射出成型应用於导光板之制程研究2004-9-23.doc

射出成型應用於導光板之制程研究 2004-9-23
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吳政憲*、蘇義豊、吳世民、林忠志
大葉大學機械與自動化工程研究所塑膠工業技術發展中心

一、中文摘要
現代塑膠成品加工所需求的是多樣變化、精密度高、成型週期短等特性，為了達到這些特性，對於各制程參數控制實具有決定性的關鍵。因此本研究主要目的是運用CAE 類比與田口實驗的方法，以射出成型方式針對導光板制程參數作研究。
在傳統射出成型之模具設計上，多以憑藉著經驗豐富的技師來設計，但因加工技術與成品少量多樣的需求，若只由經驗傳承與試誤法作模具修補，所需之時間與成本實為現階段之發展所不能負荷，因此在研究上，我們運用模擬輔助作模流分析，以獲得較佳之模具設計，降低設計成本。且經由研究中，我們獲得各參數對成品質量之影響，同時也能經由分析達到最佳之質量控制，在相關的研究與業界對射出成型技術上具有相當程度之貢獻。

二、簡介
本研究主要是運用射出成型方式，對導光板之制程參數作研究。其研究方法是以田口實驗的方法，同時對C-Mold之模擬與實驗作比較，並求得最佳反應質量之制程參數。其研究主題包括二方面:
(1)田口規劃部分
將27 組之直交組合分別以仿真與實驗的方法進行比較，瞭解模擬與實驗結果之差異 ; 並在類比與實驗兩種方式下獲得最佳參數組合，並探討各成型參數對成品品質之影響。
(2)模具設計與短射實驗部分
以C-Mold 來輔助模具設計;並利用短射實驗比較模擬與實驗兩方法之注塑流動情形。
研究結果顯示，影響成品質量最重要的因素是保壓壓力，其次是保壓時間，在考慮適當水平配置及排除其因數間之交互作用直交配置下實驗，我們可獲得25ìm 以下之收縮量與翹曲量，對成品之質量而言，此研究確實具有貢獻。

三、研究方法
1. 應用田口法的步驟
(1)先選擇影響成品相關之制程參數，並決定適當之水平
(2)選取 L27 之直交表
(3)對直交表所列之各組以C-Mold 進行模擬
(4)對直交表所列之各組以射出機進行實驗
(5)進行27 組之模擬值與實驗值比較
(6)進行因數效果計算繪製回應圖，選擇最佳之參數組合
(7)進行ANOVA 分析，獲得各參數對成品質量反應之貢獻度，同時依響應之最佳組合推定其最佳理論值
(8)依最佳理論值作確認實驗
(9)對模擬與實驗所得到之最佳理論值與最佳組合之實驗值分別進行比較。
(10)分析結果

四、實驗設備
本研究實驗設備主要包含射出機、模具、量測設備和壓力擷取系統四大部分，如圖一所示。以下分別作介紹:

1.射出機:如圖一(a)所示為本實驗向塑膠技術發展中心所借用之TOSHIBA IS-220GN 射出成型機，此系統行程320mm～260mm 螺杆直徑為50mm，制程式控制制有射出速度、保壓壓力、射出行程、壓縮單元、冷卻時間等。
2.模具系統:如圖一(b)所示，本模具兼具射出與射壓功能[1]，且依實驗壓力量測之需求，設計成兩具鏡面加工之模仁，並於模仁中設置冷卻水道，且為求得完整之成品表面，故以整具模仁為頂料設計。
3.量測系統:圖一(c)所示，為CNC 銑床(精度0.1靘)、杠杆量表(精度0.2靘)與自製特殊夾具配合之量測系統，在量測的規劃上為了防止成品因夾持之作用而致影響量測，故特別設計此付夾具。另外在量測取點上，我們以平均幾何形狀之方式，座標值共取48 點，再將得到之資料經座標曲面軟體(矩陣形式之座標轉換)以最小平方面之原理，來獲得正向、負向與平方面間之差距，即我們所求之翹曲量。

五、實驗材料與量測條件
1.實驗材料:
本實驗所選用塑膠材料是日本進口聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA 俗稱壓克力) 材料，其特性為非結晶樹脂材料，具有無色透明的光學特性與良好之熱加工性。
2.量測條件:
(1)於射出件外表呈穩定狀態後，再持續進行射出50 件，這時才開始採用量測用射出件，並考慮射出件之週期性，因此以奇數編號為量測成品之取樣。
(2)成品射出後置放1 星期。
(3)溫度保持在 20℃-25℃之間。

六、模具設計
本模具設計，考慮到導光板之導光側與厚度變化不均之限制條件，為了取得證明，於是在思考上，我們以等體積之原理來聯想其最佳之充填位置為設計要件如圖二(a)。

一般對於板件之澆口設計，都會採用薄板澆口[2] [3]，主要是為了獲得較均勻之充填，以減少翹曲之產生。澆口寬度約為6.4 至25%之模穴側邊長度。而本模具之澆口尺寸設計是以寬13.1mm、16 mm、20 mm 三種尺寸，入口厚度2mm 及1.5mm 兩種尺寸來進行仿真，結果顯示2mm 入口厚度及寬度20mm 對流動所造成之收縮翹曲為最小。
冷卻水道設計主要是模具成形空間表面的溫度分佈，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℃(52.65℃~69.25℃)溫度差在某一成形條件上也許充分，但殘留之內部應力，對尺寸精度高的成形品，可能造成成形應變[4]。本研究分析結果如圖二(b)所示，經模擬得到A型設計收縮0.3613 mm、B 型設計收縮0.3609 mm、C型設計收縮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 型之設計。

