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CHAPTER 8. 塑膠產品製造 與最後組裝. 8.1 簡 介. 8.1 簡 介. 塑膠射出成型將在本章中做詳細之描述，因為它創出整個 電子消費性產品的構裝 。這些產品的外裝必須是 質輕、具防護性又要便宜的 ，而且必須能承受購物中心、網站上架的撞擊。回顧我們產品開發路徑的旅程也是很重要的，如鐘面圖 2.1 所示，其步驟如下： 產品設計 ( 第三章 ) 產品原型製造 ( 第四章 ) 製造內部腦袋 ( 第五章 ) 組裝內部系統 ( 第六章 ) 模具加工製造 ( 第七章 ) 射出成形 ( 第八章 )
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CHAPTER 8 塑膠產品製造 與最後組裝
8.1 簡 介 • 塑膠射出成型將在本章中做詳細之描述，因為它創出整個電子消費性產品的構裝。這些產品的外裝必須是質輕、具防護性又要便宜的，而且必須能承受購物中心、網站上架的撞擊。回顧我們產品開發路徑的旅程也是很重要的，如鐘面圖2.1所示，其步驟如下： • 產品設計 ( 第三章 ) • 產品原型製造 ( 第四章 ) • 製造內部腦袋 ( 第五章 ) • 組裝內部系統 ( 第六章 ) • 模具加工製造 ( 第七章 ) • 射出成形 ( 第八章 ) • 由此可知塑膠的射出成形與產品的組裝可看成是前幾章運用製程與設備達成無數件消費者產品的結果。同時必須由第二章的指紋辨識器設備之個案研究回顧起，其射出模具是以鋁合金加工而成，可用於早期客戶測試或評估用之200件的小批量生產。
8.2 塑膠的性質 新的材料科學族群，並回憶起聚合物可粗略 分成兩個類別： • 熱固性成形材料，包括用於餐具的硬塑膠，如美耐皿 ( 三聚氰胺 - 甲醛 (melamine-formaldehyde))，用於膠水及纖維補強製品如小舟、網球拍等的環氧樹脂 (epoxy resins)。熱固性塑膠產品是加熱到變成液態狀再澆入或射入模具然後固化，由於產生化學交互反應使其無法逆向返回也無法再融化。 • 熱可塑性塑膠成形材料，包括共聚合體如丙烯青 - 丁二烯 - 苯乙烯 (acrylonitrile-butadiene-styrene, ABS) 及聚碳酸酯 (polycarbonate, PC) 等，用於玩具、電子消費產品、及更具撓性的廚房用具。其主要的特徵是這類的塑膠可以加熱到黏液狀後充填成形，且可以再次反覆使用相同方式成形。由此可知其最為適合底下所描述之射出成形製程，在下一節中有更詳細的描述。
8.2.1 熱可塑性塑膠的特性 • 對於某一種零件該使用何種塑膠聚合物，這個答案需由該產品在其使用的溫度條件下的行為性質來決定，每一種熱塑性塑膠均會經歷一般的轉換點 (generic transitions) 過程，但各有不同的溫度，如表8.1為聚苯乙烯 (polystyrene, PS) 的轉換點。
8.2.1 熱可塑性塑膠的特性 • 在低溫時PS具有玻璃的結構 (glassy structure)，並有高的剛性 (stiffness) 可由楊氏係數E測得，其剛性可由聚合體之分子量的增加、鍵結力的增加、增加分子鏈相互交疊之結晶型態以及加入元素來增加交互鏈結等來增強剛性
8.2.1 熱可塑性塑膠的特性 • 以通俗的話來說，在低溫時的機械性質就如同金屬之具有鏈結力 (bond stretching)，但在高溫時，PS(苯乙烯)的分子鏈會像烹調過的義大利麵般相互滑動。 • 使用楊氏係數E顯得太簡化熱塑性塑膠的性質，因為塑膠的變形與溫度及時間有關，因此須使用應力鬆弛模數來表示。其試驗方法是將塑膠試片在幾個不同的溫度下加上一個選定的應變，並在整個時間中量測其應力的衰減。圖8.1為一典型的結果
