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變模溫(急冷急熱)控制技術的發展與應用Development and application of Variotherm Molding Control

唐兆璋先生[email protected]

2013/06/28

Dragonjet Corporation

前言：電子行業的機殻發展趨勢

無痕珠光射出成型(新的外觀效果，需要搭配變模溫技術)

長纖維或高加纖比塑膠取代鋁鎂合金(需搭配變模溫技術)

生物可降解塑膠的高結晶化應用(需要搭配變模溫技術)

漆膜或轉寫膜來取代噴塗或網版印刷製程(需要搭配變模溫技術)

複合加工(雙射/埋射/共射)取代原有的組裝(降低零件數)

蒸鍍取代電鍍製程(前後處理改用水性塗料)

水性漆或塗料取代原有的溶濟型塗料(原有噴塗線無法使用)

奈米印刷取代陽級處理(改善重金屬污染)

IMR在未來幾年仍然是消費性機種的主流

自動化生產(機器人取代人工)

Source: 成本及社會責任壓力對筆記本電腦外觀及制程的影響, 沈莊明先生, CMF, Dell, 2011

2

Dragonjet CorporationDragonjet Corporation

個人經歷

經歷：龍生工業股份有限公司研展處長(2005-迄今)

科盛科技股份有限公司專案經理(1999-2005)

清華大學張榮語研究室研究助理(1994-1997)

學歷：國立勤益科技大學材料與化學工程研究所

國立臺北科技大學化學工程系

專長：變模溫(急冷急熱)控制技術

塑件薄膜裝飾 (IMD/OMD)技術

模流分析與仿真分析(CAE)技術


大網

急冷急熱技術解析與探討

急冷急熱技術在射出成型的應用氣輔/外氣/發泡/多射/埋入射出/其他成型技術

各種急冷急熱製程的原理介紹熱水式/蒸汽式/電熱式/電感式/其他方法熱媒式急冷急熱模具的五種典型結構

應用模流分析解析急冷急熱製程傳統射出/蒸氣式/電熱式/電感式

感應加熱射出成型(IHM)


2013/06/28


何謂變模溫/急冷急熱

變模溫(急冷急熱)控制技術具備模具表面瞬間加熱及快速冷卻的特點，藉由模具溫度的快速切換可確實改善充填階段塑件的流動性，並有效改善塑件外觀或內部結構等不良問題，在合理的生產週期時間內快速提昇塑件品質。


變模溫的別稱

Dynamic Mold Temperature Control

Rapid Heating and Cooling Molding

Rapid Heat Cycle Molding

Rapid Thermal Response Molding

Variable Mold Temperature Process

Vario-thermic Tempering

Weldless Technology

高光免噴塗成型

高光無痕射出成型

急冷急熱


變模溫對固化層的影響


定模溫的溫度歷程曲線

Time

Temperature

Melt Temp.

Solidify Temp.

Cavity Temp.

Room Temp.Injection

Holding Cooling

Clamping

Open and Eject


變模溫的溫度歷程曲線

Temperature

Melt Temp.

Solidify Temp.

Cavity Temp.

Room Temp.InjectionHolding Cooling

Clamping

Open and Eject

Base Cavity Temp.

One Cycle

Time


為什麼要變模溫技術呢？

消除縫合線/結合線(免塗裝)

提昇塑件光澤度/流痕(免塗裝)

改善表面浮纖(高鋼性外觀件)

提昇表面微結構的轉寫性

提昇結晶度(硬度及耐化性)

降低殘留應力(尺寸穩定性)

降低成型壓力及鎖模力(減少澆口)


消除縫合線/結合線


提昇塑件光澤度/流痕

CIM(傳統模溫) IHM(變模溫/急冷急熱)


改善加纖材料的浮纖現象

From: Dragonjet Corporation


改善加纖材料的浮纖現象

Material:PC+ABS

CIM

IHM



From: IKV, Aachen, Germany


氣輔成型塑件的淘空率均勻性提昇


其他應用


2013/06/28


常見的模溫控制方法

Method Constant Temperature Mold (CIM, Conventional Injection Molding)

Variable Temperature Mold (VMT, Rapid Heating Molding)

Heating by Electric Heater

Heating by Induction

E-Mold, Y-Heat, SG-weldless, CPH…

IHM, Cage system, 3iTech

Heating by Water/Oil

RHCM, SAIT, emCo, HeaCo…

Heating by Steam

GWK, WHAM, BFMold , OPM…

定模溫(傳統射出)

變模溫(急冷急熱)

