用於製造空心注塑產品的水溶性芯材

1. 概述：

圖 1. 利用水溶性芯材和（a）殼材製備空心產品的製備流程；（b）製備帶殼水溶性芯材；（c）將兩個芯材殼材包覆在模腔中；（d）成型皮層；（e）將產品從模具中取出；（f）切掉在模芯中；（d）成型皮層；（e）將產品從模具中取出；（f）切芯（g）將產品（g）浸入產品中以將產品浸入）。

2. 摘要或引言

摘要：採用傳統方法製造無需任何組裝工序的複雜空心產品，例如塑膠進氣歧管，是十分困難的。 射出成型方法。為了解決這個問題，人們開發了熔芯技術，該技術使用低熔點合金作為犧牲芯；然而，樹脂類型選擇有限以及巨大的資本投入導致該技術推廣緩慢。本文建立了一種新方法，可以生產出類似的產品，且不受樹脂類型的限制，同時能耗更低。本文提出了一種包覆芯的概念，即由水溶性芯材和外殼組裝而成；它既能提供剛性又能提供韌性，以抵抗過程中的壓力。 射出成型工藝流程：包覆型芯的形狀與目標產品的內輪廓一致。採用嵌件成型工藝，在包覆型芯表麵包覆一層表皮。切掉包覆型芯的末端，將其浸入水浴中。當殼內的水溶性芯材溶解後，即可得到具有特定內輪廓的產品。以三通接頭為例，展示了此方法的應用。採用田口方法確定了型芯的最佳成分和製程參數。結果表明，當型芯的抗壓強度大於2 MPa時，該產品能夠成功成型。此外，最佳樣品的內輪廓偏心率提高了56%，且型芯取出所需時間小於154 s。

3. 研究背景：

研究主題背景：

採用傳統方法製造複雜的空心產品，例如塑膠進氣歧管。 射出成型這些方法面臨許多挑戰。傳統方法通常需要將產品拆分成多個子組件，然後進行機械緊固或黏合等組裝工序。這些組裝步驟會增加製造成本，累積尺寸誤差[5,6]，並在最終產品中形成薄弱點，可能導致在高壓或重載下發生故障。此外，黏接過程可能涉及化學溶劑，從而造成環境污染。

現有研究現況：

現有的空心產品製造技術包括“可拆卸或可塌陷型芯技術”，例如金屬鑄造的砂芯[7]和樹脂傳遞模塑(RTM)的聚合物型芯，如聚甲醛(POM)或聚苯乙烯(PS)泡沫。鹽芯也因其「良好的水溶性」而被廣泛應用[7-11]。然而，“RTM製程產生的壓力遠低於塑膠射出成型製程”，這使得脆性鹽芯在成型過程中容易發生開裂和型芯移位。 射出成型使用低熔點合金作為犧牲芯的「熔芯技術」[12]改進了這些方法，但存在「樹脂類型選擇有限和資本投入巨大」的缺點。另一種使用「水溶性聚乙烯醇（PVOH）圖案」[13]的方法也存在，但它與熔芯技術的區別在於其模腔內的支撐機制。

研究的必要性：

儘管目前已有空心產品製造方法，但仍需改進，尤其是在以下方面： 射出成型，用於生產「特殊空心產品」。目前的方法，例如熔芯技術，在樹脂相容性和成本方面存在局限性，而鹽芯技術則難以直接應用於… 射出成型由於其脆性，因此需要一種新的方法來克服這些限制，並實現透過以下方式高效、靈活地製造複雜的空心零件： 射出成型。

4. 研究目的與研究問題：

研究目的：

本研究旨在建立一種利用…製造複雜空心產品的新方法 射出成型針對現有技術的局限性，本文提出的方法著重於“由水溶性芯材與外殼組裝而成的包覆芯材”，旨在生產“不受樹脂類型限制且能耗更低”的產品。此方法旨在提供一種「兼具剛性和韌性，能夠承受壓力」的芯材。 射出成型過程」。

主要研究：

主要研究方向包括：

1. 開發和表徵由氯化鈉（鹽）和海藻糖（黏合劑）組成的水溶性核心材料。
2. 設計和實施一種採用水溶性芯材和塑膠外殼的「包覆式芯材」系統。
3. 利用田口方法優化“芯材成分和加工參數”，以獲得足夠的芯材強度。
4. 透過製造具有複雜內部輪廓的三通接頭產品來證明所提出方法的可行性。
5. 評估「黏合劑含量、施加壓力、加工溫度和加工時間對模塑產品的芯材強度和尺寸精度以及芯材去除率的影響」。

