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一、前言

嵌入成型( Insert Molding )是一種可以簡化製程之射出成型製程。在塑膠充填模穴前,先將嵌入件(可以是金屬或者是塑膠)放置於模穴內,再以塑膠充填模穴,使嵌入件與包覆件合而為一,省去黏貼、組裝等二次加工製程。嵌入成型製程可以應用在許多產品上(如圖 1 )。

圖 1 、嵌入成型製程之應用

然而,嵌入成型製程還是有其一定的難度。除了可能發生的外觀問題(如毛邊、噴流)外,變形問題是最令人頭痛的。在嵌入成型製程中常見的變形問題可以分為兩大類:

1•  嵌入件變形
當塑膠充填模穴的過程中,塑膠在流經嵌入件的過程中會對嵌入件產生壓力,造成嵌入件變形,如圖 2 。

圖 2 、嵌入件受到充填壓力而發生變形

2•  組合件變形
由於充填模穴之塑膠與嵌入件之強度以及熱傳導係數多半不同,因此在高溫(成型溫度)到室溫(頂出)的過程中,兩者會發生變形收縮,造成射出之組合件發生變形,如圖 3 。

圖 3 、因為嵌入件與包覆件之變形量不同所造成之組立變形

以往在嵌入成型製程中,模具設計人員多半僅能根據以往的經驗決定進澆點位置以及進澆點數量,但是一旦製作新製品,往往必須以試誤法的方式進行模具修改,不但耗力費時,也讓開發人員無法判斷到底何時才能完成良好之製品。

雖然有部分廠商希望以模流分析軟體加以預測並且解決此類問題,但是由於嵌入件之厚度往往是包覆件之 1/4~1/2 ,整體塑膠充填模式屬於 3D 充填模式,無法以薄殼模型或者是簡化的三維分析方法加以簡化,使得部分模流分析軟體的模擬結果與真實狀況完全不符;再加上部分模流分析軟體之功能性不足,無法提供嵌入件變形預測以及組立件變形預測,使得廠商在開發產品的過程中無法找出合理的設計方案,或者是買了軟體,但是卻完全無法解決現有的問題。

二、應用 3D TIMON 塑膠模流分析軟體模擬嵌入成型製程

3D TIMON 塑膠模流分析軟體於 2003 年正式推出嵌入成型模組,不但可以利用真實的三維分析進行塑膠的充填、保壓及冷卻模擬,還能夠搭配市面上常見之結構分析軟體(如 ABAQUS 、 ANSYS ,及 NASTRAN )進行結構變形分析,預測嵌入件在承受塑膠充填壓力後之變形,以及整體組立件之變形。

圖 4 、嵌入成型件製品(綠色及紅色為嵌入件)

圖 4 為廠商提供之樣品,採用嵌入成型製程將金屬件與塑膠件包覆完成。塑膠材料為 PA66+33% GF ,嵌入件材料為銅。由於塑膠材料本身之變形不易判斷(添加玻纖之塑料不但要考慮原本塑料的收縮外,還必須考慮玻纖配向對於製品變形的影響),再加上嵌入件的影響,以往必須利用修改模具的方式來決定進澆點位置以及進澆點數量。因此希望以 3D TIMON 塑膠模流分析軟體嵌入成型模組模擬整體之充填、保壓製程,並且搭配 ANSYS 之結構分析找出合理之進澆位置。

圖 5 、進澆點設計(進澆點位置以藍色塗彩圓點顯示)
(左圖:設計方案一,六點進澆)
( 右圖:設計方案二,八點進澆 )

圖 5 為廠商目前提供之兩種不同的進澆設計,除了進澆點位置不同外,進澆點數量也不同。在 3D TIMON 塑膠模流分析軟體中,只要模型本體不改變,不同的設計方案可以放置於同一專案中。圖 6 為利用 3D TIMON 塑膠模流分析軟體讀入產品模型之結果,黃色部分為包覆件,藍色部分為嵌入件。 3D TIMON 塑膠模流分析軟體並沒有限制在一個圖檔內有多少個嵌入件,在本次的分析中有兩件嵌入金屬件。廠商僅需要準備 STL 圖檔即可(操作者可以將整體實體模型輸出成單一 STL 圖檔, 3D TIMON 塑膠模流分析軟體會自動分類,使用者僅需指定何者為嵌入件,何者為包覆件)。

圖 6 、 3D TIMON 嵌入件讀入(兩個嵌入件)

