透過超音波活用提升押出成形的生產性                 

                                                                                                作者：Z. Sun，J. Tatibouet；翻譯/崔海川

                                                                                                                                     大阪機械服務中心

         1.加拿大工業材料研究所開發的超音波感知器特徵

                一般在電影等場合，利用超音波探測器去尋找海底的敵方潛水艇，或者探測魚群的

           用途，若是沒有見過的話，也見過婦產科醫生利用超音波來診斷胎兒成長狀況。然而這個

           技術在押出成形等方面能夠如何的加以活用呢？實際上能夠透過音波、敏銳的超音波對成

           形加工裝置進行診斷，或者對產品品質進行監視的活用。

                   加拿大屬於國家研究機構的工業材料研究所，至今為了掌握塑膠材料，以及成形過程

           ，進行開發新一代的超音波探測器，以及其系統。這個超音波探測器使用特殊的溶射技術

           (專利申請中)來製造的情形，如圖1所示，將金屬基板溶射後的薄膜狀壓電陶瓷粉末，變換

           成超音波脈波狀的電氣信號，同時再將接受的超音波信號再轉換成電器信號。

                                                       圖1 診斷用途超音波的發生與受信組合

                    以往超音波變換器是使用於非破壞檢查等用途，加拿大的工業材料研究所開發的超音

           波探測器，有如下2點很大的不同點。

                   第1個不同點是即使在高溫情況下，也能夠使用。以往的超音波探測器只能在常溫下使

           用，而這個超音波探測器能夠在不需要冷卻的情況下，溫度在150℃、400℃甚至800℃的高

           溫下也能夠使用。

                   其次的特徵是無論是什麼樣的場合，或者什麼樣的形狀都適用的情況，如圖２的(a)及

            (b)所示，這個探測器無論是平坦的場合，或者彎曲的場合都能夠設置，此外大小差距也能

           夠自由的進行調整。圖2(c)代表溶射方式的壓電薄膜，能夠彎曲也能夠在金屬基板上進行蒸

           著，屬於能夠折曲的壓電薄膜。如果在現場超音波探測器無法進行溶射場合時，將押出機

           油壓缸，或者射出成形模具等進行金屬上的結合，或者焊接方式。

                                                        圖2各種形狀的超音波探測器

           2.透過超音波對射料管的異常振動及摩耗進行監視

                射料管若是不能在押出機內正常作動的話，就射料管、油壓缸、或者減速機而言，會

           對機械造成損傷的情形，除了增加維修費用外，也對押出的溶體(Molt)品質帶來很大不良的

           影響。根據工業材料研究所最近的研究，利用超音波技術能夠將押出成形機內的射料管異

           常振動現象進行解明。

                   如圖3所示，在63.5mm的單軸射料管押出成形機之油壓缸前端部份，安裝了4個超音波

           探測器，當射料管轉動時，能夠接觸到超音波探測器。接下來，從那裡反射，使用各式各

           樣的省能源E-CO押出條件下，去量測射料管與超音波探測器之間的距離。

                                                              圖3 射料管振動的量測系統

                   從這個實驗資料能夠了解到同樣的回轉數，或者溫度設定下，射料管有10~210um左右

           的異常振動。但是就這個射料管的振動來看，發生在垂直方向與鉛直方向屬於非對稱的情

           況，這個振動模式能夠了解的是射料管每回轉2次就重復的發生。從這個結果來看，讓我們

           獲得的結論是「射料管異常振動的原因是射料管軸的減速機打滑(Slip)，造成射料管無法完

           全的押入?。從觀察這個射料管的振動拳動來看，針對押出成形的溶體品質之變動，並非起

           因於聚合物材料，很可能是押出機自己本身機械上的要因引起的。同樣的手法也能夠適用

           於生產工程中射料管插入狀況的檢查，或者是維持安定運轉之診斷。進而這種手法也能夠