8.2.1 熱可塑性塑膠的特性 • 此試驗是使用壓克力樹脂 ( 聚甲基丙烯酸甲酯，polymethyl methacrylate, PMMA)，在美國通常稱為塑膠玻璃 (plexiglass)，在英國通常稱為透明樹脂玻璃 (Perspex)。此材料在時仍然長時期維持剛性性質，但溫度再增加到以上時會變成皮質軟化，最終變成黏體。 • 另一個關鍵性的觀念是玻璃轉化溫度，在此溫度熱塑性塑膠由玻璃脆性轉換成皮質性，圖8.2為聚醋酸乙烯 (polyvinyl acetate, PVAC) 對溫度變化的精確體積圖，其玻璃轉化溫度是由玻璃性質區與皮質區曲線利用外插法求得之交點，在此例中交點為 。
8.2.2 塑膠性質在高階設計中之影響 從設計上透視，其策略是以產品的工作溫度，通常是室溫時 所希望的性質來挑選擇塑膠聚合體，其策略如圖8.3所示，包 括： • 聚甲基丙烯酸甲酯 (polymethyl methacrylate, PMMA) 在室溫為剛性結構 (rigid structure)，以低於玻璃轉化點來考慮。 • 聚乙烯 (PE) 和丙烯青 - 丁二烯 - 苯乙烯 (ABS)，在室溫下恰超過，但考慮在熔點以下因而其具有剛性及韌性，因此適合作為玩具、汽車零件及電子構裝件。 • 聚氯乙烯 (polyvinyl chloride, PVC) 板，在室溫為皮質性，適合做某些形狀之覆蓋物，或人造皮革。
8.2.2 塑膠性質在高階設計中之影響 • ABS射出成形品用來製作像指紋辨識器、平板電腦 (InfoPad) 等。 • 在概念層級，ABS被加熱到高黏性狀態然後被押注進入模穴，然後冷卻成所要之形狀，此製程的細節及一些更挑戰姓方面的觀點將於下一節中描述。
8.3.1 概 觀 • 射出成形是生產消費性產品外殼的一種主要生產方法，此法既便宜又可靠且與金屬製品來比是可減輕裝置的重量，像ST的微電子觸摸晶片 (TouchChip) ( 第二章之個案研究 )，及平板電腦外殼 ( 第六章之個案研究 ) 都是以此種方法來生產，有非常廣泛之消費性產品範圍從玩具到電話到汽車零件均使用此種方法來生產。
8.3.1 概 觀 • 圖8.4為模具的一般特徵，一些簡單桶狀物或杯狀物可將其作成一個在模心及模穴間具有間隙之樣子，其如圖右下角，在此例中分模面如圖之右下角所示，系置於桶狀之上邊緣，而其他形狀之分模面位置則沒那麼方便置放，因此在塑膠玩具或器具的分模面周圍經常會看到一些毛邊，甚至需用手工去清除。
8.3.1 概 觀 • 除此而外也需手工清除的部位為 (a) 也許是在零件表面一個小疹狀之進膠口痕跡及 (b) 頂出銷痕跡，對於一個小的像大哥大般的物件大約用6 mm ( 差不多0.25吋 ) 直徑的頂出銷，也許讀者有興趣由一些熟悉的消費性塑膠製品上去找到一些不可避免的痕跡。
8.3.1 概 觀 • 圖8.5為塑膠射出成形製程，熱塑性塑膠粒由右邊的料斗 (Hopper) 裝填並在此烘烤加熱後由螺桿押送進入料管 (barrel) 之熱區，然後熔融且混拌過的材料被油壓壓桿 (Ram) 強迫推經射嘴 (Nozzle) 而進入模穴，之後熱塑性塑膠在模內冷卻、成形而硬化，之後模具分離，頂出銷協助將零件由下模頂出。這些步驟的細節描述如下：
8.3.2 往復螺桿式射出成形機 • 往復式螺桿射出機是工業上最常用的機器，圖8.5(a) 所示為開模位置圖，下圖為一模單穴及一模多穴模具，注意此機器是水平式結構及操作 ( 又稱臥式機器 )，因此與圖8.4比較，模具放在側面較有效。 • 圖8.5(b) 與圖8.5(c) 所示之模具在右邊而心型則在左邊，熔融塑膠由往復式螺桿射出機的射嘴經豎澆道 (sprue) 射入模具，因此如為一模多穴模具 ( 圖8.5(d))，則由豎澆道往橫澆道流向進澆口 (gate)。
8.3.2 往復螺桿式射出成形機 • 機器的料管是被加熱的，而塑膠粒 (pellets) 被螺桿推進，再加上螺桿攪動產生的熱，事實上機器是設計成兩個不同的相 (phase) 來操作，即： • 步驟一，熱塑性塑膠的塑化 (plasticizing)：復合料管加熱器的加熱及螺桿送料轉動摩擦熱的作用，使得計量 的塑膠液體送到射嘴後端的Y區，因為射嘴的直徑很小，被上次射出後殘留在射嘴前端的冷料塊所封閉。 • 步驟二，射入模穴：當到達計量後螺桿停止轉動，而整個靜止的螺桿由壓桿強制推向前將熔融的塑膠液體經射嘴射出，再經豎澆道進入模具。在押桿作動之前模具已經閉合，因此塑膠液體將充滿模腔 (impression)，如圖8.5(b) 及圖8.5(c) 之黑色區域。
