汽車儀表板之開發與機構深入模流分析探討

Tommy_GZ

汽車儀表板之開發與機構深入模流分析探討
In-Depth Simulation Investigation on Design and Structure of Automobile Speed Meter Panel Parts

作者：
謝再新　　　　 方晴慧
Tsai-Hsin Hsieh Ching-Hui FANG

科盛科技股份有限公司
CoreTech System Co., Ltd.

摘要：
儀表板是汽車內裝中重要的零組件之一，它主要提供各項重要的資訊與警示訊息，例如：引擎的轉速、車行速度、油箱燃油存量及各項引擎、車門、電力系統警示燈等，讓駕駛員能夠即時的了解車況。因此儀表板的開發與設計不僅只注重於外觀的美學設計，過程中也必須考慮到如何與複雜的電路系統相互搭配，以達到產品的實用性。目前汽車工業界幾乎已經全面導入與採用3D的電腦輔助設計(CAD, Computer Aided Design)、電腦輔助製造(CAM, Computer Aided Manufacturing) 及電腦輔助工程(CAE, Computer Aided Engineering)系統以協助產品設計與模具製造的相關製程。本文即利用Moldex3D模流分析技術探討汽車儀表板在導入新多材質射出成型製程過程中遭遇到翹曲變形的問題，藉由分析後的結果數據加以探討剖析，了解問題的成因與探討解決的方案，並透過軟體進行解決方案的評估與驗證，以期找出達到最終的目的及省去實際試誤法的成本浪費。

關鍵詞：
儀表板、電腦輔助工程、模流分析、翹曲變形, Moldex3D。

Abstract
The speed meter, one of the most critical components of auto interiors, is used for providing various immediate information like RPM, speed, fuel status, and indicators of engine, car doors, electricity for drivers. Therefore, to meet more and more demanding marketing requirements, the major concerns of the design and develOPMent of speed meters shall be not only focused on the esthetics, but also on the overall functionality. In other words, the collocation with circuit system and other components becomes a real challenge. Currently, CAD/CAM/CAE tools are widely adopted into the automotive industry for effectively improving the manufacture efficiency, including the optimization of the product designs, mold designs, process parameter, and etc. In this paper, CAE technology is used to study the potential warpage causes and solutions to the speed meters manufactured by the multiple-component injection molding. With the verifications done from different revised designs and simulations, the demands for more economical production, higher profitability, and more satisfactory quality will be met.

Keyword:
Speed Meter, CAE, Injection Molding Simulation, Warpage, Moldex3D.

一、前言
隨著射出成型技術的成熟，許多廠商也紛紛導入多材質射出成型的技術(圖1)，因此在市面上隨處都可見到運用多材質射出成型技術的產品，例如：電子連結器的金屬端子嵌入(圖2)、民生用品(圖3)、汽車配件(圖4)等。在製程上使用多材質射出成型技術可以將模具模組化，使模具更容易維護，並節省後續加工或組裝的工作，提昇生產的效率，最終可帶來更多的營收，可說是迎戰近年來國際原物料不斷上漲的一項利器。
不過由於嵌件材質的不同，而造成在生產過程中模具或塑件的溫度分佈上之差異，進而導致翹曲變形的問題。本文藉由Moldex3D的真實三維實體模流分析技術探討儀表板零組件開發製程中遭遇的問題與解決方案的驗證。

二、產品的結構設計
產品的幾何形狀如圖5所示，主要由兩個射出件所組成，分別為：底板(第一射)與框架(第二射)，其詳細尺寸與塑料的類別如下所示。

產品尺寸：
• 長：400 mm
• 寬：130 mm
• 高：30 mm

塑膠材料：
• 塑件：ABS
• 嵌件：PMMA

成型條件：
• 充填時間：1.2 秒
• 熔膠溫度：250 ℃
• 保壓時間：5 秒
• 冷卻時間：12 秒

廠商的原始生產流程為各別成型所需的兩個組件，之後再進行組合裝配的工作，但由於為了降低成本與提高產能，因此嘗試採用多材質射出成型技術，但在新模具的試模階段遭遇產品嚴重翹曲變形的問題，因此藉由Moldex3D模流分析技術的協助，找出可行的解決方案，以改善目前所面臨的變形問題。

三、分析步驟
藉由模流分析重現問題，先個別探討考慮與不考慮嵌件的情況，再透過分析結果找出嵌件所造成的影響，並探討改善的方向，最後藉由模流分析驗證變更設計的可行性。首先準備CAE分析所需要的資料，分別為：
• 網格：包含塑件、嵌件、流道與冷卻水路等。(圖6、7)
• 材料：包含黏度、PVT、比容與熱傳係數等材料特性。(圖8)
• 成型條件：包含充填時間、融膠溫度、保壓時間、保壓壓力等條件設定值。(圖9)

