在模具充填過程中,熔融塑膠必須取代調原本在模穴內的空氣。如果沒有將空氣排出,殘留於模穴內的空氣將會阻擋塑膠的充填狀況。另外,被困在模穴內的空氣會因為受到塑膠加壓加熱而升溫,升溫後的空氣反而會讓其周圍的材料發生焦痕(如圖 1 );部分塑料甚至會被高溫分解氣化,而在模穴表面形成一層腐蝕物,造成產品在生產過程中發生問題。

圖 1 、黑色部位為排氣不良導致局部燒焦的現象。

CAE 軟體雖然可以用來預測包風( Air Trap )的位置,但是往往分析結果與短射品不合。主要的原因如下:

1.

為了縮短計算時間,模流分析軟體會假設在充填過程中模穴位置為『完全排氣』,也就是假設在排氣過程中空氣可以順利的從模穴周圍排出。而真實的模具在成型過程中,可能因為機構的影響,或者是材料阻塞,無法做到『完全排氣』的設計,這點會與模擬時的假設發生誤差。

2.

模具內額外安裝的入子、頂針等機構,安裝時都會有間隙。設計人員會利用這些間隙讓空氣排出,因此這些機構同時也是排氣機構。但是在模流分析過程中,使用者無法在程式內指定特定位置的排氣。使得真實的排氣狀況與模擬結果無法完全符合。

雖然如此,有經驗的 CAE 工程師仍然能夠根據 CAE 分析的結果,判斷出可能排氣不良的位置,進而預防或者是解決排氣問題。以下將以一筆記型電腦之底座,說明如何藉由模流分析軟體之結果,在模具設計初期設計排氣機構;並且以各項分析結果,判斷整體設計之良窳。

圖 2 為分析結果之網格模型圖,圖 3 為網格局部放大圖。由於問題在於預測並且解決排氣問題,因此僅需要執行充填模組即可。
圖 2 、產品及流道系統之網格模型

圖 3、產品及流道系統之網格模型局部放大圖

在完成網格模型建立後,在選擇成型塑料以及指定進澆點後,根據程式預設之成型條件,執行充填分析。之所以採用程式預設值,而非由使用者輸入,主要是因為在分析初期,使用者其實掌握的數據有限。利用最單純的輸入參數,其實可以盡可能的找出未來可能的問題所在。以本次案例而言,程式會根據選擇之機台規格,以及模穴之體積(含流道),計算在『一段充填』下所需之充填時間。圖 3 ( 3-1 ~ 3-6 )為其三維充填結果(註:網格數量為 91384 ,採用 3D Tetra Element ,分析時間為 580 秒,約九分鐘)。

圖 4-1
圖 4-4
圖 4-2
圖 4-5
圖 4-3
圖 4-6

以目前的流道系統設計,並沒有充填不良的問題,不過以等高線圖方式檢視,就會發現目前的充填會出現局部塑流速度減慢的狀況。從圖 5 中可以看到在 A 及 B 兩個位置,等高線的密度比其他區域來的高。在充填模式下,等高線的密度代表塑膠在模穴內前進的速度。等高線越寬鬆,表示前進速度越快;等高線越密,則表示前進速度越慢。

圖 5 、以等高線圖顯示充填狀況。

由於充填分析提供相當多的結果,因此使用者可以從分析結果中,判斷 A 及 B 區充填速度較慢的原因。首先,先檢查每個澆口進澆之塑料量。結果如圖 6 所示。從圖 6 中可以發現, A 區及 B 區的實際進料量與 C 區、 D 區相同,但是在進料速度上卻是發生差異,這表示塑料在充填 AB 兩區時,可能因為造型上的差異,造成料溫的差異,使得塑膠在充填時以較慢的速度(黏度較高)充填。

圖 6 、每個澆口的進澆量

圖 7 為充填結束瞬間時塑料波前之溫度分佈。可以很明顯的看到在 AB 兩區,發生局部的溫度降低。

根據經驗, 當分析結果中之料溫降低而且波前流動速度突然減慢時,該位置的排氣就會發生問題 。模具設計人員就可以在圖面上加上排氣入子。在設計階段先將排氣入子加上,可以避免在成型後還要再下機台重新修改模具。圖 8 為模具圖面上的排氣入子設計,灰色立體方框的位置就是排氣入子,安排的位置則是剛好在波前流動速度減慢的 AB 兩區域。

圖 8 、模具設計圖( AB 兩區加上排氣入子)

本套模具在試模時,第一次試模就得到相當滿意的結果。最主要的原因,在於設計階段就先將可能發生的排氣問題加以解決,因此在試模時不用擔心因為排氣不良,而必須下機台重新修改模具。模具排氣機構是模具成型的主要關鍵之一,利用波前流動速度、料溫變化以及澆口進澆量,設計人員要事先預測排氣問題並不是件難事。而 CAE 軟體的應用,不僅要在合理的時間內得到分析結果,最重要的還是在於如何判讀分析結果,並且在模具設計階段便以模具機構解決可能發生的問題,這才是應用 CAE 軟體提升模具品質的主要關鍵!

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