第四章中空成型之产品设计.docx

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第四章中空成型之产品设计

4-1概论

中空成形亦称吹压成形，顾名思意就是制成中空形状的热塑品。

其主要制程可分为下列之步骤，如图4-1所示。

（a）将塑料熔融，经螺杆挤压成中空之型胚（parison）。

（b）型胚垂落于分成两半之模具中，再将模具闭合。

（c）　将压缩空气注入于型胚中，充胀型胚而与模具贴合。

（d）吹胀之产品冷却后脱模。

（e）修整毛边，即得成品。

上述之制法亦称押出中空成形（extrusion-blow-molding），另外一种常见的为射出中空成形（injection-blow-molding），其法为利用射出成形在心蕊吹针上形成型胚且瓶颈也一起成形，然后型胚连同吹针传送到吹模模具内，再经由吹针贯入空气将型胚胀满整个模穴，最后转至顶出站而得成品，如图4-2为三站式之射吹成形。

至于押吹与射吹成形两者间之比较可由表4-1查知。

若是将中空成形与射出成形相比，则中空成形适合：

·　大型品，厚肉品。

·　可为双层壁构造。

·　多种少量。

射出成形适合：

·　较小型品，薄肉品。

·精密成形。

·大量生产。

若再欲深入之比较，则有以下几点：

（a）　强度上：

以同重量或同体积来比较，中空成形品绝对比射出成形品为强。

（b）　加工温度：

中空成形之成形加工温度较低，对收缩、翘曲、凹痕及热裂解之倾向较小。

（c）　使用原料：

射出成形须使用流动性较佳的原料，若是加了玻纤，则容易产生应力。

（d）应力集中：

中空成形之压力约在4～5kgf/cm2间，为射出成形的1％，所以几乎无应力集中之现象。

（e）模具设备成本：

因射出成形为高压成形，所须之模具际较强且精密，故成本极高。

而中空成形为低压成形，所用模具可为铝、锌、或铝合金。

中空成形之成形周期极短，以制造一个175毫升（6-OZ）之容器而言，其成形周期可在12秒内。

若有8个模穴的话，则每一小时可制出2400个产品，且可加装自动切离边料设备以省却人工处理成本。

4-2模具设计

4-2-1制造材料

1.　铁与钢材：

属机械功能的，如安装、导引、滑动、夹断、切割、打孔等部位所须之组配件以钢材为主。

安装平台与杆可用一般工具钢制造，而导销与衬套等导引装置则最好以表面处理过之硬化钢制造。

嵌入物因型胚被夹断时须紧闭模具而产生环绕应力，所以最好以抗磨耗性钢料制造之。

吹压心轴、校正心轴及吹针，可用一般之工具钢来制造。

在正常情况下，钢制中空成形模具之使用寿命为一千万次以上，但对有嵌入物之模具，应定时的整修，以使型胚得以俐落的分离。

2.　铝及铝合金：

其特性为比重低、导热度高、耐候性与抗化学性佳。

它们会形成一层保护层膜，以抵抗氧化。

高耐热处理之铝合金材料（70/75），因为机械加工性极佳，所以常被用于中空成形之模具。

3.　铍铜合金：

适用于须热传导性和耐侵蚀性佳之模具，其焊接、冷却系统之插销组装极为方便，可惜价格太高约为铝合金之三倍。

4.　高等级锌合金：

有好之导电度及与铝和铜制成的合金，尺寸精确度极佳，但较易受侵蚀。

与钢模同厚度的锌合金，其使用寿命才为前者的1/10，所以除非有钢质的接合刃，否则必须经常予以整修保养。

4-2-2冷却系统

一个理想的中空成形冷却系统就是能在符合经济效益的时间内，将模具均匀充分地冷却。

模具冷却系统中热交换所需之时间，其决定在于热量及热传导度，并且和塑料之收缩率与结晶性有关。

冷却过快会使塑品产生内应力及收缩空隙；冷却过慢则会导致结晶粗糙，特别是对厚壁模具，累积之热量会使内部表面氧化而损坏。

除了模穴之冷却外，尚须注意要尽快地冷却夹断口部份。

通常可用鼓风机助之。

冷却媒介之入口及出口的管路，应就生产的观点来适当地安排，对于瓶子的模型，可分别就瓶颈、瓶身及瓶底，以独立可各自调节的冷却线路来冷却，如图4-3所示。

冷却可用冷却管或冷却室来完成，为了增进冷却用水的乱流而增加导热作用，可将螺旋状之铜条插入冷却室中。

模具使用愈久，冷却管愈容易生锈，而使传热作用明显降低，冷却水之需求量增加及加工周期增长。

所以，冷却水的接触面积应比理论值设计得大些。

塑料熔料的热量是藉水冷式将模具之热量除去的，但是如果水温低于5～10℃或低于露点时，模具内部会凝结水气，使得模具表面造成不良影响。

上述之系统为国内中空业者常用之外部冷却系统，如今较高明的方法为内部冷却系统，就是使用厂内空气、液态CO2、零下温度干燥空气及高压缩空气等，此四种方法约可缩短周期时间15～33％不等。

现在有更进步之冷却法为冷冻空气法，就是将水射入零下温度之空气，所生之雾气和冷冻干燥空气经由一个特殊设计之混合喷嘴，在中空产品内产生如雪物，如雪物因遇热融化而吸热来达成快速冷却之效果，据报利用此法可将1/4～6.5

