保压与冷却系统

保壓與冷卻系統引言：相信大家看過前面的充填的部分都知道，充填階段是射出成型最早的所的階段，而當模具內充填作業終了後的瞬間，已經射出的壓力會完全作用促使模具內的壓力急速下降，因此，必須立刻改變壓力。這就是我們所稱的保壓，並且需要維持一段時間，因此保壓的階段也算是塑膠加工一非常重要的階段。諸如說：而我們可以保壓時間之長短、體積收縮率之分佈及預估鎖模力，防止產品過度充填、短射、以及收縮等不良狀況發生。而在保壓過程的下一部的冷卻過程所需的時間是所有過程最多的，能否在冷卻過程中讓物件均勻收縮和快速冷的目標讓我們再配置冷卻水管路安排及冷卻水流量是否恰當，因為只要一設計不好時，立即造成體積收縮率分佈不平均，因而容易引起成型品的翹曲變形。以下是對於射出成型主要的三個階段演變到現在的演變和發展比較：關鍵步驟重視傳統射出充填完全充填，無外觀瑕疵精密射出後充填（保壓十冷卻）尺寸精度，內應力少由表可知，雖然三階段各自所擔任的工作幾乎不一樣，但是從以前到現在的射出成型卻也顯現出偏重的差異，也顯示出現今一些比較新的研究或是關鍵技術的開發已經逐漸在後充填系統的上發展。簡介：是在塑料流於充填系統之後，於保壓系統過程時，以保壓壓力再填入更多的塑料，以補償將來脫膜後可能產生的收縮現象，而保壓過程是塑料注射成型一個重要階段，它直接關係到最終制件的內部結構、尺寸穩定性和變形等。組成：流道、澆口（形狀、尺寸）前面有提到，保壓系統由流道和澆口所組成，其中澆口的形狀尺寸將決定於保壓時的進澆量和保壓時間進澆量和保壓時間（澆口凝固），另外，澆口對於物件的成形性及內部應力也有很大的影響，固有此必要對澆口的設計作一個探討何謂澆口：澆口係連接模穴與澆道之位置，通常是模具中最細小的部分（如下圖所示）ColdSlugWell號料進入InjectionEntrance典型的射出成型品TypicalShotzSprueColdSlugWell號料進入InjectionEntrance典型的射出成型品TypicalShotzSprue成屈PartMainRunnerJ?艰退BrancJiRunnor澆□的形式：依據成形品的形狀來決定適當形式，可分為「限制澆口」與「非限制澆口」兩大類。限制澆□:是在澆道與模穴的進入□做成狹小部分，加工容易，易從澆道切斷成形品，可減少殘留應力，多個成形品一次成形之多數型穴之澆□容易均衡，模穴內塑料不易逆流，一般都採用此種形式。形式有直接澆□、扇形澆□、膜狀澆□(FilmGate)點狀澆口(卩0讪七Gat及潛狀澆口(SubmarineGat等)非限制澆□:系由豎澆道直接將塑料注入模穴的澆□，為其代表。設計條件:0依設計需求選擇合適的位置1澆□不可太大以便容易將成型品與澆道系統分開2澆□需於模穴充滿完畢後迅速凍結，如此可防止射料杆抽回後發生的回填，使模具中產生空穴3澆□尾料需切除簡單，最好可以自動化4可利用補料保壓的方式補償冷卻時可能產生的收縮現象5澆□形狀和尺寸：澆□截面越有利於流動及保壓補料，使塑件收縮率越低。在一般加工條件之下，澆□截面積越大，有利於傳遞壓力，使模穴內壓及封□壓力較高，延長澆□封口時間，提高補料量，降低塑件收縮率。因此將澆□截面積適當加大，有助於減少收縮。影響：塑料流經澆道或澆□時，由於截面積甚小，所遭受到的流動阻力甚大，因此大的壓降會消耗許多射出壓力，且塑料溫度也會因強烈黏滯加熱而明顯上升，因此過小的之澆□設計有可能造成過熱及塑料之熱破壞或裂解，而或進料少，使成品的尺寸收縮，但太大的話，又會使塑料因冷卻結果提早在澆口位置處凍結，使保壓無法持久，且不利澆道系統的剪除，也使成品的尺寸的尺寸膨脹。