特別感謝光寶科技提供實驗數據及進行相關研究討論
徐志忠
在氣體輔助成型中，常遇到的問題之一就是氣體指紋效應，即為氣體不均勻地滲透入成品的中心部位，形成指紋狀分支；嚴重的指紋效應會顯著降低塑件的剛性[i]。根據氣體輔助射出成型的實驗研究，氣體指紋效應主要是由二次氣體滲透引起的[ii]。
短射法是氣體輔助射出成型早期的成型方法，透過輔助氣體來掏空成品，達到節省塑料及減輕重量。在使用氣體輔助成型加強薄板剛性時，通常會用肋作為氣體通道，並透過輔助氣體掏空進而產生空隙。設計不良的肋薄板幾何，常因不當掏空導致成品的剛性明顯減弱[iii]。
當成型成品遇到翹曲問題時，通常採用「滿射式氣體輔助成型」來補償收縮和提高產品品質。此成型方式是在樹脂充滿模穴的情況下，導入輔助氣體，因此氣體滲透的行為僅靠二次滲透行為來達成。所以氣體掏空區域相對較小；同時又可以透過掏空氣體，來降低掏空區域的殘餘應力，減少凹痕[iv]。由於滿射成型法的氣體輔助是靠二次滲透行為來達成，氣體滲透容易呈現複雜的指紋效應。
有鑑於上述成型挑戰，本實驗案例將以一個複雜幾何，進行滿射成型法模擬，希望透過模擬，預測二次滲透的結果。本案例產品為印表機進紙上蓋(圖一)，由於印表機需要相當好的平面度，避免影響出紙功能，因此產品變形度要求甚高。本案例利用Moldex3D模擬滿射成型法，在熔膠已填滿模具後，藉由輔助氣體對結構肋的地方進行掏空，避免產生縮痕，同時強化該處的機械性質。實驗所使用的材料為非結晶性透明的ABS丙烯腈，材料參數是參照Moldex3D內建材料資料庫設定，便於與模擬進行氣體滲透的比對，也可評估出對於二次滲透的預測準確性。
此成型方式是以滿射法的方式進行氣輔充填，所以氣體進入模穴內的方式，是由於熔膠開始冷卻收縮，使得氣體有空間可以進行穿透；但因為熔膠已佔據模穴內大部分的流動空間，導致氣體從氣道中跑出，遷移到成品中不需孔道的部位，因此會產生明顯的指紋效應。指紋效應嚴重時會大幅降低成品的剛度、衝擊強度和穩定性。因此，若能有效抓取出易產生指紋效應的區塊，便能更正確的選擇氣針的入口處。
圖一 印表機進紙元件幾何示意圖
首先，進行實驗與模擬在流動波前的比較由於此產品為雙點進澆流道設計，所以熔膠流動波前會從澆口處以放射狀的方式，朝肉薄處流動，從圖二及圖三可發現流動波前在充填2秒及2.84秒之比對皆相當符合。
圖二 實驗(上排圖)和模擬(下圖)流動波前在充填2秒的比對
圖三 實驗(上圖)和模擬(下圖)流動波前在充填2.84秒的比對
從實驗及模擬的流動比對(圖四)中可發現，由於熔膠充滿後有三個氣體注入口，會分別形成三個區域的指紋效應掏空分支：氣針2位於底部中心形成分支2，另外兩個氣針1號及3號，則分別在左右側形成分支1及3。由於氣針2號最靠近熔膠入口，當氣體從此進入時，由於熔膠的溫度較高，流動阻力將降低，因此分支2的指紋效應最明顯。反之，其餘的氣針入口，熔膠的溫度較低，指紋效應不如分支2明顯。這樣的趨勢也可由圖五平均體縮率的等位面分布中發現，觀察到體積收縮率平均值等位面的分布，都集中在氣針2號處。
(a) (b)
圖四 印表機進紙上蓋氣體掏空圖(a)實驗和(b)模擬結果比較
圖五 在輔助氣體注入時，體積收縮率等位面分布模擬結果
由於實驗不易定量指紋效應的大小，為了有效量化氣體指紋效應的形狀大小，參考文獻[v]定義指紋投影面積比例如下：
為上視圖的氣體指紋效應掏空總投影面積。比對實驗和模擬在指紋面積比例的差異，可以發現實驗和模擬的結果有一致性的趨勢(圖六)。
分析結果顯示，氣體滲透行為的模擬分析與實際試模二次滲透行為的結果一致。藉由Moldex3D 氣體輔助射出成型模組(GAIM)的模擬分析，可以有效預測氣體指紋效應的滲透分布，進而滿足產品公差要求。
圖六 比較實驗及模擬在不同分支的指紋面積比例
[i] X. Lu, H.H. Chiang, L. Fong, J. Zhao and S. C. Chen, “Study of “gas fingering” behavior in gas‐assisted
injection molding”, Polymer Engineering & Science, 39 (1) , 62-77, 1999
[ii] K.Y. Lin and S.J. Liu, “The influence of processing parameters on fingering formation in fluid‐
assisted injection‐molded disks”, Polymer Engineering & Science, 49 (11), 2257-2263, 2009
[iii] R.D. Chien, S.C. Chen, M.C. Jeng and H.Y. Yang, “Mechanical properties of gas-assisted injection
moulded PS, PP and Nylon parts”, Polymer, 40(11), 2949-2959, 1999
[iv] S.Y. Yang, C.T. Lin and J.H. Chang, “Secondary gas penetrations in ribs during full‐shot gas‐assisted
injection molding”, Advances in Polymer Technology, 22(3), 225-237, 2003
[v] S.J. Liu and S.P. Lin, “Factors affecting the formation of fingering in water‐assisted injection‐molded
thermoplastics”, Advances in Polymer Technology, 25(2), 98-108, 2006
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徐志忠 博士 科盛科技(Moldex3D) 清華大學化工所博士，現職為科盛科技研發部專案經理，主要負責核心求解器開發、專案規格客制開發。專業研究領域專長為高分子流變學之材料研究、計算流體力學 / CAE軟體求解器開發、IC封裝制程、流體(氣、水、共射出)輔助成型、樹脂轉注成型模擬，發表過近二十篇技術論文及數個專利，並與多家封裝廠進行專案合作開發。 |