《新型光纤接头精微模具设计及成型技术之研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《新型光纤接头精微模具设计及成型技术之研究.docx（11页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、新型光纖接頭精微模具設計及成型技術之研究Research Development of a Novel Precise Mold and the Molding Technique for Optical Fiber Ferrules黃明賢M.-S. Huang國立高雄第一科技大學 機械與自動化工程系 助理教授Assistant Professor,Department of Mechanical and Automation Engineering,National Kaohsiung First University of Science and Technology林宗彥T.-Y. Li
2、n國立高雄第一科技大學 機械與自動化工程系 研究生Graduate student,Department of Mechanical and Automation Engineering,National Kaohsiung First University of Science and Technology摘 要傳統模具設計及成型技術乃針對尺寸大且精度要求不高的產品，但近年來由於射出成型件已趨向重量小且尺寸要求精度高，模具設計中所忽略的模具定位和變形顯得格外重要。本研究以SC型塑膠光纖接頭模具為載具，設計一具有精密定位功能的新型模具，擬將射出成型機開關模運動之誤差及模板變形對模具定位之影響排
3、除在外；另外，利用Moldex模流分析軟體模擬分析模具的芯模承受熔膠拖曳力時所造成的變形，並且以此為參考結合田口實驗計畫法尋找成型參數之最佳化。根據實驗結果顯示，模具模板變形量及平行度會受到機台振動的影響，在精微模具設計時需將基台振動的因素考量在內，基於此設計理念，新型光纖接頭模具在定位穩定度方面，較傳統穩定，至於以模流分析軟體模擬成型參數對芯模變形之影響得知射出速率及熔膠溫度的貢獻度最大。關鍵詞：微射出成型；精密定位機構；模具變形；製程參數最佳化；SC型塑膠光纖接頭AbstractThe conventional mold design and injection molding techn
4、ique tends to apply for parts with large size and low-precision dimension. Nowadays, molding parts with tiny dimensions and high accuracy are tremendously required. Thus, the positioning accuracy of mold plates movement and the control of their mold deformation are important to product quality. By e
5、mploying the SC-typed plastic ferrules as the study vehicle, this research aims to design a new molding mechanism to achieve high positioning capacity when mold closing. The design concept is to eliminate the misalignment of mold closing caused by the deformation of the clamping unit. Moreover, the
6、commercial software “Moldex” is applied to simulate the little deformation of tiny core caused by the drag force of melt polymer. By applying Taguchi method, the optimal parameter setting is decided. According to experimental result, the mold platens are affected by the molding machines vibration. T
