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序言

過往的數年中,液態矽膠的工藝慢慢於大中華區的製造板塊漸漸成形,原因在於歐美製造板塊中 LSR項目的移植及LSR材料的普及化,熱固性液體矽橡膠(LSR)的注塑技術因此得到了快速的發展。

LSR材料的無毒性、耐熱性、高復原性等優良的性能,使它不論在嬰兒產品、醫療用品、潛水用品、廚房用具、衛浴用品以至密封件的生產設計中成為無可替代的材料。

LSR是柔性的熱固材料,它的的注塑設計與剛性工程熱塑料有著重要的差別,這主要成因在於雙液矽膠的物理性質,如低黏質、流變學性質 (快速固化)、剪切變稀性質以及較高的熱膨脹系數。

由於LSR的黏度較低,故此它在注射成形過程中,即使採用較低的注射壓力,填充流速亦可以較快,但是為了避免模腔內空氣的滯留,對模具排氣的要求更加嚴格。總的來說,新型號的LSR材料的快速硫化的循環時間更短 (某些情況下循環時間不到 20 秒,GE SILICONE TAILAND就有生產這種快速硫化配方的 LSR 材料),為了充分利用這一特性,加工機械、注射成形機以及製品頂出系統等必須相互配合,作為一個高度集成的整體運作,從而提升效能。

 


注塑母機

MULTIPLAS早年已是台灣特種注塑及異材成形的主要供應商。在LSR射出領域方面,MULTIPLAS以LSR材料特性為基礎,用「更快速,更有效,品質更高,成本更低」為設計理念,設計生產了一系列LSR專用射出成形機:臥式 / 直立式 (標準 / 活動模板)。以近年統計而言,MULTIPLAS於大中華製造板塊已是供應量最大的機器製造商,連GE SILICONE於上海的亞太研發總部內的實驗展示機台亦為MULTIPLAS出品 。

LSR是一種不能回收再用的敏感、流性佳的貴價材質,故生產的利潤往往會與部品的成品率掛鉤。因此MULTIPLAS會有一系列的專用設計來強化LSR專用機在實際生產中的性能提升,其中包括專用的射出單元、耐熱材質、隔熱處理、強制性頂出機構、高平行度合模動作等,各方面以考慮LSR材料特性為準則,優化的最終設計可以帶給用家在品質上較大的保障。MULTIPLAS甚至可以用德國BOSCH的全閉環迴路作為機械動作的核心,以20毫秒的應答速度做出極精密的矽膠微量射出,而同等級的機器已往幾乎是歐洲幾家著名機器製造商的專利。

目前市面有不少小型機械商,祇是單純以模仿外觀或以普通塑膠成形機改裝等手法推出的成形設備,對於未熟悉LSR生產工藝原理的用家而言是極之不利,使其成為大量損耗下的?牲品 。

 


混料機

LSR為雙組份的液態材料,因材料分A桶及B桶,故亦俗稱AB膠。混料機的工作在於將A、B組份材料以精準的1:1比例充分混合。又因部份製品為有色設計,故混料機會配有顏色泵組及顏色計量部份,機器需在極短的材料輸送距離內將雙組份材料及顏色混合,因此該機器的穩定度及重複性是重要選擇因素。於業內,德國品牌2KM雖售價較貴,但使用比例依然相當高,MULTIPLAS在這方面與2KM亦有著多年的配合,為市場提供整套LSR系統。

 


LSR
材料

LSR是一種以鉑金作為催化劑的雙液態快速硫化材料,相應者為較傳統的固態矽膠材料 (HTV)。前者可以採用注塑的方式 大量 / 快速硫化 / 重複性機械生產 ,而後者的工序流程中則需大量人手操作,硫化週期亦長很多 (以奶咀模具簡例:LSR 材料週期時間約在24秒 - 28秒之間,而 HTV 的週期則需數分鐘)。

LSR 材料的供應商目前主要為歐美的數家大型化工集團,其中GE SILICONE所佔之份額較大,約有全世界總供應量的 70% 。

一般而言,供應商會有各種不同的牌號,硬度的材料供給市場,甚至有自黏性及含氟的特殊牌號供應給特殊製品。

 


冷流道成形 (
模具部份)

模具可以採用的冷流道體系充分利用LSR剪切變稀的特性,從而達到了無浪費、無毛邊高效成形。在過去的三到五年堙A冷流道模塑在制造業中的優勢急速提升,並導致LSR製品的產量增加、廢品減少、產品單位成本降低等良好的趨勢。

