研究目的

近幾年電腦設備與科技的進步，使電腦輔助工程已愈來愈重要，不論是 電腦輔助設計、製造，或是電腦輔助模擬技術都日趨完整，本論文將利用

模流分析軟體 Moldex3D 與結構分析軟體 ANSYS 來做論文的研究；因在塑 膠件的產品設計分析上，一般都會容易忽略加工這部分，直接採用設計繪 圖出之模型來做結構分析上的評估，但隨著射出成型的技術進步，許多複 雜外形塑膠件都由射出成型來製造，便在成型這部份是值得注意的，射出 成型雖然可大量生產，且成型週期快，但是成型品品質的好與壞也就只是 在一線之隔，所以希望在結構分析得到預期的強度，就必頇考慮加工成型 所造成的影響，其中包括射出成型過程中塑膠溫度分佈不均勻所造成的殘 留應力、翹曲變形，另外含有玻璃纖維之塑膠材料在充填時因流動方向的 不同而造成不同的纖維排向，都會造成成型品結構上的問題。

本研究將 Moldex3D 軟體的模流分析結果中的纖維排向、翹曲變形、殘 留熱應力，利用 Moldex3D I2 介面，匯入至 ANSYS 做為初始邊界條件，再 進行結構分析與探討，達到模流分析與結構分析的整合，並建立連貫式的 設計流程。希望先由帄板模型來做分析，利用簡單的帄板分析整理出射出 成型加工上的問題對結構件之影響，進而衍伸至複雜的結構件，如塑膠卡 扣連接件與機器人腳部組件，搭配田口實驗法在我們預設參數範圍內，找 到較佳的實驗參數組合，達到精確的結構強度設計。

二、塑膠概論 力如凡德瓦爾力(van der Waals' forces)來結合在一起；在成型程序中，當熱 量和壓力施加到熱塑性塑膠上時，分子間的連結會斷裂，且分子會移動而

圖 2.1 熱塑性塑膠之分子鏈[15]

圖 2.2 熱固性塑膠之交聯[15]

2.2 熱塑性材料的結構分類

熱塑性塑膠材料隨其分子鏈排列情形又可以分成為結晶性(Crystalline) 及不定型或稱非結晶型(Amorphous)。[14]

2.2.1 結晶性塑膠

結晶性聚合物的特徵是其分子有順序的緊密結合在一起，高度組織化的 區域顯示出結晶的性質，分子鏈大部份排列整齊，如圖 2.3，使其機械性質 增加，體積減少，但成型程序中很少達到完全的結晶性，都會包含一些非 結晶區域，而結晶區域的百分比則稱之結晶化程度，通常一般需求上來說 35%~85%較常使用。

在光學性質方面，非結晶塑膠材料因分子鍵結較為緊密，所以折射率大，

通常結晶性塑膠都呈現不透明或半透明。在機械性質方面，結晶性高的塑 膠，排列規則，所以密度較高，可以承受外在的負荷較大，但相對的在低 溫下易脆、不耐衝擊，受到撞擊時應力將沿晶面快速傳遞，所以受力時破 裂。熱性質方面，結晶性高的塑膠在相變化時有較明顯的比容變化，因此 將使其在凝固時產生較大的收縮；在熔化時必頇克服結晶熱，凝固時會有 結晶熱釋出。

結晶性塑膠有明顯的熔點(Tm)，一般需達到 Tm 點時能量才足夠，使整 個結晶瓦解呈現較低黏度現象而流動，如圖 2.4 示。

一些典型的結晶性聚合物包括：尼龍、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚酯 (PET、PBT)、聚硫化亞苯(PS)等。

圖 2.3 結晶性塑膠分子鏈[14]

圖 2.4 結晶性熱塑性塑膠比容積和溫度的關係 2.2.2 非結晶性塑膠

當聚合物分子在冷卻時沒有次序的排列或形成亂排時即形成非結晶性 的結構，如圖 2.5；在凝固過程中沒有晶核及晶粒生長過程，僅是自由的高 分子鏈被凍結(frozen)的現象。以巨觀來看，非結晶塑料沒有明顯的相轉移 溫度，熔化過程為一區域而非固定熔點；非結晶塑膠大部分為透明外觀，