7、herefore taking this factor into account is necessary when optical fiber connector mold was designed. The measurement shows that this new-typed mold structure is more reliable in positioning than traditional one. Also, the injection rate and the melts temperature have great influence on core pins de
8、formation.Keywords: micro injection molding, mold deformation, optimal process parameter, SC-typed plastic ferrules, mechanism of precision position.格式說明：在摘要與全文之間插入分節符號與分頁符號參考：插入分節與分頁符號一、前言 內文標題格式說明：各段標題字體規範為：標楷體11級大小，粗體，以小寫中文數字開頭段落間距：與前段距離0.5列，與後段距離0.5列參考：段落設定全文撰寫格式說明：一律以雙欄式撰寫全文參考：設定雙欄全文撰寫格式說明：一律以雙
9、欄式撰寫全文參考：設定雙欄射出成型機係一種週期性量產塑膠成型品的機器，其主要機構有塑化單元及夾模單元兩大部分。其中夾模單元用以承載模具，進行開、合模、鎖模、頂出成型品之週期性運動。在熔膠成型過程中，夾模單元必須提供足夠鎖模力以確保模具之閉合，防止塑料在高壓力的射出階段將模具撐開，導致成型不良的情形發生。由於夾模單元的動模板、靜模板、導柱等零組件，在成型過程均將承受極大的負荷而變形，以肘節式合模機構為例，造成成型不良的原因，描述如下：(1)合模時模板不平行：肘臂個別尺寸誤差與射出機導柱的磨損使活動模板不能筆直動作，造成模板合模靠迫時，模具微結構零件受到壓力，造成模具結構變形，如圖1。圖例格式說明
10、：文中圖示一律標示圖號，於文後附加圖檔(2)鎖模力分佈不平均：曲肘機構以肘臂的安裝點為中心鎖模力分佈向兩側遞減，造成模具中心鎖模力弱，使模具產生變形，發生溢料(毛邊)的現象，如圖2。(3)肘臂伸展瞬間鎖模力過大：肘臂伸展瞬間產生過大的鎖模力，使射出機的導柱彎曲，可動模板發生運動，如圖3。因此對微射出成型而言，動模板的變形量及平行度必須嚴格地控制以避免其間接地導致成型品特徵尺寸的偏差。再者，模板間閉合運動的滑動公差設計會對具有靠迫特性的精密用模具造成尺寸偏移。至於模具強度設計方面亦會因夾模單元所承受鎖模力時的模板變形隨之變形。對精密的微射出成型而言，模具的變形不但會使模穴在分模線產生間隙，亦會造
11、成在高速充填時產生的毛邊現象直接影響尺寸。在成型方面，微射出成型的充填過程由於成品小、流道小、流動阻力大，因此需提高熔膠充填速度，以減少固化層的形成。但高射速將使成型品品質控制的困難度提高。除此之外，由於微射出所射出之熔膠量少，當熔膠進入模穴時瞬間冷卻凝固，為使熔膠能順利完全充填模穴，微射出成型的模溫較高於傳統射出成型，而高模溫造成微射出成型之成型週期較一般傳統射出成型長的缺點。上述微成型技術的充填過程不同於傳統的充填過程，將會衍生出微成型技術所需克服的問題，諸如，高深寬比成型工程技術挑戰、需快速充填以避免固化層形成所衍生短射的問題、需避免高射出壓力以防止模內微結構件受力變形、需精確射膠位置控
12、制及高精準和高強健鎖模系統成型設備等問題。這些都會決定模具的變形量與充填完整與否，進而影響模具壽命及產品尺寸精度。參考文獻引用：文中引用他人研究，一律標示，並於文後附加說明內文段落格式說明：各段標題開頭：預留2個字的空白傳統射出成型技術中，由於成品物件大，尺寸精度較不要求，故模具的變形及定位等因素容易被忽略，但在精密及微量成型中，除去成型參數、射出機性能、塑膠材料及加工技術外，模具的變形定位也是直接關係成品尺寸精度的要素之一，因此在Boitout 1的研究中提到模穴的變形主要來自於：(1)機台靠迫模具致使模穴被撐開，此種模穴變形約略只有數十微米，並不會產生看得見的毛邊；(2)模具的鋼材並不是無
