【毕业学位论文】射出成形之功能按键弹臂长度影响与疲劳寿命分析-机械工程

國台灣科技大學 機械工程系 碩士學位文 學號：出成形之功能按鍵彈臂長影響與疲壽命分析 ey 究 生：冠延 ( 指導教授：陳炤彰 博士 (A. 中華民國九十九月二十九日 I 中文摘要 本研究目的在探討 3C 產品中常用的功能按鍵，在融膠充填的過程中經同長設計的彈臂，對翹曲與疲壽命的影響。用模分析軟體 有限元素分析軟體 11 及實驗設計法搭配反應曲面分析。採用保壓壓、模具溫、卻時間等因子。結果發現，彈臂長與保壓壓為影響翹曲的最重要之因子。從等高線圖的結可以得知彈臂在 31保壓壓在 120%(射壓 條件下，會有最小翹曲。搭配模具溫 80 與卻時間 15 以得到最低翹曲 在射出實驗的模具中，相同的彈臂長的功能按鍵，經過 測其翹曲，搭配較高的保壓壓所生產功能按鍵其翹曲較小。在有限單元分析的結中，可以得知改後較短的彈臂設計其抗疲壽命較佳。本研究結果可運用於很多彈臂結構的設計 上且供機構工程師作為設計之考。 關鍵字： 彈臂長、模分析、實驗設計、反應曲面法、有限單元分析。 is to of C To of of in AE 9.1 11 on of of 1 mm of 120%(80 5 of of MM of be a of 謝 在業界從事 3C 產品機構設計幾下，有接觸到一些射出實務、模分析、結構應分析的工作報告。對於其中模擬計算結果與實際射出產品的測試結果有所差距 的原因，是學生最需要學習的地方。 首先感謝指導教授陳炤彰 師，三於研究、研究程的規劃與文費心的指導，讓學生在工作之餘對專業域的收獲為充實，每次與師的討皆能獲多。再次感謝師給予學生進入密製造實驗室學習的機會。感謝口試委員 張榮語 博士、 黃國政 博士、永康 博士與 趙修武 博士於文口試期間提供寶貴建議與指正，使本文能加完善。感謝密製造實驗室中博士班 智榮 學長，對於在研究方法上有所指導。感謝碩士班 遠 學長，傳授豐富的知及鼓舞士氣。感謝 豐吉 、 志豪 ，在試模過程的指導與處學校政事務程的幫忙。感謝學弟 敬賢 、 峻清 、 國鴻 的在模分析的設定與結果有所建議，及口試過程中幫忙紀與攝影。 最後感謝父母對我的關心與鼓，讓 我能在工作之餘能加用心學習學校的課程的專業域；感謝弟弟冠廷 、妹 妹 盈儀 對家務的分擔，讓我能專心的完成學業。 中文摘要. I . 謝 . . 一章 導 . 1言 . 1究動機 . 1究目的和方法 . 3 節介紹 . 5第二章 相關文獻探討 . 8出成形相關文獻回顧 . 8 驗因子設計法搭配反應曲面分析相關文獻回顧 . 10 限元素應分析相關文獻回顧 . 11 獻回顧總結 . 12 第三章 研究規劃與模擬計算射出成形翹曲之探討 . 19臂長與成形對收縮及翹曲的影響 . 21 擇適當的直交表 . 23 V 分析設定與翹曲計算結果 . 26算 S/N 比 . 29口法回應表與回應圖 . 30 分析 (of . 33歸分析 (. 35應曲面法 . 393應曲面法與田口法比較 . 42 第四章 彈臂長模擬計算疲之探討 . 48 的定義 . 48響疲強的主要因素 . 48 格建與介紹 . 49 界條件設定 . 52 擬計算結果 . 55 第五章 實際射出實驗與測規劃 . 60 出成形設備 . 60 具設備 . 62測設備 . 62出實驗程 . 65 章 實驗結果討 . 66射實驗 . 66形視窗實驗 . 69 際射出產品翹曲與模擬計算結果比對 . 70 第七章 結與建議 . 73 . 73議 . 77考文獻. 78 附 A 15格表 . 84附 B 議加工表 . 85 附 C 性表 . 86附 D 格表 . 87附 E 測據 . 88作者簡介. 90 目 圖 1臂長規劃設計圖 . 3圖 3究程圖 . 