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

大綱 前言 模內裝飾技術簡介 實驗內容 結果與討論 結論

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。

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：

IMF(In-Mold Forming)：

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

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。

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。

常見IMD應用案例：

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

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

前置處理流程 1.產品繪製

2.產品外觀特徵挑面(定義厚度)

3.產品厚度法線向量方向定義

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。

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。

圖3.5保壓理想區間

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。

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

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

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

射壓 圖4.4射壓壓力歷程曲線圖

剪切應力 圖4.5剪切應力示意圖

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

翹曲變形 圖4.7翹曲變形位移圖

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

平均溫度 圖4.9平均溫度分佈示意圖

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%。

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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