臺灣博碩士論文加值系統

隨著網際網路與交通運輸的蓬勃發展，各家企業面臨來自世界各地相同類型產業的衝擊，使得商業競爭變得更加激烈；於是如何在這樣的環境下生存，成為各企業最重要的課題。在這樣的背景下，快速模具技術逐漸成為常用的製造方式。隨著產品生命週期不斷縮短，少量多樣之產品逐漸受到重視，因此真空注型技術因應而生。真空注型技術是一種透過使用矽膠模具，來進行小批量生產塑料原型件的方法，可以快速製作樣品，縮短產品開發時間，加速產品上市。傳統真空注型技術運用重力使注型材料進入模穴，對於幾何形狀複雜件與薄殼件之製作良率低，翻製件經常產生各種缺陷，例如:氣泡、間隙、分模線、收縮痕跡或短射。因此，本研究提出透過差壓真空注型來克服這些缺點，運用差壓真空注型技術來製作具有微結構之元件，以常見的菲涅爾透鏡做為微結構原型件，並翻製其矽膠模具，以進行真空注型；研究結果發現差壓真空注型技術確實可以改善真空注型品之缺陷，微結構元件於真空注型製程轉寫率，即翻製件與原型件之尺寸比值，由最低36.3%提升至最高98.3%。此外，本研究亦運用伯努利方程式及連續方程式，提出差壓效應之理論推導。最後，本研究設計水平、垂直兩種研究載具，藉以探討差壓真空注型中的差壓效應於注型時，對於水平及垂直兩方向的充填機制及效益，並使用模流分析軟體Moldex3D模擬材料填充過程；接著透過3D列印技術將研究載具實體化，並製作其矽膠模具進行真空注型，以提出差壓效應於水平、垂直方向之充填機制。

Owing to the advances in internet and transportation, enterprises have been deeply affected by the impact of same type companies from all over the world. How to survive in such an ordeal has become the most important issue for all enterprises. Against such a background, rapid tooling technology has gradually become a common manufacturing method. As the product life cycle getting shorter, a small batch production of flexible products has been gradually discussed. Therefore, vacuum casting technology was proposed. The traditional vacuum casting technology fills the mold cavity up with material only by gravity, and the yield rate of the complicated geometric shape and the thin shell products is low. The product of traditional vacuum casting technology frequently have several defects such as micro-bubbles, voids, weld lines, shrink mark, or short shot. Therefore, this study used differential pressure vacuum casting technology to fabricate components with microstructures. Fresnel lens was used as a microstructure prototype. The results of the study found that differential pressure vacuum casting technology can improve the defects of vacuum casting products obviously. The transcription rate of micro-featured components manufactured by the vacuum casting process was increased from a minimum of 36.3% to a maximum of 98.3%. In addition, this study also used the Bernoulli’s equation and the equation of continuity to propose the theory of the differential pressure effect. Furthermore, in order to propose the filling mechanism of the vacuum casting machine, this study developed the horizontal and vertical research models. The mold flow analysis software Moldex3D was used to simulate the material filling process. The research models were manufactured by 3D printing technology, and the silicone rubber mold was made for vacuum casting. Thus, this study proposes a filling mechanism for vacuum casting in horizontal and vertical directions.

目錄

明志科技大學碩士學位論文指導教授推薦書 i
明志科技大學碩士學位論文口試委員會審定書 ii
誌謝 iii
摘要 iv
ABSTRACT v
目錄 vi
圖目錄 viii
表目錄 xii
第1章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機與目的 3
1.3 論文架構 3
第2章 文獻回顧 5
2.1 快速模具技術簡介 5
2.2 真空注型技術簡介 10
2.3 真空注型技術相關專利 23
第3章 實驗規劃與方法 28
3.1 實驗材料 29
3.1.1 矽膠主劑與硬化劑 29
3.1.2 ABS樹脂主劑與硬化劑 30
3.1.3 PLA線材 31
3.1.4 離型劑 32
3.2 實驗設備 33
3.2.1 真空注型機 (Vacuum Casting Machine) 33
3.2.2 3D列印機 (3D Printer Machine) 34
3.2.3 高溫型熱風循環烘箱 (Hot Circulator Exact Oven) 35
3.2.4 金相顯微鏡 (Metallurgical Microscope) 36
第4章 製作具有微結構元件之快速模具研製與應用 37
4.1 前言 37
4.2 實驗過程 37
4.3 結果與討論 45
4.4 結論 52
第5章 差壓效應於真空注型元件之充填機制研究 53
5.1 前言 53
5.2 實驗過程 53
5.3 結果與討論 56
5.4 結論 63
第6章 總結與未來展望 64
6.1 總結 64
6.2 未來展望 65
參考文獻 66

