成型技術

氣體輔助射出 (Gas assisted injection molding)

一、前言

氣體輔助射出成型技術在1971 年就已經應用在高跟鞋跟的製作上並獲得德國專利。近年來，此技術已經普遍應用於汽車零組件、家電、家具產品的應用上，另外在美國三大汽車廠（通用、福特、克萊斯勒）舆日本汽車廠在此技術的應用上，也是很有名。目前的電子資訊產品如筆記型電腦、數位相機、手機等，也運用氣體輔助成型技術，得到薄、小且品質更高的資訊電子產品

氣體輔助射出成型技術的原理是將熔融的塑料注入模穴中，在塑料尚未充填完成，短射的情況 下，便開始注入氣體，直到塑料填滿整個模穴，然後藉由氣體在內部掏空處均勻的進行保壓，並且同時進行冷卻，接著將氣體排出，最後以塑料封堵缺口，便完成製程；如果氣體是直接由氣針於產品模穴中注入，就不需再使用塑料來封閉缺口。而氣體輔助射出成型技術的優點是可以有效 降低射出壓力、減少鎖模力、節省材料、降低成本、改善產品厚尺寸處的凹陷、收縮、翹曲變形、縮短成型週期、提高產品強度等。使用較小的射出成型機台機台設備成本低，但相對的增加氣輔的氣道模具和進氣設備(如圖1)，也增加一些成本，所以隨著成型機台的技術進步也逐漸取代一些過去僅能以氣輔製程製作的部件，所以目前氣輔的製程大多應用於平板加肋件(如事務機或顯示器的外殼等)或是粗厚件輕量化(如車用手把)。

基本原理

如圖所示.調節射入模腔的熔膠量,然後再注入氮氣,將氮氣注射入熔膠，沿著阻力最小的路徑形成中空的連續通道。並進入產品的厚截面處，氣體壓力從高壓處向低壓處推動熔膠完成模腔的填充。

短射注射方法

將模具閉合，並將定量的熔膠經由噴嘴閥注射至模穴內
經過一段時間之延遲，關閉噴嘴閥並注入氮氣使其推動熔膠充填模腔
高壓氮氣保持和氣體滲透填補熔膠收縮
在模腔內保持一定的氣壓
熔膠凝固後排出高壓氮氣
打開模具，頂出產品

主要應用
主要應用 ‘短射’適用于厚截面產品,
小形手柄,和管狀器件。
‘短射’必須特別留意‘模糊紋’標記,在注射熔膠後應立即充氣。

優點:
成本降低，主要是因為:
1. 減少了材料
2. 縮短了注塑周期，減少了生產成本
3. 注塑壓力低，提高了模具的使用壽命

局限性︰
1. 表面因流動暫停會形成模糊紋
2. 要求精確的射膠量
3. 有可能出現‘指紋效應’
4. 多模腔注塑較為困難

滿射注塑方法

1. 模具閉合，注射熔膠填滿或即將填滿模腔，此時注射機還未作保壓
2. 經過一定時間之延遲，首先注入高壓氮氣使其填塞熔膠
3. 保持高壓氮氣補償熔膠收縮
4. 在模腔內保持一定的氣壓
5. 熔膠凝固後，排出高壓氮氣
6. 打開模具，頂出產品

局限性
• 可能產生‘指紋效應’
• 有時需運用 PEP 塑料溢出工藝

主要適用
• 滿射注塑方法主要適用於薄壁產品、多種壁厚的塑件
• 滿射注塑注射氣體時，氣體沿著塑件中阻力最小仍處於熔融狀態的通道中流動

優點
1. 氣體的使用能夠在模腔內產生均勻的壓力
2. 改善了表面質量，物件沒有縮痕
3. 避免了注塑機的保壓
4. 滿射注塑能夠減少70%的壓力要求，故即使在小的注塑機上，也能生產相對較大的塑料部件 5. 較少能源損耗
6. 降低了模塑內應力，使成品更堅固 • 三菱化工在日本擁有該專利權，CGI 在歐洲和美國擁有該專利權

EGM- 表面氣體注塑成形技術方法

模具的有效密封 用注塑機把熔膠充滿模腔 注入氣體對塑料一處表面施壓

EGM / 表面氣體注塑成形的優點
• 表面氣體成形方法給了塑膠件的功能和工業設計提供了更廣闊的天地
• 加強筋和輻板的厚度後於產品普通壁厚的橫截面-也沒有縮痕
• 包括裝配柱和凸台
• 更有效應用氣體壓力，繼而減少模腔壓力
• 事實上適用於所有的熱塑性塑料
• 降低了產品內應力，因此產品沒有變形
• 改善了產品的外觀面，因此可不用噴漆處理

