第一章 緒論

第一章 緒論

1.1 前言

資訊產品設計與製造科技的日新月異，好的產品不斷的被推陳出新，許多『可攜式 消費性的電子產品』，帶給消費者(使用者)更多輕巧性、多功能性、可提昇工作效率的 產品設計，消費性資訊產品除了設計多樣化，亦提昇產品的功能，在設計上也朝向輕、

薄、短、小來發展。

產品的設計上，材料的選用逐漸以塑膠材料 (如 ABS、( ABS + PC)、( ABS + PC 混合玻纖)、或其他塑膠工程材料等來取代其他材料。塑膠材料的比重為 0.95 ~1.20 間，

遠比如鐵(比重為 7.9)、鋁(比重為 2.8)等所有結構用金屬材料小，具有質輕、高製造 性、永不生鏽、強度大、具吸震性、價廉、與製造取得方便等諸多優點。由於具有可回 收性，故在其產品設計、製造工程、環保上具有實質的需要，其材料應用的廣泛，是其 他材料無法相抗衡的。因此塑膠材料在 3C（電腦、通訊、消費性電子）產品的機殼，或 汽機車非結構件材料上是最佳選擇用料，也應用最多，尤其是應用於筆記型電腦、手機、

PDA、MP3、LCD 的面板等機殼上，逐漸取代金屬、玻璃、木材等，成為『民生工業，國 防工業的重要材料』，更顯示出精密塑膠成型的重要性[1]。

產業界生產塑膠成品的方法，以射出成型為最主要；成型件具有尺寸精確、外觀品 質優良、不需額外做加工，如補土、噴漆、烤漆、電鍍等的後加工處理；因具有低成本、

高生產率及品質穩定等優勢，並可 24 小時全天候可大量生產的優點；因此塑膠射出成 型件的需求量與日激增，成為工業界非常重要的材料。

1.2 文獻回顧

近年來許多專家、學者們，在對產品開發設計時，均提到目前有關電子與通訊產品 的研發均朝向輕、薄、短、小的設計，為能達到產品內部最大的包覆與組裝的空間設計，

就必需縮小尺寸、降低產品零件整體的厚度，或使用特殊與複合材料來做成型；因此射 出成型的生產技術與薄殼成型技術品質，是變得更加重要，因此與本論文有關的文獻研 究加以分析說明。

(1) 有關射出成型加工研究

於 1995 年，[2] J.Fassett 指出，利用在塑膠射出成型設備、模具設計與製造加工 以及塑膠材料等三方面的選擇，找出如何將製程做改善，才能獲得劣化程度降至最低、

製品內部的殘留應力為最小、產品的外觀面為最優且最良好，並且能縮短(減)射出成型 產品生產製程週期，來提高成型品之生產效率的方法。

在 1995 年，[3] 由 Boitout 等人，建立一個二維幾何模型來計算射出成型的殘留 應力，在於分析熔融塑料的壓力和模具變形對殘留應力分佈的影響，其非晶質聚合物被 考慮成為熱彈性，等向性和分子均勻性等；假設彈性行為允許聚合物和模具可黏附接 觸，需精確分析熔融塑料的壓力變化，尤其是在澆口凝固後，其壓力不再是由射出機提 供時，要將模具變形也一起列入計算。經分析後發現兩個曾被忽略的重要的現象為：(a) 模具的變形，對澆口塑料凝固後，模穴內液態塑料的壓力過程和殘留應力有很大的影 響。(b)導致非晶質聚合物的殘留應力，最為重要影響為凝固時壓力；在充填和保壓時，

液態塑料存在的應力可以補償成固態時的應力，並且可分為保壓應力和熱應力等兩種。

到了 1997 年，[4] 由 L.W. Seow 等人提出，應用塑膠材料的模具和產品(零件設計)，

對射出成型來說是一個非常複雜的過程，對於生產一個零件產品的生產結構考慮，須包 括：生產成本、製程速度，人因工程學與美學等，當設計一個產品時必需要考慮模具生 產的品質，塑料充填進入一個零件模穴時，其過程必需平衡的被充填，這牽涉控制塑膠 在充填階段的流動，如此塑料進入模具的充填過程是相同的時間，這是過去調整每一剖 面厚度與繁雜的生產過程的一大考驗， 在這文獻中，描述使用一種方法、稱做那個厚 度的整體設計，能被自動的找出一個最優化程度，這是使用厚度需求到平衡這個模具的 模穴的方式，應用用電腦與模流分析 Moldflow 商業軟體來相互搭配，使用這個方法以 取得數個基本幾何模型的結果，來找到較優化的製程條件。