一•保壓過程（PackingProcess）保壓階段（packingstage）:持續施加壓力（保壓壓力，packingpressureB實融膠，增加塑料密度（增密），以補償塑料之收縮行為。保壓壓力可維持為原來射壓大小（一次射壓），亦可以較原來射壓為高（二次射壓）。在保壓過程中，由於模穴中已經填滿塑料，背壓（backpressU較高。在保壓壓實過程中，射出機螺桿僅能稍微向前移動，因此塑料為慢速流動，稱作保壓流動（packingflow保壓階段模穴壓力達到最高值。保壓階段，塑料開始受模壁冷卻固化，密度增大而塑件逐漸成型。保壓階段一直持續至澆口固化封口為止，如圖1所示。圖1在保壓階段，由於壓力相當高。在高壓下塑料呈現部份可壓縮(compressibl特性，在壓力較高區域，塑料較為密實，密度較高;在壓力較低區域，塑料較為疏鬆，密度較低。因此造成密度分布隨位置及時間發生變化。保壓過程中塑料流速極低，流動不再起主導作用;壓力為影響保壓過程的主要因素。保壓過程中塑料已經充滿模穴，並充作傳遞壓力介質。模穴中壓力藉塑料傳遞至模壁表面，有撐開模具的趨勢。此撐模力在正常情形下會微微將模具撐開，具有排氣作用;若撐模力過大，易造成成型品毛邊flash)溢料(bleeding)甚至撐開模具。因此射出機應選擇具備足夠鎖模力之機台，或是考慮採用多模穴模具(減少投影面積)，以防止撐模現象並能有效保壓。二•保壓流動(PackingFlow)在厚度方向，靠近模壁處之塑料首先遇冷固化，體積發生收縮，因此在澆口固化封口前，補償收縮的塑料會保壓壓力作用下向模壁處補充塑料。在模穴內部方面:靠近冷卻水管區域或是局部低溫區域，塑料黏度較高，流

動阻力較大。保壓塑料不易流入補充，溫度持續下降，造成冷料區，保壓壓力不易傳遞。在局部高溫區域，塑料局部黏度較低，流動阻力較低，熱塑料較易補充，使溫度維持在局部高溫。這種因局部溫度差造成的流動阻力差異使保壓流動循特定的，阻力較小的路徑進行，並傳遞壓力的過程，是保壓流動的特色之一，稱作三角洲效應（deltaeff,ec如圖2所示。1.O0|00ooooo不均勻腿圖2懈屋融霹澄鮒挨陲力盍小路程■通常A咼郡而趕（想彗度）區透威櫟產澄難累畚少裁蹿睡澄斷建疔櫟屋不均勻腿圖2如了這現象，在保壓流動時還有一個現象稱為分層保壓現象，見下圖中心中心展城澄度較高.圉比较1SL懐厘程度較高冷卻履■枚缩童小t5>t4>t3>t2>t1中心區域溫度較高,固化較慢,保壓程度較高冷卻慢,收縮量小保壓流動的準確描述：現況:可提供翹曲計算的起使條件未能考慮保壓末期，塑料逐漸寧固化造成分層保壓及三角洲效應未來發展：更準確的保壓數學模式發展(固化模型)三•保壓壓力(PackingPressure)1.保壓壓力須足夠大以克服澆口阻力進行縮水補償。在保壓過程中澆口區域黏度逐漸增加，逐步固化封口，使阻力隨之增加。2•提高保壓壓力及延長保壓時間會推遲塑料固化時間，使壓力傳遞較為完全，減少塑件體積收縮率。3.保壓壓力過高容易使塑件發生黏模現象，脫模不易;且容易使塑件殘餘應力過高，或發生毛邊及滲料問題。4.保壓壓力不足塑件容易產生較大收縮及空洞現象。四.模穴壓力變化曲線(VariationofCavityPressure)一般而言，若流動阻力小，壓力損耗小，保壓較完全，澆口封口時間晚，補償收縮時問長，模穴壓力較高。1.保壓時問的影響(effectofpackingtime):保壓時間越短，模穴壓力降低越快，最終模穴壓力越低，如圖3所示:2.塑料融膠溫度的影響(effectofmelttemperature):入口塑料溫度越高，澆口越不易封口，補料時問長，壓降小，因此模穴壓力較高，如圖4所