EGM 應用 (資料來源: 朔捷科技)
• 辦公設備:辦公室設備面板,復印機,電腦顯示器外殼,文件匣
• 家用電器:冰箱蓋,外殼安裝板
• […]

擴散焊接技術(Diffusion Bonding Technology)

一、技術簡介

擴散焊接是一種固態接合技術，在真空環境下利用高溫及壓力使兩件工件的接觸面之間的距離達到原子間距，令原子間相互嵌入擴散結合，從而接合金屬及或陶瓷部件。相對傳統的焊接技術，擴散焊接能令接合面更堅固及減少變形情況。

二、擴散焊接技術優勢及應用領域
擴散焊接技術無需焊劑，接合面無應力效應，不論物料強度跟耐腐蝕性能，跟原料材無異。擴散焊接技術更能焊接相同及不同之材料，焊接後能進行機械加工、打磨、熱處理等工序。 擴散焊接技術應用領域包括模具鑲件、熱交換器、汽車零部件、航空零部件、醫療設備及植入器具和貴金屬手飾等。

三、應用擴散焊接技術的優點
廠家進行模具設計時，可因應注塑件的形狀設計貼近模腔的3維高複雜性的冷卻流道系 統，並於工件表面上加工冷卻流道，然後利用擴散焊接技術將兩件或更多工件接合，製作成冷卻流道系統的嵌塊。 相對傳統的冷卻流道加工技術，利用擴散焊接技術所製作的冷卻流道不再局限於縱橫排 列的簡單設計，亦不受模具的其它結構如頂針位置所限制，令設計冷卻流道的自由度大增。

四、結論
擴散焊接所製作的複雜而高效能的冷卻流道系統，可有效改善注塑過程的溫度控制，減低物料變形的現象，從而製造更加精密的優質塑膠產品。除了能有效排除常見之注塑缺陷，擴散焊接技術更能有效縮短注塑週期時間，減少複模及注塑機台數量，從而提昇注塑廠房產能。

最新Tandem Mould高效能射出成型技術

一、簡介

如Tandem Mould模具技術主要是介紹如何利用射出成型中之冷卻時間來增加產能。類似Stack Molud雙層模雙合模面的設計，但是每次開模只打開ㄧ個合模面執行開關模及頂出的動作。在此同時，另ㄧ半合模面還在閉鎖階段執行射出後的冷卻動作，因此就可以增加產能至一倍。Tandem Mould技術最適合量產型零件生產，而且冷卻時間佔生產循環時間40%以上有最大的效能。相較於Stack Mould之生產，Tandem Mould只需適度修改射出機之動作流程，硬體上不需做任何改變即可操作運用Tandem Mould技術之模具。具有產能加倍，一機抵二機用，組合件無色差，射出平衡性佳等特色。

有鑒於傳統模具的生產已無法滿足提升產能、降低成本之要求，而堆疊模(Stack Mould)技術亦無法達到因模穴過多引起的射出平衡導致之品質要求時，Tandem Mould技術也就應運而生，剛好是目前最佳之解決方案。

二、Tandem Mould運作流程 下圖為Tandem Mould(縱列式模具)之循環運作流程。

三、Tandem Mould與傳統模具之比較 從下圖可看出Tandem Mould(縱列式模具)與傳統模具所使用的射出機無太大的差異。

四、Tandem Mould與Stack Mould之比較 參考下圖可以了解Stack Mould所使用的射出機需特別訂製特殊規格，因而增加設備投資。而使用Tandem Mould時，射出機幾乎與傳統模具相同。

五、結論

綜合以上介紹，Tandem Mould具備以下之競爭優勢： 1.可提升生產效率最高達 100% 。 2. Tandem Mould 模具技術可與傳統射出程序相容, 不會互相干擾。 3.特別適合組合式產品(Family Mould), 因每個合模線可個別設定成型條件。 4.生產總成本約可降低至 40% 左右。

用陶瓷或金屬的粉末來製造射出成型零件的應用領域包括汽車工業(製造軸承、閥門、搖臂等)、刀具工業(製造鑽孔和洗削刀具)、磁鐵生產、紡織工業、高性能陶瓷領域、精密工程、醫療技術和陶瓷工業。 這項技術特別適用於以全自動化系列生產方式進行大批量生產，以及用於幾何構造複雜的產品。

二、過程描述

在加工粉末材料時，必須將粉末和黏合劑均勻的混合，然後從混合物造粒。與塑料相似，這種可射出成型的材料現在也使用射出成型機器來加工，然後將粘合劑從成型零件(綠件)中除去，剩餘的是“棕件”然後再進行燒結。