研究假設：

該研究假設：

1. 由水溶性芯材和塑膠外殼組成的包覆式芯材，可以承受以下壓力： 射出成型與裸露的水溶性核心不同。
2. 利用田口方法優化水溶性芯材的組成（鹽和黏合劑的比例）和加工參數（壓力、溫度、時間），可以製備出具有足夠抗壓強度的芯材。 射出成型。
3. 所提出的包覆芯材方法將能夠製造具有複雜內部幾何形狀的空心產品，例如三通接頭，並提高尺寸精度和芯材去除效率。

5. 研究方法

研究設計：

本研究採用基於田口方法的實驗設計，優化水溶性芯材的配方與加工參數。研究內容包括製備不同成分、不同加工條件下的水溶性芯材，並對所得模塑產品進行機械性質測試與評估。選擇T型接頭產品作為此方法的應用實例。

資料收集方法：

資料收集採用以下方法：

1. 壓縮試驗：採用「宏達試驗機（HT-2402，台灣台中）」依照ASTM D695-15和C473-15標準測量水溶性芯材的抗壓強度。試樣為圓柱形，尺寸為「直徑和高度均為35毫米×35毫米」。
2. 尺寸測量：使用座標測量機（Brown & Sharpe Co., Ltd.，Inspector classic，North Kingston, RI, USA）對模製三通接頭產品的幾何精度進行評估。計算內部輪廓的偏心率以量化尺寸精度。
3. 芯材去除率測量：使用「電導率儀（DFRobot SEN0244）」、「TDS（總溶解固體）探頭」和「資料採集板（DFRduino UNO R3）」測量鹽芯溶解時水浴的電導率變化來確定岩芯去除率。

分析方法：

使用以下方法對收集的數據進行分析：

1. 田口方法：一個「L9(3⁴採用正交表設計實驗，確定岩芯製備的最佳參數。採用訊號雜訊比和變異數分析分析結果，辨識顯著因素。
2. 偏心率計算：使用公式（2）和（3）計算偏心率，以量化內部輪廓與完美圓的偏差。
3. 核心去除率計算：根據電導率測量結果，利用公式（4）計算岩芯去除率。

研究對象及範圍：

研究主要集中在以下幾個方面：

1. 材料：水溶性芯材由「氯化鈉（鹽）」和「海藻糖（黏合劑）」組成，外殼和表皮層由「丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS，POLYLAC PA-757，台灣奇美公司）」製成。
2. 產品：如圖 3 所示，具有特定內部輪廓的 T 型接頭。
3. 製程參數：芯材製備的黏結劑含量、施加壓力、加工時間和加工溫度，以及殼層和皮質的成型參數。 射出成型
4. 如“表2”所示。

6. 主要研究成果：

主要研究成果：

1. 最佳核心參數：田口方法確定了水溶性芯材製備的最佳參數為“A3B3C2D3”，對應於特定的黏合劑含量、施加的壓力、加工時間和加工溫度。
2. 抗壓強度：最佳型芯的抗壓強度達到“3.2 MPa”，比表3中列出的實驗5的最大強度提高了“17.2%”。當型芯的抗壓強度大於2 MPa時，所提出的產品可以「成功成型」。
3. 尺寸精度提升：與採用非最優參數製作的樣品相比，最優樣品的內部輪廓偏心率測量結果顯示「改善了56%」。偏心率從「26.3%降低到11.5%」。
4. 核心移除時間：最佳岩芯的移除所需時間為「小於 154 秒」。

對所呈現數據的分析：

• 圖 7展示了“鹽岩芯的壓縮應力應變曲線及其與設定參數的關係”，顯示了採用不同參數組合製備的岩芯的抗壓強度。
• 圖 9圖「樣品內部輪廓偏心率測量」比較了最佳樣品和損毀樣品在五個位置的偏心率。結果表明，最佳樣品在大多數位置的偏心率值均低於損毀樣品。
• 圖 10圖示為“（a）最低強度組的岩芯去除率和（b）最高強度組的岩芯去除率”，顯示了不同抗壓強度岩芯的溶解速率。強度越高的岩芯溶解所需時間越長。

圖名列表：

圖 2. 設計流程示意圖：（a）指定產品，（b）根據產品內部輪廓產生的殼體模型的兩半，（c）組裝成殼體的核心草圖，（d）包裹的核心，（e）完全覆蓋核心的蒙皮模型，以及（f）切出支撐機構。