           在押出成形材料摩耗性場合所面對的課題，受到注目的是針對射料管摩耗狀況進行監視，

           這個場合是在預測押出成形機會產生激烈摩耗的油壓缸位置，安裝數個超音波探測器，對

           射料管旋翼與超音波探測器之間距離之時間變化進行監視。

           3.透過超音波量測滯留時間分布

                如前所述的使用超音波探測器，能夠針對射料管各位置之滯留時間分布進行量測。在

           射料管各位置，有關滯留時間分布的資訊，反應過程(Reactive Processing)操作，或者是分子

           量變化容易的材料成形加工場合顯得特別重要。當針對押出機內滯留時間分布進行量測時

           ，少量的顯光劑(Tracer)從漏斗內投入，當這個顯光劑通過超音波探測器時，對應溶體中分

           散顯光劑濃度，超音波E-CO強度產生變化，基於此，能夠量測滯留時間分布。如圖4所示，

           射料管口徑30mm的兩軸射料管押出機，進行LDPE押出，針對射料管的混練部、量測部、

           壓模部(Die)的各滯留時間分布示意圖。就顯光劑的使用量是LDPE 80wt%的碳酸鈣混練的

           Master-Parh。

                                                   圖4 3個位置進行滯留時間分布量測

           4.透過超音波對押出成形時的分子量變化進行監視

                不同的媒介質會讓超音波的傳播速度也會有所不同。例如在20℃的空氣中，音波的傳

           播速度為343m/s，水中為1,82m/s。換句話說傳播速度因媒介質不同而不同，基於此能夠針

           對材料特性進行解析。

                   基於這個想法，能夠嘗試的在押出成形過程中進行線上監視技術的推展。典型的開發

           實例，如圖5所示，在軸方向左右並列各一對的超音波探測器，以及數個壓力、溫度探測器

           安裝於壓模上。另一方面從探測器上面發出的超音波信號，在相反方向的探測器去接受這

           個信號。由於探測器之間的距離保持一定，溶體通過時間進行量測的話，透過超音波傳播

           速度來獲得。

                                                   圖5 在壓模導入一對超音波探測器、壓力、溫度探測器

                   就PP的分子量控制押出成形來看，針對分解促進劑所添加的過氧化物的量，取得PP分

           子量也有所不同。如圖6所示，代表溶體通過時，超音波的傳播速度與押出物的分子量色譜

           分析法(Chromatography)來進行量測。超音波的傳播速度完全依賴PP分子量，能夠了解的是

           超音波PP的分子量控制押出，針對上線過程中的分子量進行監視探測。

                                                 圖6 超音波傳播速度與PP分子量變化之間的關係

                    使用PET原料進行保特瓶，或者容器等成形過程，材料的乾燥度十分重要，當有水份

           存在時，成形裝置內溶融時，會切斷PET主鎖，引起化學反應，使得PET的極限粘度(IV)降

           低。在138℃且能夠進行乾燥時間變換的PET單軸射料管押出機進行押出，安裝於壓模上的

           超音波探測器進行傳播速度的量測，對PET分子量變化相關進行調查(押出物的極限粘度另

           外進行實測)。針對這個結果，如圖7所示，超音波的傳播速度與PET的極限粘度密切相關，

            當PET進行押出成形時之劣化狀況，能夠透過超音波的監視獲得實際驗證。

                                              圖7 超音波傳播速度與PET的極限粘度之間關係

           5.透過超音波觀察添充劑的分散狀況

                當包含添充劑混合系、聚合物、複合材料、發泡劑(僅發泡Sell的成長階段)等的

            MATRIX之異質種材料場合時，超音波並不是傳播於單一埜料的情形下，其傳播性較為困

            難。這是由於其中有一部份的能源透過異質種粒子進行擴散，粒子的強制振動時，所產生

            的MATRIX與粒子之間摩擦消費。這就好像在大霧的情況下，很難看清楚信號燈，或者要

            通過風力強大的海邊困難相同的原理。換句話說透過異質種材料的混入，也能夠基於超音

            波衰減現象，進行材料特性的調查，而獲取這方面的資訊。

                                               圖8 PP-CaCO3結合操作的超音波特性變化

