Moldex3D模流分析之嘉捷科技整合模流和结构分析改善产品断裂问题

大纲

塑料成型制品往往在小批量产后便进行各项的测试，包含落摔、热传等。测试过程中有时必须回到产品设计上去进行设计变更，以符合各项规范。过去仅能凭经验进行试误(try-and-error)，有时往往造成额外的成本。因此，能够在设计变更前有量化的数据可供参考，将可避免此状况的发生。

挑战

此产品为LED TV的支撑架，主要功能为锁附屏幕与底座。在组立电视时，凸毂(boss)，即锁附的位置 (如下图所示)，会随机发生断裂状况。由于此产品具有负载功用，强度必须列入产品设计的重要考虑之一。 

图一  LED TV支撑架实际产品图以及其易发生断裂问题的地方

解决方案

为了找出影响产品的强度的症结，嘉捷科技团队透过Moldex3D模流分析进行充填(Filling)分析后，发现影响产品强度的缝合线容易集中在凸毂(boss)处。从分析结果得知(图二)，锁附位置的流动波前会合角度落在30~140度；依此案例所使用塑材，会合角的角度越大，缝合线就会越趋明显。

图二  Moldex3D 充填分析可以显示缝合线会合角

另外，透过充填剖面图也同时发现凸毂的厚度中心温度温差约为10℃(见图三)。以此案例而言，其温度均已低于塑料工作温度10℃左右，在此条件下也导致该区域易产生结合线。流动波前的会合角度再加上两股流动波前的温度差，皆造成凸毂降低缝合线强度。

图三  透过Moldex3D充填温度剖面结果，发现凸毂的温差易导致结合线发生

为了找出更好的机构设计来增强产品的强度，嘉捷科技透过Moldex3D模拟锁附的应力分析，找出发生断裂的问题点，并针对断裂处进行设计变更。除了从Moldex3D充填流动分析中，观察到凸毂的流动波前会合角度及其中心温度剖面，在分析过程中也使用Moldex3D FEA Interface将塑料数据汇至Abaqus进行应力分析，取得断裂处的应力-应变图来进行比对(见图四)。

分析后可看到应力集中在锁附的位置，其最大值为2.73 kgf / mm2，应变值则是1.59e-03。从曲线图可观察到该位置于33 kgf会有断裂机率。于是，团队着手进行凸毂特征的设计变更，并同时重复进行模流分析及应力分析。经过设变和模拟之后，成功将凸毂断裂处的强度从33kgf提升至40kgf，改善度达21% (见图五)。 

图四  利用Moldex3D FEA Interface判别最大应力集中区域

效益

此产品在初次量产时，不良率为30%，经由Moldex3D模流分析并重新设计后，良率提升了10%。 以该产品年产量150,000件/年，共可省下约USD $41,012。未来在设计类似产品时，除了可先行检视结构特征设计是否符合强度需求，嘉捷科技将以此开发经验套用到其他产品上，将Moldex3D模流分析的效益发挥到更大。