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      2. 塑膠齒輪設計及材料推薦

        時間:2020-9-14 編輯:james_liu

        塑膠齒輪設計及材料推薦

        塑料齒輪已在范圍廣泛的應用中確立了傳統金屬齒輪的重要替代品的地位。塑料齒輪的用途已經從低功率低精度傳動發展到要求更高的動力傳輸領域。隨著設計師們不斷拓展塑料齒輪的應用范圍,人們對于塑料在齒輪設計中的表現和如何利用塑料的獨特性能也有了更多的了解。

        塑料齒輪具有許多金屬齒輪所沒有的優點。與金屬齒輪相比,它們重量更 輕、慣性更小、運轉時噪音更低。塑料通常齒輪不需要潤滑,或者可以添 加PTFE或硅油這樣的內部潤滑劑。塑料齒輪通常比金屬齒輪的單位成本更 低,而且在設計時可以結合考慮其他組裝性能。此外,這些齒輪還能運用 于許多腐蝕性環境。

        熱塑性塑料齒輪的最早用途無疑是制造低負載低轉 速的純尼龍和乙縮醛齒輪。隨著使用熱塑性塑料齒 輪的優點日益明顯以及性能更高的新材料的相繼問 世,設計師們開始把塑料齒輪用于具有更高要求的 應用場合。而把增強材料和內部潤滑劑復合到這些 材料中,則進一步擴大了塑料齒輪的應用范圍。

        由于缺乏系統的負載承受能力和磨損性能方面的數 據—至少同隨處可得的金屬齒輪/材料性能數據相比 情況如此,熱塑性塑料在齒輪方面的應用遇到了阻 礙。金屬材料的數據通過無數次成功的應用已經得 到積累和確認,并為大多數齒輪設計師所熟知。而 熱塑性塑料用作齒輪材料的時間較晚,尚沒有充分 的時間來整理大量的負載等級數據,并且熱塑性塑 料的獨特的機械和熱學性能也使得那些嘗試通過更 易于獲得的信息來推導這些數據的人士無功而返。

        盡管如此,還是有一些原則可以用來估測在齒輪中 使用熱塑性塑料的技術可行性。這些技術大多是從 原先通過金屬測試得出的公式演變而來的,因此沒 有考慮到熱塑性塑料所具有的某些獨特行為。

        本篇文章 筆者將嘗試揭示在使用這些公式和技術來評價熱 塑性塑料齒輪時必須考慮的一些要素。

        本文重點將 放在正齒輪上,然而文中涉及的基本觀點也可以擴 展運用于其他類型的齒輪。

        齒輪的類型和排列

        齒輪有很多種不同的類型,最方便的方法是按照齒 輪軸交叉的方式進行分類。如果齒輪軸平行,則需 要用到正齒輪或斜齒輪。如果兩個齒輪的軸成直角 交叉,那么通常使用傘形齒輪齒輪和蝸輪。如果兩 個齒輪的軸既不成直角交叉,又不平行,那就使用 相錯軸斜齒輪、蝸輪、準雙曲面齒輪和錐蝸輪。最 常見的塑料齒輪是正齒輪、斜齒輪和蝸輪,但是如 果需要,也可能使用其他類型的齒輪。

        單獨一個齒輪無法發揮什么作用,所以齒輪要成對使 用。當兩個齒輪的齒互相嚙合時,一個齒輪的轉動將 使另一個齒輪也跟著轉動。如果兩個齒輪的直徑不 同,直徑較小的齒輪(稱為小齒輪)將比直徑較大的 齒輪(稱為主齒輪)轉動得更快,且旋轉力更小。

        輪(圖1)。如果輪齒指向軸的方向,則齒輪是內嚙合 正齒輪?(圖2)。正齒輪相對來說設計簡單,制造也 容易。正齒輪只對其軸承施加徑向負載,可在各種 不同的中心距上運轉,這使正齒輪比較容易安裝。大多數設計師使用20°的壓力角,但是22 1/2°和25°的壓力角也很常見。壓力角大于20°的齒輪有 較大的負載能力,但轉動起來不太平穩,噪音也較 大。