示。3〃模溫的影響(effectofmoldtemperature):模壁溫度越高，與塑料溫度差小，溫度梯度(temperaturegra小nt冷卻速率較慢，塑料融膠傳遞壓力時間較長，壓力損失小，因此模穴壓力較高。反之，模溫越低者，模穴壓力越低，如圖4所示。圖4

4〃塑料種類的影響(effectoftypeofplastics)保壓及冷卻過程中，結晶性塑料比容變化較非晶性塑料大，模穴壓力曲線一般而言，若流道越長，壓降損耗大，模穴壓力越低。澆口長度也是與模穴壓力成反比的關係，如圖6所示。6〃流道及澆□尺寸的影響(effectofrunnersize/gatesize):流道尺寸過小造成壓力損耗較大，將降低模穴壓力。澆口尺寸增加，澆口壓力損耗小，使模穴壓力較高。但若截面積超過某一臨界值，塑料通過澆□發生的黏滯加熱（viscousheat效應削弱，料溫降低，黏度提高，使壓力傳遞效果變差，因而反降低模穴壓力，如圖7所示圖7在脫模階段，塑料溫度及壓力降至接近常溫常壓，體積亦發生相對的收縮現象。因此塑料的PVT行為實是造成塑件收縮現象的根本因素。隨塑料微觀結構（microstruet不同，塑料表現之PVT行為亦有異。結晶性/半結晶性塑料的比容（specificvol,un單位重量塑料的體積大小，是塑料密度的倒數），在定壓下會因熱膨脹（thermalexpans而隨溫度增加;在定溫下會因壓縮效應（compressibilitye隨壓力增加而降低。在熔點（meltingtempera附近）塑料比容呈階躍式變化（stepchange如下圖所示。

非晶性塑料的比容，在定壓下亦因熱膨脹而隨溫度增加;在定溫下也會因壓縮效應隨壓力增加而降低。但非晶性塑料無明顯熔點，僅有一熔化區域存在，比容變化是漸變而非階躍式變化。一般而言結晶性塑料的收縮率較非晶性塑料為高，如結晶性PE為2%,非晶性PS為0.6%，如圖6-2所示。以非晶性塑料在模穴中自高溫冷卻固化至常溫為例，其體積變化關係如下圖所示:玻璃轉折溫度(GlassTransitionTeifljg.)非結晶型材料在升溫時產生之現象T>Tg材料軟化。T<Tg材料如玻璃般堅硬及脆。

以非晶性塑料在模穴中自高溫冷卻固化至常溫為例，其體積變化關係如下圖所示：對上圖做一解說:塑料開始填入模具，壓力逐漸升高。2:模穴充填階段，模穴壓力逐漸增加至設定之射壓。:模穴充填結束，壓力切換至保壓壓力。3:模穴保壓/壓縮（compressions段，模穴壓力上升至設定保壓壓力值。:模穴壓力達到最高值（3O-lOOMPa左右）。4保壓階段由壓縮切換至靜置段（holdingstag由於塑料部份回流（backflow）造成模穴背壓稍微下降。:保壓/靜置階段開始。5:靜置階段，由於冷卻造成壓力下降。固化層厚度逐漸增加，塑料繼續補償收縮造成比容降低。:澆口封口@8tefreeze-offf壓/靜置階段結束。6:塑料繼續冷卻收縮，造成壓力下降。:模穴壓力降至常壓（一大氣壓）。此時塑件體積與模穴體積相同。塑件開始模內收縮（inmoldshrinkage）7定壓冷卻階段（isobariccoolin塑）件持續收縮。