LSR 材料於熱固成形後並不會在模具中收縮,這一點和熱塑性塑料類似。但是由於膨脹系數較高,加熱時會發生膨脹,冷卻時卻僅有微小的收縮。因此,部件通常不能在模具中保持精準的側邊距,袛有在表面面積較大的模腔中才可以保持。

與熱流道模具注塑相似,在冷流道加工中,LSR應保持較低溫度和可流動性,以確保沒有物料的損失。這種加工方法最適用於在清潔的室內環境中生產大小、結構相似的大體積部件。最理想的成形環境是在人為因素影響最小的設備中晝夜不停的運轉,減少停頓所帶來的參數變化,並逐步增大運轉周期 (日或周) 。

目前所有的冷流道設備基本上採用閉合式系統。注射循環中,閉合系統在每一個道中都採用「封膠針」或「針形閥」來控制LSR材料的準確流量。

閉合系統最典型的特點是在較低的注射壓力下進行注塑。設備中具有精細的流量可調控性,並可以對不平衡的分流道以及物料的不同剪切變稀性能進行微調。

 


合模線

設計LSR液體矽橡膠注射成形模具時,首先要考慮分模線的位置,因為分模線內部需設置一些排氣通道,利用這些通道完成排氣動作,排氣通道必須設置在注射物料最後到達的模具末端。預先考慮以上因素,有助於避免空氣的夾帶和焊接線邊縫?度的損失。

由於LSR的黏度低,所以必須確保分模型線的精確度,避免出現毛邊。雖然如此,最終產品上的分模線清晰可見。部件的幾何狀和分模線的位置還會影響脫膜過程。在部件設計中,輕微的紋路有助於確保被塑部件與模具空腔之間堅固的結合在一起。

 


排氣

當模具空腔關閉時,空氣滯留在內,隨?LSR的注射,空氣首先被擠壓,接著逐漸被填料趕出空腔,由於LSR的黏度較低,空腔很快被填充。在快速填料過程中,如果空氣不能完全被趕出模腔,將會夾帶在硫化後的物料中 (通常表現為沿部件周邊一圈白邊或是內部光滑的小氣泡) 。排除模腔滯留空氣的最佳方法,是在每一個注射成形循環中,採用抽真空的辦法將空腔中滯留空氣趕走。就是說,在設計分模線時確保模具密閉,真空泵通過模具開關下面的夾具將所有空腔抽真空。一旦真空度達到預想標準要求,立刻關閉模具,開始注射。

還有一種成功應用的方法是,利用調節合模力達到趕走空氣的目的。製造者在合模力較低時 LSR 填充至空腔的 90% - 95% ,之後再將 來 合模力度調高,同時避免積壓液體矽橡膠溢出,產出毛邊。(MULTIPLAS 機台亦有對應選配件可附加於機台,模具真空 / 獨力動力源之二次合模動作)

 


流道灌點

一個合適的加工設計,既希望灌點的痕跡小而堅固,又希望灌點的位置不易察覺,這是非常困難難的。但是如果將灌點設置在非臨界區域或內表面上,就可以避免很多麻煩,例如前面提到的,利用冷流道系統進行LSR材料的注射成形就可以省去注入口痕跡的消除,從而避免了勞動集約型的生產過程和大量物料的浪費。很多情況下,無注入口設計也將縮短循環時間 (配合適當快速硫化的材料可使生產週期進一步降低)。

如果採用冷流道系統,在加熱的模腔與冷流道之間設置有效的隔離溫度是十分重要的。如果分流道太熱,物料在注塑前就開始固化,而如果冷卻太快的話,它會從模具灌點區域吸收過多熱量,防礙生產過程的完成。閉合系統的針型閥應保証針銷和它周圍流動的物料的活動空間。

對於低黏度的LSR來講,若是通過傳統注入口注入物料,例如潛伏式灌點或是錐形灌點,那麼灌點直徑要略小些,以減少灌點痕跡及減少去除流道工序的時間。

 


收縮性

雖然LSR材料在注塑成形過程中沒有收縮,但是由於材料本身具有較高的熱膨脹系數,因而在脫膜、冷卻後通常會有2% - 3%的收縮。確切的收縮數據主要取決於物料配方,但是從加工的觀點來看,設計者如果在構思的時候,預先對影響收縮的一些因素有所考慮的話,最後的收縮情況會有所變化,這些因素主要包括加工的溫度,物料脫膜的溫度,模腔壓力等。

