噴流改善的方法

傳統上解決噴流的現象可以分作三部份來改善 (1) 材料方面:改用流動性佳的流體

(2) 成形條件:提高塑膠溫度、降低射出速度、升高模具溫度

(3) 模具設計方面: 改變澆口位置、改為溢口片式澆口、在澆口附近 設銷、擴大蓄料窩、修理壓扁的噴嘴

圖 2-3、圖 2-4 為傳統上針對澆口設計的方法。圖 2-3 是利用凸 片澆口做緩衝，塑膠先進入凸片，減緩進入模穴之速度，充填模穴時 就能夠避免噴流。圖 2-4 是利用扇形澆口讓塑膠進入模穴時，流動波 前向模壁兩端擴展，進而避免噴流的發生。

由以上對噴流現象的描述，發現說法眾多紛云，大致統整如下：

1. 離開澆口的塑膠，其流動波前並無向模壁兩側發展的趨勢，射料 直達模壁底部，然後塑膠朝原來充填方向反向堆疊，如圖2-5 所示。

2. 和上述相似，離開澆口的塑膠，其流動波前亦無向模壁兩側發展 的趨勢，射料直達模穴底部，不同的是，隨後射料從澆口端向模壁兩 側充填，形成噴泉狀的流動波前，如圖2-6 所示。

3. 離開澆口的塑膠，離開澆口一段距離後，與冷模壁接觸而固化，

造成脫模後的成品表面有痕跡。

上述這些情形，無論是塑膠直接撞到模具底部，或者是塑膠到達 模具深度某個程度時接觸到側模壁，都可以稱作噴流，只是前進距離 長短的不同。

為了明確對噴流及 Normal Filling 之間有個判斷的標準，本論文 自行定義噴流的機制，若離開澆口的射料之流動波前(Melt Front)與側 模壁接觸之前，其體積的長度與寬度的比值在 5 以上，我們就視為噴 流。

預熱 充填

保壓 頂出

圖2- 1 射出成型之步驟

圖2- 2 發生噴流所形成的成形品

Formation of jets of material Jetting on a flat transparent part Jetting due to unsul表 choice of

圖2- 3 Use tab gate to solve jetting

圖2- 4 Use fan gate to solve jetting

Fan gate

圖2- 5 第一種噴流型式

2- 6 第二種噴流型式

圖2- 7 (a) Normal Filling (b) Jetting

Melt Front

Cavity Gate

Cavity

Gate

第三章 數值模擬模流分析簡介

3.1 商用軟體 FLOW-3D 簡介

FLOW-3D 是由美國 Flow Science Inc.所發展的一套軟體，提供使

用者得以從事液體及氣體在流體動力學行為上面的研究，因此可以藉 由不同的物理狀態，諸如熱傳導、凝固現象、表面張力等，來模擬流 體流動的過程。FLOW-3D 的理論基礎在於質量守恆方程式、動量方 程式以及能量不滅方程式等，因此可以使用在絕大部分任何型態的流 動過程。

目前針對射出成型模穴複雜幾何外型的數值解析主要有兩種，一 個是有限元素法(Finite Element)，另一是有限差分法(Finite

Difference)，FLOW-3D 與其它的模流軟體有幾個基本上的差異，它 所採用的數值方法為有限差分法（Finite Difference Method，FDM），

並以一種特別的技巧，稱之為FAVOR 法（Fractional Area/Volume Obstacle Representation），並以FAVOR 法來定義在磚塊元素對實際的 輸入模型在網格中所呈現出的形狀，這兩種方法的結合，除可以使得 網格建立容易、減少記憶體的使用量、計算時間較短外，也可以使得 磚塊元素可以有效的趨近任意實際模型的幾何形狀。

雖然 FLOW-3D 有著如上所述的種種優點，但是它在本質上還是 擺脫不了採用磚塊元素網格以及使用有限差分法上的一些缺點，例如

在定義一個實際上極為複雜的幾何形狀時，就無法非常有效的顯示出 此複雜的幾何形狀，如此一來就會對模擬結果產生了影響，因此通常 需要增加網格的數目來彌補形狀的偏差，然而這卻也增加了運算的時 間。此外，為了能夠得到較佳的精度以及減短計算時間，在切割網格 時也必須儘量做均勻等長度的切割。這是在使用 FLOW-3D 時所必須 注意的兩個事項。