        斜齒輪與正齒輪相似,但其齒面與齒輪軸成一個夾 角?(圖3)。事實上,一個螺旋角為零的斜齒輪就是 正齒輪。在既要求高速又要求高負載的情況下,可 以使用斜齒輪。單斜齒輪既施加軸向負載,又施加 推力負載,因此安裝不那么簡單,但是與正齒輪相 比,轉動起來噪音較小,也更平穩。為了抵消推力 負載,通常將螺旋方向相反的幾個斜齒輪安裝在同一 個軸上。這樣的齒輪稱為雙斜齒輪?(圖4)。

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        齒輪行動

        錐齒輪呈圓錐狀,在齒的厚度和高度方向都是錐形 的。輪齒的一端大,另一端小。雖然輪齒的尺寸是 按照齒的較大一端列出的,但強度計算要以輪齒的 中部截面為依據。

        最簡單的錐齒輪的類型是傘形齒輪(圖5)。這些齒 輪通常用于成90°相交的軸上,但是可以在幾乎任 何角度下運轉。這樣的齒輪既施加推力負載,又施 加軸向負載,必須安裝得很準確才能正常工作。雖 然塑料的錐齒輪并不很常見,但是設計師們已開始 研究其用途。其他類型的錐齒輪還有螺旋錐齒輪和 零度錐齒輪。

        端面齒輪是一種特殊類型的齒輪,它的輪齒鑲嵌在 齒輪的端面上(圖6)。在端面齒輪上,輪齒與齒輪 的軸指向同一方向。端面齒輪可以同正齒輪或斜齒 輪嚙合。像錐齒輪一樣,兩個齒輪的軸必須交叉, 軸的角度通常是90°。

        有三種類型的齒輪通常被稱為蝸輪。蝸輪可以安裝 在非交叉、非平行的軸上;然而最常見的排列是非 交叉、成90°的軸。蝸輪的特征是其中一個部件有 螺紋。這個部件稱為蝸桿(圖7)。與蝸桿配合的齒輪 稱為蝸輪。

        在塑料齒輪設計中,金屬(或偶爾是塑料)蝸桿與 塑料斜齒輪相配合是十分普遍的。這種排列實際上 被稱為非包絡蝸輪或相錯軸斜齒輪。相錯軸斜齒輪 安裝在彼此不交叉但成一個角度(通常是90°)的兩 根軸上。相錯軸斜齒輪對它們的軸承既產生軸向負 載,又產生推力負載。

        相錯軸斜齒輪組能夠經受中心距和軸間角的小變動 而不會影響齒輪的精度。這個特點使它成為最容易 安裝的齒輪之一。

        可惜的是,相錯軸斜齒輪只有點接觸,因此不能承 受很高的負載。然而,如果齒輪能夠磨合一段時間 而不失效,點接觸變成了線接觸,這就更像單包絡 蝸輪,這時承載能力會增大。這是將金屬蝸桿與塑 料斜齒輪配合使用的原因之一。斜齒輪首先磨損,然后變成一個標準的蝸輪。把金屬蝸桿與塑料蝸輪 或塑料斜齒輪配合使用的另一個原因,是有助于消 除蝸輪組可能產生的大量熱量。塑料蝸輪由于與熱 有關的因素而失效的情況并不罕見。

        真正的蝸輪組可分為單包絡或雙包絡蝸輪。在單包 絡蝸輪組中,蝸輪有一個帶喉齒廓,它包圍著蝸 桿,就像螺母包圍著螺紋一樣(圖8)。這就比類似 的斜齒輪有更大的接觸面,從而把承載能力增大 了2–3倍。在雙包絡蝸輪中,蝸桿(圖9)和蝸輪都帶 喉,并且互相包圍。模塑帶喉的蝸桿或蝸輪是很困 難的,因此,蝸桿和斜齒輪(交錯軸螺旋齒輪)的組 合最為常用。

        齒輪的運動

        在我們開始分析塑料齒輪中的應力之前,理解齒輪的運動是很重要的。事實上,每個輪齒都是一根在 一端有支撐的懸臂梁。接觸點會產生使這種梁彎曲 并從整塊材料上剪切下來的力。

