B06 一段式射吹成型制程中射出成型参数对产品之效应探讨与研究

一、前言

近年来由于食品饮料与液态产品的大量生产，伴随着各式储存容器的需求也大量提升，至今吹塑成型已是最主要的中空容器制造方法，并被广泛使用于生产各式各样的储存容器。通常吹塑成型会视需求使用拉杆。一般而言吹塑成型可分为一段式与两段式程序。在一段式程序中，瓶胚在射出程序产出后立即转移进行拉伸及吹塑程序。相对的，两段式程序方式，瓶胚是经由射出成型产出后就被冷却至室温并加以储存。等到需要的时候，再将瓶胚加热至所需程序温度，然后在模内拉伸及吹塑至最后产品形状。

一段式制程的优点在于省能源、高产率和不需预热程序，同时也具有更大的弹性可调整产品厚度并寻求优化的厚度。然而塑料从射出程序产出瓶胚，并且立即将瓶胚转移至吹塑程序，其间操作参数之复杂性往往难以掌握。此外如何适当的将瓶胚移转至拉伸与吹塑程序，并不是一件容易的事。一般而言传统试误法是最常被使用的方式，但往往难以预测并加以控制程序，因此如何有效的整合射出与吹塑制程将是重要的课题。[1-4]

在此研究中，我们整合射出成型与吹塑成型模拟方式，探讨一段式射吹成型的程序行为。首先我们使用数值化仿真方式有系统的探讨一段式射吹成型，其中几个程序参数将会影响瓶胚的性质，而这也将影响最终产品的质量。此外一段式与两段式的比较也将被探讨，结果显示经由一段式程序的产品厚度将会有显著的不同。

二、原理与假设

一段式或两段式射吹成型的主要分析程序可以分为两个阶段。第一阶段是瓶胚的射出成型模拟，在此射出成型阶段包含充填、保压、冷却和翘曲。在充填与保压阶段，熔融高分子的流动行为假设为泛牛顿流体（Generalized Newtonian Fluid），而非恒温三维流动行为也在此使用数值化描述。由于FVM（finite volume method）具有稳健性与高效率的特性，因此使用于此研究中解析复杂三维几何的瞬时流动场。成型冷却期间，三维、周期性与在冷却管路和模座表面具有对流边界条件的瞬时热传问题，在此研究也被考虑[5-7]。另外，整体热传现象使用三维poisson方程式描述。在此我们假设周期性平均模温与时间无关。在翘曲分析中，机械性质假设为线性弹性。应力-应变平衡方程式也在此使用于解析问题。

第二阶段吹塑成型部份，黏弹性材料模式（K-BKZ）和WLF温度相依性皆被考虑。此外在吹塑成型期间，介于工具与材料间的热传导与磨擦也被考虑[8]。在一段式射吹成型模拟中，在射出阶段冷却结束后，瓶胚的温度分布将直接被使用于吹塑成型模拟的初始条件。在两段式程序中，瓶胚在射出成型后产生并加以储存。当吹塑程序开始时，瓶胚被预加热到操作温度，接着进行拉伸与吹气得到最终产品。

三、研究程序

为了了解一段式射吹成型，程序将分为两个阶段：射出阶段的瓶胚准备与吹塑成型阶段。两个阶段皆使用数值模拟方式。相关几何信息与程序变量列于表一。在射出阶段，Moldex3D软件使用于探讨充填/保压到翘曲程序。在吹塑阶段，B-SIM软件使用于探讨预拉伸到吹塑程序。个别描述如下：

3.1射出成型阶段瓶胚模拟

图一显示射出阶段瓶胚几何，其中外径为48 mm，高为122 mm，厚度为3~7 mm。程序条件为：充填时间1秒，保压时间1秒，冷却时间12秒。料温为230℃，模温为70℃，顶出温度为120℃。此研究所使用塑料是PET（Easeapak PET 7352）。在此将使用不同的操作条件进行研究，包含料温效应、模温效应和射速效应等等。

