เครื่องฉีดพลาสติก (Injection molding machine)
เครื่องที่หลอม ฉีด และจับแม่พิมพ์ไว้จนชิ้นงานแข็ง

ภาพรวมเครื่อง

เครื่องฉีดแนวนอนแบ่งได้ 4 หน่วย ชุดฉีด (injection unit) หลอมเม็ดและฉีด ชุดปิดแม่พิมพ์ (clamping unit) เปิด ปิด และล็อกแม่พิมพ์ ระบบขับ (drive) ให้แรงและการเคลื่อนที่ ทั้งแบบไฮดรอลิกและมอเตอร์ไฟฟ้า ระบบควบคุม (control) สั่งทุกจังหวะตามค่าที่ตั้ง และเฝ้าดูว่าแต่ละช็อตเหมือนกันหรือไม่ ทุกหน่วยมีระบบความปลอดภัยคุมอยู่

บทความ การฉีดพลาสติก อธิบายรอบการผลิตและตัวแปร process ไปแล้ว หน้านี้เน้นตัวเครื่อง สำหรับคนที่ต้องซื้อ ตรวจรับ ซ่อม หรือต้องแยกให้ออกว่าปัญหามาจากเครื่อง แม่พิมพ์ หรือเม็ด

1. ฮอปเปอร์และคอเติม (Hopper / feed throat) — เก็บเม็ดและป้อนเข้าสกรู คอเติมมีน้ำหล่อเย็นกันเม็ดเยิ้มติด
2. กระบอกและฮีตเตอร์ (Barrel / heater bands) — ให้ความร้อนแยกโซน วัดด้วยเทอร์โมคัปเปิล
3. สกรูและวาล์วกันย้อน (Screw / check ring) — หลอม ผสม แล้วดันเนื้อไปข้างหน้าเหมือนลูกสูบ
4. หัวฉีด (Nozzle) — ส่งเนื้อจากกระบอกเข้า sprue bushing ของแม่พิมพ์
5. ชุดขับฉีดและมอเตอร์หมุนสกรู (Injection cylinder / screw drive) — ดันสกรูตอนฉีด และหมุนสกรูตอนเตรียมเนื้อ
6. กระบอกเลื่อนชุดฉีด (Carriage cylinder) — เลื่อนชุดฉีดเข้าไปกดหัวฉีดกับแม่พิมพ์ หรือถอยออก
7. แผ่นยึดแม่พิมพ์ฝั่งอยู่กับที่ (Fixed platen) — ยึดแม่พิมพ์ครึ่งฝั่งหัวฉีด
8. แม่พิมพ์ (Mould) — ไม่ใช่ส่วนของเครื่อง แต่เป็นตัวกำหนดว่าต้องใช้เครื่องขนาดไหน
9. แผ่นยึดฝั่งเคลื่อนที่และชุดปลด (Moving platen / ejector) — เปิดปิดแม่พิมพ์ และดันชิ้นงานออก
10. เสาค้ำ (Tie bars) — รับแรงปิดเป็นแรงดึง และนำทางแผ่นเคลื่อนที่
11. กลไก toggle และกระบอกปิด (Toggle / clamp cylinder) — ขยายแรงจากกระบอกเป็นแรงปิด แล้วล็อกแม่พิมพ์
12. ฐานเครื่อง ถังน้ำมัน ปั๊ม และตู้ควบคุม (Frame / tank / pump / controller) — ต้นกำลังและสมองของเครื่อง

ส่วนประกอบทีละหน่วย

ชุดฉีด (Injection unit)

ชุดฉีดกำหนดว่าเนื้อที่เข้าแม่พิมพ์ร้อนเท่ากันไหม ผสมดีไหม และปริมาณเท่ากันทุกช็อตไหม ปัญหาสี จุดดำ และน้ำหนักชิ้นงานแกว่ง ส่วนมากเริ่มที่หน่วยนี้