        因此,齒輪材料應該有很高的抗彎強度和剛性。

        另一個作用主要是表面作用。由于摩擦力和點接觸 或線接觸(赫茲接觸應力),在輪齒的表面產生了應 力。在齒輪運動的過程中,輪齒互相滾壓,同時互 相滑過。當輪齒進入嚙合狀態時,有一個初始接觸負 載。齒輪的滾動運動會在接觸點之前產生接觸應力 (這是一種特殊的壓應力)。同時會發生滑動,因為 輪齒的嚙合部分的接觸長度是不相同的。這就造成 了摩擦力,它剛好在接觸點的后面形成一個拉伸應 力區。在圖10中,標有R的箭頭顯示滾動方向,而 標有S的箭頭顯示滑動方向。在這兩種運動方向相反 的地方所形成的力,正是大多數問題的根源。

        在圖10a中,兩個齒輪剛剛開始接觸。在驅動齒輪 的點1上,材料受到來自滾動運動的壓力,方向朝著 節點;同時由于對滑動運動的摩擦阻力,這個點又 受到拉伸,方向背向節點。這兩種力的共同作用可 能會造成表面開裂、表面疲勞和熱量積聚。所有這 些因素都可能導致嚴重磨損。

        在從動齒輪的點2上,滾動和滑動的方向相同,都 朝著節點。這使點2處的材料受到壓力(來自滾 動),而使點3處的材料受到拉伸(來自滑動)。這種情況不如在驅動齒輪上嚴重。

        齒輪設計

        在圖10b中,我們看到兩個齒輪之間接觸的末端。滾 動運動仍然為相同方向,但是滑動運動已經改變了 方向?,F在從動齒輪的基部承受的負載最大,因為 點4既要承受壓力(由于滾動)又要承受拉伸(由于 滑動)。驅動齒輪的齒頂所受的應力不那么嚴重,因 為點5受到壓應力,而點6受到了拉伸應力。

        在節點上,滑動力改變了方向,從而形成了滑動零 點(純滾動)。有人可能會認為齒輪的這個部位的表 面失效是最小的,然而,實際上節點是最先發生嚴 重失效的區域之一。節點雖然沒有受到復合應力, 卻承受了很高的單位負載。在齒輪剛剛接觸或接觸 結束時,前一對輪齒或后一對輪齒會承受一些負載,因此單位負載也會減少一些。最高的點負載出現在 兩個齒輪在節線處或稍高于節線的位置剛剛接觸的 時候。在那個點上,全部或大部分負載通常都由一 對輪齒來承受。這可能導致疲勞失效、嚴重的熱量 積聚和表面性能退化。

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        材料

        齒輪材料有一些基本要求。材料必須具有足夠強度 以傳遞齒輪輪齒負載,并對配合齒輪的材料具有良 好的耐磨損性和耐摩擦性。對于某些應用,耐沖擊和耐腐蝕性能也至關重要。齒輪設計師必須仔細評估齒輪需要滿足的要求(環境要求和力學要求),并將這些要求與要使用的材料的相關性能進行比較。

        如前文所述,用于評估齒輪的值極少可在數據表中找到。標準機械性能和物理性能的評估條件極少會出現在齒輪的工作條件中。如果有各種溫度和疲勞 度下的工程性能(如應力-應變同步曲線、拉伸蠕 變或彎曲疲勞)數據,則可以更好地預測材料的行為。但即使有所需的數據,我們仍強烈建議進行原型試驗。

        雖然大多數磨損數據并不直接適用于齒輪應用,但通過圓盤、環-塊或盤-銷磨損數據仍可以對可能的 備選材料進行比較分級。在熱塑性合成材料相對于 鋼和其他金屬(鋁、銅等)方面,以及熱塑性合成 材料在室溫和高溫方面,已經得到了大量的圓盤實驗數據。這種數據可用于篩選齒輪原型的潛在備選 材料。未填充的Nylon6/6的磨損系數200是用于確定某種合成材料是否具有合格磨損率的基準。大于200的磨損系數表明材料具有不可接受的高磨損率,因此不適用于大多數齒輪應用。低于200的磨損系數表明它是一種潛在可行的齒輪材料。

