科盛科技產品處 技術經理 胡珅滕

一般塑膠製品的生產流程，從產品造型及結構設計、模具設計、模具製造到射出成型，須歷經許多階段。若在前段設計上有不周全的地方，就會造成後段生產的困難，或是需要來回溝通以調整產品設計、模具設計或修整模具。本文即著重在塑膠產品設計階段，說明如何透過模流分析找較佳的產品設計，藉此預先排除潛在問題，使產品能順利量產。

在產品設計階段，通常會有可製造性(DFM)的規範檢查；而常見的DFM項目包括塑膠材料的預放值、拔模角度、是否有倒鉤，也會有建議的肉厚設計、肋條或突起(boss)設計，以及公差等等。這些規範檢查可以靠CAD的功能或利用人工檢查圖面完成，例如：一般會希望產品厚度一致，但在需要厚度變化時，會有如圖一的建議設計；在做肋條的設計會給予如圖二、圖三的建議；突起部分也同樣有建議的設計尺寸，如圖四。然而在實際上，塑膠射出成型是動態的生產過程，即使是相同種類的塑膠材料，不同廠商、型號在材料特性可能就有很大的差異；而使用不同的射出機，就會有不同的機台響應，不同的加工條件也可能對產品品質造成影響。這也是為什麼有了DFM，實際生產時仍會有問題的原因之一。例如：已依照建議的肉厚和肋條進行設計，成品卻還是發生翹曲變形過大、結構強度不足、外形缺陷甚至填不飽而無法成型的狀況。

圖一 肉厚變化時的建議設計準則

圖二 建議的肋條尺寸設計

圖三 等校的肋條參考設計

圖四 參考肉厚及建議的突起物設計

因此，在進行產品尺寸設計時，沒有絕對正確的做法，不如將其視為設計建議的起始標準。除了利用CAD做DFM檢查，還可進一步透過CAE模流分析重新調整幾何尺寸，並反覆分析驗證優化設計或排除問題。然而這樣的反覆改變設計和驗證，是一段冗長的工作流程；為了解決這項難題，Moldex3D SYNC在2021的版本推出了幾何最佳化工具，幫助使用者大幅簡化CAE分析的工作，只要幾個簡單的操作步驟，就可以得到所有的尺寸變化與相對應的CAE分析結果。

以下透過一連接器案例來示範如何利用Modex3D SYNC做出最佳化的幾何設計。圖五是已通過DFM檢查的原始產品模型，圖六則是一開始的模擬結果；從流動分析來看，連接器兩側都有流動不平衡的現象。圖七則為翹曲變形結果，此翹曲情形會造成排針無法正常插入，必須在生產前改善。從原始設計剖面來看，兩邊厚度不同，而較厚的那端可進行些微的厚度修正。推測改變厚度可以改善流動平衡與翹曲 (仍須做結構強度分析)，卻無法判斷應修改多少才能達到最佳厚度。若一一分析不同厚度的設計，必然曠日費時，如圖八所示。這時若使用Moldex3D SYNC幾何最佳化工具，即可快速指定變化的參數，並設置所有分析組別。最後也從中獲得一組最佳化分析結果(圖九)，波前幾乎在末端重合，也因此改善了翹曲結果。

圖五 連結器案例及其剖面圖

圖六 CAE模擬結果，顯示兩側流動不平衡

圖七 可能因流動不平衡而造成的翹曲變形

圖八 對幾何參數設置變化範圍並一次產生所有分析組別

圖九 某一組分析結果，兩側波前幾乎在末端重合

從上述的例子可得知，可製造性(DFM)的靜態的規範檢查，無法百分之百反映動態生產過程所造成的問題。CAE模流分析則可協助用戶彌補這一部分；而Moldex3D SYNC幾何最佳化工具更可進一步幫助使用者簡化分析所需的工作。若將模流分析提供的分析結果項目也視為產品可製造性的一環，結合CAD與CAE的優點與功能，即可有效提升產品設計效率，縮短產品上市時間。