氣體輔助射出成型氣道設計的電腦輔助分析

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氣體輔助射出成型氣道設計的電腦輔助分析

陳碧森戴昶翔

機械工程系

摘要

本研究乃利用氣體輔助射出成形之電腦分析技術，應用在新產品-塑膠地磚的研發上，來提升產品品質及降低成本。為了得到氣體輔助射出成型製程的氣體和熔膠平衡流動，在進澆口和進氣點位置和數量上，由原本的側面雙點澆口，改為中央進澆和單點氣道進氣。而為了得到理想氣道設計，以獲得最佳的產品品質，在氣道設計上進氣點數量有一點和四點的變更，主氣道直徑尺寸也分別有 6 mm、8 mm、10 mm ，主氣道流動形式有直線和交叉流動等。藉由 Moldex3D 氣輔成型之電腦分析，探討充填時的熔膠流動波前、氣體的橫向滲透和鎖模力，及保壓結束時的壓力分佈、體積收縮、翹曲變形、平坦度，總充填體積和材料重量。經由電腦分析比較，找出氣體輔助射出成型的理想氣道模具設計。關鍵詞：氣體輔助射出成型、氣道、電腦輔助工程分析

壹、前言

塑膠射出成型的技術，在考量產品品質、材料耗費量、設計自由度，和成型週期等種種因素下，不斷的有所改進，也有新的技術產生。而塑膠射出成型技術的演進，也從最初的傳統射出成型，到結構發泡、三明治成型等，一直到現在的氣體輔助射出成型技術。氣體輔助射出成型技術在 1971 年，就已經應用在高跟鞋跟的製作上，並獲得德國專利。近年來，此技術已經普遍應用於汽車零組件、家電、家具產品的應用上，另外在美國三大汽車廠（通用、福特、克萊斯勒）舆日本汽車廠在此技術的應用上，也是很有名。目前的電子資訊產品如筆記型電腦、數位相機、手機等，也運用氣體輔助成型技術，得到薄、小且品質更高的資訊電子產品[1-5]。氣體輔助射出成型技術的原理是將熔融的塑料注入模穴中，在塑料尚未充填完成，短射的情況下，便開始注入氣體，直到塑料填滿整個模穴，然後藉由氣體在內部掏空處均勻的進行保壓，並且同時進行冷卻，接著將氣體排出，最後以塑料封堵缺口，便完成製程；如果氣體是直接由氣針於產品模穴中注入，就不需再使用塑料來封閉缺口。而氣體輔助射出成型技術的優點是可以有效降低射出壓力、減少鎖模力、節省材料、降低成本、改善產品厚尺寸處的凹陷、收縮、翹曲變形、縮短成型週期、提高產品強度等。使用較小的射出成型機台機台設備成本低，但相對的增加氣輔的氣道模具和進氣設備，也增加一些成本。現今塑膠射出成型的產業，為了增加產品品質、提高利潤、縮短生產週期、增加生產力，紛紛引進氣輔技術和設備應用於產品上，不過，在產品製造上，有的時候卻因為某種因素，反而得到不良的產品品質。而造成不良的結果，除了成型條件設定的不恰當之外，有時候不良結果常常是因為產品

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氣道設計不當所造成的，所以對於一個好的氣輔成型產品而言，氣道設計好壞成為相當重要的關鍵。本產品為一塑膠地磚，原本是利用傳統射出成型製程，為增加強度，而增加補強肋設計，但產品因收縮、翹曲變形，造成平坦度和強度不足，而且也浪費材料。因此，由愛富明科技公司，利用氣體輔助射出成型製程，來提升產品品質及降低成本。並由科盛科技公司的 Moldex3D 模流分析技術來設計模具及模流成型過程，以減少將來在實際試模上，嘗試錯誤的時間和成本的浪費。因此，在本文中將利用 CAE 的模流分析技術從氣輔產品的開發過程中，就氣輔成型相對傳統成型的一些優點作比較。另外，在本文中也會就氣道設計作變更如進氣點位置、氣道數量、氣道截面積及氣道流動形式上對產品的影響作分析。並對一些氣輔成型的問題、氣輔成型的成型特性，和氣輔產品在氣道設計上的基本觀念，做進一步的探討。