加仑之HDPE瓶之冷却时间缩短43～49％。

4-2-3模穴与分模线

在吹胀型胚之过程中，模穴内的空气必须全部排除，方能制出完美之塑品。

一般而言，空气可经由分模线流出模穴，所以在距离模穴边缘3～5mm处设排气孔，可促进空气的流出。

另外在角隅、边缘或是凹处，则须要设直径0.1～0.2mm之排气孔。

模穴之表面须光滑且无沟痕，但无须磨得特别光，因为此对中空成形品之表面光泽或平滑并无太大之帮助，反而有点粗糙之模穴面，对聚烯烃树脂更为适合。

形成粗糙表面最好之方法为喷砂处理，或是蚀刻法。

喷砂的材料可用石英砂，至于砂粒的大小则依模穴的容积和所需粗糙度而定。

当产品需做印刷处理时，使用0.1mm的砂粒较好，若容器较大，则需使用0.2mm或更大之砂粒。

为了使中空成形品具均匀肉厚，于设计模具和产品时须注意到型胚靠在模面的部份只可伸长一些。

因此，塑品最后形成的角隅和棱线，必须被设计成圆形。

为了避免刻痕的产生，所有在螺纹、加强肋、及装饰条之棱边，皆应设计成圆滑状。

模具应中空成形之需要，须在最适当之部位予以分割，一般是以一个平面分成对等的两半，但若是塑品过于复杂，则因凸环所引起之制品脱模困难，会影响分模线之位置。

所以，对圆柱状产品，分模线总是贯穿轴心；若为椭圆形，则贯穿主轴；若为方形产品，则分模线可设计成平行于侧面或依对角线而分割。

对角式的分模线虽产品取出较易，但因极易在分模线相反的角隅产生高张力，而使产品部份过薄，故较少采用之。

4-2-4接合刃与夹断料

模具接合刃和夹断口的设计原则为：

模具关闭时，型胚密而不落且易吹压；接合刃的长度及夹断穴的容积，必须使得夹断穴的外面不致形成薄膜，而阻碍模具完全关闭。

接合刃不可似刀锋般那样锐利，因为会容易将型胚切断，而应设计成宽而扁的面并与分模线平行。

接合刃之宽度决定在于所加工之塑料为何，而其打开之总角度则在30°～45°之间。

目前完全自动分离夹断料之中空成形技术已商业化，极适于大量生产各种尺寸之容器。

但对于少量多样化之产品则此系统较不经济。

毛边分离夹断之方法包括：

·　于关闭的模具内拉断或切断。

·　制品脱模时，挤断或削断。

·　脱模后，利用转运及修剪装置分离之。

4-2-5收缩与尺寸公差

设计模具时，应预先考虑产品之收缩问题。

热塑性塑料的收缩与金属随温度升降而呈线性变化的关系不同。

塑品的收缩程度不仅与所用塑料种类有关，也和加工之条件有密切关系。

对于塑料之收缩必须同时考虑原料之收缩特性及分子的定向趋势。

因为在中空成形之时，由于分子定向而产生的四周收缩，可能会比纵向之收缩来得大。

关于中空成形品之收缩犹如射出成形品，可分为模具收缩及后收缩。

模具收缩是指塑品脱模后24小时所测得的收缩，而后收缩是为塑品库存很长一段时间后之收缩。

当使用部分结晶的塑料如PE，PP及PVC等时，后收缩持续的时间是由模具冷却的条件来决定之。

一般而言，后收缩的程度与模温成反比，此乃因塑料结构上之分子重新排列所致。

凡属分子定向收缩之塑料，其在定向方向所产生之收缩较其它方向之收缩来得大。

依加工条件而定，HDPE之收缩率为1.5～3％，而LDPE之收缩率为1.2～2％，PP为1.2～2.2％，PS与PVC皆为0.5～0.7％。