3.1原始設計
初步分析分為兩個組別，第一組為不含嵌件的分析，第二組則是包含嵌件的分析，分析目的在於利用原始的設計來重現現場所遭遇到的問題。在充填分析結果中，嵌件對於流動造成的影響不大，因此兩組的充填結果相似。

充填/保壓分析
此模具為兩板模，流道的設計屬於非自然平衡，因此從流動波前結果(圖10~13)可知，澆口A與B由於距離灌點較近，因此融膠在28%時先充填模穴，而澆口C與D則在37%時才開始充填模穴，因此可得知該組原始設計有流動不平衡的現象。在壓力分佈的部份，由於各澆口的流動路徑不等長，因此各澆口域區的壓力分佈有較大的差異，如圖14可以了解澆口A與B附近區域的壓力分佈明顯高於澆口C與D附近的區域。經過保壓階段後，由於成品本身屬於長型結構(長度約400 mm)，再加上流道的長度較長，因此成品中央的保壓效果與兩側有較明顯的差異，如圖15所示，澆口所在的左右兩側壓力分佈明顯比中間區域高，保壓結束後的壓力呈現不均勻的分佈。

冷卻/翹曲分析
在冷卻的分析結果方面，整體溫度分佈範圍約在88 ~ 105℃，在產品上局部有孔洞的設計，但由於尺寸較小，散熱較為不易，因此在這些孔洞區域有積熱的現象(圖16)。最後，比較有嵌件與沒有嵌件兩組的翹曲結果，發現在初步的分析結果中已重現客戶所遭遇的問題，包含嵌件的翹曲變形量比不含嵌件的翹曲變形量大上許多。(圖17~18)

問題剖析
如圖19所示，沒有考慮嵌件的情況，塑件成型後可自由收縮，但如圖20，則是因為下方受到嵌件的影響，造成下方受据束而上方仍可自由收縮的情況，因此導致不等收縮變形的問題。

3.2 設計變更
透過原始分析的結果可清楚的解析出問題的主因，翹曲變形的主因來自於收縮不均與受嵌件的干涉兩大因素所導致，此為探討後續的設計變更的重要資訊。最後，經過討論後決定了兩組的設計變更，如圖21與22所示，圖21為加大澆口尺寸，藉此改善收縮變形的問題。圖22為更改流道配置，以三板模自然平衡的流道形式來改善收縮變形的問題。經由Moldex3D的協助以了解各解決方案的改善幅。

設計變更1
在流道的配置相同，僅只有澆口尺寸上的差異下，流動上與原始設計沒有太大的差異，在保壓階段結束後，澆口尺寸加大後可以得到較佳的保壓效果，但由於成品的長度太長，相對的保壓路徑也較長，因此仍有保壓效果不均的問題(圖23)。在翹曲結果顯示整體的尺寸收縮方面有較大的的差異，但對於變形的問題則沒有改善(圖24)。

設計變更2
將流道配置更改為三板模後，可以得到較平衡的流動波前(圖25)，大大改善因流動不平衡而導致的保壓不均的問題，由於流動平衡問題的改善與澆口數量的增加，可以得到均勻保壓效果(圖26)，在適度調整保壓壓力後，可以降低塑件的收縮，藉此改善翹曲變形的問題(圖27)。

四、結果與討論
透過分析確認原始設計1&2(考慮與不考慮嵌件)之間造成Z軸方向有較大翹曲變形(表1與2)的問題是來自於嵌件的干涉效果，而導致收縮不均的問題。
設計變更1在加大澆口尺寸後，雖可以提昇保壓效果，降低成品的收縮，但由於流動不平衡與保壓路徑過長等問題，因此對整體收縮的改善有限，對於嵌件干涉而造成的翹曲問題沒有較大的改善(表1與3)。
設計變更2在更改流道配置後，藉由改善流動不平衡的現象，進而得到較均勻的保壓效果，藉由適當的調整保壓壓力，可降低整體的收縮，最終可改善Z方向翹曲變形的問題(表1與4)。
如表5為設計變更對變形改善幅度的總表，清楚的了解到設計變更1&2的改善以設計變更2最佳，改善幅度達50%以上。

五、結論
新製程或新產品的開發將減低對於成品品質的把握度，此時透過Moldex3D模流分析技術的輔助可補足這方面的不足，提高開發的成功率，一次進行多組設計變更，且不必實際的修改模具即可評估設變方案的可行性，提高降低金錢與時間的成本。

六、參考文獻
1. 科盛科技, Moldex3D模流分析技術與應用, 全華圖書, 2007年7月
2. CoreTech System, Application of Moldex3D-MCM to Multi-Component Molding(MCM) Process Simulation, August 2005.
3. 張榮語, 射出成型模具設計 – 實務操作, 高立圖書, 1998年11月

[ 本帖最后由 Tommy_GZ 于 2008-5-30 16:30 编辑 ]

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