌 握 製 程 參 數 進 而 成 熟 的 應用 它 的 優 點 。射 出 壓 縮 成 型 在 世 界 上 尚 屬 於 先