4-1 模流分析流程介紹
本研究使用Moldex3D 軟體作為主要研究工具，並以產品在射出成形製 程後，內部殘留應力分布與整體翹曲形變作為分析的目標。流程中分成三 大部分進行研究分析：第一部分針對射出成型製程中，各項加工條件參數 如融膠溫度、射出壓力、射出量、射出速率、保壓壓力、保壓時間、鎖模 力、模具溫度等，單獨設定不同的數值，找出各自對於塑膠件在射出成形 製程之後，成品內部殘留應力的影響程度的大小，另一方面則藉由田口實 驗法，找出在複數因子參數改變下對於殘留應力的影響程度大小，並對照 比較兩種方法之間結果的差異。
在第二部分中，除了分析較為簡單的平板模型以外，另外加入較為複 雜的模型，將兩者結果做一對照歸納總結出加工條件的整體影響程度。研 究中，使用實驗室致力開發的機器人 — NCTU-CIDM-F4-2009 （圖4.1）之 足部零件作為較複雜的模型作為對照，該機器人為針對非連續河石地形，
設計輕量化、跨步靈巧所設計而成，為了達到快速動作、高地形適應性與 輕量化的目標，足部之零件選用塑膠材料作為設計重點。由於在機器人運 作中，腳步需承受整體重量與運動時的外力，其強度對於設計上是很重要 的指標，為了達到強度最佳化的目標，本研究從塑膠件的射出成型製程開
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始，觀察加工條件對於零件的殘留應力影響，以期能降低對於往後二次加 工與運作、疲勞破壞上的影響。
[18]
圖 4.1 NCTU-CIDM-F4-2009
第三部分則觀察射出件在射出成形製程之後，翹曲與內部殘留應力之 間的影響與關係，並使用這些結果，嘗試歸納出一個最佳化的流程，有效 同時降低射出成形件在製成後的殘留硬力與翹曲。整體分析流程如圖4.2。
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圖4.2 研究分析流程圖
4-2 模擬分析範例模型簡介
本研究以長101.6 mm、寬 50 mm、厚 3.3 mm 的長方形薄板與長 84.4 mm、
寬25 mm、厚 4 mm 的機器人足部零件作為模擬分析的模型，詳細外型與尺 寸如圖4.2 與 4.3 分析模型的三視圖以及立體視圖所示，而其澆道採用單一 進澆口的方式、水路則為公、母模不同的設計，詳細如圖4.4。
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圖 4.3 薄板模型三視圖及立體視圖
圖4. 4 機械人足部零件三視圖
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圖4.5 分析模型澆道、水路及模具配置圖 (a)薄板模型 (b)機器人足部零件
使用模流分析軟體Moldex3D 中以 CAD 軟體 Rhinoceros 為基礎所建設 的Moldex3D-Mesh 功能模組，能夠幫助使用者針對各式各樣的分析模型手 動打造適合的實體網格，包括澆道、水路以及模具等，也能夠藉由該模組 建立網，本研究的分析系統即利用此一功能建立模型網格。所建立的實體 網格，為了能求得更為精確的分析數值，於澆道口的部份有作細化處理，
如圖4.6 與圖 4.7 所示。
(a) (b)
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圖4. 6 薄板模型網格
圖4.7 機器人足部模型網格
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本研究在射出成型加工參數評估階段，暫以不考慮改變澆道、水路設 計的條件為前提，採用Moldex3D 模流分析軟體，分別改變各個加工條件，
如融膠溫度、射出壓力、射出量、射出速率、保壓壓力、保壓時間、鎖模 力、模具溫度等分別進行模流分析模擬，就個別加工條件對成品殘留應力 的影響程度大小進行觀測與比較評估。
4-3 模流分析的製成參數
在Moldex3D模流分析軟體中，加工參數的設定，提供加工機模式與CAE 模式，使用CAE 模式來進行模流分析，可不用考慮市面上現有機台噸數設 定的限制，依照自訂理想的參數設定執行運算，並部影響加工參數評估的 結果，本研究採用CAE模式進行分析。
本研究使用PS材料進行模擬分析，其材料特性如表4.1、圖4.5所示，詳 細解釋分述如下：
1. 塑料溫度（Melt temperature）：材料進行加工的溫度範圍，若溫度過高，
可能會導致材料發生裂解的現象；溫度過低則材料溶解不完全。
2. 模具溫度（Mold temperature）：一般使用模具溫度的最高及最低限制。
3. 黏度（Viscosity）：材料流體流動阻力的度量。黏度越高，流動阻力越 大，流動越困難，對一般熱塑性塑料，黏度是塑料成分、溫度、壓力及 剪切率的函數。就溫度效應而言，熱塑性塑料的黏度，一般隨溫度升高
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Polymer PS
Grade Name STYRON 666D
Producer DOW
Comment MFI（200,5）=8g/10min,MVR（200,5）=6.6,D=1.04g/cc Process condition
Melt temperature（minimum） 200 ℃ Melt temperature（normal） 220 ℃ Melt temperature（maximum） 240 ℃ Mold temperature（minimum） 25 ℃ Mold temperature（normal） 45 ℃ Mold temperature（maximum） 65 ℃ Ejection temperature 102 ℃ Freeze temperature 122 ℃ Optical property
Un-oriented refractive index 1.59
