射出成型應(yīng)用於導(dǎo)光板之制程的研究2004923

1、射出成型應(yīng)用於導(dǎo)光板之制程研究 2004-9-23吳政憲 * 、蘇義豊、吳世民、林忠志 大葉大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)化工程研究所塑膠工業(yè)技術(shù)發(fā)展中心 一、中文摘要現(xiàn)代塑膠成品加工所需求的是多樣變化、精密度高、成型週期短等特性，為 了達(dá)到這些特性，對(duì)於各制程參數(shù)控制實(shí)具有決定性的關(guān)鍵。因此本研究主要 目的是運(yùn)用 CAE 類(lèi)比與田口實(shí)驗(yàn)的方法，以射出成型方式針對(duì)導(dǎo)光板制程參數(shù) 作研究。在傳統(tǒng)射出成型之模具設(shè)計(jì)上，多以憑藉著經(jīng)驗(yàn)豐富的技師來(lái)設(shè)計(jì)，但因加 工技術(shù)與成品少量多樣的需求，若只由經(jīng)驗(yàn)傳承與試誤法作模具修補(bǔ)，所需之 時(shí)間與成本實(shí)為現(xiàn)階段之發(fā)展所不能負(fù)荷，因此在研究上，我們運(yùn)用模擬輔助 作模流分析，以獲得

2、較佳之模具設(shè)計(jì)，降低設(shè)計(jì)成本。且經(jīng)由研究中，我們獲 得各參數(shù)對(duì)成品質(zhì)量之影響，同時(shí)也能經(jīng)由分析達(dá)到最佳之質(zhì)量控制，在相關(guān) 的研究與業(yè)界對(duì)射出成型技術(shù)上具有相當(dāng)程度之貢獻(xiàn)。二、簡(jiǎn)介 本研究主要是運(yùn)用射出成型方式，對(duì)導(dǎo)光板之制程參數(shù)作研究。其研究方法 是以田口實(shí)驗(yàn)的方法，同時(shí)對(duì) C-Mold 之模擬與實(shí)驗(yàn)作比較，並求得最佳反應(yīng) 質(zhì)量之制程參數(shù)。其研究主題包括二方面 :(1)田口規(guī)劃部分將 27 組之直交組合分別以仿真與實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行比較，瞭解模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之 差異 ; 並在類(lèi)比與實(shí)驗(yàn)兩種方式下獲得最佳參數(shù)組合，並探討各成型參數(shù)對(duì)成 品品質(zhì)之影響。(2)模具設(shè)計(jì)與短射實(shí)驗(yàn)部分以 C-Mold 來(lái)輔助

3、模具設(shè)計(jì) ; 並利用短射實(shí)驗(yàn)比較模擬與實(shí)驗(yàn)兩方法之注塑流動(dòng) 情形。研究結(jié)果顯示，影響成品質(zhì)量最重要的因素是保壓壓力，其次是保壓時(shí)間，在考慮適當(dāng)水平配置及排除其因數(shù)間之交互作用直交配置下實(shí)驗(yàn)，我們可獲得25 1m 以下之收縮量與翹曲量，對(duì)成品之質(zhì)量而言，此研究確實(shí)具有貢獻(xiàn)。三、研究方法1. 應(yīng)用田口法的步驟(1) 先選擇影響成品相關(guān)之制程參數(shù)，並決定適當(dāng)之水平(2) 選取 L27 之直交表(3) 對(duì)直交表所列之各組以 C-Mold 進(jìn)行模擬(4) 對(duì)直交表所列之各組以射出機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)(5) 進(jìn)行 27 組之模擬值與實(shí)驗(yàn)值比較(6) 進(jìn)行因數(shù)效果計(jì)算繪製回應(yīng)圖，選擇最佳之參數(shù)組合(7) 進(jìn)行 ANO

