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聚碳酸酯級射膠螺桿設計與分析

國立第一科技大學 精密射出成形實驗室 (PIM Lab). 聚碳酸酯級射膠螺桿設計與分析. 參與 人員 ：蔡宗鴻 、 徐啟耀 、 賴致佑 指導教授 : 黃明賢 教授. 目錄. 摘要 研究動機與目的 射膠螺桿基本介紹 研究整體架構 螺桿分析模型建立與 CAE 參數研究 螺桿關鍵設計參數最佳化之 CAE 實驗 結果與討論. 摘要. 本研究以富強鑫精密股份有限公司 AF 系列射出單元為架 構，利用 CAE 技術結合田口實驗方法， 以直徑 66 射膠螺桿配

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聚碳酸酯級射膠螺桿設計與分析

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  1. 國立第一科技大學精密射出成形實驗室(PIM Lab) 聚碳酸酯級射膠螺桿設計與分析 參與人員：蔡宗鴻、徐啟耀、賴致佑 指導教授:黃明賢 教授

  2. 目錄 • 摘要 • 研究動機與目的 • 射膠螺桿基本介紹 • 研究整體架構 • 螺桿分析模型建立與CAE參數研究 • 螺桿關鍵設計參數最佳化之CAE實驗 • 結果與討論

  3. 摘要 本研究以富強鑫精密股份有限公司AF系列射出單元為架 構，利用CAE技術結合田口實驗方法，以直徑66射膠螺桿配 合PC塑料進行射出螺桿的設計參數最佳化研究。目標提升螺桿設計規範(ABC三種形式)平均塑化能力10%以上。並以實際直徑66螺桿(L/D=22)加以修正。 根據文獻回顧射出螺桿品質特性應具有四大目標:1.促進 分配混煉2.改良剪切混煉3.提升塑化能力4.改善融膠溫度均勻 性。計畫目標將探討射膠螺桿塑化能力以及融膠溫度差。 從CAE模擬分析結果直徑66之射膠螺桿最佳參數為 Hm/D=0.075， L/D=22，Lf:Lc:Lm=0.55:0.3:0.15， Cr=2.4。 3

  4. 研究動機與目的 過去對於射出螺桿多以經驗法則或試誤法進行設計，往往造成成本的浪費且效果並不顯著。若能以CAE技術建立適當的分析模型並結合品質實驗設計法，探討螺桿設計參數，即可節省時間及降低實作成本。 研究方法是以CAE分析軟體結合田口方法，針對影響射 出螺桿在塑化效果與成形品質方面的關鍵設計參數，進行完 整的田口分析實驗，最終使塑化能力獲得明顯的改善提升。 4

  5. CAE模擬分析是由Moldex3D內掛載的Screw-plus軟體 所執行的。所輸入的參數有:螺桿直徑、螺桿幾何、加熱片溫 度、加熱片段數、背壓以及轉數等。 塑料初始溫度以Moldex3D內的塑料建議溫度做為設定溫 度的範圍。將加熱片分為5大段，其中將第一大段分為10小 段，讓溫度能夠均勻的上升。 均分為10小段 融膠溫度值 可移動5段分別為0%25%50%75%100% 輸出結果參考塑化率Move 0% 25% 50% 75% 100%以及ΔT(融膠溫度-塑料最高溫度)。

  6. 螺桿幾何 溫度設定 背壓設定 轉數設定 加熱片段數

  7. 射膠螺桿基本介紹 一般射出成形機主要架構可分為射出單元、鎖模單元、 動力單元與控制系統。其中射出單元中的關鍵零組件即是射 出螺桿，它必須負責塑料的輸送、塑化、混煉、射出等功能 ，是影響塑化能力和成形品質的關鍵部件。 塑料隨著牙深越淺固體分佈也越少

