旋轉機構數值模擬分析

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 後期會發生空穴效應，使得塑料無法完全填滿。即使填滿，空穴的位置填 滿塑料後也會產生明顯的痕跡。

5.2.3 結論

根據實驗及分析結果，發現旋轉機構無法完全消除結合線痕跡；在三 種旋轉體上，僅有Type2 的旋轉體在低轉速（25 rad/sec）下針對 ASA 材料 能夠有讓結合線模糊的效果。

5.3 利用模內沖模消除結合線

模內沖模是另一種消除結合線的方法，本實驗將測試不同的剪斷參數 對於成形後的產品外型影響。實驗總共分為兩部分，第一部分是測試沖模 機構設定參數對於加熱平板的剪斷效果，第二部分則是測試該機構在結合 線問題的改善。

5.3.1 沖模機構的剪斷效果

由於模內沖模製程是在射出成形製程結束後接續執行，因此產品表面 的溫度勢必會受到成形後的模具溫度以及冷卻時間長短所影響。為了了解 高溫平板在沖模機構作動下之剪斷效果，實驗中設計了一組可針對加熱平 板進行剪斷的沖模機構。沖模機構包含了氣壓缸、模具、底座、快速排氣 閥、控溫機、電阻尺與空壓機，如圖 5.24 所示，動力來源為氣壓缸，氣壓 缸規格為缸體內徑200mm、行程 120mm，沖頭直徑為 10mm，模具部份為 上下兩平板夾層，模具上下兩部份可放置加熱棒對放置上方之平板進行加 熱，剪斷速度則以裝設快速排氣閥改變其快慢，圖 5.25 為安裝加熱棒後的 測試模具照片。實驗參數包括了剪斷速度以及材料溫度，量測數值則是剪 斷力。實驗試片則是 3.0mm 肉厚，50X50mm 之方形平板，材料則是分別 採用ABS、PC 以及 PMMA。其測試條件如表 5.4。

沖模機構實驗顯示[67]，上述三種材料的剪斷面在溫度較低或者剪斷速

度越快時，剪斷面的品質會越好（剪斷面的品質好壞以破斷面的比例大小 為依據。當破斷面的比例越低時，表示剪斷面的品質越好），剪斷面越平滑、

完整；而從尺寸上的差異來看，剪斷速度越快、溫度越低可達到尺寸差異 較小的優良效果；圖5.26 及圖 5.27 是 ABS 的剪斷面放大圖以及尺寸量測。

5.3.2 模內沖模機構實驗結果檢討

實驗的第二部分是直接設計一套可安裝於模具內部的模內沖模機構，

模內沖模機構如圖5.28 所示，成形條件如表 5.5。在射出成形機充填/保壓/

冷卻階段，氣壓缸不做運動，此時安裝於孔洞位置的沖頭未凸出，模穴為 一平板。冷卻結束時，氣壓缸作動，沖頭由模具可動側往固定側沖擊，將 孔洞外型沖出；接著模具開啟，成品取出。

模內沖模實驗的試片外型則如圖 5.29，從成形結果中得知，對於材料 ABS 而言，冷卻時間越短有助於減少成品之收縮；從截面完整性考量，沖 壓速度越快以及冷卻時間越長可使截面越平滑。圖5.30 為 ABS 剪斷面之放 大圖。

5.3.3 結論

模內沖模機構能夠將結合線完全消除，沒有塑料上的使用限制；但是 在沖擊速度以及成形條件上必須加以調整，才能適用於各種材料上。

5.4 應用局部加熱機構消除結合線

局部加熱機構是針對嵌入成形製程所開發的模具改良設計，其重點在 於讓嵌入件在塑料充填前能夠加熱至一指定的溫度，藉以改善結合線缺陷

（包括外觀以及強度）。以下將以兩個不同產品，測試局部加熱機構對於嵌 入成形件的結合線改善效果。

5.4.1 潛水用呼吸調節器及現有問題說明

潛水用呼吸調節器（regulator）是SCUBA（Self Contained Underwater Breathing Apparatus）Diving（一般稱為水肺潛水）中一項重要設備[68][69]。

調節器分為兩部份（圖5.31），分別是一級頭（first stage）以及二級頭（second stage）（如圖5.32）。在潛水過程中，氣瓶內的壓力因為氣瓶的持續使用而隨 之下降，一級頭的功用就是將氣瓶壓力（200 atm ~ 20 atm）輸出成穩定的 壓力（9 atm），然後透過氣喉把空氣送到二級頭；此時二級頭會依據潛水員 的吸氣動作，提供環境壓力的空氣供潛水者使用，二級頭也能夠依據不同 的水深，提供等同於水深壓力的空氣，以減少潛水者肺部的負擔。

呼吸調節器必須與高壓管相連接，為了安全以及使用環境上的考量（使 用環境為海水，產品必須考慮到耐腐蝕的要求），這類產品的連接位置是採 用不鏽鋼製成的金屬接頭[70]。

調節器的成形採用嵌入成形製程，成形人員會先以人工的方式將已經

加工完成的金屬接頭放入模具內，再合模射出完成產品。

當產品成形後，品管人員會先以 95 lbf-in 的扭矩進行組裝測試，通過 測試（施力後沒有發生破壞）的產品就可以包裝出貨；不過為了安全上的 要求，某些國外廠商要求進行更高強度的測試；產品必須通過140 lbf-in 的 扭矩測試（如圖5.33），而且沒有發生缺陷（例如扭曲或破壞）後，才能夠 包裝出貨。

