金屬薄殼與樹脂填充內襯之快速模具製程研究

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

金屬薄殼與樹脂填充內襯之快速模具製程研究

計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC91-2622-E-002-016-CC3 執行期間： 91 年 06 月 01 日至 92 年 05 月 31 日 執行單位： 國立臺灣大學機械工程學系暨研究所 計畫主持人： 廖運炫 報告類型： 完整報告 處理方式： 本計畫為提升產業技術及人才培育研究計畫，不提供公開查詢

中

華

民

國 92 年 8 月 28 日

2

國科會補助提升產業技術及人才培育研究計畫成果精簡報

告

學門領域：生產自動化技術

計畫名稱：金屬薄殼與樹脂填充內襯之快速模具製程研究

計畫編號：

NSC 91－2622－E－002－016－CC3

執行期間：91 年 06 月 01 日至 92 年 05 月 31 日

執行單位：台灣大學

主 持 人：廖運炫 教授

參與學生：

姓 名

年 級

(大學部、碩士 班、博士班)

已發表論文或已申請之專

利

(含大學部專題研究論文、碩博士 論文)

工作內容

李 心

智

博 士 班

快速模具之設計與

系統整合

楊 森

發

碩 士 班

電鑄金屬薄殼並以金屬和樹脂 為內襯之快速模具製程研究

快速模具製程之製

作與測試

合作企業簡介

合作企業名稱：歐燦科技有限公司

計畫聯絡人：柯郭昌

資本額：3,000 千元

產品簡介：模具批發業、軟體資訊、產品設計、機械批發、資訊軟

體等

網址： 電話：(02)89883070

摘要

為因應模具技術的蓬勃發展，改善快速模具製程，本研究採取間接成型快速 模具製作方法，以符合近年來衍生大量客製化(Mass Customerization)之製作時間 短、成本低、彈性大、高產品價值的趨勢。實驗中選擇肥皂盒模具作為製作範例， 首先利用電腦繪製 3D Model， 而 後 接著選 擇 適 當 的 分 模 線 建 立 出 公 、 母 模 模 具 組，以 SOUP 快速原型機器迅速將模型製作，再 以電鑄方式翻製 SOUP 樹脂件得一金屬薄殼並植入不同背材之快速模具，驗證此技術的優越性。研究中 在導電起始層方面使用無電鍍銀的方式，於電鑄模仁的強化背材方面，則採取下 列方式：(1)灌注金屬樹脂、(2)澆鑄鋅合金、(3)熔噴銅，並對此三種植入方式的 背材實際於射出成型機上之應用，進行一系列之比較與探討，更利用逆向工程來 進行變形量之量測比對。由實驗得知，SOUP 樹脂件採無電鍍銀方式可不受空間 限制地完成 3D 尺寸的導體化，且不會產生熱膨脹及吸水膨脹等變形問題。在所 應用的背材中，熔噴銅的導熱性、抗拉強度、硬度、變形量的控制以及與電鑄鎳 層的密合度等方面最好，是最佳的背材選擇，澆鑄鋅合金次之，最後才是選擇灌 注金屬樹脂。電鑄鎳層並植入三種背材的模仁之強度均甚佳，足以應付一般較難 射出的塑料，如 ABS、PC+ABS 等，其於實際射出方面確有其可行性。 關鍵字：（快速模具、電鑄、無電鍍銀、熔噴、逆向工程）

一、人才培育成果說明

本研究之“金屬薄殼與樹脂填充內襯之快速模具”製程技術研發執行過程中是由學 界之台大教授主導，參與人員計有主要及協同教授共計兩名；博士研究生一名，

4 協助業者快速培養優良專業工程師，除能快速培訓模具業界所需人才，同時也能提昇產 業技術水準，使此製程技術更加成熟廣泛增進應用領域，這也是模具業根留台灣的一大 立基。