  8. 入料段-負責塑料運送並推擠與遇熱。應保證入料段結束入料段-負責塑料運送並推擠與遇熱。應保證入料段結束 時開始熔融，預熱到熔點。 壓縮段-負責塑料的混練、壓縮與加壓排氣，在此區塑料 逐漸熔融。對於非結晶塑料，壓縮段應長一些，否則螺槽體 積下降得太快，料體積未減會造成阻塞。 計量段-理論上到計量段之開始點，料應該完全熔融，但 至少要保持4D。若太長混鍊效果佳，但易使熔體停留過久， 而產生熱分解；太短則使溫度不均勻。 進料牙深與計量牙深-進料牙深越深，再進料區之輸送越 大，但須考慮螺桿強度。計量牙深越淺，塑化發熱、混合性 能指數越高，但須防範塑料燒焦。

  9. YES 螺桿塑化 關鍵參數選擇 建立射出螺桿CAE分析模型 CAE田口實驗與 最佳螺桿參數建立 CAE參數仿真模擬研究 實驗測試塑化能力表現 NO 塑化能力比對驗證模擬準確性 新式螺桿製作 與實驗測試驗證 NO 產出報告 塑化能力較原始 螺桿提升10% YES 產出新式螺桿 設計計算書及圖面 研究整體架構 第一階段 第二階段 第三階段 9

  10. 第一階段 CAE與定點擠出塑化能力表現 • 以AF-100射出螺桿（直徑28mm）為分析載具，根據原有螺桿及料管設計參數進行設定。並建立螺桿分析模型Screw-Plus 輸入參數，模擬相同材料及實際成形條件進行分析。 • 將螺桿定點、固定背壓加料擠出，以流出融膠重量/時間計算，螺桿位於 0 mm 實驗可得最大塑化率；與 CAE 分析螺桿 Move 0%之數據做為比較基礎。 10

  11. 第一階段 實驗設備 • 射出機台：AF-100 (螺桿直徑 28 mm) • 理論射出容量 92 cm3 • 計量行程 150 mm • 實驗材料：日本Kuraray型號GH-1000S的PMMA • 量測儀器： • 電子磅秤，射出融膠重量量測 • 接觸式溫度感測器，射出融膠中心溫度值量測

  12. 第一階段 實驗步驟 步驟一、座退至最後，並確認射嘴口無阻塞。 步驟二、清料三次，確保料管內融膠完全融化。 • 成型條件為實驗溫度、轉速 (ex. 240 °C、80 PRM) • 螺桿位置由 60 mm 射出至 0 mm 步驟三、將螺桿射出至螺桿位置 3~5 mm以降低誤差；計量背壓設定至加料時螺 桿不後退。 步驟四、螺桿定點加料擠出融膠 1 min 並去除之，此步驟 視為穩態前加料。 步驟五、與前項步驟連續進行加料，計時30秒後剪斷融膠；此步驟連續重複五次 。 步驟六、紀錄由射嘴口流出之融膠量(g/30s)，並換算塑化率(Kg/hr)。 步驟七、以接觸式溫度感測頭量測融膠溫度，在吐出融膠瞬間立即量測融膠中心 溫度值，待溫度顯示達穩定後即可。 步驟八、變更螺桿轉速回到步驟 三；變更塑料溫度回到步驟 二。

  13. 第一階段 結果與討論 • 分析結果 • 平均塑化率誤差 (Qerror) 分布於 32~52%，與溫度成正比，與轉速成反比；實驗數據與模擬結果趨勢相同。 • 吐出融膠溫度誤差 (Terror) 小於 4°C。溫度誤差極小，可增加實驗數據提升可信度。 • CAE 塑化率之誤差修正，建議以塑化率分析結果 *修正係數來取得，而不以修改輸入參數模型進行。 13

  14. 第一階段- AF-100塑化率修正系數 AF-100塑化率修正系數 由AF-100塑化能力表現—定點擠出實驗得知分析趨勢相 近，為建立高準確度之分析程序與技術，利用田口法簡化實 驗組數，單螺桿 = L9 x 兩種材料(PC, PMMA) 。將進行塑化 率修正係數Kq之建立，並以各因子之貢獻度，決定對塑化率 影響最大之前二因子；納入趨勢修正係數之計算。 註:塑化率趨勢修正係數Kq: • 模擬塑化率 Qcae * Kq = 實驗塑化率 Qexp • Kq以曲面圖方式呈現，以內差法求出預測數值。

