臺灣博碩士論文加值系統

多材料射出成型（Multi-Component Molding，MCM）製程是將多種材料或顏色分別成型於同一產品上，與傳統射出成型別於不同，其在固液結合界面上的多材料物理機制跟單一材料成型有所不同，在成型過程中MCM模穴內含多種材料物性，不只是傳統的單一金屬材質，因此容易產生非對稱熱傳導與非對稱冷卻收縮導致翹曲變形、結合性改變、殘留應力等現象，這些現象皆為影響產品品質良率的重要議題，因此本研究將對MCM製程進行相關的研究與探討。
本研究以CAE模流分析預測與多材料射出成型實驗進行比較，針對成品幾何變化與不同材料的選擇來進行翹曲變形的趨勢探討，由研究中可知兩者的翹曲變形趨勢大致相符變化一致，皆隨第二射寬度增加而翹曲量增加，熱傳導將在保壓冷卻階段的長時間內產生效應導致非對稱溫度、密度分佈，並隨第二射寬度增加而分佈越明顯，因而產生程度性的非對稱冷卻收縮導致MCM成品的翹曲變形，非結晶性材料嵌入件的變更對翹曲趨勢變化並無太大的影響。
本研究使用田口品質實驗探討成型參數對界面結合性的影響，經田口分析後可知液液結合與固液正向、側向流動結合三種試片的結合強度皆深受模具溫度、熔膠溫度的溫度效應嚴重影響，溫度高將使模內熱傳導慢、熱損失慢而使結合界面的高分子鍵結完全，因而提高結合強度。經嵌入材料變更單因子實驗中可知嵌入硬脆型塑膠材料將使固液界面結合強度弱化，且容易產生脆裂破壞的現象。
本文以光彈儀量測結合界面之殘留應力，可知第一射嵌入件嵌入模穴經第二次成型後，其界面殘留應力受成型溫度的退火作用影響而殘留應力值有變小的現象。但以收縮內凹嵌入件重新置入模穴內，受模穴干涉應力影響使其想收縮卻無法收縮而應力不平衡導致微量變形，將使其殘留應力有增加的現象。

In the modern plastic molded product fabrication, multi-component molding (MCM) is one of the great methods to diversify the development. Due to its complicated nature and the unclear physical mechanism for the Multi-Component Molding (MCM) processes, more investigations on its thermomechanical behavior are needed. In this study, the product geometrical effects and material selections in MCM processes have been conducted. Due to the differences between two plastic materials and the mold metal, there are complex temperature and stress distributions during the molding process. Warpage caused by such uneven temperature distribution will be investigated. The effects of the processing conditions on the bonding strength and residual stresses are also studied.
During the second shot, the polymer melt was filled between first shot and mold metal and this resulted in uneven temperature distribution of the second shot polymer. The asymmetric residual stresses were built up and caused warpage of the final parts. Both CAE simulation and real experimental data showed quite similar tendency of the final warpage. Due to this effect, the final part tends to warp inward while the thicknesses of 2nd shot are larger than 0.5 mm. The larger the 2nd shot thickness, the higher the warpage.
Effects of different processing conditions on the bonding strengths were studied by the Taguchi’s design of experiments. Experiment results reveal that the higher the mold temperatures, the higher the bonding strengths. Mold temperature is the key factor to affect the diffusion behavior. The second significant factor is the melt temperature. Normal contact has higher bonding strength than the shear contact because normal contact has similar directions of the molecular orientation.
The residual stresses were measured by the photo-elasticity equipment. After the 2nd shot, the contact regions between two shots experience an annealing-like process. This results in reduction of the residual stresses of the 1st shot. On the other hand, the uneven temperature results in higher residual stresses and warpage of the second shot.
The present results are believed to help people better understand the mechanism and make the proper design to fabricate the modern MCM products.

中文摘要 ------------------------------------------------------------------------------------------ I
英文摘要 ------------------------------------------------------------------------------------------ II

致謝 ------------------------------------------------------------------------------------------------ IV

目錄 ------------------------------------------------------------------------------------------------ V

表目錄 --------------------------------------------------------------------------------------------- VIII

圖目錄 --------------------------------------------------------------------------------------------- X

符號說明 ------------------------------------------------------------------------------------------ XIV

一、緒論 ------------------------------------------------------------------------------------------ 1
1-1 前言 ------------------------------------------------------------------------------------ 1
1-2 傳統射出成型 ------------------------------------------------------------------------ 2
1-3 多材料射出成型 -------------------------------------------------------------------- 3
1-4 研究動機 ------------------------------------------------------------------------------ 4
1-5 文獻回顧 ------------------------------------------------------------------------------ 5

