大綱

精密光學組件的射出成型技術發展至今已相當成熟，然而隨著成品精度的要求越來越高，包括殘留應力分布、翹曲及凹痕等問題都必須嚴格控制，因此成型技術的改良勢在必行。臺科大精密制造實驗室期望開發模內微壓縮成型(In-Mold Micro Compression, IMMC)制程，以改善射出成型所產生的缺陷。在開發之前，先藉由Moldex3D的射出壓縮成型模塊進行分析，判斷產品是否確實達到優化，以評估開發新制程的可行性。分析結果發現模內微壓縮成型在產品凹痕、體積收縮和集光效果等方面都有顯著改善；經實際試模和量測之后，同時也驗證Moldex3D分析的高準確度。

挑戰

• ?壓力分布不均

• ?體積收縮率過高

• ?翹曲變形問題

解決方案

藉由Moldex3D射出壓縮成型模塊進行傳統射出制程和IMMC制程的分析和比較，以決定是否應用新的制程。

效益

• ?壓力分布均勻度大幅改善

• ?產品光照度提升7.35%

• ?體積收縮率由6.62%降低至4.25%

案例研究

圖一 本案例的復合式棱鏡為塑料制的集光組件

復合式棱鏡是自然導光系統中的集光組件，用于室外或建筑物屋頂收集陽光(圖一)。為了提升產品的導光效率，澆口位置必須避開導光處，設計于產品薄端，卻因此不利壓力傳遞和塑料流動。此外，為了提升導光效果，產品中有兩處狹縫設計(圖二)，造成局部模溫較低。塑料流經模溫較低處時容易凝固而難以流動，導致壓力傳遞不易，體積收縮率也較高，使成品后端產生明顯凹痕，影響集光、傳光與出光的效果。為解決這些難題，臺科大精密制造實驗室運用Moldex3D模流分析軟件，評估開發模內階段式射壓成型制程，是否能夠獲得較優化的產品。 

圖二 產品有兩處狹縫設計，會導致流動不平衡情形

首先藉由Moldex3D來進行射出成型制程的分析。在凹痕指標的分析中，圖三(左圖)顯示產品厚段處的凹痕指標大，原因是內部塑料溫度高，使得表面向內收縮而導致凹痕。圖三(右圖)則顯示產品第三齒處有較大的凹痕位移，表示產品末端體積收縮率大，以致平面度不佳，降低集光效果。

圖三 進行射出成型制程分析，保壓結果中的凹痕指標(左)及凹痕位移(右)情形

接下來利用Moldex3D進行模內階段式射壓成型的分析。分析結果發現，IMMC制程的體積收縮率，比傳統制程少了 18.9%(圖四)。在翹曲變形的部分，從翹曲分析結果中的Z方向位移，也可看出IMMC制程比射出成型優化了71%(圖五)。

(a) (b)
圖四 保壓結果的體積收縮率比較：圖(a)為傳統射出制程，體積收縮率在-2.9%~2.323%之間；
圖(b)為IMMC制程，體積收縮率在-3.7%~0.69%之間。

 (a)(b)
圖五 翹曲分析中的Z方向位移：圖(a)為傳統射出制程，Z方向位移范圍為-1.497~0.701mm；
圖(b)為IMMC制程，Z方向位移范圍為-0.325~0.311mm。

比較兩種制程的總和光彈條紋分析結果(圖六)則可發現，傳統制程在澆口處的光彈條紋變化劇烈，表示有較大的殘留應力，應是使用較大的保壓壓力所造成。而在IMMC制程中，因為有模內壓縮的輔助，可降低澆口壓力，所以澆口處的條紋變化較不劇烈。

完成模流分析后，便進行實際試模，以驗證Moldex3D分析結果的準確度。Moldex3D的分析與實際驗證結果都顯示，在射出成型制程中，產品的兩狹縫會造成壓力傳遞困難，造成產品后端有凹痕產生(圖七)。改用模內階段式射壓成型(IMMC)制程后，可成功開發無凹痕的產品(圖八)。

圖七 Moldex3D凹痕模擬分析結果分析(圖左)與實際試模(圖右)結果高度一致

圖八 模內階段式射壓成型開發的產品無表面缺陷

結論

在產品的光照度部分，實驗室以LED燈泡照射方式進行驗證。經六次取樣，傳統制程與射壓制程的平均光照度分別為299Lux和321Lux，射壓制程的光照度獲得7.35%提升。最后使用光彈條紋量測機臺進行光彈條紋的驗證。從圖九可發現，模流分析和實際實驗結果高度吻合，也證明Moldex3D對光彈條紋預測分析準確度十分準確。

由以上量測結果可證明，Moldex3D的分析與實際試模結果有高度一致性，有助于驗證新制程是否有助于開發復合式棱鏡。若缺少Moldex3D模擬輔助成型這個過程，會浪費不必要的設計與加工費用；萬一壓縮制程無法如預期提升導光效果，開發過程的損失將難以估計。

圖九 Moldex3D模內階段式射壓成型光彈條紋的預測結果(左)及實際實驗量測結果(右)比較