接著再依據使用者所給予的輸入條件，經由 FLOW-3D 的模擬 後，使用者可以得到流體充填模穴的順序、速度場的分佈、壓力場的 分佈、溫度的分佈以及凝固時間曲線等等，使用者可以根據這些資 料，去判斷流道在設計上有什麼缺失，並且加以改正。整個模擬分析 的流程如圖 3-1。

3.2 模流分析理論

3.2.1 理論基礎

一般要對射出成型充填階段作量化的分析，主要建立在兩個大 觀念，一是流體力學(Fluid Dynamics)，另一是熱力學

(Thermodynamics)，所有的計算流體動力學問題，均建立在流體力學 的三個統御方程式，FLOW-3D 亦建立在此三個統御方程式。這三個 方程式所根據的物理意義分別為下列三項：

1. 質量守恆。

2. 動量守恆。

3. 能量方程式(Energy)

FAVOR 是 Fraction Area/Volume Obstacle Representation 的縮寫，

它的概念為定義每一個磚塊元素的六個面能夠被流體通過的比例面

∇•

( )

^{Au = 0} (1)

q = h

(

T −Tm

)

(5)

其中h為熱傳導係數。

2. VOF 法

流體體積法（Volume Of Fraction，VOF）提供了經由固定控容網 格追蹤明顯流體界面的方法，其非常重要的部分為動態準確的建立了

圖 3-1 Simulation Process

Problem

Filling Analysis Thermal Analysis Model Design

Result Output

NO Determine

YES

End

第四章 模擬方法與規劃

本研究主要可分為三部份：第一部分為熟悉軟體的操作及介面，

再來說明黏度模型擬合的過程；第二部份是用軟體驗證過去前人 [17]

所做的實驗。第三部份則探討影響噴流的因子，根據文獻回顧 [20]，

澆口的設計、成形的條件、模具的材質及塑料的性質均是影響甚大的 因子。因此本研究將針對這些因子作討論。圖4-1 為模擬的流程圖:

以下將對模擬的步驟做詳盡的說明:

4.1 軟體操作

圖 4-2 為 FLOW-3D 的操作介面，依照順序由左至右設定。共 可分為Model setup、Simulate、Analyze 及 Display。

1.Model Setup(前處理)

(1) Global 這部份在設定充填的時間或者是充填的比例、定義流體的 數量以及流體是否為可壓縮性。

(2) Physics 為物理性質的設定，這部份並非每一項都要考慮，僅針對 重要的部份去設定即可，如圖 4-3 是將缺陷追蹤、重力、熱傳、固化 及黏度考慮進去。

(3) Fluids 為流體性質的設定，這部份包含了流體的黏度、密度、熱 性質、表面張力及固化後等性質。一般來說如果是模擬鑄造方面，材 料資料庫已經有內建一些合金熔液可供運用。如果流體為非牛頓流 體，黏度這項則較麻煩，必須輸入10 個參數滿足黏度方程式，如圖 4-4。這部份下節有較詳盡的解決方法。

(4) Meshing & Geometry 為模型的建置及網格的配置，如圖 4-5。在 FLOW-3D 裡幾何形狀的建立有 4 種方式，分別為 FLOW-3D 內建模

型、STL 檔格式輸入、I-DEAS 檔案輸入以及 ANSYS 檔案格式輸入。

目前幾乎所有的CAD 軟體都有輸出 stl 檔的功能，為了方便性，本研 究亦採用Solidworks 建立好模型後輸出 stl 檔供 FLOW-3D 使用。

(5) Boundaries 為邊界條件的設定，在 FLOW-3D 裡有 8 種，如圖 4-6。塑膠射出常用到的則有 Wall、Symmetry、Specified velocity、

Specified Pressure 4 種。Wall 代表的是邊界沒有流體通過，且可考慮 熱傳及黏滯力的影響；Symmetry 代表的是邊界上沒有流體通過也沒 有剪應力產生，當模型時對稱時可以此做簡化；Specified velocity 適 用在邊界上有初始速度；Specified Pressure 則適用在邊界上有初始壓 力。射出速度及射出壓力的給定即在此設定。