สกรูฉีดอเนกประสงค์แบ่งเป็น 3 ช่วง ราวครึ่งหนึ่งของความยาวเป็น ส่วนป้อน (feed zone) ร่องลึก ลำเลียงเม็ดแข็ง ราวหนึ่งในสี่เป็น ส่วนอัด (compression / transition zone) ร่องตื้นลงเรื่อยๆ บีบเม็ดให้หลอม อีกราวหนึ่งในสี่เป็น ส่วนจ่าย (metering zone) ร่องตื้น ทำให้เนื้อร้อนเท่ากันและส่งออกสม่ำเสมอ

L/D คือความยาวช่วงมีเกลียวหารด้วยเส้นผ่านศูนย์กลาง สกรูฉีดอเนกประสงค์มักอยู่ราว 18:1–24:1 อัตราส่วนอัด คือความลึกร่องส่วนป้อนเทียบกับส่วนจ่าย มักอยู่ราว 2:1–3:1 (ค่าอ้างอิงทั่วไป ต้องยืนยันกับผู้ผลิตเครื่องและ TDS)

วาล์วกันย้อนเป็นชิ้นส่วนที่สึกเร็วที่สุดในชุดฉีด และเป็นต้นเหตุที่ถูกมองข้ามบ่อยที่สุด เมื่อแหวนหรือบ่ารองสึก เนื้อส่วนหนึ่งไหลย้อนกลับระหว่างฉีดและย้ำ ช็อตจึงไม่เท่ากัน ตัวเลขที่บอกอาการคือ cushion ปริมาณเนื้อที่เหลือหน้าปลายสกรูเมื่อจบการย้ำ ถ้า cushion แกว่งหรือค่อยๆ ไหลเป็นศูนย์ ให้สงสัยวาล์วก่อนแก้ค่าอื่น

ชุดปิดแม่พิมพ์ (Clamping unit)

ชุดปิดต้องทำ 3 อย่าง เปิดปิดให้เร็ว ล็อกให้แน่นจนแม่พิมพ์ไม่แง้มตอนฉีด และหยุดให้ทันเมื่อมีชิ้นงานค้างขวาง ในเครื่องแบบ toggle แรงปิดเกิดจากการยืดตัวของเสาค้ำ เมื่อข้อต่อเหยียดสุด ความหนาแม่พิมพ์จึงต้องตั้งให้ตรงกับตำแหน่งแผ่นท้ายทุกครั้งที่เปลี่ยนแม่พิมพ์

ระบบขับและไฮดรอลิก (Drive & hydraulics)

เครื่องไฮดรอลิกสร้างแรงจากน้ำมันที่ปั๊มอัดส่งไปยังกระบอกต่างๆ โดยมีวาล์วคุมความเร็วและแรงดัน เครื่องไฟฟ้าล้วนใช้เซอร์โวมอเตอร์ขับแต่ละแกนผ่านบอลสกรูหรือสายพาน งานผนังบางที่ต้องฉีดเร็วมากมักใช้ accumulator สะสมน้ำมันแรงดันไว้ปล่อยตอนฉีด

ระบบควบคุม (Control)

ระบบควบคุมแปลงค่าที่ตั้งเป็นการเคลื่อนที่ และบันทึกว่าแต่ละช็อตเป็นไปตามค่านั้นหรือไม่ ค่าที่ตั้งในหน้าจอฉีดมีโครงเหมือนกันเกือบทุกเครื่อง

• ความเร็วฉีดแบ่งช่วง (multi-stage injection speed) ตั้งตามตำแหน่งสกรู เช่น ช้าตอนผ่านเกต เร็วตอนเติมโพรง
• จุดสลับ V/P (velocity to pressure switchover) สลับตามตำแหน่ง แรงดัน เวลา หรือแรงดันในโพรงถ้ามีเซนเซอร์ แนวทางทั่วไปคือเติมด้วยความเร็วให้ได้ราว 95–98% ของชิ้นงานก่อนสลับ
• แรงดันและเวลาย้ำ (holding pressure / time) แบ่งได้หลายช่วง ย้ำจนเกตแข็งตัว
• Back pressure และรอบสกรู (screw speed) คุมความแน่นและการผสมของเนื้อตอนเตรียมช็อต หน้าจอหลายเครื่องแสดง back pressure เป็นแรงดันไฮดรอลิก ไม่ใช่แรงดันในเนื้อพลาสติก ต้องคูณอัตราขยายแรงดัน (intensification ratio) ของชุดฉีดนั้นก่อนเทียบข้ามเครื่อง
• ระยะดึงสกรูคลายแรงดัน (decompression / suck-back) ลดเนื้อหยดจากหัวฉีด ถ้ามากไปจะดูดอากาศเข้าเกิดลายเงิน
• Cushion เนื้อที่เหลือหน้าสกรูหลังย้ำ ต้องไม่เป็นศูนย์ ไม่เช่นนั้นแรงย้ำส่งไม่ถึงชิ้นงาน

