本技術報告主要包括兩大部份，第一部份為本人在三匠實習的成果與心得；第二部份為實習過程中針對陶瓷射出絕緣體製程所引發之表面裂痕，萃取出來著重產業技術研究報告。
絕緣體廣泛的運用在民生、工業、醫療與軍事等領域，尤其在高電壓之工作環境中，高壓絕緣體更是扮演不可或缺的角色。針對低壓絕緣體一般可應用無機及塑膠材料擔綱製備，然而，高壓絕緣體則是陶瓷絕緣體或合成絕緣體。製作陶瓷絕緣體常利用陶瓷粉末射出成型技術，此方式不僅能大量且穩定滿足消費端的需求，更可利用陶瓷特性達到高壓絕緣的效果。然而在射出成型時，產品表面的裂痕卻是外觀上常見且非常嚴重的缺陷，此項缺陷問題常於脫脂與燒結後之產品觀察到，不過近年來之研究發現此問題可能與生胚(green part)射出成型時的不均勻收縮造成，只是此等產品表面的裂痕與生胚射出成型的具體相關性，至今尚未完整地被掌握。
本研究之目的主要想利用數值模擬分析與實驗研究探索高壓絕緣體產品表面的裂痕與生胚射出成型(特別是產品之收縮變化)具體相關性。研究方法與流程，首先利用CAE數值模擬分析方法，針對各項可能之單一因子進行模擬分析，並觀察分析後之體積收縮率結果，找出影響產品體積收縮率變化之最主要因子。其次，以相同條件進行射出成型，觀測數值模擬分析結果體積收縮率較高的位置與生胚缺陷位置的狀況。最後利用數值模擬分析找出最適化參數以解決或改善缺陷問題。另一方面，我們以實際開模進行陶瓷粉末射出成型實驗，欲探討氧化鋁射料在不同的射速、料溫、模溫與保壓壓力之條件下之成型結果，並觀測生胚外觀缺陷上的影響。結果顯示，實際產品射出後，其發生裂痕缺陷的位置與Moldex3D軟體計算預測之結果近乎相同。而從模擬的結果看來，料溫與保壓壓力對體積收縮率分別呈正相關與負相關，當料溫提高，保壓壓力降低，體積收縮率愈大，缺陷發生的機率愈大，程度亦愈嚴重。因此操作條件由料溫160 ℃降至150 ℃，保壓壓力由31 MPa加增至62 MPa，整體體積收縮率有下降的趨勢，且後續實驗驗證也呈現具體之改善。再則，我們也初步建立裂痕缺陷與生胚產品之收縮變化具體定量相關性。

Insulator has been widely used in our livelihood, industrial, medical and military fields, especially in the working environment of the high-voltage. In general, the high voltage insulator is playing an integral role. The high voltage insulator is often made by the ceramic material. The ceramic insulators generally are manufactured by utilizing ceramic powder injection molding technology, which satisfies a large number of requirements for the consumer. However, during injection molding, some cracks on the surface of the product are common defects in appearance, and those problems are often observed in products after debinding and sintering. However, some recent literatures have proposed that the crack problem might be caused by uneven shrinkage of green parts during injection molding. But the specific correlation between cracks on these surfaces and injection molding of green parts has not been fully understood yet. 
    This study applied both of numerical simulation and experimental studies to explore the specific correlation between cracks on the surface of high-voltage insulators and shrinkage variation after the green parts were injected. Firstly, we have tried to find out the major factors to cause high volume shrinkage region. Then we have proved that the cracks happened regions are matched with that of higher volume shrinkage areas of the green parts numerically. On the other hand, we also performed experimental tests to verify the numerical simulation.  Results showed that the real cracks happened regions are matched with that of numerical simulation predicted.  Moreover, to overcome the crack problem, the operation conditions have been optimized using CAE (Moldex3D) software. In our real setting, melt temperature is reduced from 160 ℃ to 150 ℃, and packing pressure is increased from 31 MPa to 62 MPa, the crack problem can be totally removed. The correlation between crack problem and the volume shrinkage of the green part is validated.