而 1998 年，[5] 由 Jansen et al.等人研究提出，有系統的改變保壓壓力、射膠速 度、模具溫度和熔膠溫度來量測七種熱塑性聚合物，包括了(PC、PS、ABS、HIPS、、PBT、

HDPE 與 PBT-GF30)的收縮數據，結果發現塑膠的熔膠溫度與保壓壓力等，對射出成型品 的收縮影響最大，而模具溫度與射膠速度等，對其射出成型品的收縮影響並不大；因此，

可以找出塑膠射出成型與成型製程條件間的相互影響關係。

於 2001 年，[6] 由 Ming-Chih Huang 等人提出，產品外殼經過塑膠射出成型加工，

其形成的品質缺陷的成因有許多，如充填不良、翹曲、變形、收縮、模痕、內應力等，

為解決上述成型不良問題，在搜尋時應用田口式實驗設計法來找出射出成型的條件，使 用模流分析 C-MOLD 商用軟體來模擬射出成型的過程，這兩種射出成型條件與製程因子 的種類，是決定了較薄殼產品翹曲、變形的程度，而這些缺陷的成因是顯示過去成型製 做過程中，依仍存有過大的保壓壓力的存在，因而產品的內部積存許多的壓力，並形成 內部應力於其中；這射出成型製程是依照模具溫度、熔膠溫度、保壓時間等來進行設定，

無論如何薄殼產品發生翹曲、變形的程度，過去只有細微的灌點尺寸與保壓時間在薄殼 的射出成型模具中，但為節省許多成本與找尋製程相關條件的時間，應用田口式實驗設 計法去找出射出成型的優化的條件，是一個相當有效率的方法，因而可以獲得設定最優

的製程條件因子，並找出與得到產品成型後的最小翹曲、變形品質。

於2005年，[7] 由 N.R. Subramanian 等人提出，射出成型製造過程的模擬與最優 化的方法，這是應用模型到改進製程的穩定狀況與達到產品精確度的要求度，在細小微 細階段的精度，應用在一透明 CD 塑膠外殼為結構考量，這最優的方法為機構的組成與 使用複合的方式，將射出成型模型品降至最小的翹曲、變形，並在射出成型製造過程中 應用翹曲、變形分析模擬，並應用在這 CD 透明外殼上，並將改變產品結構的設計與製 程條件的選擇與控制，如肋的厚度、澆口位置、製程條件的改變，來找出最優的製程方 法。

(2) 有關數值模擬方面研究

於 1995 年，[8] 由 Willian E.等人提出，利用快速原模型是依照產品規格用最快 速、最短時間將塑膠產品推到市場中是最重要的，這應用了電腦技術來做 3D 的 CAD 實 體的模型與模擬，本文獻中描述 CAD 的技術如何應用於射出成型模具與製程條件的選 用，連繫選擇性，準備好生產相關事務，比較使用傳統模式的製造方法到新模具的技術 研發應用上的差異。

在 1996 年，[9] 由 W. F. Zoerelie 等人，應用線性黏彈構成方程式的模擬與實驗 來比較 PS 與 ABS 的結果，模擬的結果顯示在保壓狀態時，射出件表面的抗張應力會增 加，此抗張應力是由模穴內的高壓環境所造成，黏彈的模擬會比實驗更好，因其能對殘 留應力的產生、性質能清楚的理解。

到了 1998 年，[10] 由 P. Tantakom 等人提出，目前在數值模擬方面，大多數的研 究都是利用套裝軟體來進行模擬與分析，其文獻中提出採用控制模具溫度的方法，使得 傳統射出機能進行單一模穴之薄壁射出成型製造與實驗，其應用實驗材料則是使用三種 單體的聚合物( ABS ，丙烯睛、丁二烯和苯乙烯等)與( PC，聚碳酸酯樹脂)等，利用數 據擷取系統來獲得模穴內壓力和溫度曲線，並分析製程參數對成型品重量的影響，並且 利用 C-MOLD 來進行模擬實驗，並將數據與實驗的結果來作為比較。

