产品技术
一般而言,从事注塑成型行业多年的客户多半有能力自行判断并选择合适的注塑机来生产。但是在某些状况下,客户可能需要厂商的协助才能决定采用哪一个规格的注塑机,甚至客户可能只有产品的样品或构想,再询问厂商的机器是否能生产,或是哪一种机型比较适合。此外,某些特殊产品可能需要搭配特殊装置如蓄压器、闭回路、注塑压缩等,才能更有效率地生产。由此可见,如何决定合适的注塑机来生产,是一个极为重要的问题。
通常影响注塑机选择的重要因素包括模具、产品、塑料、成型要求等,因此,在进行选择前必须先收集或具备下列资讯:
1. 模具尺寸(宽度、高度、厚度)、重量、特殊设计等。
2. 使用塑料的种类及数量(单一原料或多种塑料)。
3. 注塑成品的外观尺寸(长、宽、高、厚度)、重量等。
4. 成型要求,如品质条件、生产速度等。
在获得以上资讯后,即可按照下列步骤来选择合适的注塑机:
1.选对型:由产品及塑料决定机种及系列。
2.放得下:由模具尺寸判定机台的「大柱内距」、「模厚」、「模具最小尺寸」及「模盘尺寸」是否适当,以确认模具是否放的下。
3.拿得出:由模具及成品判定「开模行程」及「托模行程」是否足以让成品取出。
4.锁得住:由产品及塑料决定「锁模力」吨数。
5.射得饱:由成品重量及模穴数判定所需「注塑量」并选择合适的「螺杆直径」。
6.射得好:由塑料判定「螺杆压缩比」及「注塑压力」等条件。
7.射得快:「注塑率」及「注塑速度」的确认。
注塑机的分类方法非常多,通常可依下列几种类别来区分:
1.驱动方式:油压式注塑机、全电式注塑机、油电复合式注塑机。
2.开关模动向:水平开关模为卧式(水平式)注塑机,垂直开关模则为立式注塑机(简称直立机)。绝大部分为卧式注塑机,立式注塑机适用于小型插件成品。
3.适用原料:热塑性塑胶注塑机、热固性塑胶注塑机(电木机)、粉末注塑机(金属、陶瓷、合金)。目前绝大部分为热塑性塑胶注塑机。
4.油压回路:单回路注塑机、多回路(双回路或三回路)注塑机。目前绝大部分为单回路注塑机。
5.油路控制:开回路注塑机、闭回路注塑机。一般注塑机均为开回路,但越来越多采用闭回路控制,以增加机器稳定性。
6.锁模结构:曲手式注塑机、直压式注塑机、复合直压式注塑机(二板式),此三种结构各有优劣点,目前仍以曲手式锁模为最大宗。
7.注塑结构:单色机(一组注塑)、多色机(多组注塑Multi-Component),绝大部分仍为单色机。
在单油压回路的情况下,注塑机是「一股油压力量的引导」,所有机械动作依序进行。
一般而言,注塑成型的动作顺序如下:
1.关模:将公模往母模方向闭合,形成闭锁状态。
2.座进:将注塑嘴抵住模具的进料口。
3.加料:经由螺杆旋转将颗粒状的原料送入料管内加热,形成熔融状态。
4.注塑:将原料射入模穴内。
5.保压:保持注塑压力,防止原料逆流及成品缩水。
6.前松退:螺杆先后退一段距离再进行加料。
7.加料:经由螺杆旋转将颗粒状的原料送入料管内加热,形成熔融状态。
8.后松退:加料后螺杆接着后退一段距离。
9.冷却:等待成品冷却固化。
10.开模:将公母模分离。
11.托模:将固化的成品顶出。
12.关模、注塑、保压、松退...关模,如此一直循环。
上述流程中,保压及前、后松退不一定会有,视成型状况而定。因此注塑成型流程通常可简化为:关模、注塑、加料、冷却、开模、托模、关模...。
一般而言,注塑机均属高压、高速、及局部高温的机器,相关危险区域请参照示意图:
