產品技術
一般而言,從事射出成型行業多年的客戶多半有能力自行判斷並選擇合適的射出機來生產。但是在某些狀況下,客戶可能需要廠商的協助才能決定採用哪一個規格的射出機,甚至客戶可能只有產品的樣品或構想,再詢問廠商的機器是否能生產,或是哪一種機型比較適合。此外,某些特殊產品可能需要搭配特殊裝置如蓄壓器、閉迴路、射出壓縮等,才能更有效率地生產。由此可見,如何決定合適的射出機來生產,是一個極為重要的問題。
通常影響射出機選擇的重要因素包括模具、產品、塑料、成型要求等,因此,在進行選擇前必須先收集或具備下列資訊:
1. 模具尺寸(寬度、高度、厚度)、重量、特殊設計等。
2. 使用塑料的種類及數量(單一原料或多種塑料)。
3. 射出成品的外觀尺寸(長、寬、高、厚度)、重量等。
4. 成型要求,如品質條件、生產速度等。
在獲得以上資訊後,即可按照下列步驟來選擇合適的射出機:
1. 選對型:由產品及塑料決定機種及系列。
2. 放得下:由模具尺寸判定機台的「大柱內距」、「模厚」、「模具最小尺寸」及「模盤尺寸」是否適當,以確認模具是否放的下。
3. 拿得出:由模具及成品判定「開模行程」及「托模行程」是否足以讓成品取出。
4. 鎖得住:由產品及塑料決定「鎖模力」噸數。
5. 射得飽:由成品重量及模穴數判定所需「射出量」並選擇合適的「螺桿直徑」。
6. 射得好:由塑料判定「螺桿壓縮比」及「射出壓力」等條件。
7. 射得快:「射出率」及「射出速度」的確認。
射出機的分類方法非常多,通常可依下列幾種類別來區分:
1. 驅動方式:油壓式射出機、全電式射出機、油電複合式射出機。
2. 開關模動向:水平開關模為臥式(水平式)射出機,垂直開關模則為立式射出機(簡稱直立機)。絕大部分為臥式射出機,立式射出機適用於小型插件成品。
3. 適用原料:熱塑性塑膠射出機、熱固性塑膠射出機(電木機)、粉末射出機(金屬、陶瓷、合金)。目前絕大部分為熱塑性塑膠射出機。
4. 油壓迴路:單迴路射出機、多迴路(雙迴路或三迴路)射出機。目前絕大部分為單迴路射出機。
5. 油路控制:開迴路射出機、閉迴路射出機。一般射出機均為開迴路,但越來越多採用閉迴路控制,以增加機器穩定性。
6. 鎖模結構:曲手式射出機、直壓式射出機、複合直壓式射出機(二板式),此三種結構各有優劣點,目前仍以曲手式鎖模為最大宗。
7. 射出結構:單色機(一組射出)、多色機(多組射出Multi-Component),絕大部分仍為單色機。
在單油壓迴路的情況下,射出機是「一股油壓力量的引導」,所有機械動作依序進行。
一般而言,射出成型的動作順序如下:
1. 關模:將公模往母模方向閉合,形成閉鎖狀態。
2. 座進:將射出嘴抵住模具的進料口。
3. 加料:經由螺桿旋轉將顆粒狀的原料送入料管內加熱,形成熔融狀態。
4. 射出:將原料射入模穴內。
5. 保壓:保持射出壓力,防止原料逆流及成品縮水。
6. 前鬆退:螺桿先後退一段距離再進行加料。
7. 加料:經由螺桿旋轉將顆粒狀的原料送入料管內加熱,形成熔融狀態。
8. 後鬆退:加料後螺桿接著後退一段距離。
9. 冷卻:等待成品冷卻固化。
10. 開模:將公母模分離。
11. 托模:將固化的成品頂出。
12. 關模、射出、保壓、鬆退...關模,如此一直循環。
上述流程中,保壓及前、後鬆退不一定會有,視成型狀況而定。因此射出成型流程通常可簡化為:關模、射出、加料、冷卻、開模、托模、關模...。
一般而言,射出機均屬高壓、高速、及局部高溫的機器,相關危險區域請參照示意圖:
