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新型光纖接頭精微模具設計及成型技術之研究ResearchDevelopmentofaNovelPreciseMoldandtheMoldingTechniqueforOpticalFiberFerrules黃明賢M.-S.Huang國立高雄第一科技大學機械與自動化工程系助理教授AssistantProfessor,DepartmentofMechanicalandAutomationEngineering,NationalKaohsiungFirstUniversityofScienceandTechnology林宗彥T.-Y.Lin國立高雄第一科技大學機械與自動化工程系研究生Graduatestudent,DepartmentofMechanicalandAutomationEngineering,NationalKaohsiungFirstUniversityofScienceandTechnology摘要傳統模具設計及成型技術乃針對尺寸大且精度要求不高的產品，但近年來由於射出成型件已趨向重量小且尺寸要求精度高，模具設計中所忽略的模具定位和變形顯得格外重要。本研究以SC型塑膠光纖接頭模具為載具，設計一具有精密定位功能的新型模具，擬將射出成型機開關模運動之誤差及模板變形對模具定位之影響排除在外；另外，利用Moldex模流分析軟體模擬分析模具的芯模承受熔膠拖曳力時所造成的變形，並且以此為參考結合田口實驗計畫法尋找成型參數之最佳化。根據實驗結果顯示，模具模板變形量及平行度會受到機台振動的影響，在精微模具設計時需將基台振動的因素考量在內，基於此設計理念，新型光纖接頭模具在定位穩定度方面，較傳統穩定，至於以模流分析軟體模擬成型參數對芯模變形之影響得知射出速率及熔膠溫度的貢獻度最大。關鍵詞：微射出成型；精密定位機構；模具變形；製程參數最佳化；SC型塑膠光纖接頭AbstractTheconventionalmolddesignandinjectionmoldingtechniquetendstoapplyforpartswithlargesizeandlow-precisiondimension.Nowadays,moldingpartswithtinydimensionsandhighaccuracyaretremendouslyrequired.Thus,thepositioningaccuracyofmoldplatesmovementandthecontroloftheirmolddeformationareimportanttoproductquality.ByemployingtheSC-typedplasticferrulesasthestudyvehicle,thisresearchaimstodesignanewmoldingmechanismtoachievehighpositioningcapacitywhenmoldclosing.Thedesignconceptistoeliminatethemisalignmentofmoldclosingcausedbythedeformationoftheclampingunit.Moreover,thecommercialsoftware“Moldex”isappliedtosimulatethelittledeformationoftinycorecausedbythedragforceofmeltpolymer.ByapplyingTaguchimethod,theoptimalparametersettingisdecided.Accordingtoexperimentalresult,themoldplatensareaffectedbythemoldingmachine’svibration.Thereforetakingthisfactorintoaccountisnecessarywhenopticalfiberconnectormoldwasdesigned.Themeasurementshowsthatthisnew-typedmoldstructureismorereliableinpositioningthantraditionalone.Also,theinjectionrateandthemelt’stemperaturehavegreatinfluenceoncorepin’sdeformation.Keywords:microinjectionmolding,molddeformation,optimalprocessparameter,SC-typedplasticferrules,mechanismofprecisionposition.格式說明：在摘要與全文之間插入「分節符號」與「分頁符號」參考：『插入分節與分頁符號』一、前言射出成型機係一種週期性量產塑膠成型品的機器，其主要機構有塑化單元及夾模單元兩大部分。其中夾模單元用以承載模具，進行開、合模、鎖模、頂出成型品之週期性運動。在熔膠成型過程中，夾模單元必須提供足夠鎖模力以確保模具之閉合，防止塑料在高壓力的射出階段將模具撐開，導致成型不良的情形發生。由於夾模單元的動模板、靜模板、導柱等零組件，在成型過程均將承受極大的負荷而變形，以肘節式合模機構為例，造成成型不良的原因，描述如下：(1)合模時模板不平行：肘臂個別尺寸誤差與射出機導柱的磨損使活動模板不能筆直動作，造成模板合模靠迫時，模具微結構零件受到壓力，造成模具結構變形，如圖1。(2)鎖模力分佈不平均：曲肘機構以肘臂的安裝點為中心鎖模力分佈向兩側遞減，造成模具中心鎖模力弱，使模具產生變形，發生溢料(毛邊)的現象，如圖2。(3)肘臂伸展瞬間鎖模力過大：肘臂伸展瞬間產生過大的鎖模力，使射出機的導柱彎曲，可動模板發生運動，如圖3。因此對微射出成型而言，動模板的變形量及平行度必須嚴格地控制以避免其間接地導致成型品特徵尺寸的偏差。再者，模板間閉合運動的滑動公差設計會對具有靠迫特性的精密用模具造成尺寸偏移。至於模具強度設計方面亦會因夾模單元所承受鎖模力時的模板變形隨之變形。對精密的微射出成型而言，模具的變形不但會使模穴在分模線產生間隙，亦會造成在高速充填時產生的毛邊現象直接影響尺寸。在成型方面，微射出成型的充填過程由於成品小、流道小、流動阻力大，因此需提高熔膠充填速度，以減少固化層的形成。但高射速將使成型品品質控制的困難度提高。除此之外，由於微射出所射出之熔膠量少，當熔膠進入模穴時瞬間冷卻凝固，為使熔膠能順利完全充填模穴，微射出成型的模溫較高於傳統射出成型，而高模溫造成微射出成型之成型週期較一般傳統射出成型長的缺點。上述微成型技術的充填過程不同於傳統的充填過程，將會衍生出微成型技術所需克服的問題，諸如，高深寬比成型工程技術挑戰、需快速充填以避免固化層形成所衍生短射的問題、需避免高射出壓力以防止模內微結構件受力變形、需精確射膠位置控制及高精準和高強健鎖模系統成型設備等問題。這些都會決定模具的變形量與充填完整與否，進而影響模具壽命及產品尺寸精度。傳統射出成型技術中，由於成品物件大，尺寸精度較不要求，故模具的變形及定位等因素容易被忽略，但在精密及微量成型中，除去成型參數、射出機性能、塑膠材料及加工技術外，模具的變形定位也是直接關係成品尺寸精度的要素之一，因此在Boitout[1]的研究中提到模穴的變形主要來自於：(1)機台靠迫模具致使模穴被撐開，此種模穴變形約略只有數十微米，並不會產生看得見的毛邊；(2)模具的鋼材並不是無限剛性，因此熔膠的壓力的上升，造成模穴體積變大；(3)模具零件部分的變形，也是促使模穴產生變形的原因之一，後續Leo和Cuvelliez[2]以應變規進行量測模穴平面的變形，將上述的最後兩項因素與模穴變形的關係予以量化。