射出成型應(yīng)用于導(dǎo)光板之制程研究

1、射出成型應(yīng)用于導(dǎo)光板之制程研究 2007-10-20 16:30:54 作者：吳政憲*、蘇義豊、吳世民、林忠志 大葉大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)化工程研究所塑料工業(yè)技術(shù)發(fā)展中心一、中文摘要現(xiàn)代塑料成品加工所需求的是多樣變化、精密度高、成型周期短等特性，為了達(dá)到這些特性，對(duì)于各制程參數(shù)控制實(shí)具有決定性的關(guān)鍵。因此本研究主要目的是運(yùn)用CAE 模擬與田口實(shí)驗(yàn)的方法，以射出成型方式針對(duì)導(dǎo)光板制程參數(shù)作研究。在傳統(tǒng)射出成型之模具設(shè)計(jì)上，多以憑借著經(jīng)驗(yàn)豐富的技師來設(shè)計(jì)，但因加工技術(shù)與成品少量多樣的需求，若只由經(jīng)驗(yàn)傳承與試誤法作模具修補(bǔ)，所需之時(shí)間與成本實(shí)為現(xiàn)階段之發(fā)展所不能負(fù)荷，因此在研究上，我們運(yùn)用模擬輔助作模流分析

2、，以獲得較佳之模具設(shè)計(jì)，降低設(shè)計(jì)成本。且經(jīng)由研究中，我們獲得各參數(shù)對(duì)成品質(zhì)量之影響，同時(shí)也能經(jīng)由分析達(dá)到最佳之質(zhì)量控制，在相關(guān)的研究與業(yè)界對(duì)射出成型技術(shù)上具有相當(dāng)程度之貢獻(xiàn)。二、簡(jiǎn)介本研究主要是運(yùn)用射出成型方式，對(duì)導(dǎo)光板之制程參數(shù)作研究。其研究方法是以田口實(shí)驗(yàn)的方法，同時(shí)對(duì)C-Mold之模擬與實(shí)驗(yàn)作比較，并求得最佳反應(yīng)質(zhì)量之制程參數(shù)。其研究主題包括二方面:(1)田口規(guī)劃部分將27 組之直交組合分別以仿真與實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行比較，了解模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之差異 ; 并在模擬與實(shí)驗(yàn)兩種方式下獲得最佳參數(shù)組合，并探討各成型參數(shù)對(duì)成品品質(zhì)之影響。(2)模具設(shè)計(jì)與短射實(shí)驗(yàn)部分以C-Mold 來輔助模具設(shè)計(jì);并利用

3、短射實(shí)驗(yàn)比較模擬與實(shí)驗(yàn)兩方法之注塑流動(dòng)情形。研究結(jié)果顯示，影響成品質(zhì)量最重要的因素是保壓壓力，其次是保壓時(shí)間，在考慮適當(dāng)水平配置及排除其因子間之交互作用直交配置下實(shí)驗(yàn)，我們可獲得25ìm 以下之收縮量與翹曲量，對(duì)成品之質(zhì)量而言，此研究確實(shí)具有貢獻(xiàn)。三、研究方法1. 應(yīng)用田口法的步驟(1)先選擇影響成品相關(guān)之制程參數(shù)，并決定適當(dāng)之水平(2)選取 L27 之直交表(3)對(duì)直交表所列之各組以C-Mold 進(jìn)行模擬(4)對(duì)直交表所列之各組以射出機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)(5)進(jìn)行27 組之模擬值與實(shí)驗(yàn)值比較(6)進(jìn)行因子效果計(jì)算繪制響應(yīng)圖，選擇最佳之參數(shù)組合(7)進(jìn)行ANOVA 分析，獲得各參數(shù)對(duì)成品質(zhì)量反

