基于Moldflow技術的三色按鈕模具開發及其研究應用

胡光良，張立新，嚴勝義，郝 勇

（溫州長江汽車電子有限公司，浙江 溫州 325000）

1 前言

傳統的汽車組合開關按鈕多半采用2K(雙色)注塑工藝+符號噴漆鐳雕+單色注塑 (導光體)+導光體后裝的工藝，然而該制造工藝存在諸多弊端和不足，如至少需開發3套模具、導光體后裝工序等，這些將導致開關制造成本增加、周期拉長，而導光體后工序裝配的工藝又容易導致按鈕和導光體之間存在一定的間隙，使得按鈕A面不具備防水、防塵的功能，容易因液體流入開關內部而導致線路板短路將開關燒壞，也會因為灰塵掉入間隙內而影響導光體背光效果，進而影響工作指示燈亮度，造成開關品質不穩定。而本文所論述的開關按鈕則是通過Moldflow技術對原有塑件、模具結構等進行改善創新，采用2K注塑+2K混色工藝+符號噴漆鐳雕的創新方式開發出來的三色按鈕，它的成功開發有效改善了上述問題，滿足客戶要求并順利投產裝車。

2 制件設計方案及功能說明

開關按鈕樣件圖片如圖1所示，其零件功能說明如圖2所示，零件工作原理如圖3所示。

圖1 樣件圖片

圖2 零件功能說明圖

產品要求：①工作指示區域 (透明)，防止漏水 (防水等級較高，要求三級)；②符號區域 (乳白)采用背光燈，要求字符清晰、亮度均勻、光強符合客戶實驗要求；③產品符號區域與工作指示間距只有2.2 mm，不允許存在串光問題。

圖3 零件工作原理圖

3 制造工藝方案對比說明及優化

3.1 原工藝方案問題描述

原方案：采用2K(雙色)注塑工藝+符號噴漆鐳雕+單色注塑+導光體后裝工藝，也即開發1套雙色按鈕模具和1套單色導光體模具，雙色按鈕噴漆鐳雕即可，導光體通過后工序裝配完成。

主要缺點：①采用雙色注塑+噴漆鐳雕+單色注塑+后工序組裝的方式較繁瑣，不僅需要多開發一套模具，而且導光體還要后工序裝配，制造成本相對較高；②導光體采取后工序裝配的工藝導致按鈕和導光體之間存在一定的間隙，使得按鈕A面不具備防水防塵的功效，容易因水流入開關內部而導致線路板短路將開關燒壞，也會因為灰塵掉入間隙內而影響導光體透光，進而影響工作指示燈亮度，造成開關品質不穩定。

3.2 改善制造工藝方案說明

3.2.1 方案一

采用3K(三色)注塑工藝+符號噴漆鐳雕，也即先注塑第一色 (黑色)結構，然后再注塑第二色 (白色)結構，最后注塑第三色 (透明)結構 (圖4)，外觀面噴漆后符號區域鐳雕即可。

圖4 方案一零件制造工藝示意圖

風險點評估如下。

1)分次注塑容易導致第二色和第三色粘合不牢固，存在脫落或者開裂失效的風險 (分次注塑2種材料融合強度較差)，且結合部位噴漆后仍存在較明顯的斷差線，嚴重影響產品外觀品質，風險較大。

2)該方案三色模具制造精度及注塑成型條件要求極高，導致模具制造 (中間隔斷注塑較困難)和注塑成本較高，而普通制造工藝 (模具制造工藝+注塑成型工藝)較難滿足要求，且良品率較低，風險較大。

3.2.2 方案二

采用2K注塑+2K混色工藝+符號噴漆鐳雕，也即先注塑第一色 (黑)，再第二色 (白)、第三色 (透明)同時注塑混色成型，零件制造工藝示意圖如圖5所示。

圖5 方案二零件制造工藝示意圖

風險點評估：由于產品結構導致該工藝參數要求控制非常精確 (工藝條件范圍小)，第二色和第三色注塑成型時分界線位置不穩定較難控制 (產品符號區域間距只有2.2 mm)，容易出現混色、亮印、鼓包等問題，噴漆后難以隱蓋的風險。

