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3D TIMON Super-Thin Module

生產技術越來越發達的今天,使得塑膠製品的發展趨向微小化及精緻化。而這些塑膠製品內所需求之連接器( Connector )尺寸當然也隨之減少。為了因應這些需求, LCP ( Liquid crystal polymer )材料的應用性受到更多的注意,相較於 PA6/PA66 , LCP 的高耐熱性、穩定、振動減振特性、高流動性和剛性更是符合連接器這類產品的需求。 然而 LCP 材料的應用並不容易。與其它的有機高分子材料相比, LCP 材料的分子結構與熱行為均有所不同。 LCP 的分子鏈是由剛性棒狀的分子鏈所形成,在受到熔融或被溶劑溶解後,會形成一種兼有固體和液體部分性質的液晶態。這種特殊相態結構,使得 LCP 有下列特性:具有自增強效果;線膨脹係數小;耐熱性優良;具有自阻燃性;融熔黏度低;流動性好;成型收縮率小以及耐化學藥品性好等。但是 LCP 最大的缺點在於其異向性大。使用 LCP 材料的連接器在射出成型製造時,由於樹脂在流動方向 (MD:Machine Direction) 以及垂直流動方向 (TD:Transverse Direction) 收縮率不同,會造成製品翹曲變形,這在 SMT 的工序中,會導致焊接不良。因此長久以來,連接器廠商在採用 LCP 材料製作製品前,會以塑膠模流分析軟體加以檢討其成型性,再根據分析結果修正模具設計。 然而,以往應用模流分析軟體進行設計的廠商中,會發現 LCP 材料的模擬結果往往與真實產品有所差異(甚至變形方向完全相反)。部分廠商採用增加玻纖材料之 LCP ,希望能夠減少 TD/MD 的差異,但是在應用模流分析軟體後的結果卻不盡相同,這讓廠商在應用此類軟體於 LCP 材料上產生疑惑,認為 LCP 材料在塑膠模流分析上無法得到合理的結果。
日本在 LCP 材料的應用面非常廣,也有許多材料商投入 LCP 材料的研發。身為全球五十大材料商之一的 Toray ,當然也不會放過這個商機。然而, LCP 材料的成型模擬,一直是產品開發廠商以及模具廠、成型廠心中最大的問題。因此在 2005 年九月 IPF (日本橡塑膠大展)中, Toray 集團中的 Toray Engineering 發表了 3D TIMON Super-Thin 模組。而這個全新的應用模組在日本發表不到一年內就獲得日本多家連接器以及記憶卡製造商(國內的連接器製造廠也在 2006 年相繼採用。
3D TIMON Super-Thin 模組 是為了徹底解決 LCP 材料在薄肉厚成型( 0.50mm 以下)時的變形預測而開發的全新模組。為了修正傳統模流分析在 LCP 材料模擬的缺失(甚至變形方向完全不準), 3D TIMON 塑膠模流分析軟體在開發 Super-Thin 模組時以實驗方式直接取得 LCP 材料在不同肉厚下的 TD/MD 差異值以及量測其對變形量的影響,同時設計標準試片以取得相關資訊。在收集足夠資料後,3D TIMON 塑膠模流分析軟體 以參數修正之方式針對 LCP 材料進行翹曲變形分析。在廠商實際測試下,變形方向的趨勢高達 90% 以上(傳統模流分析軟體在進行 LCP 材料之變形模擬時往往連變形分向都預測錯誤)。除了一般的 LCP 材料, 3D TIMON 塑膠模流分析軟體 還加入了添加纖維的 LCP 材料測試,使得 3D TIMON Super-Thin 模組的應用領域更加廣泛。
以下將以一連接器於開發階段所做之事前模擬,說明 3D TIMON Super-Thin 模組的應用。圖 1 為連接器模型。

圖 1 :分析模型


圖 2 :孔壁厚度

此連接器之孔壁厚度(圖 2 )僅有 0.5mm ,使用 LCP 料在高溫高壓下將熔膠充填至不到 0.5mm 的流動層,其熔膠的黏度變化及熱收縮後的材料收縮異向性會跟一般厚度 1mm 以上的塑件有著完全不同的的狀態。
本次方案設計說明在相同的成形條件下,比較兩進澆位置(圖 3 )的不同對成品變形量的影響。

圖 3 :兩種進澆位置


圖 4 : 3D TIOMON 分析方案設計

下列圖組為方案一、方案二的流動波前比較

圖 5 :第 0.02 秒 3D 流動波前圖


圖 6 :第 0.04 秒 3D 流動波前圖


圖 7 :第 0.08 秒 3D 流動波前圖


圖 8 :第 0.15 秒 3D 流動波前圖


圖 9 :第 0.2 秒 3D 流動波前圖


圖 10 :充填完畢 3D 流動波前圖

根據 3D 流動顯示可清楚兩種進澆位置的不同流動波前圖。 以下將比較在不同的進澆位置下,兩種方案的分析結果差異。

射壓比較

圖 11 、方案 1 及方案 2 的充填壓力分佈

溫度分佈

圖 12 、方案 1 及方案 2 的充填結束瞬間溫度分佈

黏度變化

圖 13 、方案 1 及方案 2 的充填結束瞬間的黏度分佈

3D 變形量

圖 14 、方案一及方案二的翹曲變形量比較

3D TIMON Super-Thin 模組能夠針對 0.5mm 以下肉厚之 LCP 製品進行精確的充填分析模擬以及翹曲變形模擬。而連接器分析時最頭痛的硬體配備對於網格數量的限制,也將在 2006 年十月 3D TIMON 64 位元版本推出後一併解決。3D TIMON Super-Thin 模組除了可應用於連接器廠商外,日本部分採用 LCP 材料作為記憶卡的廠商也已經導入 3D TIMON Super-Thin 模組進行新製品的開發。隨著新的成型技術不斷的開發以及應用於新製品的量產上,3D TIMON 塑膠模流分析軟體 除了在標準版本以最新的技術進行功能更新及開發外,也會根據廠商的需求持續開發新的應用模組;讓廠商能夠在最新的技術協助下製作出優良的射出成型件,而這也是 3D TIMON 塑膠模流分析軟體 開發的最重要目標。

圖 15 、短射品與 3D TIMON Super-Thin 模組之結果比對
(右圖與左圖的公母模方向顯示相反)

 

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