4、VA 分析，獲得各參數(shù)對(duì)成品質(zhì)量反應(yīng)之貢獻(xiàn)度，同時(shí)依響應(yīng)之最 佳組合推定其最佳理論值(8) 依最佳理論值作確認(rèn)實(shí)驗(yàn)(9) 對(duì)模擬與實(shí)驗(yàn)所得到之最佳理論值與最佳組合之實(shí)驗(yàn)值分別進(jìn)行比較。(10) 分析結(jié)果四、實(shí)驗(yàn)設(shè)備本研究實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要包含射出機(jī)、模具、量測(cè)設(shè)備和壓力擷取系統(tǒng)四大部 分，如圖一所示。以下分別作介紹：樹(shù)一 ' 實(shí)駅設(shè)a :（時(shí)射出慢 巾）機(jī)黑g）金測(cè)氓備及1. 射出機(jī):如圖一 （a）所示為本實(shí)驗(yàn)向塑膠技術(shù)發(fā)展中心所借用之 TOSHIBA IS- 220GN射出成型機(jī)，此系統(tǒng)行程 320mm260mm螺桿直徑為50mm,制程式 控制制有射出速度、保壓壓力、射出行程、壓縮單元、冷

5、卻時(shí)間等。2. 模具系統(tǒng)：如圖一 （b）所示，本模具兼具射出與射壓功能1，且依實(shí)驗(yàn)壓力量測(cè) 之需求，設(shè)計(jì)成兩具鏡面加工之模仁，並於模仁中設(shè)置冷卻水道，且為求得完 整之成品表面，故以整具模仁為頂料設(shè)計(jì)。3. 量測(cè)系統(tǒng)：圖一（C）所示，為CNC銑床（精度0.1靘）、杠桿量表（精度0.2靘）與自 製特殊夾具配合之量測(cè)系統(tǒng)，在量測(cè)的規(guī)劃上為了防止成品因夾持之作用而致 影響量測(cè)，故特別設(shè)計(jì)此付夾具。另外在量測(cè)取點(diǎn)上，我們以平均幾何形狀之 方式，座標(biāo)值共取48點(diǎn)，再將得到之資料經(jīng)座標(biāo)曲面軟體（矩陣形式之座標(biāo)轉(zhuǎn) 換）以最小平方面之原理，來(lái)獲得正向、負(fù)向與平方面間之差距，即我們所求之翹曲量。五、實(shí)驗(yàn)材料與量測(cè)

6、條件1實(shí)驗(yàn)材料：本實(shí)驗(yàn)所選用塑膠材料是日本進(jìn)口聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA俗稱(chēng)壓克力）材料，其特性為非結(jié)晶樹(shù)脂材料，具有無(wú)色透明的光學(xué)特性與良好之熱加工性。2.量測(cè)條件：（1）於射出件外表呈穩(wěn)定狀態(tài)後，再持續(xù)進(jìn)行射出50件，這時(shí)才開(kāi)始採(cǎi)用量測(cè)用射出件，並考慮射出件之週期性，因此以奇數(shù)編號(hào)為量測(cè)成品之取樣。（2）成品射出後置放1星期。（3）溫度保持在20r -25r之間。六、模具設(shè)計(jì)本模具設(shè)計(jì)，考慮到導(dǎo)光板之導(dǎo)光側(cè)與厚度變化不均之限制條件，為了取得 證明，於是在思考上，我們以等體積之原理來(lái)聯(lián)想其最佳之充填位置為設(shè)計(jì)要 件如圖二（a）。同二 ' 模禮$殳計(jì)購(gòu)：g）銳U位i （W水適設(shè)朗一般對(duì)

7、於板件之澆口設(shè)計(jì)，都會(huì)採(cǎi)用薄板澆口2 3，主要是為了獲得較均勻之充填，以減少翹曲之產(chǎn)生。澆口寬度約為6.4至25%之模穴側(cè)邊長(zhǎng)度。而本模具之澆口尺寸設(shè)計(jì)是以寬13.1mm、16 mm、20 mm三種尺寸，入口厚度 2mm及1.5mm兩種尺寸來(lái)進(jìn)行仿真，結(jié)果顯示 2mm入口厚度及寬度20mm對(duì) 流動(dòng)所造成之收縮翹曲為最小。冷卻水道設(shè)計(jì)主要是模具成形空間表面的溫度分佈，因水管的大小、配置、 水溫差異而改變，但若其模溫變化在 66C （52.65°C 69.25°C）溫度差在某一成形 條件上也許充分，但殘留之內(nèi)部應(yīng)力，對(duì)尺寸精度高的成形品，可能造成成形 應(yīng)變4。本研究分析結(jié)果如圖