13、限剛性，因此熔膠的壓力的上升，造成模穴體積變大；(3)模具零件部分的變形，也是促使模穴產生變形的原因之一，後續Leo和Cuvelliez2以應變規進行量測模穴平面的變形，將上述的最後兩項因素與模穴變形的關係予以量化。根據上述模具變形的原因，減少模具變形最直接的方法，可從模具設計改善，以往模具設計並無一定準則可循，模具尺寸及其水路的設計皆採取經驗法則，為減少模具變形，Hirosh等人3藉由有限元素法進行模具結構及分模面的變形分析，有以下的結論：(1)稍微傾斜的分模面可減少分模面邊緣的變形；(2)公模板或承板在合模方向加厚有助於減少分模面的變形量。蔡4使用有限元素法對模板強度進行分析，發現加大導柱
14、上螺帽外徑及在導柱上增加應力讓槽設計，可減小模具的變形。微射出成型如塑膠光纖接頭為載具的應用技術瓶頸在於熔膠在流動時因其黏彈性的特性，會造成模具芯模(core pin)微結構的翹曲，因而形成孔洞的翹曲過大。由於光纖接頭為使光纖達到高效率的訊息傳送，故在置放光纖的孔洞必須要求定位精準。Sato等人5以SC型內直徑126m，外直徑2.5mm之塑膠光纖連接器為載具，為使光纖連接器內徑孔洞與外徑孔洞的同心度偏差在理論範圍內，採用四個澆口射膠，藉射膠速率調整內孔與外孔同心度，調整射膠速率後，射出的成型品經模擬反覆的環境變化，其連接損失和反射損失皆在理論範圍內。王6進一步以MJ-RT型直徑126m，直徑1
15、.5mm之塑膠光纖連接器應用田口方法對模溫、冷卻時間、塑料溫度、保壓壓力、保壓時間、射出壓力及射出速度等控制因子分別各取二水準對尺寸收縮進行實驗，經變異數分析顯示以塑料溫度及冷卻時間貢獻度最大。內文子標題格式說明：各段標題字體規範為：標楷體10級大小，粗體，以阿拉伯數字開頭段落間距：與前段距離0.5列，與後段距離0.5列參考：段落設定二、實驗方法與驗證本研究以SC型光纖接頭(尺寸、形狀及其規格如圖4)為載具，此產品有一125m直徑的內孔洞，此孔洞對應於模具中的芯模需靠迫在母模仁上的芯模孔中，精度要求在1m以內，因此模板的運動精度造成芯模對位不精準與熔膠充填模穴時對產生的芯模變形皆是影響微成形品
16、是否符合尺寸精度要求。綜合上述，以下針對射出機台、模具設計與射出成型參數三大方向設計實驗。2.1 模板平行度的量測在機台與模具變形方面微射出成型由於產品精度要求高，射出機模板及模具的微變形與機台的振動因素皆會影響產品品質，因此在微設計模具之前，瞭解射出機器與模具動模板之動態平行度精度及變形，以作為設計精密模具之參考。本實驗針對30噸鎖模力全電式精密射出成型機(機型：FANUC ROBOSHOT 30iA)及模具進行活動、固定側模板於運轉合模靠迫時模板平行度及變形的量測。2.2 具精密定位精度之模具設計由於模具變形、合模精度及機台的穩定度對高精密成型會有相當大的影響，因此對本研究針對SC型光纖接
17、頭模具，需設計一個儘量可以將機台之不確定因素(如震動、滑動等)及模板變形排除在外的模具機構。2.3 以模穴壓力感測器量測芯模微結構變形SC型光纖接頭模具的芯模位於模穴中，一般量測方法無法在熔膠充填時量測芯模變形的行為，因此利用芯模變形所造成芯模周圍流場的壓力差將藉由熔膠傳遞至模穴壁上，埋設模穴壓力感測器於模穴兩旁感測芯模變形所產生壓力的差異，使用模穴壓力感測器量測芯模變形的優點在於以非接觸的方式感測出芯模微小的變形量，並可並免干擾熔膠流動，因此事先以Moldex模流分析軟體模擬在公、母模穴中埋設壓力感測器如圖5，利用壓力感測節點瞭解充填過程模穴兩側的壓力平衡，以掌握因芯模變形產生模穴壓力不平衡
18、的情形，再以田口方法調整成型參數，找出影響芯模變形的重要因素。2.4 雷射干涉儀角度量測原理雷射干涉儀是利用光波的干涉，而使量測的精度提高到1/2個波長以內。首先運用反射平面鏡使單一光束振幅區分成兩束，所得的兩光柱進行的方向及相位不完全相同，當其再相遇時便形成干涉條紋，如採用的光源是雷射，同調長度即能拉長，也就是待測光和參考基準光兩通光的光程即使拉長，仍然會有干涉的現象，可利用此原理來作微小距離檢測之用，圖6為雷射干涉儀量測角度之原理，可動側移動時會受被測物彎曲的形狀形成反射鏡角度的變化，此些微的變化量會改變雷射光的干涉現象，如此便可量測出被測物角度之變異。2.5 實驗步驟本計畫的研究重點在探