  15. 第一階段- AF-100塑化率修正系數 實驗流程 Part A Part B 選擇實驗螺桿、材料 進行二因子三水準實驗及模擬 決定田口L9因子水準 繪製 Kq 曲面圖 No No 田口L9模擬(確定水準合適並取得 Qcae ) 實驗驗證Kq*Qcae誤差率 <10% Yes 田口L9實驗(取得 Qexp ) Yes 取得專用螺桿*材料之塑化率趨勢修正係數 ANOVA分析確定前二因子

  16. 第一階段- AF-100塑化率修正系數 實驗設計 • 塑化率 Q = F (螺桿幾何, 成形條件, 材料係數) • 螺桿幾何：可選擇不同直徑、相同系列設計參數之螺桿 • 成形條件：料管溫度、螺桿轉速、加料背壓 • 材料係數：PC、PMMA • 塑化行為：往復式射出、定點擠出 (根據第一次 AF-100 PMMA 塑化率實驗，模擬與實驗趨勢相近，為簡化實驗故省略定點擠出實驗)

  17. 第一階段- AF-100塑化率修正系數 田口 L9 實驗 – 塑化率誤差望大 由結果塑化率誤差 Qerr 望大得知：(B) 螺桿轉速 及 (D)計量行程之趨勢相近，對塑 化率之誤差影響不大。(A)料管溫度 及 (C)加 料背壓 所占貢獻度達 94.12%。

  18. 第一階段- AF-100塑化率修正系數 結果與討論 塑化率修正系數Kq 驗證 塑化率修正係數 Kq 可有效降低 CAE 塑化率誤差。由#5, #10 以修正後之CAE 數據(Qfix) 與實驗比較， Qerr小於±5% 。若增加反應曲面實驗水準數，相信可 有效降低修正係數之誤差值。

  19. 第二階段-螺桿關鍵設計參數最佳化之CAE實驗 參數選用 根據螺桿設計規範及經驗公式，設計一組L18實驗因子 水準表，並以材料黏度（預設值及±10%）作為CAE分析輸入 雜訊。 模擬結果以採用(A) Hm/D (B)L/D(C) La:Lb:Lc (D)Cr 水 準進行L9的模擬實驗。

  20. 第二階段-螺桿關鍵設計參數最佳化之CAE實驗 實驗設計 – 田口L9因子水準 其他參數設定如下： • 射出機 AF-450 (f66) • 螺桿直徑 66 mm • 最大螺桿行程 300 mm • 射出量 943 g • 最大射壓 192.67 MPa • 最大流率 1336cm3/s • 成型載具體積：3.5D (計量行程) • 實驗材料 • PC, IDEMITSU, LC-1500 • 成型參數： • 螺桿轉速 70 (RPM) • 加料背壓 1.472 (Kg/cm2) • 料管末端溫度 Moldex 建議料溫 • 材料初始溫度：慣用烘料溫度

  21. 第二階段-螺桿關鍵設計參數最佳化之CAE實驗 CAE分析輸出項目 • 輸出項目： • 塑化率 Q (kg/hr) 望大 • (末端融膠平均溫度 – 料管溫度設定值) 望小 • 註: Q 將參考模擬輸出值Move 0% 25% 50% 75% 100%這五點平均值 。

  22. 第二階段-PC重要塑化貢獻因子 PC-塑化率 CAE分析結果 • 1.PC Q 望大最佳參數為A3B3C3D2最大可 • 達到142.5kg/hr，其中Hm/D貢獻度高達 • 99%。 • 2.根據文獻探討Hm/D越深塑化量 Q 也會越 • 大。

  23. 第二階段-PC重要塑化貢獻因子 PC-溫差 CAE分析結果 PC ΔT 望小最佳參數A3B1C3D3最佳可達到17.8。C ，Hm/D貢獻度高達84%。

  24. 結果與討論 以原始螺桿作為基礎，將B水準改為2，C水準選用3比2 來的較佳。故採用A3B2C3D3作為新式螺桿之設計參數。 Hm/D=0.075，L/D=22，Lf:Lc:Lm=0.55:0.3:0.15， Cr=2.4。 PC的塑化量跟原始設計規範分別提升19.8%，則ΔT降低27%，分析結果各方面敏顯的都比原始設計來的較優良。 24

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