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研究生:蕭宇倫
研究生(外文):Yu-Lun Hsiao
論文名稱:模內氣體反壓與動態模溫協同控制系統應用於超臨界微細發泡射出成型發泡控制及產品機械性質之研究
論文名稱(外文):Study of Foaming Control and Part Mechanical Properties During Microcellular Injection Molding Process via a Mechanism of Gas Counter Pressure and Dynamic Mold Temperature Variation
指導教授:陳夏宗陳夏宗引用關係
指導教授(外文):Shia-Chung Chen
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:機械工程研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2011
畢業學年度:99
語文別:中文
論文頁數:100
中文關鍵詞:超臨界微細發泡射出成型機械性質動態模溫氣體反壓
外文關鍵詞:Mechanical PropertiesSurface RoughnessMicrocellular Injection MoldingMold Temperature ControlGas Counter Pressure
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超臨界微細發泡射出成型(Microcellular Injection Molding Process, MuCell) ,擁有節能省料、尺寸穩定性佳、流動性佳等許多優點,但MuCell成型品的表面缺陷使MuCell技術在產品的應用性下降。近年來關於MuCell成型所造成的表面缺陷已有許多解決方法而這些方法會改變MuCell成型品中的氣泡尺寸與分佈,而改善後成品之發泡品質與機械性質的影響性至今未被廣泛討論。本研究使用現今在MuCell表面品質改善較具成效的兩項技術,其一為模穴內氣體反壓(Gas Counter Pressure, GCP)機制;其二為動態模溫協同控制,分別透過壓力與模溫來控制熔膠中超臨界流體(Super Critical Fluid, SCF)的發泡過程和品質,最後將兩項技術同時應用於MuCell成型中,觀察各種改善方法對於發泡品質與機械性質的影響。
研究結果顯示,GCP對於控制氣泡、增加凝固層厚度較具效果,當凝固層厚度增加,拉伸強度也隨之提高,而衝擊強度則下降;動態模溫則對於氣泡尺寸增大與降低凝固層較為明顯,平均氣泡尺寸越大,拉伸強度下降越多,而衝擊強度在平均氣泡尺寸30μm以下無明顯增加,30μm ~ 80μm能有效增加衝擊強度,而在80μm以上衝擊強度隨著平均氣泡尺寸越大而降低。同時使用GCP與動態模溫控制,可使MuCell成型品中凝固層較GCP來的薄,而平均氣泡尺寸也較動態模溫來的小且均勻,這對拉伸與衝擊強度來說,皆可達到較佳的效用。以拉伸強度而言,獲得控制的氣泡會較動態模溫控制來的高出許多,在同一模溫下約提升10%;就衝擊強度來說,在同一GCP參數且平均氣泡尺寸佳的情況下,提高模溫可使凝固層變薄,這有助於提高衝擊強度。

Microcellular injection molding (MuCell) offers many advantages such as material and energy saving, melt viscosity and warpage reduction, but the application of Mucell technology is not common due to the defects of surface quality. There are some new ways to improve the surface quality of Mucell molded part in recent years, but the mechanical properties still have not been widely discussed. The purpose of this study is to develop a foaming control by Gas Counter Pressure (GCP) combined with mold temperature control technology during MuCell process and to investigate its relevant influence on mechanical properties.
The results reveal that under GCP control alone, it can effectively influence the foam qualities and the thickness of Frozen layer, also increase the tensile strength but decrease the Impact strength; the lower the mold temperature control for the frozen layer, the more obvious bubble size increase; the greater the average bubble size, the lower the tensile strength is, and the impact strength does not increase until the average bubble size increase to 30μm ~80μm. The impact strength will decrease while average bubble size is bigger than 80μm.Using both GCP and dynamic mold temperature control, the thickness of the frozen layer is thinner than using GCP only, and the average bubble size is smaller and more uniform than using dynamic mold temperature control only. In this case both tensile strength and impact strength has a better performance. For tensile strength, the numbers of controlled bubbles would be 10% more than only using dynamic mold temperature control in the same mold temperature; for the impact strength, in the same parameters and the uniform bubble size GCP, the mold temperature can improve the thin solidified layer, which can improve the impact strength.

