运用模流分析软件 增进精密光学新制程验证效率

K哥

客户简介

·          客户：国立台湾科技大学    ·          国家：中国台湾    ·          产业：教育    ·          解决方案： Moldex3D Advanced、射出压缩成型模块、光学分析模块、黏弹性分析模块

国立台湾科技大学原为国立台湾工业技术学院，成立于民国六十三年，八十六年改名为国立台湾科技大学。该校为台湾第一所技术职业教育高等学府，建校目的为因应国内经济与工业迅速发展之需求，以培养高级工程技术及管理人才为目标，同时建立完整之技术职业教育体系。现有大学部学生5,600位，研究生4,900位，专任教师420位，合计共有二十四个独立系所，校长为廖庆荣博士。

大纲

精密光学组件的射出成型技术发展至今已相当成熟，然而随着成品精度的要求越来越高，包括残留应力分布、翘曲及凹痕等问题都必须严格控制，因此成型技术的改良势在必行。台科大精密制造实验室期望开发模内微压缩成型(In-Mold Micro Compression, IMMC)制程，以改善射出成型所产生的缺陷。在开发之前，先藉由Moldex3D的射出压缩成型模块进行分析，判断产品是否确实达到优化，以评估开发新制程的可行性。分析结果发现模内微压缩成型在产品凹痕、体积收缩和集光效果等方面都有显著改善；经实际试模和量测之后，同时也验证Moldex3D分析的高准确度。

挑战

·        —压力分布不均

·        —体积收缩率过高

·        —翘曲变形问题

解决方案

藉由Moldex3D射出压缩成型模块进行传统射出制程和IMMC制程的分析和比较，以决定是否应用新的制程。

效益

·        —压力分布均匀度大幅改善

·        —产品光照度提升7.35%

·        —体积收缩率由6.62%降低至4.25%

案例研究

图一 本案例的复合式棱镜为塑料制的集光组件

复合式棱镜是自然导光系统中的集光组件，用于室外或建筑物屋顶收集阳光(图一)。为了提升产品的导光效率，浇口位置必须避开导光处，设计于产品薄端，却因此不利压力传递和塑料流动。此外，为了提升导光效果，产品中有两处狭缝设计(图二)，造成局部模温较低。塑料流经模温较低处时容易凝固而难以流动，导致压力传递不易，体积收缩率也较高，使成品后端产生明显凹痕，影响集光、传光与出光的效果。为解决这些难题，台科大精密制造实验室运用Moldex3D模流分析软件，评估开发模内阶段式射压成型制程，是否能够获得较优化的产品。

图二 产品有两处狭缝设计，会导致流动不平衡情形

首先藉由Moldex3D来进行射出成型制程的分析。在凹痕指标的分析中，图三(左图)显示产品厚段处的凹痕指标大，原因是内部塑料温度高，使得表面向内收缩而导致凹痕。图三(右图)则显示产品第三齿处有较大的凹痕位移，表示产品末端体积收缩率大，以致平面度不佳，降低集光效果。

图三 进行射出成型制程分析，保压结果中的凹痕指标(左)及凹痕位移(右)情形

接下来利用Moldex3D进行模内阶段式射压成型的分析。分析结果发现，IMMC制程的体积收缩率，比传统制程少了 18.9%(图四)。在翘曲变形的部分，从翘曲分析结果中的Z方向位移，也可看出IMMC制程比射出成型优化了71%(图五)。

(a)	(b)

图四  保压结果的体积收缩率比较：图(a)为传统射出制程，体积收缩率在-2.9%~2.323%之间；图(b)为IMMC制程，体积收缩率在-3.7%~0.69%之间。

(a)	(b)

图五  翘曲分析中的Z方向位移：图(a)为传统射出制程，Z方向位移范围为-1.497~0.701mm；图(b)为IMMC制程，Z方向位移范围为-0.325~0.311mm。

比较两种制程的总和光弹条纹分析结果(图六)则可发现，传统制程在浇口处的光弹条纹变化剧烈，表示有较大的残留应力，应是使用较大的保压压力所造成。而在IMMC制程中，因为有模内压缩的辅助，可降低浇口压力，所以浇口处的条纹变化较不剧烈。

图六 传统射出成型制程(左图)与IMMC制程(右图)的总和光弹条纹分析比较

完成模流分析后，便进行实际试模，以验证Moldex3D分析结果的准确度。Moldex3D的分析与实际验证结果都显示，在射出成型制程中，产品的两狭缝会造成压力传递困难，造成产品后端有凹痕产生(图七)。改用模内阶段式射压成型(IMMC)制程后，可成功开发无凹痕的产品(图八)。

图七 Moldex3D凹痕模拟分析结果分析(图左)与实际试模(图右)结果高度一致

图八  模内阶段式射压成型开发的产品无表面缺陷

结论

在产品的光照度部分，实验室以LED灯泡照射方式进行验证。经六次取样，传统制程与射压制程的平均光照度分别为299Lux和321Lux，射压制程的光照度获得7.35%提升。最后使用光弹条纹量测机台进行光弹条纹的验证。从图九可发现，模流分析和实际实验结果高度吻合，也证明Moldex3D对光弹条纹预测分析准确度十分精确。

由以上量测结果可证明，Moldex3D的分析与实际试模结果有高度一致性，有助于验证新制程是否有助于开发复合式棱镜。若缺少Moldex3D模拟辅助成型这个过程，会浪费不必要的设计与加工费用；万一压缩制程无法如预期提升导光效果，开发过程的损失将难以估计。

图九  Moldex3D模内阶段式射压成型光弹条纹的预测结果(左)及实际实验量测结果(右)比较

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