        在選擇齒輪材料時應使用的另一個數字是限定性PV(壓力-速度)值。這個數字表示一種合成材料 的負載或速度極限。在PV測試中,旋轉軸承上的負 載會逐漸遞增,直至失效??紤]到安全系數,通常 取PV極限值的50%作為最大值來選擇合成材料。有 關更完整的對圓盤和PV極限值測試的說明,請參閱LNP*內部潤滑熱塑性塑料指南。未填充的聚甲醛和 未填充的Nylon6/6是最先在齒輪中普遍使用的兩種 熱塑性塑料。這些結晶樹脂具有良好的內在耐磨損 性,?較低的摩擦系數和良好的耐化學腐蝕性。但是, 它們的成型收縮率高,速度/負載能力低,限制了潛 在的應用范圍。如今,許多新的熱塑性樹脂已經被 合成出來,它們帶有內部潤滑劑,可以提高耐磨損 性和降低摩擦,并且采用增強材料提高了強度。

        潤滑添加劑

        最廣泛使用的潤滑劑有PTFE粉末(聚四氟乙烯)和硅油。PTFE顆粒通過磨損表面之間的剪切產生粘著, 從而產生一種PTFE薄膜,它可轉移到配對磨損表 面上。這種PTFE對PTFE的轉移薄膜會明顯降低摩擦 系數和磨損率。例如,當在PEI(聚醚酰亞胺中添加15%PTFE進行潤滑時,動態摩擦系數會從0.51降低 到0.30,磨損系數會從3940降低到106。由于這種 非晶樹脂的磨損系數低于200,可以考慮將其作為 潛在的齒輪備選材料(圖30)。非晶樹脂之所以重 要,是因為在模具中它們比結晶樹脂具有更低的收 縮率,可以用來模塑生產精度更高的齒輪。

        另一種常見的潤滑劑,即硅油,可以遷移到磨損接 觸面,并在起動時即開始在界面上存在。硅油可以單獨使用,如果結合PTFE,磨損系數更低。用2%硅 油潤滑的聚碳酸酯的磨損系數 會從2500降低到386。將13%的PTFE和2%的硅油結合使用可進一步將磨損系 數降低到42。PTFE/硅油組合可以改善高速下的性 能,通常被用于會產生失穩速度(Oscillating Speed)或齒輪跳動(Oscillating Motion)的情況。

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        增強材料

        復合到樹脂中的增強纖維(如玻璃纖維、碳纖維或芳香族聚酰胺纖維)可以提高材料的機械性能。碳纖維增強材料可最大程度地提高機械強度和剛度,玻璃纖維的增強效果次之,芳香族聚酰胺纖維再次之。僅添加增 強纖維一項即可明顯降低大多數樹脂系統的磨損系數(表3)。結合使用PTFE和纖維增強材料更可進一步降低 磨損系數。對于具有典型纖維添加量(玻璃纖維和碳纖維30%,芳香族聚酰胺纖維15%)并添加15%PTFE潤滑 劑的Nylon 6/6,磨損系數將降低到20以下。

        玻璃纖維和碳纖維的主要缺點是可能會在模具中誘發各向異性收縮,而降低齒輪精度。芳香族聚酰胺纖維 則表現出更高的各向同性,流動方向和橫向收縮率之間差異很小。粒狀填料(如輾碎的玻璃或玻璃珠)可 改善具有極少增強纖維的合成材料配方,而不會加劇收縮的不均勻性。但是,這些材料通常會降低機械性 能,并使磨損率上升。

        對增強合成材料的改進之一是使用長纖維技術,這大大提高了取代金屬齒輪的可能性。包含玻璃纖維和PTFE的長短玻璃纖維增強Nylon 6/6的性能比較顯示了使用長纖維增強材料在抗彎強度和沖擊強度上明顯 改善。由于降低了纖維末端的數量,因此磨損率不會明顯提高。在某些齒輪應用中,其較高的強度和抗沖 擊性能使得輪齒在高扭矩條件下的強度和耐疲勞性能都得到改善。

        齒輪組合

        塑料齒輪的磨損在很大程度上取決于相對的那個齒輪。對于金屬齒輪組合中的塑料齒輪,合成材料在相 對較硬的金屬上的磨損可能會與在軟金屬(如鋁和銅)上的磨損不同,具體情況又因配方而 異。金屬齒輪的表面光潔度也會影響塑料齒輪的磨損。從耐磨的角度來說,金屬-塑料齒輪組合中金屬齒輪 表面光潔度的適宜范圍為12-16 μin。