由于中空成形为一种具拉伸且低压的加工方式，所以当塑品形状不规则时，常造成肉厚之不均匀及尺寸变异性。

因此相对的，中空成形品之尺寸公差较大。

唯一的例外是射吹成形品之瓶颈区域，由于它是由射出成形所决定，故其尺寸公差之设计，理论上与射出成形品相同，约为±0.1mm

（0.0014in）。

表4-2为建议之中空成形尺寸公差：

4-3产品设计之建议

4-3-1肉厚

肉厚需愈均匀愈好，以避免不平均的冷却造成产品扭曲（因为愈薄区，冷却愈快）；亦即尽量将产品设计成对称的。

型胚被吹胀的程度是决定成品肉厚的主要因素，对于圆柱形的容器，其吹胀比之定义为：

吹胀比＝模具直径型胚直径

一般其值在1.5到3之间，在特殊情况下可到7。

而产品之平均肉厚算法为：

产品平均肉厚＝型胚表面积产品表面积×型胚肉厚

型胚之厚度可由可程控制之油压系统和电子系统来调控，普通是设定20点至32点来调整厚薄，如图4-4所示。

而型胚长度则可藉光电池监测器来控制。

当长度发生变化时，就会自动改变螺杆之转速，使之恢复正常。

当瓶子之瓶颈部份必须被设计成较瓶身部份为厚，以能提供完全的密封时，则瓶颈肉厚对瓶身肉厚之比值不可超过2：

1，如图4-5所示。

4-3-2倾斜角

为了使产品容易取出，平行于模具开闭方向之塑品表面需具有倾斜角。

由于塑品冷却时极易收缩，特别是靠近公模蕊部份，塑品会往其方向收缩而有凹陷现象；而塑品之投影面区如母模穴，塑件则会往远离模穴之方向收缩。

所以在公模部分，塑品与其之倾斜角需较其它部份为大，如图4-6

所示。

由于型胚之吹胀犹如吹一个汽球，最自然的形状为球形。

所以，在定吹胀比下，塑品在模穴呈球形会有最均匀的高分子拉伸及肉厚分布，如图4-7所示：

塑品与模穴呈20°到30°间之倾斜角最接近球形。

一般而言，当倾斜角增加时，高分子的拉伸会减小，而产生较大及较均匀的肉厚。

下表4-3为中空工程件之倾斜角设计泛则。

4-3-3角边

角边须尽量做成圆形如上节之倾斜角，其理由有2：

（a）　肉厚在角边处细化的现象最为严重。

以表面积／容积的比值关系，得知在同样体积及重量下，球体较立方体有较大的肉厚。

当型胚被吹胀时，先碰到模壁的即先固化冷却，而最后碰到模壁角边的，则被吹胀细化的最完全。

所以将容器角边充分的圆化，可缓和上述之问题。

仑容器改良设计后之图，原设计为平坦的矩形状表面。

一般在设计矩形容器时，其角边半径至少为半模穴的1/3深度以上。

而圆柱形容器，其角边半径则至少需为容器直径的1/10以上。

（b）陡峭的角边或切口（notch）极易形成龟裂的起始点。

对于需要耐冲击性的重物包装容器，此点尤其重要。

4-3-4底部设计

为了防止容器摇晃或膨胀，中空成形之容器底部不可完全平坦，一般做成内窪状，如图4-8所示。

对于PET宝特瓶而言，由于须保存碳酸气体及抵抗极大之内压，所以底部要做成圆球状。

为了能使容器站立及承受负载，底部需加HDPE射出成形之基座（图4-9（a））；或者将其做成花瓣形底及可站立式的蛋形脚。

