射出成型應用于導光板之制程研究

1、射出成型應用于導光板之制程研究 2007-10-20 16:30:54 作者：吳政憲*、蘇義豊、吳世民、林忠志 大葉大學機械與自動化工程研究所塑料工業(yè)技術(shù)發(fā)展中心一、中文摘要現(xiàn)代塑料成品加工所需求的是多樣變化、精密度高、成型周期短等特性，為了達到這些特性，對于各制程參數(shù)控制實具有決定性的關(guān)鍵。因此本研究主要目的是運用CAE 模擬與田口實驗的方法，以射出成型方式針對導光板制程參數(shù)作研究。在傳統(tǒng)射出成型之模具設(shè)計上，多以憑借著經(jīng)驗豐富的技師來設(shè)計，但因加工技術(shù)與成品少量多樣的需求，若只由經(jīng)驗傳承與試誤法作模具修補，所需之時間與成本實為現(xiàn)階段之發(fā)展所不能負荷，因此在研究上，我們運用模擬輔助作模流分析

2、，以獲得較佳之模具設(shè)計，降低設(shè)計成本。且經(jīng)由研究中，我們獲得各參數(shù)對成品質(zhì)量之影響，同時也能經(jīng)由分析達到最佳之質(zhì)量控制，在相關(guān)的研究與業(yè)界對射出成型技術(shù)上具有相當程度之貢獻。二、簡介本研究主要是運用射出成型方式，對導光板之制程參數(shù)作研究。其研究方法是以田口實驗的方法，同時對C-Mold之模擬與實驗作比較，并求得最佳反應質(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驗的方法進行比較，了解模擬與實驗結(jié)果之差異 ; 并在模擬與實驗兩種方式下獲得最佳參數(shù)組合，并探討各成型參數(shù)對成品品質(zhì)之影響。(2)模具設(shè)計與短射實驗部分以C-Mold 來輔助模具設(shè)計;并利用

3、短射實驗比較模擬與實驗兩方法之注塑流動情形。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，其次是保壓時間，在考慮適當水平配置及排除其因子間之交互作用直交配置下實驗，我們可獲得25ìm 以下之收縮量與翹曲量，對成品之質(zhì)量而言，此研究確實具有貢獻。三、研究方法1. 應用田口法的步驟(1)先選擇影響成品相關(guān)之制程參數(shù)，并決定適當之水平(2)選取 L27 之直交表(3)對直交表所列之各組以C-Mold 進行模擬(4)對直交表所列之各組以射出機進行實驗(5)進行27 組之模擬值與實驗值比較(6)進行因子效果計算繪制響應圖，選擇最佳之參數(shù)組合(7)進行ANOVA 分析，獲得各參數(shù)對成品質(zhì)量反

4、應之貢獻度，同時依響應之最佳組合推定其最佳理論值(8)依最佳理論值作確認實驗(9)對模擬與實驗所得到之最佳理論值與最佳組合之實驗值分別進行比較。(10)分析結(jié)果四、實驗設(shè)備本研究實驗設(shè)備主要包含射出機、模具、量測設(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: 1.射出機:如圖一(a)所示為本實驗向塑料技術(shù)發(fā)展中心所借用之TOSHIBA IS-220GN 射出成型機，此系統(tǒng)行程320mm260mm 螺桿直徑為50mm，制程控制有射出速度、保壓壓力、射出行程、壓縮單元、冷卻時間等。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，且依實驗壓力量測之需求，設(shè)計成兩具鏡面加工之模仁

5、，并于模仁中設(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。3.量測系統(tǒng):圖一(c)所示，為CNC 銑床(精度0.1靘)、杠桿量表(精度0.2靘)與自制特殊夾具配合之量測系統(tǒng)，在量測的規(guī)劃上為了防止成品因夾持之作用而致影響量測，故特別設(shè)計此付夾具。另外在量測取點上，我們以平均幾何形狀之方式，坐標值共取48 點，再將得到之數(shù)據(jù)經(jīng)坐標曲面軟件(矩陣形式之坐標轉(zhuǎn)換)以最小平方面之原理，來獲得正向、負向與平方面間之差距，即我們所求之翹曲量。五、實驗材料與量測條件1.實驗材料:本實驗所選用塑料材料是日本進口聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA 俗稱壓克力) 材料，其特性為非結(jié)晶樹脂材料，具有無色透明

6、的光學特性與良好之熱加工性。2.量測條件:(1)于射出件外表呈穩(wěn)定狀態(tài)后，再持續(xù)進行射出50 件，這時才開始采用量測用射出件，并考慮射出件之周期性，因此以奇數(shù)編號為量測成品之取樣。(2)成品射出后置放1 星期。(3)溫度保持在 20-25之間。六、模具設(shè)計本模具設(shè)計，考慮到導光板之導光側(cè)與厚度變化不均之限制條件，為了取得證明，于是在思考上，我們以等體積之原理來聯(lián)想其最佳之充填位置為設(shè)計要件如圖二(a)。一般對于板件之澆口設(shè)計，都會采用薄板澆口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)邊長度。而本模具之澆口尺寸設(shè)計是以寬13.1mm、16 mm、2

7、0 mm 三種尺寸，入口厚度2mm 及1.5mm 兩種尺寸來進行仿真，結(jié)果顯示2mm 入口厚度及寬度20mm 對流動所造成之收縮翹曲為最小。冷卻水道設(shè)計主要是模具成形空間表面的溫度分布，因水管的大小、配置、水溫差異而改變，但若其模溫變化在6.6(52.6569.25)溫度差在某一成形條件上也許充分，但殘留之內(nèi)部應力，對尺寸精度高的成形品，可能造成成形應變4。本研究分析結(jié)果如圖二(b)所示，經(jīng)模擬得到A型設(shè)計收縮0.3613 mm、B 型設(shè)計收縮0.3609 mm、C型設(shè)計收縮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。七、射出成型之短射實驗短射實驗主要