20 圖 3骨圖 . 24圖 3定 . 27圖 3定 . 27圖 3定 . 27圖 3 . 28 圖 3測點設定 . 28 圖 3測點設定 . 28 圖 3測點設定 . 28 圖 3口法 S/N 反應圖 . 32圖 3差圖 . 39圖 3應曲面圖 . 41 圖 3高線圖 . 41 圖 3臂長 . 43圖 3測點設定 . 43圖 3定 . 43 4格分析圖 7 . 51圖 4格比較圖 7 . 51圖 4格圖 . 52圖 4格圖 . 52圖 4特性設定 . 54 圖 4考文獻 . 54圖 4定 . 54圖 4定負荷及固定點 . 55圖 4定負荷及固定點 . 55圖 4荷振幅設定圖 . 55圖 4形分佈圖 . 57圖 4形分佈圖 . 57圖 4效應分佈圖 . 57圖 4效應分佈圖 . 57圖 4全係分佈圖 . 58圖 4全係分佈圖 . 58圖 4效交變應分佈圖 . 58圖 4效交變應分佈圖 . 58 4方向圖 . 58 圖 4方向圖 . 58圖 4敏感性分佈圖 . 59圖 4敏感性分佈圖 . 59圖 5出成形機 15. 61圖 5機 信牌 . 61圖 5驗模具圖 . 62 圖 544 . 63圖 5測點位置順序圖 . 64圖 5測冶具設計圖 . 64 圖 6形視窗圖 . 70圖 6擬計算與實際射出定向分析圖 . 72 圖 7合線位置 . 75圖 7合線位置溫分佈 . 75圖 7合線位置 . 75圖 7合線位置溫分佈 . 75圖 7合線位置 . 76圖 7合線位置溫分佈 . 76 X 圖 7合線位置 9 . 76圖 7合線位置溫分佈 9 . 76 目 表 2出成形相關文獻回顧 . 13 表 2驗因子設計法搭配反應曲面分析相關文獻回顧 . 16 表 2限元素應分析相關文獻回顧 . 18 表 3子水準配置表 . 24表 33(149. 25表 3擬計算配置直交表 . 25表 3擬計算翹曲結果表 . 29 表 3曲與 S/N 表 . 30表 3口法 S/N 回應表 . 32表 3分析表 . 35 表 3歸模型係估計表 . 38表 3後彈臂長模擬計算翹曲結果 . 44表 3始規劃與改彈臂長翹曲結果比較 . 44 表 3 軸翹曲比較 . 45表 5際射出表 . 65表 6擬計算與實際射出短射結果比較 . 67表 6擬計算翹曲比較 . 71 6際射出翹曲測表 . 71表 6際射出翹曲測表 . 72 1 第一章 導 言 在現今社會的生活中，功能按鍵普遍運用於 3C 產品、交通工具、工業用及醫用儀器中。其設 計上觸控式或薄膜式及傳統彈臂式，因為傳統彈臂式其生產成本宜及穩定性佳，比觸控式或薄膜式按鍵適合適用於一般環境下。傳統彈臂式按鍵為在按壓的過程中可以有好的明確的觸感其彈臂的設計形及長功可沒。由於彈臂斷面積與按鍵本體結構的比差很多， 所以在射出成形充填的過程中，其融膠經斷面積變化很大的彈臂與按鍵 本體區域，其波前動的情況對於翹曲的變化也會有影響。 低的翹曲與擁有較高使用壽命的功能按鍵對於整體產品上，有助 於提升整體外觀的美觀性及耐用。對於整體產品企業形象有正面的作用。 本研究將著墨於彈臂長變化對於整體按鍵翹曲的影響。 究動機 沿續討本實驗室的1 的功能按鍵之彈臂斷面設計與射出成形最佳化的研究中，僅針對成品部份僅探討彈臂高及加 R 角對分子動配向對翹曲的變化，但因為功能按鍵彈臂長會隨著同的 2 產品空間要求、相對位置有所變化。本研究將原本功能按鍵彈臂長加以調整變化並保持之前的研究結中所提到 最佳的斷面設計及加上 R 角有助分子動有效低翹曲。在成型條件上沿用其相同的保壓壓、模具溫、卻時間的設定值，搭配同彈臂長進模分析，探討所採用四個因子對功能按鍵翹曲的影響。其中將長變化的因子簡化成三種型式，其他特徵形保持相同以低變項，模擬運算出較為準確的結果，彈臂總長分別規劃為 = = =19並保持 R 角設計，如圖 1示。