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。

3.5.1 嵌入成型製程簡介

嵌入成型製程是一種可以簡化組裝的成形方式，在塑件射出成形前將 嵌入件放置於模具內，搭配合適的設計方式，成形塑件與嵌入件可以在一 次成形中取得組立件，而不需要額外的二次加工（產品如圖3.13~圖 3.16）。

根據嵌入件材料的不同，目前一般的嵌入成型可以分為兩大類：

1. 薄膜嵌入成型（film insert molding）

採用薄膜材料為嵌入成型件，嵌入的薄膜會貼附在產品的表面，此 類型的製程根據專利及應用的的不同，又可細分為 IMD（in mold decoration）、 IML（in mold lamination）、IML（in mold labering）、IMF

（in mold film）等不同的應用，如圖 3.17 所示。

2. 嵌入成型（insert molding）

一般而言，只要嵌入件材料不是薄膜，只要在成形過程中，模穴內 有先放入嵌入件的製程，均統稱為嵌入成型。嵌入件材料並沒有限制為 金屬或非金屬。但是如果嵌入件材料屬於塑膠，同時在成形過程中採用 多螺桿射出成形機搭配旋轉模具機構成形，此類的嵌入成型又稱為 over molding，成形機台及成形模具如圖 3.18 所示。

3.5.2 嵌入成型製程常見的問題

本篇論文中所研究的嵌入成型，是前述傳統的嵌入成型製程（先完成 嵌入件，再將嵌入件放置於模具內進行成形）。由於嵌入成型製程能夠減少 二次加工，縮短產品的量產時間，因此許多產品在設計階段，都會考慮採 用嵌入成型製程以降低生產成本，但是在現有的製程中，仍然有相當多的 問題必須解決。主要的問題可以分為兩大類：外觀問題與結構強度問題。

1. 外觀問題與解決方法

一般而言，塑膠件會採用『均一肉厚』的設計方式，一旦採用嵌入成 型，產品的局部就會有肉厚不均的問題，因此一般塑膠射出成型件常見的 外觀缺陷（如噴流痕與縮水痕）會更容易發生[1][38][39]；嵌入件的位置因 為塑料會合後會形成結合線，因此設計人員還必須考慮結合線的生成位置 與其對外觀的影響[40]。

如果嵌入件材質也是塑膠，塑膠與塑膠之間的貼合力會因為材料不同 而受到限制。如果貼合力不佳，成形後甚至會發生兩個材料無法貼合而發 生脫落的現象。

Battenfeld GmbH [41]的研究中，提出如表 3.1 的材料接合性研究結果，

建議使用者在進行嵌入成型或多色多料成形時時必須注意嵌入件與組立件 之間的先後順序，以及材料之間的接著性，Advanced Polymer Alloys [42]的 研究中，也提出不同材料的接合性結果比較表，這些都是讓設計人員在選 擇材料種類及材料成形順序時可供參考的重要資料。

2. 結構強度問題與解決方法

一般嵌入成型件在成形過程中，在結構強度方面會有下列幾項問題 [43]：

1. 當塑膠進入模穴時，塑膠對嵌入件會施加壓力，此部分之壓力會造成嵌 入件變形（如圖 3.19）。藉由嵌入件與組立件的肉厚調整，以及澆口位 置/澆口數量的改變，可以減少嵌入件的受壓變形。蔡毓斌、徐瑞坤與

蘇嘉宏[44]的研究中，已經確認此方法確實能夠控制嵌入件的受壓變形 量，減少嵌入件發生破壞。

2. 當塑膠充填完成，進行保壓/冷卻固化的過程中，由於塑膠與金屬的材 料性質不同（尤其是熱膨脹係數/楊氏係數/蒲松比的差異），會讓成形後 的組立件發生變形（如圖 3.20）。一般要解決這種問題，主要是從材料 上著手。盡量選擇熱膨脹係數與嵌入件較接近的塑膠作為組立件，或者 是強化組立件的結構設計，以減少變形的機會。或者是在進行設計時，

就先考慮不同材料之間的熱膨脹係數差異，並且在設計時預留干涉量 [45][46]。

3. 結合線位置也會造成強度減低，破壞位置往往就在結合線上。此類問題 的解決方法與外觀問題的解決方法相同，改善結合線痕跡也可改善結合 線位置的強度。

3.5.3 局部加熱機構原理說明

上述三個問題中，前兩個問題能夠利用澆注系統設計的調整或者是更 換材料，得到合理的改良方案，但是第三點結合線問題，仍然長期困擾著 設計人員。

傳統的嵌入成型製程中，嵌入件是以人工或機械手臂放入模具，放置 時嵌入件的溫度為室溫。當塑料進入模穴通過嵌入件時，塑料的溫度會立

即降低，造成黏度升高，在高黏度下形成的結合線的強度會非常低[47][48]，

因此這可能是嵌入成型件破壞位置多在結合線的主要原因。

為了解決這個問題，在本研究中提出一新的局部機構，能夠讓嵌入件 在放入模具時立即加熱；在成形完成，產品頂出時自動停止加熱。

3.5.4 加熱裝置

本機構的操作重點，在於讓嵌入件在放入模具時立即加熱；在成形完 成，產品頂出時自動停止加熱。

加熱裝置主要是利用模具機構中的滑塊進行運作，由於機構運動與模 具相接，因此不需要考慮另外加裝電控裝置控制加熱製程的啟動與停止，

操作人員只需要考慮加熱的溫度設定值；加熱裝置不僅適用於嵌入成型 上，還可以應用於需要局部加熱的製程中（只要模具內有足夠空間安裝滑 塊）。

當嵌入件放入模穴時，加熱機構會與嵌入件接觸，並且對嵌入件進行 加熱；模具合模，開始進行充填/保壓時，嵌入件會處於設定的高溫狀態，

因此結合線的痕跡可望改善；開模時，由於滑塊與嵌入件脫離，加熱會立 即停止。

加熱裝置與射出成形製程的搭配運作如圖 3.21 所示，本機構已於民國 九十八年完成中華民國新型專利申請與公告 [49]，專利說明圖如圖 3.22 所

示。