8、二（b）所示，經(jīng)模擬得到A型設(shè)計(jì)收縮0.3613 mm、B型設(shè)計(jì)收縮0.3609 mm、C型設(shè)計(jì)收縮0.3281 mm,顯然以C型的水道 排放方式所得之收縮量為最小，故選擇 C型之設(shè)計(jì)。七、射出成型之短射實(shí)驗(yàn)短射實(shí)驗(yàn)主要是確定實(shí)驗(yàn)中之融膠充填量，減少因過(guò)渡充填所造成的能量浪 費(fèi)與徒增之成型時(shí)間。另外我們可從每段時(shí)間之充填計(jì)量所得之短射成品如圖 三（C），瞭解到融膠流動(dòng)之波前情形，尤其經(jīng)由模擬與實(shí)驗(yàn)之波前圖比對(duì)後，更 能讓我們瞭解兩種方式之差異。且由圖三（a）與圖三（b）所示，模擬之融膠流動(dòng)與 實(shí)驗(yàn)所得之融膠流動(dòng)相近，所需之充填時(shí)間亦相近。證明此短射實(shí)驗(yàn)提供我們 瞭解於導(dǎo)光板厚度變化不均之模穴空

9、間流動(dòng)情形，且可準(zhǔn)確的獲得充填所需之圖三' 前樹(shù)：（町操投柿甘（b）實(shí)驗(yàn)鄭分 心航射冏八、結(jié)果與討論1.27組之模擬值與實(shí)驗(yàn)值比較經(jīng)27組模擬與實(shí)驗(yàn)所得之回應(yīng)值比較，由圖四得知，各組之反應(yīng)以實(shí)驗(yàn)所得 之變動(dòng)較大，表示收縮量之量測(cè)包含量測(cè)與環(huán)境影響之誤差，而于模擬時(shí)，則 無(wú)法包括這些因素在內(nèi)，但以?xún)烧咧厔?shì)比較，我們可獲得各參數(shù)變動(dòng)對(duì)成品 收縮量之影響，同樣具有參考之依據(jù)。凹四'27組遼楔披與窩鹽比較同2.模擬與實(shí)驗(yàn)之制程參數(shù)最佳化比較實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，如果遺漏了影響質(zhì)量特性極為顯著的控制因數(shù)，均會(huì)產(chǎn)生再現(xiàn) 性不佳的情形，為了避免這種情形發(fā)生，必須進(jìn)行確認(rèn)實(shí)驗(yàn)。由圖五、圖六之回應(yīng)圖可得

10、到反應(yīng)收縮量為最小的最佳組合是 A1,B1,C3,D3,E3,F3。此結(jié)果可供我們進(jìn)行反推算來(lái)得到推論值，並與最佳組合 之實(shí)驗(yàn)值作比較，得到如表一之?dāng)?shù)值。此結(jié)果顯示，推論與實(shí)驗(yàn)之翹曲量相差 13.53%而收縮量相差17.81%，此差距表示模擬與實(shí)驗(yàn)最佳化得到之結(jié)果，且依 現(xiàn)有製作同樣尺寸之導(dǎo)光板所要求精度為 0.05mm相較，本研究之精度 0.0224mm是可供採(cǎi)用的。»1 4 也 I1r二中！|in r/ r -1la L； 1 ? l-ii IK' Ilj國(guó)五”嘗驗(yàn)值W收縮量回應(yīng)圖【1111樹(shù)六'模擬值之收縮晝回施圖'HI ' - icn c; !

11、 re -fl r- ? t：' 口：；廠(chǎng)乍擁it B最-“ te住jft掙£祁諭a角倉(cāng)輸僮如曲4因TOpi 合錐為值常磧aA3占B230C900.012 / himi0.0147niinD7.5E10F35A33B230C900,01S41iwn0,0224niinD7.5E10F35A :模鬻(C)B ：霹濫(C) C ： 速(ciRsec)D :保冬墜力(MPa) E :保 < 謁間仆比) F ：；令詡時(shí)r：(s«)3. 制程參數(shù)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量之影響(1)模具溫度由響應(yīng)圖可知，模具溫度以33r對(duì)質(zhì)量之反應(yīng)較佳， 而模具溫度過(guò)低或過(guò)高 均不理想，原因是融膠在模