三、零件品質恆定：

　　理論上ARBURG經過相應配備的ALLROUNDER機器都能加工粉末材料。根據機器的大小可以製造的綠件的最大射出體積為904厘米3。通過連續的過程控制可以保證零件具有恆定的品質。生產複雜的成型零件只需要很短的準備時間，而且實際上不產生廢料，也不需要昂貴的後加工。此外，這個加工技術可以達到相當自動化的程度，因而可以節省相當多的時間和資金。

四、多樣化應用方式

　　其中一種應用是生產堅硬的金屬切割工具。完全自動化生產的切割刀具，同時在軸上塑造內部螺紋，而且澆口非常短，這些都可以確保節省材料和時間。

　動態模具溫度控制技術具有改善產品品質與縮短成型週期之優點。我們可將此技術主要可分為內含「模內加熱溫度控制技術」與「模具表面加熱溫度控制技術」，其加熱之應用方式有非常多種，若比較其主要優缺點可發現，模具表面加熱溫度控制技術具有更高的加熱效率與節省能源的能力。本文將熱油、高溫水、電熱、蒸氣、紅外線、感應加熱、熱空氣加熱方式加熱效率進行較完整比較與介紹。

動態模溫控制技術(Dynamic mold temperature control, DMTC)

動態模溫控制技術(Dynamic mold temperature control, DMTC)為近年來具創新性之模具溫度控制技術，為射出成型模具溫度控制重要的里程碑，相較於傳統模具溫度控制具有更高效率的市場應用性。傳統模具溫度控制應用在射出成型週期間(Tct)，模溫機將模具溫度維持在產品頂出溫度(Te)以下，當融膠充填模穴時，融膠經由熱傳使模具溫度隨之提高，充填完成後於保壓與冷卻階段進行冷卻並回到所設定溫度。

動態模溫控制應用在射出成型製程上，於充填前先將模具表面溫度加熱至玻璃轉換溫度(Tg)，於保壓與冷卻階段冷卻模具溫度回到Te，此技術控制模具表面溫度於Te與Tg溫度間進行動態變化，得到最短升溫時間(Th)與最短冷卻時間(Tc)，達到充填前快速加熱與充填後快速降低至模具溫度目的。傳統射出成型製程中，冷卻階段占成型週期約2/3時間，因此有效率的冷卻效果可大幅縮短成型週期與操作費用，然而過低或不均勻分佈的模溫，將影響產品品成質，造成縫合線、表面粗糙、殘留應力與翹曲等問題。利用動態模溫控制升溫/冷卻快速的特性，可有效的解決產品缺陷問題。

各種動態變模溫技術分類

近十年來有諸多關於動態模溫控制技術研究與報告，其目的是使模具表面獲得均勻的快速加熱及冷卻同時兼具合理的成型週期。這些技術大致可以分成兩大類：(1)模內加熱溫控(2)模具表面加熱溫控。(1) 模內加熱溫控方式包括: 1.同一管路通入冷熱水溫的方式，加壓高溫水隨著設備發展，最高可達200度C，其水溫機設備內部管路需要加壓防止此超過沸點水的氣化。2.另外若要求更高模溫時，也有使用熱媒油為加熱介質。但由於油的黏度遠大於水，因此在低溫時，整體冷卻效率會比水差很多，且容易產生油氣造成汙染，限制其應用範圍。

3.電熱管加熱可協助模具達到高模溫要求，但需要額外的模具設計與加工，且為了達到加熱速度與溫度均勻分布，往往需要較多的電熱管以提升加熱效果，此外若要提昇加熱均勻度，則新型的設計可將加熱管直徑縮小(2~3mm)，達成可饒式加工與曲面加熱以及提昇模具強度。

4.蒸氣式加熱(Rapid Heat Cycle Molding, RHCM)同一管路通入熱蒸氣與冷卻水，蒸汽式加熱系統其水路搭配產品3D曲面造型，使用高溫蒸汽為加熱源可達180度C，在模具內部設計蒸汽加熱流通管道，達成模具快速加熱目的，加熱完成後迅速導入低溫冷卻水，完成動態溫度控制。在實際案例應用於LCD外框中發現，由於蒸氣容易造成水路表面銹蝕影響加熱冷卻的效率。且由於3D水路設計將提高加工的困難度與成本，使用於大尺產品應用上仍有其優勢，目前產業研究上進一步將此技術發揮於各類產品應用上，包括材料添加金屬粉末表面品質改善及零度拔模角的應用。

