实际案例：利用CAE分析实现MuCell®微细发泡射出成型技术

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实际案例：利用CAE分析实现MuCell®微细发泡射出成型技术

客户简介

·          客户：Proplast    ·          国家：意大利    ·          产业：学术研究    ·          解决方案：Moldex3D Advanced

Proplast在1988年成立于意大利的亚历山德里亚，以支持企业在塑料产业的发展为使命，服务范围聚焦于应用研究、技术革新、招募产业优秀人才以及教育训练等。2008年五月，Proplast为了提供塑料产业专业的技术服务，成立了一间比过去还要大三倍、3500平方米的经营据点。

Proplast的经营活动在四个事业伙伴──拜耳、巴塞尔、Guala、M&G(Mossi & Ghisolfi)──的支持下展开，近年来也在塑料产业链相关的企业组织、学术单位大力协助之下，有了相当显著的成长。

本项目由Proplast与Engel意大利分公司、Trexel和Onni-stamp共同合作研究

大纲

Proplast希望透过本项目了解MuCell®制程，并运用此经验做为未来协助客户导入MuCell®技术。此支持项目包括了MuCell®产品设计、模具设计到模具试模与验证等。为了能完成这具高度挑战性且复杂的制程，Proplast藉由Moldex3D解决方案，帮助工程师顺利掌控整体流程，达到产品与模具最优化设计，成功获得所期望的试模结果、完成项目。

挑战

本案例中最大的挑战就是准确地预测出复杂的MuCell®制程，以达到产品与制程条件最优化的目标。为进一步研究MuCell®技术能带来的改善，在本例中将进行以下四个项目的验证工作：

·        凹痕

·        翘曲变形

·        气泡大小预测和验证

·        发泡密度预测和验证

过程中每个阶段的模拟分析皆以模流分析软件Moldex3D来进行。

为深入评估、测量与比较MuCell®制程结果，特别在产品几何中加入上图所述的设计特征

解决方案

不论是传统射出成型和MuCell®微细发泡射出成型，Moldex3D都能够进行模拟分析，Proplast藉此得以比较两种制程的差异和分析结果。此外，藉由Moldex3D的模流分析技术，Proplast得以深入分析微细发泡射出成型制程的细部结构，包括气泡大小、密度或分布情形等。

产品设计

效益

Moldex3D为MuCell®制程的各面向提供了完整全面的模拟分析。藉由Moldex3D，Proplast得以对MuCell®制程有更深入的了解，达到产品和模具设计优化；更重要的是，Proplast因此有能力为客户提供更具建设性的建议，并指导客户如何有效运用MuCell®技术。

Moldex3D MuCell® 仿真分析包括了以下项目：

·          制程参数设定    ·          成型时间    ·          射压    ·          锁模力    ·          气体膨胀／减重

·          体积收缩／凹痕    ·          翘曲／残留应力分布    ·          气泡大小    ·          气泡分布及密度

案例研究

MuCell®射出成型模拟对于实际应用MuCell®制程有相当大的帮助，可以在实际制造前便能侦测问题，避免错误，且能进一步了解MuCell®技术带来的效益。Moldex3D模流分析让使用者能够掌握以下MuCell®技术的各个重要面向：

1. 凹痕

传统射出成型(左图)：有明显的凹痕 MuCell®(右图)：没有凹痕

试模结果证明，不论是传统的射出成型或是MuCell®制程，Moldex3D对于凹痕的预测都非常精确。从此案例中也可看出，MuCell®技术可非常有效地防止凹痕产生。

2. 翘曲

传统射出成型(左图)的翘曲结果比MuCell®(右图)的严重

Moldex3D可成功预测出产品在传统射出成型和MuCell®中的角隅效应，并在产品实际制造前就可观察出MuCell®制程对于变形问题的改善。

	设计值	传统射出成型		MuCell®		差异(%)
		模拟结果	成品测量结果	模拟结果	成品测量结果
A	110	108,76	109,17	109,22	109,16	-0.05
B	200	198,10	198,64	198,76	198,72	-0.02
C	200	198,61	198,92	199,18	198,86	-0.29
D	110	109,21	109,30	109,52	109,20	-0.29

不管是模拟结果或实际测量结果，都显示出MuCell®对变形问题有显著改善。

3. 气泡大小预测和验证

由于产品质量和其机械强度必须仰赖气泡的均匀分布和适当大小，因此预测气泡大小在MuCell®制程中是非常重要的一环。若想在实际生产之前就能完成适当的产品设计，则必须了解MuCell®在充填阶段对产品不同区域的表现。本案例将重点放在以下三个区块的验证(如下图所示)：1.浇口区域；2.流动中点区域；3.流动末端区域。目的是观察气泡在不同流长中的生成情形，并验证软件对气泡大小预测的准确性。

