塑胶设计原理

射出成型塑膠產品與模具設計InjectionMoldingPlasticPart MoldDesign 徐昌煜CharlesHsu歐磊科技股份有限公司OLETechnologyCorporation 澆注系統設計FillingSystemDesign 徐昌煜CharlesHsu 模具設計的優先順序PrioritiesofMoldDesign 澆注系統設計 FillingSystemDesign 排氣系統設計 VentingSystemDesign 冷卻系統設計 CoolingSystemDesign 脫模系統設計 EjectingSystemDesign 澆注系統設計的優先順序PrioritiesofFillingSystemDesign 產品設計 PartDesign 型腔設計 CavityDesign 澆口設計 GateDesign 流道設計 RunnerDesign 豎澆道設計 SprueDesign 噴嘴設計 NozzleDesign 典型的澆注系統TypicalFillingSystem 壁厚不均是注塑成形中最大的麻煩製造者 這對薄壁零件尤然 這些麻煩包括了遲滯現象 短射 凹陷 發赤 噴流 翹曲及長冷卻時間等 目前都可用CAE以直接或間接的方式預測 Non uniformwallthicknessisthebiggesttroublemakerinplasticinjectionmolding Thisisespeciallytruetothin wallpart Thetroubles includinghesitation shortshot sinkmark blush jetting warpageandlongcoolingtimeetc canbepredicted directlyorindirectly byusingCAE 壁厚不均Non uniformWallThickness 壁厚設計WallThicknessDesign 掏空設計 1 CoringOutDesign 1 掏空設計 2 CoringOutDesign 2 氣泡或 和凹陷的形成Voidor andSinkMarkForming 肋厚和內圓角半徑的影響TheEffectofRibThickness FilletRadius 肋的底部厚度BottomThicknessofRib 肋的設計 一 RibDesign 1 肋的設計 二 RibDesign 2 肋的設計 三 RibDesign 3 與側壁相連之凸轂 熱塑性塑膠 BossatWall Thermoplastics 遠離側壁之凸轂 熱塑性塑膠 BossAwayFromWall Thermoplastics 外側凸轂OutsideBoss Where1 r 樑的曲率curvatureofthebeamM 彎曲力矩bendingmomentE 彈性模數modulusofelasticityI 斷面積對中立軸的慣性矩momentofinertiaofthecross sectionalareawithrespecttotheneutralaxisEI 撓曲剛性flexuralrigidity 撓曲剛性FlexuralRigidity 平板和肋板的比較ComparisonbetweenPlain RibbedPlates 和平板比 若基於相同的慣性矩 剛性 肋板需料少了43 I A卻增加了1 79倍 肋板的最大厚度減為平板的1 4 使得冷卻時間驟降15 16 94 Basedonthesamemomentofinertia stiffness ribbedplateneeds43 lessmaterialbutboostI Aby1 79timescomparingwithplaneplate Themaximumthicknessofribbedplateisonly1 4ofplainplate s showingadramaticcoolingtimereductionof94 15 16 平板和肋板的比較ComparisonbetweenPlain RibbedPlates 結構設計是薄殼成形零件的基礎 Structuraldesignisthebaseofthin wallmoldingparts 薄殼成形零件不僅僅是一趨勢 而且也是降低成本和提高競爭力的有效途徑 Thin wallmoldingpartisnotonlyatrendbutalsoaneffectivewaytoachievecostreductionandcompetitivenessincrease 結構設計和薄殼成形零件StructuralDesign Thin wallMoldingParts 每增加一個澆口 至少增加一條熔接線 同時增加一個澆口痕跡 增加流道的體積以及增加較多的積風 Everytimeonegateisadded oneweldline atleast onegatemark morerunnervolumeandmoreairtrapswillbeadded 在型腔能夠完滿充填的前提下 澆口數目是愈少愈好 Aslongasthecavityisabletobefilledappropriately gatesarethelessthebetter 為了減少澆口數目 每一澆口應就塑流力所能及的流長 壁厚比之內 找出可以涵蓋最大零件面積的進澆位置 Inordertoreducethenumberofgates eachgateshallbelocatedatwherethemeltisabletocovermaximumpartareabasedonthelargestmeltflowlength thicknessratio 澆口數目TheNumberofGates 熔膠波前推進Melt FrontAdvancement 充填模式 積風和熔接線FillingPatterns Air TrapsandWeldLinesLocation 熔接線WeldLines 材料 Material PC GF50 原設計 Original 更改設計 Revised 更改澆口位置以重新定位熔接線WeldLinesCanBeRelocatedByChangingGateLocation 典型對頭熔接線伸張強度保留值TypicalButtWeldTensileStrengthRetentionValues 熔接線冷料井WeldSlugWell 對頭熔接線 