TWI508837B - Mold gas pressure and temperature control device - Google Patents

Description

模穴氣體反壓與溫度控制裝置

本發明係有關於一種塑膠射出成型之技術領域，尤指一種用於超臨界流體微細發泡射出成型中協同控制反壓氣體壓力與模溫之控制裝置。

在塑膠產業中以射出成型技術應用範圍最為廣泛，為因應產品的多元化設計，製品設計必須具有美觀、精細短小、輕薄與功能性，而塑膠射出成型技術之因應趨勢也更加成熟而多元化，特別是汽車外觀組件、電子或家電外觀組件等，由於體積較大需輕量化且通常必須具有較好的機械強度與尺寸穩定性，因此氣體輔助射出成型與超臨界微細發泡射出成型即是在此背景下發展而出的技術。

超臨界流體微細發泡射出成型(MuCell Process)是發泡塑膠的一種，此製程是由美國麻省理工學院(MIT)與Trexel公司共同研發出的革新性技術，它是利用惰性氣體當發泡劑，像是二氧化碳(CO₂ )和氮氣(N₂ )，優點是能提高發泡劑的成核速率且獲得更細小而均勻的氣泡尺寸。由於氮氣與二氧化碳是隨手可得的大氣組成成分，價錢相對低廉，本製程可節省塑膠材料消耗率達30%以上並可擴增產品的應用類型，相較於傳統發泡製品亦可提升機械性質，因此兼顧低成本與製品品質的優勢。

雖然超臨界微細發泡射出成型具有眾多優點，但其產 品表面的氣痕與霧點等外觀缺陷卻是目前尚待突破的限制與瓶頸。為克服這些問題，氣體反壓法(Gas Counter Pressure Technology，簡稱GCP)便於1980年後開始被應用於工業用途上。

2000年日本旭化成工業(Asahi Kase Corporation)使用二氧化碳做為反壓氣體於射出成型中並於2003年申請專利(JPA2004-223879)，其主要是在模穴中注入二氧化碳做為反壓氣體，藉以降低射出之熔膠的黏度並對熔膠形成反向壓力，反向壓力在模穴內預先建立一定值之壓力，若高於發泡壓力，則可抑制發泡產生；若低於發泡壓力，則可利用不同反壓壓力形成不同尺寸均勻分布之成品，並可改善產品表面品質與收縮翹曲的問題。氣體反壓法(GCP)於射出成型製程中的原理為：(1)成型週期開始，將氣體注入模穴中，氣體種類為不易與熔膠反應之惰性氣體；(2)熔膠射出至模穴中，同時對流動熔膠施予穩定固定之反向氣體壓力；(3)氣體於模穴內之出口以壓力控制元件調整模穴內氣體壓力維持固定，直至射出動作結束；(4)冷卻、開模頂出。

此製程在模具內鑿通一管路使之可從模具外連結至模穴內，管路所經之處必須有防止漏氣之機構設計與止洩元件。

反向壓力對於熔膠的流動波前具有保壓效果，故逐漸被應用在產品表面品質與收縮翹曲的改善。2004年 Ohshima利用CO₂ 、GCP分別使用於PP與LDPE之射出成型中，從產品表面分子量降低發現CO₂ 會微幅溶解於熔膠波前；Andrzej K等人在PC/SCN₂ 微細發泡射出成型中搭配GCP成型拉伸試片，其表面粗糙度由23.11μm 降低至0.85μm ，產品減重比雖由12.8%降低至10.2%，但氣泡分佈更為均勻。2006年Michaeli與Cramer在PP的Mucell製程中搭配GCP，以解決微細發泡射出成型製品中常見的外觀缺陷。

此外，中國發明專利公開第CN101007437A號「反壓法化學發泡高速注塑成型方法」案，即揭露一種反壓法化學發泡高速注塑成型方法，其首先把模具緊閉，向模腔內注入氣體，然後熔料注入模腔，經內部發泡熔體充滿模腔，使熔料表面緊貼模腔金屬壁面，模腔內熔料經冷卻固化成型，再打開動模、定模，即可獲得表面光滑緻密、而內部均勻分佈泡孔的塑膠製件。其所揭露之技術與前述之JPA2004-223879號專利之技術類似。

為使微細發泡射出成型製品能有更佳的外觀與表面品質，本發明人經不斷的實驗與研究得知，反壓氣體除了可以改善表面品質之外，亦可控制發泡的大小與分布的均勻度，並且模溫的控制也有助於改善表面品質。