ค่าที่ควรดูทุกวันคือ cushion และ เวลาเตรียมเนื้อ (plasticizing / recovery time) สองค่านี้เปลี่ยนก่อนชิ้นงานเสีย ถ้าเวลาเตรียมเนื้อยาวขึ้นเรื่อยๆ ที่รอบสกรูเท่าเดิม ให้ดูการป้อนเม็ดที่คอเติมและการสึกของสกรู

ระบบความปลอดภัย (Safety)

เครื่องฉีดมีทั้งแรงปิดสูง น้ำมันแรงดันสูง ผิวร้อน และไฟฟ้าแรงดันสูงในจุดเดียวกัน มาตรฐานความปลอดภัยสากลของเครื่องฉีด เช่น ISO 20430 กำหนดให้ทุกช่องที่เข้าถึงพื้นที่อันตรายต้องมีฝาครอบหรือประตูที่มี interlock

ประเภทของเครื่อง

แยกได้ 2 แกน คือ ระบบขับ และ รูปแบบชุดปิด ทั้งสองแกนไม่มีแบบไหนดีที่สุดสำหรับทุกงาน

เลือกขนาดเครื่องอย่างไร

เริ่มจากแม่พิมพ์และชิ้นงาน ไม่ใช่จากตัวเลขตันบนป้ายเครื่อง เช็กทีละข้อ ข้อไหนไม่ผ่านก็ใช้ไม่ได้ แม้ข้ออื่นผ่านหมด

1. แรงปิด (clamp force) แรงปิด ≈ พื้นที่ภาพฉายของทุกโพรงรวมรันเนอร์ × แรงดันเฉลี่ยในโพรง ตำราและคู่มือมักใช้ค่าตั้งต้นราว 2–8 ตันต่อตารางนิ้ว (ราว 0.3–1.2 ตันต่อตารางเซนติเมตร) ผนังหนา ไหลสั้น เม็ดไหลง่าย อยู่ปลายล่าง ผนังบาง ไหลไกล เม็ดหนืด อยู่ปลายบน แล้วเผื่อเพิ่มอีกราว 10–20% ตัวอย่าง: พื้นที่ภาพฉายรวม 400 cm² × 0.4 t/cm² = 160 ตัน เผื่อ 15% ได้ราว 185 ตัน จึงเลือกเครื่องที่แรงปิดไม่ต่ำกว่านี้
2. ขนาดช็อต (shot size) น้ำหนักช็อตรวมรันเนอร์ควรอยู่ราว 20–80% ของความจุกระบอก ต่ำไปเนื้อค้างนานจนเสื่อม สูงไปหลอมไม่ทันและไม่เหลือที่ให้ cushion ความจุช็อตในสเปกมักบอกเป็น cm³ หรือกรัมของ PS ต้องแปลงด้วยความหนาแน่นของเม็ดที่ใช้จริง ระยะช็อตที่ใช้จริงควรอยู่ราว 1–3 เท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางสกรู
3. เวลาที่เนื้ออยู่ในกระบอก (residence time) ประมาณคร่าวๆ = (ความจุช็อตของกระบอก ÷ น้ำหนักช็อต) × เวลารอบ ตัวอย่าง: กระบอก 500 g ช็อต 100 g รอบ 30 วินาที ได้ราว 150 วินาที ของจริงนานกว่านี้เพราะยังมีเนื้ออยู่ในร่องเกลียว เม็ดที่ไวต่อความร้อน เช่น PVC, POM เกรด FR และ masterbatch บางชนิด ต้องเทียบกับขีดจำกัดใน TDS
4. ขนาดแม่พิมพ์เทียบกับเครื่อง แม่พิมพ์ต้องผ่านระหว่างเสาค้ำได้ (ดูระยะห่างเสาทั้งแนวนอนและแนวตั้ง) ความหนาแม่พิมพ์ต้องอยู่ระหว่าง min–max mould height และระยะเปิดควรได้อย่างน้อยราว 2 เท่าของความลึกชิ้นงาน บวกความยาว sprue และระยะให้มือหรือหุ่นยนต์หยิบ
5. เส้นผ่านศูนย์กลางสกรูกับแรงดันฉีด ชุดฉีดเดียวกันมักให้เลือกสกรู 2–3 ขนาด แรงดันฉีดสูงสุด = แรงดันไฮดรอลิก × (พื้นที่ลูกสูบ ÷ พื้นที่หน้าตัดสกรู) จึงแปรผกผันกับกำลังสองของเส้นผ่านศูนย์กลาง สกรูเล็กได้แรงดันสูงแต่ช็อตเล็ก สกรูใหญ่ได้ช็อตใหญ่แต่แรงดันต่ำ งานผนังบางเลือกสกรูเล็กเท่าที่ช็อตยังพอ งานช็อตหนักผนังหนาเลือกสกรูใหญ่
6. ชนิดสกรูตามเม็ด สกรูอเนกประสงค์ใช้ได้กับ PP, PE, PS, ABS ส่วน PVC แข็ง เม็ดเติมใยแก้ว PET และพลาสติกวิศวกรรมบางชนิด ต้องใช้รูปเกลียวหรือวัสดุเฉพาะ ให้บอกผู้ผลิตเครื่องว่าจะใช้เม็ดและ masterbatch อะไรจริง