A.进料区:此区域因有螺杆旋转,因此勿将铁棒或其他异物置入。
B.料管护盖区:此区域为原料加热区,温度极高且有电击危险。
C.射嘴区:此区域为原料高压注塑之处,有喷溅之危险。
D.模具区:此区域为模具高速且高压开关动作区,相当危险。此外,原料也可能从模具的合模面喷出,需特别小心。
E.托模区:具强力的机械动作,需特别小心。
F.夹模机构:具高速而强力的机械动作,需特别小心。
1.注塑单元- 除了基本的钣金保护外,在射嘴区另有注塑安全护罩以防止原料喷溅,护罩未定位时,注塑单元将无法动作。
2.锁模单元- 除了基本的钣金保护及前后安全门外,另有机械、油压、电气三重安全保护装置。在机器运转中,当前后安全门(任一)突然被打开时,这些安全装置就会发挥作用,使锁模单元停止动作。
a.机械保护:一般而言,在活动车壁上装有「安全杆」,在紧急状况时(前安全门打开),藉由机械结构的阻挡或钳锁使锁模结构强制静止。
b.油压保护:为使安全保护更确实,当前后安全门(任一)被打开时,泄压阀会作动使系统失去压力,锁模单元即无法作动。
c.电气保护:为防止泄压阀失效,当前后安全门(任一)被打开时,确认安全门关上的极限开关(有二处)将无讯号,而确认安全门打开的极限开关则产生讯号,此时锁模单元即无法作动。
3.紧急停止开关- 在前后操作箱上均有「紧急停止」的红色按钮,按下此钮则电机马达及泵浦将立即停止运转(但电源仍未切),机器将无法运作。每次进行机械操作前必须先测试此两个按钮是否有效,如果失效,必须检修完成以策安全。
项目 | 曲肘式 | 直压式 | 复合直压式 |
---|---|---|---|
运动特性 | 具有加减速特性 运动特性极佳 | 加减速反应慢 运动特性差 速度控制装置复杂 | 加减速反应慢 运动特性差 速度控制装置复杂 |
操作性 | 操作简单 | 较复杂 | 较复杂 |
经济性 | 由夹模汽缸 带动曲肘作动 运转成本最低 | 作动油量多 能源需求大 运转成本较高 不符经济性 | 长距离运动采小油压缸 高压闭模采短行程大油压缸 运转成本比直压式低 |
开关模速度 | 最快 | 相对较慢 | 最慢,因为多了复合动作 |
开模力 | 小 | 最小 | 大 |
使用情形 | 业界普遍采用 | 少数采用 | 少数采用 |
闭模力 | 不易量测 不易设定 较不精准 可超负荷 | 容易量测 容易设定 较精准 不可超负荷 | 容易量测 容易设定 较精准 不可超负荷 |
模壁受力情形 | 受力点在外侧 变形量较大 | 受力点在中央 变形量较小 | 受力点在中央 变形量较小 |
模具寿命 | 对模具寿命影响较大 | 直接压模具于中心 模具寿命较长 | 直接压模具于中心 模具寿命较长 |
锁模行程 | 受机构限制 夹模行程固定 | 随模厚而变 与模厚成反比 | 不随模厚而改变 不受机构限制 可设计较长之夹模行程 |
模厚调整 | 须作模厚调整及闭模力设定 动作较复杂 自动调模时间较长 | 不须调模 直接锁模 | 必须作模厚调整 但闭模力设定较容易 |
大柱寿命 | 因受到曲肘剪力 须注意模壁刚性及平行度 | 受力平均 寿命较长 | 受力平均 寿命较长 |
锁模机构 | 结构较复杂 须考虑平行度及磨耗问题 | 油压缸口径大,距离长 制作加工不易 须考虑内泄问题 | 较简洁 |
维修保养 | 须注意曲肘连杆及轴心 之润滑保养 | 不须经常润滑 但故障时不易拆卸维修 | 不必经常润滑 但故障时不易拆卸维修 |