(3)有關成型翹曲、變形方面研究

於西元 1991 年，[11] 由 T.Matsuoka 等人提出，對有關翹曲的研究採用模擬與實 驗的整合分析方法，包括模具的冷卻方法、模具的冷卻、塑膠(聚合物)的充填、保壓、

冷卻過程、分子配向、材料性質、與應力分析等；此方法可由上、下表面之間的溫差和 溫度分佈，來預測翹曲，流動產生的剪應力、收縮和由分子配向性造成的非等向性的機 械性質進行完整的模擬。但其結果顯示針對四個肋的強化聚丙烯的成品收縮，並且證實 增加射出保壓壓力，其整個平面上的收縮會在 0.6%~0.1% 變化，在成品上厚度的收縮大

約 1%~10% 之間；由此可以知道，射出成型的保壓時間只在小於澆口固化時間才會影響 成品收縮，若沒在保壓狀態時擠入更多的塑料，則在成品流動方向的收縮會增加，影響 整個射出成品的品質狀況。

在 1998 年，[12] 由 Kabanemi et al 等人研究，對於較複雜形狀的薄件而言，採 用數值模擬何時來驗證的方法，應用黏彈力的寬鬆體積模型，配合薄殼理論的有限元素 法，來預測每一分層的殘留應力的殘留應力和變形，極像一個三維空間計算，經實驗後 證實與數值模擬非常接近。其所謂薄殼成型技術，指的是在適用較少的材料下，而能使 薄殼成型品具有比傳統成型品相同，甚至更強大的功能，此一技術約從 1992~1993 年左 右，才開始蓬勃的被應用後而被發展出來。

有關塑膠射出成型的壓力與成型後產品零件的翹曲、變形量的大小，有著許多相互 間的關係，如成型製程條件的安排與設定，共包括了：塑膠材料、熔膠溫度、射出壓力、

保壓壓力、模具溫度等，都是極適合去做分析與研究的課題，故本論文研究參照本成型 相關文獻內容，找出一個適合進行研究的步驟、程序、方法來完成產品零件的翹曲、變 形問題的研究分析，並利用田口實驗設計法來進行實驗數據的取得，並深入分析探討找 出最優製程條件，來解決產品零件的翹曲、變形間相互數據關係，來進行具有許多學術 及產業應用上的核心技術價值的研究。

1.3 研究目的與動機

射出成型的過程是由成型機將塑料以高溫加熱熔融，並經高壓射入於模具中，待完 全充滿於模穴中，經由保壓來完成充填作業，然後經模具冷卻及脫模，完成塑膠成品的 製造。但在成型時常造成無法完全有效充填於模穴中，造成產品的品質不良；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[13]；均需 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本與加工 時間。由於產品外殼設計逐漸的由厚變薄及內部結構設計微小尺寸的運用，所以產品常 造成翹曲(Warpage)、收縮(Shrinkage)、凹陷(Sink mark)和殘留應力(Residual stress) 等現象更為相對的明顯，嚴重的影響產品外觀的品質、精度及成品外觀；因此，有關薄 形外殼射出成型技術更具重要。

影響塑件射出成型的因素，可分兩大類為成型條件的選定與模具的設計。以往模具 的設計，主要依靠的是師徒經驗相承，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。而成型製造過程裏，分別在入料階段、

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，這些控制參數往往又互相影響，以經驗傳承及試誤程序來選定，純粹以實做試驗法

則，不但效率低，也浪費經費。

在日新月異的成型技術發展精進下，利用以往師徒經驗傳承的方式，已經無法滿足 目前工業界對產品的品質、速度、精確性的要求；產品開發時若能從射出成型製造條件 的觀點，充分利用資訊以確認設計結構、模具設計開發、模具製造加工等，將可降低生 產成本及增進產品的品質。因此，成型模具開模前，應進行成型模具的模擬[14]，經由 模流分析驗證，以掌握產品設計時可能產生之品質缺陷，與發覺射出成型的可被製造性 的問題，並運用參數設計的方法，找出一最優製程參數水準組合，降低系統對各種雜訊 之敏感度，以提昇產品穩定性。然而現今產業界對於塑膠件的射出成型模擬研究，並未 完全有效的利用與應用；因此本論文希望能從塑件射出成型的模流分析、模擬的技術、

