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應用CAE模流分析技術改善手機產品開發之收縮翹曲變形問題郭瑞坤、吳燕玲J.K.KUO,Ann-Wu大霸電子股份有限公司研發/機構摘要近年來隨著全球網路通訊產業的發達，手機市場成長快速，由於產業的逐漸成熟、換機市場的熱絡，各廠商紛紛推出適合不同消費族群的產品，在功能與外型上也做不斷的創新與研發，除了卓越的技術與嚴格的品質控管外，掌握時間與速度才能擁有競爭優勢，面對輕便小巧外觀時尚的多功能手機的趨勢，機構設計空間也變的相當有限，在開發時間緊縮而良率需兼顧的考驗下，產品本身的設計顯得相當重要。為確保產品設計的正確性，本公司利用MOLDEX3D軟體在產品設計階段同時進行電腦模擬分析，預測產品在成型過程可能發生的問題，避免因設計不當影響產品的開發時間。一、案例簡介A.產品說明產品為Base手機下蓋，幾何尺寸(mm)：長*84寬*43.6高*9.3，平均厚度=1.4最厚2.2最薄0.55；模具設計：三板模採一模一穴三點直接進澆。B.問題焦點此分析針對模具廠澆口選用在薄肉區與產品設計有部份肉厚差異較大，造成射出成型時保壓階段塑料提早固化壓力傳遞不良，產品開模後有縮水情況，進行電腦模擬分析。C.使用材料此產品分析所採用的材料為PC。D.加工條件本文所採用之加工條件如表一所示。二、模流分析-原始設計圖1為產品厚度分佈由2.2~0.55mm。1）流動不平衡、結合線、包封產生圖2流動波前85%，澆口徑向充填並非均勻流動，在靠近薄肉區呈現遲滯，有流動不平衡的情況。圖3流動波前等位線圖，圖中有部份等位線過密情形，代表此區流動阻力較大，塑料流動通常往流動阻力小的區域流，最後才回填流動阻力較大的區域，造成流動末端有結合線與包封產生，有時甚至有短射之慮。圖4充填/中心溫度分佈圖，平均溫度在308℃，上方澆口附近出現255℃的溫度，差異過大，末端結合線將非常明顯。2)保壓效果不良圖5保壓/中心溫度分佈圖，分佈範圍在42.6℃~322℃之間，大部分塑料溫度在130℃左右，都低於塑料本身的不流動溫度。代表保壓結束瞬間塑料受冷模影響，熱傳效應明顯，塑料迅速降溫凍結。圖6澆口感測節點的中心溫度曲線圖，在保壓未結束前，澆口a、b溫度已低於塑料Tg點143℃，代表澆口提早封口固化，保壓時間太長，造成保壓失效亦有保壓不足的情況發生。圖7保壓/壓力分佈圖，壓力分佈範圍由澆口127Mpa至流動末端已降為0Mpa，壓降過大，壓力傳遞不良，無法補充縮水區之塑料，反而使澆口處殘留應力增加。3)縮水情況產生圖8體積收縮率分佈圖，澆口附近體積收縮率為（-2.02%），代表有膨脹的情況，遠離澆口之體積收縮率最大為（5.86%），代表縮水情況的發生，當保壓結束瞬間塑料有膨漲與縮水情況同時發生時，成型條件與成型機台的選用相當重要。三、模流分析-設計變更針對縮水問題的改善方式有許多，以下建議三個solution提供工程師參考。Revised_1：成型條件變更變更成型條件如表二，降低保壓時間，使澆口保壓階段塑料溫度提昇，增加保壓壓力，因保壓壓力需足夠克服澆口阻力進行縮水補償。圖9保壓/中心溫度分佈圖，分佈範圍由47℃~327℃，大部分塑料溫度提昇至166℃左右。圖10保壓/壓力分佈圖，分佈範圍澆口壓力為156Mpa，流動末端提昇為37Mpa，代表壓降變小。圖11體積收縮率分佈圖，體積收縮率分佈範圍由（-2.57%~3.92%），膨漲的情況稍增，縮水率則下降。Revised_2：產品設計變更澆口區域過薄，所遭受的流動阻力甚大，因此大的壓降會消耗許多射出壓力，因此增加進澆處肉厚，由0.55mm改為0.65mm，使熔塑流動阻力降低，採用如表二的成型條件。圖12充填/中心溫度分佈圖，平均溫度在309℃，上方澆口附近提昇為290℃的溫度，使塑料分佈較均勻。圖13保壓/中心溫度分佈圖，大部分塑料溫度提昇至171℃左右。