机构美观性 | 较差 | 较好 | 较好 |
洁净度 | 采用自润轴承者污染小 无自润轴承者污染大 |
1.所谓「 全电式注塑机」或称「 全电气式注塑机」(All Electric Injection Molding Machine),其主体机械结构与油压式注塑机差异不大,主要差别在于采用AC伺服马达、滚珠螺杆、齿轮、正时皮带等零件,取代原先之油压马达、方向阀、油路板、汽缸等油压元件,因为完全采用电气元件来驱动注塑机,因此称为「全电气式」注塑机。也因为完全不采用油压元件,因此没有液压油漏油及污染问题,运转噪音也降低,能源使用也更为经济省电,在精度上也比一般型油压注塑机来得准确。
2.全电式注塑机虽然有其省能源、高洁净、低噪音的优异特性,但现阶段仍存在一些缺点尚待克服,包括:伺服马达造价高,成本居高不下、滚珠螺杆耐用度问题、大锁模吨数机种不易发展、在电流不稳地区易受干扰、无法使用蓄压器来产生瞬间高射压等。其中,成本价格因素一直是全电式无法完全取代油压式注塑机最重要的原因。
西元1966年,德国巴顿公司(Battenfeld)推出以电气马达进料的注塑成型机,开启电气结构运用于注塑机重要单元的滥觞。但直到1994年,日本FANUC公司运用其原有电气伺服控制的技术优势,并与美国MILACRON技术合作,推出商品化的全电式注塑机,从此使全电式注塑机进入百家争鸣阶段。在2001年德国杜塞道夫展(K展)上,纷纷推出新一代的全电式注塑机,如Battenfeld、NETSTAL、ENGEL、MIR、OIMA、NEGRI BOSSI等。以全球欧美日几个主要大厂的发展来看,将全电式注塑机纳入产品线中是必然的趋势。
但值得注意的是2004年起,也有部分欧美厂商推出「油电复合式(Hybrid)注塑机」或「电气式注塑机」而非「全电式」机型,如加拿大的HUSKY、德国的ARBURG 、DEMAG、KRAUSS-MAFFEI,义大利的SANDRETTO,甚至日本的JSW、SODICK、TOSHIBA及MEIKI,也推出油电复合式或局部电气化的注塑机。不论全电式或油电复合式均属于注塑机的电气化范畴,因此,注塑机发展至今究竟是将注塑机全部电气化或部分电气化(油电复合)已引起广泛的讨论。
全电式注塑机完全采用电器元件驱动注塑成型机,因此避免了液压油漏油及废油污染问题,运转噪音问题也大幅降低,在能源使用上也更为省电,欧洲塑料和橡胶工业机械制造商协会(EUROMAP),更针对注塑成型机的节能制定了「Euromap 60」规范。全电式注塑机具备精准控制、稳定生产、洁净节能等多项优异性能,更能广泛运用在精密注塑市场。
根据美通社报导指出,2017年全球汽车塑料市场从亚太地区持续扩大,进而对全电式注塑机与油电混合式注塑机有更大的使用需求,预计注塑机市场到2023年达到196.8亿美元,复合年增长率为2.9%,主要来自汽车零部件、包装行业、医疗保健、消费品之全球需求量高度增长。富强鑫全电式注塑机具备精准控制、稳定生产等多项优异性能,结合工业4.0之趋势,达成无人化监控生产之智慧工厂概念。
「油电复合式(Hybrid)注塑机」,顾名思义结合了油压及电气两种结构,一方面具有全电式定位精准及省能源的特性,一方面保有油压结构高推力的特性。换言之,油电复合式注塑机以低于全电式注塑机的成本,却能有效改善传统油压式耗能源及精度不佳的问题,而且大幅降低污染性及噪音问题。事实上,从统计数字发现,欧美日厂商中已有45%的厂商提供油电复合式注塑机,而同时提供全电式及油电复合式注塑机的家数比例约占20%。换言之,未来将会有越来越多的厂商将全电式及油电复合式注塑机均纳入产品线中,对注塑成型业者而言将会有更多弹性的选择。