8.3.2 往復螺桿式射出成形機 • 當品冷卻下來經一段充分週期，模具便可打開頂出產品，為縮減冷卻週期，模具設有冷卻水路作動
8.3.3 電腦輔助製造 • Mccrum, Bukley &Bucknall (1977)，描述近代射出機與控制設計的研究，螺桿具有三項的功能，押送塑膠粒、壓縮及幫助在熔化區融化，且在壓桿壓擠時能有足夠的強度來壓擠塑料通過射嘴進入模腔，螺桿螺紋面與料桶的距離只有0.01 mm，一般需承受100 Mpa的壓力，因此料桶與螺桿均使用硬化鋼並做耐摩耗表面鍍層處理。 • 使用CNC控制器來監控系統中之各個不同的感測器，並調整各種參數，如圖8.6所示，主要特徵包括： • 熱電偶，用於量測料桶、射嘴、及模具溫度 • 壓力感測器，在螺桿 / 壓桿 • 壓力感測器，監測模壓 • 螺桿位置感測器，( 電位計或LVDT)，其亦量測射壓時的壓桿速度 控制器是用來最適化整個週期，及保壓時控制壓桿整段連續的壓力以維持模內的塑膠，其控制方法有兩種，於8.3.5節中描述。
8.3.4 填充階段塑膠在模內的行為 • 當塑膠在模穴中冷卻後，戲劇性地收縮而緊咬住心型壁面，因此模具銑削加工時 ( 第七章 )，必須做成斜度以利產品頂出，在正常大氣壓力下塑膠由液體溫度冷卻到室溫之收縮量約10%，這種現象顯示出塑膠產品生產製造的另一個問題，因為如果沒有特別控制讓塑膠去收縮，產品將產生空隙及凹痕，這些空隙與凹痕將降低產品的機械性質及外觀的完美。
8.3.6 頂出與重置步驟 • 在頂出與重置步驟裡，這些巨大的模塊，支撐塊，頂出鈑、夾鈑等反映出模具作業時承受巨大的壓力及長時間的生產 ( 諸如10,000到10,000,000件 ) 因此需要堅固的裝置，如此頂出銷與滑動件才不會磨耗。下側是模具以油壓或機械機構緩慢打開時產品能在頂出銷將產品推出心型之後小心地離開模穴 ( 圖8.9中間 )，頂出是能讓產品變形越小及循環時間越短越好。
8.4 塑膠製程Ⅱ：聚合物擠伸 • 簡單的擠伸是大型塑膠件製造最常用的製程，這些產品包括大小塑膠管、塑膠窗框、電器絕緣線等。聚合物經料筒加熱區及螺旋轉動塑化，在模嘴之塑膠呈液狀，產品經由具形狀之模具 ( 參見圖8.13左方 ) 擠出。 • 注意圖中螺桿內徑在後端接近料斗處比前方的來得小，這是因為不規則的固體塑膠粒與相同質量塑膠液體的體積來得大，不管如何，在螺桿機構中任一斷面的質量流率必須相同，所以塑膠由後端固體粒子傳送到前端液態時，螺管 (screw channel) 面積必須逐漸減少。
8.5 塑膠製程Ⅲ：吹製成形 • 吹製成形 (blow molding) 是生產一些常見之水瓶子或類似之產品。擠出吹製法如圖8.14所示，而類似之製程包括射出吹製 (injection blow molding) 及伸張吹製 (stretch blow molding)。
8.5 塑膠製程Ⅲ：吹製成形 • 吹製時擠出機先擠出一熱的懸吊中空管子，叫吹製胚 (parison)，再放入打開的模具中，之後關閉模具並掐掉管子上端：通常瓶子的底部 ( 管子的末端 ) 也相對的剪掉，讀者瞥一下塑膠水瓶就可看到這些產生之粗糙的突出物，在一些設計中均使用此法。但這種產品設計又產生另一新的問題，即底部粗糙凸出物會造成使用者將瓶子放在書桌上時會有不穩定現象。另外再瞥一下瓶子底部會看到有凹進去或在周圍有一些足狀突出物的精心設計。
8.5 塑膠製程Ⅲ：吹製成形 • 當模具關閉後，擠出的管子被充氣並吹脹至模具形狀。請注意擠出的管子是熱的，而模具打開時也是溫的，所以軟狀的塑膠很容易吹脹成模具的形狀。隨後成形之瓶子冷卻並取出，而新擠出的管子又放入打開的模具中。
