Moldex3D模流分析之使用Moldex3D解决高精度唇形表面困难成型的问题

作品大纲

本案例为电磁阀，主要用于自动冲水小便斗，使用的成型材料为POM结晶性塑料，如图一所示。产品本身有肉厚条件限制，且需符合尺寸精度。新鹰精器利用Moldex3D判断最佳的浇口位置并优化制程条件。最终实现以下的目标：(1)成型高精度的唇面，(2)无表面缺陷，(3)减少因产品不均匀厚度所产生的真空泡，如图二所示。

图一 HCG小便斗电磁阀

图二 产品唇面位置与厚度范围

挑战

• 成型高精度唇型表面

• 要求外观完美无缺陷

• 减少产品内部真空泡

解决方案

新鹰精器导入Moldex3D模流分析，判断最佳的浇口位置与优化制程条件，成功改善产品的缺陷。

效益

• 优化浇口位置减少包封缺陷的数量

• 成型高精度唇形表面，其生产良率高达98%

• 改善产品外观缺陷，刻字图案清晰可见

• 缩减40%的真空泡体积，增加其结构强度

案例研究

本案例主要目的是解决小便池电磁阀的三项成型挑战，分别为高精度唇面尺寸、消除表面缺陷以及减少真空泡。

图三为原始产品的唇面缺陷，不仅表面光泽度差且真圆度不佳，导致气密泄漏，作动时产生异音。因此新鹰精器团队使用Moldex3D重新设计浇口位置。浇口设计优化后，不仅包封的数量明显减少，更重要的是，唇面获得较均匀的充填压力，真圆度也达到R0.02 ~ R0.05 mm的要求，如图四所示。

图三 原始产品的唇面缺陷

图四 浇口位置设计变更的分析结果：(a)浇口位置，(b)包封位置，(c)充填阶段压力结果

其次，在解决产品的外观缺陷部分，使用原始条件的情况下，因第一段的充填流率设定过快，导致熔胶通过截面积较小的浇口时，发生高剪切生热与喷流现象。因此调整熔胶进入浇口时的充填流率，由40cm3/sec降低至15cm3/sec，熔胶缓慢地通过浇口，充填进入模腔中，结果显示喷流缺陷已明显改善，如图五所示。然而降低后的充填流率太过缓慢，导致熔胶温度下降过快，容易发生流动迟滞的现象，因此须再提高熔胶的充填流率。流率提高后，熔胶于产品肉薄处的温度也随之提高了7°C，由图六(c)可发现产品表面更光滑，发生较少的滞流痕。

图五 比较产品的喷流痕：（a）降低熔胶进入浇口的充填流率，（b）改善流动波前时间的结果，以及（c）实际产品的喷流痕减少。

图六 比较产品的滞留痕：（a）提高熔胶进入模腔后的充填流率，（b）熔胶温度增加7°C，以及（c）实际产品的滞留痕减少。

此外，因产品肉厚太厚和严重收缩所产生的真空泡问题，也会影响产品的旋转平衡度和结构强度。图八为透过X-ray显示产品真空泡的横截面结果，该真空泡位置符合体积收缩率上限9%的模拟结果。因此，优化的成型条件的过程中，应确保其体积收缩率小于9%，才能获得较高强度的产品。

图七 比较产品的应力痕：（a）优化后成型条件与最后一段的压力释放，（b）压力设定修改后的产品具有较小的剪切应力，以及（c）新的实际产品具有光滑的外观。

此外，因产品肉厚太厚和严重收缩所产生的真空泡问题，也会影响产品的旋转平衡度和结构强度。图八为透过X-ray显示产品真空泡的横截面结果，该真空泡位置符合体积收缩率上限9%的模拟结果。因此，优化的成型条件的过程中，应确保其体积收缩率小于9%，才能获得较高强度的产品。

图八 原始产品的X-ray扫描的真空泡结果(左图)与体积收缩率9%以上的模拟结果(右图)

在保压时间设定部分，产品的浇口处在14秒时已完全固化。图九为熔胶的分布情况，原始的保压时间设定为20秒，这表示14秒后即无法释放模腔内的压力。因此，在保压压力参数的最后阶段多设置一缓冲段、释放压力的想法是不可行的。最后EKK团队将保压时间设定为11秒，此时的浇口处仍有少量熔融状态，使产品具有连续的压力补偿，有效释放应力并减少收缩变形。

图九 保压阶段的熔融区域结果，保压时间14秒与保压时间11秒，无设置压力释放段

最后，团队利用成型条件的优化，不仅改善产品体积收缩，并且减少内部真空泡，且仿真结果与实际产品的X-ray真空泡照片也十分相似(图十)。

图十 优化后产品的X-ray扫描结果与保压阶段体积收缩率结果

结果

新鹰精器藉由Moldex3D的模流分析预判成品可能发生的问题点，掌握熔胶流动的状况，判断最佳浇口位置，并利用保压压力与段数设定，改善产品的唇面精度和外观缺陷痕问题。也透过调整有效的保压时间，减少产品的真空泡与增加结构强度，仿真与现场优化相辅相成，事半功倍。