在2001年K展的欧美厂商中,虽然有7家推出全电式注塑机,但有9家厂商提供油电复合式注塑机,由此可见,欧美厂商偏向注塑机的「部分电气化」更甚于注塑机的「全电气化」,尤其将加料结构采用电气伺服马达驱动的设计,在德国及义大利的注塑机上非常普遍。德国塑胶权威杂志Kunststoffe Plast Europe于2000年12月报导,根据DELPHI的预测,至西元2010年全球注塑机市场将三分天下:油压式占34%,全电式占28%,油电复合式占38%,其中油电复合式比例最高,颇耐人寻味。因此,就如同该篇报导所言,全电式在小锁模力吨数的机种确实具有优势,但其优点并非全部适用所有的塑胶产品,换言之,全电式所具有的省能源及低污染的特性比较适合需要高洁净度产品,如医疗、食品器材,以及电费昂贵的地区等,而高性能的油压式注塑机及油电复合式注塑机仍然有其市场空间。
有鉴于此,富强鑫公司于2001年除了着手改良原有油压式注塑机并推出全新HT系列之外,更于2004年进一步研发油电复合式的AF系列高速注塑机,2017年开发出CT系列全电式注塑机,为少数同时提供油压式、全电式及油电复合式注塑机的厂商之一,客户可根据不同的产品需求及投资成本,选择最合适的机型。
一部注塑机通常有六个重要的运动轴向,如注塑、进料、座进退、开关模、调模、顶出(拔心、转牙)等。油电复合式注塑机通常将座进退、顶出、拔心、转牙等单元保留为油压驱动结构,而将注塑、进料、开关模、调模等采用电气驱动结构。但如果需要高速注塑的功能,则通常将注塑单元也保留油压结构,并且加上蓄压器及闭回路控制,以求得瞬间的高速注塑。因此,油电复合式注塑机哪些部分要改为电气驱动及哪些部分要保留油压驱动,完全视成品的需求、成型功能重点及机器制作成本而定。目的就是要在机器性能、品质需求及投入成本之间取得最佳之搭配。
射出压缩成型可以提高成型精度、节省能源并降低生产成本,其目的在于降低成型时的射出压力及保压压力,并减少成品翘曲量及内部残留应力。因此射出压缩成型可提升成型品质,并均匀地提升成品密度,使得薄型化大型成品更易于成型。
注塑压缩成型的种类包括Rolinx法、注塑压缩法及局部压缩法三种。
注塑压缩成型对于计量精度、模板平行度、压缩速度、压缩起始时间、压缩力等均有一定的要求条件。
在压缩行程的控制方面,曲手式锁模单元大多利用活动模板位置的侦测来控制压缩行程,而要侦测活动模板位置则可透过检测十字模板的位置来决定活动模板所在位置。油压缸活塞行程与活动模板行程之比最大可达35:1,即模板位移1mm,则十字模板会有35mm的位移量,因此可进行精确之压缩行程控制。
双色注塑成型通常指的是两种颜色或不同种类塑料的成型,由于双色机的两组注塑单元及射嘴是独立分开的,因此其成品的颜色多半是双色分明,没有混杂在一起。相反的,混色注塑成型则是运用复合射嘴将两组注塑单元的塑料合流,再配合机器注塑速度、压力、时间的变化,使成品产生混色、渐层及花纹等色彩变化。至于夹层注塑则同样是运用复合射嘴将两组塑料合流,但是必须运用特殊设计使原料形成内外包夹,而有所谓「核心料」(core material)及「表层料」(skin material)之分。因此,除非将成品切开,否则夹层注塑成品从外观上通常只看得到表层料,而看不出有两种原料。