二、研究方向與問題描述 -------------------------------------------------------------------- 16
2-1 研究方向 ------------------------------------------------------------------------------ 16
2-2 影響多材料射出成型品收縮與翹曲變形的因素 --------------------------- 16
2-2-1 MCM成型品的非對稱收縮 --------------------------------------------- 17
2-2-2 熱性質與機械性質為對翹曲變形之影響 ---------------------------- 17
2-2-3 殘留應力對翹曲變形之影響 -------------------------------------------- 18
2-3 影響多材料射出成型品界面結合性的因素 --------------------------------- 18
2-3-1 模具設計對界面結合性之影響 ---------------------------------------- 18
2-3-2 成品設計對界面結合性之影響 ---------------------------------------- 19
2-3-3 高分子鍵結行為對界面結合性之影響 ------------------------------- 19
2-3-4 噴泉流對界面結合性之影響 -------------------------------------------- 19
2-3-5 空氣雜質對界面結合性之影響 ---------------------------------------- 20
2-3-6 成型技術對界面結合性之影響 ---------------------------------------- 20

三、理論分析 ------------------------------------------------------------------------------------ 28
3-1 引言 ------------------------------------------------------------------------------------ 28
3-2 熱傳之統治方程式 ----------------------------------------------------------------- 28
3-3 應力應變之統治方程式 ----------------------------------------------------------- 29
3-4 保壓與冷卻時間之分析 ----------------------------------------------------------- 31
3-5 高分子結合界面之理論基礎 ----------------------------------------------------- 31
3-5-1 液液結合界面之理論 ----------------------------------------------------- 31
3-5-2 固液結合界面之理論 ----------------------------------------------------- 38
3-6 機械性質測試的理論基礎 -------------------------------------------------------- 41
3-7 田口品質工程 ------------------------------------------------------------------------ 42
3-7-1 望大特性的損失函數 ----------------------------------------------------- 43
3-7-2 信號雜訊比 ------------------------------------------------------------------ 43
3-7-3 直交表應用 ------------------------------------------------------------------ 44
3-7-4 數據分析流程 --------------------------------------------------------------- 45
3-8 平面光彈基本理論 ----------------------------------------------------------------- 48
3-8-1 平面光彈應力光性定律 -------------------------------------------------- 48
3-8-2 應力與雙折射率 ------------------------------------------------------------ 50
3-8-3 受應力塑膠件在圓偏振儀中之效應 ---------------------------------- 50
3-8-4 數位光彈理論 --------------------------------------------------------------- 52

四、實驗設備與方法 -------------------------------------------------------------------------- 61
4-1 實驗設備 ------------------------------------------------------------------------------ 61
4-1-1 立式射出成型機規格 ----------------------------------------------------- 62
4-1-2 全電式射出成型機規格 -------------------------------------------------- 63
4-2 多材料射出成型之模具設計 ---------------------------------------------------- 64
4-2-1 翹曲實驗之模具設計 ----------------------------------------------------- 64
4-2-2 界面結合性實驗之模具設計 -------------------------------------------- 65
4-3 軟體應用 ------------------------------------------------------------------------------ 68
4-3-1 應力分析軟體 --------------------------------------------------------------- 68
4-3-2 模流分析軟體 --------------------------------------------------------------- 69
4-4 塑膠原料物理性質 ----------------------------------------------------------------- 71
4-5 多材料射出成型實驗方法與流程 ---------------------------------------------- 74
4-5-1 翹曲實驗之實驗方法 ----------------------------------------------------- 74
4-5-2 界面結合性實驗之實驗方法 -------------------------------------------- 75
4-6 成品量測實驗 ------------------------------------------------------------------------ 76
4-6-1 翹曲量測 --------------------------------------------------------------------- 76
4-6-2 機械性質測試之拉伸試驗 ----------------------------------------------- 76
4-6-3 殘留應力之量測 ----------------------------------------------------------- 77
4-6-4 成型時之模內溫度與壓力量測 ---------------------------------------- 78

五、實驗結果與討論 -------------------------------------------------------------------------- 94
5-1 多材料射出成型之翹曲實驗結果與討論 ------------------------------------- 94
5-1-1 MCM之翹曲實驗CAE模擬 --------------------------------------------- 94
5-1-2 MCM之溫度分布觀察 ---------------------------------------------------- 98
5-1-3 MCM之密度分布觀察 ---------------------------------------------------- 99
5-1-4 MCM之CAE翹曲觀察 --------------------------------------------------- 99
5-1-5 MCM之翹曲實務射出成型實驗 --------------------------------------- 100
5-1-6 MCM之翹曲實驗光彈量測 ---------------------------------------------- 102
5-2 多材料射出成型之翹曲實驗結果與討論 ------------------------------------- 104
5-2-1液液結合界面之多材料射出成型田口實驗 ------------------------- 104
5-2-2固液結合界面之多材料射出成型田口實驗 ------------------------- 108
5-2-3液液結合與固液正向、側向結合試片之結合強度比較 ---------- 114
5-2-4 MCM模內溫度、壓力感測量測 --------------------------------------- 115
5-2-5 MCM之結合強度實驗光彈量測 --------------------------------------- 116
5-2-6 MCM結合強度之單因子嵌入材料變更實驗 ----------------------- 117

六、結論與建議 --------------------------------------------------------------------------------- 159
6-1 MCM之翹曲變形結論 ------------------------------------------------------------- 159
6-2 MCM之界面結合性結論 ---------------------------------------------------------- 159
6-3 建議 ------------------------------------------------------------------------------------ 160

參考文獻 ------------------------------------------------------------------------------------------ 161
附錄 實驗設備 ---------------------------------------------------------------------------------- 164

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