精密連接器主體設計--Housing設計與分析.ppt

,連接器塑膠Housing產品設計與分析,如何做好塑膠Housing產品設計與分析？,了解產品定位，選擇適當塑料 了解產品設計對塑膠Housing成型的影響因素 以產品設計觀點進行模流分析,依產品定位，選擇適當塑料,依產品使用環(huán)境，選擇合適塑料 -Pin through hole Vs SMT -Desktop Vs Mobile 依產品成型難易，選擇合適塑料 依產品價格選擇合適塑料,需了解塑料基本特性，方能做出合適的選擇,結晶性 Vs 非結晶性塑料,結晶性塑料-結晶性塑料其高分子鏈排列整齊，在凝固過程中有晶格結構生成，並依照固定樣式排列高分子鏈，因此在相變化發(fā)生如溶解時，需突破晶格結構的能量障壁，使晶格結構崩潰。結晶性塑料具備明顯的相轉移溫度及潛熱。特性為不透明、異向性(anisotropic)、明顯而狹窄的相變化區(qū)。依結晶度的高低，一般而言又有半結晶性的分類。常見的結晶性塑料有Nylon、PE、PP等 非結晶性塑料-非結晶性塑料其高分子鏈凌亂糾纏，在凝固過程中並沒有晶格結構生成。非結晶性塑料無明顯的相轉移溫度。特性為多具透明外觀、各方向性質差異不大。常見有PS、PVC、PC等。,結晶性與非結晶性塑料分子鏈結,塑料之熱物理性質,容積性質-比容、密度、PVT關係 熱卡性質-比熱、熱傳導係數(shù)、熔化熱、結晶熱 轉移溫度-玻璃轉移溫度、熔點,玻璃轉移溫度( Tg )：是指塑料的高分子鏈結在微觀開始具有大鏈結運動的溫度。若塑料處於較玻璃轉移溫度高的溫度下，分子鏈結可自由運動，塑件呈現(xiàn)柔軟的橡膠態(tài)；若塑料處於較玻璃轉移溫度低的溫度下，分子鏈結被凍結，塑件呈現(xiàn)剛硬的玻璃態(tài)態(tài)。所以說玻璃轉移溫度是塑料發(fā)生玻璃態(tài)-橡膠態(tài)相轉移的溫度。一般連接器塑膠件的應用溫度範圍應取在玻璃轉移溫度之下。,黏度( viscosity )：黏度是塑膠射出成型的一項重要特性，黏度越高，流動阻力越大，流動越困難。對熱塑性塑膠而言，黏度是塑料成分、溫度、壓力及剪切率的函數(shù)。一般而言，黏度會隨著溫度升高而降低。,塑料主要特性,常見SMT耐高溫塑膠特性比較,了解產品設計對塑膠Housing成型的影響因素,充填的流動形式 肉厚的效應 速度的效應 縫合線 分子鏈配向性,充填的流動形式,使融膠前進的動力是融膠的壓力差，塑料在充填的過程中是向阻力最小的地方流動。,肉厚的效應,肉厚較厚處，流動阻力小，融膠容易流動，若肉厚較厚，代表著此區(qū)域的熱能較多，但由於塑膠是熱的不良導體，所以溫度不易下降，容易造成積熱，使得元件因溫度的差異造成收縮量的不一致，而產生變形。 肉厚較薄處，流動阻力大，融膠不易流動，因為熱融膠進入此一區(qū)域因熱能被模具金屬迅速帶離，當融膠進入此一區(qū)域，固化層迅速形成，阻礙了熱融層的進入，故肉薄處，充填不易。,不同肉厚的的影響,速度的效應,高速充填時剪切率較高，塑料此時有黏度下降的情形，使整體流動阻力降低。由於黏滯加熱影響亦使得固化層厚度變薄，因此在高速充填時，充填行為是取決於充填體積的大小。 低速充填時，塑料此時有黏度較高的情形，使整體流動阻力較大。