Buttweld 熔接線冷料井 Weldslugwell 積風AirTraps 排氣Vent 大部份熱塑性塑膠MostThermoplasticsA0 08mmB3 18mmC12 7mmD0 25mm 耐隆和聚縮醛 POM NylonandAcetal POM A0 04mmB3 18mmC12 7mmD0 25mm 進料流道FeedRunner 塑膠成品PlasticPart A D 排氣孔Vent B SEC A A C A A 充填均衡FlowBalance 熔膠波前於同一時間抵達型腔各末端 Meltfrontreachestheendsofcavityatthesametime 洗衣機圈板 洗衣機圈板 冷氣通風飾罩 原始設計Air conditionerGrille Original 18gatespressure 76MPa 冷氣通風飾罩 修正設計Air conditionerGrille Revised 8gatespressure 75MPa 分析結果比較表ComparisonofAnalysisResults 原始設計OriginalDesign 十二澆口設計12GateDesign 電子零件置物箱材料Material ABS 四澆口設計4GateDesign 修正設計RevisedDesign 電子零件置物箱材料Material ABS 電子零件置物箱四澆口和十二澆口設計比較表 論語 季氏第十六不患寡而患不均 不患貧而患不安 孔子 如何快速平衡眾多模穴之流道HowtoBalanceFlowInAMulti cavityMold 一排支流道之不平衡充填UnbalancedFlowInABranch 一排支流道平衡後之充填BalancedFlowInABranch 全模具 128模穴 之不平衡充填UnbalancedFlowInAMold 全模具 128模穴 平衡後之充填BalancedFlowInAMold Themeltfillstheinsidecavitiesbeforefillingtheoutsidecavities Therunnersystemshowsthatwarmer low viscositymaterial yellowandred followstheinsidewallwhenthemeltsplitsatanintersection 剪切速率ShearRate 剪切應力shearStress黏度viscosity剪切速率shearrate 剪切應力ShearStress 澆口種類GateTypes 導致平直零件的澆口設計GateDesignforFlatPart 澆口設計 減少滯流效應 GateDesigntoAvoidHesitation 沒有遲滯現象 幫浦零件 Part Pump 塑料 Polymer POM 澆口設計 避免凹陷和氣泡 GateDesigntoAvoidSinkMark Void 使用重疊澆口以避免噴流AvoidJettingbyUsingOverlapGate 正確的澆口位置以避免噴流AvoidJettingbyLocatingGateCorrectly 使用凸片澆口以避免噴流AvoidJettingbyUsingTabGate 使用適當的澆口形狀以避免噴流AvoidJettingbyProfilingGateProperly 幫浦零件 Part Pump 塑料 Polymer POM進澆處 Polymerentrance 澆口厚 Gatethickness 1 2mm 模穴厚 Cavitythickness 3 2mm問題 Problem 噴流 Jetting PoorDesignCausingJetting Gate 氣輔成型冰箱把手 閥澆口ValveGate 1 閥澆口梢Valve GatePin2 加熱管Heater3 O型環 610 0 Ring4 流道歧管模板ManifoldPlate5 軸封環SealRetainer6 套筒軸封SleeveSeal7 枕塊SupportPillar8 油壓缸HydraulicCylinder 閥澆口 一 ValveGate 1 全部閥澆口同時打開時之充填狀況Moldfillingwithallthevalvegates shut offgates openedatthesametime 閥澆口 二 ValveGate 2 部份閥澆口延遲打開 改變充填模式Moldfillingwithdelayedvalvegateopening fillingpattern weldlinesandairtrapsarechanged 多澆口設計Multi GateDesign 閥式澆口ValveGate 矩形邊緣澆口設計RectangularEdgeGateDesign 扇形澆口設計FanGateDesign 重疊式澆口設計OverlapGateDesign 凸耳澆口設計TabGateDesign L 0 5 0 75mmd 澆口直徑 mm gatediameterinmmt 零件壁厚 mm wallthick inmmA 型腔表面積 mm surfaceareaofcavityinmmn 材料常數materialconstant0 6forPE PS0 7forPOM PC PP0 8forCA PMMA PA0 9forPVC 針點澆口設計PinGateDesign d L t 潛伏式澆口設計SubgateDesign W w 澆口寬度 mm gatewidthinmmA 型腔表面積 mm2 surfaceareaofcavityinmm2n 材料常數 materialconstant 0 6forPE PS0 7forPOM PC PP0 8forCA PMMA PA0 9forPVC澆口厚度 gatethick inmm ntt 零件壁厚 wallthick inmm 水力直徑HydraulicDiameter Whereisthehydraulicdiameter水力直徑Aisthecross sectionalareaoftheflow流路斷面積Pisthewettedperimeter濕周長 水力直徑HydraulicDiameter 在不同剖面形狀 相同斷面積下之變化Variousrunnerprofiles basedonthesamecross sectionalarea 流道尺寸設計 1 RunnerSizing 1 D 流道直徑 mm runnerdiameterinmmW 