光盘注塑机工艺程序及应用(上) - 文章

光盘注塑机工艺程序及应用(上)

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本文仅就“工艺程序、设备介绍、制程工艺、操作与问题分析、保养维修”等各项目，来介绍基本注塑机的结构与原理，包含日本东洋机械公司(Toyo)的ST50discPRO注塑机线的技术现况。

一、工艺程序

“可录式光盘”(CD-R)与“高密度可录式光盘”(DVD+R/DVD-R)对于注塑的要求是不同的，DVDR需要做双面粘合工序，因此对于翘曲(Dishing)与厚度均匀性(Thickness Uniformity)的要求较高。

1．可录式光盘的生产工序

进料验货→原材物料安全库存→塑料干燥→注塑白片→生产线(染料旋涂、金属溅镀、旋涂保护胶、硬化、线上检测)→线外检测机(质量检验)→DVDR的粘片→DVD-R的预刻→印刷→目检→出货

2．注塑系统的基本组成

塑料洁净灌入烘干机→塑料烘干→干燥塑料传输→融化→注塑进模具→凝固→冲孔→自模具中取出→冷却定形

图一、盘基生产说明图

一般的注塑系统只有“塑料干燥机”(PC Dryer)与“注塑机”(Injec-tion Molding Machine，IMM)两种机台，若是要做混料系统，则会额外添加如“螺杆式混料机”(Screw Type Resin Mixer)等机台，以将两种不同的塑料做混合，混合塑料的目的是为“着色”(Coloring)或塑料回收作业，将原本无色透明的盘基着上各种各样的颜色，但须注意适当选用有颜色的塑料与添加的份量，加入过多的比例会降低反射率，影响激光头对光盘坑洞读取能力。使用前要详看塑料供货商的说明手册，视目标要对CD-R或DVDR的盘基做混料着色的作业，因为两者的激光刻录与读取的波长不同。

关于回收料的使用，在业界普遍有两种做法直接购买己加工切割好的回收料普遍称副牌料来干燥生产，或使用螺杆式混料机在线上直接将水口料切割混合再使用。基于生产精度与工艺水平的难易顺序是自DVD-R，CD-R，CD-ROM到V-CD，以经验来说，“可录式光盘”的回收水口(Sprue)经切割再次混合可以供生产“预录光盘”(Pre-recorded Disc)来再生使用,而生产预录类中的CD-ROM的剩余水口可以供生产“蛋糕盒”(Cake Box)或其它塑料制品做再生使用。

图二、注塑机的基本结构图

二、注塑机设备介绍

1．注塑机的基本结构

如图所示，注塑机有右半部的“螺杆加热与施压系统”以及左半部的“成形模具与导轨系统”，塑料颗粒自料斗注入炮筒的螺杆中，依次序向喷嘴逐渐推进并在加热带的加温下熔化，当螺杆完成后退充填后，熔化的塑料便依循螺杆的前进而注入到模具中，定量塑料冷却成形并切除水口，此时模具打开由机械手臂(Robot)将已成形的盘基取出来，于后接的冷却盘中做适当的降温定形。

图三、螺杆前区的喷嘴(Nozzle)

图四、液压式注塑机的外形与部件

图五、ToyoST50discPRO-S全电动式注塑机的外形与部件

2．射胶螺杆

固态塑料原料“聚碳酸醉(Polycarbonate到自料漏斗进入螺杆螺槽(Screw Channel)内，经由螺杆高速旋转而与熔胶商(Barrel)产生剪切效应，使塑料混炼并沿着螺杆螺槽输送，使固态塑料受到熔胶筒外侧之电热片(Heating Band)加热与螺杆产生的剪切热作用下，使胶料受热而熔成熔体态。

射胶螺杆之功能：加料、输送、压缩、熔化、排气、均化塑化，螺杆依照其功能可分为四个区：

(1)固体输送区(Solid Conveying Zone)

此区段与进料漏斗(Hopper)相连结，塑料颗粒(PC rest)被紧密压缩形成固体床(Solid Bed)，受到熔胶筒的剪切效应作用，除了使塑料受热升温，并将塑料推往前推挤输送。