A. 進料區:此區域因有螺桿旋轉,因此勿將鐵棒或其他異物置入。
B. 料管護蓋區:此區域為原料加熱區,溫度極高且有電擊危險。
C. 射嘴區:此區域為原料高壓射出之處,有噴濺之危險。
D. 模具區:此區域為模具高速且高壓開關動作區,相當危險。此外,原料也可能從模具的合模面噴出,需特別小心。
E. 托模區:具強力的機械動作,需特別小心。
F. 夾模機構:具高速而強力的機械動作,需特別小心。
1. 射出單元 - 除了基本的鈑金保護外,在射嘴區另有射出安全護罩以防止原料噴濺,護罩未定位時,射出單元將無法動作。
2. 鎖模單元 - 除了基本的鈑金保護及前後安全門外,另有機械、油壓、電氣三重安全保護裝置。在機器運轉中,當前後安全門(任一)突然被打開時,這些安全裝置就會發揮作用,使鎖模單元停止動作。
a. 機械保護:一般而言,在活動車壁上裝有「安全桿」,在緊急狀況時(前安全門打開),藉由機械結構的阻擋或箝鎖使鎖模結構強制靜止。
b. 油壓保護:為使安全保護更確實,當前後安全門(任一)被打開時,洩壓閥會作動使系統失去壓力,鎖模單元即無法作動。
c. 電氣保護:為防止洩壓閥失效,當前後安全門(任一)被打開時,確認安全門關上的極限開關(有二處)將無訊號,而確認安全門打開的極限開關則產生訊號,此時鎖模單元即無法作動。
3. 緊急停止開關 - 在前後操作箱上均有「緊急停止」的紅色按鈕,按下此鈕則電機馬達及泵浦將立即停止運轉(但電源仍未切),機器將無法運作。每次進行機械操作前必須先測試此兩個按鈕是否有效,如果失效,必須檢修完成以策安全。
| 項 目 | 曲肘式 | 直壓式 | 複合直壓式 |
|---|---|---|---|
| 運動特性 | 具有加減速特性 運動特性極佳 | 加減速反應慢 運動特性差 速度控制裝置複雜 | 加減速反應慢 運動特性差 速度控制裝置複雜 |
| 操作性 | 操作簡單 | 較複雜 | 較複雜 |
| 經濟性 | 由夾模汽缸 帶動曲肘作動 運轉成本最低 | 作動油量多 能源需求大 運轉成本較高 不符經濟性 | 長距離運動採小油壓缸 高壓閉模採短行程大油壓缸 運轉成本比直壓式低 |
| 開關模速度 | 最快 | 相對較慢 | 最慢,因為多了複合動作 |
| 開模力 | 小 | 最小 | 大 |
| 使用情形 | 業界普遍採用 | 少數採用 | 少數採用 |
| 閉模力 | 不易量測 不易設定 較不精準 可超負荷 | 容易量測 容易設定 較精準 不可超負荷 | 容易量測 容易設定 較精準 不可超負荷 |
| 模壁受力情形 | 受力點在外側 變形量較大 | 受力點在中央 變形量較小 | 受力點在中央 變形量較小 |
| 模具壽命 | 對模具壽命影響較大 | 直接壓模具於中心 模具壽命較長 | 直接壓模具於中心 模具壽命較長 |
| 鎖模行程 | 受機構限制 夾模行程固定 | 隨模厚而變 與模厚成反比 | 不隨模厚而改變 不受機構限制 可設計較長之夾模行程 |
| 模厚調整 | 須作模厚調整及閉模力設定 動作較複雜 自動調模時間較長 | 不須調模 直接鎖模 | 必須作模厚調整 但閉模力設定較容易 |
| 大柱壽命 | 因受到曲肘剪力 須注意模壁剛性及平行度 | 受力平均 壽命較長 | 受力平均 壽命較長 |
| 鎖模機構 | 結構較複雜 須考慮平行度及磨耗問題 | 油壓缸口徑大,距離長 製作加工不易 須考慮內洩問題 | 較簡潔 |
| 維修保養 | 須注意曲肘連桿及軸心 之潤滑保養 | 不須經常潤滑 但故障時不易拆卸維修 | 不必經常潤滑 但故障時不易拆卸維修 |