3.2.3 綜合評估結果

方案一是客戶提供的類似產品的開發制造工藝方案，供我們參考，但是參考樣件存在第二、三色融合不牢、容易開裂、噴漆后存在明顯斷差線等問題，嚴重影響外觀品質，開發風險較大，而且該方案的模具制造精度及工藝要求極高，模具制造及注塑生產成本較高，方案可行性較差。

方案二是基于溫州長江汽車電子有限公司目前制造工藝條件進行改善創新得到的，該方案雖然存在一定開發風險，但可以通過產品、模具、工藝等多方面協同優化改善，方案可行性較高。

4 制造開發工藝過程

4.1 產品設計階段→零件結構優化

根據整個開關的要求，設計單個的三色按鈕零件，并結合注塑成型仿真分析軟件Moldflow分析產品設計的合理性和注塑成型的可行性，通過注塑成型仿真分析反復迭代的優化零件結構，確定零件最終的合適壁厚和結構等，優化后的零件結構及Moldflow分析驗證結果見圖6、圖7。

圖6 優化后的第一色零件結構圖

圖7 零件第二、三色Moldflow仿真分析結果圖

說明：經過Moldflow軟件反復迭代的分析和優化，首先確定第二、第三色的零件結構，然后對第一色對應的結構作相關的優化調整，并設計相應的工藝輔助結構 (如第二、三色進澆位置設計，排氣結構設計，減膠增加C角防止發生沖料的結構設計，導流阻流結構設計等)。

說明：從分析結果可知優化后的零件結構滿足產品設計、模具制造和成型工藝要求，方案可行性較好。

4.2 模具開發階段→模具結構優化

結合注塑成型仿真分析軟件Moldflow分析推薦的進澆方案、澆口大小及位置 (圖8)，按要求設計加工制造模具，并完成模具的裝配［2-3］，前后模結構圖見圖9。

圖8 模具進澆方案及澆口位置

4.3 注塑成型階段→成型工藝優化

利用三色注塑成型機對三色模具進行試模驗證，檢驗模具生產出來的零件是否符合設計要求，整個過程是一個不斷反復試模驗證，優化改善產品和模具的過程，直至最終生產出合格的毛坯零件［4］，注塑成型狀態模擬圖 (每一個循環周期動模旋轉180℃)如圖10所示，實際注塑成型的零部件 (實物)如圖11所示。

4.4 實驗驗證階段→驗證設計要求

圖9 前后模結構圖

圖10 注塑成型狀態模擬圖（每一個循環周期動模旋轉180℃）

圖11 實際注塑成型的零部件 （實物）

注塑生產合格的零件需要經過高溫烘烤降低制品內應力，然后再進行噴漆鐳雕、移印等，最后將該三色按鈕裝入整個開關進行各類嚴苛的實驗 (如高低溫交變實驗、鹽霧噴射實驗、淋雨實驗、跌落實驗、光強實驗、恒溫恒濕實驗、壽命實驗、應力測試實驗、強度實驗等)以驗證最終的零件及開關是否滿足設計的要求。零件噴漆后的效果見圖12，開關總成見圖13，開關淋雨實驗見圖14，鹽霧噴射實驗見圖15，溫度梯度實驗見圖16。

圖12 零件噴漆后的效果圖

圖13 開關總成圖

說明：經過一系列嚴苛的綜合試驗和反復驗證優化，整個開關 (包括三色按鈕)順利通過所有實驗驗證并批量投產，深得客戶的好評。

圖14 開關淋雨實驗 （防水測試）

圖15 鹽霧噴射實驗工況圖

圖16 溫度梯度實驗

5 結論

1)從模具成本上考慮，此種創新方式只需開發2套模具 (雙色+混色共注成型)，模具結構也比較簡單，制造精度及工藝要求也相對較低，成本較低。

2)從注塑成本上考慮，此產品只需采用雙色+混色注塑工藝 (三色機)即可一次成型，大大節約了注塑生產成本，目前注塑成型合格率達96%以上。

3)從裝配工藝上考慮，此種創新方式規避了后工序裝配品質不穩定的風險 (漏水及外觀缺陷)，提升了按鈕總成裝配品質。

4)從企業的角度來看，該創新不僅可以提高企業的技術創新能力，而且還可以提升產品品質，縮短項目開發周期，降低開發及生產成本，所以該創新極具研究意義和實用價值。