(2)熔化延迟区(Delay of Melting)

此区段为固体输送区终点到熔化池(Melt Pool)形成以前的区域，其主要特征在固体床与熔胶筒表面会形成由熔胶所构成的薄膜层，薄膜层内熔胶受到熔胶筒黏滞力(Drag Force)往前螺槽累积，此区末端所形成压力很大足以使固体床变形，而堆积在前螺槽内渐形成熔化池。此区段为固定螺杆螺沟之沟深，其功能为负责预热与塑料固体输送及推挤，必须保证塑料在进料段结束时开始熔融，也就是要预热到熔点。

(3)固馆区(Melting Zone)

此区段为渐缩螺杆螺沟牙深，其功能为塑料原料熔融、混炼、剪切压缩与加压排气，塑料在此段会完全融解，体积会缩小，所以压缩程度的设计(压缩比)很重要。固熔区又分为两部分，一为“塑化”(Plasticising)，而塑化主要来自于熔胶筒剪切(Shearing)效应作用；另一则是“熔胶输送”(Melt Conveying)，将熔胶输送至融化池中。

(4)熔胶输送区(Melt conveying zone)

当所有塑料完全融化即开始进入此区段，而结束于塑化螺杆的最末端，此区是要保持熔胶均匀温度及稳定馆融塑料之压力及流量。此区段螺杆螺有固定沟深，其主要功能混炼、熔胶输送、计量之外，还必须提供足够的压力，保持熔胶均匀温度及稳定熔融塑料之流量。

3．模具(Mold)

模具中有静模与移模两大部份，模具的压模镜面(Mirror)表面镶有一层强化金属(一般在CD-R/DVD－R为“钻石膜Diamond Like Coating, DLC)的镜面。

碳原素之相关材料从钻石，石墨及玻璃状的碳及近年倍受注目的C60等，有多种形态并广为产业界所使用，碳原素具有多种不同之化学结合形态，结合形态之不同造就了多样化之机械，电气及光学方面之特性。DLC即是藉由和半导体制造技术共同发展的真空电浆薄膜制程，所开发出来具有新特性之碳元素材料。在高真空中之电弧放电电浆将碳化氢瓦斯分解，使电浆中的离子及激发出的分子加速撞击镜面后所形成的薄膜。DLC膜有细密之构造，表面呈现黑色非常平滑而无结晶粒，其物理特性是：光滑、耐摩损、耐冲击、防粘附。具有0．1摩擦系数、450oC耐热温度、硬度4，000(HV)与耐磨性。

表一、钻石膜(DLC)与其他金属模的比较表

图六、Axxicon模具将压模装在动模

4．压模位置对注塑条件的影响

对于压模置放的位置因模具设计而异，有的模具设计是将“压货(Stamper)装在静模，也有的模具设计将压模装在动模，例如Technoplas与Axxicon的差别，两者相对的关系与影响列于表中。

图八、Technoplas模具含柱状轴承

Technoplas模具在模具旁有设计柱状轴承(BallBearing)使得合模的对位精度相对提升。

表二 AXXicon模具与Technoplas模具的比较

5．模温机

模温机内有加热器会将循环水加热至工作温度。

模具温度的设定：CD50~55oC，DVD-ROM90~95oC，CD-R110oC，DVD-R120~125oC。

6．液压与电动注塑机的差异

注塑机的精度重现是注塑机制造工厂的技术追求目标，也是注塑成型业者购买设备时考虑的重点。机器精度重现可使成型品品质稳定，尺寸标准，物性也确定，如此可减少组件装配的误差，提高生产率及良率；而且成型产品可快速更换生产，提升良品率，减少不必要的停机时间，可满足市场及时间性生产的要求；另外可易于控制成型条件，免予充填材料的过度浪费，也可以满足使用自动化设备的需求。近年来注塑机发展的动向应为高精度、高循环、省能源、低成本、高操作性、省空间及符合环保等要求；而全电式注塑机等机种即是符合未来射出成型机的动向。

全电动式精密塑料注塑机主要是以伺服马达驱动系统取代液压系统；注塑机主要具有锁模、顶出、射出、计量、调模、射座进退等六个动作单元，全电式注塑机其中射出、计量、锁模及顶出等四个单元采用伺服电机以便作位置、速度及转矩控制，调模及射座进退则采用一般电动电机即可完成。

