หน้าหลัก > โรงงานพลาสติก > บทความงานพลาติก > เวลาหล่อเย็นในกระบวนการฉีดพลาสติก

7. เวลาหล่อเย็นในกระบวนการฉีดพลาสติก

7.1 บทนำ

การหล่อเย็นพลาสติกที่อยู่ในแม่พิมพ์ฉีด เพื่อให้พลาสติกที่ถูกปลดออกมาเป็นชิ้นงานพลาสติกหรือผลิตภัณฑ์พลาสติกที่สมบูรณ์มีขนาดถูกต้อง ไม่บิดเบี้ยว หรือเสียรูปทรงนั้น มีความจำเป็นอย่างยิ่งสำหรับการชิ้นรูปเทอร์มอพลาสติกในโรงงานพลาสติก เพราะต้องทำให้พลาสติกเกิดการเย็นตัวเป็นของแข็ง ดังนั้นอุณหภูมิของพลาสติกก่อนที่จะออกมาจากแม่พิมพ์ฉีด ควรจะมีค่าไม่เกินอุณหภูมิการโก่งตัว (Heat Deflection Temperature) ของพลาสติกที่ขึ้นรูป
การระบายความร้อนออกจากตัวพลาสติกเพื่อให้พลาสติกเปลี่ยนสถานะจากของเหลวเป็นของแข็งนั้น จะใช้น้ำเป็นสารระบายความร้อน โดยพลาสติกจะส่งถ่ายความร้อนให้กับแม่พิมพ์ซึ่งเป็นวัสดุโลหะจำพวกเหล็ก ส่วนแม่พิมพ์ก็จะส่งถ่ายความร้อนต่อให้กับน้ำ ดังนั้นอุณหภูมิแม่พิมพ์ซึ่งมีผลกระทบโดยตรงต่อเวลาในการหล่อเย็นจะเปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิและการไหลของน้ำที่ไหลเข้าแม่พิมพ์

7.2 สูตรคำนวณหาเวลาในการหล่อเย็น

จากที่กล่าวมาข้างต้น การหล่อเย็นจะต้องใช้ความรู้เกี่ยวกับการส่งถ่ายความร้อน (Heat Transfer) ร่วมกับการแปลงฟูริเยร์ (Fourier Transformation) มาช่วยในการแก้ไขปัญหาเพื่อหาสูตรคำนวณเวลาที่ต้องใช้ในการหล่อเย็น ดังนี้
1. สำหรับชิ้นงานพลาสติกแผ่นแบน

สูตรคำนวณหาเวลาในการหล่อเย็น สำหรับชิ้นงานพลาสติกแผ่นแบน

สูตรเวลาในการหล่อเย็นข้างต้น จะคิดจากอุณหภูมิของชิ้นงานพลาสติกหลังจากการส่งถ่ายความร้อนออกแล้ว ซึ่งเป็นอุณหภูมิเฉลี่ยตลอดแนวหน้าตัดความหนาของชิ้นงาน แต่ถ้าคิดที่อุณหภูมิของชิ้นงานสูงสุดตรงกลาง ความหนาชิ้นงาน จะต้องใช้สูตรดังนี้