4、應(yīng)之貢獻(xiàn)度，同時(shí)依響應(yīng)之最佳組合推定其最佳理論值(8)依最佳理論值作確認(rèn)實(shí)驗(yàn)(9)對(duì)模擬與實(shí)驗(yàn)所得到之最佳理論值與最佳組合之實(shí)驗(yàn)值分別進(jìn)行比較。(10)分析結(jié)果四、實(shí)驗(yàn)設(shè)備本研究實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要包含射出機(jī)、模具、量測(cè)設(shè)備和壓力擷取系統(tǒng)四大部分，如圖一所示。以下分別作介紹: 1.射出機(jī):如圖一(a)所示為本實(shí)驗(yàn)向塑料技術(shù)發(fā)展中心所借用之TOSHIBA IS-220GN 射出成型機(jī)，此系統(tǒng)行程320mm260mm 螺桿直徑為50mm，制程控制有射出速度、保壓壓力、射出行程、壓縮單元、冷卻時(shí)間等。2.模具系統(tǒng):如圖一(b)所示，本模具兼具射出與射壓功能1，且依實(shí)驗(yàn)壓力量測(cè)之需求，設(shè)計(jì)成兩具鏡面加工之模仁

5、，并于模仁中設(shè)置冷卻水道，且為求得完整之成品表面，故以整具模仁為頂料設(shè)計(jì)。3.量測(cè)系統(tǒng):圖一(c)所示，為CNC 銑床(精度0.1靘)、杠桿量表(精度0.2靘)與自制特殊夾具配合之量測(cè)系統(tǒng)，在量測(cè)的規(guī)劃上為了防止成品因夾持之作用而致影響量測(cè)，故特別設(shè)計(jì)此付夾具。另外在量測(cè)取點(diǎn)上，我們以平均幾何形狀之方式，坐標(biāo)值共取48 點(diǎn)，再將得到之?dāng)?shù)據(jù)經(jīng)坐標(biāo)曲面軟件(矩陣形式之坐標(biāo)轉(zhuǎn)換)以最小平方面之原理，來獲得正向、負(fù)向與平方面間之差距，即我們所求之翹曲量。五、實(shí)驗(yàn)材料與量測(cè)條件1.實(shí)驗(yàn)材料:本實(shí)驗(yàn)所選用塑料材料是日本進(jìn)口聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA 俗稱壓克力) 材料，其特性為非結(jié)晶樹脂材料，具有無色透明

6、的光學(xué)特性與良好之熱加工性。2.量測(cè)條件:(1)于射出件外表呈穩(wěn)定狀態(tài)后，再持續(xù)進(jìn)行射出50 件，這時(shí)才開始采用量測(cè)用射出件，并考慮射出件之周期性，因此以奇數(shù)編號(hào)為量測(cè)成品之取樣。(2)成品射出后置放1 星期。(3)溫度保持在 20-25之間。六、模具設(shè)計(jì)本模具設(shè)計(jì)，考慮到導(dǎo)光板之導(dǎo)光側(cè)與厚度變化不均之限制條件，為了取得證明，于是在思考上，我們以等體積之原理來聯(lián)想其最佳之充填位置為設(shè)計(jì)要件如圖二(a)。一般對(duì)于板件之澆口設(shè)計(jì)，都會(huì)采用薄板澆口2 3，主要是為了獲得較均勻之充填，以減少翹曲之產(chǎn)生。澆口寬度約為6.4 至25%之模穴側(cè)邊長(zhǎng)度。而本模具之澆口尺寸設(shè)計(jì)是以寬13.1mm、16 mm、2