:開模及塑件脫模（demolding）8:脫模後定壓冷卻（postmoldisobariccooling）:最後達熱平衡（thermalequilib之塑件）塑料的PVT關係指的是塑料在加工過程中，在某溫度壓力下的體積變化情形。由於塑料的熱膨脹係數（coefficientofthermalex為正值o,因此有受熱膨脹現象;加上塑料在高壓情形下（如保壓階段）高分子容膠具有可壓縮性（compressibiljt因此塑料體積會隨加工過程中的溫度及壓力變化而改變。因此有必要深入瞭解高分子塑料的壓力-容積-溫度（PVT）之相互關係身寸入時(injectuon)主要分成三階段：充填過程、壓榨（擠）過程、維持（holdin過程充填階段從一開始。在充填階段，,容膠以某種速度射入空腔裡面。在2點時，容膠碰到模穴理的壓力感測器。由於容膠的速度，壓力開始上升。在3點時空腔大致上完成體的充填。進一步螺桿前進壓縮容膠到4點當機器開始轉換射出壓力到較低的維持壓力時.在維持過程,這低壓維持過程逐漸增加去充填模穴做補抵銷因工件冷卻時所伴隨來的收縮。在5點，澆口凝固因此維持壓力被宜除掉了接著開磨.各曲線說明：1-2-3構成充填過程.3-4是續擠過程，4-5是holding過程，5-6是進一步的冷卻過程.舉PS的射出成型為例：3一4保壓、4—冷卻、5:脫離點收縮量：Vs"常溫/V5問：如何找到澆口凝固時間？答：可由零件重要對保壓時間的圖可看出來，重量快達到一致時大時的點就大概是就是澆口凝固時間。PS：塑件收縮取決於其熱膨脹與可壓縮性，也就是塑件之PVT關係。若至溫下模穴體積為Vc，塑件脫模後體積為V,則可定義塑件的體積收縮率(volumetrieshrinkage)S骨VVCvc若塑料為不可壓縮塑料(incompressiblemater密度為固定值，則顯示出來之體積收縮率為零,由PVT效應造成之收縮率為零。若塑料的密度或比容是溫度及壓力的函則將隨塑料在模穴不同位置壓力及溫度的差異,其體積收縮率亦有分布情形。〃由此可知保壓決定收縮量和收縮長度塑件在保壓階段的收縮情形主要取決於保壓程度大小,也就是塑料補償收縮的程度。在保壓階段,模溫較低,持續冷卻塑料;塑料溫度不斷下降而密度及黏度持續升高,造成熱塑料不易補入。因此塑料補縮能取決於保壓壓力大小以及維持該壓力在模穴內傳遞的時間。此過程將持續到澆口封口為止。因此收縮率受到保壓壓力及保壓時間影響:保壓壓力越大，保壓時間越長，成型品收縮率越低。保壓系統參數操作：保壓壓力、充填保壓轉換點、保壓時間其中，保壓壓力太高或保壓時間太長，產品容易產生毛邊且有較高的才留應力：而保壓壓力太低或保壓時間太短，則產品易生收縮現象影響產品品質保壓系統設計目標：1.控制合規格的狀況、狀況(在分離點的溫度要低於該塑膠的玻璃轉折溫度、收縮量控制)減少內應力一般的保壓數值分析軟體所能給予我們的幫助會有下列四點〃幫助決定保壓壓力大小及保壓時間〃防止過度充填或冷卻後的收縮現象〃減少產品的殘留硬力，提高產品品質冷卻分析的目的1〃預估冷卻時間及成型週期長短(estimationofcoolingtimeandcycletime)2〃冷卻系統設計的最佳化(optimizationofcoolingsystemdesign)使塑件各部的冷卻效果均勻而有效率。避免因冷卻不均造成塑件的翹曲變形(warpageanddistort題。冷卻系統設計目標：均勻收縮、快速冷卻、達到規格所需收縮量1迅速冷卻：由於冷卻過程佔了整個產品生產週期大部分的時間，因此如果冷卻系統能使產品快速的冷卻，將可提高生產量2均勻冷卻：如果成品在冷卻過程中有不平衡冷卻發生時，將使成品產生熱應力，導致其收縮翹區變形發生，因此均勻冷卻將能使產品減低其熱應力，而減少收縮、翹區發生。