嵌入成形模組

3D TIMON 的嵌入成形模組可以適用於金屬/塑膠以及塑膠/塑膠等產 品模擬，同樣的，變形的結果除了可以在 3D TIMON 內得到外，也可以將 資料轉出至其他的結構分析軟體進行分析。與一般傳統射出成形模組轉出 資料的最大差異，在於嵌入件的材質會一併帶入結構分析進行計算。

嵌入成形模組的分析結果主要包含兩部分：嵌入件以及整體組立件。

在嵌入件部分，嵌入成形模組可計算當塑料進入模穴時，嵌入件因為塑料 充填而施加於嵌入件上的壓力分布，根據這項資料，可計算嵌入件在充填 時可能發生的翹曲變形。在組立件部分，則是可提供整個產品（包含組立 件與嵌入件）在成形固化後可能發生的翹曲變形量預測。

第五章、實驗結果討論與數值模擬驗證

在第三章中，總共提出了五個不同的改善方案（包括了四種不同的模具 機構改善方案，以及熱處理改善殘留應力方案），相關的實驗細節以及數值 模擬的結果將在本章節進行討論。

5.1 應用均溫板加熱冷卻機構消除結合線

本實驗是根據中華民國新型專利 M295582 『射出成型模具之加熱冷卻 裝置』中的設計式樣開發的模具機構，主要是要測試該模具加熱機構是否 能夠解決結合線問題。實驗總共分為兩部分，第一部分是測試均溫板與加 熱入子組合而成的『加熱機構』之工作效率，第二部分則是測試該機構在 結合線問題的改善。

5.1.1 加熱機構的工作效率

由於機構中的『加熱設備』是由熱源（加熱入子）與均溫板兩者組合 而成，整組加熱設備再安裝於模仁下方。為了確認模具在成形過程中溫度 能夠確實達到要求，在實驗前先以熱傳分析軟體搭配實驗進行數值校正，

以取得加熱機構的工作數據。

另外，為了確認實驗數據的正確性，實驗中同時採用數值模擬採用熱 傳軟體 ICEPAK 來進行模擬分析，實驗採用的均溫板其熱傳導係在不同溫

度下的變化如圖5.1；熱傳實驗部分，則是選用不同厚度的鋼板，在鋼板下 方安裝加熱器及均溫板（均溫板的外觀與均溫板安裝於模仁上的方式如圖 5.2），並且以熱電偶(thermocouples) 記錄鋼板表面之時間-溫度曲線。

熱源為鑲入兩根加熱棒的P20 鋼板，溫控器連接至加熱棒（如圖 5.3），

加熱棒規格為直徑14mm，功率 280 瓦；利用 210mmX90mm（厚度分別為 10mm 與 20mm）的 P20 鋼板來當作模仁，將均溫板固定於鋼板的下方，之 後一同置於熱源上方。

溫控器設定熱源的溫度分別為為110℃與 130℃，實驗共為四組，分別 是10mm/110℃、10mm/130℃、20mm/110℃和 20mm/130℃，由室溫開始加 熱，量側位置如圖5.4。假設射出成型開模頂出時之模穴表面溫度為 65 度，

頂出後加熱機構開始加溫至射出成型充填製程結束中間經過時間為60 秒，

當鋼板加熱至 65 度時，利用熱電偶觀察其鋼板頂部表面在這 60 秒以內的 溫度變化每隔 10 秒鐘記錄一次溫度，觀察 60 秒內模穴中心溫度可由 65℃

上升幾度，每組實驗分別作 5 次，將最高與最低的兩組數據刪除，留下 3 組數據。

由於模仁與均溫板、均溫板與熱源間的接觸熱阻無法得知，故利用實 驗時量測得到的升溫曲線來反推接觸熱阻，利用此反推得到的接觸熱阻，

模擬時帶入不同厚度的模仁觀察其升溫是否與實驗相符合，進行驗證。

圖 5.5 與圖 5.6 分別是未使用均溫板各點與使用均溫板各點的溫度曲

線，圖5.5 顯示未使用均溫板時，模仁上各點其相同時間內溫度明顯差異非 常大，60 秒時的溫度差距可由 O 點的 73.9℃到 C 點的 34.7℃看出其差異值；