在按壓按鍵的過程中，其彈臂長的變化對於應的分佈也有所同，也會影響其疲壽命。 然而找出低翹曲與高使用壽命的相關實驗設計因子的改設計，是本研究結的主軸。 3 圖 1臂長規劃設計圖 究目的和方法 本研究主要用實驗因子設計法搭配反應曲面分析，並用變分析 (與迴歸方法 (，配合模分析軟體有限元素分析軟體 模擬計算，以改出低翹曲與高壽命的功能按鍵。本研究步驟包括功能按鍵 3D 檔案建、實驗因子設計法、模模擬計算、反應曲面法與田口法比較、改設計的模模 擬計算驗證、射出成形實驗、 測、有限元素應與疲模擬計算等幾個部份，茲分別如下: 功能按鍵 3D 檔案建 :用 功能按鍵的模型，並將彈臂長加以變化區分為 種型式，將模型檔案轉成 ，讓模模擬計算軟體與有限元素應與疲模擬計算軟體可以互通原始規劃的 3D 模型。 (1) 實驗因子設計法 : 實驗設計 (以機與統計為基礎，對實驗 據進有效的統計分析之學分 4 法與。透過魚骨圖影響 Z 軸翹曲的相關因子，建模擬計算配置直交表。本研究透過部份因子設計探討彈臂長、保壓壓、模具溫、卻溫等四個因對 Z 軸翹曲的影響 (2) 模模擬計算 :用 擬 同彈臂長的功能按鍵，搭 配同的成形組合，模擬計算出功能按鍵 Z 軸翹曲。 (3) 反應曲面法與田口法比較 :透過變分析 (出對 Z 軸翹曲影響最顯著的因子。用反應曲面法及田口法找出可以得到最低翹曲的相關因子配合。因反應曲面法可以考慮各別因子互相交互作用的影響，比田口法為嚴謹，本研究選擇以反應曲面法的結果加以探討，其彈臂長 與保壓壓為影響翹曲最顯著的因子。 (4) 改設計的模模擬計算驗證 :由反應曲面法所繪製的反應曲面圖及等高線圖的結果，可以觀 察出最佳彈臂長與保壓壓搭配可以得到最低翹曲。將改 後的彈臂長與保壓壓設定為固定因子，搭配模具溫、卻時間等因子三水準交叉變化，建固定因子直交表進模模擬，驗證其為最小 Z 軸翹曲。 (5) 射出成形實驗: 在實際射出的過程中，進短射實驗與成形視窗 5 實驗結果與 模擬計算互相比對，確保模模擬計算的正確性。以模擬計算配置直交表的 所設定成形，搭配原始設計彈臂長模具進射出實驗。將 設定的成形生產的 B 穴，各隨機取模產品。以 測其 Z 軸翹曲並與 模擬計算與 Z 軸翹曲做定向分析，確保模模擬計算的正確性。 (6) 有限元素應與疲模擬計算 :用 11 模擬採用相同的塑材，施予反 覆的按壓於功能按鍵的表面上，並將其原始彈臂長模具 B 穴的功能按鍵 改後彈臂長功能按鍵進應及疲壽命模擬計算，解改後彈臂長功能按鍵抗疲的效果。 節介紹 本研究之主要內容包含相關文獻探討 (第二章 )，研究規劃與模擬計算射出成形翹曲之探討 (第三章 )，彈臂長模擬計算疲之探討 (第四章 )，實際射出實驗與測規劃 (第五章 )，實驗結果討 (第章 )，結與建議 (第七章 )等，各章結之內容介紹如下 : 第一章的內容為明本研究所探討的方 向，主要為射出充填過程中，融膠的動從澆口進入後先充填大的截面積功能按鍵本體後， 6 經充填小的截面積彈臂區域，再 次充填大的截面積功能按鍵基座區域 。對於搭配同的彈臂長的模型，模 擬計算充填於同長的較小截面積區域，對於 Z 軸翹曲的影響。第二章的內容為相關文獻回顧如塑膠射出成形對於翹曲的影響、實驗因子設計及反應曲面法、有限元素應及疲分析等。第三章內容為明射出成形過程中產生翹曲收縮的原因及介紹實驗設計的過程 ，首先用魚骨圖找出影響 因子選定為彈臂長、保壓壓、模具溫、卻時間。採取四因子三水準的實驗設計配置成)3(149介紹變分析 (出影響 Z 軸翹曲最顯著的因子。比較反應曲面法與田口法，由反應曲面法所繪製的反應曲面圖及等高線圖的結果，可以觀察出最佳 彈臂長與保壓壓搭配可以得到最低翹曲。