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應用模流分析探討模內裝飾製程影響之研究 報告者：李政龍 指導教授：曾信智 博士
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大綱 前言 模內裝飾技術簡介 實驗內容 結果與討論 結論
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一、前言 模內裝飾射出成型技術是近年來先進的射出製程之一，因 整合印刷、成型及射出製程而大幅減少二次加工的污染， 通常用於曲率變化不大且重視表面外觀的產品。 該技術現廣泛應用在電子產品、家電、汽機車等外觀件中 ，IMD製程需先將裝飾薄膜利用熱壓(Thermo Forming)製 程塑形半成品，造成會產生厚度分佈不均一，並可能因結 構應力或熱應力產生翹曲變形，傳統模流分析無法考慮到 此一現象，近年來CAE軟體已可以提供崁件或多設成型的 應用。 本研究使用模流分析軟體Moldex3D模內嵌件功能做模內 裝飾技術的製程特性探討，分析造成缺陷的原因然後去做 製程改善。
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二、模內裝飾技術簡介 IMD(In-Mold Decoration)技術為德國Bayer所發表的新製程， 主要是將文字、圖案、雕紋等裝飾薄膜，嵌入模具內一併 進行射出的製程。 IMD技術的目的在於減少後續的產品裝飾行程，如噴塗、 熱轉印、雕刻、電鍍等，具有提高產品質量、增加產品外 觀複雜性、可看性及耐用性等優點。 IMD技術依應用面及薄膜嵌入方式不同可分為以下三類：
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IMF(In-Mold Forming)：
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IMR(In-Mold Roller)： IMR製程為將印刷油墨以熱轉寫的方式轉印製產品表面 ，通常用於曲率變化小的簡單曲面且需量產性的產品上 ，其製程是以連續式的薄膜經由送箔機及壓板定位於射 出模腔，以真空裝置令薄膜服貼於母模面上，再進行射 出熔融樹脂，此時油墨會轉印於樹脂的表面，開模時油 墨會和薄膜分離，完成塑件的表面裝飾，如圖2.2所示。 (a)固定薄膜位置 (b)射出成型 (c)開模轉寫成型 圖2.2 IMR 製程步驟示意圖
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IML(In-Mold Label) IML俗稱模內貼標，主要為瓶罐、杯碗、控制面板等一 般平面或規則曲面上使用，通常用於食品工業或食品包 裝上，其製程與IMF相同，成型後薄膜也會留在產品表 面形成保護膜。 相較傳統塑料裝飾方法，IMD製程所具備的競爭優勢： 印刷薄膜擁有多樣性的顏色變化及高度色彩對比，提供 色彩一致性。 可使用外觀材質多樣化之產品，如金屬、皮革、木紋、 石紋等。 使用表面硬化層薄膜，使產品能抗腐蝕與刮傷提高產品 耐久性。
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使用於複雜幾合的外型產品，同時維持產品印刷均一性。
一體成型的設計與技術，減少產品製造的程序。 可避免溶劑與揮發物的汙染，減少對環境的危害。 但IMD製程也存著以下缺點： 須額外投資對裝飾薄膜進行裁切、印刷、輸送、模內定 位等設備成本。 裝飾薄膜通常於射出成型時，會與塑料產生黏滯作用而 產生產品缺陷。 裝飾薄膜如有摺皺、破損、伸長延展等問題，會造成產 品不良率提高。 模內溫度不均造成產品翹曲變形問題加重。
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常見IMD應用案例：
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三、實驗內容 產品簡介： 產品尺寸：總長91.93mm、總寬80.33mm、總高13.66mm、 平均厚度2mm。
圖3.1 PDA面板外殼示意圖-正面 圖3.2 PDA面板外殼示意圖-背面
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產品使用塑料：PC+PET， TEIJIN Panlite GM-9315 薄膜使用塑料：PET，SABIC(GE) VALOX-365
使用材料： 產品使用塑料：PC+PET， TEIJIN Panlite GM-9315 薄膜使用塑料：PET，SABIC(GE) VALOX-365 圖3.3產品塑料加工條件表 圖3.4薄膜塑料加工條件表
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前置處理流程 1.產品繪製
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2.產品外觀特徵挑面(定義厚度)
