SOLIDWORKS Plastics 凹陷与空孔分析研究 | 技术文章

  在现今塑胶的发展已经是达到尖峰的时代，更是日常生活中不可或缺的元素之一，像是现在的智能手机、液晶荧幕、冷气机、电风扇、居家摆设、五金零件还有高精密电子零件、光学零件等等，都是由塑胶为主体制造而成的，正因为塑胶有重量轻、坚固耐用、电绝缘性、耐蚀性、成型复杂性高的产品、一体成型、生产效率高、原料丰富且价格低廉、色彩鲜明种种的优点，许多零组件都逐渐被塑胶制程所取代。

  凹陷与空孔的形成是一体两面的，其主要原因如下：

  1.凹陷(Sink Mark):
  为冷却期间的热收缩所致，当外部材料冷却并凝固之后，公模仁材料便会开始冷却，它的收缩会将主模壁表面向内拉，进而造成凹陷。

2.空孔(Void)：
  各位读者应该比较熟悉表面的凹陷，而对于空孔就比较陌生了，空孔的成因为当表面凹陷不再发生了，表层够硬造成表面不会出现变形，零件外部表层的劲度足以抵抗收缩力进而阻止表面凹陷时，而材料公模仁也会收缩，影响零件内产生空孔(图1)。

  图1

  本案例透过SOLIDWORKS处理模型配置，并且使用SOLIDWORKS Plastics进行网格划分，网格类型为四面体混种网格，水路使用同轴网格，模具则使用四面体网格建立，网格总数约为159万元素(图3)。

  本案例辊轮产品材质选用日本旭化成株式会社的POM，型号为Tenac 3010(图4)，嵌件材质为AISI E52100精炼轴承钢，冷却液为软体预设值水，模具材质为预设值Stell-420SS。

  本案例充填设定为一段，料温200℃，模温65℃，螺杆直径35mm，最大射出压力178.68 MPa，参考射出率164 cc/s；保压设定为一段，保压压力时间1 Sec，保压压力50 MPa，纯粹冷却时间25 Sec；翘曲设定环境温度为30℃，重力方向为-Y方向；冷却设定公模侧路温度为13℃，母模侧度65℃；嵌件初始温度30℃(图5)。

  本案例相关参数输入完成后执行冷却、充填、保压、翘曲进行分析，得到以下的分析结果并与实际射出产品对照：
  ●    充填短射图－从模拟与实际的射出短射产品可看出，此产品的流道设计为不平衡的，在短射图中可看出上下两个辊轮为流动的末端，但如果此产品为对称的应该会是同时充填完成，从结果中发现上方比下方流动的慢，其主要的原因为受到重力场的影响，再者此副模具因为修模多次，造成模具品质下降，因此人为因素也有影响产品的流动状况(图6)。

  图6

  ●     凹陷结果-从SOLIDWORKS Plastics的凹陷结果看出，整体凹陷最严重的区域为竖浇道的底部，此处也是整体肉厚最厚的区域，在流道的表面也可看出浅绿色的凹陷分布，而产品与嵌件接触面凹陷值为0mm，主要的原因是金属能够帮助热的降温，所以此处受到有效的降温并且表面产生足够抵抗收缩的劲度，不过之前提到虽然表面不再产生凹陷了，但内部却有可能产生空孔现象，目前的软体包括其他同业软体都还不能够呈现内部空孔的结果显示，因此可以从体积收缩率的结果预测空孔的产生(图7)。

  图7
  ●    体积收缩率-从SOLIDWORKS Plastics的模拟结果与实际产品比较，实际产品经过切割机切开之后，以影像处理方式将内部空孔明显化，在模拟结果当中可以看出体积收缩在进浇处的发生率比较高，跟实际产品比较可以看出与模拟结果相近似，都有出现大片体积收缩和空孔的区域，因此模拟结果是值得参考的(图8)。

  1.此模型造成凹陷与空孔的原因主要为产品设计的问题，必须改善肉厚不均的问题。
  2.建议增加保压压力以及保压时间有效改善凹陷与空孔问题。
  3.此模型为单一产品两进点的方式充填，一般建议圆形的产品以三点进浇会改善凹陷与空孔的问题，并且改变模穴排列位置以改善流动不平衡问题。
  4.从此例可以看出，当未以模流分析评估产品是否造成短射、凹陷、空孔、流动不平衡等等的缺陷问题，就开模具试模生产，而造成日后因碰到这些问题而开始胡乱修模填补，造成更多的问题出现，因此模流分析还是在塑胶制程中不可或缺的工具。