均溫板加熱冷卻機構實驗模具說明

實驗模具有兩個主要機構：加熱機構與冷卻機構。加熱機構部分，主 要由均溫板、加熱槓桿、熱源及油壓缸所組成。均溫板固定於模仁下方，

利用油壓缸配合射出成型的製程步驟帶動槓桿來接觸並進行加熱，其示意 圖如圖3.4 所示。需要加熱時油壓缸向下對槓桿一邊施壓，另一邊槓桿帶動 熱源向上頂住均溫板進行加熱，而當冷卻的時候，油壓缸退回原本位置，

帶動槓桿使熱源離開均溫板與模仁，此時並搭配模具內的冷卻系統進行冷 卻，冷卻系統是利用渦流管與空氣壓縮機搭配進行空氣冷卻。與射出成型 機的成形配合如下說明（如圖3.5 所示）：

1. 充填前，油壓缸推動槓桿，加熱入子與均溫板接觸，對模仁進行加熱

2. 射出機進行充填階段

3. 充填結束，油壓缸帶動槓桿，讓加熱入子與均溫板分離。此時射出機進 行保壓階段

4. 保壓階段結束，射出機進行冷卻階段；此時冷卻系統（渦流管）對模仁 進行冷卻。

5. 成形結束，模具開啟頂出。

3.4 模具機構改善方案二：模內旋轉機構

塑膠射出成型應用的塑料種類非常多，結合線痕跡也會因為採用的塑 料不同而有所差異。除了一般常見的透明及有色塑料（添加色母成形）外，

某些製程還會直接採用添加金屬粉末的塑料，讓塑膠的表面增加金屬光 澤。但是這類型的產品在市場上並不常見，主要原因在於成形過程中的結 合線影響了外觀。對於此類型的問題，研究中提出兩種模具改善機構，分 別是3.4 節的模內旋轉機構以及 3.5 節的模內沖模機構。

3.3.1 添加金屬粉末塑料射出成型應用

利用噴漆或電鍍等二次加工製程，讓產品的表面有不同的顏色變化或 者是有金屬光澤以吸引消費者購買，已經是目前產品設計人員的常用方 法。但是這些製程不但會增加產品的製造成本，還會在製造過程中造成環 境問題；另外，表面塗裝後的塑料，在日後的回收上也會造成環保工作上

的麻煩。為了解決這個問題，塑膠材料商開發出添加金屬粉末的塑膠材料，

讓塑膠產品的表面在射出成型後就有金屬光澤的質感（如圖3.6）。

添加金屬材料的塑料雖然有上述優點，但是在一般生活中，這類型的 塑料應用並不常見，最主要的原因是因為一旦採用這種塑料成形，產品上 的結合線會非常明顯。結合線更明顯的原因有二：

1. 金屬粉末會隨著塑膠流動波前的移動，而堆積在結合線的痕跡上（如圖 3.7）。

2. 添加金屬粉末後，塑膠在與模具表面熱傳的速度會受到金屬粉末影響，

使得其固化速率與未添加前不同。將完成的實驗試片取出結合線的區 域，鑲埋之後比對剖面，發現在塑膠皮層與凝固層間有明顯的分界線（如 圖3.8）。

由於結合線的痕跡來自於金屬粉末的堆積，傳統的加熱方式無法解決 這個問題（在實驗中以『模具機構改善方案一』進行測試，發現結合線痕 跡仍然無法消除，如圖 3.9）。要解決粉末堆積在結合線上的現象，必須採 用下列兩種方法：

1. 破壞塑膠流動的波前結構。

2. 讓產品中的孔洞造型部分在塑膠流動充填結束後再形成。

第一種方法能夠讓金屬粉末無法堆積在結合線的位置（擾亂的效果甚 至可以將結合線的痕跡打散），而第二種方法則是採用類似二次加工的方

式，成形品在成形過程中完全不會產生結合線，等到成形後再以二次加工 的方法完成原本的孔洞。

本章節將以第一種方法為基礎，設計一個可以安裝在結合線生成位置 的旋轉機構，希望能夠在成形時將結合線的痕跡擾亂，甚至進一步達到消 除的效果。

3.3.2 模內旋轉機構動作原理說明

旋轉機構之主要目的在於擾亂融熔塑膠的流動，按照功能考量，旋轉 系統的重點可以分為下列兩項：

1. 外型部分

為了能夠擾動融熔塑膠，旋轉體的表面必須有凸出的幾何造型以帶動 流體，但是形狀必須簡單，避免在塑料固化頂初時，成形品發生破壞的狀 況。另外，旋轉體與模穴之間的產品厚度會影響到產品成形後的表面品質

（光影與縮水痕），因此在安裝旋轉體時，還必須考慮到旋轉體的安裝深 度。

2. 旋轉模式部分

旋轉體將以圓形外觀來做旋轉運動，旋轉速度必須可調整，才能配合 不同的塑料進行速度改變。驅動旋轉體的方式必須考慮到所輸出的扭力值 會否超過塑膠材料的承受範圍，控制所施加的扭力，要同時能夠達到有效