將改後的彈臂長與保壓壓設定為固定因子，搭配模具溫、卻時間等因子三水準交叉變化，建固定因子直交表進模模擬計算，驗證其為最小 Z 軸翹曲。第四章內容為彈臂長模擬計算疲之探討，運用 11，設定邊界條件及負載分佈，模擬計算原始彈臂長模具 B 穴的功能按鍵 改後彈臂長功能按鍵其應與疲分佈，解改後彈臂長功能按鍵抗疲的效果。第五章 的內容為介紹本研究所使用的實驗設備 7 與測設備。第章內容為模模擬計算與實驗結果討。 第七章內容為結與建議 : 探討彈臂長對翹曲、疲強的影響及爾後研究的建議方向。 8 第二章 相關文獻探討 本研究為用模分析軟體配合實驗因子設計法透過反應曲面分析找出對翹曲影響較為顯著的因子 ，並導入有限元素分析軟體對於功能按鍵受負載後，分析其彈臂的應及疲分佈情況。藉由射出成形與反應曲面法及有限元素應分析之相關文獻回顧，讓各因子的選用上能加獨及準確。進而設計出低翹曲及高使用壽命的產品，使本研究結及建議加有考及後續研究的價值。 出成形相關文獻回顧 1991 10以聚丙稀 (玻纖為成形材，運用模分析將模具溫、充填、保壓、卻等射出，搭配玻纖的材的方向特性並整合殘應分析，探討薄板加補強產品翹曲分佈。比對模與實際射出，發現翹曲發生皆在高低溫分佈均的區域。 1994 1 以 驗證模分析中有關翹曲的分析的準確，實驗方法如下 :(1)首先運用統計學中 的統計為實驗設計基礎。 (2)比較模分析與實驗結果。 (3)將射出產品用無接觸式射 探針設備，準確的測。 (4)研究翹曲發生的區域。 9 1998 12以聚碳酸酯 (聚乙稀(為成形材，運用薄殼平板元素原預測薄殼箱子的殘應、翹曲、收縮的分佈區域。由實際射出實驗的結果可以得知母模的溫高於公模溫，同的溫差是造成薄殼箱子翹曲的因素。其增加卻時間可以減少翹曲。 2002黃 13有提到薄件產品的模與實驗測試翹曲結果，為高的融膠溫、高的模溫、高的保壓壓，有助於減少翹曲。過高的射出速，導致殘應過高，容翹曲變形。 2002楊 14有提到射出過程中由於相變化的結果，所以在液固態的比容差是塑加工後產生收縮的 原因之一。塑的比容是相態、溫、壓的函，是保壓分析的一項重要資，在保壓階段時，模內的內壓迅速上升，其產品的收縮、翹曲與殘應均與比容變化有密的關係。 200621 用射出成型模分析軟體模擬板元件之成型過程。有提到增加補強的寬變化影響凹痕現象大於補強之圓角半徑變化 ;的目越多，熱殘應 (愈大，故翹曲變形因而增加。 20081 以分別針對同彈臂形，透過電腦輔助模分析 10 並結合田口設計方法，採用彈臂高、保壓壓、模具溫與卻時間等四個提供模擬實驗分析。經由 而彈臂高次之，結果顯示提高保壓壓有助於減少 2009白26 有提到翹曲變形是產生的內應大於材本身的剛性，導致體積收縮均勻所造 成。主要有因有卻性差(區域收縮性差 (分子配向性差 (澆口位置、動方向等是主要因素。 驗因子設計法搭配反應曲面分析相關文獻回顧 2002戴 16有提到運用部份實驗因子設計法找出所有具顯著性之因子，接著加入多目標之反應曲面法將反應值之規格範圍納入考慮，同時運用中央合成設計 (增加實驗正確性，將因子水準超出假設範圍的問題入考慮，最後以迴歸分析式配合 2004陳 17有提到應用反應表面法所建構之線性迴歸模型，執最佳化設計時，由於迴歸模型之線性特性，去以往結構最佳化問題中繁瑣之敏分析，可以快速得到一近似最佳解。 2006 20運用實驗因子設計法搭配反應曲面分析， 11 針對模具溫、融膠溫、保壓壓、保壓時間、卻時間等因子，對於手機薄殼件翹曲的影響。其中以保壓壓、模具溫、澆口溫等因子對翹曲影響最大。 2007 2 運用實驗因子設計法搭配反應曲面分析，針對模具溫、融膠溫、保壓時間、保壓壓、卻時間等因子，對於手機薄殼件翹曲與收縮的影響。其中以增加保壓壓、保壓時間。有助於低翹曲與收縮。 