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3D TIMON 澆口位置選擇最佳法則 – 以 NB 底座為例

文:吳勇霖

一、前言:

在設計流道系統時,首先要根據產品大小及肉厚決定澆口的位置與數量,澆口位置選擇是否適當將直接影響到成品的品質以及製程是否順利。澆口位置選擇可以遵循以下原則:
(1) 將澆口置於分模面上,方便模具加工與澆口去除。
(2) 澆口距離模穴各點距離應盡量一致,如此可以使流長最小化,可減少射出壓力與鎖模力並且提供均勻的保壓壓力。
(3) 澆口的位置應位於成品肉厚的部位,避免保壓階段澆口區域提前固化造成保壓不足,使得產品收縮或中空。
(4) 盡可能採取較少的澆口數量以減少模具的加工費用以及成形後熔接線 (welding line) 的數量。

而澆口的數量可以依據流長比 ( 流動長度 / 肉厚 L/T) 來決定,這個比率的大小取決於射壓與熔融塑料的粘性,除少數流動性較佳的材料外,一般而言不會超過 100 。

圖 1 、流長比示意圖

在本文中將以 NB 上蓋為例子,說明設計人員如何利用 3 D TIMON 進行模流分析,並根據結果選擇、判斷進澆位置是否合理。
二、案例:

2 、產品尺寸

進澆位置檢討:

(一)  如圖 2 所示,產品的長邊約 325mm ,所以至少需要兩個進澆點才能夠滿足 L/T<100 的原則。而短邊邊長約 266mm ,亦需要兩個進澆點。
(二) 對於表面積大且肉厚較薄的製品主要使用側澆口 (side gate) ,一般而言,產品上有大孔洞的位置,澆口會選擇從孔洞內側進澆(這樣可以避免結合線強度不足的問題。
(三)  產品下半部 ( 藍色框區域 ) 並沒有側澆口適當的進澆位置,所以可以在平面上使用直接澆口 (sprue gate) ,為了不影響產品外觀,所以選擇防滑墊凸台作為進澆點。

總結以上各點,此產品至少需要 4 個進澆點,且可進澆的區域為圖中『紅色線段』框選之區域。

3 、可進澆區域

三、設計方案:

  澆口位置的選擇重點在於提供充填平衡。當產品在充填結束瞬間如果可以同時填滿各個區域,在進行保壓時就能夠對產品本體進行均勻保壓,產品各個區域的體積收縮率也會較平均,發生變形的問題也比較好控制。位置的選擇可以先以人工方式判斷,再根據結果進行微調以取得最好的設計。不一樣的設計方案也許可以得到接近的充填平衡結果,由於澆口平衡位置也許有多個方案,設計人員可以再根據這些方案的翹曲變形模擬結果選擇較好的設計。

  此產品分別以 4 點進澆與 5 點進澆進行分析,比較其結果並加以改善。

方案一:
產品右下方平面必須有一個進澆點,且考慮外觀問題,選擇以防滑墊凸台進澆,接著則依充填平衡的原則放置各點。

4 、設計方案一

方案二:

在兩個防滑墊凸台各安排一個進澆點, 接著則依充填平衡的原則放置各點。

5 、設計方案二

四、 3 D TIMON 模流分析:

充填分析:

圖 6 為產品網格模型, 3D TIMON 具備功能強大的 3D 網格自動產生器,可自動生成 3D Tetra Mesh ,完全無須手動修補網格時間。

6 、產品網格模型及其放大圖

圖 7 為方案一充填時間分布圖,圖 8 為充填壓力分布圖,由圖中可以看出此設計充填平衡效果佳,產品的左右兩邊幾乎同時填滿,並且充填壓力也不會太高,約 86MPa ,一般 350~450 噸的射出機充填壓力上限大約在 180~200MPa 左右,此設計澆口配置所需之充填壓力僅需機台上限的 40~50% 。

圖 7 、方案一充填時間分布

圖 8 、方案一充填壓力分布
圖 9 與圖 10 分別為方案二的充填時間與壓力分布,圖中可以看出紅色框區域最晚充填完畢,且充填壓力提升至 123MPa , 由於充填速度不平均,一旦施加保壓,兩邊的體積收縮率也不會相同,產品發生變形的機率就會增加;而利用成形條件調整變形就變的十分困難。

圖 9 、方案二充填時間分布

圖 10 、方案二充填壓力分布

於是將方案二稍微調整一下澆口位置,希望能達到更好的流動平衡配置。我們將此配置定為方案三。

10 、方案二進澆點微調

圖 9 與圖 10 分別為方案二的充填時間與壓力分布,由圖中可以明顯看出將進澆點調整之後,充填結束時之充填壓力明顯降低(充填結束時之壓力越低,表示充填平衡的效果越佳)。

圖 9 、方案三充填時間分布

圖 10 、方案三充填壓力分布
比較各方案之間之優劣可以發現,方案一與方案三其充填結束瞬間之充填壓力均約 85 MPa 左右,表示這兩個方案基本上都可以達到充填平衡的需求。此時可以翹曲變形來決定最後採取哪個方案。

表一、三個方案設計之充填壓力比較

 

澆口數量

充填壓力

流動平衡

方案一

4

85.7MPa

方案二

5

123.13MPa

 

方案三

5

83.97MPa


保壓冷卻與翹曲變形分析:

此處的變形數值僅具參考性,因為目前分析的模型並沒有考慮縮水率,成形條件上也沒有刻意調整。使用者可以從兩者的結果看出變形趨勢與澆口位置的影響。其中發現兩者的變形趨勢差異不大。

圖 11 、方案一變形趨勢 (20X)


圖 12 、方案三變形趨勢 (20X)

由充填時間等高線分布圖中可以看出,紅色框區域流動速度明顯變慢,可以該區域增加排氣入子(從充填結果來看,這些區域可能會發生遲滯現象)。

12 、充填時間等高線分布

圖 13 顯示方案三之融接會合角大約在 100 度左右,優於方案一的 55 度,產品在烤漆或其他二次加工後結合線比較不明顯。

13 、熔接線會合角比對

結論:

雖然方案一與方案三都可以找到最佳澆口位置,而且對於變形的結果也差異不大,甚至方案一的模具加工比較容易 ( 考慮澆口數量、與排氣入子區域 ) ,但是該產品畢竟是外觀件,基於美觀的考量,建議採取方案三。