其各方向性質差異不大、物理性質較均勻，其結構上具有較高的伸長性及

可撓性，比結晶性塑膠有較高的撞擊性。[3]

非結晶性塑膠熔融時無明顯熔點，在 Tg 點以上時漸漸軟化呈橡膠態，

達 Tm 時可順利流動，但在熔點時並不會有明線的劇烈變化，如圖 2.6 示。

一些典型的非結晶性聚合物包括：丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、

苯乙烯-丙烯腈共聚物(SAN)、聚氯乙烯(PVC)、聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯 (PS)。

圖 2.5 非結晶性塑膠分子鏈[14]

圖 2.6 非結晶性熱塑性塑膠比容積和溫度的關係

2.3 塑膠強化物

圖 2.7 玻璃纖維之長纖與短纖[13]

玻璃纖維之重要性質列舉如下：[16]

1. 高拉伸強度：玻璃纖維有特異之高拉伸強度，它單位重量所能承受的應 力大小超過許多其他強化纖維，如碳纖維、紡織纖維等。

2. 耐熱及耐火性：因為玻璃纖維是無機化合物，故它不自燃亦不助燃。

3. 耐化學性：對部份化學品，如酸、強鹼、鹽類、油脂類以及有機溶劑等 化學藥品，玻璃纖維有相當優異的耐化學性。

4. 抗濕性：玻璃不吸收水分，它既不膨脹亦不拉長及不分解，玻璃纖維不 會迅速腐壞，在濕的環境下能夠維持機械強度。

5. 熱性質：因玻璃纖維有很低的熱線性膨脹係數，又有高的熱傳導係數，

所以在熱的環境下可表現極優越的功能，如射出成型製程中。

6. 電性：玻璃是非導電性，對於電性絕緣是理想的材料，所製程的產品具 有高介電強度及低介電損失性質。

在塑膠材料添加玻璃纖維的成型重點方面，玻璃纖維含量如果愈多愈不 易成型，若因強度上需要無法改變玻璃纖維含量，一般以升高模溫、升高 塑料溫度、加快射速、提高射壓來提升成型性。另外成型品如有浮纖現象，

可以升高模溫將易浮在表面的纖維下沉，或是提高壓縮壓力將原料緊貼於 模面，減少收縮也有效果。

玻璃纖維塑料在充填時，玻璃纖維大部份都朝向流動方向來排列，少部 份向表層及中心方向流動，故流動方向機械強度較強，如圖 2.8。在成型時 儘量避免對頭熔接，也就是冷接合，如圖 2.9，其抗張強度至少會減少一半。

[14]

圖 2.8 含玻璃纖維塑料強度與流動方向之關係[14]

圖 2.9 對頭熔接之纖維排向[14]

三、模流分析理論介紹

(a)連續方程式(Continuity Equation)：

塑膠材料在加工的過程中雖然會發生相變化，但其質量不變；故質量守

b)運動方程式(Equation of Motion)：

用來描述射出成型加工過程中，壓力與剪切速率的關係，以牛頓運動定 律推導，方程式為：

(3.2) 其中：

P為壓力， 為黏度， 為剪切速率。

(c)能量方程式(Energy Equation)：

描述系統能量轉換間之能量不滅或能量守恆的原則。若以溫度的變化情 形而言，其方程式為：

ŕ (3.3) 其中：

為比熱，T為溫度，k為熱傳導係數。

(d)狀態方程式(Equation of State)：

為描述帄衡狀態下，壓力、溫度、體積（或密度）的關係，其狀態帄衡

(e)本質方程式(Constitutive Equation)： (Fountain Flow)，強化纖維之排向(Fiber Orientation)，及厚度突變區等物理 現象。[17]

3.2 射出成型基本程序

塑膠射出成型程序可分為以下幾個階段：[18]