圖目錄

圖 2.1 快速原型技術與快速模具技術比較示意圖 5
圖 2.2 快速鑄造示意圖 6
圖 2.3 渦輪葉片 (a)原型件，(b)(c)快速鑄造成品 6
圖 2.4 選擇性雷射燒結成型技術示意圖 7
圖 2.5 直接金屬雷射光燒結示意圖 8
圖 2.6 矽膠模具製作流程示意圖 8
圖 2.7 金屬表面塗佈模具示意圖 9
圖 2.8 快速板金模具製程應用 (a)熱壓成型及(b)旋轉成型 10
圖 2.9 螺旋葉片之CAD模型、原型件及產品 11
圖 2.10 透過微型光固化成型法製造之螺狀齒輪SEM照片 12
圖 2.11 微型真空澆注流程示意圖 12
圖 2.12 澆注溫度170℃之微型真空澆注螺狀齒輪 13
圖 2.13 澆注溫度150℃之微型真空澆注螺狀齒輪 13
圖 2.14 透過紫外線光刻法製作之微型齒輪 (a)具微型齒輪圖案之光罩及(b)SU-8光阻劑之微
型齒輪 14
圖 2.15 微型齒輪之矽膠模具製作流程示意圖 14
圖 2.16 PU樹脂之微型齒輪 15
圖 2.17 微型流道 (a)光罩圖像，(b)(c)SEM照片 15
圖 2.18 微型流道之矽膠模具SEM照片 16
圖 2.19 SEM照片 (a)8 μm微型流道及(b)8 μm微型流道之矽膠模具 16
圖 2.20 電極製作流程示意圖 17
圖 2.21 電極SEM照片 17
圖 2.22 電極 (a)濺鍍前及(b)濺鍍後 18
圖 2.23 鯊魚皮表面微型溝槽SEM照片 18
圖 2.24 微溝槽矽膠成品製作流程示意圖 19
圖 2.25 微溝槽矽膠成品 19
圖 2.26 表面接觸角比較 (a)光滑矽膠表面及(b)微溝槽矽膠成品 19
圖 2.27 真空注型之齒輪 (a)環氧樹脂及(b)環氧樹脂複合材料 20
圖 2.28 安全眼鏡製作流程示意圖 21
圖 2.29 測試樣品 (a)真空注型機，(b)FDM快速成型機，(c)透過真空注型技術製作及(d)透
過熔融沉積成型製作 22
圖 2.30 常見缺陷 (a)尺寸失真，(b)結塊，(c)氣泡及(d)氣孔 22
圖 2.31 抽真空排氣結構 23
圖 2.32 雙色真空注型結構 24
圖 2.33 自動控制恆定壓差系統之真空注型設備 25
圖 2.34 真空注型技術之自動氣泡消除系統 25
圖 2.35 外接分離式真空注型機 26
圖 2.36 真空自動注型機 27
圖 3.1 論文實驗規劃流程圖 28
圖 3.2 矽膠主劑與硬化劑 29
圖 3.3 ABS樹脂主劑與硬化劑 30
圖 3.4 PLA線材 31
圖 3.5 離型劑 32
圖 3.6 真空注型機 33
圖 3.7 3D列印機 34
圖 3.8 高溫型熱風循環烘箱 35
圖 3.9 金相顯微鏡 36
圖 4.1 真空注型技術常見缺陷 (a)溢料，(b)缺料，(c)漬痕及(d)氣泡 37
圖 4.2 快速模具製作流程示意圖 38
圖 4.3 差壓式真空注型技術生產流程 38
圖 4.4 差壓式真空注型機實體圖及其內部機構示意圖 39
圖 4.5 真空幫浦抽真空時間與氣壓變化關係折線圖 40
圖 4.6 真空注型流程壓力變化示意圖 41
圖 4.7 風扇蓋示意圖 42
圖 4.8 安全帽頭頂通風推蓋快速模具 42
圖 4.9 菲涅爾透鏡微結構示意圖 43
