C05 多材质多射成型成功应用案例

一、前言

随着射出成型技术的成熟，许多厂商也纷纷导入多材质射出成型的技术(图1)，因此在市面上随处都可见到运用多材质射出成型技术的产品，例如：电子链接器的金属端子嵌入(图2)、民生用品(图3)、汽车配件(图4)等。在制程上使用多材质射出成型技术可以将模具模块化，使模具更容易维护，并节省后续加工或组装的工作，提升生产的效率，最终可带来更多的营收，可说是迎战近年来国际原物料不断上涨的一项利器。

不过由于嵌件材质的不同，而造成在生产过程中模具或塑件的温度分布上之差异，进而导致翘曲变形的问题。本文藉由Moldex3D的真实三维实体模流分析技术探讨仪表板零组件开发制程中遭遇的问题与解决方案的验证。

二、产品的结构设计

产品的几何形状如图5所示，主要由两个射出件所组成，分别为：底板(第一射)与框架(第二射)，其详细尺寸与塑料的类别如下所示。

产品尺寸：

• 长：400 mm

• 宽：130 mm

• 高：30 mm

塑料材料：

• 塑件：ABS

• 嵌件：PMMA

成型条件：

• 充填时间：1.2 秒

• 熔胶温度：250 ℃

• 保压时间：5 秒

• 冷却时间：12 秒

厂商的原始生产流程为各别成型所需的两个组件，之后再进行组合装配的工作，但由于为了降低成本与提高产能，因此尝试采用多材质射出成型技术，但在新模具的试模阶段遭遇产品严重翘曲变形的问题，因此藉由Moldex3D模流分析技术的协助，找出可行的解决方案，以改善目前所面临的变形问题。

三、分析步骤

藉由模流分析重现问题，先个别探讨考虑与不考虑嵌件的情况，再透过分析结果找出嵌件所造成的影响，并探讨改善的方向，最后藉由模流分析验证变更设计的可行性。首先准备CAE分析所需要的数据，分别为：

• 网格：包含塑件、嵌件、流道与冷却水路等。(图6、7)

• 材料：包含黏度、PVT、比容与热传系数等材料特性。(图8)

• 成型条件：包含充填时间、融胶温度、保压时间、保压压力等条件设定值。(图9)

3.1原始设计

初步分析分为两个组别，第一组为不含嵌件的分析，第二组则是包含嵌件的分析，分析目的在于利用原始的设计来重现现场所遭遇到的问题。在充填分析结果中，嵌件对于流动造成的影响不大，因此两组的充填结果相似。

充填/保压分析

此模具为两板模，流道的设计属于非自然平衡，因此从流动波前结果(图10~13)可知，浇口A与B由于距离灌点较近，因此融胶在28%时先充填模穴，而浇口C与D则在37%时才开始充填模穴，因此可得知该组原始设计有流动不平衡的现象。在压力分布的部份，由于各浇口的流动路径不等长，因此各浇口域区的压力分布有较大的差异，如图14可以了解浇口A与B附近区域的压力分布明显高于浇口C与D附近的区域。经过保压阶段后，由于成品本身属于长型结构(长度约400 mm)，再加上流道的长度较长，因此成品中央的保压效果与两侧有较明显的差异，如图15所示，浇口所在的左右两侧压力分布明显比中间区域高，保压结束后的压力呈现不均匀的分布。

冷却/翘曲分析

在冷却的分析结果方面，整体温度分布范围约在88 ~ 105℃，在产品上局部有孔洞的设计，但由于尺寸较小，散热较为不易，因此在这些孔洞区域有积热的现象(图16)。最后，比较有嵌件与没有嵌件两组的翘曲结果，发现在初步的分析结果中已重现客户所遭遇的问题，包含嵌件的翘曲变形量比不含嵌件的翘曲变形量大上许多。(图17~18)

问题剖析

如图19所示，没有考虑嵌件的情况，塑件成型后可自由收缩，但如图20，则是因为下方受到嵌件的影响，造成下方受据束而上方仍可自由收缩的情况，因此导致不等收缩变形的问题。

3.2 设计变更

透过原始分析的结果可清楚的解析出问题的主因，翘曲变形的主因来自于收缩不均与受嵌件的干涉两大因素所导致，此为探讨后续的设计变更的重要信息。最后，经过讨论后决定了两组的设计变更，如图21与22所示，图21为加大浇口尺寸，藉此改善收缩变形的问题。图22为更改流道配置，以三板模自然平衡的流道形式来改善收缩变形的问题。经由Moldex3D的协助以了解各解决方案的改善幅。

设计变更1

在流道的配置相同，仅只有浇口尺寸上的差异下，流动上与原始设计没有太大的差异，在保压阶段结束后，浇口尺寸加大后可以得到较佳的保压效果，但由于成品的长度太长，相对的保压路径也较长，因此仍有保压效果不均的问题(图23)。在翘曲结果显示整体的尺寸收缩方面有较大的的差异，但对于变形的问题则没有改善(图24)。

设计变更2

将流道配置更改为三板模后，可以得到较平衡的流动波前(图25)，大大改善因流动不平衡而导致的保压不均的问题，由于流动平衡问题的改善与浇口数量的增加，可以得到均匀保压效果(图26)，在适度调整保压压力后，可以降低塑件的收缩，藉此改善翘曲变形的问题(图27)。

四、结果与讨论

透过分析确认原始设计1&2(考虑与不考虑嵌件)之间造成Z轴方向有较大翘曲变形(表1与2)的问题是来自于嵌件的干涉效果，而导致收缩不均的问题。

设计变更1在加大浇口尺寸后，虽可以提升保压效果，降低成品的收缩，但由于流动不平衡与保压路径过长等问题，因此对整体收缩的改善有限，对于嵌件干涉而造成的翘曲问题没有较大的改善(表1与3)。

设计变更2在更改流道配置后，藉由改善流动不平衡的现象，进而得到较均匀的保压效果，藉由适当的调整保压压力，可降低整体的收缩，最终可改善Z方向翘曲变形的问题(表1与4)。

如表5为设计变更对变形改善幅度的总表，清楚的了解到设计变更1&2的改善以设计变更2最佳，改善幅度达50%以上。

五、结论

新制程或新产品的开发将减低对于成品质量的把握度，此时透过Moldex3D模流分析技术的辅助可补足这方面的不足，提高开发的成功率，一次进行多组设计变更，且不必实际的修改模具即可评估设变方案的可行性，提高降低金钱与时间的成本。

六、参考文献

1. 科盛科技, Moldex3D模流分析技术与应用, 全华图书, 2007年7月

2. CoreTech System, Application of Moldex3D-MCM to Multi-Component Molding(MCM) Process Simulation, August 2005.

3. 张荣语, 射出成型模具设计 – 实务操作, 高立图书, 1998年11月