七、射出成型之短射實驗
短射實驗主要是確定實驗中之融膠充填量，減少因過渡充填所造成的能量浪費與徒增之成型時間。另外我們可從每段時間之充填計量所得之短射成品如圖三(c)，瞭解到融膠流動之波前情形，尤其經由模擬與實驗之波前圖比對後，更能讓我們瞭解兩種方式之差異。且由圖三(a)與圖三(b)所示，模擬之融膠流動與實驗所得之融膠流動相近，所需之充填時間亦相近。證明此短射實驗提供我們瞭解於導光板厚度變化不均之模穴空間流動情形，且可準確的獲得充填所需之計量值。

八、結果與討論
1. 27 組之模擬值與實驗值比較
經27 組模擬與實驗所得之回應值比較，由圖四得知，各組之反應以實驗所得之變動較大，表示收縮量之量測包含量測與環境影響之誤差，而于模擬時，則無法包括這些因素在內，但以兩者之趨勢比較，我們可獲得各參數變動對成品收縮量之影響，同樣具有參考之依據。

2. 模擬與實驗之制程參數最佳化比較
實驗設計時，如果遺漏了影響質量特性極為顯著的控制因數，均會產生再現性不佳的情形[5]，為了避免這種情形發生，必須進行確認實驗。
由圖五、圖六之回應圖可得到反應收縮量為最小的最佳組合是A1,B1,C3,D3,E3,F3。此結果可供我們進行反推算來得到推論值，並與最佳組合之實驗值作比較，得到如表一之數值。此結果顯示，推論與實驗之翹曲量相差13.53%而收縮量相差17.81%，此差距表示模擬與實驗最佳化得到之結果，且依現有製作同樣尺寸之導光板所要求精度為0.05mm 相較，本研究之精度0.0224mm 是可供採用的。

3. 制程參數對產品質量之影響
1)模具溫度
由響應圖可知，模具溫度以33℃對質量之反應較佳， 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，凝固速度快凝固層厚融膠不易流動，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
對射出而言，融膠溫度不宜太高，由回應圖中可獲得其斜率為向下，故以230℃為佳。且在同一充填時間下，高的融膠溫度比低的融膠溫度有較薄的凝固層，相對地的也會增加成品的收縮

(3)充填速度
此參數之回應值，是以11.4cm/sec 之速度為最佳，原因是高的充填速率有助於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膠與模壁間的摩擦熱升高有助於應力的鬆弛。

(4)保壓壓力
經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，故保壓壓力對成品之質量而言，其成型性影響為最大。

(5)保壓時間
適當的保壓時間有助於減少成品之收縮，但太長的保壓時間，則徒增成型周，以實驗與模擬之回應圖來看，保壓時間取10 秒為最佳。

(6)冷卻時間
經分析得到冷卻時間取35 秒為最佳，太短則收縮量較大，對本成品而言，其貢獻度占2.6%，屬影響性較小之因數。
4. 重要制程參數對收縮與翹曲的影響
針對前述田口電腦仿真與實驗所得的最佳制程參數，來進行更詳細的參數研究，以驗證先前所選定的制程參數是否最佳[6]。於每一次的實驗中，僅改變對收縮、翹曲影響具較大貢獻度之單一制程參數，收縮部分只考慮保壓壓力、模具溫度、保壓時間，翹曲部分只考慮保壓壓力、塑膠溫度，其他制程參數則維持在最佳值，用以觀察僅變動單一制程參數對收縮、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 時收縮降至最小，此趨勢符合先前所做ANOVA 分析結果，故保壓壓力對成品成型性影響為最大，但需注意是否有過保壓現象產生。模具溫度與保壓時間分別設在25℃~40℃與4 秒～10 秒之間，雖然此二個參數對收縮影響遠不如保壓壓力來的明顯，但是在成形過程中仍須適當的模溫及保壓時間。模溫足夠，有助於融膠料的充填，避免產生短射；保壓時間足夠，有助於減少產品收縮。

由圖八可知融膠溫度設在210℃～250℃之間，于230℃時有最小翹曲，料溫太高或太低都會使翹曲增加，制程中較高的料溫有利於充填，雖有助於壓力均勻分佈，但不可超出廠商建議值，以防塑膠裂解。保壓壓力設在4.5MPa至7.5MPa 之間，由曲線趨勢得知保壓越大，翹曲越小，產品品質越佳。

由研究結果，我們可以清楚瞭解制程參數於射出成型對導光板質量之影響，其中以保壓壓力與保壓時間兩成型因素影響最大，證明高保壓壓力與保壓時間可降低成品之收縮量與翹曲量另外，對於數值模擬及最佳化分析研究之結果，可供未來公司開發新技術時的參考。

九、參考文獻
1、E.Lindner, and P.Unger, " lnjection Molds 108 Proven Designs"1993,pp6-13
2、陳介聰,精密射出成形模具設計與製作技術,日刊工業社編
3、張永彥,實用塑膠模學具,全華科技圖書股份有限公司
4、張文華,塑膠模具設計製圖實務,全華科技圖書股份有限公司
5、Madhav S. PhadkeAT&Bell Lab.Holmdel,N.J.,穩健設計之質量工程。
6、黃東鴻,2002,「Study on Warpage & Residual Stress of Thin-walled Injection Molding