Other…

Laser heating, Flame heating, IR heating


熱水式變模溫系統構成示意圖

模具

注塑機

加熱媒體冷卻媒體信號線

冷卻系統（冷卻塔等）

冷水機

預備加熱媒體

閥門控制裝置模溫機（高溫水式）

控制盤

冷卻水


熱水式變模溫系統

特長・與感應加熱式相比，設備成本較低。（不需要特許費用）・使用客戶的常規模具也可以成型。・由於採用標準模溫機進行組合，設

備的通用性高。・採用松井獨有的控制功能，可以自

動搜索出最適合的變模溫條件。・通過溫度監視功能，可以監視成型

時的外部干擾。


蒸氣式變模溫系統構成示意圖

簡易蒸汽罐

冷卻塔

必要的発生熱量500Kg/H

水道水・地下水

水量：160～200Litter/min

水圧：0.15～0.30MPa

水量：160～200Litter/min

水圧：0.15～0.30MPa

①媒體轉換裝置

専用模具

供給

返回供給

排出

供給

排水Pit

排水缸

放流缸

中和裝置中和裝置

排水

空氣

空氣供給1000cc／cycle空氣供給1000cc／cycle

石油或者煤氣供給石油或者煤氣供給

Max170℃蒸汽0.7～1.0MPa

蒸汽

0.7～1.0MPa

屋內

模具溫度

⑧控制信號

（既有水流用）

在専用畫面上設定・操作

熱電偶Ｋ-型

屋外

②蒸汽膠管

③給水膠管

④排水用膠管

⑤集流腔

⑥集流腔用膠管 ⑦耐熱・耐圧膠管

専利(有償)

BoilerBoiler

※簡易蒸汽罐不能從日本

購入,請在當地購買配置

※簡易蒸汽罐不能從日本

購入,請在當地購買配置

（合摸力：450）


蒸氣式變模溫控制方法

60-120℃：20Sec

120-60℃：29Sec

模具溫度加熱媒體入口溫度

加熱媒體出口溫度

蒸汽150℃冷卻液 20℃


飽和水蒸氣曲線


水的汽化熱(PH-Curve)

Srource:www.steamtablesonline.com


三維夾層模具

整體模具加熱，週期時間長複雜模具3D水路加工使用切換方式複雜及加

熱蒸汽設備複雜(耗能)使用蒸汽之水路容易造

成水路生鏽積垢適合應用：大型模具

Heating Rate~ 3℃/s

小野株氏會社發表技術報告, 2004


異型水路模具(EOS雷射燒結)


BFMold(Ball Filled Mould)


Diffusion Bonding Technology


傳統的二維水路


ＥＭｏｌｄ

2. Mold clamping and Injection

1. Heating (during mold opening and ejecting and mold clamping)

3. Cooling and Charging


ＥＭｏｌｄ


Y-Heat

日本山田電氣株式會社成立於1936年，其開發的Y-Heat技術已於2007年獲得日本專利許可，Y-Heat透過可利用手自由彎曲的加熱器佈置於模仁表面附近，因此可實現在三維的塑件製品表面上進行快速的溫度控制，其昇溫速率為5-8℃，最高溫可達250℃。


Y-Heat


SG-weldless

日本柴田合成株式會社成立於1961年，該公司與群馬大學共同開發SG-Weldless技術，其通過模具內部的陶瓷加熱器作動方式進行加熱，加熱溫度可達200℃以上(只針對結合線位置做局部加熱)；該技術於2005年得到【中川威雄技術奨励賞】


SG-weldless


CPH(GGK)

CPH(Ceramic power heaters)高性能陶瓷加熱器位於模仁表面後方約幾毫米，因此溫度上昇可以快十倍或只需要10%的能量消秏；冷卻是通過控制流體介質直接冷卻模具水路，但是和CPH之間是保持絕緣的，因此可以保證在很短的時間內完成冷卻階段，再開模並進行下一個週期。


感應加熱原理

感應加熱原理是利用電磁感應使被加熱的材料內部產生電流並依靠渦電流產生的能量達到加熱目的。


集膚深度

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 1 2 3 4

0.368= e-1

Depth Ratio ( x / )d

( )mf

d

δ :集膚深度penetration depth (m)

ρ:工件電阻 resitivity of piece

μ:導磁係數permeability (H/m )

f: 線圈頻率coil current frequency (Hz)


ＩＨＭ


IHM的射出成型過程

開模完了

關模作動

開模予許

手臂下降

塑件取出

手臂復歸

載具上昇

感應加熱

載具復歸

塑膠充填

塑膠保壓

模溫控制

急冷控制

即時閉廻路溫度控制系統


ＩＨＭ的溫度歷程曲線


Cage-System


3iTech

當模具在60℃的水溫下透過模腔內部的感應線圈可以在6秒之內使模具局部昇溫至330℃，當射出完成後再通20℃的水以冷卻塑膠件以達成快速急冷急熱的目的。


3iTech


紅外線外部加熱


雷射外部加熱

加熱速度可達300℃/sec

不需要修改模具的外掛變模溫系統

可採用紅外線控制溫度

沒有幾何形狀的限制。

模仁沒有限制(銅、鋼、鋁)