                   在此兩軸射料管押出機使用的各種碳酸鈣與PP之間的結合進行實驗，針對超音波的減

            衰率相關進行調查(碳酸鈣的平均粒徑為0.7um與3.0um的這兩個種類，St代表潤滑添加劑的

            有無)。超音波的減衰率是dB/cm來表示，在這個結合條件相關如圖8所示，從這特性變化能

            夠了解到超音波的減衰率不僅是碳酸鈣的濃度，粒徑的影響，也包含為了防止凝滯之目的

            而添加的硬脂酸(Stearin)的依賴效果。因此若是能夠透過超音波長時間的針對結合過程進行

            監視的話，對於產品品質掌握能有所幫助。

            6.發泡押出成形透過超音波觀察發泡狀況

                   超音波也能夠活用於發泡成形的過程。例如在氣泡成形，若是能夠掌握流量影響的話

            ，對於發泡成形上的管理能夠有所幫助。

                   如圖9所示，針對發泡押出成形的超音波傳播速度v，與其減衰率a的變化調查結果示意

           圖。這相對於PS，使用12.3wt%的HCFC-142b發泡劑之系列。當壓模的壓力P減少時，從

           10MPa這邊開始進行HCFC的液滴化，其次是5.5MPa的氣泡核之生成，之後能夠在4MPa氣泡

            成長產生急速變化。若是溶體進行流動的話，壓模壓力能夠在2.0MPa為止，量測到氣泡繼

            續的成長。

                                                 圖9 針對PS發泡押出成形的超音波特性之變化

                   超音波的傳播特性是依賴聚合物與發泡劑之間熱力學特性。即超音波受到系的組合與

            加工條件之影響，減衰率之氣泡的核生成，是與其成長度密切相關。

           7.押出溶體透過超音波去評價品質

               押出溶體的溶融、混練狀態由於不均一的情況下，透過超音波能夠觀察減衰的情形，

           針對這個不均一進行對應。即在押出機的油壓缸、壓模上安裝超音波探測器的話，利用這

           個原理能夠針對溶體進行品質的評價。如圖10所示，代表超音波探測器安裝於押出機上的

           實驗結果。這個實驗目的是超音波探測器能夠認識到溶體中的未溶融/不完全溶融粒子之存

           在進行評價。在此使用單軸射料管押出機，針對PP的押出量與溶體品質相關進行調查。所

           謂圖10的溶體品質指數，是以超音波減衰率的變動狀況來定義，以100這個值，無法檢測出

           剪衰率的變動，能夠見到溶體處於均一的狀態。這個值若是低的話，代表溶體品質，即混

           練狀態不良。從這個圖能夠了解到押出機對應到溶體品質指數忠實的對應，當押出量增加

           時，品質指數會降低。這個實驗是在押出機的最大押出量的29%~65%範圍內進行。

                                 圖10 押出量變化與溶體品質(溶體品質指數)之間的關係

                   若是使用這個手法的話，能夠掌握在取得最終產品之前一個階段，去掌握押出溶體品

           質，能夠於不良發生前，防換於未然的效果，進而提高生產性，或者安定的品質管理。

                   表1目前為止開發的超音波應用的診斷技術例(工業材料研究所)              

     8.塑膠射出成形透過超音波活用的事例

                針對塑膠成形加工領域的超音波活用實例，並不受限於這篇文章所敘述的，表1代表

           加拿大材料研究所開發以及其他活用實例進行總整理。

                   加拿大工業材料研究所開發的GIMIS-2PT，以及SIMIS-1PT這兩種類的超音波裝置，是

           透過Pace-Simulations公司進行銷售。GIMIS-2PT

                   不僅能夠在 2個地方進行超音波特性的量測，也同時能夠對溶體的壓力、溫度進行量

           測的系統，使用於射料管的監視場合，以及射出成形過程等。SIMIS-1PT是使用於1個地方

           的超音波特性、壓力、溫度量測場合，如圖11所示，屬於良好的押出成形過程。

           關於這個產品詳細可以詢問Pace-Simulations公司【xxia@pacesimulations.com】。

                                                 圖11 2個頻道超音波量測系統(GIMIS-2PT，左)

     1個頻道超音波量測系統(GIMIS-1PT，右)

                   上述文章取自台灣區機器工業同業公會所發行之機械資訊 636期