A04 整合成型及射出模流分析在手机上盖的IMD(In-Mold Decoration)制程研究

一、前言

模内装饰射出成型是近年来先进的射出制程之一，因整合印刷、成型及射出制程而大幅减少二次加工的污染，并缩短产品开发周期及创造过去传统装饰制程所没有的新质感，但相对的材料性质(物理性质、化学性质、流变性质等)[1]、模具结构设计、制程参数调整与成品质量的监控都面临新挑战；模内装饰射出成型共包括三个阶段，分别为印刷、成型与射出阶段(如图一所示)[2,3,4]。

模流分析发展至今已超过25年，现模流技术已普遍为先进国家接受[5,6]，其中在模内装饰射出成型的实务应用上均忽略薄膜的热传与厚度影响，视为和一般传统射出无异(图二(a))，但模具钢材的热传导系数为嵌入薄膜的200倍以上，所以考虑薄膜对模流的影响是必要的，现今透过支持嵌入或多材质的模流软件可以(图二(b))改善此一问题，但仍无法考虑成型对射出阶段的影响。由文献上得知唐君[8,9,10]采用MATLAB R7.0开发一成型与射出成型的模流分析软件接口，以考虑成型阶段产品厚度对射出阶段的影响，以进一步了解IMD(图二(c))制程的温度与剪切速率变化，进而精确预估剪切升温导致油墨熔融，及剪切速率过大导致油墨冲刷或位移的现象[7]，进而降低产品开发的风险，本文采用此一技术应用在手机产品的开发与验证。

二、软件背景

2.1.成型模流分析

使用商用软件T-SIM R4.5进行仿真，使用上需给定薄膜厚度、材料特性、模具几何与成型参数，可得到薄膜厚度、重量、温度与应力分布及变形后的结果等 [11,12,13]。

2.2.射出模流分析

使用商用软件Moldex3D R7.0进行模拟，基于Hele-Shaw流动的模式描述可压缩高分子的熔融流动状态与流场变化，使用上需给定模具几何(含产品几何、流道系统、水路系统)、材料特性与成型参数，依射出程序执行充填分析可得到流动波前、压力分布、温度分布、剪应力…等结果，协助设计人员进行产品、模具或制程的改善[14]。

2.3.数学分析工具

利用MATLAB R7.0数学工具读取分析软件(T-SIM)结果，应用散布点内插法将厚度结果映像至射出成型嵌入网格，并转换网格法线方向等数据使其符合射出成型冷却分析格式，本文以手机为系统进行验证与研究。

三、案例说明

本文案例为手机上盖，尺寸为110mm、宽45mm、高25mm、模穴体积15cc、采用单点进胶，塑料选用GE PC+ABS，热传导系数为2400 J/Kg.K、比热为0.197 W/M.K。薄膜选用Bayer PC film、厚度0.125mm，密度为1200Kg/M3、比热为2093 J/Kg.K、热传导系数为0.197 W/M.K。成型薄膜需置入模具中射出，故容易造成压力、温度的变化与油墨的冲刷，因此需要更精准的分析方法，藉此改善相关问题。

四、分析流程

在考虑实际树脂流动厚度与薄膜热传的影响下，进行下列实验步骤流程，分析程序如图三所示

(1) 模内装饰产品网格的建立：

依产品几何建立有限元素网格并定义厚度属性。

(2) 模流分析得到嵌入薄膜厚度：

建立成型模具有限元素网格，使用成型软件(T-SIM)分析得到薄膜成品厚度

(3) 散布点内插法映像薄膜厚度：

使用MATLAB R7.0软件使用散布点内插法完成薄膜厚度与树脂厚度的建立。

(4) 完成射出模流分析网格：

使用Moldex3D-Mesh取得树脂与薄膜网格与厚度属性，并依序建立流道系统、水路系统与模座几何完成薄膜射出网格的建构。

(5) 设定参数

选定系统的塑料、设定薄膜的热物理性质与射出的成型参数。

(6) 树脂射出模流分析流程：

需要多次迭代计算才能得到收敛的嵌入温度分布，其次再进行Moldex3D-Flow/Pack进行充填分析，以得到充填过程的压力、温度与速度分布结果，最后再执行Moldex3D-Cool冷却分析以得到冷却开模时的温度分布。