A08 全方位CAE模流分析技术于射出成型产品开发之应用

三、全方位CAE模流分析技术协助业者解决塑料射出成型之疑难杂症

塑料射出成型CAE模流分析技术近年来之发展非常快速，过去因塑料射出成型产品主要为薄壳状且厚度均匀之结构，故薄壳理论(Shell model)及其解析可有效解决大半之问题[1]。然而近年来随着产品需求日益复杂，塑料材料特性加上产品设计造成传统之薄壳理论不再完全得以满足需求。主要之原因为复杂之三维现象如流动波前、模具内冷却效应情形、玻纤分布情形、翘曲变形、以及其他许多无法以薄壳理论获取之结果，因此真实之三维实体理论(Solid model)之掘起及其解析逐次成为主流[2-4]。另外，过去大部份人之目光只能着重模穴内塑料材质从液态熔胶充填，固化顶出，至翘曲变形。但有些问题来自于塑料于螺杆内熔化运作情况是否得宜，螺杆之设计与操作影响过去是无法有效地掌控 [5]。再则，熔胶经喷嘴，再流经流道系统及浇口后进入模穴，此部份于模具内被称为传递系统(deliver system)，过去因受限于软硬件之限制，常用近似法进行解析模拟，但自1990年代后，世人已越来越了解此部份之熔胶传递机制深深地影响后续成型，故针对以前无法理解为何几何对称之多模穴系统产生不平衡结果，近来已逐渐明了[6-8]。另外，产品开发时，针对产品特性进行分析往往无法考虑塑料制程所引导之材料特性变异之影响，尤其是对含有玻纤或碳纤材料于射出制程进行中产生材料非等向性，此种变异因制程所引发之材料非等向性若能进一步传承至产品分析，将对整体之产品特性及行为提供更正确之结果[9]。

当然，以上种种阶段所面临之问题，若仍依过去采用试误法方式开发，常如瞎子摸象，头痛医头，脚痛医脚，不止可能事倍功半，更可能因对问题解析错误，提供错误方案，造成无法弭补之结果。再则，射出产品之开发，从产品设计起，经历模具设计、模具制作、试模与修模，期间有长有短，依照产品问题之多寡以及质量要求之高低而定。再由产品制程探讨，主要由塑料原料，经螺杆之熔化与输送，通过喷嘴，流经流道系统及浇口，让熔胶流入预先设计好之模穴内，经充填、保压、冷却、开模，完成产品制作。因此如何应用全方位之CAE模流分析技术，有效且完整地协助业者解决许多过去无法了解之疑难杂症，一直都是业界殷切期盼。为此，后续就目前发展现况并依射出成型制程逐次说明。

1. 射出螺杆之运作及熔胶质量之掌控

射出成型产品及制程开发中，熔胶温度给定正确与否，以及如何有效分析预测熔胶温度及控制其均匀性，常常深切地影响产品之质量。具体说来，正确的熔胶温度常常是主导优良质量的不二法门。越能正确预测及控制熔胶温度，成型产品质量越佳。然而，真正的问题在于熔胶温度是很难准确预测的，因此错误的熔胶温度，将造成在射出成型充填及保压模拟中导致错误估算的结果。因此，为了能有效及准确预测熔胶温度并期盼能进一步掌控，螺杆运作之行为就必须切入诊断与分析。实际上于射出成型制程中，熔胶温度太高或太低都会是个严重问题。同样的，熔胶温度不均衡也会是影响射出成型产品质量的关键。若熔胶温度太高，常会造成塑料材料或其他添加物之裂解，并进一步导致机械性质变差，也可能导致产品颜色变异及臭味产生。若熔胶温度太低，将可能因熔化无法完全，造成熔胶质量不均匀。另外，有时熔胶平均温度看似可以接受，但其内部温度变化可能高达好几十度。此一不均衡的现象通常发生在螺杆流道内很容易导致塑料材料的裂解。理论上此等现象可依想象去推估，然而事实上，这些问题却很难在实际制程中有效地解析并排除。除此之外，塑料材料的最后熔胶温度与料管温度或理想预定值不同，其原因在于不同的操作环境，像是螺杆几何(screw geometry)、材料性质以及管壁温度设定等。因此，操作者一般仅能在熔胶已经射出后才能利用产品结果利用回馈进行修改，其方式对于问题之解析与排除往往事倍功半。

