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應用 3D TIMON 於快速模具溫度加熱冷卻系統之模擬

塑膠射出成型製品上之結合線,是一個常見的外觀缺陷。然而對許多製造商而言,結合線的產生會造成製品外觀上無可避免的缺陷,因此許多廠商必須花費較高的二次加工費用,以噴漆或者是電鍍的方式將其去除。

結合線的產生,主要原因還是在於模穴內的空氣來不及在充填過程中順利排出。為了消除結合線痕跡,一般常用的方法不外乎增加模溫、增加料溫,以及在結合線區域增加排氣。不過由於增加料溫容易造成材料裂解,而在結合線區域增加排氣則不適用於各種產品(如果是透明件,由於外觀上以及材料選用上的考量,就不適合在模具上增加排氣機構)。因此,增加模具溫度就成為一般常用的解決方法。

但是增加模具溫度,最大的缺點在於成型時間( Cycle Time )可能會隨之增加,為了要達到良好的外觀要求,又要限制在合理的成型時間內達到成型需求,快速模具溫度加熱冷卻系統的開發就成為部分廠商的解決方向。所謂的『快速模具溫度加熱冷卻系統』,就是在充填階段時,模具溫度提高,但是在充填結束瞬間,開始保壓的同時,模具溫度快速降低。如此可讓塑料在高模溫的條件下形成結合線,同時又可以在低模溫的條件下進行模具冷卻。
類似的模具快速加熱機構開發陸續已經有許多廠商投入,商業化的應用例如小野產業株式會社的 RHCM (Rapid Heat Cycle Molding) ,另外於研究開發部分尚有感應加熱( Induction Heating )系統(如圖 2 )、 Y. Doggang 提出的銅電極加熱系統(如圖 3 ), Kim D. H., Kan M. H. and Chun Y. H. 所提出的 火焰加熱系統,或者是一般模具廠常用的電熱棒,或者是乾脆以油溫機進行模溫加熱等。
圖 2 、感應加熱系統所使用之線圈系統

圖 3 、銅電極加熱系統

圖 4 為日本小野產業株式會社之『 RHCM 』系統之應用,可以很明顯的看出傳統成型與『 RHCM 』製程的模具溫度變化不同。

圖 4 、 RHCM 與 傳統製程之模具溫度差異
資料來源: www.onosg.co.jp

快速模具溫度加熱冷卻系統可以消除結合線,但是在外觀上還是會出現其他的問題,例如翹曲變形( Warpage )。因此在目前製品開發階段,廠商仍希望在現在的模流分析系統中尋找可事先預測問題之模擬模組。

由日本 Toray Engineering 所開發之 3D TIMON 系統,在日本與許多公司進行新製程的合作開發,並且將 3D TIMON這套真實三維模流分析系統應用於許多新製程的研發上。由於掌握了最新技術之研發進度,因此能夠隨著客戶的需求,適時的發表商業化特殊應用模組。例如 2003 年發表的光學成型模組( Optics Module )以及嵌入成型模組( Insert Molding Module )、 2005 年發表的超薄件成型模組( Super Thin Module )等。 而本篇文章中,就是要以 3D TIMON XS-2005 版本之模具溫度變化模組設定,討論快速模具加熱冷卻系統對於製品變形量的影響。
圖 5 、測試用製品模型

圖 5 為本次測試用之製品,均厚為 3.0mm ,但是製品上有許多的肋與變化肉厚,必須以 3D 模擬才能得到正確的結果。
本次測試之成型條件有兩組,以表一表示。

充填階段

保壓階段

冷卻階段

Case1

充填時間

模具溫度

保壓時間

模具溫度

冷卻時間

模具溫度

0.5 sec

60 ℃

10 sec

60 ℃

20 sec

60 ℃

Case2

充填時間

模具溫度

保壓時間

模具溫度

冷卻時間

模具溫度

0.5 sec

140

10 sec

40

20 sec

40

表一、成型條件表 (於 Case2 中,設定模具溫度變化切換時間為 0.5 sec )

圖 6 及圖 7 為 Case1 之充填模式。

圖 6

圖 7

為了瞭解在 Case1 及 Case2 中的模具溫度對於製品會有什麼影響,因此以圖 8 做為檢討。

圖 8 中上兩圖為 Case1 在 3.0 秒以及 7.0 秒的黏度分佈,而下兩圖則是 Case2 在 3.0 秒以及 7.0 秒的黏度分佈。可以確認的是在模具溫度較低( Case2 )的條件下,相同的時間點其黏度值確實較高(固化速度較快)。

圖 8 、黏度分佈
而在圖 9 中,可以更明確的看到在模具溫度快速變化下的 Case2 ,不僅是固化速度加快,製品內部的黏度分佈其實也與固定模溫的製品不同。
圖 9 、黏度分佈(剖面圖)
直接檢查兩者之變形量,會發現在 Case1 以及 Case2 兩個成型條件下,製品的變形量是不同的。圖 10 與圖 11 為 Case1 與 Case2 之變形量比對。在本案例測試中, Case2 的變形量比 Case1 來的大;而且兩者的變形模式實際上是有差異的。
圖 10 、變形量比對(變形比例: 20 )

圖 11 、變形量比對(變形比例: 20 )

隨著製品品質要求的提升,目前的成型技術也隨之日新月異。 3D TIMON 在客戶的需求下,會隨著軟體成熟度的考量不斷的開發適合客戶使用之新模組,而客戶也可以藉由3D TIMON 在模擬技術上的不斷提升,於產品開發的技術上不斷的改善。

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