19、討模具變形對尺寸的影響以及設計一個具精密定位功能的模具，圖7為計畫執行步驟流程圖：(1)首先使用雷射干涉儀針對射出成型機及模具做平行度及變形量測，分別於射出機與模具之模板上方及側方分別取五個量測點架設分光鏡與反光鏡如圖8，其結果將作為模具設計的參考，再者，確認產品的尺寸要求進行模具設計，並應用3D實體模型之模流分析進行實體模擬；然後經由(2)模具細部設計、製作和動作測試，以確定模具設計是否符合要求；接著進行(3)新型模具定位功能確認，其中利用雷射干涉儀量測新型模具定位精度；(4)使用”Moldex”模流分析軟體模擬模穴壓力感測器及利用田口方法找出成型參數最佳化。三、結果與討論射出機在成型過程中
20、鎖模單元主要分為開模、合模、低壓保護、靠迫及高壓鎖模等動作，其中模具是否能順利合模及模具是否產生變形主要決定在低壓保護、靠迫及高壓鎖模階段，因此為了解模具變形的情況，分別於射出成型機及新型光纖接頭模具上、側方模板上各取5個量測點，每個量測點取五次量測值進行平行度量測，得實驗數據計100組數據。3.1 模板平行度量測結果內文使用方程式說明：內文使用方程式，可用插入圖檔，或使用Microsoft Equation 3.0參考：插入方程式根據量測數據曲線，取4個數據擷取點，其中，數據擷取點1及數據擷取點2之差為高壓鎖模後於模板量測點量得的角度偏擺，數據擷取點1及數據擷取點3之差為模具進入低壓保護階段
21、、鎖模之前瞬間的角度偏擺，數據擷取點3及數據擷取點4之差為高壓鎖模瞬間模板得的角度偏擺，如圖9所示，第1區間為數據擷取至固定板和活動板由閉模至完全開模時，第2區間為固定板和活動板開模停滯時間，第3區間為固定板和活動板合模開始至即將靠迫時的歷程，第4區間為高壓鎖模固定板和活動板靠迫瞬間的振動，第5區間為固定板和活動板完全靠迫至數據擷取結束。繪製射出機台及光纖接頭模具平行度量及變形結果流程圖如圖10，將進行量測所獲得之量測數據曲線以60Hz低通濾波濾除振動雜訊，再進行數據擷取點擷取，擷取後的數據擷取點分別以徑度轉換變形量公式1、公式2及公式3轉換成模板的變形量，其中徑度轉換變形量公式1、公式2及公
22、式3說明如下：徑度轉換變形量公式1： (1)其中，D：模板變形增量，d：量測點間距，i：第i量測點，P1為五筆數據擷取點1的平均值，P2為五筆數據擷取點2的平均值。公式1說明由各量測點量測所得的徑度轉成高壓鎖模後模板平行度變形曲線，由於此曲線包含模板間相對變形量及模板平行度，為縮小模板平行度以獲得模板較真實的相對變形量將模板變形度以簡易法如公式2及一階曲線擬合公式計算：(2)其中，De：模板相對變形量，X：量測點位置。徑度轉換變形量公式3：(3)其中，P3為五筆數據擷取點3的平均值，利用公式3求取低壓保護階段模板平行度變形曲線再帶入公式2及一階曲線擬合公式求得低壓保護階段模板相對變形曲線。徑度
23、轉換變形量公式4：(4)其中，DL為低壓保護階段之模板變形增量，P4為五筆數據擷取點4的平均值，同樣的利用公式4求取高壓鎖模瞬間模板平行度變形曲線再帶入公式2求得高壓鎖模瞬間模板相對變形曲線。上述量測結果，根據(1)雷射干涉儀量測模板平行度數據曲線經過濾波後，射出成型機與新型光纖接頭模具上方模板及射出成型機與新型光纖接頭模具側方模板數據曲線分佈相近；(2)射出機模板變形量皆較新型光纖接頭模具小(可能原因為力量由射出機傳遞至模具時，被模具零組件間的間隙吸收)；(3)兩者模板變形方向皆為同一方向的結果，射出機的模板運動狀態會直接影響模具的平行度及變形，因此精微模具設計需將射出機台因素考量在內。在新
24、型光纖接頭模具上，上方模板變形量較測方模板變形量小，側方變形量大，其原因是在於模具之間隔板平行於射出機之上方模板，形成如同支撐板的功能強化模具結構及射出機合模單元之肘節機構之安裝點在上下兩側如圖2， 造成上下鎖模力分佈不均。在表1中，射出成型機及新型光纖接頭模具高壓鎖模後模板側方約有40m及30m左右的模板相對變形量，在模板各方向的靠迫瞬間，以射出機的側方模板靠迫瞬間的模板相對變形量約41m最大，以上模板相對變形量的數值包含模板不平行程度及模板變形所造成的偏差量，針對傳統SC型光纖接頭模具設計，芯模的作動是以滑塊斜銷機構來驅動，斜銷滑塊分別固定於模具之固定側與活動側，因此模板之相對變形勢必藉滑