2. สำหรับชิ้นงานพลาสติกทรงกระบอก

สูตรคำนวณหาเวลาในการหล่อเย็น สำหรับชิ้นงานพลาสติกทรงกระบอก

3. สำหรับชิ้นงานพลาสติกทรงกลม

สูตรคำนวณหาเวลาในการหล่อเย็น สำหรับชิ้นงานพลาสติกทรงกลม

tk = เวลาในการหล่อเย็น (วินาที)
T_melt = อุณหภูมิพลาสติกเหลว (℃)
T_mold = อุณหภูมิแม่พิมพ์ (℃)
T_{ejected (max)} = อุณหภูมิสูงสุดของชิ้นงานตรงกลางความหนา (℃)
T_{ejected (ave)} = อุณหภูมิเฉลี่ยตลอดแนวหน้าตัดของชิ้นงาน (℃)
F₀ = ค่าตัวเลขฟูริเยร์ (Fouriers Number)
∝ = การแผ่ความร้อน (Thermal Diffusivity, mm²/s)
x = ระยะทางการส่งถ่ายความร้อนจากตำแหน่งที่มีความร้อนมากที่สุดไปยังตำแหน่งที่มีความร้อนน้อยที่สุด (mm)
s = ความหนาชิ้นงาน (mm)
r = รัศมีของชิ้นงาน (mm)
D = เส้นผ่านศูนย์กลางของชิ้นงาน (mm)
ในบางครั้ง เพื่อให้ง่ายและสะดวกมากขึ้น โรงงานฉีดพลาสติกเราสามารถหาเวลาในการหล่อเย็นโดยใช้สูตรแบบง่าย ๆ ดังนี้ คือ
tk = s(1 + 2s), tk = D(1 + 2D) และถ้าใช้อุณหภูมิแม่พิมพ์ตั้งแต่ 60 ℃ ขึ้นไป เวลาหล่อเย็นที่คำนวณ ได้จะต้องคูณด้วย 1.3
หรือ tk = (2 – 3)s², tk = (2 – 3)D² โดยดูค่าอุณหภูมิแม่พิมพ์ที่ใช้จริงประกอบ เช่น ถ้าใช้อุณหภูมิแม่พิมพ์ในช่วงที่ต่ำให้ใช้ tk = 2s² ถ้าใช้อุณหภูมิแม่พิมพ์ในช่วงปานกลางให้ใช้ tk = 2.5s² และถ้าใช้อุณหภูมิแม่พิมพ์ในช่วงที่สูงให้ใช้ tk = 3s²
ดังนั้นเราสามารถหาสูตรเวลาในการหล่อเย็นสำหรับชิ้นงานที่มีพื้นที่หน้าตัดลักษณะต่าง ๆ ได้ดังตารางต่อไปนี้

ตารางที่ 7.1 สูตรการคำนวณหาเวลาหล่อเย็นตามรูปร่างชิ้นงาน

ส่วนค่า ∝ ซึ่งเป็นค่าการแผ่ความร้อนนั้นจะมีค่าไม่คงที่โดยจะเปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิ กล่าวคือเมื่อ อุณหภูมิพลาสติกเหลวเพิ่มขึ้น ความสามารถในการแผ่ความร้อนจะลดลง และจะลดลงอย่างมากในช่วงอุณหภูมิที่ ผลึกกำลังหลอมละลาย (สำหรับพลาสติกที่มิผลึก) เนื่องจากพลาสติกจะเก็บความร้อนเอาไว้หลอมละลายผลึก (ค่าความจุความร้อน (λ) เพิ่มขึ้น ในขณะที่ค่าการนำความร้อน (C_p) จะลดลง) ส่วนพลาสติกที่ไม่มิผลึกจะมิค่าการแผ่ความร้อนลดลงไม่มากเมื่อเปรียบเทียบกับพลาสติกที่มีผลึก นอกจากนี้อุณหภูมิแม่พิมพ์ยังมิผลกระทบต่อค่าการแผ่ความร้อนด้วยเช่นกัน เนื่องจากในระหว่างการผลิต อุณหภูมิพลาสติกที่ใช้จะมิค่าอยู่ในช่วงการหลอมเหลวแล้ว คือ ประมาณ 180 ℃ ถึง 300 ℃ (ตามชนิดของพลาสติก) ซึ่งความสามารถในการแผ่ความร้อนจะค่อนข้างคงที่ ในช่วงอุณหภูมิที่พลาสติกหลอมเหลวแล้ว ดังนั้นเมื่ออุณหภูมิแม่พิมพ์เพิ่มขึ้น ความสามารถในการแผ่ความร้อนของพลาสติกให้กับแม่พิมพ์จะลดลง โดยในระหว่างการขึ้นรูปเพื่อผลิตชิ้นงานนี้ อิทธิพลของอุณหภูมิแม่พิมพ์จะมีผลกระทบต่อค่าการแผ่ความร้อนมากกว่าอิทธิพลของอุณหภูมิพลาสติกเหลว

รูปที่ 7.1 ค่าการแผ่ความร้อนที่เปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิพลาสติกของ
อะมอร์ฟัสเทอร์มอพลาสติก

รูปที่ 7.2 ค่าการแผ่ความร้อนที่เปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิพลาสติกของเซมิคริสตัลไลน์เทอร์มอพลาสติก

