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运用发泡剂开发大尺寸快速模具 兼具环保与低成本
 

【作者: 明志科大機械系】2021年12月28日 星期二

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近年来,极端气候越来越频繁,唯有节能减碳才能拯救地球。为了解决此问题,本研究运用发泡剂开发兼具环保与低成本的大尺寸快速模具,中介模具为三明治结构,表面层材料为矽胶、中间层材料为聚胺酯发泡剂以及顶面层材料为矽胶,固化后的矽胶与聚胺酯发泡剂之间结合性佳,不容易产生分离。本文中研制的中介模具,可以运用于制作大尺寸快速模具。此技术可以落实于新产品研发所需的快速模具制程上,并符合绿色模具制造技术。


前言

运用快速模具技术[1-10]于新产品研发已相当成熟,并且有许多成功案例,但由于金属树脂使用后随便丢弃会造成环境污染,因此将使用后的金属树脂回收再利用是值得研究与探讨的课题。废弃物与可用资源的界定只是一念之间,若能有效率地运用废弃物,不但可以减轻环保的负担,更能降低原料成本并制造商业契机,让地球资源得以充分的被利用。本研究基于节约资源以及减少废弃物污染环境的概念下,运用发泡剂开发低成本的大尺寸快速模具。


实验方法与步骤

本研究所使用材料包括聚胺酯发泡剂(polyurethane foam)、金属树脂、环氧树脂、聚乳酸(polylactic acid;PLA)线材(filament)、丙烯?-苯乙烯-丁二烯共聚物线材、矽胶主剂、矽胶硬化剂、聚甲醛(Polyoxymethylene;POM)板、蜡及分散剂(dispersant)。本研究所使用设备包括直接金属列印机(Direct Metal Printing;DMP)、HM-230 FDM 3D列印机、uPrint 3D列印机、铣床、真空注型机、恒温烤箱、精密电子秤、数位多段式真空注蜡机、白光干涉仪(White Light Interferometers;WLI)以及金相显微镜。


图1为异形冷却水路设计的示意图,根据产品厚度w为3mm,本研究选择冷却水路管径d为10 mm,冷却水路管径中心与模具表面距离a为1.5倍管径,因此冷却水路管径中心与模具表面距离为15 mm,冷却水路与冷却水路的中心距离b为2.5倍管径,因此冷却水路与冷却水路的中心距离为25 mm。



图1 : 异形冷却水路设计的示意图
图1 : 异形冷却水路设计的示意图

制作具有异形冷却水路的大尺寸快速模具流程为:


(a)运用3 D列印技术制作研究载具:研究载具为一跑车的车壳(shell),长度、宽度与高度分别为 310 mm、150 mm 与90 mm,制作研究载具的材质为ABS,研究载具实体图,如图2所示;


(b)将研究载具置于模框内;


(c)中介模具(intermediary mold)制作,图3为具经济效益的中介模具制作流程示意图;


(d)根据研究载具的大小与外形轮廓设计与制作公模仁内的顺形冷却水路,如图4所示;


(e)将中介模具与研究载具置于模框内并喷涂离形剂;


(f)将公模仁内的蜡材顺形冷却水路与定位治具置于模框内;


(g)金属树脂模具材料制备与浇注:为了减少金属树脂模具制作成本,本研究使用金属树脂再生粉末与环氧树脂的最佳混合物来制作快速模具;


(h)公模仁制作完成;


(i)将公模仁与研究载具置于模框内并喷涂离形剂;


(j)再将母模仁内的蜡材顺形冷却水路与定位治具置于模框内;


(k)金属树脂模具材料制备与浇注;


(l)母模仁制作完成;


(m)去除公、母模仁内的蜡材顺形冷却水路;


(n)内部具有顺形冷却水路的大尺寸快速模具;


(o)大尺寸快速模具后硬化处理:后硬化程序涵盖两阶段:将金属树脂模具置入烤箱,以100 ℃烘烤1个小时后,再以150 ℃烘烤1-2个小时。



图2 : 研究载具实体图
图2 : 研究载具实体图

图3 : 具经济效益的中介模具制作流程示意图(a)准备研究载具;(b)研究载具置放於模框内;(c)浇注矽胶;(d)喷涂发泡剂;(e)浇注矽胶;(f)中介模具制作完成。
图3 : 具经济效益的中介模具制作流程示意图(a)准备研究载具;(b)研究载具置放於模框内;(c)浇注矽胶;(d)喷涂发泡剂;(e)浇注矽胶;(f)中介模具制作完成。