25、塊斜銷機構傳遞至芯模上，此結果將在模具靠迫與高壓鎖模時對模具零件的變形及模具合模定位的精度產生影響。3.2 模具設計及定位精度量測綜合上述，傳統射出成型機及模具結構，無法應用於精密成型的微量射出產品，因為鎖模裝置之活動模壁(射出機二板)的位移，會在起點及終點處產生頓點及震動，加上引導活動模壁之機台上的導柱公差，遠大於一般微機電組件、電子零件、感光器、光柵等容許公差僅細微至以為單位的尺寸公差，因此，傳統型射出成型機難以作為精密微小零件之製造，尤其是對於具有孔形的微小成型物件，若以芯模或退出公母模仁時，更常因為上述公差問題及活動模壁位移的頓點及震動而造成斷裂。因此設計一可將射出機因素排除在外的新型
26、模具，使活動模壁位移所產生的頓點及震動先完成後再進行成品中心銷的插設或抽出動作，避免微小的成品中心銷插設或抽出時造成斷裂，新型模具精密定位的模具動作如下:(1)模具開模時，首先流道襯板與母模板分離，取出豎澆道如圖11至圖12。(2)當流道襯板完全打開時，產品尺寸及精度控制於公模側，使公模側形成獨立系統，機台的不確定因素能排除在外，如圖12。(3)當取出豎澆道後，推頂器前進推動頂出板，滑塊透過固定於頂出板上的引導銷引導，向兩側分離，如圖13。(4)當滑塊退至一定點時，頂出板繼續前進，利用推頂銷，使公母模板分離，如圖14。射出成型過程中，由於機台的運動公差，使得傳統模具在開合模時產生振動，此振動影
27、響光纖接頭模具中芯模的靠迫及抽芯的精密度，因此設計一具精密定位之新型光纖接頭模具，以排除機台靠迫振動的影響，為驗證此新型模具的設計，以雷射干涉儀量測其滑塊運動間的振動，示意圖如圖15。經過雷射干涉儀量測的結果如表2為新型光纖接頭滑塊滑動振動精度量測之數據，其平均角度差0.209 mrads，而反光鏡架設位置與芯模頂端距離25mm，利用公式5-5計算芯模頂端的偏移量：(5)其中，dcore_pin為芯模頂端的偏移量；為表2的平均角度差，經由計算得芯模頂端的偏移量為5.2m，如圖16所示因此證明新型光纖接頭模具能使滑塊較平順滑動減少振動，芯模能以平順的運動抽出成品，減少芯模折損率。3.3 SC型光
28、纖接頭模穴壓力感測器數值模擬參考文獻引用：標明順序：作者，文章（論文）標題，刊登出處，頁數，出版年份SC型光纖接頭成型中，影響熔膠拖曳力對芯模變形的因子眾多，如射出速率、熔膠溫度、模具溫度等等皆有可能對芯模變形產生影響，田口實驗設計法是以有限的實驗次數找出影響品質的控制因子，進而調整控制因子達到改善品質的目的，本研究目的在於期使芯模變形最小化，故在參數設計方面，採望小特性，並選擇保壓時間、熔膠溫度、模具溫度、保壓壓力、射出壓力和射出速度等六個控制因子，保壓時間採兩個水準，其餘控制因子皆採三個水準，本田口實驗模擬採用L18直交表，主要是因L18直交表能平均行與行之間的交互作用，以突顯出各控制因子
29、主效果。在水準值的採用方面，儘可能選取較大範圍的水準值，使最佳值能涵蓋在內，模具溫度，熔膠溫度，採用材料的建議值，其餘控制因子在不產生短射，焦痕等不良情況下選取水準範圍，控制因子水準值如表3。根據ANOVA分析結果中如表4，可以發現所有的控制因子當中，射出速率的貢獻度最高77.1%，其次為熔膠溫度16.8%，其餘皆小於3%的貢獻度，因此推定最佳組合時當以射出速率、熔膠溫度為優先考量。四、結論由上述實驗及模擬結果可得到以下結論：(1)以FANUC精密射出成形機進行模板變形量測，經由實驗量測得模板變形在模板側方靠迫瞬間43.3m最大，設計精密模具時，須將之考量在內。(2)就傳統模具設計成型SC型光
30、纖接頭而言，射出機肘節機構的合模單元在合模時，由於鎖模力分佈不均，模板合模平行度並非相當理想。(3)新型模具的機構設計在新模抽芯階段芯模最大位移5.2 m，距離1m的芯模定位相差甚大，因此需更精密的芯模定位系統。(4)新型模具的機構設計確實能幫助芯模在抽芯時，避開機台靠迫時的變形，以穩定的運動方式完成抽芯的動作，減少芯模折損率。(5)以芯模變形造成流場壓力差P來代表芯模變形的位移量d無需使用多重物理量，結果顯示以射出速率及熔膠溫度的貢獻度最大與鍾等人文獻結果相同，後續應以芯模變形之模擬為參考，進行實驗的驗證。五、參考文獻1Boitout, F., Ph.D. Thesis, CEMEF Sop