從而 如何利用動態的模溫系統與氣體反壓壓力協同控制，來得到較佳的表面品質佳及控制發泡的大小便成為本發明之主要課題。

有鑑於此，本發明之主要目的在於解決上述的問題而提供一種可獲致較佳之表面品質及控制發泡大小與均勻性之模穴氣體反壓與溫度控制裝置。

為達前述目的，本發明之模穴氣體反壓與溫度控制裝置，主要係由一模具、一程序控制閥、一反壓氣體供給單元及一高溫氣體供給單元所組成，該模具係由兩個可被控制開、合之半模組成，該模具具有至少一模穴，且該模具設有貫通至該模穴的一射料道與至少一氣道；該程序控制閥係接設於該模具之氣道，俾以控制氣體由該氣道進、出該模穴；該反壓氣體供給單元係連接至該程序控制閥，俾以供給反壓氣體經由該氣道至該模穴；該高溫氣體供給單元係連接至該程序控制閥，俾以供給高溫氣體經由該氣道至該模穴。

由於本發明具有反壓氣體供給單元及高溫氣體供給單元，因此可以協同控制由該高溫氣體供給單元對模穴表面進行加熱，以改善射出成品之表面品質，再由該反壓氣體供給單元於超臨界流體微細發泡材料射出成型時提供所需之反壓，以控制氣體壓力來改善表面品質並且控制發泡的大小與分布的均勻度，而可獲致較佳表面品質及合適之發泡大小的射出成型成品。

於一較佳實施例中，該高溫氣體供給單元具有一加熱器，俾以加熱氣體後輸出高溫氣體。

於一較佳實施例中，該反壓氣體供給單元具有一第一分流閥，該第一分流閥係分別連接至該程序控制閥及該高溫氣體供給單元，而可由該反壓氣體供給單元供給該反壓 氣體供給單元所需之氣體。藉此，可直接供給反壓氣體經加熱後直接進行型模穴表面升溫與建立反壓壓力。

於一較佳實施例中，該高溫氣體供給單元具有一空氣壓縮機，以供給所需之氣體至該加熱器。

於一較佳實施例中，該空氣壓縮機係連接至一第二分流閥，而該反壓氣體供給單元具有一第一分流閥，該第一分流閥係分別連接至該程序控制閥及該第二分流閥，而可由該反壓氣體供給單元供給所需之氣體至該高溫氣體供給單元之加熱器。

於一較佳實施例中，該高溫氣體供給單元具有一空氣乾燥器。

於一較佳實施例中，該高溫氣體供給單元具有一流量計。

於一較佳實施例中，該反壓氣體供給單元具有一反壓氣體源。

於一較佳實施例中，係使用氮氣或二氧化碳為反壓氣體源。

於一較佳實施例中，該反壓氣體供給單元具有一壓縮機，俾以提高反壓氣體之壓力。

於一較佳實施例中，該反壓氣體供給單元設有一高壓氣體PID控制閥。

於一較佳實施例中，該高壓氣體PID控制閥接設有一氣體溫度感測器。

於一較佳實施例中，該模具中設有至少一模穴溫度感測器。

於一較佳實施例中，該模具中設有至少一模穴壓力感測器。

於一較佳實施例中，該模具接設有一模溫機。

於一較佳實施例中，該模溫機具有至少一模具溫度感測器，該模具溫度感測器係設置於該模具中。

以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、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。

茲配合圖式將本發明較佳實施例詳細說明如下。

請參考第1圖，其係本發明之結構示意圖。

本發明之模穴氣體反壓與溫度控制裝置主要係由一模具1、一程序控制閥2、一反壓氣體供給單元3及一高溫氣體供給單元4所組成。

該模具1係由兩個可被控制開、合之半模11、12組成，並由該二半模11、12對合形成一模穴13，且該模具1設有貫通至該模穴13的一射料道14與一氣道15。

而該射料道14相對於該模穴的一端係可由射出成型機之射料嘴61頂接密合或分離；而該氣道15向外延伸而與該程序控制閥2連通，以由該程序控制閥2來控制該氣道15的啟閉。

該二半模11、12分別設有至少一模穴溫度感測器16 與至少一模穴壓力感測器17，俾以分別偵測該模穴13之溫度與壓力。

而為了讓整個模具1能維持於所需之工作溫度，另外接設有一模溫機5，該模溫機5係為習知技術而非本發明之特徵故未予詳述，另該模溫機5具有至少一模具溫度感測器51，而該模具溫度感測器51係設置於該模具1中，俾以偵測及控制模具1之工作溫度。

該反壓氣體供給單元3具有一反壓氣體源31，於本實施例中係使用氮氣或二氧化碳為反壓氣體源，該反壓氣體源31經一壓縮機32加壓後通過一高壓氣體PID控制閥33，再由一第一分流閥34連通至該程序控制閥2，並於該高壓氣體PID控制閥33處接設一氣體溫度感測器35，且使用一控制單元36連接該高壓氣體PID控制閥33與該氣體溫度感測器35，俾以透過該控制單元36與該高壓氣體PID控制閥33共同控制反壓氣體源31之輸出。