圖 3. 指定三通接頭 (K0)、芯材 (K1)、殼體模型 (K2) 和蒙皮層模型 (K3) 的示意圖。

圖 4. (a) 型芯和型腔嵌件的草圖，以及 (b) 測試模具的半側面。

圖 5. (a) 模製產品的偏心率測量和 (b) 為每個樣品測量定義的五個位置。

圖 6. 岩芯去除率測量的示意圖。

圖 7. 鹽岩芯的壓縮應力-應變曲線與設定參數的關係。

圖 8.續

圖 8. (a) 指定產品 T 型接頭的照片；(b) 由最佳參數 A3B3C2D3 製成的樣品的截面圖；以及 (c) 由設定參數 A2B1C2D3 製成的樣品的截面圖。

圖 9. 樣品內部輪廓的偏心率測量。圖 10. (a) 最低強度組的芯材去除率和 (b) 最高強度組的芯材去除率。

• 圖 1. 利用水溶性芯材和（a）殼材製備空心產品的製備流程；（b）製備帶殼水溶性芯材；（c）將兩個芯材殼材包覆在模腔中；（d）成型皮層；（e）將產品從模具中取出；（f）切掉在模芯中；（d）成型皮層；（e）將產品從模具中取出；（f）切芯（g）將產品（g）浸入產品中以將產品浸入）。
• 圖 2. 設計流程示意圖：（a）指定產品，（b）根據產品內部輪廓產生的殼體模型的兩半，（c）組裝成殼體的核心草圖，（d）包裹的核心，（e）完全覆蓋核心的蒙皮模型，以及（f）切出支撐機構。
• 圖 3. 指定三通接頭 (K0)、芯材 (K1)、殼體模型 (K2) 和蒙皮層模型 (K3) 的示意圖。
• 圖 4. (a) 型芯和型腔嵌件的草圖，以及 (b) 測試模具的半側面。
• 圖 5. (a) 模製產品的偏心率測量和 (b) 為每個樣品測量定義的五個位置。
• 圖 6. 岩芯去除率測量的示意圖。
• 圖 7. 鹽岩芯的壓縮應力-應變曲線與設定參數的關係。
• 圖 8. 續。
• 圖 9. 樣品內部輪廓的偏心率測量。
• 圖 10. (a) 最低強度組的芯材去除率和 (b) 最高強度組的芯材去除率。

7. 結論：

主要發現總結：

該研究成功展示了一種利用包覆式水溶性芯材製造空心注塑產品的新方法。主要發現包括：(1) 包覆式芯材概念，將水溶性芯材和外殼結合，能夠實現 射出成型（1）針對複雜空心零件。 （2）採用田口方法進行最佳化，確定了芯材製備的最佳參數，從而提高了抗壓強度。 （3）所提出的方法顯著提高了尺寸精度，偏心率降低了56%。 （4）芯材去除過程高效，最佳芯材的溶解時間小於154秒。

研究的學術意義：

這項研究對以下領域做出了貢獻： 射出成型透過引入和驗證包覆式水溶性芯材的概念，該研究拓展了水溶性芯材的應用範圍，使其從低壓成型製程擴展到高壓成型製程。該研究為水溶性芯材的材料組成和加工參數提供了寶貴的見解，並針對高壓成型製程進行了最佳化。 射出成型應用方面。採用田口方法進行岩心優化，並對尺寸精度和岩心去除率進行詳細評估，提高了研究的學術嚴謹性和實際相關性。

實際意義：

本文提出的方法為製造複雜的空心塑膠零件提供了一種切實可行的替代方案，可取代現有技術。它克服了熔芯工藝的局限性，例如樹脂類型限制和高昂的初始投資。此方法使用易得且便宜的材料（鹽和糖）作為熔芯，同時能耗更低、易於實施，使其在工業應用中極具吸引力。此方法可用於以經濟高效且環保的方式製造具有特殊內部輪廓的產品，例如進氣歧管。高效率的熔芯去除過程進一步提升了其實用性。

研究的限制及未來研究方向：

本文的結論部分並未明確指出研究限製或未來研究方向。然而，根據現有研究，潛在的限制和未來研究方向可能包括：

1. 進一步研究適用於殼體和表皮層的聚合物範圍。雖然本研究使用了ABS，但探索與其他工程塑膠的兼容性將有助於拓寬此方法的適用範圍。
2. 探索此製程的規模化生產可行性。目前的研究已證明其在實驗室規模上的可行性；但仍需進一步研究以優化工藝，使其適用於大規模生產。
3. 研究貝殼材料的可重複利用性和回收利用性，以及從廢液中回收鹽和糖的潛力，以進一步提高環境永續性。
4. 探索 T 型接頭以外的更複雜的產品幾何形狀，以充分展示包絡芯材方法的通用性。
5. 進一步優化岩芯去除工藝，以減少溶解時間和用水量。