1353293 六、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種用於模具之加熱及冷卻結構,特 別是指一種藉由均勻分布的支樓柱撑持模仁,且使模仁與 支撐柱直接接觸冷卻空間的冷卻流體,達到均勻加熱、加 強模具強度,以及迅速冷卻的加熱與冷卻結構。 【先前技術】 按,塑膠成型的方法分成射出成型、吹塑成型、熱壓 成型、壓縮成型、抽出成型...等等,其中,射出成型所能 產出的塑膠成品在形狀上,從單純的杯子到複雜的汽車儀 表板,而大小則從0. 01公克的鐘錶小齒輪到超過20公斤 的浴缸等大型成品都能夠製造,具有結構複雜、尺寸精確 以及品質安定的優點,是各種塑膠成型方法中,最重要、 業是最普遍的使用技術;而其常用的材料大致為聚乙烯 (PE )、聚丙烯(PP)、聚氣乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS) 以及丙烯腈(ABS )等。 上述之射出成型、壓縮成型、熱壓成型等製程,都是 加熱塑膠製融熔狀態而充填至模穴,並使塑膠包覆模具特 定結構後冷卻凝固,用以複製模具結構,一般模具的溫度 都小於塑膠玻璃轉換溫度,使融熔之塑膠於接觸模穴表面 時即產生一層凝固層,凝固層與成品厚度之比值隨著成品 厚度的減少而增加,當凝固層所佔的比例過高時,將使得 融熔塑膠充填困難,造成短射,結構複雜複製不完全及殘 1353293 留應力等問題。 而射出成型機除了射出單元(壓出機)、電控及油壓系 統外,在熔膠冷卻成型時,主要是以鎖模單元(亦稱夾模 單元)為主要成型裝置;鎖模單元是由可相閉合鎖固或開 啟的第一夾模座及第二夾模座(亦稱頭板及尾板)所構成, 在第一夾模座及第二央模座上分別設置俗稱公、母模的模 塊後,令第一夾模座及第二夾模座相互閉合鎖固(合模) 後,即可進行射出充填及冷卻成型的程序。 Z) 在前述射出成型的過程中,由於熔膠注入公、母模塊 的模穴時,高溫熔膠與冷卻的模穴腔壁接觸會形成一層薄 的凝固層,而且靠近壁面上的熔膠溫度亦會因此而降低, 使得溶膠的流動速度在中心位置為最大,靠近腔壁的流速 則幾近於零。這種熔膠在公、母模塊的模穴内流速不一致 - 的情形,如果在結構比較複雜的公、母模塊内,就會形成 亂流,使塑膠件成品上容易出現水波紋以及結合線,再加 上部份模穴内的空氣因來不及排出所形成的氣泡,使得成 0 品上的外觀瑕疵更顯嚴重。 而為因應現代產品輕薄短小的需求趨勢,以塑膠製造 之產品設計要求越來越薄,甚至因應特殊需求必須設計出 微小結構,如背光板、光纖聯接器等;若以傳統射出成型 製程進行製造,將因凝固層及塑膠流動性原因而無法順利 完成,因此,近年來逐漸發展且提出一套快速加熱模穴溫 • 度的方法,並有部分發明是為了縮短製程循環時間合併發 展出快速冷卻之方法,大致可將目前發明之加熱方法分為 蒸汽式、電阻式以及高週波式,以下僅列出電阻式及高週 1353293 波式進行簡略說明。 請參考本國第M317917號新型專利,其所揭示之一種 模具的加熱及冷卻裝置,係當第一及第二夾模座相互鎖 固,使第一及第二夾模座形成閉合狀態,且熔膠射入第一 及第二模塊之間的模穴空間時,透過電源線所提供之電源 令加熱器瞬間產生高熱,可經過第二模塊的傳導而對模穴 空間内的熔膠加熱,使進入第一及第二模塊之模穴空間中 的熔膠流速能夠盡量一致,以避免產生亂流,並藉此以消 3 除成品上的水波紋、氣泡以及結合線等外觀瑕疵。 然而,此法雖可較快速提昇模溫,但由於加熱器所產 生的熱量卻會向四面擴散至整個模板,待熱量傳至與炫膠 表面接觸時,已造成大量的熱源損失而使加熱效率降低, 且熱量係接近加熱器的處會較高,遠離加熱器處會較低, 使得熱量的分布不均勻,仍是會造成熔膠的流速不一致。 請再參考本國第1279304號發明專利,.