B16 液体辅助射出成型新式高流量水针成型性探讨

一、前言

液体辅助射出成型的构想在70年代首先由日本人安池(Yasuike)提出【1】，在热塑性塑料发泡范围中研究用液体辅助射出成型制造中空件。所使用的工作介质种类有液态氮、酒精、水等流体。阿亨(Aachen)工业大学塑料加工研究所(IKV)重新研究开发，并采用水为工作介质，开发出水辅助射出成型技术(Water-assisted Injection Moulding)迄今并开发出专用水辅机台，且将技术转移至厂商期以将其商用化；国内目前则以长庚大学机械系自行开发机台以及清云科大使用全立发机械厂开发上机台合作从事学术性及应用研究为主。 

液体辅助射出成型与传统射出成型相较，具有以下优点：

1. 成型性方面：射出压力不需很大，低压即可成型，且有较均匀的压力分布，并且具有良好的冷却效果，可缩短成型周期。

2. 生产设备方面：由于所需锁模力较小，可以使用较小吨数的射出成型机，节省设备成本。

3. 成品形状方面：可用于粗厚产品，掏空中心截面，以节省材料。可应用于具补强肋之塑件，增加强度。

4. 成品质量方面：可避免成品表面凹痕，有较低的内压力，具有均匀的收缩性，产品尺寸安定，变形较小。

5. 经济观点：可节省材料、机台设备等费用，且缩短成品生产周期，提高生产效率。

二、实验设计

第一代水针设计

环形水针（Ring Type）环形水针共分两部分一为调节螺丝孔，另一为水针本体，高压液体即经由水针本体底面流进调节螺丝孔底端并自水针本体顶面加工凹槽处喷出，完成充填动作；环形水针因进水及出水孔尺寸过小，造成水压压降过大且单位时间内流量不足，且成形过程中于短射阶段融熔塑料会流进出水孔造成堵塞，故成形效果并不佳。

孔型水针（Orifice Type）（如图一(a）所示)：孔型水针主要也可分为调节螺丝与水针本体，经由实验发现孔径0.5㎜的水针可适合液体辅助成形成形需求；而无论环形或孔型水针皆会因为液体充填塑料完毕后，水针本体周围塑料冷却收缩造成水针本体与射出成形工件的间隙，使后续保压阶段的液体自间隙流出影响后续保压效果且造成模具及机台的污染与锈蚀，根据上述问题研究针对现有水针做改良

第二代水针（高流量水针）

根据使用第一代水针的经验，归纳出第一代水针具有保压时液体泄漏及出水孔容易遭射出流动融胶背压堵塞，根据上述缺点而设计新式水针，设计概念则有下列三项：（1）加大出水处的孔径藉以进而加以提高流量减少因管径差损失使充填压力降低与同时可防止因融胶背压造成出水孔堵塞；（2）能减少因泄漏而造成的污染；（3）可配合未来所发展的排水设备将充填液体于成形过程后直接予以排除提高液体辅助射出成形技术生产效益降低周期时间；故新式水针出水方式主要考虑以下两部分设计（如图一 (b)）：

网状结构：以高密度不锈钢网（孔径0.7μm），采用高密度不锈钢筛网结构，因具细小且多孔且孔径均匀的特性故能有效防止融熔塑料流入水针本体中，出水孔径并可加大至5.5mm

多孔性材料结构：以球铜与不锈钢粉末金属烧结的多孔性材料（0.7～0.4μm），粉末冶金烧结多孔性材料因具备孔径细小且多孔的特性外，并具厚度具备刚性使在承受高水压时与射出背压时部因反复压力导致变形，出水孔径亦为5.5mm

液体辅助射出设备：本研究中所使用之液体辅助射出设备为本实验室自行设计开发，由液体增压帮浦、空气调压阀、液体压力表、水针、恒温循环槽、定时器、蓄压器所组成，作动原理与设备实体如图二所示，各部分组件规格说明如下：

实验模具: 本研究分析藉由截面为具半圆形肋的板件与浮标型管件及长距离弯管的模具探讨水针的掏空率影响采两种不同形状

实验设备: 实验所使用之射出成形机为台中精机Victor-7000/Vs-80型射出机（此机台射出单元之螺杆直径为32mm，最大熔胶量104cm3、最大射出压力为2400kg/cm2，锁模单元为油压双曲肘上下平衡五点式设计，最大锁模力可达80吨。