根據上述模具變形的原因，減少模具變形最直接的方法，可從模具設計改善，以往模具設計並無一定準則可循，模具尺寸及其水路的設計皆採取經驗法則，為減少模具變形，Hirosh等人[3]藉由有限元素法進行模具結構及分模面的變形分析，有以下的結論：(1)稍微傾斜的分模面可減少分模面邊緣的變形；(2)公模板或承板在合模方向加厚有助於減少分模面的變形量。蔡[4]使用有限元素法對模板強度進行分析，發現加大導柱上螺帽外徑及在導柱上增加應力讓槽設計，可減小模具的變形。微射出成型如塑膠光纖接頭為載具的應用技術瓶頸在於熔膠在流動時因其黏彈性的特全文撰寫格式說明：一律以「雙欄式」撰寫全文參考：「設定雙欄」全文撰寫格式說明：一律以「雙欄式」撰寫全文參考：「設定雙欄」內文標題格式說明：各段標題字體規範為：標楷體11級大小，粗體，以小寫中文數字開頭段落間距：與前段距離0.5列，與後段距離0.5列參考：「段落設定」內文段落格式說明：各段標題開頭：預留2個字的空白圖例格式說明：文中圖示一律標示圖號，於文後附加圖檔參考文獻引用：文中引用他人研究，一律標示，並於文後附加說明性，會造成模具芯模(corepin)微結構的翹曲，因而形成孔洞的翹曲過大。由於光纖接頭為使光纖達到高效率的訊息傳送，故在置放光纖的孔洞必須要求定位精準。Sato等人[5]以SC型內直徑126μm，外直徑2.5mm之塑膠光纖連接器為載具，為使光纖連接器內徑孔洞與外徑孔洞的同心度偏差在理論範圍內，採用四個澆口射膠，藉射膠速率調整內孔與外孔同心度，調整射膠速率後，射出的成型品經模擬反覆的環境變化，其連接損失和反射損失皆在理論範圍內。王[6]進一步以MJ-RT型直徑126μm，直徑1.5mm之塑膠光纖連接器應用田口方法對模溫、冷卻時間、塑料溫度、保壓壓力、保壓時間、射出壓力及射出速度等控制因子分別各取二水準對尺寸收縮進行實驗，經變異數分析顯示以塑料溫度及冷卻時間貢獻度最大。二、實驗方法與驗證本研究以SC型光纖接頭(尺寸、形狀及其規格如圖4)為載具，此產品有一125μm直徑的內孔洞，此孔洞對應於模具中的芯模需靠迫在母模仁上的芯模孔中，精度要求在1μm以內，因此模板的運動精度造成芯模對位不精準與熔膠充填模穴時對產生的芯模變形皆是影響微成形品是否符合尺寸精度要求。綜合上述，以下針對射出機台、模具設計與射出成型參數三大方向設計實驗。2.1模板平行度的量測在機台與模具變形方面微射出成型由於產品精度要求高，射出機模板及模具的微變形與機台的振動因素皆會影響產品品質，因此在微設計模具之前，瞭解射出機器與模具動模板之動態平行度精度及變形，以作為設計精密模具之參考。本實驗針對30噸鎖模力全電式精密射出成型機(機型：FANUCROBOSHOTα30iA)及模具進行活動、固定側模板於運轉合模靠迫時模板平行度及變形的量測。2.2具精密定位精度之模具設計由於模具變形、合模精度及機台的穩定度對高精密成型會有相當大的影響，因此對本研究針對SC型光纖接頭模具，需設計一個儘量可以將機台之不確定因素(如震動、滑動等)及模板變形排除在外的模具機構。2.3以模穴壓力感測器量測芯模微結構變形SC型光纖接頭模具的芯模位於模穴中，一般量測方法無法在熔膠充填時量測芯模變形的行為，因此利用芯模變形所造成芯模周圍流場的壓力差將藉由熔膠傳遞至模穴壁上，埋設模穴壓力感測器於模穴兩旁感測芯模變形所產生壓力的差異，使用模穴壓力感測器量測芯模變形的優點在於以非接觸的方式感測出芯模微小的變形量，並可並免干擾熔膠流動，因此事先以Moldex模流分析軟體模擬在公、母模穴中埋設壓力感測器如圖5，利用壓力感測節點瞭解充填過程模穴兩側的壓力平衡，以掌握因芯模變形產生模穴壓力不平衡的情形，再以田口方法調整成型參數，找出影響芯模變形的重要因素。2.4雷射干涉儀角度量測原理雷射干涉儀是利用光波的干涉，而使量測的精度提高到1/2個波長以內。首先運用反射平面鏡使單一光束振幅區分成兩束，所得的兩光柱進行的方向及相位不完全相同，當其再相遇時便形成干涉條紋，如採用的光源是雷射，同調長度即能拉長，也就是待測光和參考基準光兩通光的光程即使拉長，仍然會有干涉的現象，可利用此原理來作