係揭示一種以 高週波感應電流快速加熱模仁表面的方法與裝置,於接近 0 模具加熱面布置線圈導孔,以線圈環繞加熱面,通以高週 波電流於線圈上,由於電流方向變化將在環形封閉線圈所 包圍之金屬塊處產生磁滯損與渦流損,使金屬表面溫度急 遽上升,達到快速加熱模具表面溫度之效果,並於模具加 熱面及線圈導孔附近埋設冷卻孔,通入冷卻氣體或是冷卻 液體,藉以帶走模具及線圈產生之額外熱量或將模具加以 冷卻,調整冷卻孔佈置位置與冷卻氣體或液體溫度與流 速,加以控制模具的溫度。 而由於係利用而週波方式加熱,因此線圈之間的距離 1353293 必須加以控制,若是為了要均勻地加熱而將線圈之間的距 離設置的太接近,其間的電流所產生的磁場會相互影響而 導致加熱效果降低,而若是將線圈之間的距離布置的太 遠,會造成加熱的不均勻,導致熔膠的流速不一致。 再者,由於地心引力及模具本身的應力作用,模具的 中心部位會產生些許的彎曲形變,因此在射出成型時,會 造成不良率增加的問題。 所以,如何以高週波的方式對模具(模仁)均勻地加 〇 .熱,並能加以迅速冷卻,以降低加熱與冷卻時間,同時能 增加模具強度,是目前針對模具均勻加熱及冷卻結構方 面,一個刻不容緩的課題。 【發明内容】 ' 有鑑於此,本發明之第一目的在於利用支撐柱的結構 撐持模仁,加強模具的強度,以避免模仁產生彎曲形變, 導致射出成品的不良率增加。 © 本發明的第二目的在於以線圈繞設支撐柱,以同時對 模仁及支撐柱加熱,使支撐柱的熱量傳導至模仁,以提升 加熱效率。 本發明的第三目的,係在於以模仁底部與隔熱層界定 出冷卻空間,使冷卻流體通過冷卻空間時,同時帶走模仁 及支#柱的熱量,以達到冷卻的效果。 本發明的第四目的,係在於模仁與支撐柱接觸,在冷 卻流體通入冷卻空間時,模仁的熱量可經由支撐柱及冷卻 1353293 流體而帶走,以提高冷卻效率。 本發明的第五目的,係在於利用支撐柱的結構撐持模 仁,可藉以縮減模仁的厚度,縮小整體厚度,進而增加冷 ..卻及加熱效率。 為達上述之目的,本發明係提供一種用於模具之加熱 及冷卻結構,該模具包括一模座及一模仁,該模座具有一 模槽,用以放置該模仁,且該模仁具有一模穴,該加熱及 冷卻結構係設置在該模座及該模仁之間,包含:一設置在 D 該模槽四周及底面的隔熱層,係用以隔絕該模座與該模仁 之間的熱傳導;至少一支撐柱,設置在該模仁與該隔熱層 之間,用以支撐該模仁;以及一圍繞該支撐柱的線圈,具 有一電流輸入口及一電流輸入口;其中,該模仁之底部及 該隔熱層界定出一冷卻空間,用以通入一冷卻流體,該支 - 撐柱及該線圈係設置在該冷卻空間内。 較佳者,該線圈係為由絕緣材料所包覆的一中空銅管 所組成,並具有一流體管路,用以通入該冷卻流體。 Θ 較佳者,該至少一支撐柱係為多個支撐柱,均勻地分 布在該模仁與該隔熱層之間的冷卻空間内,且該線圈係以 該等支撐柱的軸向方向,在不同水平面繞設在每一支撐柱 上。 較佳者,該至少一支撐柱係為單一支撐柱,係設置在 該隔熱層的中央部位,且該線圈係環繞該支撐柱且水平地 在同一水平面鋪設在該隔熱層上。 較佳者,在每一該支撐柱及該相對應的線圈外,更套 設有一磁粉層套筒,該磁粉層套筒具有若干孔洞,以供該 1353293 相對應的線圈穿經及供水流流通。 藉此,當將一高週波電流加戴至該線圈,以產生磁場 ,而將線圈設置在冷卻空間内,且有支撐柱的設置,不但 避免模仁可能產生彎曲形變以及加強模具的強度,而避免 產生射出大量不良品以降低不良率,更可以藉由支撐柱與 模仁直接接觸且材質相同,在進行加熱與冷卻時,可藉由 支撐柱的存在與特性,迅速地將模仁的熱量提升或帶走, 以提高加熱及冷卻的效率。 