目錄
中文摘要 I
Abstract II
致謝 III
目錄 IV
表目錄 VIII
圖目錄 IX
第一章 序論 1
1-1 前言 1
1-2 超臨界流體 2
1-3 超臨界微細發泡射出成型 4
1-3-1 MuCell製程步驟 5
1-3-2 MuCell優缺點 6
1-4 參考文獻 9
1-5 動機與目的 12
1-6 本文架構 13
第二章 超臨界微細發泡成型原理與機械性質計算 21
2-1超臨界微細發泡成型背景 21
2-2超臨界微細發泡成型特性 21
2-2-1化學發泡 22
2-2-2物理發泡 22
2-3超臨界微細發泡成型理論 22
2-3-1壓力的影響 22
2-3-2溫度的影響 24
2-4機械性質 27
2-4-1拉伸強度 27
2-4-2衝擊強度 29
第三章 實驗設備與方法 34
3-1實驗材料 34
3-2超臨界微細發泡射出成型相關設備 34
3-2-1 MuCell專用射出成型機 34
3-2-2超臨界流體輸送系統 35
3-3-3除濕乾燥機 35
3-3模內氣體反壓設備 36
3-3-1氣體增壓機 36
3-3-2氣體壓力控制系統 36
3-3-3高壓氣體調節閥 36
3-4動態模溫控制設備 37
3-5模具設計 37
3-5-1拉伸試片 37
3-5-2衝擊試片 38
3-6量測儀器 38
3-6-1壓力及溫度感測器 38
3-6-2 SEM 38
3-7機械性質檢測設備 39
3-7-1萬能試驗機 39
3-7-2擺鎚式衝擊試驗機 39
3-8實驗與量測方法 39
3-8-1實驗方法 39
3-8-2量測方法 41
第四章 氣體反壓和動態模溫對發泡品質與機械性質量測結果 57
4-1氣體反壓應用於超臨界微細發泡成型 57
4-1-1發泡品質 58
4-1-2拉伸強度 59
4-1-3衝擊強度 60
4-2動態模溫應用於超臨界微細發泡成型 60
4-2-1發泡品質 61
4-2-2拉伸強度 62
4-2-3衝擊強度 62
4-3氣體反壓與動態模溫應用於超臨界微細發泡成型 63
4-3-1發泡品質 63
4-3-2拉伸強度 64
4-3-3衝擊強度 64
第五章 結論與未來展望 82
5-1結論 82
5-2 未來展望 83
參考文獻 85
作者簡歷 88


表目錄
表1-1 超臨界溫度(Tc)及壓力(Pc)比較表 15
表1-2 超臨界流體物理性質比較表 15
表3-1 超臨界射出成型實驗參數表 43
表3-2 氣體反壓應用於MuCell射出成型實驗參數表 43
表3-3 動態模溫應用於MuCell射出成型實驗參數表 44
表4-1 氣體反壓對衝擊強度實驗結果數據 66
表4-2 動態模溫控制對衝擊強度實驗結果數據 67
表4-3 氣體反壓與動態模溫控制對衝擊強度實驗結果數據 67


圖目錄
圖1-1 超臨界流體三相圖 16
圖1-2 超臨界流體狀態 16
圖1-3 利用氮氣及二氧化碳之發泡效果比較(Trexel) 17
圖1-4 MuCell超臨界流體微細發泡射出成型之氣泡分布(Trexel) 17
圖1-5 超臨界微細發泡射出成型製程 18
圖1-6 傳統射出成型與超臨界射出成型週期比較 18
圖1-7 噴泉流帶動氣泡至成品表面 18
圖1-8 缺陷:銀絲痕(Sliver Streaks) 19
圖1-9 缺陷:漩渦紋(Swirl Marks) 19
圖1-10 缺陷:內泡(Internal Blisters) 19
圖1-11 缺陷:表面起泡(Surface Blisters) 20
圖1-12 缺陷:爆裂(Blowouts) 20
圖1-13 缺陷:縮孔(Dents) 20
圖2-1 拉伸示意圖 32
圖2-2 應力-應變圖 32
圖2-3 擺錘試驗角度示意圖 33
