- 客戶：京都大學化學工程系
- 產業：教育
- 解決方案：Moldex3D Solution Add-on / Moldex3D MuCell®
- 國家：日本
大綱
為了開發新穎的微細發泡抽芯製程，生產出更高品質且省料的產品，京都大學團隊改良傳統微細發泡射出成型製程(MuCell®)，調整了抽芯技術的部分，觀察該製程參數對氣泡形態及最終產品的影響。他們並借助Moldex3D模流分析技術進行實驗驗證，以Moldex3D MuCell®模擬發泡製程中難以預測的物理現象，並透過分析進行參數優化，提高產品品質。
研究目標
- 以模擬工具佐證新製程的實驗結果
- 改善抽芯技術的實驗設計
解決方案
利用Moldex3D模擬MuCell®抽芯製程，從微觀角度了解其氣泡形態(包括氣泡大小及密度)及產品密度
效益
- 具備發泡行為預測能力
- 優化製程參數，提升生產品質
案例研究
為了生產比傳統發泡製程膨脹率高的產品，京都大學團隊設計了新穎的微細發泡製程。在新的製程中，當模穴充填完成後，經過一段延遲時間，會將後側的模壁拉開一部分，以提供空間讓產品發泡膨脹。經過這項調整，該抽芯製程將可產出更厚、密度更小的產品，達到省料目的。京都大學團隊首先進行新製程的實驗，並利用Moldex3D MuCell®模組來驗證其實驗結果。
本案例研究目的為了解MuCell®抽芯距離、氣體濃度、延遲時間等製程參數對於氣泡形態(如氣泡大小及密度)的影響。因此京都大學學者利用Moldex3D微細發泡解決方案模擬抽芯技術(圖一)，並將模擬結果與實驗結果進行比較，以驗證模流分析軟體的準確性，以利未來實際應用。
圖一 本案例中所使用的幾何模型
根據Moldex3D MuCell®模組的分析結果，學者可觀察到抽芯距離、氣體濃度及延遲時間等三項製程參數的影響。首先是抽芯距離的觀察：當抽芯距離越大時，產品的密度會越小(圖二)。當抽芯距離從0mm增加至8mm時，產品密度會減少30%，也就是重量會減輕30%。
圖二 三種抽芯距離(a)2mm、(b)4mm、(c)8mm之下所導致的產品密度分析結果。
從圖中可看出，抽芯距離越大，產品密度越小
接下來觀察氣體濃度。分析結果顯示，當氣體濃度越高時，成核速度(即氣泡產生的速度)越快，氣泡的密度就越大(圖三左)，造成最終產出的氣泡直徑越小(圖三右)。最後觀察延遲時間，當塑膠分子固化程度越高時，塑料黏度就越高，導致抽芯製程完成後，最終產生的氣泡變小或甚至沒有氣泡。如圖四(左)所示，當延遲時間大於10秒時，氣泡密度便急遽降低；圖四(右)則顯示，當延遲時間大於7秒時，產品幾乎沒有任何氣泡產生。
完成模流分析後，京都大學團隊對照分析結果與實驗數據。從圖三及圖四可發現，二者結果高度吻合。
圖三 氣泡密度與氣體濃度對照圖(左)及氣泡直徑與氣體濃度對照圖(右)。二者皆顯示模流分析結果與實驗結果相符合
圖四 氣泡密度與延遲時間對照圖(左)及氣泡直徑與延遲時間對照圖(右)。二者皆顯示模流分析結果與實驗結果相符合
結果
京都大學團隊透過Moldex3D模流分析，清楚觀察到各項製程參數對微細發泡製程的氣泡形態和產品密度的影響。經比較Moldex3D分析結果和實驗結果，兩者十分接近(表一)。這些珍貴的分析數據將可進一步應用在預測發泡行為及產品機械性質。儘管在實際生產中，氣泡形態可能更複雜或難以預測，模流分析仍是最經濟的工具，協助提供最真實的氣泡結構模擬結果，確保產品品質。
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Core-back distance |
Experimental cell diameter (μm) |
Simulated cell diameter (μm) |
Experimental cell density (1/cc) |
Simulated cell density (1/cc) |
| 2mm | 85 | 80 | 3 x 106 | 2 x 106 |
| 4mm | 90 | 95 | 2 x 106 | 9 x 105 |
| 8mm | 155 | 105 | 1 x 106 | 7 x 105 |