7、0 mm 三種尺寸，入口厚度2mm 及1.5mm 兩種尺寸來進(jìn)行仿真，結(jié)果顯示2mm 入口厚度及寬度20mm 對(duì)流動(dòng)所造成之收縮翹曲為最小。冷卻水道設(shè)計(jì)主要是模具成形空間表面的溫度分布，因水管的大小、配置、水溫差異而改變，但若其模溫變化在6.6(52.6569.25)溫度差在某一成形條件上也許充分，但殘留之內(nèi)部應(yīng)力，對(duì)尺寸精度高的成形品，可能造成成形應(yīng)變4。本研究分析結(jié)果如圖二(b)所示，經(jīng)模擬得到A型設(shè)計(jì)收縮0.3613 mm、B 型設(shè)計(jì)收縮0.3609 mm、C型設(shè)計(jì)收縮0.3281 mm，顯然以C 型的水道排放方式所得之收縮量為最小，故選擇C 型之設(shè)計(jì)。七、射出成型之短射實(shí)驗(yàn)短射實(shí)驗(yàn)主要

8、是確定實(shí)驗(yàn)中之融膠充填量，減少因過渡充填所造成的能量浪費(fèi)與徒增之成型時(shí)間。另外我們可從每段時(shí)間之充填計(jì)量所得之短射成品如圖三(c)，了解到融膠流動(dòng)之波前情形，尤其經(jīng)由模擬與實(shí)驗(yàn)之波前圖比對(duì)后，更能讓我們了解兩種方式之差異。且由圖三(a)與圖三(b)所示，模擬之融膠流動(dòng)與實(shí)驗(yàn)所得之融膠流動(dòng)相近，所需之充填時(shí)間亦相近。證明此短射實(shí)驗(yàn)提供我們了解于導(dǎo)光板厚度變化不均之模穴空間流動(dòng)情形，且可準(zhǔn)確的獲得充填所需之計(jì)量值。八、結(jié)果與討論1. 27 組之模擬值與實(shí)驗(yàn)值比較經(jīng)27 組模擬與實(shí)驗(yàn)所得之回應(yīng)值比較，由圖四得知，各組之反應(yīng)以實(shí)驗(yàn)所得之變動(dòng)較大，表示收縮量之量測(cè)包含量測(cè)與環(huán)境影響之誤差，而于模擬時(shí)，則

9、無法包括這些因素在內(nèi)，但以兩者之趨勢(shì)比較，我們可獲得各參數(shù)變動(dòng)對(duì)成品收縮量之影響，同樣具有參考之依據(jù)。2. 模擬與實(shí)驗(yàn)之制程參數(shù)最佳化比較實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，如果遺漏了影響質(zhì)量特性極為顯著的控制因子，均會(huì)產(chǎn)生再現(xiàn)性不佳的情形5，為了避免這種情形發(fā)生，必須進(jìn)行確認(rèn)實(shí)驗(yàn)。由圖五、圖六之響應(yīng)圖可得到反應(yīng)收縮量為最小的最佳組合是A1,B1,C3,D3,E3,F3。此結(jié)果可供我們進(jìn)行反推算來得到推論值，并與最佳組合之實(shí)驗(yàn)值作比較，得到如表一之?dāng)?shù)值。此結(jié)果顯示，推論與實(shí)驗(yàn)之翹曲量相差13.53%而收縮量相差17.81%，此差距表示模擬與實(shí)驗(yàn)最佳化得到之結(jié)果，且依現(xiàn)有制作同樣尺寸之導(dǎo)光板所要求精度為0.05mm 相

10、較，本研究之精度0.0224mm 是可供采用的。3. 制程參數(shù)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量之影響(1)模具溫度由響應(yīng)圖可知，模具溫度以33對(duì)質(zhì)量之反應(yīng)較佳， 而模具溫度過低或過高均不理想，原因是融膠在模具溫度低時(shí)，凝固速度快凝固層厚融膠不易流動(dòng)，而融膠在模具溫度45則收縮大，尺寸精度亦不佳。(2)融膠溫度對(duì)射出而言，融膠溫度不宜太高，由回應(yīng)圖中可獲得其斜率為向下，故以230為佳。且在同一充填時(shí)間下，高的融膠溫度比低的融膠溫度有較薄的凝固層，相對(duì)地的也會(huì)增加成品的收縮(3)充填速度此參數(shù)之響應(yīng)值，是以11.4cm/sec 之速度為最佳，原因是高的充填速率有助于增加充填階段的表面剪切率，換言之，充填速率的提升使得融