該高溫氣體供給單元4具有一空氣壓縮機41，以供給所需之氣體，該空氣壓縮機41依序連接一空氣乾燥器42、一流量計43，再經一第二分流閥44連接至一加熱器45後連接至該程序控制閥2，俾以供給高溫氣體經由該氣道15至該模穴13。

再者，該高溫氣體供給單元4之第二分流閥44係與該反壓氣體供給單元3之第一分流閥34連通，而可由該反壓氣體供給單元3供給反壓氣體，經該第一分流閥34與該第二分流閥44至該加熱器45加熱後，再供給高溫之反壓氣體經由該程序控制閥2及該氣道15至該模穴13。

再請參閱第2圖，其係本發明之動作流程示意圖。以下茲以其中一種控制方式配合第2圖來說明本發明之動作流程。本發明之模穴氣體反壓與溫度控制裝置進行超臨界流體發泡成型工作時，係事先選定所欲使用材料，並設定超臨界流体發泡成型技術之相關參數，而後將該二半模11、12合模，如第2圖中之(a)所示；再由該高溫氣體供給單元4將加熱後之高溫氣體經該程序控制閥2控制，而由該氣道15送至該模穴13，再由該射料道14排出，以由高溫氣體對模穴13表面進行加熱，如第2圖中之(b)所示。

待模穴13表面被加熱至所需之溫度後，再使射出成型機之射料嘴61頂出而與該射料道14密合，並且由該程序控制閥2控制停上高溫氣體進入該模穴13，改由該反壓氣體供給單元3供給反壓氣體經該氣道15至該模穴13，如第2圖中之(c)所示；至該模穴13內的反壓氣體達到所需之壓力後，由該程序控制閥2控制停上供給反壓氣體，並切換至壓力洩放閥之形態。

接下來，由該射出成型機之射料嘴61射出超臨界微細發泡材料，在超臨界微細發泡材料持續射出的過程中，反壓氣體會逐漸由該程序控制閥2洩放，如第2圖中之(d)所示；使該模穴13內之壓力維持固定之恆壓，直至射出動作結束，如第2圖中之(e)所示。

最後，待射出材料冷卻後，即可開模將射出成型之成品頂出。

本發明藉由高溫氣體供給單元4以高溫氣體對模穴13表面作加熱，如此可改善射出成品之表面品質，請參閱第 3圖，其係於不同的模穴表面溫度下射出之成品的表面品質狀況圖，第3圖中之(a)~(e)分別為模穴溫度在60℃、100℃、140℃、180℃及220℃下射出之成品的表面品質狀況，比較第3圖中之(a)~(e)可知，當模穴表面溫度愈高時射出成品之表面品質愈佳，亦即透過對模穴表面溫度之控制可以改善射出成品之表面品質。

而控制氣體壓力亦可以改善表面品質並且能控制發泡的大小與分布的均勻度。

本發明藉由前述之模穴氣體反壓與溫度控制裝置，可以協同控制模穴之溫度與氣體反壓之壓力，例如：欲改善射出成型成品之表面品質時，可控制高溫氣體供給單元4所輸出之氣體溫度，使射出成型之成品具有較佳的表面品質；當欲改善射出成型成品之發泡大小及均勻性時，可控制反壓氣體供給單元3所輸出之反壓氣體壓力，使射出成型成品具有適當的發泡的小及均勻性；當欲改善射出成型成品之表面品質與發泡大小及均勻性時，可協同控制高溫氣體供給單元4所輸出之氣體溫度及反壓氣體供給單元3所輸出之反壓氣體壓力，使射出成型成品具有較佳的表面品質與適當的發泡的大小及均勻性；或是控制該反壓氣體供給單元3輸出之反壓氣體壓力並使反壓氣體經該第一分流閥34與該第二分流閥44至該加熱器45加熱至所需溫度後後，再供給高溫之反壓氣體該模穴13同時進行表面升溫與建立反壓壓力，使射出成型成品具有較佳的表面品質與適當的發泡的大小及均勻性。

以上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的 技術手段之較佳實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

