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技術通報 280期_動態模溫控制應用之研究 協助橡塑膠產業節能 2022.06.15

動態模溫控制應用之研究
協助橡塑膠產業節能		  
  文／智慧化設備發展處 周明慶
經濟部（能源局）能源科技專案研發成果		  
 
 
　　溫度的控制影響射出成型產品的品質與生產週期，理想的模具加熱與冷卻技術可同時提高產品精度與外觀等優點並縮短成型週期，而高效均勻的冷卻技術開發仍顯不足。本研究中，建立由高導熱型材料與高硬度鋼材組合而成的複合式模具，藉由設計法分析設計不同模具材料、冷卻液溫度組合等因子，使模具具有高效冷卻與冷卻均勻性，以及將氣體反壓(GasCounter Pressure, GCP)結合動態模溫控制系統(Dynamic MoldTemperature Control, DMTC) 應用於超臨界微細發泡(Microcellular)射出成型中，探討溫度及壓力對其成品表面質量、產品皮層厚度與泡體結構均勻性之影響性。結果顯示，使用動態模溫控制系統產品加溫至接近熔膠Tg點溫度，加上GCP技術製成透明聚苯乙烯(PS)的成品，有效改善了90％的表面粗糙度。當GCP 壓力增加時，氣體遭到壓力抑制，會讓產品皮層厚度增加，而將模具溫度升高可降低皮層厚度，但泡體大小分佈明顯變不均勻。透過模具冷卻速率從1.1℃變更為10℃ /s，平均泡體尺寸從192.92μm減小至84.97μm，且均勻性得到改善，可知模具快速冷卻系統對於控制泡體尺寸和均勻性是必要的。通過結合使用GCP及DMTC技術可以有效地實現減少皮層厚度、均勻的泡體大小以及良好的表面質量，將大幅提升超臨界微細發泡產品品質。

　　塑橡膠成形產業之工作站生產單元製程為反覆加熱與冷卻之週期性過程，於加熱和冷卻的時間，耗損了許多能量，因應塑橡膠成形產業製程(射出機、押出 機與擠出機)塑料之成形需求，以及中上游塑橡膠設備、輔機製造業者之關鍵零組件技術亟需提升，本中心投入異型水路分析設計技術之開發，並針對動態模溫控制應用加以研究，希望能對塑橡膠成形產業之節能與技術提升有所貢獻。
  
  ▋ 氣體反壓結合動態模溫控制應用於超臨界微細發泡品質控制介紹  
 
　　超臨界微細發泡射出成型為Mrtini 開發，以二氧化碳或氮氣為聚合物物理發泡劑的射出製成。[1] 超臨界微細發泡使用的超臨界流體(SCF) 具有氣體擴散性、低粘度及液體密度的特性。意味超臨界微細發泡具有以下優點，如翹曲最小化、成品重量減輕、熔體粘度較低以及可消除縮痕。[2-7] 儘管有這麼多優點， 但成品表面缺陷的關鍵問題，仍然限制著超臨界微細發泡射出成形技術的應用。現今已經有多位學者提出了改善表面粗糙度的方法，包括控制熔膠中SCF 的含量、[8] 進行材料改性、使用模內裝飾(IMD) 工藝或共射成型工藝，[9] 以及動態控制模具溫度[10-12] 和氣體反壓(GCP)工藝[13-18] 都可以改善了成品的表面粗糙度。

　　產品最終品質受到冷卻效率與冷卻均勻性直接影響，快速且良好的的冷卻系統設計則可有效的利用能源、提高成品良率與成功降低週期時間，本文主要為建立一種由高導熱型材料與高硬度鋼材組合而成的複合式模具設計法，藉由分析設計不同材料、冷卻液溫度，進行冷卻速率的計算。
 
　　一般發泡研究，是通過單獨改變溫度高低[7-9] 或壓力大小[10-15]，來探討成型情況。本文則在成型過程中使用GCP 和DMTC 技術，同時控制壓力和模具溫度，以及利用高導熱型材料進行模具設計，使模具擁有快速熱均勻、提升冷卻速率及均勻冷卻的能力，期望在DMTC 改善發泡成品表面缺陷的同時，能達成控制發泡尺寸的目標，最後再結合GCP 技術的應用進一步的控制泡體大小。
  