而廠商目前發生的問題，是這些通過測試的產品經由空運至美國後，

部分產品卻在結合線的位置發生開裂（如圖5.34）。由於發生破裂的位置固 定在結合線，因此猜測應該是結合線的結合強度不足，在運送過程中產品 因為溫度差異造成殘留應力釋放，而產品就從強度最差的位置發生破裂。

根據之前的研究，調整模具溫度，是改善結合線缺陷的最有效方法；

在尚未修改模具前，成形人員先嘗試以人工方式將嵌入件加熱，放入模具 後進行成形，發現成品的結合線痕跡較為不明顯。根據實驗結果，模具廠 開始對模具進行修改，以測試嵌入件加熱的成形方法是否能夠徹底解決目 前的問題。模具的修改方式則是參考中華民國新型專利M351142。

5.4.2 實驗步驟

為了確認產品的破壞原因，實驗中分為兩部分：在模具進行修改前先 以數值分析軟體進行評估，再修改現有模具，於嵌入件位置安裝加熱機構。

數值模擬分析軟體採用 3D TIMON，分析採用的成形條件與成形材料 如表5.6。圖 5.35 為分析網格圖檔，圖 5.36 則是 3D 充填分析與結合線的形 成圖。從流動波前圖中可以發現，當融熔塑料通過嵌入件位置時，塑料會 合區產生結合線。3D TIMON 以結合線會合角（weld meeting angle）顯示結 合線產生時塑料的會合角度（當會合角度越大，結合線的強度會越強；當 會合角越小，結合線的強度會越弱，一般以135 度為標準，會合角大於 135 度稱為 melt line，會合角小於 135 度稱為 weld line）。與目前產品的破裂位 置比較，可確定結合線的位置就是產品的破壞位置，因此判定產品破裂的 原因很可能是因為結合線區域強度不足，當殘留應力釋放後造成產品局部 發生破裂問題。

在確認結合線的發生位置後，開始進行模具修改。本實驗中的嵌入件

（金屬接頭）採用不鏽鋼（SUS303），呼吸調節器本體則是採用PC/ABS 材 料。實驗將以修改完成的模具進行實際樣品生產。生產過程中對嵌入件設 定了三組不同的溫度，再將新完成的樣品與舊的樣品按照相同的品管測試 條件進行測試，得到製品破壞時的相關參數。呼吸調節器的成形條件如表 5.6，嵌入件加熱溫度如表 5.7。實驗模具安裝於射出機上的照片如圖 5.36~

圖5.39，成形品如圖 5.40。

由於產品並不是在成形後立即出現結合線位置破裂問題，因此實驗中 加上了冷熱循環測試。測試流程如下：

1. 成形後，先以 140lbs-in 的扭矩施加於製品上，通過測試的產品先放至於 室溫16 小時。

2. 16 小時候，產品進行冷熱循環測試。冷熱循環測試時，先將產品放入 80℃

的熱水中 20 分鐘，再將產品放入 0℃的冰水中 20 分鐘，重複上述動作 五次。

3. 將完成冷熱循環測試的產品再以 140 lbs-in 的扭矩測試。

5.4.3 呼吸調節器實驗結果檢討

實驗中採用三組不同的嵌入件溫度，分別是室溫（25℃）、40，以及 90℃；實驗總共需要經過兩次 140lb-ft 扭矩測試，兩次都通過測試（未發生 破裂）的產品才能確認為合格的產品。

為了測試嵌入件溫度對於產品強度的影響，實驗中採用了三組不同的 嵌入件設定溫度，每一組溫度取20 件樣品進行測試，測試結果如表 5.7。

從實驗結果可以得到下列結論：採用室溫的嵌入件，整體良率僅有 30%；將嵌入件加熱至 40℃，雖然在第一輪的扭矩測試中全數通過，但是 在經過冷熱循環測試後，仍然有一半的樣品無法通過扭矩測試，整體良率 僅有50%；將嵌入件加熱至 90℃，則產品可全數通過測試。

實驗結果證明將嵌入件加熱後，的確可大幅改善產品的強度；而該模 具改善機構也證明了可以解決類似的嵌入成形問題。

5.4.4 螺柱試片及現有問題說明

目前市面上的機車（速克達），全車的外觀件可分為四大類，分別是頭 燈、前斜板、左右側板，以及與後尾燈相接的貨架。

由於這些外觀件的組裝必須考量到拆卸問題（因為維修時可能需要拆 下），因此機構工程師在設計組裝時多半採用螺柱。螺柱的優點在於組裝成 本低廉，能夠抵抗一定的震動力，可以承受多次的組裝與拆卸；但是螺柱 設計的最大問題，在於底部與產品外觀相接的位置，往往因為肉厚問題而 發生局部縮水現象，如果產品需要噴漆或電鍍，縮水的現象會更嚴重。

由於這些外觀件的組裝必須考量到拆卸問題（因為維修時可能需要拆 下），因此機構工程師在設計組裝時多半採用螺柱。螺柱的優點在於組裝成 本低廉，能夠抵抗一定的震動力，可以承受多次的組裝與拆卸；但是螺柱 設計的最大問題，在於底部與產品外觀相接的位置，往往因為肉厚問題而 發生局部縮水現象，如果產品需要噴漆或電鍍，縮水的現象會更嚴重。