3.2 吹塑成型阶段

一段式与两段式的吹塑成型程序相同，图二即说明了吹塑成型阶段的基本程序。此研究模具尺寸为高度230 mm与最大直径100 mm。拉杆尺寸部份，直径为16 mm和高度180 mm。不论是一段式或是两段式的瓶胚，都必须置于模内。在预热（两段式程序）或是使用射出后的余热（一段式程序）之后，瓶胚首先利用拉杆进行拉伸，然后气体进入将瓶胚吹塑并完成程序。

最后，射出成型与吹塑成型时间周期比率对成型结果的影响，在此也将被探讨。

四、结果与讨论

图三显示射出阶段瓶胚的充填行为，塑料从入口流入并充填模穴。充填结束后，模穴接着进行保压，而后进行冷却。瓶胚的温度分布表示于图四。其中可清楚观察到，在冷却结束后，内部塑料仍然相当高温。在一段式程序中，这个冷却后的温度分布被当成吹塑成型的初始温度，同时冷却后的瓶胚几何也一并转至吹塑成型系统。瓶胚将在吹塑成型程序被拉杆拉伸并吹塑成最终产品。图五显示一段式系统的产品厚度分布。在此射出阶段周期包含充填、保压、冷却共为12秒，然后吹塑阶段时间包含0.3秒的预拉伸总共为1秒。射出阶段比上吹塑阶段的时间周期比率为12。在图五中，区域（1）是瓶口的位置。区域（2）显示出比较均匀的部份。

此外，在此研究中一段式系统的多个程序条件将被探讨。料温效应表示于图六和图七。图六显示在射出阶段时，3个不同料温在冷却结束后的温度分布。其中清楚可见，内部塑料在冷却后仍然为高温。接下来，这些温度分布转移为吹塑成型分析的初始条件。结果显示，不同料温下的最后厚度分布有着相似的趋势，如图七。

其他关键的控制因素为时间周期比率。当我们维持射出瓶胚时的条件（包含充填，保压，冷却共12秒）并将预拉伸周期从0.3秒改为1.3秒，此时时间周期降为6。最终产品的厚度分布显示于图八。由结果可知，预拉伸将会影响最终产品的分布。

两段式射出成型模拟，在此我们也拿来比较。图九显示一段式与两段式的厚度分布。在一段式程序中，所有的条件与图五相同。在两段式程序中，瓶胚在吹塑成型前先被预热至100℃。结果显示最终产品厚度分布有显著的不同。在区域（1），一段式程序的厚度不均匀，主要是因为低温的温度分布所引起。在区域（3），一段式程序的厚度有显著的改变，主要是因为高温的温度分布所造成。另外，瓶胚的预热温度也是主要的控制因素之ㄧ。图十显示在不同预热温度下的厚度分布结果。当预热温度较高时，区域（3）较容易拉伸，但并不是很均匀。此种行为与一段式程序所见的相似。

五、结论

在此研究中，我们有系统的使用数值仿真方式探讨一段式射吹成型程序。结果显示，射出与吹塑在不同的程序条件下，都会影响到最终产品的厚度。此外，我们也进行了传统的两段式射吹程序。比较后发觉，两段式的质量与一段式的差异不小。本文中对于探讨一段式射出程序中的机制与产品质量都是良好的研究方向。

六、参考文献

1. “Modeling and simulation of stretch blow molding of polyethylene terephthalate”, X. T. Pham et al., Polym. Eng. Sci. 44, 1460 (2004).

2. “Experimental study and numerical simulation of the injection stretch/blow molding process”, F. M. Schmidt et al., Polym. Eng. Sci. 38, 1399 (1998).

3. “NPE 2006 News Wrap-Up: Blow Molding”, J. A. Grande, //www.ptonline.com/articles/200608fa3.html

4. Web source: //www.nisseiasb.co.jp/pickup/ news_e_28.html

5. “The warpage simulation with in-mould constraint”, Yi-Hui Peng et al, ANTEC 2004.

6. “The warpage simulation with in-mould constraint effect in injection moulding”, Yi-Hui Peng et al, Moldex3D paper.

7. “Three-Dimensional Insert molding simulation”, Rong-Yeu Chang et al, ANTEC 2004.

8. //www.moldex3d.com

9. //www.t-sim.com/www/BSIM.html