        例如,請看以下兩種Nylon 6/6配方:一種配方為30%碳纖維增強、15% PTFE潤滑的Nylon 6/6,另一種配 方為10%芳香族聚酰胺纖維增強、10% PTFE潤滑的Nylon 6/6。兩個配方對鋼的磨損系數都為13。但是, 對于鋁,碳纖維配方的磨損系數為175,而芳香族聚酰胺纖維配方的磨損系數為45。另一個重要的事實是,鋁軸與碳纖維增強的合成材料的磨損系數(95)要比與芳香族聚酰胺纖維合成材料的磨損系數(4) 更高。芳香族聚酰胺纖維增強適用于軟金屬和粉末金屬,因為它們可幫助降低磨蝕性金屬顆粒的生成。

        塑料對塑料磨損

        對于塑料-塑料齒輪組合,合成材料的選擇變得更加復雜。這些磨損組合極難預測,只能通過測試才能確 定。通常,盡管有某些熱塑性合成材料在同種材料之間具有良好的耐磨性,但找到使用異種材料的可接受 磨損組合會更容易一些。

        在許多情況下,具有天然潤滑性的材料的磨損率都很高。當未填充的芳香族聚酰胺(通常視為具有很好的 天然潤滑性)與相同材料配合使用時,磨損系數在10,000以上。但加入20%的PTFE后,在與同種材料配合 使用時,會得到40左右的磨損系數。

        高溫齒輪

        熱塑性合成材料在高溫齒輪條件下用途有限,這是因為當溫度升高到熔點/玻璃態轉化溫度時,其機械性 能會降低。在設計高溫應用條件下的塑料齒輪時,必須了解備選材料在應用溫度下的機械性能。其中包括 磨損數據,因為磨損率在溫度提高時也傾向于升高。大多數高溫齒輪應用都會使用高熔點/高玻璃態轉化 溫度的樹脂,如PES(聚醚砜)、PEI(聚醚酰亞胺)、PPS(聚苯硫醚)、PPA(聚鄰苯二甲酰胺)和PEEK(聚 醚醚酮)。高溫齒輪應用幾乎都會采用纖維增強材料和/或內部潤滑。

        模具設計和齒輪精度

        為了得到精確模塑的熱塑性齒輪,您必須具有精確的模具。在齒輪模塑過程中,模具和模腔孔的對齊至關重要。建議在模具之間使用聯鎖裝置以消除導向系統中的松動配合。優先選用空氣淬火鋼而不選 用油淬火鋼,這是因為空氣硬化鋼在熱處理過程中 具有較高的尺寸穩定性。另外,對于緊密公差設計,建議使用含碳量較高(以便獲得較高的總體硬 度)和含鉻量較高(以便獲得較好的耐磨損性)的 鋼材。為了更好地控制公差,建議澆口型芯、芯棒 和部件的其他高磨損區域結合使用H-13或A-2鋼和D-2鋼。

        在模塑齒輪的過程中,冷卻對于公差控制至關重 要。整個模具內必須保持均勻的溫度,以便允許材 料以均勻、受控的速度收縮。不均勻的收縮會導致 尺寸公差差異。應特別注意芯棒和深型芯,因為它 們易于變熱。

        最好使用具有自然平衡流道系統的三板式模具,以 便取得緊密公差的齒輪模塑。雖然多腔模具很常 見,但不建議使用多件模??梢允褂脽o流道(熱流 道)系統,但會降低模具的公差容許量。使流道保 溫所需要的熱量還會使模具的一部分受熱,因此需 要進行額外的冷卻。如果選擇熱流道系統,必須充 分設置冷卻板,以正確控制模具溫度。

        排氣非常重要,因為排氣不足會使空氣滯留于模具 內,并可導致填充部件時熔體溫度和模腔壓力的差 異。這些條件都會影響公差容許度。應該在模具上 提供盡可能多的排氣孔,特別是在最后填充的區 域。脫模系統的設計必須能夠確保在從模具中彈出 部件時盡可能減少變形量。

        在許多齒輪模具中均可看到芯棒、滑道和側向運動 部件。在任何可能的情況下,這些功能部件都應穿 過要注塑的部件并鎖定到另一模具瓣內的固定座 中。這可防止功能部件隨時間的推移而發生撓曲, 在加工處理過程中,塑性流動前沿的反復沖擊即可 造成這種撓曲。

