星期一, 5月 16

    新颖实验设计法优化射出成型参数

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    ■ Moldex3D/ 廖伟纶技术副理

    前言

    射出成型是一种结合模具设计、产品设计、材料流变性 与加工成型条件等一系列复杂的制程。在有限的产品开 发时间内,产品设计者仍须面临产品朝轻、薄、短、小 及几何设计复杂化……等严苛的生产制造挑战。每个因 素的改变,都会对射出成型塑料造成很大的影响,从材 料到产品,一连串多种成型因素相互作用下的复杂性, 若以传统试误法去预测和控制射出流程,已是一种低效 率及耗费成本的方法。现在,利用科学化的快速设计方 法,可大幅节省传统试误法所衍生的费用,因此采用田 口质量工程技术来进行实验设计已蔚为趋势,希望将实 验的次数、时间及实验成本降至最小值,并找出影响质量稳定性的因素,藉以加强控制来降低不良率、减少成 本开销。

    模具从设计、开发到制作完成

    对于从事塑料射出成型的专业人士而言,当产品经由模 具设计,以及完成模具施工制作后,仍须经过上成型机 做测试的程序,主要是为了试验模具在成型过程的稳定 性,并验证因产品、模具设计不良所造成的外观缺陷和尺寸偏差,或是因不恰当的成型条件所导致的不合 格结果。传统上,成型现场常会根据试误法的经验累 积方式来操作,如当下试模的产品有问题,会朝向成 型参数或模具设计进行修改的动作,但这些判断往往需要经验经验老到的师傅、或资深的试模人员才能完 成,否则很容易事倍功半,甚至使问题更加严重。为 解决这些实务上的问题,现在我们可以利用科学化的 计算机辅助工程模流分析软件Moldex3D Expert模块, 辅助我们进一步克服人为盲点与试误法的猜测痛苦经验,以缩短产品上市的时程并减少修模等额外的费用。为让大家更容易了解 Moldex3D Expert(专家分析模块)的价值,我们先来讨论实验设计法。

    何谓实验设计法 (Design of Experiment, DOE)

    应用数理统计手法,在一定的费用、时间等成本限制 下进行实验,期望能从较少的实验结果数据中,得到 最多情报的实验方法。而实验设计法的种类主要可分 为试误法 (trial and error)、一次一因子实验法 (one factor at a time experiments)、全因子实验法 (full factorial experiments),以及田口式直交表实验法 (Taguchi’s orthogonal arrays) 等。Moldex3D 提供 的田口式质量工程技术,被应用于成型参数优化射出 成型评估方案,其功能特点如下: • 使用有效率的实验设计法 (Design of Experiment, DOE),帮助设计者评估最适当的条件参数,达到设 计优化的目的。 • 非传统的试误法,主要是藉系统化与科学化方法, 透过简单的设定条件,经过分析后自动产生图形化 摘要,帮助用户确定优化的产品质量结果,并 有效引导使用者获得最佳设计。 • 支援热塑性及热固性材料。 • 如图1、2所示,支持可选择多项质量与控制因子, 并透过加权函数控制参数。 • 图3获得给定质量因子的最佳质量结果;每个质量 因子在拥有不同权重的情况下,可容易找出最佳的 成型条件。 • 图4最高质量响应可以显示受到哪一个质量的影响 最大。 • 图5中的信噪比(S/N)是信号/噪声响应值;最高 的信噪比意味着有最小的噪音(外部效应)就是最 佳状态。 • 图6灵敏度分析中,透过这些质量参数帮助设计者 找出优化成型条件。

    图 1:选择多项质量因子 

    图 2:选择多项控制因子

     

    图 3:分析结果          图 4:品质响应之分析结果

     

    图 5:信噪比 (S/N) 响应之分析结果       图 6:方差分析之分析结果

    实际应用DOE案例

    以一汽车手套箱内壳作案例,为降低实体试模成本的 开销,产品内装件通常利用CAE模拟分析潜在问题; 随着质量要求提升,组合公差的要求也越来越严苛, 本产品在成型阶段便力求减少翘曲变形,以期符合设计需求。由于尺寸较大(343.7 x 538.4 x 124.9 mm, 如图7),翘曲问题也较为显著,车厂希望利用CAE 与实验设计法来改善翘曲问题。模温设定为公模高、 母模低,但相较于母模侧,公模的肋条结构比较容易 出现积热的问题。考虑到目前要解决的问题是翘曲, 所以我们将质量因子定为总位移,采用望小特性,因 为越小越好。控制因子则选择几个与翘曲影响有关的 条件,第一个是熔胶温度,其高低影响熔胶的流动性, 此特性也与温度有关;第二是模温,原始的模温差约 为33.4°C,换算成华氏后,其模温差约为60°F,固定母模面温度,调整公模温度来比较;第三与第四个因子则是保压时间与保压压力。表1是以上述4个控 制因子与3个水平规划出来的L9直交表。

    图 7:汽车手套箱内壳分析模型与设计

    表 1:L9 田口直交表

    模流分析结果如下:

    图8为分析后的质量响应结果,从因子效应中可以看 出各因子对质量因子的影响,不同水平间的差异反应出该因子变动对控制因子的影响,ANOVA分析则显 示出质量因子2(模温)是贡献最多影响的因子。 图9则为信号噪声比响应结果图,信号噪声比(S/N ratio)越大,代表噪音(外在的影响)越小,因此田口方法选取信噪比最大的值作为最佳条件。信噪比之 变异数分析(ANOVA)显示贡献度最主要来自于模具 温度(B)与保压压力(D),因此我们可以得到最佳的水准依序为1、3、3、3。

    图 8:分析响应结果表

    图 9:所示波前产品两侧包封与结合线

     

    图 10:产品改善变形量结果图

    表 2:确认实验数值表

    结果与讨论:

    表2是确认实验数值表,验证藉由资料分析所得的结果是否正确,因为最佳组别就包含在分析中,所以是相同的,而能够确认的是,此组分析出的翘曲量值是所有组别中最小的。 图10则是最佳组别与原始组别的垂直方向翘曲结果, 除了量值改善外,分布也均匀许多,尤其是贡献度最多的是模具温度差,降低原先朝向母模侧的翘曲程度,成为最主要改善的因子。 从此案例分析所显示,Moldex3D提供让用户利用 田口质量工程实验设计法的优势成效,在实际上机试模前,提早预测影响产品质量较重要的参数,进一步 获取优化参数来协助现场成型人员能更快速准确的 掌握产品质量。■

    更多信息请参阅下列科盛科技网站:https://www. moldex3d.com/ch/

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