另外也可将内窪做的很深以支撑负荷，但此模具较难制造并需配有底部嵌件，此设计称为香槟瓶底（图4-9（b））。

4-3-5双墙式

中空成形常用与制造包装或箱形品。

箱形品是由两半，中间藉由铰链或金属嵌入，嵌扣而成。

每一半皆有双墙，中间为中空，此称为双墙式之箱子如图4-10所示。

此种成形之困难点在于与凹穴接触部份的肉厚会较与凸穴接触部份之肉厚为薄，此现象在凹穴深度愈深时愈显著，亦即型胚愈被引伸时。

为了补偿此种现象所造成之成品不良，可在型胚之上下预留一些余裕，使得型胚在被挤压入模穴之际，多余之处可被顺势带入，来尽量降低肉厚之减少不

均。

双墙式结构之好处为：

·　由于惯性矩之增加，较厚度为两倍之单墙有较佳之刚韧强度。

·提供如衬垫般吸收能量之效果，有较佳之抗冲击力，可减少内装物之受震荡。

·双墙间之中空处可灌以发泡物以增加上述之效果及绝缘、耐热等性质。

4-3-6垂直负荷强度

一个瓶子在到达消费者使用之前，它必须能经得起几个不同阶段之负荷。

首先，它须能承受充填喷嘴及加盖机的压力，通常超过25磅（图4-11）。

因此，对圆柱形之瓶子其肩长及斜度变得十分重要。

通常肩长是1/2寸时，肩部之倾斜角须在12°以上；如果倾斜角是30°，则肩长须为2英寸以

上。

另外，还须尽量加大肩部与侧壁连接处之半径以减少铰链作用，增加瓶子之垂直强度，如图4-12所示。

如果瓶子是用在重负荷的情况下，则应避免水平的瓦楞状及蛇腹状的设计，因为它会减少负荷之能力并造成应力集中，使得产品龟裂，如图4-13所示。

对于F型之瓶子，由于瓶颈不在中央，若瓶顶之弧度不足，加以负荷时，瓶颈会倾向后方，造成充填、加盖及堆积时发生问题，所以须加大肩部之斜度或拱门弧度，如图4-14所示，以增加负荷强度。

接下来则是标贴区分界线的设计。

分界线若过于平滑，则无法明确地定出标贴区，且卷标易滑动；若分界线处瓶身直径猝然的变化，则极易导致应力集中而龟裂。

所以标贴分界线之设计需瓶身直径渐次的变化（图4-15）。

最后底部转角边的弧度则须愈长愈好，但壁厚不可变薄以免造成场陷或龟裂。

4-3-7　形状刚（韧）性化

在设计塑品时，最难的就是无精确的方法可预测其在长期受负荷下后之菜单现，这也是因为传统之设计学理是依据材料为弹性而发展出的。

但不管如何，除了上述段节所谈之增加强度之方法外，我们亦可藉由形状之设计来增加其长期之刚韧性。

一般之设计概念如下：

·　圆凸状之容器较纯圆柱状之容器有较佳之抗扭曲力。

·　矩形容器之边角区会承受大部份的负荷，所以此区域需设计的较厚。

·　在垂直的方向上，增加凸起或肋骨，可增加其抗堆积强度，减少弯曲破裂。

对于不同重量之类似容器，其抗堆积强度可由下式比较得之：

F1F2＝（E1w1）2（E2w2）2

其中　F＝抗堆积强度

E＝成形材料之杨氏模数

w＝容器重量

所以，对一些轻重量的瓶子，为了增加其刚性强度，可在标贴区周边，做成槽沟（图4-16）。

若是对长椭圆形之轻重量瓶子，为防在通达装瓶区的输送带上互相挤压而损坏，可将其侧壁做成装饰性的水平锯齿状，以增加刚韧性（图4-17）。

另外一个最普遍的方法是采用压花设计，不仅增加了刚韧性、美观，更可作为标贴之一部份，如图4-18所示。