Flow-induced stress-optical coefficient −5.2 × 10 cm /dyne Thermally-induced stress-optical coefficient 9.2 × 10 cm /dyne
50 Viscoelasticity
G 10 dyne/cm
圖4.8 PS 黏度-剪切率圖
本研究的兩種材料薄板之初步分析的加工條件則如表4.3 所示，射出成 形製程加工條件的特性則分述席如下：
1. 保壓時間：由澆口固化時間決定，當澆口達到固化時就無法繼續保壓。
根據流率圖找出流率為0的時間點，代表射出機無法繼續射出流體，保 壓時間結束。在業界一般會根據經驗估算1.5倍左右的時間來做為實際 射出的保壓時間。
2. 保壓壓力：根據經驗先取射出壓力的60~80％作為參考再由翹曲值和體 積收縮率修正。
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3. 冷卻時間：原則上冷卻時間越長則翹曲值越好但是必須根據現場生產的 效率而定，如果冷卻時間過長，反而會造成成型週期時間過長而使得生 產效率降低，如此一來便不符合經濟效益。
表 4. 2 初步加工條件 射出時間 0.75 s
融膠溫度 240 ℃
模具溫度 52 ℃
射出壓力 221.8 MPa 射出量 25.1697 cc 保壓時間 20 s 保壓壓力 221.8 MPa 冷卻時間 25 s
本研究選用射出時間、融膠溫度、射出壓力、保壓時間、保壓壓力與 冷卻時間作為控制因子，將上列加工條件及材料特性的限制作為基準，將 各參數分成多個等級：
1. 射出時間：
在射出成形製程中，高壓高溫的環境，使的小型塑膠件的充填製程 十分快速。本研究及以初步加工條件的射出時間0.75秒作為基準，以0.25 秒為間隔單位分別取0.25秒、0.5秒、0.75秒、1.0秒、1.25秒等五個等級
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做模擬分析。
2. 融膠溫度：
融膠溫度依據材料的不同會有不同的溫度範圍，這些特性通常由材料 商所提供，本研究所使用的PS材料其融膠溫度範圍在200 ~ 240℃之間，若 低於這個範圍則材料無法完全融熔，溫度較高則容易造成材料裂解、燒焦，
都會大大的將低射出成形製程後成品的品質。本研究以此溫度範圍五等分，
分成200℃、210℃、220℃、230℃、240℃五個等級的融膠溫度。
3. 射出壓力：
射出成形製程的射出壓力主要限制於所使用射出機機台的出力。本研 究分成50、100 MPa、150 MPa、200 MPa、250MPa五種等級。
4. 保壓時間：
保壓時間的決定在業界主要依賴經驗，保壓時間長，成形的品質提高，
但卻會把整體製程時間拉長，故勢必在經濟效益與品質中做一妥協。以初 步的加工條件為基準，本研究取10秒、15秒、20秒、25秒、30秒五種時間 作為因子等級。
5. 保壓壓力：
保壓壓力主要會影響成品的翹曲與縮變，一般來說，保壓壓力高，收 縮會較小，但收縮率範圍會較大，不同的保壓行程，會造成不同的體積收 縮率，所以保壓並不是愈大愈好；保壓不足，體積收縮率會很大，容易產
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生凹陷及縮減尺寸﹐但過大保壓卻也易造成毛邊，以及形成產品翹曲。本 研究亦以初步加工條件的221.8MPa為基礎，200MPa、210MPa、220MPa、
230MPa、240MPa作為因子等級。
6. 冷卻時間：
與保壓時間相同，取決於經濟效益與品質。在Moldex3D模留分析軟體 中，提供參考材料特性、模溫、冷卻水溫等因素，計算出理想的冷卻時間 的功能。本研究取取15秒、20秒、25秒、30秒、35秒五種時間作為因子等 級。
將上述的因子等級分析單項加工條件對於物件成形後，其內部的殘留 應力大小的影響程度。
之後依照田口實驗法，將各項加工參數依造等級製成直交表，並執行 模擬分析，以找出殘留應力在複數條件改變下的影響程度，並觀察在這些 結果中，殘留應力與翹曲是否有些關連。
4-4 光彈條紋模擬精度校正
模流分析軟體Moldex3D所提供的光學模組能夠協助工業上預先模擬光 彈效應，有效快速地預測雙折射，並釐清重要參數，但卻依然與實際實驗 所得到的光彈條紋有著些許誤差，為了將光學模擬分析所得出來的光彈條 紋能夠與現實實驗結果相符，本研究將調整分析程式中的一些計算器參數，
讓分析的環境能夠更接近真實情況，提昇分析結果的準確度。調整的參數
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分別為壓力影響黏度係數D與黏彈參數G。
以一般非牛頓流體而言，在流動時，受外部壓力會使的其黏度有所變 化，在黏度數學式中，壓力影響黏度係數D值敘述了此一特性，當D值愈大 時流體的黏度因而跟著增加。[17]
應力鬆弛時間( Relaxation time)其定義為流體在不受任何外力影響的情 況下，將內部應力釋放一半所需之時間，因此G為黏彈係數與應力釋放係數 的比值，G值上升時，應力釋放係數會相對的減小，材料釋放內部應力所需 的時間減少，換句話說，材料會變得較容易釋放本身內部所殘留的壓力，
因此會造成整體的應力降低並且有均勻分布的趨勢。
D值與G值對於光彈條紋的模擬分析影響分述如下：
1、 受到外在壓力影響，壓力影響黏度係數 D 會改變塑膠件在成形時的整 替射出壓力，而對於進澆口至模穴的壓降亦會造成變化，進而影響光彈 條紋的數量與間隔。
2、 黏彈參數 G 描述著流體黏彈的特性，當 G 值有所改變時，對於塑膠射 出件成品在射出時，剪切應力值的大小與分布都有所影響，因而改變內 部殘留應力的分佈，使光彈條紋呈現不同的樣貌。
一般而言，使用分析軟體時，除了一些前處理的設定參數需要使用者自 行設定以外，計算器的計算參數會直接使用系統的預設值，但為了能讓模
一般而言，使用分析軟體時，除了一些前處理的設定參數需要使用者自 行設定以外，計算器的計算參數會直接使用系統的預設值，但為了能讓模