不適用於鏡面材質

Source : Institute of Plastics Processing (IKV)


2013/06/28


七吋小筆電前框


網格及成型條件

Hot Runner

Coolant

Cavity


CIM的模溫分佈

End of Filling On 0.5 s (Max Mold temp.106℃)

End of Cooling on 14.2s (Max Mold temp.87.4℃)

End of Packing on 3.5 s (Max Mold temp.116℃)

Core layer temp. varation from filling to cool stage


RHCM模溫剖面圖(動態)


IHM模溫剖面圖(動態)


模具溫度歷程曲線

CIM RHCM

IHM E-mold


模溫(熱應力)對變形量影響

CIM RHCM

IHM E-moldDisplacement:0.12~0.45mm

Displacement: 0.04~0.2mm Displacement: 0.12~0.33mm

Displacement: 0.08~1.18mm


模具的熱應力

IHM：0.5 secRHCM：0.5 sec

塑件

熱應力造成模具壽命降低


塑件的熱應力

2 4 6 8 10 12 14 16100

120

140

160

180

200

220

240

Tem

pera

ture

(oC

)

Thickness Layer

Tmelt=270oC Tmelt=290oC Tmelt=310oC

公模側

母模側


2013/06/28


變模溫所遇到的難題？

模具昂貴，且模具開發期長

模具常有龜裂等狀況發生

消耗大量的能源，不環保

生產週期長，致使交貨期長單價高

公母模溫差，致使塑件熱應力變形大

需鍋爐及管線且可能要壓力容器許可證

加熱器經常損壞/故障

昂貴的專利授權金


Injection Machine

CavityMold

CoreMold

TS

-Heater

TS-Boxer

IHM設備架構(一對多)

TS-Adapter TS-Controller

Power Wire

Signal Cable

可擴充連接至二~四台塑膠射出機(TS-Controller)

(電源櫃) (控制器)

(載具)

(加熱器)ABC+IHM

(射出機)(模具)


TS-Adapter(電源櫃)

TS-Adapter 可依不同TS-Controller 所需的加熱溫度分別提供多套模具的電力源，以完成不同塑件的IHM 程序，TS-Adapter 並提供分離式潔淨冷卻系統可確保IHM的長時間穩定運作。

TS-Adapter 220KW的設備外觀重量：950KG設備尺寸長：L1850*W1084*H2150(mm)

W

H

L

TS-Adapter的使用者界面


TS-Boxer(載具)

高速伺服系統提供在開模期間內快速及穩定的將TS-Heater運送到公母模之間，加熱完成後再迅速的使TS-Heater復歸使IHM製程穩定運作。

TS-Box需依據不同射出機進行設計

TS-Heater

TS-Boxer


TS-Controller(控制器)

依使用者設定的IHM 製程同步控制射出機、TS-Adapter、TS-Boxer 等設備，透過模具內的感溫器可精確進行閉迴路控制，以確保每一模次均保持在相同的急熱與急冷狀態，以提供精密成型控制。

TS-Controller的使用者界面


TS-Heater(加熱器)

依不同的塑件或模具結構設計出合適的加熱管路，使模具的表面能夠在短時間內均勻且快速的昇溫，以實現變模溫的加熱過程。

TS-Heater 1依據產品設計

TS-Heater 2依據產品設計


TS-Mold(模具)

一、模仁鋼材：需採用不銹鋼以確保昇溫效率，例如M333, S136

二、流道系統：使用熱流道系統，非不得以需要採用半熱流道時其冷澆道應加大直徑並縮短流動長度以降低熔膠的熱損失。

三、水路系統：水路的直徑、間距與離模仁表面距離的比建議採用1：2：3，外部水路需連接控制閥進行冷卻控制以確保良好的冷卻效率。

四、排氣系統：排氣溝應加寬以利瓦斯氣的排除，但排氣溝不可加深以避免產生塑件毛邊，當排氣不良時易造成塑件表面的白霧。

五、感溫器：模具內應安裝感溫器以利IHM控制器進行閉廻路控制，使每一模次均保持在相同的急熱與急冷狀態。


IHM於射出機安裝需求

IHM製程的Boxer、Heater與射出機的關係如圖所示，請填寫附件的射出機評估表(請參照標示)以便為您評估該射出機是否適用IHM製程。


感應熱傳仿真分析


應用實績1


應用實績2


應用實績3

Material:PC+10%GF


應用實績4

Material:ABS+PMMA


應用實績5

Material:PC+ABS


應用實績6


謝謝指教

龍生工業股份有限公司臺北縣樹林市忠義街24號電話：02-26896926郵箱：[email protected]

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