貳、理論分析

在塑膠具有黏彈特性，其理論模式較一般流體來得複雜，氣輔成型過程是三維瞬間的氣體和熔膠之兩相問題[6]，而 CAE 軟體的分析理論乃是針對薄殼塑膠產品所建立的，並採用中間平面網格及二維的理論模式[7-12]，再配合其他假設來進行 2.5D 的分析。為簡化這複雜的理論數學模式，將之簡化為 Generalized Hele-Shaw Flow，來處理這在不等溫條件下的非彈性非牛頓流體，即 Moldex3D 模流分析中溶融塑膠的流動支配方程式[13]，包括: 質量守恆的連續方程式(Continuity Equation). ( ) ( ) ₌₀ ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ y x u t ρν ρ ρ ₍₁₎ 動量守恆方程式(Momentum Equation) x P z u z ∂ ∂ − ∂ ∂ ∂ ∂ = ( ) 0 η (2) y P z z ∂ ∂ − ∂ ∂ ∂ ∂ = ( ) 0 η ν (3) 能量守恆的方程式 (Energy Equation) 2 ) ( ) ( • + ∂ ∂ ∂ ∂ = ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ _η_γ χ ρ Z T k z y T v T u t T Cp (4) 其中ρ、Cp、k、η分別是熔膠化合物的密度、比熱、熱傳導係數和黏度，在 Hele-Shaw 流動模式 中，速度向量只有 x、y 方向的速度 u、v，而 T、 P、 •

γ

為溫度、壓力和剪應率。在氣相區域，設定為等壓情況，氣體的性質沒有變化。

參、產品研發

由愛富明科技股份有限公司提供的一個傳統成型的負載物件－塑膠地磚，如圖一所示，由於原始設計的產品強度有所不足，所以廠商希望變更設計，在原設計上加上補強肋，來強化產品的結構強度，並利用氣體輔助成型製程來避免凹陷，收縮和翹曲，以改善品質、降低生產成本。廠商希望先藉由 Moldex3D 的分析結果和現象探討，來做為新產品開模上的依據。本案中，廠商已決定使用 PP（聚丙烯）為此產品的塑膠用料。Moldex3D 所有設計之成型條件，如表一所示。圖一地磚照片本案研發步驟如下: 1、試驗模之氣體橫向滲透測試: 首先就利用一個氣輔成型試驗模,模型如圖二

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所示，藉著試驗模上不同厚度的分佈如圖三所示，來測試這產品在不同厚度的氣體橫向滲透的情況，以判斷塑膠地磚產品原始設計的肉厚如圖四所示，是否會造成氣體橫向滲透。圖二試驗模成品照片圖三試驗模肉厚分布圖圖四原始塑膠地磚肉厚分布圖 2、傳統模具變更進澆口位置和數量 傳統模具就進澆口的位置和數量作變更，進澆口位置由原始的側面雙點進澆如圖五所示，改為中間單點進澆的設計如圖六所示。在沒有氣道設計下，利用模擬氣體流動之分析，來觀察塑料流動波前和氣體流動是否平衡。圖五傳統模具側面雙點進澆圖六傳統模具中間進澆 3、氣輔成型之原始氣道設計 為增加結構強度，增加了補強肋，由於氣體容易往產品厚度較厚的補強肋流動，因此我們在氣輔產品設計中，會將其局部加厚（補強肋），就是俗稱的氣道。依據廠商愛富明科技公司所提供的氣道設計便覽來設計如圖七所示，得到此產品最佳的氣道截面面積之範圍值約 7.6~12.6mm 之間。圖七主氣道的截面設計示意圖

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氣道的最初設計如圖八所示，分別利用傳統成型和氣輔成型製程之分析結果進行比較，可以清楚看到氣輔成型優點。圖八氣道原始設計示意圖（一個進氣點，一個進澆口，直線形氣道） 4、氣輔成型之氣道設計變更 進行氣道設計的變更，以得到此產品最理想的氣道設計: （1）進氣點數量：進氣點數量由一點變更為四點進氣，如圖九所示。（2）氣道直徑：主氣道直徑由 8 mm 變更為 10 mm（如圖十所示）和 6 mm（如圖十一所示）。（3）氣道形式分佈：氣道形式由直線形式變更為交叉氣道形式如圖十二所示。（4）縮短氣道長度及大小：移除次氣道，又改變主氣道末端的直徑及長度以次氣道取代，且分別探討一點和四點進氣的情況如圖十三、十四所示，來進行分析，希望從分析結果中得到此產品最理想的氣道設計。圖九氣輔變更設計四點進氣示意圖圖十氣輔主氣道直徑 10mm 肉厚示意圖圖十一氣輔主氣道 6mm 肉厚示意圖圖十二交叉氣道形式設計-肉厚示意圖圖十三取消氣輔的次氣道，主氣道末端長度縮短，直徑為 5 mm；且為單點進氣示意圖