而 C 點 D 點的溫度幾乎僅上升至 30~40℃；反觀圖 5.6 中，各點溫度幾乎 相當平均，除了距離中心較遠的 C 點之外，O 點、A 點、B 點、D 點升溫 曲線幾乎是相當接近的，在最後60 秒時也都有達到 80℃左右的溫度，而距 離較遠的C 點也有 67.8℃的溫度，比起未使用均溫板的 C 點只有 34.7℃仍 然高出許多，由這兩張圖比較可以得到，採用均溫板可在一定時間內讓限 定的尺寸範圍內達到平均且較高的溫度。

圖5.7 則是以 ICEPACK 執行模擬分析所得到的結果，分析設定加熱時 間為60 秒，加熱溫度為 130℃，分別取 1 秒、20 秒、40 秒，以及 60 秒等 四個時間點抓取模仁表面溫度分布圖。左側四張圖為未安裝均熱板時模仁 表面的溫度分布變化，右側四張圖則是安裝均熱板後模仁表面的溫度分布 變化。從模擬分析結果可發現，當加熱時間達到20 秒時，安裝均熱板的模 仁表面溫度分布已經明顯比未安裝均熱板之模仁溫度分布來的均勻；當加 熱時間達到60 秒時，安裝均熱板的模仁表面溫度在均熱板範圍下已經達到 100℃以上；而未安裝均熱板的模仁表面溫度僅在加熱器上方能夠達到這樣 的溫度。

　 從實驗結果與數值模擬結果得知，使用均溫板的效能比沒有使用均溫 板的效能高出許多，均溫板確實能夠可以擴大傳熱的範圍與提昇傳熱的效

率，。

5.1.2 均溫板加熱冷卻機構實驗結果檢討

本實驗中的實驗試片的外型分為兩種，一種是標準的拉伸試驗片，主 要目的在於檢查結合線強度在安裝該加熱/冷卻機構後的差異；另一種則是 多圓孔試片，主要目的在於檢視塑件孔洞位置後方結合線的明顯度。

1. 拉伸試片實驗

拉伸試片的外型與拉伸試片的模具圖如圖5.7，進澆方式有四種，分別 為單邊澆口、雙邊澆口、雙邊澆口利用加熱機構加溫和傳統模溫機加溫 75 度四種，其中使用加熱機構加溫又分為熱源110℃與 130℃兩種加熱溫度，

相關射出成型參數如表5.1 所示，完整試片如圖 5.8(a)、(b)。

實驗結果確認在單邊澆口的試片不會有結合線的產生，雙邊澆口的試 片有明顯的結合線產生；使用加熱機構加溫100℃之後的試片，結合線有明 顯改善，但是在光源照射下左右移動視角仍然可以看見有結合線的存在；

將熱源調整至130℃時，結合線的情況大大改善，原本該有結合線的區域，

以肉眼來看已經看不見線的形狀存在，只殘留一點點模糊的狀態。將成形 試片進行拉伸測試，拉伸試驗力量與位移圖如圖 5.10。從結果得知，在模 具加熱狀況下，試片的拉伸應力比未加熱的試片增加 6.8%[63]。主要的原 因，應該在於加熱試片的結合線的位置，融熔塑料的融合區域較大，使得

高分子之間的鏈結力量較強，也使試片的強度增加。

2.多圓孔試片實驗

第二部分實驗試片的規格及模具圖如圖 5.11，試片外觀如圖 5.12，相 關射出成型參數及加熱條件如表5.2 所示。將成形試片的結合線位置切割並 且進行鑲埋，再以SEM 觀察剖面位置。