图4 : 公母模顺形冷却水路的设计图
图4 : 公母模顺形冷却水路的设计图

为了研究具有几何形状复杂异形冷却水路大尺寸快速的冷却效率,本研究建构一套射出成型模具冷却系统,如图5所示。


此系统的系由压力阀、12V电源供应器、温度感测棒、加热器、热电致冷晶片(thermoelectric cooler)以及温度控制器、k型式热电偶、资料收集器、水循环泵、冷却液调整阀以及冷却液流量计(flow meter)所组成。低压射蜡参数为射蜡温度为82 ℃、射蜡压力为0.6 kgf/cm2以及射蜡时间为40秒,当快速模具进行低压射蜡后,即进行产品的温度变化资料收集,资料收集器每一秒钟纪录一笔资料。


冷却效率的计算是从快速模具进行低压射蜡后,待蜡型冷却至脱模温度(demolding temperature)的时间,本研究设定脱模温度为30 °C。为了研究低压射蜡矽胶快速模具具有顺形冷却水路与不具有顺形冷却水路在冷却时间的差异性,本研究控制出水口温度为室温约27 ℃,并于温度资料收集器安装三条热电偶,通道(channel)一纪录快速模具内部蜡型的温度与时间关系、通道二纪录具有随形冷却水快速模具的入水口温度与时间关系,以及通道三纪录具有随形冷却水快速模具的出水口温度与时间关系。



图5 : 具有几何形状复杂异形冷却水路大尺寸快速的冷却效率系统示意图
图5 : 具有几何形状复杂异形冷却水路大尺寸快速的冷却效率系统示意图

结果与讨论

中介模具的功能为最后一道浇注大尺寸快速模具所需要的模具,此中介模具仅使用一次,而且中介模具的最重要的部分为模具表面,所以本研究以矽胶材料来制作中介模具的表面层,为了节省制作大尺寸快速模具所需的中介模具的制作费用,本研究提出以聚胺酯发泡剂材料做为中介模具的背衬材料(backing materials)。图6为聚胺酯发泡剂未搅拌与有搅拌的发泡结果,结果发现,有搅拌的发泡结果成形后的成品气孔较小而且较少,材料分布也比较均匀,所以成形后的成品强度也较佳。


由于本研究的中介模具为三明治结构(sandwich structure),表面层材料为矽胶、中间层材料为聚胺酯发泡剂以及顶面层材料为矽胶。为了研究矽胶上面浇注聚胺酯发泡剂以及聚胺酯发泡剂上面浇注矽胶的成形性,分别将固化后的矽胶上面浇注聚胺酯发泡剂以及固化后的聚胺酯发泡剂浇注矽胶,结果如图7~8所示。


结果发现矽胶与聚胺酯发泡剂的间结合性佳,不容易产生分离。因此可以结合矽胶与聚胺酯发泡剂来制作中介模具,运用此方法所制作中介模具的结构实体图,如图9所示。



图6 : 聚胺酯发泡剂的发泡结果(a)未搅拌;(b)有搅拌
图6 : 聚胺酯发泡剂的发泡结果(a)未搅拌;(b)有搅拌

图7 : 矽胶上面浇注聚涞窬发泡剂的成形结果
图7 : 矽胶上面浇注聚涞窬发泡剂的成形结果

图8 : 聚涞窬发泡剂上面浇注矽胶的成形结果
图8 : 聚涞窬发泡剂上面浇注矽胶的成形结果

图9 : 中介模具的结构实体图
图9 : 中介模具的结构实体图

图10为制作大尺寸快速模具的中介模具实体图。本研究模框使用的矽胶每公斤售价为735元以及发泡剂每公斤售价为300元,如果整体中介模具是运用传统方法来制作,约需使用22公斤的矽胶,中介模具的制作成本约为16,170元。然而运用本研究所提出的方法来中介模具,仅约需使用10公斤的矽胶以及2.5公斤的聚胺酯发泡剂,中介模具的总制作成本约为8,100元。所以,运用本研究所提出的方法来制作中介模具节省制作成本约为8,070元,节省比例约为50%。



图10 : 制作大尺寸快速模具的中介模具实体图
图10 : 制作大尺寸快速模具的中介模具实体图

当中介模具制作完成后,即可运用此中介模具来制作不具异形冷却水路与具有几何形状复杂异形冷却水路的大尺寸快速模具。本研究调配再生金属树脂粉末与环氧树脂来制作不具异形冷却水路大尺寸快速模具,此方法对于制作大尺寸快速模具非常实用与具备经济效益。图11为不具异形冷却水路的大尺寸快速模具实体图,快速模具的长、宽与高分别为470 mm、270 mm与180 mm。全新金属树脂材料TE-375每公斤3000元、环氧树脂174 A每公斤750元、环氧树脂174 B每公斤750元。制作此副需使用55.973公斤材料,此副模具如全部使用新金属树脂材料来制作约需花费167,919元;如果不考量制作再生金属树脂粉末的加工成本条件下,运用本研究的方法来制作不具异形冷却水路大尺寸快速模具,模具制作成本仅需花费27,986元,节省模具制作成本约为139,939元,节省模具制作成本比例约可高达83.4%。其中,本研究制作不具异形冷却水路的大尺寸快速模具需使用18.659公斤再生金属树脂粉末、27.986公斤环氧树脂174 A以及9.328公斤环氧树脂174 B。