全电式注塑机需具有将马达旋转运动转换成直线运动的传动机构，包含有正时皮带(Timing Belt)、滚珠导螺杆(Ball Screw)、及肘杆(Toggle)等组件组合，在注塑及锁模的压力控制则采“高分辨率压力传感器”(Load cell)做压力回馈，配合“编码器(Encoder)来做精确位置的测量，所反馈的电流信息在接口电路模块中转成电压后交给计算器作业，所得到的补尝信号再转给电流放大器来修正伺服电机的动作，藉此达到“死循环控制”(Closed Loop Control)，其均具有稳定且精密的性能。

由于全电式注塑机的驱动源皆异于液压致动器之射出机，传统的注塑机控制器均不适用，因此厂商多半自行研发控制器及伺服控制法则，不仅要作位置的死循环控制，更要同时作速度(Speed)与行程(Stroke)的死循环控制，使得控制稳定性及准确性大幅地提高。

例如Toyo全电动注塑机是以“肘杆”(Toggle)来推动“动模”(Moving Side)进行“合模”(Mold Closing)与“锁模施压”(Direct Clamping Force)的工作，而全液压注塑机是直接由汽缸(Cylinder)压力来驱动合模与锁模施压的工作，如图中所示，液压注塑机的汽缸冲程直接正比反应在对模具的直压冲程(Direct Pressure Stroke)上，而全电动注塑机因为有肘杆的缓冲，使得伺服电机冲程(servo Stroke)与直压冲程呈现非线性的响应，因此，原来在液压注塑机上的操控经验就无法整套转移到全电动注塑机上，操作者需要对全电动注塑机有一段新的学习经验。

三、可录式光盘盘基制程工艺

1．预录式与可录式光盘的差别

一般预录式光盘(V-CD，CD-ROM)与高密度预录式光盘(DVD-ROM)的坑形差别在于坑洞(PitWidth)，而预录式光盘与可录式光盘的坑形差别在于坑洞(Pit)与轨道(Groove)。

图十四、各世代光盘的基本结构差别

当熔化的塑料在模具中流动，可录式光盘轨道所产生的阻力比预录式的坑洞阻力大，因此可录式光盘的注塑成形以采用射压法与提高模温为准则。但使用较高的模温，则镜面镀膜的耐用等级也要相对提高，而自高温冷却的时间也要适合以避免翘曲。所谓制程工艺窗口即是在满足翘曲、双折射与复制率三者条件之下(交集)的工艺调整区域。

图十五、工艺操作范围

图十七、SEM显示CD-R沟槽几何资料与染料顶层的凹陷度(dabs)

典型的CD-R沟槽几何形状如下：

盘基厚度：1.16～1.18mm
沟槽深度：180nrn～200nrn，士5um
沟槽宽度：450nrn～550nrn，士5um
槽壁倾斜角：45o～55o，士5o

2．塑料的特性与种类

PC料的熔融与粘度高，射出耐压力大，但管内温度过高或滞留时间久时，易起热分解、变色及降低物性，须注意模温以85oC～120oC为佳。对较厚的成品不易成型，而易生残留应力，会造成日后裂缝。

3．干燥(Drying)

塑料干燥机有密闭空气循环式与对流式两种，有需要冷却水与不需要冷却水的机型，重点是要能有效的将塑料颗粒做确实的烘干。

4．输送(transporting)

使用不锈钢管与PVC管的差别在于塑料颗粒通过管路时所产生的磨擦与粉末，输料管的转角弧度与内部的抛光洁净度非常重要，而且管路不宜过长。要注意的是漏气问题，烘干四小时的塑料通过有漏气的管路，不要两分钟塑料就会被环境中的水气所潮湿。

5．塑化(Plasticising)

螺杆旋进速度愈快，剪切效应(Shearing Action)愈大，旋进速度过快则塑化程度不足，容易产生‘有色斑点”(Color Patches)。一般操作以开始设定较低的转速，再逐渐升高到目标转速。

(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/11/2005)


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