8、是確定實驗中之融膠充填量，減少因過渡充填所造成的能量浪費與徒增之成型時間。另外我們可從每段時間之充填計量所得之短射成品如圖三(c)，了解到融膠流動之波前情形，尤其經(jīng)由模擬與實驗之波前圖比對后，更能讓我們了解兩種方式之差異。且由圖三(a)與圖三(b)所示，模擬之融膠流動與實驗所得之融膠流動相近，所需之充填時間亦相近。證明此短射實驗提供我們了解于導光板厚度變化不均之模穴空間流動情形，且可準確的獲得充填所需之計量值。八、結(jié)果與討論1. 27 組之模擬值與實驗值比較經(jīng)27 組模擬與實驗所得之回應值比較，由圖四得知，各組之反應以實驗所得之變動較大，表示收縮量之量測包含量測與環(huán)境影響之誤差，而于模擬時，則

9、無法包括這些因素在內(nèi)，但以兩者之趨勢比較，我們可獲得各參數(shù)變動對成品收縮量之影響，同樣具有參考之依據(jù)。2. 模擬與實驗之制程參數(shù)最佳化比較實驗設(shè)計時，如果遺漏了影響質(zhì)量特性極為顯著的控制因子，均會產(chǎn)生再現(xiàn)性不佳的情形5，為了避免這種情形發(fā)生，必須進行確認實驗。由圖五、圖六之響應圖可得到反應收縮量為最小的最佳組合是A1,B1,C3,D3,E3,F3。此結(jié)果可供我們進行反推算來得到推論值，并與最佳組合之實驗值作比較，得到如表一之數(shù)值。此結(jié)果顯示，推論與實驗之翹曲量相差13.53%而收縮量相差17.81%，此差距表示模擬與實驗最佳化得到之結(jié)果，且依現(xiàn)有制作同樣尺寸之導光板所要求精度為0.05mm 相

10、較，本研究之精度0.0224mm 是可供采用的。3. 制程參數(shù)對產(chǎn)品質(zhì)量之影響(1)模具溫度由響應圖可知，模具溫度以33對質(zhì)量之反應較佳， 而模具溫度過低或過高均不理想，原因是融膠在模具溫度低時，凝固速度快凝固層厚融膠不易流動，而融膠在模具溫度45則收縮大，尺寸精度亦不佳。(2)融膠溫度對射出而言，融膠溫度不宜太高，由回應圖中可獲得其斜率為向下，故以230為佳。且在同一充填時間下，高的融膠溫度比低的融膠溫度有較薄的凝固層，相對地的也會增加成品的收縮(3)充填速度此參數(shù)之響應值，是以11.4cm/sec 之速度為最佳，原因是高的充填速率有助于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

11、膠與模壁間的摩擦熱升高有助于應力的松弛。(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的斜率隨著保壓壓力增加而加，故保壓壓力對成品之質(zhì)量而言，其成型性影響為最大。(5)保壓時間適當?shù)谋簳r間有助于減少成品之收縮，但太長的保壓時間，則徒增成型周，以實驗與模擬之回應圖來看，保壓時間取10 秒為最佳。(6)冷卻時間經(jīng)分析得到冷卻時間取35 秒為最佳，太短則收縮量較大，對本成品而言，其貢獻度占2.6%，屬影響性較小之因子。4. 重要制程參數(shù)對收縮與翹曲的影響針對前述田口計算機仿真與實驗所得的最佳制程參數(shù)，來進行更詳細的參數(shù)研究，以驗證先前所選定的制程參數(shù)是否最

12、佳6。于每一次的實驗中，僅改變對收縮、翹曲影響具較大貢獻度之單一制程參數(shù)，收縮部分只考慮保壓壓力、模具溫度、保壓時間，翹曲部分只考慮保壓壓力、塑料溫度，其它制程參數(shù)則維持在最佳值，用以觀察僅變動單一制程參數(shù)對收縮、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 時收縮降至最小，此趨勢符合先前所做ANOVA 分析結(jié)果，故保壓壓力對成品成型性影響為最大，但需注意是否有過保壓現(xiàn)象產(chǎn)生。模具溫度與保壓時間分別設(shè)在2540與4 秒10 秒之間，雖然此二個參數(shù)對收縮影響遠不如保壓壓力來的明顯，但是在成形過程中仍須適當?shù)哪丶氨簳r間。模溫足夠，有助于融膠料的充填，避免產(chǎn)

13、生短射；保壓時間足夠，有助于減少產(chǎn)品收縮。由圖八可知融膠溫度設(shè)在210250之間，于230時有最小翹曲，料溫太高或太低都會使翹曲增加，制程中較高的料溫有利于充填，雖有助于壓力均勻分布，但不可超出廠商建議值，以防塑料裂解。保壓壓力設(shè)在4.5MPa至7.5MPa 之間，由曲線趨勢得知保壓越大，翹曲越小，產(chǎn)品品質(zhì)越佳。 由研究結(jié)果，我們可以清楚了解制程參數(shù)于射出成型對導光板質(zhì)量之影響，其中以保壓壓力與保壓時間兩成型因素影響最大，證明高保壓壓力與保壓時間可降低成品之收縮量與翹曲量。另外，對于數(shù)值模擬及最佳化分析研究之結(jié)果，可供未來公司開發(fā)新技術(shù)時的參考。九、參考文獻1、E.Lindner, and P.Unger, " lnjection Molds 108 Proven Designs"1993,pp6-132、陳介聰,精密射出成形模