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圖十四氣輔的次氣道取消，主氣道末端長度縮短，直徑為 5 mm；但為四點進氣示意圖

肆、結果與討論

1、試驗模之氣體橫向滲透測試: 從試驗模的流動波前圖中，可以清楚知道這支塑料在主氣道直徑 10 mm 的情況下，在不同厚度之氣體橫向滲透的情形如圖十五所示。從分析結果中我們得知本產品平面厚度在 3.0 mm 以上，才有明顯氣體橫向滲透的不良情況發生。此產品的肉厚在 2.5~2.0 mm 之間。因此，從試驗模分析結果中，我們便可以預測將來此產品在使用這種材料（PP/Novolen1125N/BASF）下，造成氣體橫向滲透的趨勢，應該不至於太嚴重。圖十五（a）電腦分析結果圖（b）電腦分析結果局部放大圖（c）實際產品照片圖 2、傳統模具變更進澆口位置和數量: 從模擬氣體流動分析結果中如圖十六、十七所示，我們可以知道，變更進澆口位置和數量由側面雙點進澆改為中間單點進澆之後，塑料流動波前上下左右對稱，其壓力分佈及收縮、翹曲也將對稱，成品品質提升。圖十六傳統側面進澆-模擬氣體流動分析結果圖十七傳統中間進澆-模擬氣體流動分析結果 3、氣輔成型之原始氣道設計 由分析結果中我們清楚看到，此產品在加上氣道設計，並使用氣體輔助射出成型製程後，不論在鎖模力(如圖十八所示，由 116ton 降為 82.5ton）、保壓壓力（最大值由 36MPa 降為 25MPa）如圖十九所示、產品品質（翹曲位移、平坦度）、總充填體積等，皆獲得了明顯的改善，如表二所示其中 Z 方向翹曲總量由 3.4 mm 降為 3 mm，平坦度由最大的 3.2 mm 降為 2.5 mm，充分突顯出氣輔成型製程上的優勢。但這個原始的氣道設計，仍有些問題的存在，如主氣道末端沒有氣體到達，所以氣道末端的體積收縮率較前端大,如圖二十所示。這些問題都將會對產品有不良的影響。

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圖十八傳統-氣輔鎖模力比較圖圖十九傳統與氣輔成型保壓效果比較圖圖二十氣道最初設計體積收縮率圖 4、氣輔成型之氣道設計變更 （1）進氣點數量的變更：進氣點數量設計由原本的一點改為四點，結果如表二所示，改用四點進氣的設計後，產品品質明顯改善，不論是在翹曲（由 3.0 mm 降為 1.7 mm）或平坦度（由 2.5 mm 降為 1.2 mm），而且在塑料的使用上，也能較原始設計為少（由 195.28 ㏄降為 181.38 ㏄）。但因為要用四個進氣針，設備成本提高。（2）氣道截面面積的變更： a. 主氣道的截面直徑由原本的 8 mm 改為 10 mm；從分析結果的表二可知，此氣道截面面積設計，雖然氣體橫向滲透情況更加改善，但是氣道末端，由於氣體並沒有到達，所以為實心狀態，因此體積收縮情況較嚴重(由表二知，氣道末端體積收縮率約 14.35%；原始氣道設計約為 11.9%)，所以也造成翹曲（由 3.0 mm 增為 4.5 mm）和平坦度（由最大值 2.5 mm 增到 4.3 mm）更差，而且由於截面積的加大，因此在塑料的使用上也更多（由 195.28 ㏄增為 223.73 ㏄）。 b. 氣道截面面積的變更：主氣道的截面直徑由原本的 8 mm 改為 6 mm，從由表二知，此氣道截面面積設計下，產品的翹曲變形（由 3.0 mm 降為 1.1 mm）、平坦度（由 2.5 mm 降為 0.7 mm），都有明顯改善。但是由於氣道截面厚度和主平面的厚度接近，所以主平面氣體橫向滲透的情況顯得嚴重如圖二十一所示。圖二十一氣輔主氣道 6mm 氣體橫向滲透圖（3）氣道分佈的變更： a. 主平面主氣道的分佈形式由原本的直線形式，改為交叉形式，由表二可知，因為氣體仍無法到達氣道末端，所以末端實心部分比原始氣道設計 8 mm 來的更多，所以末端翹曲變得更嚴重，由 3.0 mm 增至 5.9 mm），間接也影響到產品的平坦度，由原本的 2.5mm 增至 6.0mm，(由表二知，氣道末端體積收縮率約 14.24% ；原始氣道設計約為