在未進行加熱的狀況下，塑件成形後的結合線區域如圖 5.13 所示，可 以看到明顯的 V 形缺口；而在加熱機構啟動後，結合線區域之痕跡放大圖 則如圖5.14，從圖中可以發現 V 形缺口幾乎完全消失。從深度上進行量測，

結合線深度可從原始試片的 12μm 減少至 0.5μm[64]。這點與預期的結合相 符合；由於加熱區域的塑料黏度降低，因此流動性較佳，形成的 V 形缺口 會較小，甚至完全消失。

5.1.3 結論

從均溫板加熱機構的試片結果（包含拉伸試片的拉伸應力承受值改善 以及圓孔試片的V 形缺口深度改善），可確認採用均溫板之加熱冷卻機構確 實可改善傳統射出成形製程之結合線缺陷。

5.2 應用模內旋轉機構消除結合線

本實驗主要是測試旋轉體在模具內是否能夠消除結合線痕跡，因此會

體外型，而實驗試片的外型以及旋轉體的安裝位置則如圖5.15。在研究中，

採用了四種不同的材料進行測試，樣品如圖5.16 所示。

另外，為了確認塑料在旋轉體運動下的充填狀況，實驗中還會以數值 模擬軟體FLOW-3D 進行數值驗證。

本研究所設計之旋轉機構安裝於模具內部，模具組立圖如圖 5.17，模 具完成後組裝於實驗機台上之情形如附件一模具完成圖所示。圖 5.18 為模 具安裝於射出成型機上的狀況（本實驗使用機台為震雄的SM-150 射出成型 機）。因為不同的實驗材料有不同的成形條件，列表如表 5.3 所示，不同旋 轉體所形成的試片凹槽如圖5.19。

5.2.1 模內旋轉機構實驗結果檢討

實驗中採用了兩種不同的轉速（25 rad/sec 與 75 rad/sec）進行測試，以 下將針對兩種不同形式的旋轉體（Type1 與 Type2）進行結果說明[65]。

圖5.20 為 Type1 旋轉體在低轉速（25 rad/sec）下結合線的照片圖，可 以發現PMMA 以及 PC 被扭轉的情形相當明顯；ABS 的結合線狀態則是有 明顯因為扭轉而造成結合線的扭曲及斷裂分離的狀態；ASA 則因為本身的 流動性質比較差，所以結合線只有稍微被扭轉，也沒有被扯斷的情形。

圖5.21 則是高轉速（75 rad/sec）下結合線的照片圖。PMMA 以及 PC 結合線的狀態與低轉速的情況相當類似，依然是都有因為旋轉體產生紊流

而形成的流紋線生成，且都是PC 比 PMMA 的情況嚴重； ABS 以及 ASA 的結合線情況與低轉速比較起來被扭轉破壞的情況則是明顯許多，ABS 的 結合線甚至發生結合線被明顯扭曲，甚至發生結合線被扭斷的情形。

5.2.2 旋轉機構數值模擬分析

圖5.22 為利用 Table Curve 3D 計算所得之黏度模型（藍色的點代表黏 度數值）。將取得之參數輸入 FLOW-3D，並且建立相關之分析模型，就能 夠以數值模擬的方式得知塑膠在通過旋轉體時的充填狀況[66]。

圖5.23 則是利用數值模擬軟體 FLOW-3D 針對Type3 旋轉體進行的數 值驗證。數值模擬顯示融熔塑膠在通過旋轉體時，Type3 旋轉體在一開始接 觸塑料時並無法將塑膠高分子流體有效牽引，而是先將塑料甩開；在旋轉

圖5.23 則是利用數值模擬軟體 FLOW-3D 針對Type3 旋轉體進行的數 值驗證。數值模擬顯示融熔塑膠在通過旋轉體時，Type3 旋轉體在一開始接 觸塑料時並無法將塑膠高分子流體有效牽引，而是先將塑料甩開；在旋轉