        模塑齒輪中的澆口位置對齒輪的精度具有顯著影 響,特別是徑向跳動精度。注射成型齒輪的最佳澆 口類型為圓盤形或膜片形澆口。圖34顯示了帶有圓 盤形的單一和多個澆口的極簡單齒輪的模具填充分 析。圓盤形澆口可在徑向上提供完全均勻的流動, 并不會出現焊縫線。這會使齒輪在所有方向上的收 縮情況都相同。由于實際齒輪生產中這種澆口通常 不實用,因此澆口通常放在齒輪的輪輻上。

        當澆口放在輪輻上時,最好采用多個澆口,均勻分 布在齒輪上。當使用單一澆口時,塑料必須繞中央 芯棒流動。這會在芯棒附近形成一條細小的熔合 線,之后塑性流動前沿會離開中心位置。這種流動 形式會在齒輪相對澆口一側的徑向上形成高度的纖 維定向。

        在使用多個澆口的情況下,流動模式更加不規則。液流從澆口呈輻射狀向四周流動,在流動前沿匯合 處會形成三條熔接線。在熔接線位置,纖維的取向 傾向于與流動前沿平行。在齒輪中,這會導致纖維 在熔接線處呈徑向分布,而在齒輪其余部位隨機分 布。這會沿熔接線形成低收縮區域。熔接線與齒輪 其余部位之間纖維取向的差異要比單一澆口齒輪的 更小,因此這種齒輪精度更高。

        為了對此作進一步說明,我們在齒輪的輪輻區域采 用了單一澆口和三個等距分布的澆口,模塑制作 了在前述材料研究中使用的32節距、20°壓力角、0.125英寸厚的正齒輪(第20頁圖32)。

        塑膠齒輪設計及材料推薦

        圖35比較 了具有一個澆口和三個澆口的40%玻璃纖維增強Nylon 6/6的TCE圖。

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        單一澆口齒輪具有一個大峰 值,表示卵形齒輪。此峰值是齒輪中的凸起點,與 齒輪澆口相對側上的高度纖維定向相關。徑向取向 的纖維可降低齒輪一側的收縮率,導致在齒輪上產 生凸起點。

        在三澆口齒輪中,由于有三條熔接線,因此有三個 凸起點。不過,由于塑料流動的距離縮短,纖維定 向的發生機會得以降低,因此這些凸起點的幅度得 以降低。多澆口系統更易于形成可從圓盤形澆口齒 輪中獲得的同心、均勻流動條件。

        模塑參數的影響

        工藝變量確實會對齒輪的整體精確度有某些影響,但這種影響對于結晶樹脂和非晶樹脂有所不同。使用上面討論的單一澆口齒輪時,我們為40%玻璃纖維增強Nylon 6/6和30%玻璃纖維增強聚碳酸酯確定了標準的加工條件。并根據注射壓力、注射速率、保壓壓 力、機筒溫度和模具溫度的高低調整了工藝變量。在優化了控制材料凝固的參數(較低的模具溫度、控制保溫時間直到冷卻)的情況下,結晶尼龍具有最低的TCE(精度更高)。當模塑條件對熔體產 生的剪應變達到最低(即熔體溫度較高)時,非晶聚碳酸酯可以生產出精度最高的齒輪。

        在模塑塑料齒輪過程中具有更重要意義的是注射成 型工藝本身的穩定性和可重復性。強烈建議使用閉環過程控制。如上所述,密封壓力、熔體溫度和材 料混合所發生的變化會對材料的收縮率造成實質性的影響,閉環過程控制允許模塑生產者根據需要進行調整,以保持模塑參數恒定不變。

         

        ATT可以提供特殊改性的耐磨齒輪專用料,它極低的動靜態摩擦系數,使其具有非常出色的耐磨性能和靜音性能,耐磨性能幾倍于POM,尼龍等工程塑料,非常適合打印機,ATM,無人機等設備的靜音齒輪。其中M330AS1EA為有機硅改性的牌號,M330AT4FA為鐵氟龍改性的牌號。

        資料來源:沙伯基出創新塑料

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