针对此棘手之问题，目前市面上已有CAE工具可协助诊断与设计，Moldex3D-ScrewPlus为世界第一套能同时整合射出螺杆制程并且让整体射出成型制程往前延伸至塑料原料的分析模块。其作动如图4所示，主要模拟解析从塑料原料注入射出机，经螺杆运作后形成熔胶，再进入模穴进行后续之射出成型制程。基本上，此等程序可分为两大阶段，分别是螺杆运作阶段以及射出成型阶段，两阶段可由喷嘴加以连结。

针对螺杆阶段之运行螺杆的几何大小、操作条件之变换，都会影响螺杆之运作结果。当螺杆参数或操作条件改变，熔胶质量及特性将会受影响，进一步影响后续之射出成型制程。因此在射出成型开始的阶段，真实熔胶温度及其不均衡情况对于产品质量控制来说是非常关键性的因素。一般说来，这些特性都相当重要却又难以检测。现在，利用CAE技术可协助诊断此等困难处快速解析，更可贵的是，目前已可进一步整合射出螺杆过程及后续之射出成型程序，让熔胶本身质量对后续产品之影响能有效地诊断及控制。此项特有之技术将大大地帮助业者能有更佳的控管能力并进一步达到更好的质量。

2. 熔胶传递系统之效应与影响 

1990年代以前，大部份对于射出成型产品开发主要着重塑料于模穴内运作之情况，针对熔胶传递系统之效应与影响并未深刻了解及探讨。然而，随着制程系统日益复杂，质量与良率常常构成竞争力之主要来源，但许多物理现象发生仍令众人困惑。例如图5为H型几何对称一模多穴之系统，执行射出成型程序后，非常容易即可获得充填不平衡之结果。当初很多人心存着疑虑，认为其原因可能是模具内积热不平衡、模具精度不良、流动之转角效应、或是来自于材料本质之记忆所致。此问题之探究直到1999年John Beaumont针对熔胶传递系统之效应提出一系列之研究，并进一步利用他们累积之经验汇整成一系列相关之MeltFlipperTM、MAXTM等专利技术，利用剪切热(shear-inducing)所引导之不平衡现象[6-7]。然而，即便如此，一般人还是无法真切了解其中道理，不过令人振奋地是针对此问题，近年来CAE技术之应用也逐渐地揭露出问题之来源。如图6所示，针对H型几何对称一模多穴系统发生充填不平衡之模拟与实验结果对比相当吻合。再进一步解析，当熔胶流经主流道转入次流道时，温度高之部份靠内侧，温度低之部份靠外侧，此时熔胶温度高流动快，这也就是为何几何对称一模多穴系统发生充填不平衡之主要原因。当然，经应用熔胶翻转技术(MeltFlipper)即可有效一模多穴解决模穴间不平衡之问题，过去应用经验法则解说此作用，目前CAE分析也可清楚截取此种现象。

3. 模穴内复杂现象问题与解析 

近年来随着产品需求日益复杂，塑料材料特性加上产品设计造成传统之薄壳理论不再完全得以满足需求。主要之原因为许多三维现象如流动波前、模具内冷却效应情形、玻纤分布情形、以及其他许多无法以薄壳理论获取之结果，因此真实之三维实体理论(Solid model)之掘起及其贴切真实的解析逐次成为主流。例如连接器产业之开发，随着信息大量传输需求之增加，微小轻量化、高功能、安全性[10]一直是大家努力之目标，然而，此种需求所面对可能是材料改质、几何结构修正，在可能之情况下内在间距(pitch)越来越小，肉厚尺寸越来越薄，此时许多三维现象越来越明显。如图9及10显示具有两个灌点之连接器充填及保压情形，由于内在肉厚尺寸很薄，熔胶形成之缝合线以及保压成效不彰，产品之质量可能深受影响。另外，就材料观点探索，含玻纤或LCP材料常用于此类产品，此时加工程序所引导之材料玻纤或LCP特性虽然不易检视，利用CAE先进技术可有效分析了解，如图11所示。当然此种加工程序所引导之材料特性变异也深深影响后续之产品或结构分析，此部份后面将进一步说明。