31、hia Antipolis, France (1997).2Leo, V. and Cuvelliez, C., “The Effect of the Packing Parameter, Gate Geometry, and Mold Elasticity on the Final Dimensions of a Molded Part,” Poly. Eng. Sci., v36, No15, pp. 1961 1971 (1996).3Hirosh, K., Hirosh, S., and Tatsuo, T., “Structural stiffness of injection mo
32、ld and molding defect (discussion on reducing molding flash by improving structure of injection mold ),” Nippon Kikai Gakkai Ronbunshu C, v63, pp. 2144-2150 (1997).4蔡浪富、洪水斌“肘節式射出機夾模單元設計分析”，機械工業雜誌，pp.244-253 (1994)。5Sato, H., Yanagi, S., and Shuto, Y., “Optical Characteristics of Injection Molded Pla
33、stic Ferrules for Single-Mode Optical Fiber Application,” IEEE Journal of selected topics in quantum electronics, v5, pp. 1266 1270 (1999).6王瑞郁， “陶瓷粉末/塑膠射出成型模流熱傳及收縮翹曲比較研究”，國立雲林科技大學機械工程技術研究所碩士論文，pp74-77 (2001)。六、圖表彙整表1. 模板於高壓鎖模後、低壓保護及高壓鎖模瞬間相對模板變形量項目簡單法最小平方法最大值(m)最大值(m)射出成型機高壓鎖模後上方模板9.89.8射出成型機低壓保護上方模
34、板8.99.2射出成型機高壓鎖模瞬間上方模板7.77.8射出成型機高壓鎖模後側方模板39.441.8射出成型機低壓保護側方模板38.941.2射出成型機高壓鎖模瞬間側方模板41.041.3光纖接頭模具高壓鎖模後上方模板5.76.1光纖接頭模具低壓保護上方模板4.85.9光纖接頭模具高壓鎖模瞬間上方模板3.75.3光纖接頭模具高壓鎖模後側方模板30.433.4光纖接頭模具低壓保護側方模板30.533.5光纖接頭模具高壓鎖模瞬間側方模板32.735.6表2. 新型光纖接頭滑塊滑動振動精度量測量測次數角度1(mrads)角度2(mrads)角度差(mrads)10.000-0.214-0.21420
35、.000-0.209-0.20930.000-0.207-0.20740.000-0.204-0.20450.000-0.210-0.210表3. 光纖接頭模擬實驗射出參數設計表因子水準水準一水準二水準三保壓時間A0.5s1s熔膠溫度B330340350模具溫度C110120130射出壓力D60%75%90%保壓壓力E60%75%90%射出速率F60%75%95%表4. 光纖接頭模穴壓力差田口模擬實驗ANOVA分析表因子變動(S)自由度變異V純變異(S)(%)保壓時間A0.0011-熔膠溫度B11.13225.56610.86816.78模具溫度C1.67420.8371.4102.17射出壓力D0.92820.4640.6641.02保壓壓力E0.0512-射出速率F50.166225.08349.90177.10E(誤差)0.79260.1321.9012.93eT(調和誤差)0.8453-T(總和)64.745-100圖1. 合模時模板不平行示意圖圖2. 鎖模力分佈不平均模具變形示意圖圖3. 鎖模力過大造成導柱彎曲時模板位移示意圖圖4. SC型光纖接頭尺寸、形狀及其規格光纖接頭模穴流道