  ▋ 實驗建置  
  　　實驗設備可分為Arburg 420C MuCell 射出機，除了用於射出製成之外，還具備了許多MuCell 製程所需附加功能，如SCF 注入系統、指逆射嘴、MuCell 專用螺桿以及與超臨界流體產生控制器進行連結。GCP 氣體控制單元，則連接於高頻氣體控制閥上，可用於調整和監視模具腔體內的實際氣壓。而動態模具溫度分別由兩個模具溫度控制單元控制，如圖一所示。樣品尺寸為125mm 長x 30mm 寬x 3mm 厚，如圖二。  
 
 

 
 
  　　模具內部模仁分為三種不同鋼材設計，圖三是以QC-10 為材料所製作之模仁， 而圖四則為M333+QC-10 所製作的複合式模仁，來探討不同冷卻效率下成品品質。  
 
   
 
  　　在實驗中使用聚苯乙烯樹脂（POLYREXPG-33， CHIMEI Chemicals）作為實驗材料，而SCF 發泡劑和GCP 皆使用氮氣作為氣源。在圖五中列出了MuCell 射出機基本參數、模具溫度控制、冷卻速率與GCP 的相關成型條件。更為詳細的系統穩定性，工藝操作順序和模腔氣體壓力監測可以在早期的研究中看到。[18,19]  
 
   
 
  　　表面粗糙度量測則是使用3D 激光顯微鏡（Keyence VK8550）進行量測，另外通過電子顯微鏡（SEM）的掃描可清楚地顯示出泡體的形態，由此可以計算出固體皮層厚度，平均泡體尺寸及密度，如圖六。  
 
   
 
  ▋ 結果與討論  
  　　圖七為DMTC 不同模溫下及GCP 不同持壓時間下發泡成品的表面粗糙度的比較。僅用DCMT 技術不使用GCP 的情況下，當模具溫度為90~120° C 範圍內時，表面粗糙度可以優化超過65％以上。此外當GCP 與DCMT 結合使用時，表面粗糙度可達到90％以上的改善率。  
 
   
 
  　　圖八所示，皮層厚度會隨著GCP 持壓時間的延長而有所增加，表皮厚度亦會隨模具溫度的升高而減小，GCP 持壓時間對於減重比的影響相較於模具溫度要低，而較高的模具溫度意味泡體生長時間延長，這導致氣泡尺寸的嚴重不均勻分佈。為了提高泡體品質，有效的冷卻系統設計尤為重要，表二為三種不同材質的模仁於模溫120℃測定冷卻效率，結果為QC-10 模仁>M333+QC10 模仁>M333 模仁的冷卻效率。實際實驗之後，如圖九、圖十、圖十一和圖十五所示，為在120° C 下各種冷卻速度不使用GCP 的發泡形態，分別在1.1℃ /s、5.1℃ /s 與10℃ /s 的冷卻速率下，平均泡體尺寸從192.92μm 減小到84.97μm，由此可知快速冷卻速度對於控制泡體尺寸和均勻性是必要的。如圖十二、圖十三、圖十四和圖十六所示，為在120° C下各種冷卻速度使用100 bar GCP 的發泡形態， 分別在1.1 ℃ /s、5.1 ℃ /s 與10 ℃ /s 的冷卻速率下，使用100 bar GCP 和3 秒的持壓時間可使泡體尺寸從73.68 μm 減小到38.85μm，如此可知將快速冷卻系統結合DCMT 和GCP 控制相結合可有效改善泡沫質量。  
 
 







 
 
 
▋ 結果與討論  
 
  　　本研究中，開發了一種新的壓力與溫度控制方法來改善發泡質量。研究各種GCP 持壓時間和模具溫度的影響，以了解它們對泡體狀況和零件表面外觀的影響。實驗結果可發現複合式模仁結構設計具有快速冷卻的潛力，快速冷卻系統結合DMTC 工藝實際應用於超臨界微細發泡，可得可得較好表面品質並抑制中心處開放式泡體的型成，產生較小的泡體尺寸和更均勻的泡體分佈，而GCP 則可以限制熔體前沿的發泡行為，從而進一步控制泡體大小及分布。超臨界微細發泡成品可以實現較低的皮層厚度，小且均勻的泡體，以及更高的泡體密度。  
  ▋ 謝誌  
  　　本研究計畫承蒙經濟部能源局提供經費補助( 計畫編號110-E0204)，特此致謝。  
  ▋ 資料來源  
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