星期一, 5月 16

    模流分析与工业4.0智慧制造: CAE技术发展与制程改善(下篇)

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    ■ Moldex3D/ 孙士博

    前言

    「资讯」是迈向工业4.0过程中的主角,而对于射出成 型制程来说,资讯不外乎是工艺条件、设备与原料状况、 以及产出的产品品质。资讯由「数据」整理而来,而资 讯分析后便成为「知识」,知识便是推动技术前进的动 能,因此我们可以说,迈向工业4.0就是在数据、资讯 与知识三者上不断集成、强化的过程。

    过去在塑胶加工产业中,产品、模具设计以及成型工艺 条件多半是靠经验传承而来,多数人在工厂收集到的都 是片段的资讯,由于没有完整的数据,因此并不能产生 知识。工业4.0在塑胶加工行业要强化的,就是将数据 收集完整,资讯流通自动化,以及利用电脑的运算能力 产生知识。

    而数据又是如何从真实的物理环境(例如传感器所收集 的数字),转换成可供运算分析的概念呢?美国国家科 学基金会智慧维护系统产学合作中心共同主任李杰博 士,也是辅导Moldex3D进行制造服务创新的顾问,在 工业大数据 (2016) 书中提到 Cyber -Physical System 的 概念,「从实体空间物件、环境、活动中大数据的撷取、 储存、建构模型、分析、挖掘、评估、预测、优化、协 同,并与物件的设计、测试和运作性能特征相结合,产 生与实体空间的深度融合;进而透过自我感知、自我记忆、自我认知、自我决策,以促进工业资产的全面智 慧化。」这样以虚拟的模型来描述真实的加工环境的 方法,若运用在射出成型制程上,靠的正是「模流分 析」。
    它可将实体空间转化为虚拟环境,使我们能在其中应 用知识解决问题。在建构有限元分析的各个系统过程 中,实体的物件包含模穴与模具,借由网格制作形成 分析的边界范围;而物理场的解析在模流分析中是藉 由热传导与流体力学方程式来说明;被分析的物件, 塑料则是将其热与流动性质转化成材料方程式;加工 机台的运动则是转化成施加在材料的压力、速度以及 温度等。至此射出成型中的所有元素都已经转换为虚 拟系统,针对产品品质与生产效能的计算便在虚拟系 统中完成后,反应到实体空间作为生产决策的建议。

    结合虚拟与实体空间的技术进化来自两方面:

    一是模型建构的真实程度,一是虚拟空间中的数据分 析技术,这也是模流分析软体开发者持续努力的方 向。
    在Moldex3D的开发方向上,关于材料方程式的改进 一直是Moldex3D材料研究中心的核心任务。例如 材料的黏弹性质量测、以及软体配套的黏弹性耦合求解器,便是改进传统只用纯黏性的方程式来预测流动 的新技术。因此诸如流动不稳定下的各种表面品质缺 陷,都可以更有效的提前预测。

    若是将黏弹性扩展到翘曲分析,产品在模内收缩产生的应力,都可以随着冷却时间的快慢而有不同程度的 松弛,产品的变形将更能反映出不同加工工艺下的情 况。另一个近期愈显重要的是射出机台作动的模型建 构。传统的模拟将螺杆的运动转化为单纯施加在熔胶 上的速度与压力,这其实是过度简化了塑料的流动行为。

    以闭回路油压机为例,实际在射出阶段,螺杆的移动 是机台将当下量测到的速度与成型人员所输入之射出 速度相比较,其中的差异便是靠控制器来调整比例 阀,以增加或降低的螺杆的前进速率。这个控制回路 的响应快慢,决定了机台能否稳定生产。若是产品设 计不良,射压变化幅度大,控制回路响应自然需要较 长时间才能稳定。在工业4.0环境下,稳定生产是自 动化的必要条件,因此在模拟时,机台作动的模型建 构便愈发重要。■

    模流分析与工业 4.0 智慧制造

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