รูปที่ 7.3 อิทธิพลของอุณหภูมิแม่พิมพ์ที่มีผลกระทบต่อค่าการแผ่ความร้อนของเซมิคริสตัลไลน์เทอร์มอพลาสติก

รูปที่ 7.4 อิทธิพลของอุณหภูมิแม่พิมพ์ที่มีผลกระทบต่อค่าการแผ่ความร้อนของอะมอร์ฟัสเทอร์มอพลาสติก

ค่าการแผ่ความร้อน (∝) สามารถหาได้จากการคำนวณโดยใช้สูตรสมการต่อไปนี้

∝ = การแผ่ความร้อน (Thermal Diffusivity, mm²/s)
λ = การนำความร้อน (Thermal Conductivity, w/m ℃ หรือ W/mK)
C_p = การจุความร้อน (Heat Capacity, J/kg ℃ หรือ kJ/kgK)
p = ความหนาแน่นของพลาสติก (Density, g/cm³)

ตารางที่ 7.2 ค่าประมาณสมบัติทางความร้อนของพลาสติกบางชนิด

ค่า λ และ Cp จะเป็นค่าที่วัดได้โดยการให้ความร้อนกับพลาสติกตั้งแต่อุณหภูมิห้อง ซึ่งเปรียบได้กับการให้พลาสติกส่งถ่ายความร้อนให้กับแม่พิมพ์ที่มีอุณหภูมิเท่ากับอุณหภูมิห้อง (ประมาณ 20 – 25 ℃) ดังนั้นถ้าเราใช้อุณหภูมิแม่พิมพ์ที่ต่ำ ๆ จะสามารถใช้ค่า λ และ C_pจากตารางมาใช้ในการคำนวณหาค่า ∝ ได้อย่างใกล้เคียง แต่ถ้าเราใช้อุณหภูมิแม่พิมพ์ที่สูงขึ้น จะสามารถหาค่า ∝ ได้โดยตรงจากตารางค่าการแผ่ความร้อนของพลาสติกต่อไปนี้

ตารางที่ 7.3 ค่าการแผ่ความร้อนของพลาสติกบางชนิด

หมายเหตุ พลาสติกที่มีค่า ∝ ไม่คงที่ ส่วนใหญ่จะเป็นเทอร์มอพลาสติกชนิดที่มีผลึก ซึ่งค่า a จะลดลง เมื่ออุณหภูมิแม่พิมพ์เพิ่มขึ้น นั่นคือพลาสติกเหลวจะถ่ายเทความร้อนให้กับแม่พิมพ์ได้น้อยลง ดังนั้นการเลือกใช้ค่า ∝ ควรคำนึงถึงอุณหภูมิแม่พิมพ์ที่ใช้จริงด้วยโดยพิจารณาจากตารางค่าการแผ่ความร้อนของพลาสติก เช่น ค่า ∝ ของ POM ที่อุณหภูมิแม่พิมพ์ 20 ℃ คือ 0.080 mm²/s ที่ 70 ℃ คือ 0.060 mm²/s และที่ 120 ℃ คือ 0.040 mm²/s

7.3 ตัวอย่างการคำนวณเวลาหล่อเย็น

เพื่อให้เกิดความเข้าใจในการนำไปประยุกต์ใช้กับงานฉีดจริงในการคำนวณหาเวลาในการหล่อเย็นหรือหาความหนาชิ้นงานที่ควรออกแบบ อุณหภูมิของพลาสติกเหลว อุณหภูมิแม่พิมพ์ อุณหภูมิชิ้นงานที่ต้องการเพื่อใช้เป็นเงื่อนไขในการฉีด โรงงานพลาสติกเราขอยกตัวอย่างการคำนวณเพื่อเป็นแนวทางดังนี้
ตัวอย่างที่ 1 ในการฉีดชิ้นงานพลาสติกที่มีลักษณะเป็นแผ่นแบนหนา 2 มิลลิเมตร โดยใช้พลาสติก ABS และใช้อุณหภูมิพลาสติกเหลว 230 ℃ อุณหภูมิแม่พิมพ์ 50 ℃ อุณหภูมิชิ้นงานเฉลี่ยขณะที่ถูกปลดออกจากแม่พิมพ์ คือ 60 ℃ เวลาที่ต้องใช้ในการหล่อเย็นควรเป็นเท่าไร