| 機構美觀性 | 較差 | 較好 | 較好 |
| 潔淨度 | 採用自潤軸承者污染小 無自潤軸承者污染大 |
1.所謂「全電式射出機」或稱「全電氣式射出機」(All Electric Injection Molding Machine),其主體機械結構與油壓式射出機差異不大,主要差別在於採用AC伺服馬達、滾珠螺桿、齒輪、正時皮帶等零件,取代原先之油壓馬達、方向閥、油路板、汽缸等油壓元件,因為完全採用電氣元件來驅動射出機,因此稱為「全電氣式」射出機。也因為完全不採用油壓元件,因此沒有液壓油漏油及污染問題,運轉噪音也降低,能源使用也更為經濟省電,在精度上也比一般型油壓射出機來得準確。
2.全電式射出機雖然有其省能源、高潔淨、低噪音的優異特性,但現階段仍存在一些缺點尚待克服,包括:伺服馬達造價高,成本居高不下、滾珠螺桿耐用度問題、大鎖模噸數機種不易發展、在電流不穩地區易受干擾、無法使用蓄壓器來產生瞬間高射壓等。其中,成本價格因素一直是全電式無法完全取代油壓式射出機最重要的原因。
西元1966年,德國巴頓公司(Battenfeld)推出以電氣馬達進料的射出成型機,開啟電氣結構運用於射出機重要單元的濫觴。但直到1994年,日本FANUC公司運用其原有電氣伺服控制的技術優勢,並與美國MILACRON技術合作,推出商品化的全電式射出機,從此使全電式射出機進入百家爭鳴階段。在2001年德國杜塞道夫展(K展)上,紛紛推出新一代的全電式射出機,如Battenfeld、NETSTAL、ENGEL、MIR、OIMA、NEGRI BOSSI等。以全球歐美日幾個主要大廠的發展來看,將全電式射出機納入產品線中是必然的趨勢。
但值得注意的是2004年起,也有部分歐美廠商推出「油電複合式(Hybrid)射出機」或「電氣式射出機」而非「全電式」機型,如加拿大的HUSKY、德國的ARBURG、DEMAG、KRAUSS-MAFFEI,義大利的SANDRETTO,甚至日本的JSW、SODICK、TOSHIBA及MEIKI,也推出油電複合式或局部電氣化的射出機。不論全電式或油電複合式均屬於射出機的電氣化範疇,因此,射出機發展至今究竟是將射出機全部電氣化或部分電氣化(油電複合)已引起廣泛的討論。
全電式射出機完全採用電器元件驅動射出成型機,因此避免了液壓油漏油及廢油污染問題,運轉噪音問題也大幅降低,在能源使用上也更為省電,歐洲塑料和橡膠工業機械製造商協會(EUROMAP),更針對射出成型機的節能制定了「Euromap 60」規範。全電式射出機具備精準控制、穩定生產、潔淨節能等多項優異性能,更能廣泛運用在精密射出市場。
根據美通社報導指出,2017年全球汽車塑料市場從亞太地區持續擴大,進而對全電式射出機與油電混合式射出機有更大的使用需求,預計射出機市場到2023年達到196.8億美元,複合年增長率為2.9%,主要來自汽車零部件、包裝行業、醫療保健、消費品之全球需求量高度增長。富強鑫全電式射出機具備精準控制、穩定生產等多項優異性能,結合工業4.0之趨勢,達成無人化監控生產之智慧工廠概念。
「油電複合式(Hybrid)射出機」,顧名思義結合了油壓及電氣兩種結構,一方面具有全電式定位精準及省能源的特性,一方面保有油壓結構高推力的特性。換言之,油電複合式射出機以低於全電式射出機的成本,卻能有效改善傳統油壓式耗能源及精度不佳的問題,而且大幅降低污染性及噪音問題。事實上,從統計數字發現,歐美日廠商中已有45%的廠商提供油電複合式射出機,而同時提供全電式及油電複合式射出機的家數比例約佔20%。換言之,未來將會有越來越多的廠商將全電式及油電複合式射出機均納入產品線中,對射出成型業者而言將會有更多彈性的選擇。
