射出成型应用于导光板之制程研究2004-9-23吴政宪*、苏义豊、吴世民、林忠志大叶大学机械与自动化工程研究所塑料工业技术发展中心一、中文摘要现代塑料成品加工所需求的是多样变化、精密度高、成型周期短等特性，为了达到这些特性，对于各制程参数控制实具有决定性的关键。

因此本研究主要目的是运用CA E模拟与田口实验的方法，以射出成型方式针对导光板制程参数作研究。

在传统射出成型之模具设计上，多以凭借着经验丰富的技师来设计，但因加工技术与成品少量多样的需求，若只由经验传承与试误法作模具修补，所需之时间与成本实为现阶段之发展所不能负荷，因此在研究上，我们运用模拟辅助作模流分析，以获得较佳之模具设计，降低设计成本。

且经由研究中，我们获得各参数对成品质量之影响，同时也能经由分析达到最佳之质量控制，在相关的研究与业界对射出成型技术上具有相当程度之贡献。

二、简介本研究主要是运用射出成型方式，对导光板之制程参数作研究。

其研究方法是以田口实验的方法，同时对C-Mold之模拟与实验作比较，并求得最佳反应质量之制程参数。

其研究主题包括二方面:(1)田口规划部分将27 组之直交组合分别以仿真与实验的方法进行比较，了解模拟与实验结果之差异; 并在模拟与实验两种方式下获得最佳参数组合，并探讨各成型参数对成品品质之影响。

(2)模具设计与短射实验部分以C-Mold 来辅助模具设计;并利用短射实验比较模拟与实验两方法之注塑流动情形。

研究结果显示，影响成品质量最重要的因素是保压压力，其次是保压时间，在考虑适当水平配置及排除其因子间之交互作用直交配置下实验，我们可获得25ìm 以下之收缩量与翘曲量，对成品之质量而言，此研究确实具有贡献。

三、研究方法1. 应用田口法的步骤(1)先选择影响成品相关之制程参数，并决定适当之水平(2)选取L27 之直交表(3)对直交表所列之各组以C-Mold 进行模拟(4)对直交表所列之各组以射出机进行实验(5)进行27 组之模拟值与实验值比较(6)进行因子效果计算绘制响应图，选择最佳之参数组合(7)进行ANOVA 分析，获得各参数对成品质量反应之贡献度，同时依响应之最佳组合推定其最佳理论值(8)依最佳理论值作确认实验(9)对模拟与实验所得到之最佳理论值与最佳组合之实验值分别进行比较。

(10)分析结果四、实验设备本研究实验设备主要包含射出机、模具、量测设备和压力撷取系统四大部分，如图一所示。

以下分别作介绍:1.射出机:如图一(a)所示为本实验向塑料技术发展中心所借用之TOSHIBA IS-220GN 射出成型机，此系统行程320mm～260mm 螺杆直径为50mm，制程控制有射出速度、保压压力、射出行程、压缩单元、冷却时间等。

2.模具系统:如图一(b)所示，本模具兼具射出与射压功能[1]，且依实验压力量测之需求，设计成两具镜面加工之模仁，并于模仁中设置冷却水道，且为求得完整之成品表面，故以整具模仁为顶料设计。

3.量测系统:图一(c)所示，为CNC 铣床(精度0.1靘)、杠杆量表(精度0.2靘)与自制特殊夹具配合之量测系统，在量测的规划上为了防止成品因夹持之作用而致影响量测，故特别设计此付夹具。

另外在量测取点上，我们以平均几何形状之方式，坐标值共取48 点，再将得到之数据经坐标曲面软件(矩阵形式之坐标转换)以最小平方面之原理，来获得正向、负向与平方面间之差距，即我们所求之翘曲量。

五、实验材料与量测条件1.实验材料:本实验所选用塑料材料是日本进口聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA 俗称压克力) 材料，其特性为非结晶树脂材料，具有无色透明的光学特性与良好之热加工性。

2.量测条件:(1)于射出件外表呈稳定状态后，再持续进行射出50 件，这时才开始采用量测用射出件，并考虑射出件之周期性，因此以奇数编号为量测成品之取样。

(2)成品射出后置放1 星期。

(3)温度保持在20℃-25℃之间。

六、模具设计本模具设计，考虑到导光板之导光侧与厚度变化不均之限制条件，为了取得证明，于是在思考上，我们以等体积之原理来联想其最佳之充填位置为设计要件如图二(a)。

一般对于板件之浇口设计，都会采用薄板浇口[2] [3]，主要是为了获得较均匀之充填，以减少翘曲之产生。

浇口宽度约为6.4 至25%之模穴侧边长度。

而本模具之浇口尺寸设计是以宽13.1mm、16 mm、20 mm 三种尺寸，入口厚度2mm 及1.5mm 两种尺寸来进行仿真，结果显示2mm 入口厚度及宽度20mm 对流动所造成之收缩翘曲为最小。

冷却水道设计主要是模具成形空间表面的温度分布，因水管的大小、配置、水温差异而改变，但若其模温变化在6.6℃(52.65℃~69.25℃)温度差在某一成形条件上也许充分，但残留之内部应力，对尺寸精度高的成形品，可能造成成形应变[4]。

本研究分析结果如图二(b)所示，经模拟得到A型设计收缩0.3613 mm、B 型设计收缩0.3609 mm、C型设计收缩0.3281 mm，显然以C 型的水道排放方式所得之收缩量为最小，故选择C 型之设计。

