2-1 簡介
隨著塑膠工業的迅速發展以及塑膠製品在航空、航太、電子、機 械、船舶和汽車等工業部門的推廣應用，消費者對產品的要求越來越 高。傳統的模具設計方法已無法符合產品更新和品質的需求。電腦輔 助工程(Computer Aided Engineering,CAE)技術已成為塑膠產品開 發、模具設計及產品加工中這些薄弱環節的最有效的途徑。模流分析 為運用電腦輔助方式求解，藉由理論模式的解析，分析改變塑料材料 參數（即改變塑料）、機械設計參數（螺桿設計、模具設計方式）及 加工參數（不同加工條件）對塑料熱力歷程的影響，以評估這些製程 變數與產品品質的關係。此技術最大的優點是透過電腦輔助分析可以 重覆「試模」。因此在提高生產率、確保產品品質，節省試模次數及 時間、降低成本及人工等方面，都具有優越性。
傳統上，2.5D 模流分析技術是利用所建立的模型中間面進行模 流分析，即以平面流動來模擬三維實體流動，此技術發展至今已相當 成熟，但在實際上，射出成型融膠為三維實體流動，其中特別是幾何 形狀複雜之塑件、厚塑件及一些精密塑膠件上，3D 模流分析技術採 用三維實體模型與 3D 流動熱傳分析理論，將傳統 2.5D 模流分析技術 所無法考量的實際狀況列入分析，如重力效應、慣性效應、噴泉效應 等。因此可真實的呈現射出成型過程中的充填、保壓、冷卻及脫模時 塑件的翹曲過程，並且可精確預測在各製程結束間融膠流動狀況、溫
度、壓力、剪切應力、體積收縮量等變量的分佈情形。
一般射出成型其步驟為：塑料加熱熔融→高壓射入模穴→冷卻固 化→脫模，即充填(Filling)、保壓(Packing)及冷卻(Cooling)三階 段。
充填階段：高分子塑料融熔後，藉由射膠螺桿的推動將塑料自料管流 經射噴嘴、澆道、澆口而進入模穴充填整個空間，完成充 填程序。
保壓階段：在塑料已充滿模穴的狀態下，持續保持高壓以補充因冷卻 而造成塑料的體積收縮，讓塑件更加緻密，並確保模穴完 全填滿。
冷卻階段：保壓階段結束後，靜待模穴內的塑件持續冷卻到模具溫度
（低於玻璃轉換溫度），避免脫模時塑件固化強度不夠而 產生變形。
2-2 射出成型的理論背景
射出成型理論模式應當包括
1.高分子加工，包含三大守恆定律：
a. 質量守恆定律－連續方程式
－確保塑料在加工過程中質量守恆。
b. 動量守恆定律－動量方程式
－建立塑料加工過程中受力變形流動的關係。
c. 能量守恆定律－能量方程式
－建立塑料加工過程中能量變化及轉換的關係。
2.物性資料庫：含熱物性質及流變學性質兩大類
a. 熱力性質－描述塑料在加工過程中各種熱力學性質的 化，PVT 及相變化的關係等。包括 PVT 方程 式及狀態方程式。
b. 流變學性質－須能描述塑料在加工過程中受力，變形流 動過程的行為，包括本質方程式或流變學 方程式。
3.高分子微觀巨構－巨觀性質關係
各類分子參數對巨觀性質的影響及效應。
4.其他設計參數
－機械設計幾何參數
－成型加工條件
目前商業化的模流分析軟體之射出成型程序大致包括四部份（1）
充填階段、（2）保壓階段（3）冷卻固化階段（4）收縮、翹曲之變形 預測。
2-2-1 充填階段統御方程式
在充填過程中將融熔膠體是為不可壓縮流體，且融熔狀態視為一 般牛頓流體，因此，非等溫 3D 流動模式可以數學方式描述如下：
一、連續方程式
q v
縮性，此時連續方程式 ∇ ⋅
V=
0已不適用，可由材料及模幾何形狀
理及電腦數值模擬計算的相關知識，以最先進的三維實體模流分析技 術，提供設計人員事先預測及驗證設計的可行性，減少現場實際試誤 的成本與時程浪費，優化產品設計與製造，縮短產品上市時程，更能 生產優質塑件，最大化產品利潤。
目前 Moldex 3D 針對不同的分析需求，提供 Moldex 3D/Solid，
Moldex 3D/Shell，Moldex 3D/eDesign 及 Moldex 3D/Mesh 等四個主 要分析工作模組；本研究以 Moldex 3D/Mesh 及 Moldex 3D/Solid 分析工作模組為主要工具。其重要功能如下：
2-3-1 Moldex 3D/Mesh