目錄
中文摘要	I
英文摘要 II
目錄	IV
圖目錄	VIII
表目錄	XIV
實習機構簡介	1
實習內容概述	2
實習心得及自我期許	5
技術報告內容	6
第一章	緒論	6
1.1	前言	6
1.2	文獻回顧	8
1.2.1	產品及市場概況回顧	8
1.2.2	陶瓷粉末射出成型概念與技術	9
1.2.3	陶瓷粉末射出成型表面缺陷	13
1.3	研究動機與目的	15
1.4	論文架構	16
第二章	陶瓷粉末射出成型基本理論與製程	18
2.1	陶瓷粉末射出成型製程概述	18
2.2	混煉與黏結劑系統	18
2.2.1	黏結劑的功能與主要組成[8]	19
2.2.2	黏結劑的選擇	19
2.3	射出成型	20
2.4	脫脂製程	20
2.4.1	溶劑脫脂	21
2.4.2	熱脫脂	21
2.5	燒結製程	21
第三章	研究方法	23
3.1	研究流程	23
3.2	模流分析	25
3.3	絕緣體產品幾何尺寸與模具設計	25
3.4	CAE模流分析流程	28
3.4.1	建立新專案	28
3.4.2	匯入網格	29
3.4.3	選定材料與材料特性	29
3.4.4	操作條件設定	31
3.4.4.1單因子分析	31
3.4.4.2優化因子分析	33
3.5	選定觀察位置	34
3.6	實驗操作條件與設備	39
3.6.1	射出條件參數	39
3.6.2	陶瓷粉末射出成型機	40
3.6.3	絕緣體產品模具	41
3.6.4	模溫控制機	42
3.6.5	溶劑脫脂爐	43
3.6.6	熱脫脂爐	44
3.6.7	燒結爐	45
第四章	結果與討論	46
4.1	數值模擬分析研究	46
4.1.1	單因子分析	46
4.1.2	優化因子分析	52
4.2	實驗驗證	61
4.2.1	短射實驗	61
4.2.2	缺陷預測	65
4.2.3	優化實驗驗證	67
4.2.3.1優化前後模擬與實驗的驗證結果	67
4.2.3.2裂痕缺陷再現性與發生率探討	77
4.2.4	尺寸驗證	83
4.2.5	殘留應力效應探討	92
第五章	結論	95
第六章	未來研究方向之建議	98
第七章	參考文獻	100
作者簡歷	103