1‧‧‧模具

11、12‧‧‧半模

13‧‧‧模穴

14‧‧‧射料道

15‧‧‧氣道

16‧‧‧模穴溫度感測器

17‧‧‧模穴壓力感測器

2‧‧‧程序控制閥

3‧‧‧反壓氣體供給單元

31‧‧‧反壓氣體源

32‧‧‧壓縮機

33‧‧‧高壓氣體PID控制閥

34‧‧‧第一分流閥

35‧‧‧氣體溫度感測器

36‧‧‧控制單元

4‧‧‧高溫氣體供給單元

41‧‧‧空氣壓縮機

42‧‧‧空氣乾燥器

43‧‧‧流量計

44‧‧‧第二分流閥

45‧‧‧加熱器

5‧‧‧模溫機

51‧‧‧模具溫度感測器

61‧‧‧射料嘴

第1圖係本發明之結構示意圖；第2圖係本發明之動作流程示意圖；及第3圖係不同模穴表面溫度下射出之成品的表面品質狀況圖。

1‧‧‧模具

11、12‧‧‧半模

13‧‧‧模穴

14‧‧‧射料道

15‧‧‧氣道

16‧‧‧模穴溫度感測器

17‧‧‧模穴壓力感測器

2‧‧‧程序控制閥

3‧‧‧反壓氣體供給單元

31‧‧‧反壓氣體源

32‧‧‧壓縮機

33‧‧‧高壓氣體PID控制閥

34‧‧‧第一分流閥

35‧‧‧氣體溫度感測器

36‧‧‧控制單元

4‧‧‧高溫氣體供給單元

41‧‧‧空氣壓縮機

42‧‧‧空氣乾燥器

43‧‧‧流量計

44‧‧‧第二分流閥

45‧‧‧加熱器

5‧‧‧模溫機

51‧‧‧模具溫度感測器

61‧‧‧射料嘴

Claims (16)

1. 一種模穴氣體反壓與溫度控制裝置，其係包括：一模具，係由兩個可被控制開、合之半模組成，該模具具有至少一模穴，且該模具設有貫通至該模穴的一射料道與至少一氣道；一反壓氣體供給單元，俾以供給反壓氣體經由該氣道至該模穴；一高溫氣體供給單元，俾以供給高溫氣體經由該氣道至該模穴；以及一程序控制閥，係連接該反壓氣體供給單元、該高壓氣體供給單元與該模具之至少一氣道，以控制氣體離開該反壓氣體供給單元與該氣體離開該高溫氣體供給單元，以及該氣體由該模具之至少一氣道流入與離開該模具。
2. 依申請專利範圍第1項所述之模穴氣體反壓與溫度控制裝置，其中該高溫氣體供給單元具有一加熱器，俾以加熱氣體後輸出高溫氣體。
3. 依申請專利範圍第2項所述之模穴氣體反壓與溫度控制裝置，其中該反壓氣體供給單元具有一第一分流閥，該第一分流閥係分別連接至該程序控制閥及該高溫氣體供給單元。
4. 依申請專利範圍第2項所述之模穴氣體反壓與溫度控制裝置，其中該高溫氣體供給單元具有一空氣壓縮機，以供給所需之氣體至該加熱器。
5. 依申請專利範圍第4項所述之模穴氣體反壓與溫度控制 裝置，其中該空氣壓縮機係連接至一第二分流閥，而該反壓氣體供給單元具有一第一分流閥，該第一分流閥係分別連接至該程序控制閥及該第二分流閥。
6. 依申請專利範圍第1項所述之模穴氣體反壓與溫度控制裝置，其中該高溫氣體供給單元具有一空氣乾燥器。
7. 依申請專利範圍第1項所述之模穴氣體反壓與溫度控制裝置，其中該高溫氣體供給單元具有一流量計。
8. 依申請專利範圍第1項所述之模穴氣體反壓與溫度控制裝置，其中該反壓氣體供給單元具有一反壓氣體源。
9. 依申請專利範圍第8項所述之模穴氣體反壓與溫度控制裝置，其中係使用氮氣或二氧化碳為反壓氣體源。
10. 依申請專利範圍第8項所述之模穴氣體反壓與溫度控制裝置，其中該反壓氣體供給單元具有一壓縮機，俾以提高反壓氣體之壓力。
11. 依申請專利範圍第1項所述之模穴氣體反壓與溫度控制裝置，其中該反壓氣體供給單元設有一高壓氣體PID控制閥。
12. 依申請專利範圍第11項所述之模穴氣體反壓與溫度控制裝置，其中該高壓氣體PID控制閥接設有一氣體溫度感測器。
13. 依申請專利範圍第1項所述之模穴氣體反壓與溫度控制裝置，其中該模具中設有至少一模穴溫度感測器。
14. 依申請專利範圍第1項所述之模穴氣體反壓與溫度控制裝置，其中該模具中設有至少一模穴壓力感測器。
15. 依申請專利範圍第1項所述之模穴氣體反壓與溫度控 制裝置，其中該模具接設有一模溫機。
16. 依申請專利範圍第15項所述之模穴氣體反壓與溫度控制裝置，其中該模溫機具有至少一模具溫度感測器，該模具溫度感測器係設置於該模具中。