4. 翘曲变形问题预测与探讨

许多射出成型产品常面临翘曲变形之问题，但因影响翘曲变形之因素众多，比如产品几何与模具设计、使用塑料材料特性、加工之操作条件等等，预测及诊断常常不得其门而入。若从制程观点切入，熔胶进入模穴进行充填、保压、冷却、顶出、再自由收缩至最后产品，期间相关程序所引导之效应都可以造成产品内部残留应力之不平衡，进而影响最后之翘曲变形。此项问题即使是在今天，只利用经验法则常无法有效解决此等问题，因此透过CAE工具协助，常有优异成果。下面将利用目前热门产业之实例，并针对制程流程阐述。

近年来面板产业发展非常的快速，其中TFT-LCD之相关零组件，如：背光板支架、液晶屏幕显示器外壳、背光板边条…等等。由于各零组件的结构不同，在产品设计及成型加工上所发生的问题情况与解决方法也皆不相同。这些零组件为搭配液晶显示器外型，常常在成品肉厚设计上有很多的差异，加上目前大尺寸的显示器的开发及考虑成本、时效性种种问题，相对上模具的设计开发将更具挑战。加上TFT-LCD显示器目前都朝向轻、薄、大三项需求来发展，对于此类新产品开发上所面临的挑战，许多业者摆脱了传统的思维，有别于以往传统的设计流程，在模具设计初期即先利用模流分析工具验证设计方案的可行性。图12为原始具有4个灌点之设计，TFT-LCD玻璃基板承载托盘开发，此托盘主要功能为玻璃基板承载治具，因应质量需求平面度要在1.5mm以下。完成设计分析后，实际试模与模拟分析也逐次进行对比，例如图13 为流动波前图与比对图，此时外围之四个灌点引导熔胶逐渐往中间流动，整体趋势很吻合。此产品因首重平面度，探讨翘曲变形分布情况如图14所示，其中变形量范围-1.46~1.56mm，主要Z轴翘曲变形高低差超过3.0 mm (实际试模3mm以上)，变形位移量己超出产品公差范围，翘曲情况非常严重。当然针对此问题之解决方案可能有许多种，此处依设计与执行需求搭配下，采用设计修正。最后由翘曲变形分布结果检视，如图15所示，Z轴翘曲变形量范围-0.52~0.56mm，高低差为1.08mm(实际试模1mm以下)，平面度已有显著的改善并符合规格需求。实际上如同前述，影响翘曲变形之因素众多，比如产品几何与模具设计、使用塑料材料特性、加工之操作条件等等，预测及诊断常常不得其门而入。因此透过CAE技术之分析与诊断将可大大提升开发之能量。

5. 加工制程所引发之材料特性与其对产品分析效应之整合

过去于塑料产品开发时，针对产品特性进行分析往往无法得知塑料产品于制程中所引导材料特性变异之影响，尤其是对含有玻纤或碳纤材料于射出制程进行中产生材料非等向性，此种变异因制程所引发之材料非等向性若能进一步传承至产品分析，将对整体之产品特性及行为提供更正确之结果。针对此特性之探讨，目前已有相关之CAE技术可应用。例如利用Moldex3D-I2界面模块将射出制程引发之材料非等向性修正后，转送至结构分析软件进行结构强度分析，结果如图16所示；倘若不考虑射出制程引发之材料非等向性，直接进行结构强度分析，其结果如图17。对比之下，很明显可看出因射出制程将引导玻纤之排向产生之非等向性，进而影响整体材料之强度，故当结构强度分析时具有较强之机械强度。当然若进一步定量地探讨此等机械强度之差异，由图18及19，可以明显看出最大应变已由9.371e-03降为4.914e-03。此时不难理解当含有玻纤之材料经充填后将产生非等向性，不仅会影响翘曲变形，也会对机械强度有明显地强化。因此若忽略此等射出制程引发之材料非等向性效应可能会误判产品之强度特性，只是过去的经验法则并无法将此等程序串联起来，现今则可善用CAE技术协助分析。