图11 : 不具异形冷却水路的大尺寸快速模具实体图
图11 : 不具异形冷却水路的大尺寸快速模具实体图

图12为具有几何形状复杂异形冷却水路的大尺寸快速模具,于制作过程使用中介模具情形;图13为具有几何形状复杂异形冷却水路的大尺寸快速模具实体图。制作此副需使用55.691公斤材料,此副模具如全部使用新金属树脂材料来制作约需花费167,073元;如果不考量制作再生金属树脂粉末的加工成本条件下,运用本研究的方法来制作不具异形冷却水路大尺寸快速模具,模具制作成本仅需花费27,845元,节省模具制作成本约为139,228元,节省模具制作成本比例约可高达83.4%。


其中,本研究制作不具异形冷却水路的大尺寸快速模具需使用18.565公斤再生金属树脂粉末、27.845公斤环氧树脂174 A以及9.281公斤环氧树脂174 B。图15为研究载具与运用具有几何形状复杂异形冷却水路大尺寸快速模具的射出成型产品实体图。



图12 : 具有几何形状复杂异形冷却水路的大尺寸快速模具於制作过程使用中介模具情形
图12 : 具有几何形状复杂异形冷却水路的大尺寸快速模具於制作过程使用中介模具情形

图13 : 具有几何形状复杂异形冷却水路的大尺寸快速模具实体图
图13 : 具有几何形状复杂异形冷却水路的大尺寸快速模具实体图

图14 : 研究载具与运用具有几何形状复杂异形冷却水路大尺寸快速模具的射出成型产品实体图
图14 : 研究载具与运用具有几何形状复杂异形冷却水路大尺寸快速模具的射出成型产品实体图

综观上述成果,本研究成果具备产业利用性与工业实用价值,因为本研究成果特色涵盖:


(a)大尺寸快速模具一体成形:图15为运用快速模具技术所制作具异形冷却水路的模具示意图,优点为冷却液于射出成形过程中不会产生泄漏问题,然而运用复合加工方式制作具异形冷却水路的模具缺点为模具加工定位问题、模具加工变形问题以及模具使用中接合处冷却液泄漏问题;


(b)可以开发低成本大尺寸快速模具:本研究所研制的大尺寸快速模具的长、宽与高分别为500 mm、350 mm与300 mm,此一特色是运用直接金属堆积技术(Direct Metal Deposition;DMD),直接金属雷射烧结技术(Direct Metal Laser Sintering;DMLS)比较难制作,主要的原因受限于工作腔体(working chamber)的尺寸;


(c)异形冷却水路设计自由度高:运用扩散焊接技术制作具有异形冷却水路模具,由于本身加工法的限制,使得异形冷却水路的设计自由度受到限制。


然而运用本研究所提出的方法,异形冷却水路的设计自由度高,设计者在设计异形冷却水路时不会受到限制,因此可以使得异形冷却水路可以更贴近产品轮廓。


因此,本研究成果具备产业利用性与工业实用价值,本技术可以提供精密机械相关产业于研发阶段所需占用模具的异形冷却水路设计参考。此外,运用本研究所研制具有冷却水路的低压射蜡快速模具,可以快速进行蜡型制作,并运用于制作客制化金属零件。



图15 : 运用快速模具技术所制作具异形冷却水路的模具示意图
图15 : 运用快速模具技术所制作具异形冷却水路的模具示意图

结论

本研究运用发泡剂开发低成本的大尺寸快速模具,研究结论如下所示:


1.中介模具制作过程中,有搅拌的发泡结果成形后的成品气孔较小而且较少,材料分布也比较均匀。


2.中介模具为三明治结构,表面层材料为矽胶、中间层材料为聚胺酯发泡剂以及顶面层材料为矽胶,固化后的矽胶与聚胺酯发泡剂的间结合性非常佳,不容易产生分离。


3.运用发泡剂制作中介模具,可以节省中介模具制作成本约为8,070元,节省比例约为50%。本研究所研制的中介模具,可以运用于制作大尺寸快速模具。节省大尺寸快速模具制作成本约可高达83.4 %。


4.本研究成果具备产业利用性与工业实用价值,此技术可以落实于新产品研发所需的快速模具制程上并符合绿色模具制造技术。


(本文作者郭启全1、朱益均2、林仕勋3、吴英志4为明志科技大学1机械工程系教授、2智慧医疗研究中心教授、3研究生、4专题生)


参考资料

[1] c。


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