圖14保壓/壓力的分佈圖，澆口壓力分佈範圍為159Mpa，流動末端提昇為48.2Mpa，代表壓力有效傳遞。圖15體積收縮率分佈圖，體積收縮率分佈範圍為（-2.45%~3.32%），膨漲的情況稍增，縮水率則有明顯的下降。Revised_3：模具設計變更為使達流動平衡，增加一組進澆點，平均分擔模穴的充填與保壓壓力的傳遞，採用如表二相同的成型條件，使塑料溫度提昇，黏度降低，流動阻力變小。圖16澆道配置變更圖。圖17充填/中心溫度分佈圖，平均溫度310℃，上方澆口附近提昇為305℃的溫度，使塑料分佈相當均勻。圖18保壓/中心溫度分佈圖，大部分塑料溫度提昇至171℃左右。圖19保壓/壓力分佈圖，分佈範圍澆口壓力為160Mpa，流動末端提昇為37.4Mpa，代表壓降變小。圖20體積收縮率分佈圖，體積收縮率分佈範圍由（-2.42%~3.00%），膨漲的情況稍增，縮水率有大幅度的降低。增加進料點，以相同的流速，使塑料溫度均勻分佈，壓力均勻傳遞，壓降變小，讓各澆口有效發揮，使縮水率降低。圖21改善成效比較表，由比較表中得知增加澆口是最佳的改善方式。案例追蹤的結果，模具廠在增加進料點後，縮水問題已完全解決，結合線處也較不明顯，對於澆口區有過度膨脹情況，因此區是貼貼紙的區域，在尺寸上的影響有限，過度膨脹因應力集中所產生的翹曲變形問題,因成品外緣將此區keep住，因此此情況並不造成成品的不良。圖22市面銷售手機圖。四、結論澆口位置的決定應位於塑件肉厚處，以使塑料由較厚處流至薄處，如此可使塑料分配較均勻；而澆口數量的選定，除需注意結合線發生外，更重要的是流動平衡，避免成型品有應力集中現象。保壓階段塑料並未完全的固化，且有塑料不斷被擠進模穴當中，所以模穴內的塑料為固體液體之混合狀態。在此階段流動為不穩定的，塑料流速極低，流動不再起主導作用，壓力為影響保壓過程的主要因素。在保壓的過程中，最重要的操作變數為保壓壓力及保壓時間，保壓壓力大約是整個射出成型週期中最高的壓力，決定於射出機鎖模力大小。保壓時間則控制保壓的程度。保壓壓力太高或保壓時間太長，產品容易產生毛邊且有較高的殘留應力；而保壓壓力太低或保壓時間太短，產品容易發生收縮現象，影響產品品質，因此成型機台與成型條件的選用相當重要。五、參考文獻1）科盛科技，”CAE模流分析技術入門與應用（一天學會Moldex3D模流分析軟體）”，全華科技圖書出版，2002。3）張榮語，”射出成型專書（Ⅱ）－模具設計”，高立圖書出版，1998。2）CAE研究室，”案例分析小手冊”，國立清華大學化工系CAE研究室。六、圖表彙整項目數據項目數據充填時間0.26sec充填壓力136Mpa保壓時間1.0sec保壓壓力136Mpa塑料溫度305℃模具溫度70℃頂出溫度127℃項目數據項目數據充填時間0.26sec充填壓力136Mpa保壓時間0.7sec保壓壓力164Mpa塑料溫度305℃模具溫度70℃頂出溫度127℃表一：成型加工條件表表二：成型加工條件表（Revised_1）圖一：成品肉厚分佈圖圖二：流動波前85%圖圖三：流動波前等位線圖圖四：充填/中心溫度分佈圖圖五：保壓/中心溫度分佈圖圖六：感測節點的中心溫度曲線圖圖七：保壓/壓力分佈圖圖八：保壓/體積收縮率分佈圖圖九：保壓/中心溫度分佈圖（Revised_1）圖十：保壓/壓力分佈圖（Revised_1）圖十一：體積收縮率分佈圖（Revised_1）圖十二：充填/中心溫度分佈圖（Revised_2）圖十三：保壓/中心溫度分佈圖（Revised_2）圖十四：保壓/壓力分佈圖（Revised_2）圖十五：體積收縮率分佈圖（Revised_2）圖十六：澆道配置變更圖（Revised_3）圖十七：充填/中心溫度分佈圖（Revised_3）圖十八：保壓/中心溫度分佈圖（Revised_3）圖十九：保壓/壓力分佈圖（Revised_3）圖二十：體積收縮率分佈圖（Revised_3）圖二十一：改善成效比較表圖二十二：市面銷售手機圖