圖 4.10 菲涅爾透鏡實體圖 43
圖 4.11 深度剖面寫真圖 (a)菲涅爾透鏡及(b)菲涅爾透鏡矽膠模具 44
圖 4.12 真空注型過程示意圖 46
圖 4.13 破真空時間與氣壓變化關係折線圖 (a)0秒差壓時間及(b)10秒差壓時間 47
圖 4.14 差壓時間與壓力差關係折線圖 48
圖 4.15 差壓時間與壓力差做功大小折線圖 49
圖 4.16 成品特徵局部放大圖 (a)2秒，(b)4秒及(c)6秒 50
圖 4.17 安全帽頭頂通風推蓋成品 (a)裝配於安全帽上，(b)頭頂通風推蓋實體圖，(c)無透過
差壓效應輔助充填及(d)透過差壓效應輔助充填 50
圖 4.18 菲涅爾透鏡成品 (a)無透過差壓效應輔助充填及(b)透過差壓效應輔助充填 51
圖 4.19 菲涅爾透鏡微結構轉寫率折線圖 52
圖 5.1 差壓效應於水平方向充填機制之載具圖 53
圖 5.2 差壓效應於主要水平方向與次要垂直方向充填機制之載具圖 54
圖 5.3 差壓效應於垂直方向充填機制之載具圖 55
圖 5.4 差壓效應於主要垂直方向與次要水平方向充填機制之載具圖 55
圖 5.5 水平研究載具注型過程模流分析，(a)25%充填時間，(b)50%充填時間，(c)75%充填
時間及(d)100%充填時間 56
圖 5.6 水平研究載具真空注型過程，(a)材料注入模具後0秒，(b)2秒，(c)7秒，(d)13秒，
(e)15秒，(f)16秒，(g)17秒，(h)19秒，(i)20秒，(j)22秒，(k)25秒及(l)60秒
57
圖 5.7 水平研究載具真空注型成品，(a)0秒差壓時間，(b)2秒差壓時間，(c)4秒差壓時間，
(d)6秒差壓時間，(e)8秒差壓時間及(f)10秒差壓時間 58
圖 5.8 差壓真空注型於水平方向之充填機制示意圖 59
圖 5.9 差壓真空注型於主要水平與次要垂直方向成品及充填機制圖 59
圖 5.10 垂直研究載具注型過程模流分析，(a)25%充填時間，(b)50%充填時間，(c)75%充填
時間及(d)100%充填時間 60
圖 5.11 水平研究載具真空注型過程，(a)材料注入模具後0秒，(b)4秒，(c)5秒，(d)6秒，
(e)7秒，(f)8秒，(g)9秒，(h)12秒，(i)13秒，(j)14秒，(k)16秒及(l)25秒 61
圖 5.12 垂直研究載具真空注型成品，(a)0秒差壓時間，(b)2秒差壓時間，(c)4秒差壓時間，
(d)6秒差壓時間，(e)8秒差壓時間及(f)10秒差壓時間 62
圖 5.13 差壓真空注型於垂直方向之充填機制示意圖 62
圖 5.14 差壓真空注型於主要垂直與次要水平方向成品及充填機制圖 63

表目錄

表 3.1 矽膠KE-1310ST規格表 29
表 3.2 ABS樹脂XK-019402N規格表 30
表 3.3 PLA線材規格表 31
表 3.4 真空注型機F-600規格表 33
表 3.5 3D列印機YK-210規格表 34
表 3.6 高溫型熱風循環烘箱DH400規格表 35
表 3.7 金相顯微鏡M835規格表 36
表 4.1 菲涅爾透鏡快速模具深度轉寫率 45

參考文獻

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