結合電腦輔助工程(CAE)[15]，有效的整合塑膠射出成型產品的設計、結構強度的驗證、

模具的澆道與塑膠流道的設計、以及製程參數組合的優化成一貫作業、有效率地改進產 業的競爭性。

1.4 研究的方法

科技不斷的進步現今塑膠產品，在射出成型的零組件應用，特別在 3C 產品上非常 注重產品外觀，與表面品質，對成型件的品質要求相對提高。因此，國內外廠商(如科 盛)、專家(如楊文禮、蔡銘宏等人)、學者(如張榮語、洪榮哲等人)，皆已爭相投入射 出成型的研究生產及應用[16]，目前大都以流動理論為基礎、數值分析(有限差分法及 有限元素法)的方法，來建構塑膠射出成型製程的模流分析軟體，引進電腦輔助工程(CAE) 分析的技術，以縮短產品開發時程來提昇研發產品的品質，及降低生產成本的問題[17]。

隨著電腦輔助工程 CAE (Computer–Aided Engineer)分析技術進步，為提昇產業的 競爭力，及減少現場實際試誤的成本與時程浪費，使業者邁向更快速及更精密生產流 程，幫助與引導使用者在最短時間內學會，操作 CAE 模流分析軟體，並且熟悉指令操 作，並可依照模流分析，進行產品設計，開模前模擬與測試，以達到效果事半功倍[18]。

然而當射出成型產品尺寸小且精密度高時，其產品不良率也可能隨之昇高，此時更需要 利用 CAE 模流分析，來提昇產品良率及可靠度。

當熔膠在模具的微小流道流動時，熔膠的流道分析變得更為重要；本論文的研究擬 以理論及數值模擬分析來進行探討熔膠在模具充填過程中，如何受塑膠射出成型操作條 件與模具(流道)設計參數的影響，並進行多維綜合優化。在利用 CAE 模流分析技術，

選定模具、塑膠材料、射出機台後，就可自動的轉換成 CAE 分析，所需要的加工條件 參數，因此使得現場實務與模擬分析，可達到同步化的設計目的[19]。

日本田口玄一博士曾提出一種實驗設計法(Taguchi Methods)[20]，能以較少的實

驗次數，快速得到最優化的塑件射出成型製程參數的組合。因此本研究擬結合 CAE 電腦 輔助工程應用的『Moldex3D 模流分析』軟體，以及運用田口實驗設計法，先行模擬設定 塑膠射出成型製程參數範圍，能使熔膠完全充填模穴，再藉由對系統特性的瞭解，來決 定射出成型製程參數範圍，配置合適的直交表，再經由 Moldex3D 進行模擬，最後依模 擬所得之觀測值，計算出射出成型製程的射出壓力分析，決定較優製程參數組合，優化 射出成型製造條件。

1.5 研究步驟

本文之研究擬分為先前準備與作業、要因分析、田口實驗分析、CAE 模流分析，與 實驗結果分析等五大步驟，其說明如下：

(1)塑膠射出成型的技術探討：如蒐集塑膠射出成型相關文獻、資料研究、問題現況分 析、研究規劃實驗流程等。

(2)影響製程品質的要因分析：如問題擬定、現況分析與生產製程改善、對各種塑膠材 料射出成型後做要因分析、檢討與選擇(定)等。

(3)田口實驗分析：以田口實驗設計法選定 L8(2⁷)直交表配置，選定成型控制要因與實 驗水準，來進行實驗測試與數據收集，以選擇最優製程參數之選擇。

(4)CAE 模流分析：模擬射出成型的製程條件，探討不同的製程參數如流道設計、塑膠材 料、充填時間、熔膠溫度、與模具溫度等，進行 CAE 模流分析。

(5)實驗結果分析：依據上述實驗方法及步驟，以選擇射出成型澆注口壓力最低與翹曲、

變形量最小，為較優化評估的標準，以求出射出成型的較為優化的製程條件。

1.6 本文架構

本文共分為七章節，其各章內容詳細說明如下：第一章：緒論。第二章：塑膠射出

介紹 CAE 模流分析技術的應用。第六章：考慮多維變量的射出成型製程改善。最後一 章第七章：對本研究結果做結論及建議。