สูตรตัวอย่างการคำนวณในการหล่อเย็น ตัวอย่างที่2

7.4 การคำนวณหาเวลาในการย้ำรักษาความดัน

เวลาในการย้ำรักษาความดัน คือ ระยะเวลาที่ต้องค้างความดันไว้ที่พลาสติกเหลวในหัวฉีดเพื่อคอยต้านประคองไม่ให้พลาสติกที่ไหลเข้าไปในแม่พิมพ์แล้วเกิดการไหลกลับ และเวลาในการย้ำรักษาความดันนี้ต้องนานพอ ที่พลาสติกในทางน้ำพลาสติกเข้า (Gate) จะกลายเป็นของแข็งและปิดการไหลได้ ซึ่งสามารถดูได้จากน้ำหนักชิ้นงานที่ เพิ่มมากขึ้นตามเวลาในการย้ำรักษาความดันที่เพิ่มขึ้นจนกระทั่งน้ำหนักชิ้นงานที่ฉีดเริ่มคงที่ เวลาที่ชิ้นงานมีน้ำหนัก เริ่มคงที่นี้ถือว่าเป็นเวลาในการย้ำรักษาความดันที่ควรต้องใช้ หรือจะดูจากรูปร่างและความตึงของผิวชิ้นงานตามที่ ต้องการก็ได้ แต่เมื่อใดที่พลาสติกใน Gate เป็นของแข็งและปิดการไหลแล้ว เวลาในการย้ำรักษาความดันที่เพิ่มขึ้น จะไม่เกิดประโยชน์แต่จะเป็นโทษต่อตัวชิ้นงาน ดังนั้นการตั้งเวลาในการย้ำรักษาความดันจึงต้องมีความเหมาะสมมากที่สุด
จากเนื้อหาข้างต้นที่ได้กล่าวมาแล้วเกี่ยวกับเวลาในการหล่อเย็น เราสามารถนำวิธีการคำนวณและสูตรที่ใช้หาเวลาที่ต้องใช้ในการหล่อเย็นพลาสติกในแม่พิมพ์เพื่อกำหนดเวลาที่พลาสติกในแม่พิมพ์เซตตัวเป็นของแข็ง ทนต่อการเสียรูป และพร้อมทำการเปิดแม่พิมพ์ได้แล้วนั้น มาคำนวณหาเวลาในการย้ำรักษาความดันได้เช่นเดียวกันเนื่องจากการย้ำรักษาความดันจะมีหน้าที่หลักคือป้องกันพลาสติกที่ไหลเข้าไปในแม่พิมพ์แล้วเกิดการไหลย้อนกลับเข้ามาในกระบอกฉีดได้อีก และอาจจะยังต้องช่วยเติมเนื้อพลาสติกเข้าไปในแม่พิมพ์ด้วย ซึ่งในการคำนวณ เราเพียงแต่ต้องเปลี่ยนข้อมูลในสูตรการหาเวลาหล่อเย็น จากความหนาของชิ้นงานเป็นความหนาของทางน้ำพลาสติก เข้าแม่พิมพ์แทน เนื่องจากการย้ำรักษาความดันควรต้องหมดลงเมื่อทางน้ำพลาสติกเข้าแม่พิมพ์เกิดการแข็งตัวแล้ว เพราะพลาสติกจะไม่สามารถไหลเข้าในแม่พิมพ์ได้อีก มิฉะนั้นพลาสติกจะเกิดการอัดตัวกันที่บริเวณนี้มากเกินไปจนเกิดความเสียหายต่อตัวชิ้นงานได้ เช่น เกิดการแตกร้าวของชิ้นงานบริเวณทางน้ำพลาสติกเข้าแม่พิมพ์สำหรับ พลาสติกที่แข็งเปราะ เช่น PS ชิ้นงานติดที่แม่พิมพ์ด้านอยู่กับที่ปลอกนำฉีด (Sprue Bush) ขาดติดแม่พิมพ์ เป็นต้น

	169/47 ถ.พุทธมณฑลสาย 4 ต.กระทุ่มล้ม อ.สามพราน จ.นครปฐม 73220
	086-070-0007
	ananindustry@gmail.com
	https://www.ananindustry.com