七、射出成型之短射实验短射实验主要是确定实验中之融胶充填量，减少因过渡充填所造成的能量浪费与徒增之成型时间。

另外我们可从每段时间之充填计量所得之短射成品如图三(c)，了解到融胶流动之波前情形，尤其经由模拟与实验之波前图比对后，更能让我们了解两种方式之差异。

且由图三(a)与图三(b)所示，模拟之融胶流动与实验所得之融胶流动相近，所需之充填时间亦相近。

证明此短射实验提供我们了解于导光板厚度变化不均之模穴空间流动情形，且可准确的获得充填所需之计量值。

八、结果与讨论1. 27 组之模拟值与实验值比较经27 组模拟与实验所得之回应值比较，由图四得知，各组之反应以实验所得之变动较大，表示收缩量之量测包含量测与环境影响之误差，而于模拟时，则无法包括这些因素在内，但以两者之趋势比较，我们可获得各参数变动对成品收缩量之影响，同样具有参考之依据。

2. 模拟与实验之制程参数最佳化比较实验设计时，如果遗漏了影响质量特性极为显著的控制因子，均会产生再现性不佳的情形[5]，为了避免这种情形发生，必须进行确认实验。

由图五、图六之响应图可得到反应收缩量为最小的最佳组合是A1,B1,C3,D3,E3,F3。

此结果可供我们进行反推算来得到推论值，并与最佳组合之实验值作比较，得到如表一之数值。

此结果显示，推论与实验之翘曲量相差13.53%而收缩量相差17.81%，此差距表示模拟与实验最佳化得到之结果，且依现有制作同样尺寸之导光板所要求精度为0.05mm 相较，本研究之精度0.0224mm 是可供采用的。

3. 制程参数对产品质量之影响(1)模具温度由响应图可知，模具温度以33℃对质量之反应较佳，而模具温度过低或过高均不理想，原因是融胶在模具温度低时，凝固速度快凝固层厚融胶不易流动，而融胶在模具温度45℃则收缩大，尺寸精度亦不佳。

(2)融胶温度对射出而言，融胶温度不宜太高，由回应图中可获得其斜率为向下，故以230℃为佳。

且在同一充填时间下，高的融胶温度比低的融胶温度有较薄的凝固层，相对地的也会增加成品的收缩(3)充填速度此参数之响应值，是以11.4c m/sec 之速度为最佳，原因是高的充填速率有助于增加充填阶段的表面剪切率，换言之，充填速率的提升使得融胶与模壁间的摩擦热升高有助于应力的松弛。

(4)保压压力经ANOVA 之分析，愈大的保压压力有愈好的几何成型性。

由图五可看出此曲线的斜率随着保压压力增加而加，故保压压力对成品之质量而言，其成型性影响为最大。

(5)保压时间适当的保压时间有助于减少成品之收缩，但太长的保压时间，则徒增成型周，以实验与模拟之回应图来看，保压时间取10 秒为最佳。

(6)冷却时间经分析得到冷却时间取35 秒为最佳，太短则收缩量较大，对本成品而言，其贡献度占2.6%，属影响性较小之因子。

4. 重要制程参数对收缩与翘曲的影响针对前述田口计算机仿真与实验所得的最佳制程参数，来进行更详细的参数研究，以验证先前所选定的制程参数是否最佳[6]。

于每一次的实验中，仅改变对收缩、翘曲影响具较大贡献度之单一制程参数，收缩部分只考虑保压压力、模具温度、保压时间，翘曲部分只考虑保压压力、塑料温度，其它制程参数则维持在最佳值，用以观察仅变动单一制程参数对收缩、翘曲的影响。

由图七可知保压压力在4.5MPa 至7.5MPa 之间，于7.5MPa 时收缩降至最小，此趋势符合先前所做A NOVA 分析结果，故保压压力对成品成型性影响为最大，但需注意是否有过保压现象产生。

模具温度与保压时间分别设在25℃~40℃与4 秒～10 秒之间，虽然此二个参数对收缩影响远不如保压压力来的明显，但是在成形过程中仍须适当的模温及保压时间。

模温足够，有助于融胶料的充填，避免产生短射；保压时间足够，有助于减少产品收缩。

由图八可知融胶温度设在210℃～250℃之间，于230℃时有最小翘曲，料温太高或太低都会使翘曲增加，制程中较高的料温有利于充填，虽有助于压力均匀分布，但不可超出厂商建议值，以防塑料裂解。

保压压力设在4.5MPa至7.5MPa 之间，由曲线趋势得知保压越大，翘曲越小，产品品质越佳。

由研究结果，我们可以清楚了解制程参数于射出成型对导光板质量之影响，其中以保压压力与保压时间两成型因素影响最大，证明高保压压力与保压时间可降低成品之收缩量与翘曲量。

另外，对于数值模拟及最佳化分析研究之结果，可供未来公司开发新技术时的参考。

九、参考文献1、E.Lindner, and P.Unger, " lnjection Molds 108 P r oven Designs"1993,pp6-132、陈介聪,精密射出成形模具设计与制作技术,日刊工业社编3、张永彦,实用塑料模学具,全华科技图书股份有限公司4、张文华,塑料模具设计制图实务,全华科技图书股份有限公司5、Madhav S. PhadkeAT&Bell Lab.Holmdel,N.J.,稳健设计之质量工程。

6、黄东鸿,2002,「S tudy on Warpage & Residual Stress of Thin-w alled Injection Molding。