第一章 緒論
1-1 研究背景
在現代社會中，塑膠產品被廣泛應用於軍事、商業、工業以及日常生 活用品中，如通訊設備、電腦相關產品、汽機車、生醫晶片、醫療器具等 物品中塑膠產品都是其重要的外觀或是結構件。近年來，隨著塑膠材料品 質的不斷改良與新種類的持續開發，塑膠材料更加廣泛應用在高精度機械 裝置或其零件方面，其材料用塑膠製成者不勝枚舉，且需求有日益增加之 勢。因為光學工業及光電產業的興盛，光學元件儼然已成為目前光學產品 及光電系統中不可或缺的關鍵零組件，從低精度的眼鏡鏡片、高精度的光 碟機讀取頭（Pickup Lens）、雷射印表機及傳真機光學系統、照相手機、
數位相機之鏡頭組，及LCD螢幕背光模組之導光板等，都是目前最受矚目 的應用產品。而在量產規模迅速擴張的需求下，採用光學級塑膠取代傳統 玻璃成為上述各項產品的開發趨勢。在各種工業製程方法中，射出成型製 程擁有生產快速與自動化的優點，在現今也是製作塑膠產品上應用最廣泛 的製程之一。雖然射出成型製程在生產上具有一定的優勢，但是在產品造 型、模具結構，甚至是機台調整以及製造成本考量的限制下，塑膠產品的 外觀缺陷，一般成型件表面常見的缺陷有短射、表面流痕、內有氣孔、翹 曲變形、收縮不均、毛邊等；因此成型後得以補救或補強的方法需要依靠 人工挑選、毛邊刮除、塑件整形等後加工方式、均需耗費相當大的人工成
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本與加工時間。製程中對產品所造成的翹曲（Warpage）、收縮（Shrinkage）、
凹陷（Sink Mark）和殘留應力（Residual Stress）等現象會嚴重影響產品外 觀、品質、精度、成品強度以及光學性質，這些問題仍然是目前在產品開 發或生產產品過程中必須花費大量時間、金錢及技術的困難。
1-2 文獻回顧
1998年K.M.B.Jansen等人[1]系統性的分析參數對PC、PS、ABS、HIPS、
PBT 1505、PBT 3235、HDPE等七種熱塑性塑膠材料在射出成形製程中的收 縮影響，研究提出保壓壓力與塑料溫度對上述材料均有相同趨勢且較大影 響，而射出速率與模溫影響較小且無一致性。
學者Choi和Im[2]，於1999年運用射出成型技術，以模擬分析的方式來 預測非結晶材料於保壓與冷卻階段之收縮、翹曲及殘留應力，其分析的材 料為PS以及ABS兩種材料。其所探討之加工條件為保壓壓力、射出速度、
模溫、融膠溫度等，並經由溫度曲線與殘留應力計算，證明其結果是以塑 料溫度與保壓壓力對其收縮、翹曲及殘留應力影響最為重要。分析結果中，
所得到的收縮、翹曲的數值對於設計的流程的過程是有所助益，然而殘留 應力的預測卻還有一定程度的誤差。
2001年，由Ming-Chih Huang 等人[3]提到，市面上通訊和電子產品一直 朝向輕薄短小的設定發展，所以具有薄殼外型的元件需求日漸增加，因此
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利用塑膠射出薄殼特徵產品的技術也就日漸重要。該研究利用田口式實驗 計畫法找到射出成型條件，並利用模流分析軟體C-MOLD模擬射出成型過 程。結果顯示保壓壓力（Packing Pressure）對於翹曲具有極大的影響，保壓 壓力對收縮也有很大的效果，保壓壓力高會導致產品較低的收縮率。接著 是模具溫度（Mold Temperature）、塑料溫度（Melt Temperature）和保壓時 間（Packing Time）。然而薄殼射出成型的翹曲也受到澆口尺寸和充填時間 些微的影響。在相同的保壓壓力下，澆口較小會得到較穩定的收縮率。根 據實驗設計（Design of Experiment, DOE）結果得知利用品質工程方法得到 的最佳因子組合並未符合最佳結果，表示各因子之間存在交互作用
（Interaction）。
Lu等人[4]探討製程參數對PC光學鏡片表面輪廓誤差及殘留應力之影 響。論文中以雷射干涉儀量測射出鏡片的曲率半徑，將鏡片與模仁曲率半 徑的差異作為實驗翹曲的回應值，而殘留應力的量測則採用光彈儀設備。
實驗結果顯示，模具溫度是影響鏡片表面輪廓最顯著的因子，保壓壓力則 最不顯著，若在保壓階段採二段式的保壓，則輪廓誤差較低。而射出速度 對殘留應力的大小影響並不顯著，但射出速度的改變則會對鏡片表面的應 力分佈產生影響。