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区块1-浇口区域:
受到浇口区域的高压影响，气泡还非常的小。经SEM证实，发现Moldex3D的模拟结果能良好预测出此情况。

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区块2-流动中点区域:
模流分析和SEM验证都显示出，随着塑料流动至离浇口较远处，气泡会逐渐成长。在此区，相较于产品厚度中心，表层的气泡没有足够的时间增大，因此体积较小。

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区块3-流动末端区域:
气泡在流动的时间逐渐成长，到达流动末端时，气泡在产品中达到最大。此现象从模流分析和SEM验证中都可观察到，由于流动波前的压力较小，不会限制住气泡的增大，因而生成大气泡。此外，气泡大小也会因在此区位置的不同而有所变化。

4. 气泡密度预测和验证:

在MuCell®制程中，除了气泡大小之外，气泡的密度也同样重要。气泡密度和气泡大小互相竞争，当气泡随着流动距离而增大，占据较大的空间，气泡密度便随之降低。以下呈现的是模流分析和SEM验证的比较结果。

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区块1-浇口区域:
在SEM验证中，气泡密度较难直接透过测量得到。但藉由比较模流分析和SEM验证的结果，使用者仍可以了解到分析和实验部分之间在密度上的关连性。
在浇口区域，当压力大于饱和压力时，气泡并不会产生。当气泡在该区域开始成长时，高压将限制住气泡的大小，使得气泡(气泡核)个别产生，而不会融合成一个大气泡。在此区域，模流分析和SEM验证都显现出相同的结果。

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区块2-流动中点区域:
当塑料继续往前流动时，气泡也会随之增大。气泡的体积越大，固定的空间内能容纳越少的气泡就越少，因此造成较小的气泡密度。

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区块3-流动末端区域:
在流动末端区域，气泡已生成得较完整且混合在一起，导致密度非常低，在SEM验证当中只看得到非常少的气泡。

结果

综上所述，从此案例研究中可得到以下结论：

·        若想要将凹痕产生的可能性降到最低，MuCell®会是最理想的技术。即使产品不符合传统认知上的最佳产品设计(在远离浇口处设计高肉厚区域、过高的肋条/壁厚比)，凹痕还是可以顺利消除。

·        一般而言，MuCell®技术可显著地改善翘曲情形。

·        理论上，质量是否能改善，会受到气泡在产品不同区域生成状况的影响；而气泡生成的情形，则决定于如流动距离、平均厚度等因素。在本案例研究中，我们可清楚看到气泡生成和这些因素的关连性。

最重要的是，在Moldex3D的MuCell®的模拟分析中，以上提到的各项关键都能够非常准确地预测出来。有了Moldex3D，Proplast能够对MuCell®制程进行完整研究，找出最关键的效益，并成功帮助客户利用MuCell®技术达到产品外观的最佳质量。

CAE分析技术的价值

Moldex3D为MuCell®各项要素做出的模流分析提供了最佳的制程参数和整体成型质量(如避免重量减轻、体积收缩、凹痕、翘曲等)，并能对发泡的局部微孔结构进行更细部的观察(如气泡大小、密度和分布等)。ProplastCAE经理安德烈‧罗米欧(Andrea Romeo)表示：「Proplast研究和评估的CAE分析方法，能精确且可靠地模拟出MuCell®微细发泡射出成型制程，以及气泡膨胀过程的质量和形态。」

罗米欧经理指出，透过Moldex3D以模拟为基础的方法，可帮助Proplast藉由全程可视化且迅速、低成本的试验方式，获取大量有助于分析零件制造成果的信息，如成型状况、是否符合规格和要求，以及MuCell®零件质量等。这些信息同时也有助于评估投资效益、产能、生产成本、材料和能源消耗等经济效益分析，「在此案例研究所提到的制程参数及MuCell®的膨胀、轻量化效能、翘曲等情形，都可以在分析中被观察到，并获得良好且具一致性的预测。」

安德烈‧罗米欧   CAE经理   Proplast	Moldex3D为MuCell®各项要素做出的模流分析提供了最佳的制程参数和整体成型质量，并能对发泡的局部微孔结构进行更细部的观察，同时获得良好且具一致性的预测。
	─Proplast CAE经理 安德烈‧罗米欧

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