1. 塑化階段：塑膠固體材料進入射出機台，受熱熔化經由螺桿往前帶動，

在螺桿前端形成熔膠室，目的在於獲得更加均質之塑料，如圖 3.1(a)。

2. 充填階段：熔化之塑料在射出機之螺桿或活塞產生高壓的驅動下，將熔 膠以高速充填模穴並使其填滿模穴各部份，如圖 3.1(b)。

3. 保壓階段：由於熔膠具有彈性且以熔融狀態填滿模穴，在冷凝過程中會 因為比容降低導致體積收縮，為了克服體積收縮之問題，以及依照產品 設計調整成型品重量，充填後螺桿或活塞不會立刻收回，維持模穴內壓 力，等待澆口冷卻凝固後，才回到原來的位置，如圖3.1(c)。

4. 冷卻階段：模具內熔膠受冷卻水路的作用逐漸降溫，必需使成型品之肉 厚中心溫度降低到頂出溫度，以確保有足夠的剛性，如圖 3.1(d)。

5.頂出階段：打開模具，將成型品與模具分離，進行頂出動作，如圖3.1(e)。

圖 3.1 射出成型基本程序[14]

3.3 射出成型塑膠材料之相關性質

塑膠產品在模流分析加工製程中，除了許多加工參數需要去控制之外，

材料的特性也必頇有所了解，在此列出一些重要的塑料物理性質：[3]

(1)比容(Specific Volume)：

比容是密度的倒數，會在加工過程中因為相變化的結果，或隨溫度、壓 力而改變，例如塑料之比容會隨固態或液態而有所不同。一般液態塑料因 為分子鍊活動較為自由，所佔據之體積較大，因此有較大的比容(較小密度)；

而固態的塑料因為分子鍊聚集緊密，因此有較小的比容(較大密度)。此液態 與固態間的比容差異，是造成塑膠射出成型後產生收縮的原因之一。

(2)比熱(Specific Heat)：

比熱定義為欲將單位塑料溫度提高一度所需的能量，是塑料溫度容易改 變與否的度量。比熱愈高塑料溫度愈不易變化，反之亦然。

(3)PVT 關係(PVT Relationship)：

塑料的比容或密度是相狀態、溫度、壓力等的函數，一般而言可利用狀 態方程式(State Equation)加以定量化。ㄧ但模式參數由實驗取得，代入此類 半經驗方程式中即可求得塑料再某一溫度壓力下的比容或密度值。

(4)熱傳導係數(Thermal Conduction)：

塑料熱傳導特性的度量。熱傳導細數愈高，熱傳導效果愈佳，塑料於加 工過程中溫度傾向均勻，較不會因局部熱量堆積而有熱點(Hot Spot)產生。

熱傳導係數及比熱攸關塑料之熱傳、冷卻性質，亦影響到冷卻時間長短。

(5)玻璃轉移溫度(Glass Transition Temperature)

玻璃轉移溫度是指塑料的微觀高分子開始具有大鍊節(Segment)運動的

(7)熔膠指數(Melt Index)

熔融指數又稱熔体指數，通常簡稱為 MI 值，指在一定的荷種(Kg)及溫 度(°C)下，10 分鐘所流出的融膠重量；MI 值越大，表示塑膠的流動性越佳；

反之，則流動性越差。其他像是熔融指數(Melt Flow Index)、熔體指數(Melt Volume Rate)，都是用來定義塑料流動難易性的一項指標。

3.4 Moldex3D 與 Moldex3D I2 介紹 優化塑件結構設計。I2全名為Interfacing function Option，其介面如圖3.1所 示，詳細功能介紹如下：

(1) I2 stress solver

Moldex3D I2支援許多市面上有限元素分析軟體，可以讓模流分析結果 資訊與有限元素軟體連結運算，其包含ANSYS、ABAQUS、MSC-Nastran、

NENastran、LS-DYNA、MARC各大有限元素分析軟體。

(2) Element type

其網格輸出可選擇兩種元素種類，分別為Solid185為一般六面體元素，

其網格輸出可選擇兩種元素種類，分別為Solid185為一般六面體元素，