12、具溫度低時(shí)，凝固速度快凝固層厚融膠不易流動(dòng)， 而融膠在模具溫度45 r則收縮大，尺寸精度亦不佳。(2)融膠溫度對(duì)射出而言，融膠溫度不宜太高，由回應(yīng)圖中可獲得其斜率為向下，故以230 r為佳。且在同一充填時(shí)間下，高的融膠溫度比低的融膠溫度有較薄的凝固 層，相對(duì)地的也會(huì)增加成品的收縮(3)充填速度此參數(shù)之回應(yīng)值，是以11.4cm/sec之速度為最佳，原因是高的充填速率有助 於增加充填階段的表面剪切率，換言之，充填速率的提升使得融膠與模壁間的 摩擦熱升高有助於應(yīng)力的鬆弛。(4)保壓壓力經(jīng)ANOVA之分析，愈大的保壓壓力有愈好的幾何成型性。由圖五可看出此 曲線(xiàn)的斜率隨著保壓壓力增加而加，故保壓壓力對(duì)成

13、品之質(zhì)量而言，其成型性 影響為最大。(5)保壓時(shí)間適當(dāng)?shù)谋簳r(shí)間有助於減少成品之收縮，但太長(zhǎng)的保壓時(shí)間，則徒增成型 周，以實(shí)驗(yàn)與模擬之回應(yīng)圖來(lái)看，保壓時(shí)間取 10秒為最佳。冷卻時(shí)間經(jīng)分析得到冷卻時(shí)間取35秒為最佳，太短則收縮量較大，對(duì)本成品而言，其 貢獻(xiàn)度占2.6%，屬影響性較小之因數(shù)。4. 重要制程參數(shù)對(duì)收縮與翹曲的影響針對(duì)前述田口電腦仿真與實(shí)驗(yàn)所得的最佳制程參數(shù)，來(lái)進(jìn)行更詳細(xì)的參數(shù)研 究，以驗(yàn)證先前所選定的制程參數(shù)是否最佳 。於每一次的實(shí)驗(yàn)中，僅改變對(duì) 收縮、翹曲影響具較大貢獻(xiàn)度之單一制程參數(shù)，收縮部分只考慮保壓壓力、模 具溫度、保壓時(shí)間，翹曲部分只考慮保壓壓力、塑膠溫度，其他制程參數(shù)則維

14、 持在最佳值，用以觀(guān)察僅變動(dòng)單一制程參數(shù)對(duì)收縮、翹曲的影響。由圖七可知保壓壓力在 4.5MPa至7.5MPa之間，于7.5MPa時(shí)收縮降至最 小，此趨勢(shì)符合先前所做 ANOVA分析結(jié)果，故保壓壓力對(duì)成品成型性影響為 最大，但需注意是否有過(guò)保壓現(xiàn)象產(chǎn)生。模具溫度與保壓時(shí)間分別設(shè)在25 r40r與4秒10秒之間，雖然此二個(gè)參數(shù)對(duì)收縮影響遠(yuǎn)不如保壓壓力來(lái)的明 顯，但是在成形過(guò)程中仍須適當(dāng)?shù)哪丶氨簳r(shí)間。模溫足夠，有助於融膠料 的充填，避免產(chǎn)生短射；保壓時(shí)間足夠，有助於減少產(chǎn)品收縮。 懊lEa C丨黒旳上呼 力廣八*思鑄'：'時(shí)聞iwi I隧!七業(yè)要啜租賈ttlf收縮的黑響由圖八可知

15、融膠溫度設(shè)在210C250r之間，于230r時(shí)有最小翹曲，料溫 太高或太低都會(huì)使翹曲增加，制程中較高的料溫有利於充填，雖有助於壓力均 勻分佈，但不可超出廠(chǎng)商建議值，以防塑膠裂解。保壓壓力設(shè)在4.5 MPa至由研究結(jié)果，我們可以清楚瞭解制程參數(shù)於射出成型對(duì)導(dǎo)光板質(zhì)量之影響， 其中以保壓壓力與保壓時(shí)間兩成型因素影響最大，證明高保壓壓力與保壓時(shí)間 可降低成品之收縮量與翹曲量。另外，對(duì)於數(shù)值模擬及最佳化分析研究之結(jié) 果，可供未來(lái)公司開(kāi)發(fā)新技術(shù)時(shí)的參考。九、參考文獻(xiàn)E.Lindner, and P.Unger, " lnjection Molds 108 Proven Designs"1993,