ตัวเลขในหัวข้อนี้เป็นค่าอ้างอิงทั่วไป ต้องยืนยันกับผู้ผลิตเครื่องและ TDS

จุดตรวจบำรุงรักษา

ก่อนซ่อมฮีตเตอร์ ไฮดรอลิก หรือเข้าไปในพื้นที่แม่พิมพ์ ต้องตัดพลังงานและล็อก (lock-out / tag-out) ระบายแรงดันใน accumulator และรอให้ส่วนร้อนเย็นลงก่อนทุกครั้ง

อุณหภูมิน้ำมันเป็นค่าอ้างอิงทั่วไป ต้องยืนยันกับผู้ผลิตเครื่องและ TDS ความถี่จริงให้ยึดคู่มือของเครื่อง

การเติม masterbatch และสารเติมแต่งบนเครื่องนี้

ในเครื่องฉีด masterbatch เข้าทางเดียวคือ คอเติม ผสมไปกับเม็ดหลัก มี 2 วิธี

• ผสมในถังก่อน (pre-blend) ง่าย ลงทุนน้อย แต่เม็ดที่ขนาดหรือความหนาแน่นต่างกันแยกชั้นได้ระหว่างลำเลียงและในฮอปเปอร์
• เครื่องเติมที่คอเติม (dosing unit) แบบปริมาตร (volumetric) ใช้เกลียวป้อนหมุนตามเวลา แบบชั่งน้ำหนัก (gravimetric) ชั่งแล้วปรับอัตราเอง คุมอัตราเติมได้นิ่งกว่าและบันทึกปริมาณที่ใช้จริงได้ บนเครื่องฉีด เครื่องเติมต้องทำงานเฉพาะช่วงที่สกรูหมุนเตรียมเนื้อ ถ้าเติมต่อเนื่อง masterbatch จะกองที่คอเติมแล้วเข้าไปเป็นก้อนในบางช็อต

สกรูอเนกประสงค์ผสมได้จำกัด เนื้ออยู่ในกระบอกไม่นาน และส่วนจ่ายมีหน้าที่หลักคือทำให้เนื้อร้อนเท่ากัน ถ้าเปลี่ยนสีบ่อยหรือใช้ masterbatch หลายตัว ให้ถามเรื่องสกรูที่มีส่วนผสม (mixing section) เช่น แบบร่องสลับ (fluted / Maddock) หรือแบบหมุด (pin mixer) ตอนซื้อเครื่องหรือเปลี่ยนสกรู

