快速製造模具塑膠產品機械性質之研究
Investigation of the Mechanical Pr oper ty
Per for mance of Pr oducts pr oduced by Rapid
Tooling Plastic Molds
計劃編號︰NSC89-2212-E151-003 執行期限︰88 年 8 月 1 日至 89 年 7 月 31 日 主持人︰李泓原 國立高雄科學應用科技大學模具工程系 一、中文摘要 快速成型與快速製造模具技術已逐漸 為產學業界所注意及採用，快速成型 技術可快速的建立模型，而快速製造 模具技術可對暫代模具或高單價小量 生產產品快速的建立模具零件，進而 組裝成為製造用模具，在縮短產品及 模具開發時間上有極為重要的影響。 然而，對塑膠射出零件分別以使用快 速製造模具技術與以傳統鋼模射出製 成的塑膠產品在機械性質上是否有所 差異， 即在 機械 領域上 有探 討的 必 要。 因此本計劃即對在同樣的製程條 件下 比較以不同模殼厚度與傳統鋼 模所射出之塑膠產品在拉伸強度與硬 度值的不同，結果顯示快速製模所射 出製造的產品在拉伸強度上有明顯的 改變，在硬度方面則無明顯的變化。 關鍵字︰快速模具、塑膠射出、機械 性質 Abstr act Stereolithography rapid
prototyping technology and rapid tooling technology have been widely noticed by industries and research institutes. Rapid Prototyping is used to create prototype of product and rapid
tooling can used that to generate molding thermoplastic parts. It is expected that the mechanical properties of plastic injection parts produced in the rapid tooling mold and conventional steel mold may be different mostly due to the molding material differences. A previous study shows the yielding strength has approximately 10% increase in a certain type of rapid tooling mold. This may be contributed to the heat dissimilarity, roughness or hardness. The objective of this project is therefore investigating the mechanical property differences of plastic injection parts produces by 3 types of insert type rapid
tooling technology mold and
conventional steel mold using 3 different plastic resins. The results can supply industries and research institutes a product reliability guideline on using rapid tooling technology.
Keywor d ︰ Molding Technology,
Mechanical Properties, Rapid Tooling, Rapid Prototyping.
二、計劃原由及目的 模具工業向在我國佔有相當比例之產 值(1)，且因其之產業關連性極高，故 可應用範圍非常普遍。但以我國之模 具工業製造廠規模大小而論，則均以 中小企業為主(2)。以一中小企業為主 的產業要面對日益競爭且科技日新月 益的全球經濟時代，其競爭力與新產 品的開發能力非常重要，如何能妥善 的運用各種相關技術以減少開發製造 的費用、降低開發製造的時間並提昇 開發製造的品質是提高產業競爭力的 必備條件。而目前最新亦極為有效的 手 段 即 為 快 速 原 型 製 造 (Rapid Prototyping) 與 快 速 造 模 技 術 (Rapid Tooling) 。 快速原型技術自 1980 年發明後(3) ， 即有著長足的進步，其係指直接利用 CAD 資料將 CAD 的立體資料分割成 許多平面的形狀，再利用積層造型法 將平面物積層為製品亦即 CAD 中的立 體形狀，以實物的型態供設計者檢視 或提供測試。