三、结果与讨论

高流量水针空射测试

将旧式孔型水针与新式高流量水针（包含网状结构及粉末冶金结构）直接装设至现有模具中，在开模状态下直接连接液体辅助射出成形系统空射高压水柱并以摄影机拍摄，以直观的方式直接记录并观察，由图三可得知新式高流量水针较旧式水针具有较高的输出水量；又以高流量水针两种设计作进一步比较，不锈钢网因为网状结构较薄故刚性较差容易，因长时间受到融胶高温之射出压力及低温高压水的反复压力下融胶会流入网中将筛网孔径堵塞使水针失效，故在耐用性上较粉末冶金差，最后选择以粉末冶金材料作为高流量水针出水孔的设计，再继续以下的水针测试。

高流量水针压力、使用分析结果

由于液体辅助射出成形最主要的关键在于水针输出的流量与压力决定整体成形性的好坏与掏空率的大小，实验将测试环境简化藉由外部的空射实验与压力表实际量测三种不同型态水针（环形、孔型、高流量型水针）的流量，输出压力再根据实际成形实验以验证新式水针的性能。

如图四(a)所示，由图中量测结果我们可发现，当输入压力（即续压器续压表压力）提高时输出压力并未明显提升（约为5～8 bar），由于孔型水针与环形水针出口面积过小故产生高压力差使压力损失大，而新式高流量水针则具有较小的压力差并可随输入压力提高而提高输出压力，故可适用于大型工件或厚件使用大型工件的，亦可针对结晶快速的工程塑料类（如PA系列）提供较佳的成形效果如图四(b)所示，新式高流量水针较过去孔形及环形的水针具明显具有大流量特性，且当续压压力增加时流量亦较旧型设计明显提高，当瞬间流量大时将可在WAIM制程中流体充填阶段单位时间内可推动更多融胶前进。而孔型水针及环形水针因为出口面积较小的情况下流量明显少许多，故在工件成形性及掏空率明显受限。

高流量水针水道掏空率分析结果

分析水针对掏空率影响采两种不同形状藉由截面为半圆形水道的板件与浮标型管件图五来比较新旧水针整体的掏空情况，由再者比较浮标管件的水针位置位于工件之中图六，故由图七可看出其掏空率明显提升，高流量水针其掏空率约在27.5％与30％上下。

工程塑料暨复合材料成形分析：

测试材料采用PA6与PA6含35％玻纤分别针对孔型水针与高流量水针做测试做比较测试，由于材料具快速结晶的特性及高加工温度，故对于液体充填时的变化更为快速，又由于高流量水针可传递高压与具高流量应可克服尼龙快速结晶的特性，其整体掏空特性如如图八、图九所示，孔型水针因压力与流量明显不足的情况下使纯PA在穿透过程中造成多处隔离层，相较于高流量水针则克服此项问题使内表面平整且完全穿透且掏空均匀；在复合材料部分高流量水针与孔型水针差异不大，但玻纤分离的现象亦明显发生，应可运用加工参数克服。

四、结论

1.高流量水针流量与压力明显较孔型水针性能佳。

2.当水道形状较宽时(半圆、矩形），高流量水针在进浇点处(Gate)充填进入工件处较孔型水针有较佳的膨胀效果亦即对于出口角落处能有效保压不致收缩。

3.当水道形状宽度较小时，高流量水针较易产生指影效应。

4.高流量水针与孔式水针比较具有较佳的掏空比与穿透稳定性的。

5.高流量水针因采用粉末冶金当作出水孔（每孔尺寸70- 50μm)不易遭低黏度之高分子融液堵塞。

6.当使用具快速结晶材料时，高流量水针可克服快速结晶的问题而能完整掏空工件，可是和运用于管件之制作。

五、参考文献

1. Walter Michaeli , Andre Brunswick and Marco Gruber , “Step on the Gas with Water Injection:Water-assisted Injection Moulding (WAIM):An Alternative to Gas Injection ?” , Kunststoff plast europe, Vol.89 , No.4 , pp.20-21(1999)

2. S. Hasegawa, H. Yokoi, and Y. Murata, “Dynamic Visualization of Cavity Filling Process in Ultra-high Speed and Thin Wall Injection Molding” SPE ANTEC’04, 329-330 (2004)

3. Gunter R. Langecker and Wolfgang Peinhopf, “Simulation under Pressure : 3D-Simulation of Gas Injection Moulding”, Kunststoff plast europe, Vol.91, No.6, pp.25-27(2001)

4. S. Y. Yang and S. J. Liou, “DevelOPMent of Moldability Diagrams for Gas-Assisted Injection Molding”, Advances in Polymer Technology, Vol. 14, No. 3, pp.197-205 (1995)