下游塑膠重量 g downstreamplasticweightL 流道長度 mm runnerlengthinmm 流道尺寸設計 2 RunnerSizing 2 流道尺寸設計 3 RunnerSizing 3 流道尺寸設計 4 RunnerSizing 4 流道尺寸設計 A1 RunnerSizing A1 G 重量weightS 零件厚度thicknessD 參考直徑referencediameter 流道尺寸設計 A2 RunnerSizing A2 G 重量weightS 零件厚度thicknessD 參考直徑referencediameter 流道尺寸設計 B RunnerSizing B D 參考直徑referencediameterL 長度lengthfL 長度係數LengthcoefficientD 流道直徑runnerdiameter 冷料井設計ColdSlugWellDesign 冷料井設計ColdSlugWellDesign 澆道襯套尺寸SprueBushingSizing 熱澆道設計HotRunnerDesign 徐昌煜CharlesHsu 熱澆道的問題似乎發生在三處 1 澆口直徑2 澆口長度3 噴嘴孔徑Problemswithhotrunnerseemstobeinthreeplaces 1 Gatediameter2 Gateland3 Nozzleorificediameter 熱澆道的問題所在WhereCausesProblemswithofRunner 任何發生在澆口處的發赤或噴流 表示澆口太小 變褐則表示材料過熱而劣解 Anyblushorjettingatthegatemeansthegateistoosmall andbrowndiscolorationsmeanthematerialisbeingdegradedbytoomuchheat 受限的塑流通道RestrictedFlowPath BROWNSTREAKWITHFLOWLINESAbrownstreakonthepartmoldedfromeasy flowpolycarbonatewiththeflowlines 為了保持澆口暢通而格外加熱塑料 加上塑料在射出時通過長澆口時承受的剪切力 有可能造成褐線 Itwasprobablyacombinationofshearthroughthelonglandofthegateduringinjectionandtheextraheatneededtokeepthegatesopenthatarecausingthebrownstreak 褐線BrownStreak 只以噴嘴口徑去配合熱澆道口徑是不對的 首先要將澆道口徑加大 以配合下游塑流通道口徑 然後再加大噴嘴口徑以配合澆道口徑 Itisn tjustsizingthenozzleorificetomatchtheholeinthehotspruebushing Firstyoumighthavetoincreasetheholesizeofthespruebushingtomatchtheflowchanneldiameter thendrillthenozzleouttomatchthespruediameter 受限的塑流通道RestrictedFlowPath 理想的澆道襯套設計OptimizedSprueBushingDesign 當塑流通道受限於小或長的澆口 成型技術員常將設定溫度調高 以確保型腔充填 保壓無虞 Whentheflowpathisrestrictedbyasmallgatediameteroralonglandlength youwillusuallyseehigherheatsettingsbeingusedbythemoldingtechnicianstogetthepartstofillandpackout 這樣的作法產生的問題有製品的翹曲 澆口的外觀缺陷和長的成型時間 Theproblemwiththisapproachisthatitusuallycauseswarpageoftheparts cosmeticdefectsaroundthegatearea andlongmoldingcycles 受限的塑流通道RestrictedFlowPath 如果歧管溫度設定得比料管前區為高 澆口尺寸或許有問題 如果必須將噴嘴溫度設定得特別高 噴嘴口徑或許沒配合上熱澆道口徑 Ifyoufindyouhavetorunthemanifoldheatshigherthanthefrontzoneofthebarrel youprobablyhavegatesizingproblems Ifyouhavetoruntheheatsuponthenozzle thenozzleorificeprobablyhasn tbeendrilledouttomatchthehotspruebushingdiameter 受限的塑流通道RestrictedFlowPath 如果塑流通道的尺寸正確 料管的前區 噴嘴和加熱歧管的溫度可以設定得一樣 ABS 232 C 易流PC 274 C Iftheflowpathissizedcorrectly youwillbeabletosettheheatsettingsonthefrontzoneofthebarrel thenozzle andtheheatedmanifold suchas232 CacrosstheboardforABSor274 Cforeasy flowPC 受限的塑流通道RestrictedFlowPath 易流的PE和PP 壁厚的50 50 ofwallthicknessforeasy flowPEandPPABS SAN和壓克力 壁厚的75 75 ofwallthicknessforABS SAN andacrylicsPC acetal PVC 加玻纖材料和PPO 壁厚的90 90 ofwallthicknessforPC acetal PVC glass filledmaterialsandPPOs 熱澆道模具的澆口直徑GateDiameterforHotRunnerMolds 澆口長度應小於0 125mm Landshouldbenolongerthan0 125mm 諮詢熱澆道製造廠 以獲得正確的澆口長度 Consultwithyourhotrunnermanufacturerforcorrectlandlength 