發展至今，其中的積層 造型法不斷的發展，目前較常用的方 法 有 雷 射 立 體 成 型 (SLA, Stereolithography) 、 熱 熔 絲 沉 積 成 型 (FDM, Fused Deposition Modeling)、雷 射 燒 結 成 型 (SLS, Selective Laser Sintering) 與 雷 射 層 型 製 造 (LOM, Laminated Object Manufacturing) 等 (4)，應用的範圍除模具業以外，更包 括了航太、汽機車、電子等產業、並 為歐美日等先進國家視為產品開發的 利器。 快 速 原型 技 術 的 發 展 逐 漸 擴 大 其 用 途，模具業亦嘗試的直接或間接的應 用快速原型技術來製作模具，亦即本 計畫所研究主題中的快速造模技術， 此乃因舊有的模具開發流程由原型到 模具製造中，耗時最多且成本最高的 模仁製造，包括公模與母模，即可直 接或間接的以快速原型技術所產生的 原型取代，如此不但可以避免加工機 台部份切銷，亦可保證精度的準確， 解決了模具製造中最大的瓶頸，其製 造 方 法 在 目 前 包 括 了 矽 膠 模(Silicon Rubber Mold)、樹脂模(Epoxy Mold)與 電弧噴焊模具(Metal Arc Spray Mold) 三種製造方法，其中又以以樹脂模所 製成的方法最為普遍所採用。 在國內外相關研究針對比較快速製模 模具成品與傳統鋼模成品機械性質差 異方面，由於快速製模模具的散熱與 模具表面微孔(Voids)等原因會造成其 拉伸強普遍的增加，而硬度卻依射出 塑膠材料的不同而有增高或降低的趨 勢(6,7) 。Dunlop 則分別以 7 種不同材 料與兩種電弧噴焊方法，發現由於模 具表面多孔狀的影響會造成機械性質 普遍的降低(8,9) 。 三、實驗步驟與方法 本計畫之目的即在於比較以快速造模 所生產之塑膠射出成品與傳統鋼模所 生 產 之塑 膠 射出 成 品 機 械 性 質 的 差 異，試件符合 ASTM 規格 (如圖一)， 而以 ABS, PE, PA 等 3 種塑膠材料分 別射出快速造模所產生之試件，快速 造模方法採用 3 種不同厚度之樹脂模 嵌入件，機械性質測試方面在拉伸試 驗 與 蕭 氏 硬 度 試 驗 上 將 採 用 標 準 ASTM 測試規格。 模具設計: 模具採上下模 AB 版式單 點進料及雙點頂出，主要是考慮單點 進料可避免機械性質測試時，縫合線
對拉伸強度的影響，而雙點頂出可維 持射出件頂出時的對稱性，鋼模仁設 計圖如圖二，在每次射出後以壓縮空 氣及脫模劑冷卻，進膠口亦放大以降 低模內壓力，放大比例經計算約為傳 統剛模之 1.5-2 倍，製造方法則採用原 廠建議規格。 快速製造模具則以嵌入件方式分別嵌 入 1mm、2mm 及 4mm 厚度之由美國 DTM 公司 Duraform Nylon 以 DTM 方 法所製成之嵌入件，模具仁設計圖如 圖三。並經 C-mold 分析考慮熱傳導及 散熱的條件下尋求適當的射出條件。 射出材料: 由於快速模具可承受溫度 約為 250°C，故本計畫將採用 3 種塑膠 射出溫在其之下的材料射出，射出條 件儘量維持相同。射出製程條件如表 一。 機械性質測試: 本計畫將對射出件做 2 項之機械性質測試 1. 拉伸試驗 : 拉 伸 試 驗 採 用 ASTM D638M 測試規格，以拉伸之速度測 試，主要記錄為極限強度與應力應變 圖。 2. 蕭氏硬度試驗: 將對不同的塑膠射 出試件蕭氏硬度試驗，之所以採用蕭 氏 硬 度係 因 其並 非 壓 入 式 之 量 測 方 法，而為量測反彈高度，故較適宜量 測塑膠產 品，測試方法 符合 ASTM D2240 規格。 四、實驗結果與討論 l 拉伸試驗： 不同厚度嵌入模具與鋼模之極限強度 比較表如圖四至圖六，圖中依不同之 射出材料比 較， 由 圖 中 可 以 看 出 除 ABS 外，PE 與 PA 均有明顯的提高， PE 提高比例約在 110%到 160%之間， PA 提高比例約在-6%到 60%之間，而 ABS 則有降低的趨勢，比例約在-20% 到-33%之間。這些改變因大部分射出 製程條件均保持相同故可以解釋為塑 料在模內熱傳導係數之不同而造成。 而由圖七則可看出整體變化的趨勢， 除 ABS 降低外，PE 與 PA 的拉伸強度 均會提高，惟其中 4mm 厚度之 PA 因 在 射 出時 考 慮流 動 性 而 改 變 射 出 壓 力，故呈現降低，除此外 PA 與 PE 均 有提高的趨勢，而 ABS 則相反的呈現 降低的改變，此原因應可歸納於結晶 度的不同，PE 與 PA 均屬於高結晶度 材料，故在模具內由於散熱不均勻造 成較鋼模內較高的溫度引發較高度的 結晶而有提昇的趨勢，ABS 則因非屬 於結晶材料，故在模具內由於冷卻時 間相同但模內溫度較高，故可看出極 限強度上有降低的改變。 l 蕭氏硬度： 圖八為各厚度之嵌入件模具射出成品 與鋼模射出成品之蕭氏硬度比較，由 圖中可以看出蕭氏硬度值上並無明顯 的改變。其原因應可歸納於不論採用 何種射出方法，其產品表面之硬度應 維持在相似的水準，故無法看出硬度 上有改變的趨勢。 五、結論 由本計劃之執行過程中可以發現不論 採用之嵌入件厚度為何，射出件的數 目均可以維持在 20 件以上，且對快速 成型模具之嵌入件並無明顯的表面品 質降低，因此以本計劃使用之快速成 型技術所建立的模具應可實際的應用
