前言

當塑膠在成型過程中,模具溫度往往會因為水路設計的差異而造成局部溫度較高或較低。雖然大部分開發人員都知道模溫不均會造成變形,但是並不清楚在成型過程中模溫不均為何會造成變形。許多設計人員在設計產品時,僅考慮到結構強度是否足夠,或者是組裝是否達到要求,對於成型可能造成的問題卻交給成型廠或者是模具廠解決。這樣的作法對於『開發一個好的產品』並沒有幫助,反而還經常造成成型端、模具端,以及開發人員之間的溝通問題。

本文擬以一 3C 製品之外殼,以 3D TIMON 為例,說明在不同模溫之條件下對於塑件之變形影響。

一、 3D TIMON 分析結果驗證(原始成型條件)

圖 1 、 3C 製品外殼

圖 1 為一 3C 製品之外殼,成型後發生翹曲變形。廠商希望知道造成變形的主要原因為何,這樣在日後檢討產品外型時便可事先補強結構或者是調整模具設計方式。由於此外殼件之肉厚分佈不均(圖 2 中顯示為成型品母模側之溝紋;另外於公模內側還有因為組裝需求的偷肉厚設計),因此廠商要求必須以 3D 模流分析執行模流分析,以避免 2.5D 模型容易造成的肉厚判斷錯誤。在此分析案例中,將採用 3D TIMON 做為分析軟體,並且利用其內建之 3D Voxel 網格進行網格建立。

圖 2 、產品截面肉厚分佈圖

在此案例中,廠商首先希望確認的,就是造成成品變形的主要原因。由於該外殼件於主要變形位置有一組滑塊(如圖 3 ),廠商也發現以單獨之水路控制該組滑塊之溫度會造成變形方向減少甚至是完全相反,因此希望在 3D TIMON 的模擬結果中得到類似的結果,再思考造成變形的主要原因以徹底解決問題。

圖 3 、滑塊位置

二 、3D TIMON 不等模溫設定

3D TIMON 能夠讓使用者直接於 3D 網格架構下指定製品之不同區域的模具溫度,為了避免水路方式設定時可能的溫度誤差,廠商以兩台模溫機串接不同之水路系統,並且以非接觸式紅外線溫度計直接量測模具表面溫度做為表面溫度輸入值。圖 4 中以紅色群組顯示的區域,就是滑塊位置之表面溫度設定區域。設定條件如表一。

圖 4 、紅色區域為設定局部模溫的位置

模穴

滑塊區域

模溫機
設定

模具表面
溫度

分析設定值

模溫機
設定

模具表面
溫度

分析設定值

Case1

80 ℃

74 ℃ ~ 79 ℃

80 ℃

80 ℃

79 ℃

80 ℃

Case2

80 ℃

74 ℃ ~ 79 ℃

80 ℃

90 ℃

89 ℃

90 ℃

Case3

80 ℃

74 ℃ ~ 79 ℃

80 ℃

冷凍水

20 ℃

20 ℃

表一、模溫機設定與模具表面溫度量測值

圖 5 ~ 圖 10 為 Case1 之流動波前圖。

圖 5
圖 8
圖 6
圖 9
圖 7
圖 10

由於製品的肉厚不是均一的,在流動過程中很明顯的在溝紋的位置出現因為充填速度快慢的跑道效應( Race Tracking )。圖 11 為結合線會合角,在溝紋的位置非常明顯的出現了由於跑道效應所產生之結合線痕跡。

圖 11 、結合線會合角

圖 12 、成品的變形圖(放大比例 10 倍)

圖 12 為成品的變形圖(放大比例 10 倍),而圖 13 則是根據廠商提供之資訊完成之變形量檢測與 3D TIMON 分析結果比對。在圖中所示 A 邊線上以每量取 10mm 為基準,量測 21 個點的水平方向變形量。從目前的結果中可以確認其變形量及變形趨勢都相當接近真實產品,因此可以利用 3D TIMON 找出造成變形的影響主因,以提供設計上的修改方向。