11、膠與模壁間的摩擦熱升高有助于應(yīng)力的松弛。(4)保壓壓力經(jīng)ANOVA 之分析，愈大的保壓壓力有愈好的幾何成型性。由圖五可看出此曲線的斜率隨著保壓壓力增加而加，故保壓壓力對(duì)成品之質(zhì)量而言，其成型性影響為最大。(5)保壓時(shí)間適當(dāng)?shù)谋簳r(shí)間有助于減少成品之收縮，但太長(zhǎng)的保壓時(shí)間，則徒增成型周，以實(shí)驗(yàn)與模擬之回應(yīng)圖來看，保壓時(shí)間取10 秒為最佳。(6)冷卻時(shí)間經(jīng)分析得到冷卻時(shí)間取35 秒為最佳，太短則收縮量較大，對(duì)本成品而言，其貢獻(xiàn)度占2.6%，屬影響性較小之因子。4. 重要制程參數(shù)對(duì)收縮與翹曲的影響針對(duì)前述田口計(jì)算機(jī)仿真與實(shí)驗(yàn)所得的最佳制程參數(shù)，來進(jìn)行更詳細(xì)的參數(shù)研究，以驗(yàn)證先前所選定的制程參數(shù)是否最

12、佳6。于每一次的實(shí)驗(yàn)中，僅改變對(duì)收縮、翹曲影響具較大貢獻(xiàn)度之單一制程參數(shù)，收縮部分只考慮保壓壓力、模具溫度、保壓時(shí)間，翹曲部分只考慮保壓壓力、塑料溫度，其它制程參數(shù)則維持在最佳值，用以觀察僅變動(dòng)單一制程參數(shù)對(duì)收縮、翹曲的影響。由圖七可知保壓壓力在4.5MPa 至7.5MPa 之間，于7.5MPa 時(shí)收縮降至最小，此趨勢(shì)符合先前所做ANOVA 分析結(jié)果，故保壓壓力對(duì)成品成型性影響為最大，但需注意是否有過保壓現(xiàn)象產(chǎn)生。模具溫度與保壓時(shí)間分別設(shè)在2540與4 秒10 秒之間，雖然此二個(gè)參數(shù)對(duì)收縮影響遠(yuǎn)不如保壓壓力來的明顯，但是在成形過程中仍須適當(dāng)?shù)哪丶氨簳r(shí)間。模溫足夠，有助于融膠料的充填，避免產(chǎn)

13、生短射；保壓時(shí)間足夠，有助于減少產(chǎn)品收縮。由圖八可知融膠溫度設(shè)在210250之間，于230時(shí)有最小翹曲，料溫太高或太低都會(huì)使翹曲增加，制程中較高的料溫有利于充填，雖有助于壓力均勻分布，但不可超出廠商建議值，以防塑料裂解。保壓壓力設(shè)在4.5MPa至7.5MPa 之間，由曲線趨勢(shì)得知保壓越大，翹曲越小，產(chǎn)品品質(zhì)越佳。 由研究結(jié)果，我們可以清楚了解制程參數(shù)于射出成型對(duì)導(dǎo)光板質(zhì)量之影響，其中以保壓壓力與保壓時(shí)間兩成型因素影響最大，證明高保壓壓力與保壓時(shí)間可降低成品之收縮量與翹曲量。另外，對(duì)于數(shù)值模擬及最佳化分析研究之結(jié)果，可供未來公司開發(fā)新技術(shù)時(shí)的參考。九、參考文獻(xiàn)1、E.Lindner, and P.Unger, " lnjection Molds 108 Proven Designs"1993,pp6-132、陳介聰,精密射出成形模