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11.9%)，而且在此設計中氣體由進氣點進入後先分叉，然後又相交，造成塑料在氣道中滯留的問題產生如圖二十二所示，另外在塑料的使用量上也更多（由 195.28 ㏄增為 240.16 ㏄）。圖二十二交叉氣道形式－塑料滯留問題圖 b. 主氣道末端直徑變小由 8 mm 改為 5 mm，且移除產品末端的次氣道，由體積收縮率圖中（如圖二十三所示），可以清楚看到氣道末端的體積收縮率獲得了改善(氣道末端體積收縮率約 6.2%；原始氣道設計約為 11.9%)，另外因為取消了次氣道，且主氣道直徑末端縮小，從表二知，此設計在塑料的使用下也比較少，由 195.28 ㏄減少為 178.36 ㏄。圖二十三氣輔次氣道取消，單點進氣，且主氣道直徑末端縮小之體積收縮率圖 c. 將四點進氣之氣道設計的主氣道末端直徑縮小，移去產品末端次氣道的四點進氣之氣道設計，由體積收縮率圖（如圖二十四所示）可以清楚看到氣道末端的體積收縮率獲得了改善。(氣道末端體積收縮率約 4.1%；原始氣道設計約為 11.9%)，另外從分析結果中由表二可知，此設計在塑料的使用下也比較少，由 195.28 ㏄降為 175.86 ㏄。圖二十四氣輔次氣道取消，四點進氣，且主氣道直徑末端縮小之體積收縮率圖

陸、結論

1.本產品在選用 PP 材料，其平面厚度在 3.0 mm 以上，才有明顯氣體橫向滲透的不良情況發生。 2.側面雙點進澆改為中間單點進澆，壓力分布及後續的收縮，翹曲變得對稱，成品品質提升。 3.比較傳統成型和氣輔成型，加上補強肋之原始設計，在使用氣輔成型後，鎖模力、產品品質（翹曲位移、平坦度、體積收縮率）、耗材(總充填體積和重量)等，皆獲得了明顯的改善。 4.氣輔成型的氣道設計上，進氣點的數量由原本的一點改為四點，產品品質明顯改善，不論在翹曲或平坦度，而且可以改善氣體無法到達氣道末端的情況，在塑料的使用上也較原始設計為少。 5.氣輔成型的氣道直徑設計，a.主氣道截面直徑較原始設計大，主平面的氣體橫向滲透情況雖改善，但氣體並沒有到達氣道末端，體積收縮情況較嚴重。b.主氣道的截面直徑較原始設計小，產品的翹