 
	圖目錄
圖一 三匠科技股份有限公司-陶瓷射出成型流程圖	2
圖1.2.1 粉末射出成型流程圖[7]	11
圖1.2.2氧化鋁工件之 (A)生胚表面裂痕(B)脫脂後的表面裂痕[25]	12
圖3.3.1 陶瓷絕緣體產品幾何與尺寸	26
圖3.3.2 流道尺寸圖	26
圖3.3.3 冷卻水路尺寸與數量	27
圖3.3.4 模座尺寸與水路佈局	27
圖3.4.1 CAE分析流程	28
圖3.4.2 本研究使用之材料黏度性質	30
圖3.4.3 本研究使用之材料PVT性質	31
圖3.5.1 陶瓷高壓絕緣體缺陷分布位置	35
圖3.5.2 絕緣體產品埋設量測節點位置-L1	36
圖3.5.3 絕緣體產品埋設量測節點位置-L2	36
圖3.5.4 絕緣體產品埋設量測節點位置-L3	37
圖3.5.5 絕緣體產品埋設量測節點位置-R1	37
圖3.5.6 絕緣體產品埋設量測節點位置-R2	38
圖3.5.7 絕緣體產品埋設量測節點位置-R3	38
圖3.6.1百塑MULTIPLAS直壓式粉末射出機CIM-150T	40
圖3.6.2 絕緣體產品公模結構照片	41
圖3.6.3 絕緣體產品母模結構照片	41
圖3.6.4 模具溫度控制機	42
圖3.6.5 溶脫靜置槽	43
圖3.6.6 熱脫脂製程使用的熱脫脂爐	44
圖3.6.7 燒結製程使用的高溫燒結爐	45
圖4.1.1 原始操作條件	46
(充填時間2.5 s、塑料溫度160 ℃、模具溫度30 ℃與保壓壓力31 MPa)	46
圖4.1.2 充填時間改變對體積收縮率顏色分布結果	47
圖4.1.3模具溫度改變對體積收縮率顏色分布結果	48
圖4.1.4塑料溫度改變對體積收縮率顏色分布結果	48
圖4.1.5保壓壓力改變對體積收縮率顏色分布結果	48
圖4.1.6 充填時間對體積收縮率之影響圖	49
圖4.1.7 模具溫度對體積收縮率之影響圖	50
圖4.1.8 塑料溫度對體積收縮率之影響圖	51
圖4.1.9 保壓壓力對體積收縮率之影響圖	51
圖4.1.10 原始操作條件之體積收縮率結果	53
圖4.1.11 塑料溫度150 ℃與不同保壓壓力的體積收縮率分布結果	54
圖4.1.12塑料溫度160 ℃與不同保壓壓力的體積收縮率分布結果	54
圖4.1.13塑料溫度170 ℃與不同保壓壓力的體積收縮率分布結果	55
圖4.1.14 優化因子交互作用後與體積收縮率之關係圖	56
圖4.1.15 優化因子分析結果與最大體積收縮率關係圖	57
圖4.1.16 L1各量測節點之體積收縮率結果	58
圖4.1.17 R1各量測節點之體積收縮率結果	59
圖4.1.18 L2各量測節點之體積收縮率結果	59
圖4.1.19 R2各量測節點之體積收縮率結果	60
圖4.1.20 L3各量測節點之體積收縮率結果	60
圖4.1.21 R3各量測節點之體積收縮率結果	61
圖4.2.1 模擬與實驗之短射比對圖(螺桿位置13 mm/130 mm)	63
圖4.2.2模擬與實驗之短射比對圖(螺桿位置39 mm/130 mm)	63
圖4.2.3模擬與實驗之短射比對圖(螺桿位置65 mm/130 mm)	63
圖4.2.4模擬與實驗之短射比對圖(螺桿位置91 mm/130 mm)	64
圖4.2.5模擬與實驗之短射比對圖(螺桿位置117 mm/130 mm)	64
圖4.2.6模擬與實驗之短射比對圖(螺桿位置130 mm/130 mm)	64
圖4.2.7 體積收縮率分布結果與各個缺陷位置之驗證比對圖	66
圖4.2.8 L1-150 ℃模擬與實驗的優化結果	68
圖4.2.9 L1-160 ℃模擬與實驗的優化結果	68
圖4.2.10 L1-170 ℃模擬與實驗的優化結果	68
圖4.2.11 L2-150 ℃模擬與實驗的優化結果	69
圖4.2.12 L2-160 ℃模擬與實驗的優化結果	69
圖4.2.13 L2-170 ℃模擬與實驗的優化結果	69
圖4.2.14 L3-150 ℃模擬與實驗的優化結果	70
圖4.2.15 L3-160 ℃模擬與實驗的優化結果	70
圖4.2.16 L3-170 ℃模擬與實驗的優化結果	71
圖4.2.17 R1-150 ℃模擬與實驗的優化結果	71
圖4.2.18 R1-160 ℃模擬與實驗的優化結果	72
圖4.2.19 R1-170 ℃模擬與實驗的優化結果	72
圖4.2.20 R2-150 ℃模擬與實驗的優化結果	72
圖4.2.21 R2-160 ℃模擬與實驗的優化結果	73
圖4.2.22 R2-170 ℃模擬與實驗的優化結果	73
圖4.2.23 R3-150 ℃模擬與實驗的優化結果	74
圖4.2.24 R3-160 ℃模擬與實驗的優化結果	74
圖4.2.25 R3-170 ℃模擬與實驗的優化結果	74
圖4.2.26 優化前生胚缺陷狀況	75
圖4.2.27 優化前燒結成品缺陷狀況	76
圖4.2.28 優化後生胚缺陷狀況	76
圖4.2.29 優化後燒結成品缺陷狀況	77
圖4.2.30 L1之體積收縮率與缺陷發生率關係	80
圖4.2.31 L2之體積收縮率與缺陷發生率關係	80
圖4.2.32 L3之體積收縮率與缺陷發生率關係	81
圖4.2.33 R1之體積收縮率與缺陷發生率關係	81
圖4.2.34 R2之體積收縮率與缺陷發生率關係	82
圖4.2.35 R3之體積收縮率與缺陷發生率關係	82
圖4.2.36 陶瓷絕緣體外觀尺寸	84
圖4.2.37 尺寸X在優化過程的變化關係圖	85
圖4.2.38 尺寸Y在優化過程的變化關係圖	86
圖4.2.39 尺寸Za在優化過程的變化關係圖	86
圖4.2.40 尺寸Zb在優化過程的變化關係圖	87
圖4.2.41 缺陷尺寸量測方法	88
圖4.2.42 L1之缺陷尺寸與體積收縮率率關係	89
圖4.2.43 L2之缺陷尺寸與體積收縮率率關係	89
圖4.2.44 L3之缺陷尺寸與體積收縮率率關係	90
圖4.2.45 R1之缺陷尺寸與體積收縮率率關係	90
圖4.2.46 R2之缺陷尺寸與體積收縮率率關係	91
圖4.2.47 R3之缺陷尺寸與體積收縮率率關係	91
圖4.2.48 料溫150 ℃、保壓壓力31 MPa 在x方向熱殘留應力分布結果	93
圖4.2.49 料溫150 ℃、保壓壓力31 MPa 在y方向熱殘留應力分布結果	94

 
表目錄
表3.4.1 單因子分析-充填時間效應操作條件表	32
表3.4.2 單因子分析-料溫效應操作條件表	32
表3.4.3 單因子分析-模溫效應操作條件表	33
表3.4.4 單因子分析-保壓壓力效應操作條件表	33
表3.4.5 優化因子分析-料溫150 ℃與保壓壓力效應操作條件表	34
表3.4.6 優化因子分析-料溫160 ℃與保壓壓力效應操作條件表	34
表3.4.7 優化因子分析-料溫170 ℃與保壓壓力效應操作條件表	34
表3.6.1 實驗射出條件參數表	39
表4.2.1 短射實驗之射出成型參數	62
表4.2.2 短射實驗之螺桿行程記錄	62
表4.2.3 缺陷發生機率統計表	78
表4.2.4 各組操作條件之最大體積收縮率表	78
表4.2.5 陶瓷絕緣體外觀尺寸公差表	84
表4.2.6 各組操作條件之缺陷尺寸表	88
表6.1.1 射出機台射速實驗表	99

參考文獻
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