擾動塑膠高分子流體並且避免使其在成形過程中有應力破壞的情形。

3.3.3 模內旋轉機構實驗模具說明

根據前一節對於機構功能的需求定義，旋轉體的外型與搭配的機構運 作可設定如下：

1. 旋轉體外型部分

為避免旋轉體在旋轉過程中將高分子流體與空氣過度捲入，並盡量 減少因增加旋轉機構而造成充填過程的阻礙；旋轉體外型將以內高外低 的尖型為基本形狀，並且以可更換的方式進行模具設計（以比對不同的 外形對擾動效果的影響）。旋轉結合線部位的機構是貼平於模具表面，

但為了有效帶動流體，旋轉體進入模穴的深度將設計成模穴厚度的50

％，安裝位置為成形件的非外觀面。旋轉體的材料以鋼材PS3D製作。

2. 旋轉模式部分

旋轉體的驅動方式將採用齒排帶動齒輪的方式來動作，如此可使旋 轉體來回的運動有效擾動塑膠高分子流體，並可以調整齒排長度來控制 旋轉體速度。驅動力來源來自於氣壓缸，與油壓缸相比，氣壓缸有下列 優點：速度快，體積小，較小的扭力可以讓在塑件固化後會因為固化塑 膠的阻力而自動停止運作。。

根據上述要求，設計完成的實驗模具機構如圖 3.10，主要是利用齒輪

加上齒條帶動模穴內的旋轉入子。為了測試旋轉機構外型對於結合線的痕 跡影響，實驗中採用了兩種不同的旋轉入子外型（如圖3.11）。

在塑膠射出成型充填階段，旋轉入子由氣壓缸帶動齒條進行旋轉，塑 料進入模穴經過旋轉入子時會因為旋轉入子帶動而攪散結合線的形成。當 進入保壓及冷卻階段時，固化的塑料會讓氣壓缸自動停止運動，開模後，

產品經由頂出系統頂出。

3.4 模具機構改善方案三：模內沖模機構

產品上有孔洞時，成形後於產品的孔洞後方會因為塑膠會合而產生結 合線缺陷。要解決結合線缺陷最簡單的方式，應該是在成形時讓該孔洞消 失，成形後再以二次加工的方式完成孔洞。如果二次加工的剪斷機構是安 裝在射出成型模具內，在一次的射出成型製程中完成最終的塑件，這種製 程稱為模內沖模。

3.4.1 模內沖模成形原理

模內沖模不是一個新的製程，從原理上簡單來說，就是在模具內側安 裝一組剪斷機構。在射出成型時，剪斷機構未動作，成形時成品上沒有孔 洞，因此成形時不會有結合線問題；在成品固化後，剪斷機構開始動作，

在模具內完成剪斷成形，取出的成品就不會有結合線。

整個機構的運動過程中，前半段是單純的塑膠充填，但是後半段則是

塑膠的剪斷成形。Hojo 等人[37]將熱塑性塑膠在室溫下進行低速剪斷，觀 察其剪斷情況之分離形態與切口形狀。其研究結果顯示，分離過程以及分 離型態大致上可分為三種類型：拉張力造成的破壞，如圖3.12 （a）所示；

龜裂造成的破壞，如圖 3.12 （b）所致；以及由龜裂成長及二次剪斷造成 的破壞，如圖3.12 （c）所示。

3.4.2 模內沖模機構實驗模具說明

模內沖模機構的設計原理，在於應用二次頂出系統完成沖模成形。大 部分的成形過程中，頂出都是在一次階段內完成。但是有時候因為特殊需 求，會有兩次以上的頂出動作，這種兩次以上的頂出動作，必須透過模具 機構的設計加以進行，統稱為二次頂出系統[32]。二次頂出，能夠讓頂出流 程順暢化，對於某些頂出行程需求較大的產品，利用二次頂出可以減少頂 針在頂出時施加的力量，避免頂出時造成產品上的缺陷。

根據機構動作的原理，二次頂出系統可分為下列三種：

1. 單頂針板組合的二次頂出機構 2. 雙頂針板組合的二次頂出機構 3. 氣動/液壓的二次頂出機構

利用二次頂出機構，可以將其中的一次頂出動作更換成沖模動作，簡 化塑件的成形過程。上述三種機構，都能夠應用在模內沖模系統的運作上，

採用氣壓缸作為剪斷力量的驅動來源，如果所有的參數量測完成，可以再 改成傳統的二次頂出模具機構成形。

模內沖模機構在射出成型機充填/保壓/冷卻階段，氣壓缸不做運動，此 時安裝於孔洞位置的沖頭未凸出，模穴為一平板。冷卻結束時，氣壓缸作 動，沖頭由模具可動側往固定側衝擊，將孔洞外型沖出；接著模具開啟，

成品取出。

3.5 模具機構改善方案四：局部加熱機構

塑膠產品的應用雖然廣泛，但是材料的強度、導電性、導熱性以及光 澤度仍然不如金屬，在功能性及外觀設計的需求下，利用不同材料的零件

（金屬與塑膠）組裝成形的方式便成了設計人員的最佳選擇。傳統的製程 中，塑膠成形品與金屬製品先分別成形，再以二次加工（螺絲、超音波焊 接…等）的方式進行組立。這樣的製程能夠組立不同尺寸/形狀的零件，但 是最大的缺點在於量產成本的增加。

（金屬與塑膠）組裝成形的方式便成了設計人員的最佳選擇。傳統的製程 中，塑膠成形品與金屬製品先分別成形，再以二次加工（螺絲、超音波焊 接…等）的方式進行組立。這樣的製程能夠組立不同尺寸/形狀的零件，但 是最大的缺點在於量產成本的增加。