- 客戶：台灣科技大學
- 地區：台灣
- 產業：教育
- 解決方案： Moldex3D Advanced /射出壓縮成型模組 / 光學分析模組 / 黏彈性分析模組
大綱
精密光學元件的射出成型技術發展至今已相當成熟，然而隨著成品精度的要求越來越高，包括殘留應力分布、翹曲及凹痕等問題都必須嚴格控制，因此成型技術的改良勢在必行。台科大精密製造實驗室期望開發模內微壓縮成型(In-Mold Micro Compression, IMMC)製程，以改善射出成型所產生的缺陷。在開發之前，先藉由Moldex3D的射出壓縮成型模組進行分析，判斷產品是否確實達到優化，以評估開發新製程的可行性。分析結果發現模內微壓縮成型在產品凹痕、體積收縮和集光效果等方面都有顯著改善；經實際試模和量測之後，同時也驗證Moldex3D分析的高準確度。
挑戰
- 壓力分佈不均
- 體積收縮率過高
- 翹曲變形問題
解決方案
藉由Moldex3D射出壓縮成型模組進行傳統射出製程和IMMC製程的分析和比較，以決定是否應用新的製程。
效益
- 壓力分佈均勻度大幅改善
- 產品光照度提升7.35%
- 體積收縮率由6.62%降低至4.25%
案例研究
圖一 本案例的複合式稜鏡為塑膠製的集光元件
複合式稜鏡是自然導光系統中的集光元件，用於室外或建築物屋頂收集陽光(圖一)。為了提升產品的導光效率，澆口位置必須避開導光處，設計於產品薄端，卻因此不利壓力傳遞和塑料流動。此外，為了提升導光效果，產品中有兩處狹縫設計(圖二)，造成局部模溫較低。塑料流經模溫較低處時容易凝固而難以流動，導致壓力傳遞不易，體積收縮率也較高，使成品後端產生明顯凹痕，影響集光、傳光與出光的效果。為解決這些難題，台科大精密製造實驗室運用Moldex3D模流分析軟體，評估開發模內階段式射壓成型製程，是否能夠獲得較優化的產品。
圖二 產品有兩處狹縫設計，會導致流動不平衡情形
首先藉由Moldex3D來進行射出成型製程的分析。在凹痕指標的分析中，圖三(左圖)顯示產品厚段處的凹痕指標大，原因是內部塑料溫度高，使得表面向內收縮而導致凹痕。圖三(右圖)則顯示產品第三齒處有較大的凹痕位移，表示產品末端體積收縮率大，以致平面度不佳，降低集光效果。
圖三 進行射出成型製程分析，保壓結果中的凹痕指標(左)及凹痕位移(右)情形
接下來利用Moldex3D進行模內階段式射壓成型的分析。分析結果發現，IMMC製程的體積收縮率，比傳統製程少了 18.9%(圖四)。在翹曲變形的部分，從翹曲分析結果中的Z方向位移，也可看出IMMC製程比射出成型優化了71%(圖五)。
(a)
(b)
圖四 保壓結果的體積收縮率比較：圖(a)為傳統射出製程，體積收縮率在-2.9%~2.323%之間；
圖(b)為IMMC製程，體積收縮率在-3.7%~0.69%之間。
(a)
(b)
圖五 翹曲分析中的Z方向位移：圖(a)為傳統射出製程，Z方向位移範圍為-1.497~0.701mm；
圖(b)為IMMC製程，Z方向位移範圍為-0.325~0.311mm。
比較兩種製程的總和光彈條紋分析結果(圖六)則可發現，傳統製程在澆口處的光彈條紋變化劇烈，表示有較大的殘留應力，應是使用較大的保壓壓力所造成。而在IMMC製程中，因為有模內壓縮的輔助，可降低澆口壓力，所以澆口處的條紋變化較不劇烈。
圖六 傳統射出成型製程(左圖)與IMMC製程(右圖)的總和光彈條紋分析比較
完成模流分析後，便進行實際試模，以驗證Moldex3D分析結果的準確度。Moldex3D的分析與實際驗證結果都顯示，在射出成型製程中，產品的兩狹縫會造成壓力傳遞困難，造成產品後端有凹痕產生(圖七)。改用模內階段式射壓成型(IMMC)製程後，可成功開發無凹痕的產品(圖八)。
圖七 Moldex3D凹痕模擬分析結果分析(圖左)與實際試模(圖右)結果高度一致
圖八 模內階段式射壓成型開發的產品無表面缺陷
結論
在產品的光照度部分，實驗室以LED燈泡照射方式進行驗證。經六次取樣，傳統製程與射壓製程的平均光照度分別為299Lux和321Lux，射壓製程的光照度獲得7.35%提升。最後使用光彈條紋量測機台進行光彈條紋的驗證。從圖九可發現，模流分析和實際實驗結果高度吻合，也證明Moldex3D對光彈條紋預測分析準確度十分精確。
由以上量測結果可證明，Moldex3D的分析與實際試模結果有高度一致性，有助於驗證新製程是否有助於開發複合式稜鏡。若缺少Moldex3D模擬輔助成型這個過程，會浪費不必要的設計與加工費用；萬一壓縮製程無法如預期提升導光效果，開發過程的損失將難以估計。