由於熱融膠補充較慢，流動較慢，使得熱量迅速為冷模壁所帶走，所以固化層較厚，使得融膠在肉厚較薄處阻力大增，所以低速充填時，肉厚處較易充填。,高速充填,低速充填,縫合線,融膠在模具中的充填行為，流動波前是類似以噴泉流動的模式在模具中流動，中段的融膠被帶至波前前端後，向兩側的模壁甩出，在模壁形成固化層，所以靠近模壁的融膠溫度較低，也因靠近模壁的剪切率較高，所以高分子鏈結在靠近模壁處的排向性亦較良好，而在中段的融膠溫度較高，排向也較混亂。,由於噴泉流動的緣故，兩股相會的融膠，在其流動波前的接觸面塑膠高分子因受壓力擠壓而形成高分子鏈會平行於流動方向，而且由與相會的兩股融膠在模具中可能走過的路徑有所差異，導致兩股融膠特性上會有所不同(溫度、壓力等)，所以會造成相容上問題，這就是所謂的縫合線。一般縫合線會視融膠接合的情況對結構的強度造成影響，而且是應力集中易造成的地方。,噴泉流動的效應,一般來說，若融膠相會所造成的縫合線若是發(fā)生在高溫區(qū)，則因在高溫的情況下，塑膠高分子鏈的活動性較佳，可以互相穿透糾結，增加融合所造成縫合線的強度。 若在溫度較低區(qū)域發(fā)生融膠交會的情形，則塑膠高分子鏈融合的情況就會較差，所造成的縫合線強度亦會較差。,不同溫度下的縫合線,若相會的融膠其流動差異性大，較強勢的融膠會推擠較弱的融膠，在模具中由於靠近模壁的融膠會因為熱被冷模壁帶走而先形成固化層凝固，但靠中段的融膠由於仍為融膠狀，此時強勢融膠會推擠弱勢融膠，使得內部融膠所形成的縫合線位置會與靠模壁融膠所形成的表面縫合線位置會有所不同，這種現(xiàn)象稱為潛流效應。若生成此種縫合線，結構強度將進一步降低。,融膠流動對縫合線的影響,縫合線對塑件強度降低的效應,分子鏈配向性,高分子塑膠是由長鏈高分子所組成，在流動狀態(tài)下，長鏈高分子會被模具中流道的流場所排向，排向之所以造成，由上圖可看出，靠近模壁的融膠流速因熱被冷模壁所帶走，以能量的觀點來看能量較低，相對中段的熱融膠的溫度較高，所以能量也較高，所以由此觀點可知靠模壁的融膠流速較低，所以對一長鏈高分子鏈而言，靠近模壁的部分速度較低，靠近中段的部分速度較高，此一速度差就是造成分子鏈排向的主因。,分子鏈排向性的趨勢,就整體流場而言，分子鏈大體沿主要流動方向排列。 在厚度方向，由於中間層剪切率最低(速度變化最小)，排向性最差，分子鏈凌亂分布。 靠近模壁部分，速度變化最大，簡切率最高，分子鏈配向性較激烈，排向較為整齊。,分子鏈排向性的效應,x,y,塑件在流動方向(y)收縮率較高,纖維配向性的效應,因為纖維的剛性,可使塑件在流動方向得收縮率降低,纖維配向性對結合線的影響,產品設計階段應掌握的設計原則,均勻肉厚的概念,在產品設計時要盡力維持塑件肉厚的一致性，由於肉厚較厚處的流動阻力較大，而肉厚較薄處的流動阻力較小，若再同一結構中肉厚的差異性大，就會發(fā)生融膠會在某些部分流動良好，而某些部分流動不佳，就會造成充填密度不均一，進而造成變形、翹曲等不良後果。所以產品設計時要盡力維持塑件肉厚的一致性，若產品不可避免必須有肉厚上的變化，那就需盡力避免肉厚在變化時有太劇烈的落差產生。