使用Moldex3D解決高精度唇形表面困難成型的問題

編輯:科盛科技技術支援處 工程師 周韋辰

客戶簡介

新鷹精器股份有限公司(EKK)於1979年,與日本イーグル工業株式會社合作成立。公司為綜合零部件製造商,於亞太區提供優質的產品、解决方案以及全方位服務。主要產品是針對防止轉動設備運作時的液體、氣體等流體外洩的零組件,其運用於汽車、機車、住宅、船舶等各種領域。 (來源)

作品大綱

本案例為電磁閥,主要用於自動沖水小便斗,使用的成型材料為POM結晶性塑膠,如圖一所示。產品本身有肉厚條件限制,且需符合尺寸精度。新鷹精器利用Moldex3D判斷最佳的澆口位置並優化製程條件。最終實現以下的目標:(1)成型高精度的唇面,(2)無表面缺陷,(3)減少因產品不均勻厚度所產生的真空泡,如圖二所示。


圖一 HCG小便斗電磁閥

圖二 產品唇面位置與厚度範圍

挑戰

  • 成型高精度唇型表面
  • 要求外觀完美無缺陷
  • 減少產品內部真空泡

解決方案

新鷹精器導入Moldex3D模流分析,判斷最佳的澆口位置與優化製程條件,成功改善產品的缺陷。

效益

  • 優化澆口位置減少包封缺陷的數量
  • 成型高精度唇形表面,其生產良率高達98%
  • 改善產品外觀缺陷,刻字圖案清晰可見
  • 縮減40%的真空泡體積,增加其結構強度

案例研究

本案例主要目的是解決小便池電磁閥的三項成型挑戰,分別為高精度唇面尺寸、消除表面缺陷以及減少真空泡。

圖三為原始產品的唇面缺陷,不僅表面光澤度差且真圓度不佳,導致氣密洩漏,作動時產生異音。因此新鷹精器團隊使用Moldex3D重新設計澆口位置。澆口設計優化後,不僅包封的數量明顯減少,更重要的是,唇面獲得較均勻的充填壓力,真圓度也達到R0.02 ~ R0.05 mm的要求,如圖四所示。

圖三 原始產品的唇面缺陷

圖四 澆口位置設計變更的分析結果:(a)澆口位置,(b)包封位置,(c)充填階段壓力結果

其次,在解決產品的外觀缺陷部分,使用原始條件的情況下,因第一段的充填流率設定過快,導致熔膠通過截面積較小的澆口時,發生高剪切生熱與噴流現象。因此調整熔膠進入澆口時的充填流率,由40cm3/sec降低至15cm3/sec,熔膠緩慢地通過澆口,充填進入模腔中,結果顯示噴流缺陷已明顯改善,如圖五所示。然而降低後的充填流率太過緩慢,導致熔膠溫度下降過快,容易發生流動遲滯的現象,因此須再提高熔膠的充填流率。流率提高後,熔膠於產品肉薄處的溫度也隨之提高了7°C,由圖六(c)可發現產品表面更光滑,發生較少的滯流痕。

圖五 比較產品的噴流痕:(a)降低熔膠進入澆口的充填流率,(b)改善流動波前時間的結果,以及(c)實際產品的噴流痕減少。

圖六 比較產品的滯留痕:(a)提高熔膠進入模腔後的充填流率,(b)熔膠溫度增加7°C,以及(c)實際產品的滯留痕減少。

此外,因產品肉厚太厚和嚴重收縮所產生的真空泡問題,也會影響產品的旋轉平衡度和結構強度。圖八為透過X-ray顯示產品真空泡的橫截面結果,該真空泡位置符合體積收縮率上限9%的模擬結果。因此,優化的成型條件的過程中,應確保其體積收縮率小於9%,才能獲得較高強度的產品。

圖七 比較產品的應力痕:(a)優化後成型條件與最後一段的壓力釋放,(b)壓力設定修改後的產品具有較小的剪切應力,以及(c)新的實際產品具有光滑的外觀。

此外,因產品肉厚太厚和嚴重收縮所產生的真空泡問題,也會影響產品的旋轉平衡度和結構強度。圖八為透過X-ray顯示產品真空泡的橫截面結果,該真空泡位置符合體積收縮率上限9%的模擬結果。因此,優化的成型條件的過程中,應確保其體積收縮率小於9%,才能獲得較高強度的產品。

圖八 原始產品的X-ray掃描的真空泡結果(左圖)與體積收縮率9%以上的模擬結果(右圖)

在保壓時間設定部分,產品的澆口處在14秒時已完全固化。圖九為熔膠的分佈情況,原始的保壓時間設定為20秒,這表示14秒後即無法釋放模腔內的壓力。因此,在保壓壓力參數的最後階段多設置一緩衝段、釋放壓力的想法是不可行的。最後EKK團隊將保壓時間設定為11秒,此時的澆口處仍有少量熔融狀態,使產品具有連續的壓力補償,有效釋放應力並減少收縮變形。

圖九 保壓階段的熔融區域結果,保壓時間14秒與保壓時間11秒,無設置壓力釋放段

最後,團隊利用成型條件的優化,不僅改善產品體積收縮,並且減少內部真空泡,且模擬結果與實際產品的X-ray真空泡照片也十分相似(圖十)。

圖十 優化後產品的X-ray掃描結果與保壓階段體積收縮率結果

結果

新鷹精器藉由Moldex3D的模流分析預判成品可能發生的問題點,掌握熔膠流動的狀況,判斷最佳澆口位置,並利用保壓壓力與段數設定,改善產品的唇面精度和外觀缺陷痕問題。也透過調整有效的保壓時間,減少產品的真空泡與增加結構強度,模擬與現場優化相輔相成,事半功倍。

 


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