Back pressure ช่วยการกระจายสีโดยตรง เพิ่ม back pressure ทำให้เนื้อถูกนวดมากขึ้นก่อนสะสมหน้าสกรู ลายสีมักลดลง แต่ถ้าสูงไป เนื้อร้อนจากแรงเฉือน เตรียมเนื้อนานขึ้น และสารที่ไวต่อความร้อน เช่น สารกันไฟลามบางชนิด เสื่อมได้ ปรับทีละขั้นและดูเวลาเตรียมเนื้อประกอบ รอบสกรูก็เช่นกัน ให้คิดเป็นความเร็วผิวสกรู (m/s) เพราะสกรูใหญ่ที่รอบเท่ากันเฉือนเนื้อมากกว่า

ล้างกระบอกตอนเปลี่ยนสี ใช้เม็ดของงานถัดไปหรือสารล้างกระบอก (purge compound) ซึ่งมีทั้งแบบขัดด้วยกลไกและแบบเคมี ACS ไม่ได้จำหน่ายสารล้างกระบอก ถ้าล้างนานผิดปกติ ให้ตรวจวาล์วกันย้อน หัวสกรู และหัวฉีด ก่อนเปลี่ยนยี่ห้อสารล้าง

ตรงไปตรงมา: ถ้าลายสีหรือจุดดำมาจากสกรูสึก วาล์วกันย้อนสึก หัวสกรูมีช่องอับ หรือโซนความร้อนเสีย เปลี่ยน masterbatch ไม่ช่วย ต้องแก้ที่เครื่องก่อน หลังเครื่องปกติแล้ว สูตรจึงมีผล เช่น carrier ที่เข้ากันกับเม็ดหลักและไหลไม่ยากกว่า pigment ที่กระจายดีตั้งแต่ขั้น compound

สารเติมแต่งที่ผูกกับตัวเครื่องฉีดโดยตรงคือ nucleating agent ใน PP ซึ่งช่วยให้ชิ้นงานแข็งพอปลดเร็วขึ้นและมีผลต่อการหดตัว ผลมากน้อยขึ้นกับเกรดและแม่พิมพ์ ต้องวัดบนเครื่องจริง อ่านที่ รอบฉีดช้า ชิ้นงานบิด ส่วนสาร UV และสารกันไฟลามเกี่ยวกับเครื่องตรงที่ residence time และอุณหภูมิ ดู พลาสติกกรอบแตกกลางแดด และ สารกันไฟลาม PP V-0 ต้นทุนที่ควรเทียบคือต้นทุนต่อชิ้นงานดี ไม่ใช่ราคาต่อกิโลกรัม ลองคิดด้วย เครื่องคำนวณต้นทุนต่อชิ้นงาน

อ่านต่อ: กระบวนการและอาการเสีย

รอบการผลิต ตัวแปร process และอุณหภูมิอ้างอิงของเม็ดแต่ละชนิด อยู่ในบทความ การฉีดพลาสติก ส่วนอาการเสียที่มักมีต้นเหตุจากตัวเครื่อง อ่านละเอียดได้ที่

• ฉีดไม่เต็ม (short shot) — ช็อตไม่พอ cushion เป็นศูนย์ วาล์วกันย้อนรั่ว
• ครีบ (flash) — แรงปิดไม่พอ แผ่นไม่ขนาน แรงปิดไม่เท่ากันสี่มุม
• รอยยุบ (sink mark) — ย้ำไม่พอเพราะ cushion หมดหรือวาล์วรั่ว
• ลายเงิน (splay) — suck-back มากไป เนื้อค้างนาน โซนความร้อนเพี้ยน
• จุดดำ (black specks) — เนื้อค้างไหม้ตามสกรูสึก หัวสกรู หรือหัวฉีด
• ลายสี (color streaks) — สกรูผสมไม่พอ back pressure ต่ำ เครื่องเติมไม่สัมพันธ์กับรอบสกรู
• รอยไหม้ (burn mark) — ความเร็วฉีดตั้งสูงเกินจนอากาศในโพรงถูกอัดร้อน (มักร่วมกับ vent แม่พิมพ์ตัน) หรือโซนความร้อนเพี้ยนจนเนื้อร้อนเกิน