在2001年K展的歐美廠商中,雖然有7家推出全電式射出機,但有9家廠商提供油電複合式射出機,由此可見,歐美廠商偏向射出機的「部分電氣化」更甚於射出機的「全電氣化」,尤其將加料結構採用電氣伺服馬達驅動的設計,在德國及義大利的射出機上非常普遍。德國塑膠權威雜誌Kunststoffe Plast Europe於2000年12月報導,根據 DELPHI的預測,至西元2010年全球射出機市場將三分天下:油壓式佔34%,全電式佔28%,油電複合式佔38%,其中油電複合式比例最高,頗耐人尋味。因此,就如同該篇報導所言,全電式在小鎖模力噸數的機種確實具有優勢,但其優點並非全部適用所有的塑膠產品,換言之,全電式所具有的省能源及低污染的特性比較適合需要高潔淨度產品,如醫療、食品器材,以及電費昂貴的地區等,而高性能的油壓式射出機及油電複合式射出機仍然有其市場空間。
有鑑於此,富強鑫公司於2001年除了著手改良原有油壓式射出機並推出全新HT系列之外,更於2004年進一步研發油電複合式的AF系列高速射出機,2017年開發出CT系列全電式射出機,為少數同時提供油壓式、全電式及油電複合式射出機的廠商之一,客戶可根據不同的產品需求及投資成本,選擇最合適的機型。
一部射出機通常有六個重要的運動軸向,如射出、進料、座進退、開關模、調模、頂出(拔心、轉牙)等。油電複合式射出機通常將座進退、頂出、拔心、轉牙等單元保留為油壓驅動結構,而將射出、進料、開關模、調模等採用電氣驅動結構。但如果需要高速射出的功能,則通常將射出單元也保留油壓結構,並且加上蓄壓器及閉迴路控制,以求得瞬間的高速射出。因此,油電複合式射出機哪些部分要改為電氣驅動及哪些部分要保留油壓驅動,完全視成品的需求、成型功能重點及機器製作成本而定。目的就是要在機器性能、品質需求及投入成本之間取得最佳之搭配。
射出壓縮成型可以提高成型精度、節省能源並降低生產成本,其目的在於降低成型時的射出壓力及保壓壓力,並減少成品翹曲量及內部殘留應力。因此射出壓縮成型可提昇成型品質,並均勻地提升成品密度,使得薄型化大型成品更易於成型。
射出壓縮成型的種類包括Rolinx法、射出壓縮法及局部壓縮法三種。
射出壓縮成型對於計量精度、模板平行度、壓縮速度、壓縮起始時間、壓縮力等均有一定的要求條件。
在壓縮行程的控制方面,曲手式鎖模單元大多利用活動模板位置的偵測來控制壓縮行程,而要偵測活動模板位置則可透過檢測十字模板的位置來決定活動模板所在位置。油壓缸活塞行程與活動模板行程之比最大可達35:1,即模板位移1mm,則十字模板會有35mm的位移量,因此可進行精確之壓縮行程控制。
雙色射出成型通常指的是兩種顏色或不同種類塑料的成型,由於雙色機的兩組射出單元及射嘴是獨立分開的,因此其成品的顏色多半是雙色分明,沒有混雜在一起。相反的,混色射出成型則是運用複合射嘴將兩組射出單元的塑料合流,再配合機器射出速度、壓力、時間的變化,使成品產生混色、漸層及花紋等色彩變化。至於夾層射出則同樣是運用複合射嘴將兩組塑料合流,但是必須運用特殊設計使原料形成內外包夾,而有所謂「核心料」(core material)及「表層料」(skin material)之分。因此,除非將成品切開,否則夾層射出成品從外觀上通常只看得到表層料,而看不出有兩種原料。