圖 13 、變形量量測與 3D TIMON 模擬結果比對

根據表一的成型條件,在 3D TIMON 內設定滑塊位置不等溫,可以得到如圖 14 的結果。圖中左側為滑塊區域以 90 ℃的高溫流體加熱,而右側則是以 20 ℃的冷凍水冷卻,可以明顯的發現當模具溫度不同時,變形的方向會完全相反;而這點與廠商提供的資訊完全符合。
圖 14 、不等模溫之變形量模擬

三、模具溫度對固化層的影響

在不同模溫條件下,塑料的固化層會因為固化速度的快慢而偏離中立軸。圖 15 為充填結束後 1 秒時, Case2 (滑塊側高溫)與 Case3 (滑塊側低溫)的融膠溫度顯示。可以發現在充填剛結束瞬間,周邊的固化層尚未完全形成,中心仍然維持高溫融熔層。 Case2 由於滑塊區域與模穴本體溫度僅有 10 ℃的差距,因此模具表面溫度差異還不算太大;但是 Case3 中滑塊區域與模穴本體溫度相差 60 ℃,可以明顯的看到融膠於模穴表面的溫度差異非常明顯。
圖 15 、融膠溫度分佈(左圖: Case2 / 右圖: Case3 )

圖 16 為充填結束後 9 秒時的融膠溫度分佈顯示,很明顯的看出在 Case2 中,由於外側滑塊與內側模穴的模溫差異 10 ℃,再加上幾何造型的影響,基本上融熔層仍然位於模穴中心;但是 Case3 中融熔層已經完全偏向右邊( 80 ℃),表示靠近左側的滑塊面已經提早固化。

圖 16 、融膠溫度分佈(左圖: Case2 / 右圖: Case3 )

四、製程物理說明

將一塊塑膠以切割成多層的形式來說明。圖 17 為假定內部切割成多層的塑膠。如果層與層之間不考慮連接,在塑膠表面溫度較低,中心溫度較高的狀態下,當塑膠從高溫降至低溫時,高溫區的收縮量較大,而低溫區的收縮量較小,就會形成如圖 17 右圖中的排列方式。
圖 17 、等模溫收縮示意圖( T1 = T2 )

當然,塑膠內部不可能是分離的,因此當真實塑膠收縮時,中心承受的收縮應力較大,外側承受的收縮應力較小。

當兩側模溫不同時,可以用同樣的方式加以說明,以圖 18 顯示。
圖 18 、不等模溫收縮示意圖( T2 > T1 )

同樣的,塑膠內部是不能分離的,因此在固化時,成品會向 T2 側彎曲,而這也是一般大家認同的經驗:成品會往高溫的方向變形。

五、  結論

不同的模具溫度雖然可以調整產品的變形方向,但是利用模具溫度來調整變形容易造成製品在成型過程中承受過多的殘留應力,而影響結果強度。

圖 19 、利用內側結構變更以增加內部熱傳面積

從產品變形的原理中,其實可以得知模溫分佈會影響到固化層的生成厚度比例,因此可以利用產品的一些形狀加以調整冷卻的速度。以圖 19 為例,折彎物件的內側本來就容易因為熱量不容易帶出而造成變形。一昧的利用模具冷卻加以調整並不是最佳的方式;可以的話,利用結構形狀上的改變增加內側熱傳面積,進而解決問題,才能讓產品從根本上解決問題。

許多開發人員都有類似經驗:在成品開發過程中加入成型或者是模具上的考量,日後生產時遇到的問題會減少許多;根據日本相關資料的統計,在日本的塑件開發量產的過程中,產品設計占的因素佔了 40% ;模具設計占的因素佔了 30% ;模具製作占的因素佔了 20 %,而成型調機的因素僅佔了 10% 。開發人員應該盡可能的瞭解各種問題發生的原因,利用相關的軟體找出成型上的問題,在產品設計過程中就加以解決,才是提升競爭力的最佳選擇!

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