熱澆道模具的澆口長度GateLandLengthforHotRunnerMolds 排氣系統設計VentingSystemDesign 徐昌煜CharlesHsu 為何排氣仍然還是一個問題 Whyventingisstillaproblem 因為降低射速 讓積風有較多的時間逃氣 是一件太容易的事 但是 Becauseitistooeasytoslowdowntheinjectionspeedandgivethetrappedairmoretimetoescape But 排氣Vent 射速一降 熔膠溫度很快降低 射壓必須提高 殘餘應力隨之提高 翹曲的可能性增加 如果想藉提高料溫 以降低射壓 料溫必須升得很高 這樣又會引起塑料裂解 Wheninjectionspeedislower melttemperaturegoesdownveryfast injectionpressurehastobeincreased residualstressisincreasedandthepossibilitygettingwarppagebecomeshigher Ifonewouldliketoincreasebarreltemperaturetoreducetherequiredinjectionpressure thebarreltemperaturehastobeincreasedtoaquitehighlevelandpolymerdegradationwouldbeinduced 排氣Vent 高料溫和高射壓都說明充填系統有了流動的問題 Bothhighbarreltemperatureandhighinjectionpressureareindicationsofflowprobleminthefillingsystem 排氣Vent 我們常發現 射速提高時 塑料表現得更為出色 Itisquitecommonthatmaterialperformsbetterwhenitisinjectedfaster 最適化螺桿速度充分運用摩擦熱 將塑流保持在最佳狀態 許多充填和翹曲的問題也就迎刃而解 Anoptimizedramspeedprofilefullyusesthefrictionheattokeepthebestflowcharacteristics whichcorrectsmanyofthefillandwarpageproblems 排氣Vent 有了適當的排氣 射速可以提高 充填和保壓可達良好狀態 不須過度增加料管和噴嘴的溫度 Withproperventing theinjectionspeedcouldbeincreasedtoachievegoodfillandpackconditions withouthavingtoraisethebarrelandnozzleheats improperly 排氣Vent 深度 depth 1 0 075mm易流塑料 easy flowmat 2 0 125mm難流塑料 stiffer flowmat 3 深度深到流道末端見毛邊為準 deepenoughtofeelflashatrunnerend 寬度 width 和流道同寬 aswideasrunnerdia 排氣唇部 ventlip 1 5mmA1拋光 finish 排氣通道通大氣 ventchanneltoatmosphere 1mm深 deep 流道排氣RunnerVents 深度 depth 參照廠商建議 refertomanufacturer srecommendation 寬度 width 全圓周長 wholeperimeter or5mm長度 length 1 5mmA1拋光 finish 排氣通道通大氣 ventchanneltoatmosphere 1mm深 deep 分模面排氣PartingLineVents 分模面排氣PartingLineVents 深度 depth 參照廠商建議 refertomanufacturer srecommendation 寬度 width 全圓周長 wholeperimeter 長度 length 1 5mm排氣溝 ventgroove 1mm深 deep 頂出銷或心型銷排氣EjectorandCorePinVents 冷卻系統設計CoolingSystemDesign 徐昌煜CharlesHsu 模具冷卻設計的目的PurposesofMoldCoolingDesign 1 均衡冷卻 改良產品品質 EvenCooling ImprovePartQuality 2 有效冷卻 提高生產力 EfficientCooling IncreaseProductivity 薄殼產品不像傳統壁厚者一般可以承受較大的因熱傳不均而產生的殘餘應力 為了將收縮彎翹控制在可以接受的程度 均衡的冷卻設計變得非常重要 Thin wallpartcannotaffordasmuchthermalinducedresidualstressastheconventionalonedoes Anevencoolingdesignbecomesveryimportanttocontroltheshrinkageandwarpageatanacceptablelevel 冷卻設計CoolingDesign 射出成型週期時間InjectionMoldingCycleTime 充填時間FillTime 開模時間OpenTime 後充填時間Post fillTime 對冰箱蔬果盤之類的大零件而言 材料往往佔成本50 以上 對小而薄的零件而言 成形機費用可佔成本的90 材料6 而模具只佔4 小而薄的產品較之厚者更能從冷卻的改善而獲得效益 Forlargermoldedparts materialtypicallyrepresentsmorethan50 ofthepartcostforarefrigeratorcrispertray Inthecaseofathin wallsmallpart thepresscostcouldbe90 ofthecostofthepart materialconstitutes6 andthemoldonly4 ofthecostofeachpart Smallthin wallpartstypicallybenefitfromimprovedcoolingmorethanthickparts 冷卻設計CoolingDesign 典型的冷卻系統Typi