(2) 模具表面加熱溫控方式包括：

1.模具表面鍍層滯熱方法，其模面會塗佈一層低熱傳導係數材料，因而將使得充填過程中，熔膠將先和鍍層接觸，而非直接接觸模具鋼材，不同的接觸材料與鍍層厚度將影響熔膠的接觸溫度，進而改變融膠充填時的凝固層厚度，藉由塗佈低熱傳導係數的材料於模面，其接觸溫度較傳統提升約10~20度C。

2.感應加熱溫控技術(Induction Heating Temperature Control, IHTC，利用不同型式電磁感應線圈對模具表面進行快速加熱，以消除縫合線與收縮等產品表面缺陷，本技術特點為模具表面淺層加熱，表面加熱深度約0.1mm，模具升/降溫速度極快，約為20~40度C/s。
(3)利用紅外線鹵素燈接近模具表面進行模具表面加熱，此系統經由設計後可對模具進行單面或雙面加熱。

3.氣體加熱技術(Gas-assisted Mold Temperature Control, GMTC)，為目前最新發表之加熱方式，利用加熱後氣體通入模穴以熱對流方式直接加熱模具表面，其作動方式如，達到加熱與縮短成型週期效果，此技術具有高加熱效率但目前僅應用於較小尺寸及微成型之模具。4.雷射加熱(Laser Radiation) :利用雷射光加熱模具表面或者置入模具內部進行模仁局部加熱，唯獨雷射光加熱設備較為昂貴且加熱範圍有所限制控制不易，若設計得當其加熱速度將接近30o度/s，此技術仍在開發中。

結論

模具表面快速溫控設備的應用是先進射出成型領域一項重要技術，其加熱速度快較不影響成型週期，使用的加熱能源較低，有效符合綠色製造技術，而且模具表面淺層加熱，模具較不會整體熱脹冷縮，影響模具壽命。另外模具冷卻方面，為了達成模具急速冷卻之目的，表面加熱給予模具的熱能較少，因此降溫速度較快，同時可配合模內3D冷卻管路設計的優化，未來的溫控技術自由度得以有效提升。

液體輔助射出成型在70年代被提出並且開始研究(1973年，Yasuike，日本 ),液體輔射出成型 (WAIM) 為一特殊製程，和氣體輔助成型 (GAIM) 的概念相同，主差異在於水體輔射出成型的介質為水而非氣體。液體輔射出成型和氣體輔助成型都具備提供機械強度和尺寸穩定性的優勢，可兼顧品質和節省原料。而水為低成本的保壓材料，具備高比熱和高導熱性質如圖1所示與不可壓縮性，賦予液體輔射出成型製程周期短的優勢與可應用於複雜管形件，協助業者達到品質控管和節能省料標準。

優點:

a.更均勻的皮層分布
b.較平滑的內表面品質
c.水的使用成本較低
d.非對稱的滲透會較穩定
e.可製作幾核形狀複雜的管型件
f.可提供低壓射出

缺點:

成形參數條件設定：
除傳統條件外,與氣輔一樣尚需設定水注入的延遲時間與水保壓時間
模具設計:
因需設計排水方式相對複雜
製程方面： 需要外加設備作為液體注入與去除回收規劃

原理說明:

設備 目前商用設備多以國外品牌為主, 如Battenfeld, Cinpress

■應用案例:
1. 複雜管型件 (Source: Battenfeld )

成型方式
1. 塑料採短射法充填,利用水完成整體模穴充填並利用水壓保壓。
2.在塑料充填完成後切換成水輔助充填剩餘未充填的體積並將多餘塑料推往溢流區

結果討論: 氣輔 V.S.水輔璧厚掏空率比較:

由圖上可以了解,在不同截面積中,隨著輔助流體壓力加大,水輔的截面掏空率在一般形狀與轉彎處,其掏空偏心的差異性,較氣輔來的穩定亦即可以維持管徑尺寸的穩定度

氣輔 V.S.水輔體積收縮率比較

以本案例來看由於水具有冷卻產品的功能,所以體積收縮率並不會完全隨著壓力升高呈線性降低。

氣輔 V.S.水輔翹曲比較

以本案例來看隨著水壓或氣壓加大，水輔成形的變形穩定度較氣輔成形好

2. 長形複合材料管型件溫度與管內表面比較 (Reference: IKV Aachen)

■結論

1. 實驗與模擬比對結果掏空誤差約在10%~15%,證明模擬可有效協助液體輔助射出成形的分析與預測並進而優化
2. 液體輔助射出成形技術可有效運用於軟膠類管件的生產並可用小噸數的機台成型管長1公尺以上直徑約10mm的部件,降低成形機成本