,均勻肉厚的概念,肉厚對結構的影響,結構突出塊的設計-均勻肉厚的影響,結構肋設計-均勻肉厚的影響,在產品設計階段評估-使用模流分析軟體,設計階段模流分析重點： 模擬分析模型的認識 充填階段流動波前流動平衡 充填保壓階段壓力、溫度分布均衡 縫合線位置 變形量的要求,模擬分析模型的認識,2.5維模流分析軟體 2.5維是指利用面積來建構模型，而這個面積再指定一個厚度參數(shù)來模擬融膠在模穴中流動的情形，基於板殼理論的基礎來進行分析，假設長與寬的尺寸必須十倍於高的尺寸， 一般大型塑膠件來說較符合板殼理論的假設，而以連接器的塑膠件來說，由於尺寸都很小，而且越是細間距的連接器，其插槽處的尺寸的長寬高都會很接近，所以利用模流分析軟體來分析連接器塑膠件，必須有一定的經驗來建構模型，方能有較正確的分析結果 國內一般所採用的模流分析軟體有Moldflow、Moldex。,2.5D 模流分析,3D 模流分析,2.5D Vs 3D 模流分析的差異,Flow/Pack理論模型基本假設,塑件厚度(z)遠小於其他方向(x,y)尺寸,且融膠粘度高,因此忽略厚度方向之流動(cross flow);壓力在厚度方向不變 塑料融膠粘度高,粘滯力遠高於慣性力及體作用力,動量方程中的非線性慣性項與體作用力項可予以忽略.忽略融膠粘彈效應(viscoelastic effect) 塑料流動方向(x,y)的熱傳導項與熱對流項相較而言可予以忽略 忽略融膠前緣噴泉流動(fountain flow)效應,充填階段流動波前流動平衡,在充填階段流動波前能均勻是產品設計最首要的目標，流動波前若能平衡，代表融膠在充填過程中所受的阻力差異不大，不會造成局部流動過慢而產生包封等問題，而且亦代表著，熱能在充填過程中，能夠順利被傳遞，而不會在某個區(qū)域造成積熱，而對結構產生內應力，更甚而造成翹曲變形。,充填99%,流動波前不均衡-產生包封現(xiàn)象,充填保壓階段壓力、溫度分布均衡,溫度分布,壓力分布,良好的流動平衡亦會使在充填過程中壓力降能夠均勻分布，降低內應力。,充填保壓階段溫度的均勻分布表示熱能被帶到模具中的每一個區(qū)域，對塑件而言可以降低對結構內應力的生成。,縫合線位置,在塑件中縫合線的生成是無可避免的，然而要適當?shù)乜刂瓶p合線的位置，是設計階段的一個重要課題。一般而言，設計者不希望縫合線發(fā)生在結構需承受較強應力的地方，如Latch插入處 結構會有較大應力發(fā)生，若有較明顯的縫合線發(fā)生，就可能發(fā)生端子或Latch插入後塑件破裂的情況。,變形量的要求,塑件的變形量是Housing設計與分析最重要的要求，如何使變形量控制在規(guī)格以下，是工程師努力的目標。近年來SMT類的產品越來越多，如SO-DIMM、FPC、Board to Board Connector等連接器，其對變形量的要求是很嚴格的，一般要求是連接器成品的共面度要求通常為0.1mm，所以對塑件變形量的要求是更嚴格。 模流分析中的翹曲分析，對連接器這一個產業(yè)而言，並不是那麼精確，最主要的原因之前已經提及，連接器塑件一般都不符合板殼理論原理的假設，所以對連接器塑件而言，模流分析中翹曲分析的核心並不太適合分析，其正確性要視各家軟體公司的技術。不過軟體公司一般會強調，對連接器塑件的翹曲分析是看其定性而非看其定量值。,塑件翹曲的成因,翹曲驗證,3D模流軟體發(fā)展的瓶頸,2.5D Vs 3D,MOLDEX 3D,因應Cost-down的趨勢選用價格較低塑料考量因素,不同塑料間的特性差異，如縮水率、耐熱溫度、成型難易度等。 進入高頻時代，更換塑料時需考量