二、技術研發成果說明

金 屬 薄 殼 與 樹 脂 填 充 內 襯 之 快 速 模 具 製 程 研 究 乃 是 結 合 快 速 原 形 與 電 鑄 （Electrodeposition）製程為基礎，運用間接成型快速模具技術，快速的完成模具之開發。 本製程並以實作肥皂盒模具為範例來驗證整個實用性與可靠性。其相關技術重點所得之 成果分述如下。 (1) 電鑄相關技術建立 a. 導體化技術 SOUP 樹脂件與 ABS 工件均可經由無電鍍銀處理，由於此步驟在室溫下操作且 反應速度極快，不會產生熱膨脹及吸水膨脹等變形問題，可免除一些操作不便和模 型幾何形狀限制。實做中，導體層厚度約為 30 ~ 70 nm 的厚度，對尺寸或是公差之 影響甚小，因此能夠完全符合製程需求。 b. 電鑄技術 實驗中，電鑄鎳層約 4~7mm 厚，耗時約數日，此厚度不僅可以達到射出模具所 需之機械性質且製程時間跟一般加工方式相比也具競爭力。若輔以更佳之電鑄設備 （如陰極擺動式或旋轉式）以及參數最佳化，將更能有效減短電鑄製程時間，也可 避免樹脂原件於電鑄浴時間過長而產生變形的問題。經過模型製作至電鑄後模仁所 累積之誤差，經量測均小於 5%，以肥皂盒模具而言，已經在整體公差範圍內。且實 際獲得模仁之表面粗造度已經非常光亮，不需再經過手動拋光（如圖 2、3 所示）。 (3) 不同背材填充相關技術之建立 研究中共採用(1)灌注金屬樹脂、(2)澆鑄低溫鋅合金、(3) 熔噴銅背材等三種不同填 充背材以作為其模仁內部結構，實驗結果以熔噴銅與電鑄鎳模仁之界面接合的情況最為 理想，且銅為散熱快之模具材質可有效降低 cycle time，減少時間成本，變形量又能有效 降低。除此之外，若要節省成本，射出量又不多的情況下，則低溫合金與金屬樹脂的方 式也可考慮。而植入此三種背材的模仁之強度均甚佳，足以應付一般較難射出的塑料， 如 ABS、PC+ABS 等。

圖 2. 肥皂盒之公模模仁圖 圖 3. 肥皂盒之母模模仁圖 (4) 模具實際射出成果 實際射出成品如下圖，經與 CAD 模型比對後，得知尺寸誤差量均在 2%以內。綜合 以上幾點，證明此製程所得之成品確實能達到預期之要求。 圖 4. 射出成品肥皂盒之正面圖 圖 5. 射出成品肥皂盒之背面圖

三、技術特點說明

本研究“金屬薄殼與樹脂填充內襯之快速模具”之製程技術為一種間接成形快速模 具製程，具結合 Rapid Prototype 快速原型、高速電鑄、共形冷卻流道與不同背材的植入 等特點，其快速模具製程之流程規劃如流程圖所示。計畫中將先利用電腦建立 3D Model 而 後 設 計 模 具 之 公、母 模 型 以 快速原型機器迅速將模型製作，經 導 體 化 處 理 後 再 以 電 鑄 方 式 得 一 金 屬 薄 殼 包 覆 樹 脂 填 充 物 之 快 速 模 具 ， 同時導入具有較佳冷卻 效率的共形冷卻流道以取代傳統模具流道方式，最後植入不同背材以作為其模仁結構。 Model Scaled Model