圖3-1 德國ARBURG 420C MuCll專用射出成型機(ARBURG) 45
圖3-2 Shut-off Nozzle止逆式射嘴(ARBURG) 45
圖3-3 SCF超臨界流體產生器 46
圖3-4 SCF超臨界流體注射器 46
圖3-5 MPP壓力控制系統 47
圖3-6 晏邦DHM-A1除濕乾燥機 47
圖3-7 氣體增壓機 48
圖3-8 朔捷氣體壓力與流量調控系統 48
圖3-9 高壓氣體調節閥 49
圖3-10 百陽高油溫模溫機 49
圖3-11 百陽可變模溫控制器 50
圖3-12 O型環(密封)與石棉板(絕熱) 50
圖3-13 加熱油路與冷卻管路配置 51
圖3-14 油壓錶 51
圖3-15 衝擊試片切角機 52
圖3-16 拉伸試片尺寸 (unit:mm) 52
圖3-17 衝擊試片尺寸 (unit:mm) 52
圖3-18 壓力感測器Priamus 6003A 53
圖3-19 溫度感測器Priamus 4004A 53
圖3-20 訊號擷取系統Priamus e-DaqTM 810 53
圖3-21 冷場發射槍掃描式電子顯微鏡Hitachi S-4800 54
圖3-22 試片量測位置 54
圖3-23 凝固層與平均氣泡尺寸拍攝位置與放大倍率 55
圖3-24 離子鍍膜機E-1045 55
圖3-25 弘達儀器HT-9102萬能材料試驗機 56
圖3-26 弘達儀器HT-8041B Izod衝擊試驗機 56
圖4-1 成型品截面圖定義 68
圖4-2 不同反壓與持壓時間下SEM量測圖 69
圖4-3 氣體反壓對凝固層的影響 70
圖4-4 氣體反壓對平均氣泡尺寸的影響 70
圖4-5 氣體反壓對拉伸強度的影響 70
圖4-6 氣體反壓對衝擊強度的影響 71
圖4-7 不同動態模溫控制下SEM量測圖 71
圖4-8 動態模溫控制對凝固層的影響 72
圖4-9 動態模溫控制對平均氣泡尺寸的影響 72
圖4-10 動態模溫控制對拉伸強度的影響 73
圖4-11 動態模溫控制對衝擊強度的影響 73
圖4-12 不同氣體反壓與動態模溫下SEM量測圖(a)模溫:60℃;(b) 模溫:90℃;(c)模溫:120℃ 75
圖4-13 不同氣體反壓與動態模溫對凝固層的影響(a)模溫:60℃;(b) 模溫:90℃;(c)模溫:120℃ 77
圖4-14 不同氣體反壓與動態模溫對平均氣泡尺寸的影響(a)模溫:60℃;(b) 模溫:90℃;(c)模溫:120℃ 78
圖4-15 不同氣體反壓與動態模溫對拉伸強度的影響(a)模溫:60℃;(b) 模溫:90℃;(c)模溫:120℃ 80
圖4-16 不同氣體反壓與動態模溫對衝擊強度的影響(a)模溫:60℃;(b) 模溫:90℃;(c)模溫:120℃ 81
1.Martini, J.E., Waldman, F. A. and Suh, N. P., “The Production and Analysis of Microcellular Thermoplastic Foam”, SPE ANTEC Technical Papers, Vol. 28, pp. 674 (1982).
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22.王荷翔,”利用變模溫改善超臨界微細發泡成品表面品質之研究,私立中原大學機械工程研究所碩士論文” (2007)。
23.許評順,”模內氣體反壓與動態模溫機制應用於超臨界微細發泡射出成型發泡控制與表面品質影響之研究,私立中原大學機械工程研究所博士論文” (2011)。
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