另外要考慮的是灌點的位置,因為通常物料在流動方向上的收縮要比其垂直方向的收縮來得明顯些。另外,部件的尺寸也是一個影響因素,一般來說, 部件越厚,收縮小如果在實際應用中要求二次硫化,則還要考慮額外增加0.5% - 0.7% 的收縮。

 


脫模

一般固化LSR容易黏在金屬表面上,這給脫模帶來了一定的困難。雖然如此,目前LSR橡膠的熱撕裂?度還是能夠滿足脫模要求的,在脫模後基本沒有損失。應用最為普遍的脫模技術設備,包括頂針頂出和空氣推頂。

使用頂出系統時,必須使頂出系統保持在相近的公差範圍內。如果頂針銷和套管之間清除過度,或是元件磨損時間過長,都會引起部件毛邊的出現。頂端為反錐形或蘑菇形的頂針接觸壓比較大,可增進系統的密閉性,因而功效很強。

 


模具材料

一般情況下,護圈板都是採用非合金加工鋼 (no.1.1730 , DIN code C45W) 來製造的。由於模板要暴露在 170 o C-210 o C 的高溫下,所以應該採用預回火的鋼材 (no.1.2312,DIN code 40 CrMnMoS 8 6) 製造,以提高抗衝壓性能。具有空腔的模板最好採用耐溫性好的彈性熱鋼為材料。

針對像抗油品級這類高填充LSR材料,推薦使用更?硬的材料,例如鍍鉻鋼和粉末金屬都在這一應用上有了較大的發展 (鋼 no.1.2379 , DIN code X 155 CrVMo 12 I) 。在為研磨性物料製作模具時,要注意使用特別的插件或者其他可替換加工工具,這樣元件磨損後可以單獨替換,而不必更換整個模具。

模具空腔表面的優劣對部件的品質有重要的影響,簡單講,鑄好的部件會將模具空腔的原貌準確的複製下來。拋光鋼對於透明部件顯得十分重要。表面經過處理的鈦、鎳更加容易脫膜。LSR 材料在某種程度上具有研磨特性,因而最好不要選擇鋁質材料。在經質條件允許的情況下,選用最好的金屬材料,以便得到更多的相容性,同時便於由粗產品加工為最終產品。

 


溫度控制

LSR成形工藝中,典型的加熱方式是電加熱 (溫度一般為140度 - 170度,具體數值通常要參考LSR材料供應商為性能表及部件本身的成形要求)。通常採用熱絲加熱器、加熱管或者加熱板。LSR的一次形固化過程中,模具內溫度的均勻分配是非常重要的。在大型模具中,亦有採用較經濟的加熱方法是「油溫控制法」。

用絕緣板包裹模具,也有助於減少熱損失。如果表面溫度下降過快,會使物料的固化速度降低,影響部件的品質。加熱器與分模線之間保留一段距離,可以大大避免模板的變曲與變形,但是有機會使成品部件出現毛邊。

如果模具是為冷流道系統設計的,那麼在冷熱界面上必須有適合的隔離,這是必不可少的。像 3. 7165(Ti Al 6V4) 這樣的鈦合金,相比其他鋼材料來說,其熱導性能 比較 差,因此是冷熱隔離的良好材料。對於整體模具加熱體系,應該在模具與模板之間放置絕緣層,把熱損失降低到最小。

 


模擬設計

LSR分流道系統中,LSR將均勻填充所有的模具空腔,在這樣的一個體系中,LSR分流道規劃是平衡 顯得十分重要。採用電腦物流動力學模擬軟件來設計分流道和排氣管道,可以幫助模具的改進,避免反覆試錯法的高消耗。其實驗結果可以用填充研究來論証,但是正確的模擬要求工程師對所注塑的LSR配方的機械反應性能了如指掌。利用有限元分析法進行部件設計的實驗,可忽略高應力區。

 


小結

予以恰當的設計和規劃,LSR材料的注射成形是一項經濟收益好、操作相對簡潔的生產工藝。 在充分理解注射成形與流程設計的原則下,製造者即可在避免出現問題的同時進行高效生產,相信LSR出色的模腔填充性能和快速硫化特性,必將帶來高品質、高產出的工業效應。

 

百塑企業股份有限公司 (台灣總公司)
百塑注塑系統有限公司 (華南總經銷)

業務經理 Mr J J Lam 5/2005 撰稿



   
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