D 以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優 點,其内容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術 内容並據以實施,且根據本說明書所揭露之内容、申請專 利範圍及圖示,任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明 相關之目的及優點。 【貫施方式】 茲配合圖式將本發明較佳實施例詳細說明如下。 在此先進行說明以高週波方式產生熱能的原理,請參 考圖1,係表示以高週波加熱之電磁感應示意圖;一線圈R 繞設在一導體C上,並於線圈R上加載一高週波電源S, 在特定電流方向上產生外來磁場Μ變化影響下,導體C本 身將會產生一個反抗磁通變化的感應電動勢,以抵消外來 磁場變化.,此電動勢不但與時變磁通有關,而且與物體及 產生磁通變化兩者間相互移動速度成正比,可以下列方程 式表不· 1353293 dt dx 其中,e :感應電動勢(伏特,Volt),# :線圈匝數 (匝,Turn)’厂磁通(韋伯,wb),y:速度(米/秒’ m/s) ’ 此一電動勢造成電流(即渦電流E),流經導體内部所產生 的功率,依焦耳定律可以寫成尺= ,其中,怂為容積功率 密度(Volumetric Power Density,W/m3),p為材料電阻 係數(Resistivity,ωιπ),J為電流密度(Current Density, A/m2)。 線圈R與導體C之間為非接觸型的電磁感應作用,由 於導體C經由磁化、去磁、再磁化之分子往復運動,所造 成的磁滯損失(Hysteresis Loss),使得加工件產生熱能 而達到溫度上升現象。在磁滯曲線中所包圍的面積越大, 表示矯磁力He及剩磁Br之值越大,則磁滯損當然就越高, 對於磁滯損的經驗公式,其中,λ :加工件的 磁滯損,A :磁滯係數,/ :·頻率(Hz),圪:最大磁通密 度(T),X :材料係數,t/ :加工件體積(m3)。 高週波電源提供不同頻率交流電流通過線圈R後,因 電磁感應作用產生感應電動勢,此電動勢將在加工件上產 生渦電流E,並在加工件各斷面層呈非均句,且非等量流 動,加工件將因電阻而產生熱能,此項渦流損與上述的磁 滯損一樣,在被加熱物上最終是以「熱」的形態表現出來; 渦電流損失為乃=A(5max ./_>)2,其中,p,:單位重量下的渦電 流損失(W/kg ),:最大磁通密度(T),/ :工作頻率(Hz) ’ A :渦流損比例常數,ί :加熱物件厚度(m)。 1353293 請同時參考圖2及圖3,係分別表示本發明一第一實 施例的分解結構圖及剖面示意圖;本實施例的模具2包括 一模座21及一模仁22,模座21具有一模槽211,係用以 放置模仁22,而模仁22的尺寸較大,且具有一模穴221。 而本實施例之加熱及冷卻結構1,係設置在模座21與 模仁22之間,包含一隔熱層11、若干支撐柱12以及一線 圈13。 隔熱層11係設置在模座21的模槽211上,意即隔熱 〇 層11鋪設在模槽211的四周及底面,以隔絕模座21與模 仁22之間熱量的傳導,使熱量能集中在模仁22上;而隔 熱層係可使用一般高強度纖維複合材料所製成,以達保溫 斷熱的效果。 支撐柱12係與模仁22的材質相同且為一體成型,而 ' 具有較佳的導熱效果。支撐柱12係均勻地分布在隔熱層 11上,由於模仁22的尺寸較大時,若僅以少數支撐柱12 作支撐,或者是僅支撐模仁22周圍,或者是僅支撐中央部 # 位者,模仁22之底部有可能會產生彎曲形變,因此以多個 支撐柱12均勻地分布在隔熱層11上,可用以支撐尺寸較 大的模仁22,以加強模具2的強度,’避免模仁22產生彎 曲形變,進而降低射出成品的不良率。 