2002年黃東鴻[5]探討薄殼見射出件在不同的融膠溫度、模具溫度、保壓 壓力和射出速度的製程參數下，利用田口實驗設計法，比較模擬和實際製
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程對翹曲結果的影響。其實驗結果顯示出，升高融膠溫度及保壓壓力有助 於減少翹曲變形，數據顯示保壓壓力是最具影響力的因子。實驗數據也顯 示著減少保壓壓力，升高模具溫度與融膠溫度，皆可以減少殘留應力，其 中溫度對殘留應力影響最為顯著。
2006年Tuncay Erzurumlu等人[6]利用田口最佳化方法找出最小翹曲
（Minimization of Warpage）和凹痕指標（Sink Index）的成型參數。成型參 數有模溫、料溫、保壓壓力此外還有肋的形狀和肋的角度。選擇的高分子 材料為PC/ABS、POM和PA66。田口法被使用在模流分析中具有三個水準的 因子設計，使用直交表、信號雜訊比（signal-to-nosie ratio,S/N）和變異數分 析找到最佳水準和成型參數對翹曲和凹痕指標的影響。
1-3 研究動機
影響塑件射出成型的因素，可分三大類，分別為塑膠材料的選擇、成 型條件的選定與模具的設計。以往塑膠材料的選擇是依據產品目的作為依 據，將各種塑料的材料經過多次實驗並將其特性記錄下來成為資料庫，再 依據產品使用的場合、發揮的功能及需要的外觀來決定選擇哪種材料。因 此大部分都必須要根據過去的經驗來做為主要的選擇方法，一旦塑料是過 去未曾使用過或是含有玻纖或其他不同成份、特性時，就必須再度重新分 析材料特性加以實驗才能得知此塑料是否適用。模具的設計，主要依靠的
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是師徒經驗相承，以及個人耗費生產成本的無數次試模所累積下來經驗，
因此對新開發之產品，經常需要經過多次現場試模與修模的試誤程序（Trial and Error），才完成模具設計，解決成型件之缺陷。而成型製造過程，則分 為入料階段、充填階段、保壓階段、壓縮階段、冷卻階段、脫模階段等；
有很多製程參數需要正確控制，這些控制參數往往彼此之間又有交互作用 互相影響，以經驗傳承及試誤程序來選定各項製程參數，純粹以實作試驗 法則，不但效率低，也浪費經費。
在現今高度商業化的社會中，為了經濟的考量，射出成型製程都盡量 縮短成形之時間，因此在塑膠熔膠快速冷卻條件下，容易產生外觀缺陷如 收縮、翹曲變形以及殘留應力等等問題，由於翹曲、收縮、凹陷等現象明 顯的影響產品的外觀、品質、精度及成品強度，因此在過去文獻中以及現 今業界上，大部分都以上述的變形現象作為最佳化的設定目標，對於殘留 應力的研究與探討僅限於各式加工參數的影響程度，然而殘留影力的存在，
也確實影響成品的外觀尺寸變形及翹曲、環境應力破壞、使用或二次加工 的強度以及光學塑膠件的光學性質，因此殘留應力對於射出成形製程的品 質上，也有一定程度以上的影響力。本研究即針對改善塑膠製品射出成型 過程所產生之殘留應力進行探討，希望能從塑件射出成型的模流分析，結 合電腦輔助工程（CAE），有效的整合出塑膠射出成型製程中最佳化的參 數組合，有效率地改進產業的競爭性。
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1-4 研究目的
本論文主要是應用CAE分析軟體Moldex3D模流分析，選擇、探討各種 製程參數對塑膠射出成型之殘留應力的影響。利用軟體將模型建立、流道 設計、網格建立、射出條件設定模擬分析流程。初步在相同模具及冷卻水 路設計、單一進澆口位置下，以不同的成型射出條件使用CAE軟體進行模 流分析，模擬塑料在模具內充填、保壓、冷卻等射出成型過程後的產品內 部應力分佈情形，並且以軟體的光學模組，模擬出光彈條紋現象輔助觀察 分析，配合田口實驗計畫法尋找各項成型加工條件對於成品內部殘留應力 的分佈狀況、數值大小之影響力進行研究，並探討殘留應力與翹曲之間的 相關性質。
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