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其製程中的技術特點為： 1.結合 Rapid Prototype 快速原型： 結合快速原型以提昇效率，省去麻煩之傳統模具使用機製加工法製作需要冗長的加 工參數設定及曠日耗時的模具準備時間。 2.高速電鑄技術之應用: 因電鑄技術具優良的重現性特色，其接觸面之電鑄表面光滑度佳，溝槽部分與模型 件之獨特的特徵也能完全的複製，完整重現原型件表面的加工面，一般模具不可能加工 的複雜形狀或微細形狀也容易製作。 3.導入共形冷卻流道： 可利用銅管(Copper tube)順著模穴之特徵曲面，安裝於公模與母模的背後，作為冷卻 水道之用，對於傳統射出模具的直型冷卻水道而言，可發揮更佳的冷卻效率，進而降低 生產的 cycle time，增進生產效率。 4.選用不同背材的植入： 本製程可因應模仁條件之須求如：強度、散熱性、經濟性等，分別植入不同背材於 電鑄公、母模內，如融噴銅材、低溫合金、金屬樹脂、金屬陶瓷材料等。 5.具有整合性： 本計畫結合傳統之經驗以及現代化之電腦科技與加工技術，從產品構想，到模具設 計、加工等，建立一套完整之模具製作技術，以 CAID/CAD/CAE//CAM 之整合系統加強 模具製作能力。

四、可利用之產業及可開發之產品

模具被稱為工業產品之母，主要是由於其具有快速、重覆性高、大量生產及 價格便宜的優點，所有工業產品莫不依賴模具才得以大量生產。然而傳統鋼模無 法因應近年來國內外市場因環境的快速變遷，產品研發週期降低，產品壽命也持 續縮短，消費者要多樣少量的產品訴求，所衍生大量客製化(Mass Customerization) 的趨勢。有鑑於此本計畫發展之”金屬薄殼與樹脂填充內襯之快速模具”技術，可 有效縮短製作時間、降低成本，且適用於複雜具多微細特徵，正可符合上述需求。 其主要可開發於模具產品如下：

8 l 微細模具產品之發展與製作 此外，其快速模具製作技術有別以往傳統模具製作，不但可拓展模具領域並 應用其產業上，也可整合從產品設計（ID），模具設計、乃至加工製造等相關技 術開發，建立完備快速模具設計軟體系統，如滑塊、突出、凹陷等幾何特徵及共 形冷卻流道系統等。

五 、 推 廣 及 運 用 價 值

現 代 模 具 走 向 功 能 複 雜 化 、 高 精 密 化 、 而 模 具 間 的 人 力 普 遍 面 臨 不 足 必 須 自 動 化、 效 率 化 ， 才 能 繼 續 保 有 競 爭 力 ， 因 此 如 何 以 最 低 的 成 本 大 量 生 產 性 能 優 越、功 能 完 整 的 新 一 代 模 具 製 作 方 式 是 極 為 重 要 的 課 題。因 此，此 計 劃 之 完 成 茲 對 於 產 業 界 之 推 廣 及 其 應 用 價 值 可 分 述 如 下 ： ■具有前瞻性 電鍍金屬薄殼薄殼與樹脂填充內襯之快速模具的加工速度快，適於中小量 之模具製作。 經由此一研究，希望未來能於建立一產品設計及模具設計製造研 發中心，提供國內業者產品設計與模具製作之問題諮詢與新技術開發。 ■ 具有發展潛力 以電鑄技術方式快速披覆 2-5mm 的高導熱度、強度佳的材質，如銅、鎳等， 比傳統鋼模具有更佳的導熱度及相近強度，可應用於微細特徵之模具，因此具有 高度發展潛力。 ■ 具有關鍵性 具有共形冷卻流道系統， 相較傳統鋼模的直形澆道會有較佳的冷卻效果， 更 使 得 澆 道 冷 卻 系 統 能 輕 易 設 計 與 製 作。藉 由 此 一 應 用 性 先 期 研 究 的 實 施 不 僅 提 昇 模 具 製 作 的 效 益，也 促 使 國 內 的 模 具 業 技 術 昇 級，進 而 促 使 模 具 技 術 根 留 台 灣 。 此外，經由此一研究可得更完整而實用的”金屬薄殼與樹脂填充內襯之快速 模具”之新製程技術，能有效整合 RE/CAD/CAE/CAM 之系統，提供業界從產品 構想，模具設計、至加工製造等之問題諮詢與新技術開發，以大幅增進我國模具 工業的製作水準，提升產業競爭力。