2007張 24研究架構以光學均勻器之設計與製作為主軸，有提到分析方法使用迴歸分析法，分析影響收縮現象的重要製程，實驗驗證收縮現象以體積收縮與光軸高 收縮為主，最後探討微結構成形對於光學均勻性的影響。 2009 5 運用實驗因子設計法搭配反應曲面分析，針對融膠溫、模具溫、保壓壓、加強比等因子，對於圓板薄件縮水痕的影響。其中以融膠溫、模具溫，對於縮水痕的影響最大。 限元素應分析相關文獻回顧 2001 2用伸試驗與試，找出疲性能，所觀察的方面如下 : (1)(2)觀察疲極限頻 12 。 (3)(4)缺陷對於影響 (5)疲紋的增長等。並歸納出 2005 18從全域敏得到結，有提到要改善按鍵的位移及應時在設計、製造及作動功能正常下，懸臂長要越短越好，懸臂間距、懸臂厚、懸臂寬要越大越佳。 200723 有提到卡勾的設計中加入倒圓角對於結構改善是沒有太大用處的。適當的長特徵可以使整個結構性增加，以整體設計超過伏應為準則。 獻回顧總結 由射出成形的文獻中可得知，可能影響收縮翹曲的射出成形為，射出速、保壓時間、保壓壓、模具溫、卻時間、融膠溫等。適當提高有效低成品收縮。但對於塑件壁厚差高的產品，隨保壓高低變化會導致收縮翹曲的差隨著厚或位置而有同。 由實驗因子設計法運用反應曲面相關文獻中可得知，運用實驗設計模式並配合統計手法分析，藉以分析所有可能影響之因子，應用回應表面法所建構之線性迴歸模型，可 預測原本複雜結構之為特性。由於迴歸模型之線性特性，去以往結構最佳化問題中繁瑣之敏 13 分析，可以快速得到一近似最佳解，並有相當的確性。 由有限元素應分析相關文獻中可得知 ，從全域敏得到結，當我們要改善按鍵的位移及應時在設計、製造及作動功能正常下，懸臂長要越短越好，懸臂間距、懸臂厚、懸臂寬要越大越佳。 綜觀先前相關之文獻，沒有針對功能按鍵彈臂長設計，對於射出成形時低翹曲與彈臂結構應與疲分佈的情況作探討。故本研究將探討出彈臂長、翹曲 、結構應與疲分佈的關係。 表 2出成形相關文獻回顧 作者 代 摘要 人10 1991以聚丙稀（ 玻纖為成形材，運用模分析將模具溫、充填、保壓、卻等射出，搭配玻纖的材的方向特性並整合殘應分析，探討薄板加補強產品翹曲分佈。比對模與實際射出，發現翹曲發生皆在高低溫分佈均的區域。 人11 1994以 成形材，驗證模分析中有關翹曲的分析的準確，實驗方法 14 如下 :(1)首先運用統計學中的統計為實驗設計基礎。 (2)比較模分析與實驗結果。 (3)將射出產品用無接觸式射探針設備，準確的測。 (4)研究翹曲發生的區域。 人12 1998以聚碳酸酯 (聚乙稀(為成形材，運用薄殼平板元素原預測薄殼箱子的殘應、翹曲、收縮的分佈區域。由實際射出實驗的結果可以得知母模的溫高於公模溫，同的溫差是造成薄殼箱子翹曲的因素。其增加卻時間可以減少翹曲。 黃東鴻 13 2002有提到薄件產品的模與實驗測試翹曲結果，為高的融膠溫、高的模溫、高的保壓壓，有助於減少翹曲。過高的射出速，導致殘應過高，容翹曲變形。 楊智鴻 14 2002 有提到射出過程中由於相變化的結 15 果，所以在液固態的比容差是塑加工後產生收縮的原因之一。塑的比容是相態、溫、壓的函，是保壓分析的一項重要資，在保壓階段時，模內的內壓迅速上升，其產品的收縮、翹曲與殘應均與比容變化有密的關係。晋恊 21 2006用射出成型模分析軟體模擬板元件之成型過程。有提到增加補強的寬變化影響凹痕現象大於補強之圓角半徑變化 ;的目越多，熱殘應(就愈大，故翹曲變形因而增加。 白欣宜 26 2009提到翹曲變形是產生的內應大於材本身的剛性，導致體積收縮均勻所造成。主要有因有卻性差 (、區域收縮性差 (分子配向性差 (澆口位置、動方向等是主要因素。 16 表 2驗因子設計法搭配反應曲面分析相關文獻回顧 作者 代 摘要 戴琪 16 2002有提到運用