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曲變形、平坦度，都有明顯的改善。但是主平面氣體橫向滲透的情況，變的更嚴重。 6.氣輔成型的氣道設計，主平面的主氣道分布形式，由原本的直線形式改為交叉形式，氣體無法到達氣道末端，末端實心部分變的更多，故末端收縮、翹曲和平坦度皆差，故在氣道形式上，則以直線優於交叉流動。 7.氣道分布變更，移去產品末端的次氣道，主氣道末端直徑變小由 8mm 改為 5mm；a.單點進氣的氣道設計，氣道末端的體積收縮率獲得改善，且塑料的使用量也較少。b.四點進氣的氣道設計，氣道末端的體積收縮率獲得改善，塑料使用上比單點進氣還少。 8.氣輔設計上，各個氣道不能相交，每個氣針最好有獨立的氣道，且氣道直徑不要舆平面厚度太接近，以免容易有氣體橫向滲透情況。表一. 成型條件總表設計類型及編號充填時間（sec）塑料溫度（℃）模具溫度（℃）保壓時間（sec）保壓壓力（MPa）氣體時間（sec）氣體壓力（MPa）氣體切換（％）流率（㏄ /s）傳統側面進澆 3.42 210 35 10 50 無無無 50 傳統中間進澆 3.25 210 35 10 50 無無無 50 1.傳統成型原始氣道設計－（單點進氣，直線形，8mm） 3.453 210 35 10 36 無無無 62 2.氣輔原始氣道設計（單點進氣，直線形，8mm） 3.453 210 35 10 壓力由氣體提供 12 25 65 62 3.四點進氣（8mm） 3.34 210 35 10 同上 12 25 85 62 4.氣道截面 10mm） 3.87 210 35 10 同上 12 25 65 62 5.氣道截面（6mm） 3.15 210 35 10 同上 12 25 75 62 6.交叉氣道（8mm） 4.01 210 35 10 同上 12 25 60 62 7. 主氣道末端直徑縮小為 5mm，取消次氣道，單點進氣 3.22 210 35 10 同上 12 25 65 62 8. 主氣道末端直徑縮小為 5mm，取消次氣道，四點進氣 3.15 210 35 10 同上 12 25 90 62

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表二. 傳統成型與氣輔成型氣道設計的分析結果總表編號 1 2 3 4 5 6 7 8 設計類型傳統成型原始直線氣道設計（8mm）原始直線氣道設計（8mm）四點進氣（8mm）氣道截面（10mm）氣道截面（6mm）交叉氣道（8mm）主氣道末端直徑縮小為 5mm，取消次氣道，單點進氣主氣道末端直徑縮小為 5mm，取消次氣道，四點進氣翹曲 Z 方向（mm） _{-2.6~0.8 -2.5~0.5 -1.4~0.3 -3.8~0.7 -0.9~0.2 -4.8~1.1 -2.4~0.5 -1.7~0.4} 翹曲範圍（mm） _{3.4 3.0 1.7 4.5 1.1 5.9 2.9 2.1} 平坦度（mm） -0.01~3.2 -0.01~2.5 -0.1~1.2 -0.1~4.3 -0.01~0.7 -0.1~6.0 -0.1~2.9 0.0~2.2 保壓結束氣道末端體積收縮率（％） 12.08(補強肋) 11.9 7.3 14.35 6.05 14.24 6.2 4.1 總充填體積（㏄） _{215.93 195.28 181.38 223.73 169.13 240.16 178.36 175.86} 重量（g） 196.50 _{177.70 165.06 203.59 153.91 218.55 162.31 160.03}

參考文獻

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－CAE 實戰應用於問題剖析》（1995-2005）

Analysis of Gas-Channel in Gas-Assisted Injection Molding with

Computer-Aided Engineering

Bih-Sen Chen Chang-Xiang Dai

Department of Mechanical Engineering

Abstract

The computational analysis which is employed to create and develop a new plastic floor product in the present study, can increase the quality of the product and reduce total cost.

For the filling equilibrium of melt and gas during the gas-assisted injection molding process, the position and number of melt gate and gas pin are changed from two side gate to one center gate and gas pin. For the achievement of optimal product quality, the design of the number of gas channel entrance is included one point and four point. The diameter of the domain gas channel is included 6 mm., 8 mm. and 10 mm., and the type of main gas channel is straight line and cross type, respectively. In terms of the computation analysis from Moldex3D gas-assisted injection molding, the result items contain melt front distribution, gas transverse penetration, packing pressure distribution, clamp force, volume shrinkage, warpage and deformation, flatness, total filling volume as well as material weight. Based upon the computational comparison, the optimal gas channel design of gas-assisted injection molding can be developed.

From the computational analysis, the mold design parameter of four points for the diameter of main gas channel being 8 mm. which is better than one point gas channel can let the gas reach the end of gas channel and reduce the total plastic weight. Further, for the design of one gas channel with 8 mm. diameter, the quality including warpage deformation and flatness is most optimal. Furthermore, for the type of gas channel, the straight flow line is better than cross flow line, due to the small solid plastic at the end of gas channel, small volume shrinkage, warpage deformation, and stable gas flow.

氣體輔助射出成型氣道設計的電腦輔助分析