塑膠射出成型流道平衡與流道設計最佳化

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塑膠射出成型流道平衡與流道設計最佳化  
摘　要

　　以往在射出成型中，流道的平衡和設計最佳化大都以試誤法求得。即便是有了電腦的輔助之後，其中的差別亦不過是將以往在模具上的試誤過程移至電腦上而已。其中所耗費的成本和所延誤的商機幾乎無從估計起。

　　本文以模流分析專家系統Moldex-Expert做流道最佳化的研究。首先，藉由電腦分析，找出各個控制因子和產品品質之間”性質”及”數量”的關係。一旦得到因子和品質之間的關係後，便可藉由控制各個因子而獲得一最佳的流道的設計。

簡介

以往模具的流道平衡(runner balance)一直是模具開發的重要工作之一，也是較為棘手的部份之一。流道平衡的工作往往需仰賴老師父的經驗。即使有了CAE的工具輔助，為了得到一組最佳的流道設計，依然還是須不斷地做試誤(trial-and-error)的工作。雖然在時效上已經有了大幅的改善，但並未將電腦自動分析的功能及效益發揮至最高。同時，在大部份的文獻中，流動平均僅針對流道作平衡，往往忽略各種模穴間之差異，假如各模穴間之體積或肉厚有所差異，則將造成很大的誤差，而且流動平衡與流道設計最佳化的目標均不易達成。再者，如此的試誤工作，使用者還是必須具有相當的專業能力方能使用。

流道平衡的困難點主要在於，高分子流體在流道中流動時，在流道的壁上會產生一層固化層(frozen layer)。這層固化層使得流動截面積變小。影響固化層的厚度的因素有:射壓、模溫、材料特性等等。這些因素的交互作用使得我們很難由理論中直接推得到解析解。

本文利用模流分析專家系統Moldex-Expert將原本須由使用者所做的試誤工作轉而在電腦上執行。使用者只要輸入所要求的目標和一組初始流道直徑，便可由電腦直接計算得到一組最佳的流道直徑。

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原　理

以圖1所示的三模穴模具為例，共對應到三個流道。

由模具的進澆口至各個模穴底部的時間各為ta，tb，tc。假設時間的長短順序為ta > tb > tc。

定義各個模穴的平衡度為tcav / tref，其中tcav為填滿該模穴所需時間，tref為參考時間。若取ta為tref，則模穴b的平衡度為tb/ta，模穴c的平衡度為tc/ta。如此則可根據各模穴之平衡度修正其流道的直徑大小。

例如，假設原來流道b的直徑為4mm，tb =1.2秒，ta =2秒。於是可得到模穴b的平衡度為60%。若得到tc=1.6秒，則模穴c的平衡度為80%。而對於整個模子而言，則另外定義總平衡度為tmin/tmax，即最短時間/最長時間。

有了以上結果便可在直徑上修正。以流道b，c而言，修正的方向便是縮小直徑值。縮小的程度則以平衡度為參考，經過計算之後而得。

有了新的一組直徑之後，利用 Moldex再做一次流動模擬。再根據新的一組平衡度做下一次的流道直徑修正。在Moldex 中，每次得到一組新的直徑，再經過一次流動分析後，Moldex會自動將流動需時最長模穴的流動時間設為新的參考時間。重覆疊代的工作，直到總平衡度符合要求，便可以得到一組最佳的流道直徑。當然，所有上述的工作，都已經內建在Moldex-Expert專家系統中，使用者只要給予目標，以及可控制因子即可。

案例分析

以一個容易產生聖誕樹現象的一模多穴的案例作為說明。圖2，顯示其網格圖。圖中，流道的編號由上而下分別為流道a，b，c，d，e。其初始直徑值分別為: 主流道直徑=Da=Db=Dc=Dd=De=5mm。加工條件如下：

充填時間 = 2.0sec

料溫 = 245.0℃

模溫 = 80.0℃

射壓 = 130.0MPa

使用的材料為GE公司所生產的PC，其黏度對溫度的變化請參考圖3。圖4所示則為初始設計在80%填充時的波前分佈，可看出第四個模穴已經接近填飽的同時，第五個模穴卻尚未有料進入。圖5所示的則為進澆口以及各次流道在進入模穴的位置上壓力對時間的變化。此一不平衡流動將在模穴a，b造成過保壓(overpacking)現象。

在Moldex-Expert 中設定目標為：總平衡度必須達到90%。

結果與討論

圖6是經過專家系統運算後所得到的結果。與圖4比較，顯示此模具流動的平衡情形已較原始設計改善許多。所得到的最佳直徑值Da=2.00mm，Db=2.19mm，Dc=2.73mm，Dd=4.45mm，De=7.44mm。主流道直徑=7.44mm。圖7則為最佳化之後的網格圖。圖8則為進澆口以及各次流道進入模穴的位置上壓力對時間變化圖。與圖5比較可以明顯地看出壓力的爬升幾乎是同時的，而不再出現如圖5各有不一樣的反應時間。

結論

本文利用模流分析專家系統Moldex-Expert對一三模穴模具進行流道平衡。結合知識導向(knowledge-based)專家系統及模流分析迅速而強大的分析能力，使複雜模具的設計負擔降低不少，同時產品開發時間亦可大幅縮短。

謝誌

作者感謝許嘉翔博士及蔡銘宏先生對本文的審閱及提供有用的建議。

參考資料

1. Douglas C. Montgomery, “Design and Analysis of Experiments”, John Wiley & Sons. (1997)

2. 張榮語主編 ”CAE-MOLD系列叢書—射出成型模具設計—模具設計”，高立圖書有限公司（1995）

3. 毛昭陽，”以平衡流動觀點分析膜片澆口之最佳位置”，國立成功大學工程科學研究所碩士論文（1996）

　


  
作者：張榮語 陳彥成 王宇寧
日期：2002-12-17  
  




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zs_868

顶

tanwen8

感谢!不过我看不到图1,

kingsjian

good .good .good

wxh7777

这是个软件吗

a19790522

应该不错吧

a19790522

看不怎么明白

getmold

谢谢了啊,正在找这方面的资料.虽然看不太明白.