網格模組 Rhino 是一套架構在 Moldex 3D 上的網格產生軟體與編 修工具，此強而有力的工具不但大幅降低分析者模型網格化的人 工時間，並且同步提高網格品質。此外，Moldex3D-Mesh 配有指定 物件屬性之工具包，不論是在計算流力分析、熱分析、應力分析 上都有良好的應用，可滿足射出成型模擬使用者之需求。
2-3-2 Moldex 3D/Solid 1. Solid-Flow
可完整模擬射出成型中塑料的充填過程，藉由真實三維分析技術，
正確分析融膠行為，可預測縫合線、包封位置，並提供射出壓力、
鎖模力、機器噸數、流道系統與進澆口位置等資訊。
2. Solid-Pack
可預測保壓階段的鎖模力、體積收縮率、澆口固化時間、溫度分佈、
壓力分佈、剪切應力大小等資訊。
3. Solid-Cool
能預測塑件、流道、冷卻水路、嵌件等溫度。並精確地分析模溫、
優化水路系統配置效能及冷卻時間分析。
4. Solid-Warp
預測產品在脫模完成後可能產生的外觀翹曲變形，並詳細剖析收縮 與翹曲成因，以防止其發生，並提供塑料非等向性分析、殘留應力 分析等資訊。
2-4 模流分析步驟
由於本研究將採 Moldex 3D/Solid 為實體模擬。因此，本實驗在 進行電腦模擬分析之前，先以 Rhinoceros 軟體繪出導光板外型三維 結構的模型。
接著在 Rhinoceros 內建之 Moldex 3D/Mesh 網格處理模組(科盛 科技開發)內依序設定導光板模具的澆口(Sprue)，流道(Runner)，澆 口(Gate)，導光板模穴(Cavity Part)，冷卻管路(Cooling Channel)，
冷卻管路進出口(Coolant Entrance)及模座(Mold Base)等各部份的 網格大小、幾何尺寸及節點的條件設定。完成後，再將網格模型輸入 Moldex 3D 內分析。
Moldex 3D 提供一個與 Microsoft 作業系統相容的標準作業介
面，其操作流程如下：
1. 建立新的專案，輸入專案名稱，指定工作目錄位置，在編輯框中 可輸入公司、分析者及專案備註資料。
2. 匯 入 網 格 (Mesh) 資 料 ， 開 啟 由 Rhinoceros 所 建 立 之 網 格 檔 (*.msh)。
3. 選擇加工材料，可由 Moldex 3D 材料庫中選取或自定材料庫，並 將所選擇之材料加入專案中，本實驗所選擇的材料為奇美 PMMA(聚 甲基丙烯酸甲酯)CM-207，表 2-1[15]及圖 2-1分別為其物性表及
P-V-T 圖。
4. 設定加工條件，選擇模具後可自動地得到模穴的體積，而加工精 靈根據模穴的體積建議所需的螺桿行程，避免螺桿行程設定錯 誤。同時塑膠材料選定後可自動的得到料溫、模溫及頂出溫度，
並顯示出適當的溫度設定範圍。其次是射出機噸數、螺桿直徑、
螺桿行程、流率、最大射壓…等資料的設定。
5. 完成模具的選定、塑料的選擇、射出機台的設定後，Moldex 3D 加工條件精靈即會自動地產生模流分析所需要的加工條件，並確 認欲執行的項目。
6. 執行模流分析選項以進行分析，此時資料分析歷程中會顯示相關 資訊，如射出壓力、已充填百分比、CPU 運算時間等。
7. 觀看分析結果，此實驗分析的項目包括：充填、保壓、冷卻、翹 曲的模擬，如觀看充填或保壓融膠波前的流動狀態，冷卻後包封
(Air Trap)、結合線(Welding)等位置，各方向的收縮及翹曲分佈 等。
表 2-1 PMMA CM-207 物性表(奇美實業)
特性 測試方法 單位 CM-207
引張強度 ASTM D638 Kg/cm2 680 延伸率 ASTM D638 % 5.0 彎曲強度 ASTM D790 Kg/cm2 1000 全光透光率 ASTM D1003 % 92
衝擊強度 ASTM D256 Kg-cm/cm 2.0 流動係數 ASTM D1238 g/10min 8.0 硬度 ASTM D785 M Scale 85 比重 ASTM D792 - 1.19 軟化點 ASTM D1525 ℃ 105 熱變形溫度 ASTM D648 ℃ 92
燃燒率 UL 94 - 1/16”HB
圖 2-1 奇美 PMMA CM-207 塑料之 P-V-T 圖