冷卻系統設計程序：1.決定冷卻時間計算單位時間內帶走熱量（mCp△T+m^H）PS：結晶因素的考慮：牽涉複雜的微觀結構變化結晶訪熱對溫度的影響結晶對塑料收縮撓曲的影響對於高結晶度塑料PP、PE比較重要計算冷卻水（煤油）單位時間流量決定冷卻管徑、長度決定冷卻管路徑（目標：均勻收縮）決定模溫機的功率冷卻系統設計利器：1.冷卻管直徑、長度2.冷卻管配置3模仁材料、其他冷卻元件冷卻過程(CoolingProcess)在射出成型模具中，冷卻系統（coolingsystem設計甚為重要。因為唯有將成型塑件冷卻固化至具備相當剛性（stiffne脫模後才可避免塑件因脫模外力產生變形。由於冷卻時間（coolingti佔整個成型週期約7O-8O%,因此設計良好之冷卻系統可以大幅縮短成型時間，提高產率，縮短成本。設計不當的冷卻系統，會使成型時間拉長，增加成本;冷卻不均勻，更會進一步造成塑件的翹曲變形（warpageanddistortion）由圖可看出3點（冷卻時間）最長塑件的冷卻過程（coolingprocess）塑件在模具中由於冷卻水管（coolingchann的作用，熱量由模穴中的塑料經熱傳導（heatconducti經模具本體（moldbas傳至冷卻水管，透過熱對流（heatconvect被n冷卻液（coolant）走。少數未被冷卻水帶走之熱量則繼續在模具中傳導，至接觸外界後散溢於空氣中射出成型過程模溫變化週期:在射出成型過程中，由於熱塑料填充模穴，熱量藉由熱傳導傳遞至模壁造成模溫發生變化。射出成型的成型週期（cycletii由合模時間、充填時間（fillingt、保壓時間（packingtime冷卻時間（coolingti以及脫模時間（ejectiontime）所組成。其中以冷卻時間所占比重最大，因此直接影響塑件成型週期長短及產量大小。脫模階段塑件溫度應冷卻至低於塑件的熱變形溫度(deflectiontemperatU防止塑件因殘餘成型應力的鬆弛現象(relaxationofresidualmolding或脫模外力所造成的翹曲(warpage及變形(distortion)影響塑件冷卻速率的因素1〃塑件設計(partdesi；gnS塑件肉厚(wallthicknes成型品厚度越厚，冷卻時間越長。一般而言，冷卻時間約與塑件厚度的平方成正比。冷卻時間th2也就是厚度加倍，冷卻時間增加四倍。2〃開模(toolir方式模材選擇:模材熱傳導係數越高，將熱量自塑料傳遞而出的效果越佳，冷卻時間越短。冷卻水管配置方式(layoutofcoolingchann冷卻水管越靠近模穴，管徑越大，數目越多，冷卻效果較佳，冷卻時間較短。冷卻液流量：冷卻水流量越大(一般須達到紊流(turbulan為)圭)，冷卻水以熱對流方式移除熱量效果越佳。冷卻液性質：冷卻液的黏度及熱擴散係數亦會影響到模具熱傳效果。冷卻液黏度越低、熱擴散係數越高、溫度越低，冷卻效果越圭。4〃加工參數(processingparame設定)料溫設定、模穴（cavit及模彳_（core^度設定、頂出溫度（ejectiontemperatu］等。料溫越高、模溫越高、頂出溫度越低，所需冷卻時間越長。模具溫度對成型周期、成型品品質等方面有很大影響，與流道、澆口、頂出方式等模具結構因素相同，必須事先對它的調節方法進行充分研究。關於模具溫度調節的設計要考慮以下幾點:最好採用溫水等的循環方式，