(6) Initial 為初始條件的設定，如圖 4-7 這部分我們可以給定模具內

初始的條件，如模具內的溫度及壓力。

2. Simulate 為一重要的部份，包含了解析過程中的收斂性及充填過程 中流體的比例，如果初期發現不會收斂或者是流體沒有進入模穴內，

則可能是邊界條件或是初始條件有誤。

3. Analyze & Display (後處理) 在 FLOW-3D 裡可以看 2D 或 3D 的圖 形，例如充填過程中速度的分佈、壓力的分佈、黏度的分佈及應變率 的分佈都可一一輸出提供判讀。如圖 4-8 所示。

4.2 黏度模型的轉換

一般的黏度模型之表示法有5 種 [26]，列於附錄 A。本論文是用 的模型為Carreau Model。

圖4-4 為 FLOW-3D 黏度之選項部份必須輸入的參數，詳細參數的選 擇敘述如下：

1. 如圖 4-9 所示，將 Moldflow 內建之 Cross-WLF 黏度資料。以文字 檔輸出，將其檔案利用Table Curve 3D 內部的指令 ImportSource Data，描述出的三維模型如圖 4-10 所示。

2. Table Curve 裡頭有相當多 Curve Fitting 的方程式可供參考，可是 Carreau Model 之變數繁多，因此我們利用內部的 User Function 自行

建立Carreau Model，並和匯入的黏度模型做 Curve Fitting 的動作，

Curve Fitting 後的結果如圖 4-11 所示。基本上，此部份的 Curve Fitting 除了可用這個好用的程式去擬合外，亦可利用Matlab 來做曲線擬合。

3. 使用 User Function 時由於有過多的未知數，初步在 Curve Fitting 時可先假設一些未知數為零，作簡化的動作能使之後的Curve Fitting 容易些。在這部份我們假設

λ

₀、

λ

₂、n、b、c 都為 0；

μ

_∞=99(剪切

實驗的條件則如表 4-1 所示。

圖4-14 為針對模型-XY 剖面去做模擬的結果，如圖所示，和實 驗的結果相近。不過模擬時也發現一個問題，當我們針對另外一對稱 模型去做模擬時，模擬的結果並不如預期，如圖4-15 所示，這是比 較令人感到奇怪的地方。

4.4 模擬規劃

本研究的對象為一矩形平板，詳細尺寸為 70mm(長) x 20mm(寬) x 5mm(高)，澆口型式為邊緣澆口，使用的材料為 GE 公司生產的 PC LEXAN 141。實驗因子有 4 個:產品肉厚/澆口厚度(Aspect ratio)、澆 口速度(Velocity)、進料溫度(Temperature)、模具表面粗糙度

(Roughness)。

Aspect ratio 有 3 個水準、Velocity 有 4 個水準、Temperature 有 3 個水準，Roughness 有 4 個水準。實驗共有 144 組。詳細實驗規劃如 表4-2 所示。

4.4.1 基本假設

由於塑膠的實際射出過程，是一個非常複雜的高分子熱力與流動 的變化歷程，熔融塑料在充填、保壓、冷卻過程中，經歷了溫度、壓 力與液、固相的變化，及分子結構配向性等改變，有許多的因子會影

響到射出品的結果，所以在分析的過程當中，為了要使求解的方便 性，因此做了以下的一些假設：

1. 塑膠熔融液屬於不可壓縮流。

2. 平板內流動假設雷諾數低於紊流產生的條件，流動為層流，如圖

4-16 所示。流動時呈分層狀，並不互相混合。

μ ρ / dv

R

_e

=

= 慣性力/黏性力 其中

R

e：雷諾數(無次元) ；

d

：穴徑(cm)；

v

：流速(cm/s)；

ρ：密度(g/cm³)；

μ：黏度(g/cm‧s)。

當

R

e小於 2300 時為層流。

3. 塑膠熔融液屬於非牛頓流體，即黏度為剪切率和溫度的函數。

4. 假設模穴皆有良好的排氣設計，充填階段模穴內壓力為一大氣壓。

5.在模穴內只考慮塑膠的存在，不考慮空氣。

4.4.2 材料性質的蒐集

塑膠材料的資料有以下的網站[23,24,25]可供參考，但這些取得

塑膠材料的資料有以下的網站[23,24,25]可供參考，但這些取得

在文檔中 熱塑性塑膠射出成型之噴流現象研究 (頁 33-0)