再者,請參考圖4,係表示本發明一第二實施例的分 解結構圖,本實施例的加熱及冷卻結構lb係與上述第一實 施例的加熱及冷卻結構1大致相同,其差異在於支撐柱12 係與模仁22為各自單獨元件,在進行加熱與冷卻時,支撙 柱12係與模仁22緊密接觸,以達到提高對模仁的加熱與 1353293 冷卻效率。 請同時參考圖5,係表示本發明線圈繞設在支撐柱上 的放大示意圖。線圈13係以支撐柱12的軸向方向繞設在 .每一支撐柱12上,意即在不同水平面上繞設,且具有一電 流輸入口 131及一電流輸出口 132 (當然電流輸入口與電 流輸入口的位置可以互換,仍能達到相同的加熱功能);當 電流輸入口 131及電流輸出口 132經由外部導線外接至一 南週波電源(圖未不)’於線圈13加載南週波電流時’即 亦高週波方式同時對模仁22及支撐柱12加熱,而由於支 撐柱12係用以支撐模仁22,因此支撐柱12與模仁22係 相互接觸,也因而可以將支撐柱12的熱能傳遞到模仁22, 以提高加熱效率。 由於支撐柱12係用以撐持模仁22,且支撐柱12係均 ' 勻地分布在隔熱層11上,而各個支撐柱12之間即具有一 預定間隔空間,當支撐柱12撐持住模仁22時,意即當模 仁22接觸支撐住12時,隔熱層11與模仁22底部之間, φ 即界定出一冷卻空間14。 在冷卻空間14通入冷卻流體(如氣體或液體)F,直 '接接觸模仁22以便將模仁22的熱量帶走,同時冷卻流體 F亦與支撐柱12直接接觸而帶走支撐柱12的熱量,而模 仁22係與支撐柱12接觸,因此模仁22亦可藉由支撐柱 12將部分熱量帶走,以達到迅速冷卻模仁的效果。 為了加強迅速冷卻的效率,線圈13係由絕緣材料134 包覆著中空銅管135所組成,而中空銅管135的中心處具 有一流體管路133 ;由於線圈13通以高週波電流時,因其 1353293 若是製造商使用較小尺寸的模仁22者,即可以僅使用 單一個柱徑較大的支撐柱12a,其材質係與模仁22相同, 且設置在隔熱層11上的中央部位,以撐持住模仁22,增 . 加模具2的強度,避免模仁22產生彎曲形變,進而降低生 產射出成品的不良率。 而線圈13a係環繞支撐柱12a且水平地鋪設在隔熱層 11上,意即在同一水平面上繞設;當電流輸入口 131及電 流輸出口 132經由外部導線外接至一高週波電源(圖未 Ό 示),於線圈13a加載高週波電流時,即亦高週波方式同時 對模仁22及支撐柱12a加熱,而由於支撐柱12a係用以支 撐模仁22,因此支撐柱12a與模仁22係相互接觸,也因 而可以將支撐柱12a的熱能傳遞到模仁22,以提高加熱效 率。 - 由於支撐柱12a係用以撐持模仁22,加強模具2的強 度,且設置在.隔熱層11上之中央部位,當支撐柱12a撐持 住模仁22時,意即當模仁22接觸支撐住12a時,隔熱層 Q 11與模仁22底部之間,即界定出冷卻空間14。 因此,本發明藉由上述的結構,將線圈13a設置在冷 卻空間14内,且有支撐柱12a的設置,不但避免較小尺寸 的模仁22可能產生彎曲形變,而產生射出大量不良品,更 可以藉由支撐柱12a係與模仁22直接接觸且材質相同,在 進行加熱與冷卻時,更能藉由支撐柱12a的存在與特性, 迅速地將模仁22的熱量提升或帶走,以提高加熱及冷卻的 效率。 另,請再參考圖7,係表示本發明在支撐柱及線圈的 13 i S] 1353293 外圍套上一磁粉層套筒的部份剖視圖;由於藉由均勻化線 圈13所產生的磁場,可以對支撐柱12能均勻地加熱,因
此在第一實施例加熱及冷卻結構丨的支撐柱12及飧圈U 外再套設-磁粉層套筒15,且磁粉層套筒15呈有 洞151,可使線圈13穿過以及讓水流流通 加熱與冷卻的效率。 運到徒升 Ό “上所述’乃僅記载本發明為呈現解決問 發實:方式或實施例而已,並非用來限定本 :,或依本發明專利範圍所做 圍文義相 發明專利範圍所涵蓋。 I化與修飾,皆為本 [S3 14 1353293 E 滿電流 F 冷卻流體 Μ 磁場 R 線圈