星期四, 5月 19

    如何应用CAE技术深入剖析并克服多材质射出成型之挑战

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    ■ Moldex3D

    前言

    现今塑胶产品的制造,多材质射出成型(MCM)制程已 经广泛地被应用于多元化的塑胶件设计与制程。 MCM 制程主要是利用两种或多种材料,或使用相同的材料但不同的颜色,或是以回收材料和原料混合射出注入模具 内来生产产品。利用此制程生产出的产品不仅融合了多种颜色,还可具备多种功能,比如皮层/核心层等三明 治结构的组合。

    然而,於现实生产中应用MCM制程,还是必须面临许多的问题与挑战。例如,MCM制程可能牵涉到多种嵌件、或多种不同材料,因此单一材料射出成型的设计 与开发规则,常常不能直接套用于MCM。另外,由于 MCM制程复杂性和多材质之物理机制,若以传统的单 一材料射出成型的经验法则,很难推敲MCM制程与机理,因此无法有效对于关键成形条件进行优化或设计变 更,造成品质控制上的不确定性。

       

    图 1: 具有多功能性的单一产品 : (a) 多颜色材质化妆品包装瓶 (b) 模内装配而成的玩具 (c) 耳挂式耳机。

    为了进一步厘清并了解MCM制程,以期未来能进一步掌握此等制程,首先,我们可以将非常复杂多元的 MCM制程归纳成为两大类,如图二所示。第一类为当两种材料复合成型时,将产生明确之中间界面(distinct interface),此类常见的制程,包括嵌入成型 (insert molding)、包覆成型 (over molding)、和多射依序成型 (sequential multiple shot molding)。第二类则为当两种材料复合成型时,将产生不确定之中间界面(uncertain interface),此类常见的制程,包括共射成型(coinjection),双射成型 (bi-injection),针对不确定之中间界面系统,产品设计者如何能正确推测出最佳浇 口位置,以及材料比例,使其成品得以获得理想的材 料分布与产品特性,对产品设计人员将是相当大的挑战。

    图 2: 多材质注塑成型可分为两大类型 :

    ( 左 ) 有明确之中间界面 (distinct interface)( 右 ) 不确定之中间界面 (uncertain interface )

    因此,要解决MCM制程中复杂的特性与机理,并进 一步加以掌握与控制,近年来大部份团队及成员都必 须藉用CAE技术强大的模拟预测能力,以期能对潜在 问题进行诊断分析并执行设计变更之事先验证。举例 来说,小型触控式面板,当初原始设计是针对各別组 件,一件一建分开射出,再组装而成。

    此方式产生组装后产品的翘曲问题虽少,但零组件间 界面结合的强度可能受到影响,而且后段再组装也会 是产品品质掌控之盲点。为此,利用MCM制程一体 成形,透过包覆射出 (Overmolding) 成型(图三 a 所 示),可以改善并提高物件界面结合的强度与后组装 问题,但是制程中,由于两种不同的材料界面互相 接触时,在后续冷却阶段将会产生区域积热现象(图 三b),导致产生严重的翘曲问题。由此可知,单件 射出成型的产品设计与加工制程,不能直接套用在MCM产品制程中;而MCM制程所可能产生的翘曲 问题,必须透过产品设计变更和不同的加工条件来解决。

         

    (a)                                                          (b)

    图 3: 小触控式面板产品使用多材质注塑成型制程 :(a) 透过包覆注塑制程 (overmolding),产品发生严重翘曲问题

    (b) 翘曲问题是由两种不同的材料界面互相接触时,所产生区域积热的现象所造成

    另一方面,共射成型(co-injection)制程中大多数皮层 /核心层的结合可创造出许多新颖之产品,比如:产品可能为触感柔软的皮层/坚硬之核心层,或是纯料之皮层/回收料之核心层,或是纯料之皮层/含纤维强化之核心层等等的组合。若从实用面而言,共射成型制程普遍应用于汽车件、大众消费产品、和需要加强强度结构的产品制造上。

    进一步从开发内涵来看

    此等制程必须面临主要的挑战是如何控制模具内的材 料分布为理想状态。以耳掛式耳机产品为例(如图四所示),耳机掛钩设计必须连接手机和麦克风功能, 与人体皮肤(耳朵)接触区域,该皮层材料必须具有良好柔软触感,但内在架构组成又必须具有足够的强度,避免产品变形。

    图 4: 耳挂式耳机 : (a) 几何设计 (b) 利用双射 / 共射制程,以 PP 材质为核心料和 TPE 材质为皮层料 ( 右 ) 不确定之中间界面 (uncertain interface )

    当此耳掛式耳机制作采用共射技术,以PP材质为核 心料,以TPE材质当皮层料。理想上,应用共射成型 制程可简化零件组装手续的崭新应用技术,并提供物 料之间的接合界面具有更好的强度。然而,实际执行此类共射制程时,将面临许多挑战,例如:皮层料/ 核心层料之间的到底比例为何? 射出之相关条件要如 何给定? 此时可事先透过CAE进行预测。

    图 5: 利用共射制程开发制造耳挂式耳机 : 50%皮层料比例,会导致较坚硬核心层料穿透皮层料,造成产品品质瑕疵问题。

    如图五所示,根据CAE模拟预测,使用50% 皮层料 比例会导致核心层穿透皮层,造成产品品质瑕疵问 题。再进一步执行皮层/核心层比例调适,可能70% 皮层料比例是较佳的选择。但是以此比例当基準,进 一步预测产品变形问题时,我们发现产品具有严重翘 曲问题,导致产品功能性不彰。

    图 6: 利用 CAE 模流软体:帮助进行模具浇口位置优化验证

    接着,我们再利用CAE执行虚拟之设计变更,执行一系列之修改模具浇口位置设计验证,如图六所示;我们发现一些有趣且非常实务之解决方案,例如:应用 图六(a) 所提之浇口方案,当采用40%之皮层料比例时,会导致核心层穿透皮层,原先思考这将会是造成 产品品质瑕疵之严重问题;然而,应用CAE软体预测事先得知,使用40 %皮层料生产此物件,反而是最佳比例,因为较坚硬之核心料,在0.07秒时会穿透皮层,穿透现象发生后,该耳掛钩部结构件转换为仅使 用较硬的PP材料,刚好提供更好的强度以符合产品 强度要求。上述利用CAE技术事先预测,顺利解决产品制程与品质问题。

    图 7: (a)CAE 软体成功帮助预测出使用 40 %皮层料为生产此物件的最佳比例,此时较坚硬的核心层料穿透皮层料之现象会发生在 0.07 秒 ; (b) 穿透现象发生后,该耳挂钩部结构件转换为仅使用较硬的 PP 材料,来提供更好的强度以符合产品强度要求

    结论

    多材质射出成型(MCM)在现今的塑胶产业中应用 相当广泛。然而,由于MCM制程复杂性和多材料物理机制,以传统的单一射出成型的经验法则来推 敲MCM制程,将遭遇许多困难,无法有效提供关键成形条件进行优化或设计变更,造成产品品质瑕疵问题。然而透过CAE模拟分析技术,不论是包覆射出成型 (Overmolding) 或是共射成型 (co-injection molding),都可提供有效的产品设计验证、浇口位置优化,最大可行的核心层料比例预测(包括预测是否 会发生核心层料穿透皮层料的现象),并考虑材料之 间的相互作用影响,成功预测产品收缩和翘曲率来改善的产品品质的利器。

    参考文献

    1. US patent #3,051,994.
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