於暫代模具。 由本計劃亦可以看出射出材料在模具 內的溫度對射出產品的拉伸極限強度 有極大的影響，而採用快速模具技術 所建立的模具對高結晶度的射出材料 提昇影響尤其更大，對低結晶度的材 料影響則會造成降低的改變，因此結 晶度的高低應作為要求產品拉伸強度 而又採用快速成型技術時，重要的考 慮依據。 附註 本計劃感謝中華民國國家科學委員會 NSC89-2212-E151-003 之經費補助，並 感謝廖宗宏同學之協助。 參考資料 1. 工業生產統計月報表，金屬中心 IT IS 計畫整理 2. 施景祥，“國內現階段模具業概 況”，金屬工業研究發展中心，87 年 12 月
3. Kodema, “Automated Method for Fabricating a 3D Plastic Model with Photo-hardening Polymer”,
Review of Science and
Instruments, 1980.
4. Jacobs, P.F., “Rapid Prototyping and Manufacturing”, SME, 1992. 5. Kevin, Kamphuis, “Robust Rapid
Tooling for Injection Molding”, Report ME8501, Georgia Tech., 1996.
6. Polosky, Q.F., Malloy, R., Stacer, R., “ A Mechanical Property Performance Comparison for Plastic Parts Produced in a Rapid Epoxy Tool and Conventional
Steel Tooling”, ANTEC
Conference Proceeding, 1998.
7. Malloy, R., “Mechanical
Comparison of Plastic Parts”, Prototype Injection Molds, V. 55, No. 1, 1997.
8. Dunlop, R.N., “Rapid Tooling using Metal Spray Methods”, 28th
ISATA Conference, 1995.
9. Lee, CHC, “Low Cost Tooling for
Injection Molding”, MS Thesis, U. of Warwick, 1993. 射出溫 ℃ 射出壓 BAR 保壓 BAR 冷卻時 間 sec ABS 230 40 30 20 PE 220 50 25 20 PA 250 60* 30 20 表一：射出製程條件表 * 對鋼模及 1mm 及 2mm 厚度之嵌入 模具為 60， 4mm 厚度之嵌入模具調 整為 40。 圖一 試片尺寸示意圖
圖二 鋼模尺寸示意圖 圖三 嵌入件模仁設計圖 Steel ABS 1mm ABS Steel PE 1mm PE Steel PA 1mm PA 0 10 20 30 40 50 38.37 30.78 10.63 23.73 35.64 50.24 Comparison of Ultimate Stress between Steel Mold and 1 mm RT mold
Ultimate Stress (Mpa)
圖四 1mm 厚度嵌入模具射出成品與 純鋼模模具射出成品極限強度比較表 Steel ABS 2mm ABS Steel PE 2mm PE Steel PA 2mm PA 0 10 20 30 40 50 25.35 21.83 54.35 38.37 10.63 35.64
Comparison of Ultimate Stress between Steel Mold and 2mm RT mold
Ultimate Stress (Mpa)
圖五 2mm 厚度嵌入模具射出成品與 純鋼模模具射出成品極限強度比較表 Steel ABS 4mm ABS Steel PE 4mm PE Steel PA 4mm PA 0 10 20 30 40 50 29.31 26.69 33.27 38.37 10.63 35.64
Comparison of Ultimate Stress between Steel Mold and 4mm RT mold
Ultimate Stress (Mpa)
圖六 4mm 厚度嵌入模具射出成品與 純鋼模模具射出成品極限強度比較表
? ? 1mm 2mm 4mm 0 10 20 30 40 50 60 Y ie ld in g St re s s ( M p a ) Mold Type ABS PE PA 圖七 各厚度嵌入模具射出成品與純 鋼模模具射出成品極限強度比較表 ? ? 1mm 2mm 4mm 0 50 100 S h ore H ardn es s Mold Type ABS PE PA 10.圖八 各厚度嵌入模具射出成品 與純鋼模模具射出成品蕭氏硬 度比較表