以往許多廠商在作有限元素分析時,遇到組立件,最頭痛的就是建立網格。由於組立件之網格必須考慮到節點連續的問題,因此往往需要非常久的時間進行網格建立。 3D TIMON 塑膠模流分析軟體考慮到現場使用者的需求,在嵌入成型模組中提供了全自動化之網格建立功能。使用者僅需確認嵌入件 / 包覆件之模型,以及網格尺寸大小後, 3D TIMON 塑膠模流分析軟體會自動建立整體嵌入及組立件網格模型。圖 7 為 3D TIMON 塑膠模流分析軟體完成之網格圖檔。

圖 7 、整體組立件網格圖檔( 3D TIMON 塑膠模流分析軟體自動建立網格)


圖 8 、設計方案一之 3D 充填結果


圖 9 、設計方案二之 3D 充填結果

圖 8 及圖 9 為兩種不同的進澆設計完成之充填模擬,由於分析採用真實三維模擬,因此使用者可以清楚的看到在嵌入件的影響下,塑膠於不等肉厚模穴內的流動模式。圖中藍色不變色的部分則是嵌入件。 3D TIMON 塑膠模流分析軟體可以與市面上常見之結構分析軟體(如 ABAQUS 、 ANSYS , NASTRAN )搭配。由於本次分析採用 ANSYS 做為搭配之結構分析軟體,因此選擇輸出 ANSYS 之格式( *.ANS )。

在利用結構分析軟體執行分析後,使用者有兩種方法可以讀取結果。第一種方式是直接在結構分析軟體內直接讀取結果;如果使用者對於結構分析軟體之操作不熟悉的話,也可以採用第二種方法,將分析結果轉入 3D TIMON 塑膠模流分析軟體進行結果判讀。此處採用的是第二種方式。

三、結果說明

在搭配結構分析軟體執行後, 3D TIMON 塑膠模流分析軟體可以輸出下列結果:
1•  Pressure Mapping :充填過程中施加於嵌入件上之壓力分佈
2•  嵌入件變形:受到不均勻之壓力分佈後,嵌入件的變形量預測
3•  組立件變形:考慮嵌入件變形量以及包覆件(塑膠)變形量,整體組立後之變形量預測。
以下將針對上述三點結果,說明在不同的澆口數量及位置擺設條件下之嵌入 成型結果。

圖 10 、嵌入件之壓力分佈(設計方案一)

圖 10 為設計方案一,嵌入件在充填過程中承受之壓力分佈。從圖中可以很明顯的看出左下角位置由於先充填,因此會先承受充填壓力。而這也說明了進澆點位置的確會影響嵌入件『何時』開始變形。

圖 11 、嵌入件之壓力分佈(設計方案二)

設計方案一與設計方案二最大的差別,在於澆口的數量以及位置。圖 11 中可以發現在第 0.12 秒時,原本設計方案一中的右側嵌入件並沒有受到壓力影響;但是在設計方案二中由於澆口位置做了調整,而且變更了澆口數量,同樣的時間點在設計方案二中的右側嵌入件開始承受充填壓力。

圖 12 、嵌入件之變形量預測(設計方案一)


圖 13 、嵌入件之變形量預測(設計方案二)

圖 12 及圖 13 為兩種不同的進澆點設計對於嵌入件之變形影響。圖中上半部分為 Z 軸變形量大小,下半部分則為變形方向,變形倍率取 100 倍。從圖中可以發現雖著充填的過程,嵌入件的變形會越形嚴重;而澆口數量越多並不見得保證嵌入件的變形量會越小(在充填結束瞬間,設計方案二之嵌入件 Z 軸變形量比設計方案一來的大)。

圖 14 、組立件變形
(上兩圖:設計方案一)
(下兩圖:設計方案二)

3D TIMON 塑膠模流分析軟體不僅能進行嵌入件之變形量模擬,還能夠執行整體組立件之變形模擬。圖 14 為兩種不同的進澆設計之組立件整體變形量模擬結果。從分析結果中可以發現,雖然設計方案二的設計會讓嵌入件變形量較大,但是整體組立後之變形方向反而比設計方案一來的小。

四、結論

從上述之分析結果中,可以得知在 3D TIMON 塑膠模流分析軟體的嵌入成型模組應用下,不但可以提供以往僅能以『想像』的方式猜測的塑膠充填模式外,還能夠確認不同的進澆點位置及數量對於嵌入件變形以及組立件變形之影響。廠商在開發新產品的過程中,不但可以大幅減少試模 / 修模的時間外,還可以根據分析結果與產品之比對,蒐集相關資料並且建立公司所需之相關設計資料庫,如此才可以避免因為人力更替或者是供應商轉移造成之產品穩定度不足,也才能夠真正提升廠商之產品開發競爭力。

 

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