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3.產品厚度法線向量方向定義
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充填分析： 充填過程為將塑料注入模穴內的行程，因此在此階段分 析的重點在： 流動波前：觀察塑料流動平衡狀況，及是否有包封、滯 留的情況。 射出時間：依射出機台每秒射出塑料量大小而定。 射出壓力：尋找適合本產品的射出壓力。 剪切力：塑料在充填過程，會使分子鏈互相拉扯而產生 剪切力，過大容易造成裝飾薄膜破損。
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保壓分析： 保壓階段主要是為使塑料提高密度，而在充填末期經 V/P切換而讓塑料持續施以壓力注入模穴，為所有射出 成型行程中，最重要的步驟，在此階段須著重分析： 保壓壓力：找出最適當的保壓壓力，圖3.5。 保壓時間：保壓時間長短會影響產品變形情況，因此須 選擇最適當的保壓時間。 收縮及翹曲：保壓的目的在於增加塑料密度，因此保壓 階段的理想機能即在於減少收縮及翹曲的情況。
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圖3.5保壓理想區間
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冷卻分析： 射出成型在冷卻階段時，已無塑料注入模穴的情況，因 此在此階段的分析，只需著重於以下幾點： 冷卻效率：冷卻效率代表的是水路系統帶走模具中熱量 的百分比，由此可以看出水路系統設計是否良好。 冷卻時間：塑料固化到可頂出溫度的時間。 平均溫度：IMD製程常會因溫度不均問題而影響翹曲變 形情況。
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四、結果與討論 充填分析(原始流道設計) 流動波前與射出時間 圖4.1原始設計充填階段流動波前圖
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充填分析(設計變更1) 流動波前與射出時間 圖4.2設計變更1充填階段流動波前圖
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充填分析(設計變更2) 流動波前與射出時間 圖4.3設計變更2充填階段流動波前圖
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射壓 圖4.4射壓壓力歷程曲線圖
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剪切應力 圖4.5剪切應力示意圖
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保壓分析由於與保壓壓力、保壓段數、保壓時間有互相 的交互作用，以下為保壓試模實驗中得到的最佳保壓。
圖4.6保壓階段體積收縮率示意圖 圖4.5保壓壓力歷程曲線圖
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翹曲變形 圖4.7翹曲變形位移圖
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冷卻分析 冷卻效率 圖4.9冷卻效率示意圖 圖4.8冷卻效率分佈長條圖
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平均溫度 圖4.9平均溫度分佈示意圖
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五、結論 本案產品流道設計採用設計變更1的設計方案，其在流動 平衡方面是最為平衡的，在射出階段影響薄膜剪切作用最 大的製程參數為射出時間，也就是注入塑料的速度，經本 研究實驗可以得到最佳的射出時間為1秒及射壓90MPa時， 可以降低剪切率達1.496MPa。 保壓階段的壓力、時間及段數之間的選擇，影響著整體產 品翹曲變形的大小，經本研究實驗得到最佳保壓壓力為 100%，持續4.85秒並以一段保壓方式最佳，其翹曲變形量 可以降低至0.4202mm，體縮率也可縮減至2.857%。
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水路設計方面可以使產品在冷卻階段之平均溫度分布均衡 ，實驗獲得較佳之冷卻時間為7秒。
經由本實驗可以獲得一模兩穴產品之模具設計資訊，之後 可以應用於IMD技術的射出成型製程上。 使用模流分析軟體模內嵌件的分析方式，可以應用於IMD 技術的製程分析，因此不需再經由傳統的試模方式來進行 模具設計，加快IMD技術模具開發的製造效率。
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